ارزیابی اثر متیل رد و لاکتات به عنوان واسطه انتقال الکترون و منبع کربن ساده بر عملکرد الکتروشیمیایی پیل سوختی میکروبی رسوب دریاچه ارومیه

نوع مقاله: پژوهشی- فارسی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد گروه زیست‌شناسی، دانشکدۀ علوم طبیعی، دانشگاه تبریز، ایران

2 دانشیار گروه زیست‌شناسی، دانشکده علوم طبیعی، دانشگاه تبریز، ایران

3 استادیار گروه شیمی‌فیزیک، دانشکده شیمی، دانشگاه تبریز، ‌‌ایران

چکیده

مقدمه: بحران انرژی به‌علت مصرف روزافزون سوخت‌های فسیلی موضوع بسیار مهمی است؛ ازاین‌رو، منابع انرژی جایگزین دارای اهمیت فوق‌العاده‌ای هستند. از میان منابع انرژی تجدیدپذیر، فناوری پیل‌های سوختی میکروبی رسوبی بسیار مهم است؛ در این پیل‌ها با عملکرد کاتالیزوری باکتری‌های مناسب (اگزوالکتروژن[i]) انرژی شیمیایی مواد آلی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.
مواد و روش‏‏ها: در مطالعۀ حاضر، از ظروف شیشه‌ای یک لیتری به‌عنوان راکتور استفاده شد. نصف ظرف با لجن دریاچۀ ارومیه (بخش آندی) و بخش بالایی ظرف با آب دریاچۀ ارومیه (بخش کاتدی) تعبیه شد. صفحه‌های گرافیتی با مساحت سطح کاربردی 4×4 سانتی‌مترمربع (الکترود انتخابی) به سیم‌های مسی اتصال یافتند و دو بخش متأثر از مقاومت بیرونی 2/2 کیلواهم به‌ هم متصل شدند. عملکرد الکتروشیمیایی پیل‌های سوختی با استفاده از ولت‌‌متر دیجیتالی ارزیابی شد. تأثیر متیل‌رد (واسطۀ انتقال الکترون) و لاکتات (منبع سادۀ کربنی) پس‌از تعیین غلظت بهینه در سه بازۀ 15‌روزه بررسی شد.
نتایج: نتایج نشان دادند عملکرد الکتروشیمیایی پیل سوختی میکروبی رسوبی دارای متیل‌رد با دانسیتۀ توان[ii] 54/7 میلی‌وات بر متر‌مربع سطح کاربردی الکترود آندی اختلاف معناداری با پیل سوختی بدون واسطه با دانسیتۀ توان 46/0 میلی‌وات بر متر‌مربع دارد. در مقابل، پیل حاوی متیل‌رد و لاکتات دانسیتۀ توان 41/1±44/4 میلی‌وات بر متر‌مربع را نشان داد.
بحث و نتیجه‏گیری: کنسرسیوم میکروبی رسوبات الکترون‌های تولیدشده از تجزیۀ منابع آلی را به‌طور مستقیم در قالب تشکیل بیوفیلم روی الکترود آندی و یا به کمک واسطه‌های سنتتیک به الکترود آندی منتقل می‌کنند. نتایج نشان دادند افزودن واسطۀ سنتتیک خارجی متیل‌رد باعث افزایش عملکرد الکتروشیمیایی پیل سوختی می‌شود. انتظار می‌رفت پیل سوختی عملکرد بهتری در حضور منبع کربن خارجی و متیل‌رد داشته باشد، اما پیل سوختی در نبود لاکتات عملکرد بهتری نشان داد.



[i]- Exoelectrogen


[ii]- Power density

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Evaluation of Methyl Red and Lactate as a Mediator and a Simple Carbon Source on Electrochemical Performance of Urmia lake Sediment Microbial Fuel Cell

نویسندگان [English]

  • Shahnaz Mohammadi 1
  • Gholamreza Zarrini 2
  • Iraj Ahadzadeh 3
1 M.Sc., Dep. Biology, Faculty of Natural Sciences, University of Tabriz Tabriz, Iran
2 Associate professor, Dep. Biology, Faculty of Natural sciences, University of Tabriz,Tabriz, Iran
3 Assistant professor, Dep. Physical Chemistry, Faculty of Chemistry, University of Tabriz, Tabriz, Iran
چکیده [English]

