Anodna in katodna mikrobna združba v eno-celični mikrobni gorivni celici
UVOD
Mikrobne gorivne celice so naprave, ki iz obnovljivih virov ali odpadkov biomase proizvajajo energijo. V mikrobnih gorivnih celicah so mikroorganizmi tisti, ki katalizirajo oksidacijo organskih in anorganskih snovi. Elektroni, ki se sprostijo pri reakciji se prenesejo do anode, nato pa potujejo do katode, kjer poteče reakcija s protonom in končnim akceptorjem elektronov. Ta proces se imenuje zunanji prenos elektronov (EET). Sestavni deli gorivne celice določajo različne pogoje in sicer, temperaturo, pH, elektronske akceptorje, površino elektrod in velikost reaktorja. Anodne mikrobne združbe tvorijo biofilm na anodi ter tako na različne načine sodelujejo pri prenosu elektronov. Prenos poteka neposredno, preko kontakta membranskih citokromov in elektrode, ali posredno preko različnih prenašalcev, ki se na celični površini reducirajo in nato z difuzijo potujejo do anode, kjer se oksidirajo in tako oddajo elektron. V dosedanjih raziskavah so pokazali, da se na anodi najpogosteje nahaja rod bakterije Geobacter. Z analizo mikromrež, kjer so opazovali izražanje genov, so znanstveniki pokazali, da sta pri generiranju toka ključna električno prevodni pili in citokrom c (OmcZ). OmcZ deluje na način elektrokemijskih vrat, ki sodelujejo pri prenosu elektronov na anodo. Piliji pa omogočajo prenos na daljšo razdaljo. Prenos elektronov se iz periplazemskega prostora na zunanjo membrano prenese preko verige citokromov c. Za analizo sestave mikrobnih združb na elektrodah se znanstveniki poslužujejo različnih molekularnih tehnik. Ena izmed prvih tehnik, je elektroforeza temperaturnega gradienta (DGGE), kjer DNA in RNA zaradi različne sestave dentaurirata pri različnih temperaturah. Na ta način se da določiti mikrobni odtis. Sledita še metodi FISH, kjer z uporabo specifičnih prob kvantificiramo določeno populacijo in T-RFLP (‘angl’. Terminal restriction fragment length polymorphism). Najpogosteje za določitev mikrobnega odtisa pa se uporablja analiza gena 16S rRNA, ki je se je skozi evolucijo počasi spreminjal in je zato primeren za klasifikacijo in identifikacijo mikrobov. Tehnologija naslednje generacije sekvenciranja se je v zadnjem času zelo razvila in tako predstavlja odlično orodje za opis diverzitete in sestave mikrobnih združb.
CILJ RAZISKAVE
Pri proizvodnji bioplina ostane digestat, ki vsebuje visoko koncentracijo dušika, v obliki amoniaka, in fosfatnih spojin, ki se sproščata v okolje in tako onesnažujeta okolje. Mikrobne gorivne celice bi lahko uporabili za odstranjevanje zgoraj opisanih molekul. Cilj te raziskave je bila določtev mikrobnega odtisa na elektrodah v eno-celični mikrobni gorivni celici, ki delujejo na digestat, ki ostane pri proizvodnji bioplina.
POTEK RAZISKAVE IN REZULTATI
Eno-celična mikrobna gorivna celica je bila opremljena s katodo iz ogljika in dodane plasti iz mikropor, ki ojačajo izmenjavo kisika in pospešijo rast biofilma. Anoda je bila prav tako iz ogljika. Celico so inokulirali z digestatom bioplinov ter tako spremljali tok. Po 41 dnevih so odvzeli vzorce biofilma iz anode in katode ter s pomočjo tehnologije naslednje generacije sekvenciranja določili mikrobni odtis. Ugotovili so, da sta v anodnem biofilmu najpogostejša reda bakterije Deferribacterales (51,6 % sekvenc) in Rhodospirillales (9 % sekvenc). V katodnem biofilmu pa Oceanospirillales (37,8 % sekvenc) in Bacteroidales (20,4 % sekvenc). Skoraj vse detektirane sekvence reda Deferribacterales so pripadale rodu Geovibrio, ki je gram negativna bakterija in je sposobna oksidirati acetat v Fe (III). Med Rhodospirillales so bile najpogostejše vijolične ne-žveplene bakterije. Med Oceanospirillales je bil skoraj izključno prisoten rod Nitrincola. Za slednje je značilna najvišja rast pri pH 9. Znotraj roda Bacteroidales se je pojavila največja diverziteta in vsi pripadniki se tudi drugače nahajajo v digestatu.
ZAKLJUČEK
V raziskavi so določili mikrobni odtis na anodi in katodi mikrobne gorivne celice. Znanstveniki predvidevajo, da ima pH močno vlogo pri določanju mikrobnih združb, kar prikazuje večji delež bakterij Nitrincola v bližini katode, kjer je pH bolj alkalen. Prav tako, pa na sestavo biofilma vpliva gradient kisika, saj so opazili da se aerobi nahajajo bolj na površini bofilma, medtem ko se anaerobi nahajajo v notranjosti.
