Mikrobiella bränsleceller kan komma att utgöra nästa generation av miljösensorer. Inom avloppsområdet är de högintressanta för bl a mätning av organiskt material samt toxicitet.
Av: Jörgen Hanaeus
Den mikrobiella cellen har utformats för att utnyttja energin i organiskt material via mikroorganismers arbete. Flera tillämpningar av mikrobiella cellers arbetssätt har föreslagits och kommersiella produkter finns.
Här görs en genomgång av mikrobiella cellers användning som biosensorer, och särskild intresse läggs vid deras utnyttjande för BOD-mätningar och för toxicitetsbedömningar i miljön. Man menar att det går att finna portabla, självförsörjande celler som är mycket lovande för långtidsmätningar; även på avlägsna platser.
Artikeln
Mikrobiella bränsleceller (MFC, Microbial Fuel Cells) fungerar genom att den kemiska energin i organiskt material omvandlas till elektronrörelser – elektricitet med hjälp av mikroorganismer. De oxiderar organiskt material med enzymers hjälp vilket frigör elektroner. Dessa rör sig mot en fast anod och vidare i en yttre strömkrets till en katod som är separerad från anoden av ett protongenomsläppligt membran och på så sätt skapas en elektrisk ström. De bränsleceller som på så sätt utnyttjar bakterier i anodkammaren kan betraktas som biosensorer.
Vanliga hel-cells biosensorer använder (gröna) fluorescerande proteiner, enzymaktivitet och pigmentmolekyler som indikatorer. De behöver externa instrument med strömförsörjning, t ex till spektrometrar eller mikroskop, för att få en mätbar signal ut.
I motsats till dessa kan MFC-baserade biosensorers bakterier känna av analysmediet och ge respons på detta i ett och samma steg utan yttre signalbehandling. Elektronrörelsen är i sig signalen. Det gör det möjligt att tillverka flyttbara biosensorprodukter som klarar mätningar över långa perioder och på avlägsna platser. Artikeln handlar om sådana.
Biosensorer för mätning av organiskt kol i vatten
Organiskt material, såsom proteiner, kolhydrater och fetter är en väsentlig del av föroreningarna i hushållsspillvatten och är därför intressant att mäta, som bekant vanligen med summaparametrar som BOD och COD. Här diskuteras BOD-mätning.
Då organiskt material utgör bränsle för cellen (MFC) innebär en ändring i innehållet av organiskt material en ändring av elströmmen ut. Den stabila strömmen ut korrelerar vanligen med koncentrationen av organiskt material medan laddningsmängden ut korrelerar med den samlade mängden av organiskt material.
Flera forskargrupper har utvecklat MFC-sensorer för mätning av BOD-koncentration i verkligt eller artificiellt avloppsvatten. De flesta använder en tvåkammardesign där den anaeroba anodkammaren är den detekterande delen. Utveckling av biofilm på anoden tar 3-8 veckor. Därefter injiceras avloppsvattnet som ska analyseras i anodkammaren och utsignalen mäts med enkel utrustning.
Det är besvärligt att mäta kontinuerligt in situ med en konventionell tvåkammars MFC, då anoden ska ha anaeroba förhållanden. Syrgasdiffusion in genom det protongenomsläppliga membranet är det största problemet för MFC-baserade BOD-sensorer. Ett sätt som provas är att bubbla in kvävgas i avloppsvattnet. Ett annat sätt är att hitta alternativ till Nafionmembranet som är det vanligaste. Enkammarlösningar med alternativa membraner har provats med lovande resultat.
Arbete med nitrifikationshämmare, liknande som för konventionell BOD-mätning pågår också. Påverkan av pH-svängningar och hög inre resistans i systemet kan motverkas genom att en yttre spänning läggs på, visar svensk forskning på området.
Kommersiella tillämpningar finns och här nämns HABS 2000 och 2001 från Korea Institute of Science & Engineering. Man menar dock att mer behöver göras beträffande stabilitet och känslighet samt kortande av responstiden.
Toxicitetsmätning med MFC
Om den bakteriella aktiviteten inhiberas av toxiska ämnen minskas utsignalen från cellen vilket kan tolkas som toxisk påverkan. Om detektion sker i anodkammaren kan undersökningsmediet, säg avloppsvatten, tillföras kontinuerligt och onlinemätning uppnås.
Tester har utförts för bl a bly, kvicksilver, PCB, formaldehyd, lågt pH, nickel och koppar.
Operationella parametrar för MFC såsom anodpotential och yttre resistans är viktiga för känsligheten. T ex ger en MFC med anodpotential av -0,3 V (1,3 A/m2) omkring 10 ggr högre strömtäthet än potentialen -0,4 V (0,12 A/m2). Sänkning av den externa resistansen ger liknande effekter.
Den hydrodynamiska situationen i cellen påverkar också; via skjuvkrafter från vattnet eller N-bubbling kan biofilmen störas, särskilt den enzymatiska aktiviteten.
Arbete pågår med att krympa volymen av en MFC. Normala volymer för anodkammaren är 10-några hundra mL men ytterligare insatser görs. MFC:s har monterats på en kiselplatta 6×6 mm där varje MFC hade en anodkammare av 0,14 mL. God noggrannhet för formaldehydtoxicitet har uppmättes för denna design.
Slutsatser
Egenskapen hos MFC att generera sin egen mätsignal framhålls åter. Arbete med MFC:s i lab och i fullskaletillämpning med både artificiellt och verkligt avloppsvatten har utförts.
Ytterligare utveckling är nödvändig; särskilt beträffande selektivitet.
Den svenska artikel som nämns i de ca 50 litteraturreferenserna (främst författare från Asien) är Oskar Modins och Britt-Marie Wiléns (CTH) alster i Water Research om biosensorer för BOD med pålagd yttre spänning.
Källa: Sun, J-Z.1),Kingori, G.P.1), Si, R-W.1), Zhai, D-D.1), Liao, Z-H.1),Sun, D-Z.1),Zheng, T.2), &Yong, Y-C.1) (2015): ”Microbial fuel cell-based biosensors for environmental monitoring: a review”. Water Science & TEchnology 71.6 pp 801-809.
Hela artikeln finns här.
Författarna från:
1) School of the Environment, Jiangsu University , 301 Xuefu Road Zhenjiang 212013, Jiangsu, China.
2) College of Biotechnology & Pharmaceutical Engineering, Nanjing Tech University, No. 5 XinMofan Road, Nanjing 210009, China
Kontakt: ycyong@mail.ujs.edu.cn