Introduction: The energy crisis is an urgent issue due to the increased consumption of fossil fuels. Therefor alternative energy sources are, of critical importance. Sediment Microbial fuel cells (SMFCs) are more important among other renewable energy sources in which chemical energy in organic compounds is converted to electrical energy due to proper bacteria (exoelectrogens) catalytic activity.
Materials and methods: In this study, one liter glassy reactor was used, half of it was filled with Urmia lake sediment, where microbial consortium are present, as anodic part and upper half was filled with lake water as cathodic part. Copper wires attached to graphite electrodes 4×4 cm² (choice electrode) and via an external resistance 2/2 kΩ two sections related to each other. Electrochemical performance was evaluated by a digital voltimeter. The effectiveness of methyl red as mediator and lactate after determination of optimum concentration which is added every 15 days was evaluated. All fuel cells were studied for over 45 days of experiment.
Results: The results demonstrated the mediator SMFC with power density of 7/54 mW/m² has a distinct difference with mediator-less SMFC with power density of 0.46 mW/m². The recorded power density of SMFC with lactate and mediator was 4/44 ± 1/44 mW/m².
Discussion and conclusion: Sediment microbial consortia degrade available organic compounds and transfer to the anode electrode by using synthetic mediators. The results showed, in addition to external synthetic mediator, methyl red increases fuel cell electrochemical performance. While it was expected that fuel cell performs well in the presence of mediator and external carbon source, we witnessed better electrochemical performance in the absence of lactate.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Sediment Microbial Fuel Cells
  • Electrogens
  • Methyl Red
  • Electrochemical Performance

مقدمه

میزان مصرف سوخت‌های فسیلی با افزایش جمعیت، پیشرفت علم و سرعت‌گرفتن اقتصاد جهانی افزایش یافته است؛ ازاین‌رو، جهان کنونی نیازمند توسعۀ فناوری‌ها و منابع نوینی از انرژی‌های تجدپذیر برای جایگزینی سوخت‌های فسیلی است (1).

اگرچه امروزه منابع انرژی تجدیدپذیر متنوعی کاربردی شده‌اند، استخراج انرژی از ریزموجودات حاضر در زیست‌توده (الکتروژن‌ها) نظر بیشتر پژوهشگران را به خود جلب کرده است. الکتروژنها توانایی حذف آلودگی‌ها و تولید الکتریسیته را به‌طور هم‌زمان دارند؛ بنابراین استفاده از آنها در قالب پیل سوختی میکروبی یکی از فناوری‌های مطمئن در این زمینه است (1 و 2).

سیستم‌های الکتروشیمیایی میکروبی تجهیزات بیوالکتروشیمیایی هستند که از متابولیسم ریزموجودات تولیدکنندۀ الکتریسیته یا هر محصول مفید دیگری بهره می‌برند. این ریزموجودات به‌شکل خالص و یا در قالب کنسرسیوم‌های میکروبی موجود در رسوبات استفاده می‌شوند. معرفی کنسرسیوم میکروبی حاضر در رسوبات محیط‌های افراطی که برای اشکال زیستی دیگر محیط‌ها بسیار نامطلوب هستند باعث گشایش دری به‌سوی مطالعۀ این ریزموجودات طی فرایندهای زیست‌تخریب‌پذیر در این سیستم‌ها شده است (3 و 4).

با‌توجه‌به پژوهش‌های انجام‌شده در حوزۀ سیستم‌های سوختی، پیل سوختی میکروبی رسوبی[1] دارای یکی از ساده‌ترین طرح‌ها در میان معماری‌های پیچیدۀ پیل‌های سوختی است. اگرچه استخراج الکترون از ترکیبات آلی ذخیره‌شده در رسوبات به‌وسیلۀ ریزموجودات حاضر برای تأمین انرژی لازم سنسورهای کارگذاشته‌شده در مناطق دور از دسترس مانند اقیانوس‌ها اصلی‌ترین اهمیت پیل سوختی میکروبی رسوبی است به‌علت مقاومت داخلی بسیار زیاد، بازده توان کمی از این پیل‌ها گزارش شده است (2 و 5).

شاخص‌های مختلفی بر عملکرد پیل سوختی میکروبی رسوبی تأثیر می‌گذارند و داشتن شناخت کافی از این شاخص‌ها گام مهمی برای بهینه‌سازی عملکرد این نوع سیستم‌های الکتروشیمیایی است. در مطالعه‌های بهینه‌سازی این سیستم‌ها ثابت شده است با افزایش قدرت یونی الکترولیت در بازۀ معینی که تأثیر منفی بر عملکرد زیستی ریزموجودات نداشته باشد، کاهش مقاومت درونی به‌علت افزایش سرعت انتقال الکترون‌ها مشاهده می‌شود؛ پس علاوه‌بر عملکرد الکتروشیمیایی الکتروژن‌ها، رسانایی کاتولیت نیز در عملکرد کلی پیل دخالت دارد (3 و 6).

