Selvdrevet mikrobiel brændselscelle biosensor til overvågning af organisk ferskvandsforurening

Udledningen af ​​organiske spildevand - biologisk nedbrydelige affaldsmaterialer fra planter og dyr - til ferskvandsområder er en væsentlig miljømæssig bekymring, der påvirker sundheden og bæredygtigheden af ​​disse akvatiske økosystemer. Men de metoder, der i øjeblikket er tilgængelige til at inspicere vandkvaliteten, er komplekse og dyre.

Forskere fra Ritsumeikan University, Japan, har for nylig udviklet en selvdrevet, billig og flydende biosensor til overvågning af vandkvaliteten ved tilførslen af ​​ferskvandssøer og floder. Undersøgelsen blev offentliggjort i Biochemical Engineering Journal den 1. november 2023.

"Vi udviklede en selvdrevet, enkeltstående, flydende biosensor baseret på en mikrobiel brændselscelle (MFC) til tidlig påvisning af organisk spildevand. MFC-huset blev fremstillet af en 3D-printer, og elektroderne blev fremstillet af lavpris kulstofbaseret materialer," siger professor Kozo Taguchi fra College of Science and Engineering, Department of Electrical and Electronic Engineering, Ritsumeikan University, der ledede undersøgelsen.

MFC'er genererer elektricitet ved hjælp af elektrogene bakterier. Disse mikroorganismer producerer en elektrisk strøm som følge af deres biologiske stofskifte. Mængden af ​​elektricitet, der genereres af MFC'en, er proportional med koncentrationen af ​​det organiske affald, der forbruges af de elektrogene mikroorganismer. Denne karakteristiske egenskab bruges derfor til at designe biosensorer for organisk affald drevet af MFC'er.

Ved at bruge billige kulstofbaserede materialer udviklede det japanske forskerhold en selvdrevet biosensor baseret på en flydende MFC (FMFC) til løbende at spore niveauet af organisk forurening i søer og floder. For at opnå dette fyldte de anoden (den elektrode, hvor der sker oxidation og elektroner afgives) af FMFC'en med jord indeholdende elektrogene bakterier. De anodiske bakterier nedbrød efterfølgende det organiske stof i vandet og omdannede den lagrede kemiske energi til elektricitet. Den elektriske effekt blev derefter brugt som et mål for det organiske affald i det forurenede vand.

Selvom forskerne ikke karakteriserede de bakteriesamfund, der var til stede i jordprøven, antog de rationelt, at mikroorganismer fra slægterne Geobacter, Shewanella og Pseudomonas bidrog til den elektriske aktivitet. Tidligere undersøgelser viser, at uafskallet jord naturligt indeholder elektrogene bakterier, der tilhører disse slægter.

Derefter tilføjede holdet en lysdiode (LED) til den flydende biosensorsamling. LED'en var i stand til at udnytte elektriciteten produceret af de elektrogene bakterier og visuelt indikere niveauet af organisk forurening i vandprøverne under undersøgelse. Det begyndte at blinke, da det kemiske iltbehov (COD) - en parameter, der bruges til at måle niveauet af organiske forurenende stoffer i vand - overskred tærskelværdien på 60 mg/L. Derudover blinkede LED'en i et øget tempo, når COD'en markant overskred tærskelværdien.

Prof. Taguchi tilføjer:"Fordi FMFC-biosensoren producerer sin egen elektricitet, kræver den ingen ekstern strømforsyning. Desuden kan den bruges i tidlige detektionssystemer, der overvåger tilstrømningen af ​​organisk spildevand i ferskvandsområder."

Flere oplysninger: Trang Nakamoto et al., Stand-alone flydende mikrobiel brændselscelle-baseret biosensor til sporing af organisk forureningstilstrømning, Biochemical Engineering Journal (2023). DOI:10.1016/j.bej.2023.109087

Leveret af Ritsumeikan University