Mikrobiella bränsleceller (MFC) i miniformat har stor potential som mätmetod i realtid för olika ämnen. Omgivningens påverkan behöver dock klarläggas och här har inverkan av temperatur, pH och konduktivitet undersökts plus att olika formaldehyd- och atrazinkoncentrationer provats.
Av: Jörgen Hanaeus
Mikrobiella bränsleceller är intressanta som lågkostnadsteknik för vattenanalyser i fält i realtid. Här har utsignalens påverkan av pH, konduktivitet och temperatur undersökts. pH hade störst inflytande med 0,531 µA/cm2 i strömvariation per pH-enhet. Temperatur och konduktivitet hade klart mindre inflytande med 0,010 per ºC och resp 0,027 per mS/cm.
Försök genomfördes att detektera den vanliga pesticiden atrazin i artificiellt avloppsvatten med en MFC biosensor och utfallet blev en sänkning av strömstyrkan i cellen med 1,39±0,26 µA/ ppm, cm2.
Bakgrund
I en mikrobiell bränslecell (MFC) arbetar via elektroder elektrogena mikroorganismer i en biofilm med att bryta ner organiskt material och genererar då elektrisk ström. När den så aktiva biofilmen utsätts för ett störande ämne kan effekten mätas som en förändring i strömstyrkan som inom ett definierat område beror på ämnets koncentration. Därigenom kan vattenkvaliteten beskrivas i kvantitativa termer. Intresset för MFC:s beror på enkel drift (ingen extern enhet behövs), kort responstid, robust långtidsfunktion, låg kostnad och förmåga att reagera på många toxiska ämnen. De har utvecklats för tungmetaller (Hg, Pb, Ni, Cr, Cd) samt för mätning av formaldehyd och BOD. Av pesticider finns studier av diazinon och bentazon.
Många studier gäller makroskalans tvåkammarsystem, varför det är av intresse att undersöka möjligheten till enkammarsystem, särskilt för miniatyrenheter då MFC:s ska användas för mätändamål.
Responsen från ämnen i MFC:s kan påverkas av naturliga förändringar i omgivningen, såsom temperatur, pH, salthalt och BOD. Låg temperatur t ex, har visats sakta ner strömsvaret med upp till 50 %.
Här undersöks därför inverkan av temperatur, pH och jonstyrka på miniatyr – MFC av enkammarsystem och avsedd för mätning av pesticider i vatten. Formaldehyd- och atrazindosering testas därefter.
Material och metod
En enkammars miniatyr MFC i materialet polydimethylsiloxane (PDMS) med måtten 8*4*4 mm3 (128µL) användes. Anod- och katod var av typ kolduk, vardera med 0.32 cm2 exponerad yta och med katoden i kontakt med luft. Strömkretsen slöts med voltmeter och extern resistans. Artificiellt avloppsvatten med bl a kaliumacetat och 1 % anaerobt avloppsslam användes.
De elektrokemiskt aktiva bakterierna fick tillväxa vid anoden under 7 dygn. Efter stabilisering stördes cellen med olika tillsatser i avloppsvattnet. Temperaturen varierades mellan 10 och 40 ºC, pH mellan 6,3 och 12,5 och, via salttillsats, varierades konduktiviteten mellan 10 och 112 mS/cm. Försöken drevs till dess att potentialförändringen över cellen blev <0,02 mV/min.
Därefter testades MFC:s för formaldehyd (10-2000 ppm) och atrazin (0,05-10 ppm). Först utan, sedan med störningar enligt ovan. Vid påverkan noterades responstiden, med vilken menas tiden för att nå 95 % av det nya jämviktsvärdet. Med återgångstiden menas tiden för att nå 95 % av utgångsvärdet före störning.
Maximal effekt över MFC:n var 0,36 mW/m2 vid en strömtäthet av 19 mA/m2 och externa motståndet 30 kΩ.
Resultat
Temperaturpåverkan gav linjär ökning av strömstyrkan inom 15-30 ºC med gradienten 0,010±0,001 µA/ ºC, cm2. Vid ca 35 ºC avtog denna effekt, sannolikt för att bakterierna besvärades av hög temperatur varvid elektronemissionen avtog. Efter varje temperatursteg blev återgångstiden till ny jämvikt ca 47 min.
Inverkan av pH var förhållandevis starkare. Responstiden för efter varje pH-enhetssteg var 83 min och mellan pH 7,5 och 10.9 var gradienten linjär; 0,531±0,064 µA/pH-steg, cm2.
Beträffande konduktiviteten ökade strömstyrkan upp till 36 mS/cm och avtog sedan. Gradienten blev 0,027±0,003 µA/cm2, mS/cm. Responstiden var klart längre än för de tidigare visade; 127 min.
Då COD-styrkan i avloppsvattnet ökades med kaliumacetatdosering reagerade biofilmen med sensitivitet av 0,030±0,003 µA/mM, cm2 och en responstid på ca 57 min. Vid en koncentration > 100 mM skedde ingen strömökning.
Vid 10 minuters formaldehyddosering med koncentrationer > 10 ppm erhölls en strömminskning som var proportionell mot doseringen. Responstiden var kort, ca 5 min och återgångstiden 67 min. För lägre koncentrationer noterades ingen minskning. Vid koncentrationer> 2 000 ppm fungerade inte återgången; biofilmen hade tagit permanent skada.
Vid 30 min atrazindosering mellan 0,05 och 0,3 ppm, erhölls en snabb (9 min) minskning av strömstyrkan, 1,4 µA/ ppm, cm2, följd av en återgångstid (29 min).
Slutsatser
Mycket utvecklingsarbete pågår vad gäller optimering av mikrobiella bränsleceller för olika ändamål och den föreliggande studien bidrar med storlek på tänkbara störningar från omgivningsparametrar och kunskap om tidsförloppen vid mätningsarbeten. Målet med snabb onlinemätning hägrar, men till marknadspresentation återstår ännu en hel del insatser.
Källa: Chouler, Jon 1,2), Di Lorenzo, Mirella.1), 2019): Pesticide detection by a miniature microbial fuel cell under controlled operational disturbances. Water Science & Technology, 79.12, pp 2231-2241.
Hela artikeln från Water Science & Technology finns att köpa här.
Författarna från:
- Centre for Biosensors, Bioelectronics snd Biodevices and Department of Chemical Engineering, University of Bath, Bath BA2 7AY, United Kingdom.
- Centre for Sustainable Chemical Technologies, University of Bath, Bath BA2 7AY, United Kingdom.
Kontakt: m.di.lorenzo@bath.ac.uk