ریزموجودات تنفس‌کنندۀ آندی سه راه برای انتقال الکترون‌های آزاد‌شده از تجزیۀ منابع آلی پیش رو دارند: یک روش انتقال مستقیم الکترون به‌واسطۀ سیتوکروم‌های c[2] از خلال بیوفیلم تشکیل‌شده در سطح آند به الکترود آندی است (7)؛ راهکار دوم به برخی از باکتری‌ها مربوط است که در شبکۀ بیوفیلمی قادر به ایجاد زایده‌های فعال ازنظر الکتروشیمیایی به نام پیلی[3] یا نانووایر[4] هستند که همانند مجرایی به سطح الکترود متصل می‌شود و الکترون‌های آزادشده را منتقل می‌کند. باکتری‌های Shewanella oneidensis MR1 و sp. Geobacter از پیلی‌های رسانا برای انتقال الکترون استفاده می‌کنند؛ در روش سوم، واسطه‌هایی انتقال الکترون‌ها را انجام می‌‌دهند که به‌طور زیستی به‌وسیلۀ ریزموجودات الکتروژن ترشح می‌شوند. Pseudomonas aeruginosa فلاوینی ترشح می‌کند که واسطۀ زیستی در عمل انتقال الکترون است (7-9).

برخی الکتروژن‌ها نمی‌توانند واسطه‌ها را ترشح کنند و بنابراین نیازمند افزوده‌شدن واسطه‌های خارجی‌اند؛ برای نمونه، پیل سوختی دومحفظه‌ای تلقیح‌شده با Saccharomyces cerevisiae پس‌از افزوده‌شدن تیونین[5] افزایش معناداری در توان خروجی پیل نشان می‌دهد (10). رنگ‌های ردوکس ازنظر نقش رسانایی بین الکتروژن‌ها و الکترود بررسی شده‌اند و متیلن‌بلو[6] به‌علت پایداری زیاد و طبیعت برگشت‌پذیر، نظر بیشتر پژوهشگران را به خود جلب کرده است (11 و 12).

منابع غذایی از دیگر شاخص‌های مؤثر بر عملکرد پیل‌های میکروبی هستند. انواع متنوعی از منابع کربن و نیتروژن (مادۀ اولیه) در سیستم‌های سوختی بررسی شده‌اند و بازدۀ الکتروشیمیایی متفاوتی بسته به توانایی متابولیکی اجتماع میکروبی گزارش شده است. لاکتات یکی از اصلی‌ترین واسطه‌های فرایند تخمیر است که به‌طور گسترده در پیل‌های سوختی مطالعه شده و در بیشتر نمونه‌ها، عملکرد الکتروشیمیایی معناداری در بازه‌های زمانی کوتاه گزارش شده است (13). بررسی‌هایی نیز در زمینۀ تأثیر درصد زیاد نمک در رسوبات بر عملکرد الکتروشیمیایی پیل‌های سوختی انجام شده است (14).

در مطالعۀ حاضر، رسوبات دریاچۀ ارومیه (دریاچۀ اشباع نمکی) واقع در شمال‌غرب ایران به‌علت شرایط محیطی خاص ازنظر ترکیبات رسوبی و غلظت نمک که به‌ویژه با پایین‌رفتن سطح آب به بیش از حد اشباع رسیده است برای بررسی میزان قابلیت الکتروشیمیایی کنسرسیوم افراطی آن استفاده شد. باتوجه‌به سیستم کنسرسیومی برای بهبود عملکرد پیل، متیل‌رد از بین واسطه‌های سنتتیک معرفی‌شده در منابع و لاکتات برای افزایش محتوای ترکیبات آلی به سیستم اضافه شدند (15). اگرچه تاکنون بررسی‌هایی دربارۀ پیل‌های سوختی رسوبی انجام شده است به‌کارگیری کنسرسیوم میکروبی افراطی رسوبات دریاچۀ ارومیه در نوع خود تازگی دارد.

 

مواد و روش‌ها

نمونه‌برداری:آب و رسوبات متراکم از کف دریاچۀ ارومیه، مرز بین آذربایجان شرقی و آذربایجان غربی جمع‌آوری شد. نمونه‌ها در آزمایشگاه میکروبیولوژی دانشگاه تبریز در دمای 4 درجۀ سانتی‌گراد و درون ظروف پلاستیکی نگهداری شدند (1).

طراحی پیل سوختی میکروبی:پیل سوختی به‌کار‌رفته در مطالعۀ حاضر، پیل سوختی میکروبی رسوبی تک‌محفظه‌ای بدون استفاده از غشای تبادل یونی[7] بود. از صفحه‌های گرافیتی با مساحت سطح کاربردی 4×4 سانتی‌مترمربع (16 سانتی‌مترمربع) به‌عنوان الکترود استفاده شد. سیم‌های مسی به الکترودها متصل شدند و تمام قسمت فلزی سیم به‌طور کامل با چسب درزگیری شد. لوله‌های تفلونی[8] به طول 9 سانتی‌متر و قطر 5/1 سانتی‌متر پل ارتباطی بین دو الکترود حاضر در نظر گرفته شدند. ظروف شیشه‌ای یک لیتری محفظۀ بیوراکتور در نظر گرفته شدند و نصف ظرف با رسوبات دریاچه ارومیه پر شد (جایی که الکترود آندی میان رسوبات بی‌هوازی مدفون شد) و نصف باقیماندۀ ظرف با آب دریاچه پر شد که الکترود کاتدی حضور داشت؛ علاوه‌بر‌این، الکترودها با مدار الکتریکی خارجی متأثر از مقاومت ثابت بیرونی 2/2 کیلواهم به هم متصل شدند.

ارزیابی عملکرد پیل‌های سوختی:پیل‌های سوختی طی بازه‌های زمانی 45‌روزه مطالعه شدند. ولتاژ پیل‌ها با ولت‌‌متر دیجیتال و جعبۀ مقاومت لگاریتمی در بازۀ بین 56 اهم تا 100 مگااهم اندازه‌گیری شد. داده‌های حاصل برای رسم منحنی پولاریزاسیون و منحنی دانسیتۀ توان استفاده شدند که به سطح عملکردی الکترود آندی (مساحت الکترود آندی) نرمال شدند (15).

متیل‌رد با غلظت 1 میلی‌مولار به آنولیت پیل سوختی افزوده شد و لاکتات (مادۀ اولیۀ خارجی) در غلظت‌های 46/2 و 4 گرم در لیتر در بازه‌های زمانی 15‌روزه و در سه نوبت برای تعیین غلظت بهینۀ لاکتات به بخش آندی تزریق شد. درنهایت، پیل سوختی میکروبی رسوبی در حضور واسطه‌گری متیل‌رد و غلظت بهینۀ لاکتات ارزیابی شد.

 

نتایج

برای بررسی تأثیر واسطۀ خارجی و منبع کربن، متیل‌رد با غلظت 1 میلی‌مولار به بخش کاتدی پیل سوختی و لاکتات به بخش آندی افزوده شدند. سیستمی که متیل‌رد دریافت کرد عملکرد الکتروشیمیایی بهتری نشان داد؛ به عبارتی، از پیل دریافت‌کنندۀ متیل‌رد ولتاژ 3/121 میلی‌ولت و از پیل شاهد در غیاب متیل‌رد ولتاژ 6/33 میلی‌ولت ثبت شد. منحنی ولتاژ در پیل دریافت‌کنندۀ واسطه با‌وجود نوسانات در بازه‌های کوچک الگوی پایداری را دنبال کرد که علت را باید در طبیعت پیچیدۀ رسوبات دریاچۀ ارومیه جستجو کرد (شکل 1). نمودار پولاریزاسیون (D) در شکل 1 و شکل متقارن آن گواه عملکرد بهینۀ پیل سوختی است.

 

   
   

شکل 1- مقایسۀ عملکرد الکتروشیمایی پیل سوختی میکروبی رسوبی در حضور و نبود واسطه؛ A. نمودار ولتاژ،B . نمودار دانسیتۀ جریان، C. نمودار دانسیتۀ توان، D. نمودار پولاریزاسیون

 

برای تعیین غلظت بهینۀ لاکتات، این منبع کربن ساده در غلظت‌های 46/2 و 4 گرم در لیتر به بخش آندی پیل‌های سوختی افزوده شد و عملکرد الکتروشیمیایی پیل‌ها ارزیابی شد. در هر دو پیل سوختی تغذیه‌شده با لاکتات، نوسانات در عملکرد کلی پیل مشاهده شد و ماهیت پیچیدۀ رسوبات دریاچۀ ارومیه علت این امر بود. اطلاعات الکتروشیمیایی هر دو نوع پیل سوختی در جدول 1 خلاصه شده است.

 

جدول 1- اطلاعات الکتروشیمیایی پیل سوختی میکروبی رسوبی تغذیه‌شده با لاکتات در غلظت‌های 46/2 و 4 گرم در لیتر

پیل سوختی میکروبی رسوبی

ولتاژ (میلی‌ولت)

دانسیتۀ توان (میلی‌وات بر مترمربع)

دانسیتۀ جریان (میلی‌آمپر بر مترمربع)

پیل سوختی تغذیه‌شده با 46/2 گرم‌درلیتر لاکتات

7/62

75/0

75/18

پیل سوختی تغذیه‌‌شده با 4 گرم‌درلیتر لاکتات

110

79/4

125

 

با بررسی نتایج عملکرد الکتروشیمیایی پیل‌های تغذیه‌شده با لاکتات، عملکرد الکتروشیمیایی پایدار و بهتر پیل سوختی دریافت‌کنندۀ 4 گرم در لیتر لاکتات مشاهده شد (شکل 2)؛ بنابراین، غلظت 4 گرم در لیتر لاکتات برای ارزیابی عملکرد الکتروشیمیایی پیل سوختی میکروبی رسوبی در حضور واسطه‌گری متیل‌رد انتخاب شد.

دانسیتۀ توان 44/1±44/4 میلی‌وات بر مترمربع، دانسیتۀ جریان 37/109 میلی‌آمپر بر مترمربع و ولتاژ 3/21±15/109 میلی‌ولت نتایج ثبت‌شدۀ عملکرد الکتروشیمیایی پیل سوختی دریافت‌کنندۀ متیل‌رد و خوراک‌دهی‌شده با 4 گرم در لیتر لاکتات هستند (شکل 3). اگرچه با افزودن لاکتات به پیل سوختی با واسطه‌گری متیل‌رد انتظار می‌رفت عملکرد الکتروشیمیایی بهبود یابد، تغییر خاصی در دانسیتۀ جریان و ولتاژ مشاهده نشد؛ در مقابل، دانسیتۀ توان تقریباً 3 واحد کاهش نشان داد (جدول 2).

 

 
 
 

شکل 2- عملکرد الکتروشیمیایی مقایسه‌ای پیل سوختی میکروبی تغذیه‌شده با غلظت‌های 64/2 و 4 گرم در لیتر لاکتات؛ A. دانسیتۀ جریان، B. ولتاژ، C. دانسیتۀ توان

 
 
 

شکل 3- نمودارهای الکتروشیمیایی پیل دریافت‌کنندۀ متیل‌رد و 4 گرم در لیتر لاکتات؛ A. دانسیتۀ جریان، B. ولتاژ، C. دانسیتۀ توان

 

جدول 2- اطلاعات الکتروشیمیایی پیل‌های سوختی میکروبی متأثر از واسطه‌گری متیل‌رد و 4 گرم در لیتر لاکتات

پیل سوختی میکروبی رسوبی

ولتاژ (میلی‌ولت)

دانسیتۀ توان (میلی‌وات بر مترمربع)

دانسیتۀ جریان (میلی‌آمپر بر مترمربع)

پیل سوختی بدون واسطه

6/33

46/0

62/40

پیل سوختی با واسطه

33/121

54/7

5/187

پیل سوختی با واسطه تغذیه‌شده با لاکتات

3/21±15/109

44/1±44/4

37/109

بحث و نتیجه‌گیری

ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی هر پیل سوختی ازجمله مساحت آندی، مساحت کاتدی، نوع پیل سوختی، مادۀ واسطۀ افزوده‌شده، منبع تغذیه و نوع کنسرسیوم و ... منحصربه‌فرد هستند و به‌سختی با سایر پیل‌های سوختی مقایسه می‌شوند؛ به عبارت دیگر، شرایط فیزیکوشیمیایی برای مقایسۀ دو پیل سوختی باید یکسان باشد و بنابراین برای مقایسۀ عملکرد الکتروشیمیایی با درنظرگرفتن تفاوت‌های منحصر‌به‌فرد هر نوع سیستم باید مؤلفه‌های توان، جریان و ولتاژ به نسبت مساحت سطح آندی موازنه شوند (15).

در پیل‌های سوختی میکروبی رسوبی با استفاده از رسوبات دریاچۀ نمک سیرالز[ix] و الکترودهایی از جنس دیسک گرافیت (قطر 5/2 سانتی‌متر در ضخامت 3/1 سانتی‌متر) دانسیتۀ توان 3/1 میکرووات بر مترمربع و در پیل سوختی میکروبی رسوبی مشابه با استفاده از رسوبات دریاچۀ مونو[x] واقع در کالیفرنیا دانسیتۀ توان 19000 میکرووات بر مترمربع گزارش شده است. پیل سوختی مشابه در مطالعۀ حاضر، 460 میکرووات بر مترمربع را نشان داد. اجتماع ریزموجودات متفاوت در محیط‌های نمکی متفاوت علت اختلاف عملکرد الکتروشیمیایی مشاهده‌شده است (16).

در مطالعه‌ای دیگر، پیل سوختی طراحی‌شده با استفاده از گل شالیزار (منبع تلقیح) در غلظت‌های مختلف نمک سدیم‌کلراید نشان داد بازدۀ توان تولیدی با افزایش غلظت نمک در بازه‌ای خاص افزایش می‌یابد. پتانسیل 18±816 میلی‌ولت در پیل سوختی با غلظت نمک 1/0 مولار گزارش شد که با افزایش غلظت نمک به 6/0 مولار به ولتاژ 15±257 میلی‌ولت کاهش یافت و در پیل سوختی با غلظت نمک 8/1 مولار ولتاژ به کمترین حد خود (47±247 میلی‌ولت) رسید. در نتیجه، الکتروژن‌ها برای عملکرد بهینه به قدرت یونی مشخصی نیازمند هستند و باوجوداین، الکتروژن‌های نمک‌دوست برای عملکرد ایده‌ال به قدرت یونی افراطی نیاز دارند (6، 17 و 18).

پیل سوختی میکروبی رسوبی به شیب غلظت اکسیژن بین دو بخش آندی و کاتدی وابسته است. مولکول اکسیژن به‌علت پتانسیل ردوکس زیاد پذیرندۀ نهایی الکترون ایده‌آلی است. در زمینۀ پیل سوختی میکروبی رسوبی، اکسیژن حل‌شده در کاتولیت که در ارتباط مستقیم با کاتد است پذیرندۀ نهایی الکترون است. برای افزایش عملکرد الکتروشیمیایی، واسطه‌های الکترونی متفاوتی در بخش کاتدی مطالعه شده‌‌اند که بازده توان خروجی سیستم را با افزایش سرعت انتقال الکترون و جلوگیری از اتلاف الکترونی افزایش می‌دهند؛ برای نمونه، پتاسیم‌فری‌سیانید[xi] بازدۀ توان را 5/1 تا 8/1 برابر اکسیژن محلول افزایش می‌دهد. با روکش‌دارکردن الکترود کاتدی با پلاتینیوم افزایش معناداری در عملکرد سیستم مشاهده می‌شود؛ هرچند به‌علت تولید محصولات سمی طی واکنش با مواد اولیۀ رسوبی، کاتالیست مناسبی در این نوع پیل‌ها به حساب نمی‌آید (10).

الکترون‌های تولید‌شده طی تنفس بی‌هوازی ریزموجودات موجود در بخش آندی (در صورت تشکیل‌نشدن بیوفیلم روی الکترود) برای انتقال به سطح الکترود به واسطه‌گری واسطۀ الکترونی متکی هستند. انواع واسطه‌های الکتروشیمیایی طبیعی (ترشح‌شده از کنسرسیوم) مانند فلاوین[xii]، کویینون[xiii]، فررودوکسین[xiv]، سیتوکروم[xv]ها و انواع واسطه‌های سنتتیک مانند متیلن‌بلو[xvi]، متیل‌اورنژ[xvii]، نوترال‌رد[xviii] و سایر معرف‌ها در پژوهش‌ها مطالعه شده‌اند (15-18).

در مطالعۀ رحیم‌نژاد و همکاران، دانسیتۀ توان در پیل سوختی میکروبی دومحفظه‌ای تلقیح‌شده با S. cerevisiaeبرابر3 میلی‌وات بر مترمربع گزارش شده است؛ درحالی‌که دانسیتۀ توان در حضور تیونین ( واسطۀ خارجی) با غلظت 500 میکرومولار برابر 60 میلی‌وات بر مترمربع به دست آمده است (9).

متیلن‌بلو رنگ ردوکسی است که به‌علت پایداری بسیار زیاد و ویژگی تجدیدپذیری مرکز توجه‌ها در پژوهش‌های پیل‌های سوختی میکروبی دومحفظه‌ای بوده است. در پیل سوختی دو‌محفظه‌ای تلقیح‌شده با E. coli به‌عنوان کاتالیست زیستی و در حضور متیلن‌بلو، دانسیتۀ توان 94/263 میلی‌وات بر متر‌مربع گزارش شد (11 و 12).

در مطالعۀ حاضر، عملکرد پیل سوختی میکروبی رسوبی با استفاده از رسوبات دریاچۀ ارومیه بررسی شد که به‌علت غلظت زیاد نمک به‌ویژه در سال‌های اخیر محیط کاملاً ویژه‌ای محسوب می‌شود. بسیاری از ریزموجودات در پیل‌های سوختی ازنظر الکتروشیمیایی در حد بسیار کم فعال هستند و قابلیت تشکیل بیوفیلم را ندارند؛ بهترین انتخاب در این‌ نمونه‌ها، افزودن واسطۀ خارجی در غلظت بهینه برای پیشبرد فرایند است (17)؛ ازاین‌رو، به نظر می‌رسد افزودن واسطه‌های انتقال الکترون کارایی سیستم را افزایش دهد. با استناد به مقاله‌های معتبر، متیل‌رد و متیل‌اورنژ ازجمله ترکیبات واسطه در انتقال الکترون هستند (14)؛ به عبارت دیگر، مولکول متیل‌رد در حالت احیا الکترون را از کنسرسیوم میکروبی دریافت می‌کند و به الکترود آندی انتقال می‌دهد و با این عمل، روند اتلاف الکترون را کاهش می‌دهد و میزان انتقال الکترون را تسریع می‌کند. در سیستم حاضر، متیل‌رد با غلظت 1 میلی‌مولار به آنولیت پیل سوختی افزوده شد و با افزایش بازدۀ توان تا سقف 54/7 میلی‌وات بر مترمربع افزایش تقریباً دو برابری نسبت به پیل شاهد 46/0 میلی‌وات بر مترمربع مشاهده شد (شکل 1) که هم‌راستا با مطالعه‌های پیشین بازگو‌کنندۀ این حقیقت است که کنسرسیوم موجود در لجن دریاچۀ ارومیه با واسطه‌گری متیل‌رد در غلظت به‌کار‌رفته عملکرد بهتری دارد.

منبع انرژی یا مادۀ اولیه یکی از عوامل محدودکنندۀ عملکرد بهینۀ پیل سوختی است (19). رسوبات دریاچۀ ارومیه علاوه‌بر شرایط افراطی نمک دارای ارزش غذایی محدودی ازنظر محتوای مواد آلی نسبت به رسوبات دیگر است؛ ازاین‌رو، در بررسی حاضر از لاکتات برای منبع کربن و انرژی خارجی استفاده شد. افزودن لاکتات موجب افزایش ناگهانی با پایداری کوتاه‌مدت در عملکرد کلی سل شد؛ این گونه افزایش فعالیت در حضور لاکتات در بررسی‌های مشابه نیز گزارش شده است (20).

فوتاماتا و همکاران[xix] در مطالعۀ خود از محیط بی‌هوازی غنی‌شده با خاک همراه با 20 میلی‌مولار لاکتات در پیل‌های سوختی دومحفظه‌ای با کارگذاشتن صفحه‌های گرافیتی با مساحت سطحی 60 سانتی‌مترمربع در بازۀ زمانی 16روزه، دانسیتۀ توان 320 میلی‌وات بر متر‌مربع را گزارش کردند که به‌طور معناداری با نتایج مطالعۀ حاضر (44/1±44/4 میلی‌وات بر متر‌مربع با مساحت سطحی 16 سانتی‌متر‌مربع) متفاوت است (21)؛ شاید غنی‌بودن منبع آلی در شرایط متعارف نسبت به شرایط افراطی رسوبات نمکی دریاچه علت تفاوت عملکرد پیل‌ها باشد.

در مطالعۀ مشابهی گزارش شده است با افزایش غلظت لاکتات (دهندۀ الکترون) از 2/1 میلی‌مولار به 8/3 میلی‌مولار کاهش چشمگیری در عملکرد الکتروشیمیایی مشاهده می‌شود. علت این امر، احتمال پیشرفت رشد زیست‌توده یا متابولیسمی است که به تولید الکتریسیته منجر نمی‌شود و به‌علت حضور پذیرندۀ الکترون دیگر در انتقال الکترون دخالت می‌کند و یا با پیچیده‌شدن اجتماع میکروبی، الکترون‌های تولید‌شده به مصرف تعدادی از اعضای میکروبی می‌رسند (3 و 13).

در مطالعه‌ای برای بررسی طیف وسیعی از مواد اولیۀ ساده و پیچیده با مساحت سطح الکترود آندی 125 سانتی‌مترمربع در سیستم پیوسته از Entrobacter ludwigii استفاده شد. باکتری یادشده به‌علت داشتن آنزیم‌های متفاوت دارای قابلیت استفاده از مواد اولیۀ متنوعی است و دانسیتۀ جریان متفاوتی در حضور مواد اولیۀ مختلف تولید می‌کند، مانند mA/m² 3/6 ±144 سیترات، mA/m² 3/7±118 سلولز، mA/m² 9/0±93 استات و mA/m² 01/1±60 لاکتات (22)؛ بنابراین، درون کنسرسیوم‌های میکروبی ممکن است یک باکتری به‌تنهایی قادر به تجزیۀ مواد مختلف ساده و پیچیده باشد که در هر شرایطی شاهد عملکرد مثبت سیستم خواهیم بود.

استفاده از ریزموجودات افراطی در سیستم‌های سوختی به‌تازگی مطرح شده است و بررسی ترکیب مواد اولیۀ مختلف در چنین محیط‌های پیچیده‌ای که قابلیت تحمل نوسانات محیطی در بازه‌های معنادار را دارند ازنظر امکان کاربردی‌کردن تولید انرژی و رفع آلودگی‌ها مهم به نظر می‌رسد.



[1]- Sediment microbiall fuel cell

[2]- C-type cytochrome

[3]- Pili

[4]-Nanowire

[5]- Thionin

[6]- Methylene blue

[7]- Ion exchange membrane

[8]- Teflon® pipes

[ix]- Searles lake

[x]- Mono lake

[xi]- Potassium ferricyanide

[xii]- Flavin

[xiii]- Quinone

[xiv]- Ferredoxin

[xv]- Cytochrome

[xvi]- Methylene blue

[xvii]- Methyl orange

[xviii]- Neutral red

[xix]- Futamata

(1)              Vaez M., Karami-Rad S., Tavakkoli S., Diba H. Microbial fuel cells, features and developments. Current World Environment Journal 2015; 10(1):637-643.
(2)              Owen NA., Inderwildi OR., King DA. The status of conventional world oil reserves-hype or cause for concern? Energy Policy 2010; 38(8): 4743-4749.
(3)              Dopson M., Ni G., HJA Sleutels T. Possibilities for extremophilic microorganisms in microbial electrochemical systems. FEMS Microbiology Reviews 2015; 40(2): 164-181.
(4)              Du Y., Feng Y., Teng Q., Li H. Effect of inorganic salt in the culture on microbial fuel cells performance. International Journal of Electrochemicl Sicence 2015; 10:1316-1325.
(5)              Thomas YR., Picot M., Carer A., Berder O., Sentieys O., Barrière F. A single sediment-microbial fuel cell powering a wireless telecommunication system. Journal of Power Sources 2013; 241: 703-708.
(6)              Jung SP., Yoon MH., Lee SM., Oh SE., Kang H., Yang JK. Power generation and anode bacterial community compositions of sediment fuel cells differing in anode materials and carbon sources. International Journal of Electrochemical Science 2014; 9(1):315-326.
(7)              Kouzuma A., Kasai T., Hirose A., Watanabe K. Catabolic and regulatory systems in Shewanella oneidensis MR-1 involved in electricity generation in microbial fuel cells. Frontiers in microbiology 2015; 6: 609.
(8)              Hosseini MG., Ahadzadeh I. Electrochemical impedance study on methyl orange and methyl red as power enhancing electron mediators in glucose fed microbial fuel cell. The Journal of Taiwan Institute of Chemical Engineers2013; 44(4):617-621.
(9)              Rahimnejad M., Najafpour GD., Ghoreyshi AA., Talebnia F., Premier GC., Bakeri G., et al. Thionine increases electricity generation from microbial fuel cell using Saccharomyces cerevisiae and exoelectrogenic mixed culture. The journal of Microbiology 2012; 50(4): 575-580.
(10)          Rahimnejad M., Adhami A., Darvari S., Zirepour A., Oh SE. Microbial fuel cell as new technology for bioelectricity generation: A review. Alexsandria Engineering Journal2015; 54(3): 745-756.
(11)          Godwin J. Immobilized mediator electrodes for microbial fuel cells [Desirtation].Saskatoon: Saskatchewan univ; 2011.
(12)          Xi MY., Sun YP. Preliminary study on E. coli microbial fuel cell and on-electrode taming of the biocatalyst. The Chinese Journal of Process Engineering. 2008; 8(6): 1179-1184.
(13)          Nielsen ME., Wu DM., Girguis PR., Reimers CE. Influence of substrate on electron transfer mechanisms in chambered benthic microbial fuel cells. Environmental Science & Technology 2009: 43(22):8671-8677.
(14)          Lefebvre O., Quentin S., Torrijos M., Godon J., Delgenes J., Moletta R. Impact of increasing NaCl concentrations on the performance and community composition of two anaerobic reactors. Applied. Microbiology. Biotechnology 2007; 75(1): 61-69.
(15)          Abbas SZ., Rafatullah M., Ismail N., Syakir MI. A review on sediment microbial fuel cells as a new source of sustainable energy and heavy metal remediation: mechanisms and future prospective. . International Journal of Energy Research; 2017. Published online in Wiley Online Library (wileyonlinelibrary.com). DOI: 10.1002/er.3706.
(16)          Miller LG., Oremland RS. Electricity generation by anaerobic bacteria and anoxic sediments from hypersaline soda lakes. Extremophiles 2008; 12(6): 837-848.
(17)          Di Lorenzo M., Scott K., Curtis TP., Head IM. Effect of increasing anode surface area on the performance of a single chamber microbial fuel cell. Chemical Engineering Journal 2010; 156(1): 40-48.
(18)          Marcelinus Ch., Domenico F., Grazia A., Sung PY., Yongchai K. Effects of methylene blue and methyl red mediators on performance of yeast based microbial fuel cells adopting polyethylenimine coated carbon felt as anode. Journal of Power Sources 2018;39; 1-11. doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.06.005
(19)          Wu W., Yang F., Liu X., Bai L. Influence of substrate on electricity generation of Shewanella loihica PV-4 in microbial fuel cells. Microbial Cell Factories 2014; 13(1): 69.
(20)          Nielsen ME., Wu DM., Girguis PR., Reimers CE. Influence of substrate on electron transfer mechanisms in chambered benthic microbial fuel cells. Environmental Science & Technology 2009; 43(22): 8671-8677.
(21)          Futamata H., Bretschger O., Cheung A., Kan J., Owen R., Nealson KH. Adaptation of soil microbes during establishment of microbial fuel cell consortium fed with lactate. Journal of Bioscience and Bioengineering 2013; 115(1): 58-63.
Feng C., Li J., Qin D., Chen L., Zhao F., Chen S., et al. Characterization of exoelectrogenic bacteria Enterobacter strains isolated from a microbial fuel cell exposed to copper shock load. PLoS ONE 2014; 9(11): e113379.