Yıl 2020, Cilt , Sayı 18, Sayfalar 109 - 117 2020-04-15

Mikrobiyal Yakıt Hücrelerinde Kullanılan Saf Kültür Mikroorganizmaları ve Genel Özellikleri

Ahmet ERENSOY [1] , Nurettin ÇEK [2]


Biyokütle enerjisi, günümüzün artan enerji taleplerini karşılamakta kaçınılmaz bir görev yürüten yenilenebilir bir enerjidir. Biyoyakıtların aksine, mikrobiyal yakıt hücreleri organik malzemelerde toplanan enerjiyi doğrudan biyoelektrikliğe dönüştürür. Mikrobiyal yakıt hücreleri, kalkınma odaklı ve çok yönlü bir yenilenebilir enerji teknolojisidir. Mikrobiyal yakıt hücresi (MYH), çeşitli organik malzemelerden (substratlardan) elektrik enerjisi üretimi için kullanılan çevre dostu bir teknolojidir. Mikrobiyal yakıt hücreleri, doğrudan elektrik enerjisi üretimi için alternatif bir enerji dönüşüm sistemi olarak büyük ilgi gördü. Mikrobiyal yakıt hücreleri (MYH’ler), atık ortamda yakıt kaynağı olarak düşük dereceli organik karbonları kullanabilir. Mikrobiyal yakıt hücrelerinin, yakıt kaynağı olarak düşük dereceli biyokütle veya hatta atık su kullanabilmesinden dolayı belirgin faydaları vardır. Mikrobiyal yakıt hücrelerinde elektrik üretiminin temeli, organik malzemelerin mikroorganizmalar tarafından katalize edilmesidir. Çünkü mikrobiyal yakıt hücreleri, organik maddeleri (substrat) oksitlemek için biyokatalizörler olarak mikroorganizmaları kullanır. Bir mikrobiyal yakıt hücresinde, organik maddeler (substratlar) elektron vericileridir. Organik malzemelerin oksidasyon (biyokataliz) çalışmalarından sonra anodik biyofilm bakterileri tarafından açığa çıkarılan elektronlar ilk önce anoksik koşullar altında anot elektrota aktarılır. Bu işlemleri yapan bakterilere elektrojen denir. Anot elektrot, elektrojenik biyofilm bakterileri tarafından anaerobik solunum için elektron alıcısı olarak kullanılır. Yani, anot ve mikroorganizma arasında bir elektron transfer işlemi gerçekleşir. Mikroorganizma ve elektrotlar arasındaki elektron transferi, doğrudan elektron transferi ve dolaylı (aracılı) elektron transferi olmak üzere iki mekanizmada gerçekleşir. Bu çalışmada, elektrojenik mikroorganizmalardan anot elektroduna elektron transfer mekanizması ayrıntılı olarak tartışılmıştır. Saf mikroorganizma kültürlerinin mikrobiyal yakıt hücrelerinde kullanımı anlatılmıştır. Bu çalışmanın sonucuna göre, yüksek elektrokimyasal aktivitelere sahip elektrojenik mikroorganizmaların keşfi, muhtemelen gelecekteki pratik sistem çalışmaları için mikrobiyal yakıt hücrelerinin gelişimini teşvik etmek için olağanüstü bir durum olacaktır.
Mikrobiyal yakıt hücresi, Mikroorganizma, Elektron, Elektrik
  • Abrevaya, X. C., Sacco, N., Mauas, P. J. D., Cortón, E., 2011. Archaea-based microbial fuel cell operating at high ionic strength conditions. Extremophiles.15(6), 633-642.
  • Ahmed, M., Lin, O., Saup, C. M., Wilkins, M. J., Lin, L-S., 2019. Effects of Fe/S ratio on the kinetics and microbial ecology of an Fe(III)-dosed anaerobic wastewater treatment system. Journal of Hazardous Materials, 369, 593-600.
  • Ahn, Y., Logan, B. E., 2013. Domestic wastewater treatment using multi-electrode continuous flow MFCs with a separator electrode assembly design. Applied Microbiology and Biotechnology, 97, 409-416.
  • Alfonta, L., 2010. Genetically engineered microbial fuel cells. Electroanalysis, 22, 822-831.
  • Amano, N., Yamamuro, A., Miyahara, M., Kouzuma, A., Abe, T., Watanabe, K.. 2018. Methylomusa anaerophila gen. nov., sp. nov., an anaerobic methanol-utilizing bacterium isolated from a microbial fuel cell. International Journal of Systematıc and Evolutionary Microbiology, 68(4), 1118-1122.
  • Borole, A. P., O’Neill, H., Tsouris, C., Cesar, S., 2008. A microbial fuel cell operating at low pH using the acidophile Acidiphilium cryptum. Biotechnology Letters, 30, 1367-1372.
  • Cao, Y., Mu, H., Liu, W., Zhang, R., Guo, J., Xian, M., Liu, H., 2019. Electricigens in the anode of microbial fuel cells: pure cultures versus mixed communities. Microbial Cell Factories, 18, 14 pages.
  • Chen, C-Y., Tsai, T-H., Wu, P-S., Tsao, S-E., Huang, Y-S., Chung, Y-C., 2018. Selection of electrogenic bacteria for microbial fuel cell in removing Victoria blue R from wastewater. Journal of Environmental Science and Health, Part A, 53(2), 108-115.
  • Chen, S., Patil, S. A., Brown, R. K., Schröder, U., 2019. Strategies for optimizing the power output of microbial fuel cells: Transitioning from fundamental studies to practical implementation. Applied Energy, 233-234, 15-28.
  • Cho, Y. K., Donohue, T. J., Tejedor, I., Anderson, M.A., McMahon, K. D., Noguera, D. R., 2008. Development of a solar-powered microbial fuel cell. Journal of Applied Microbiology, 104, 640-650.
  • Çek, N., 2013. Yeni Biyoenerji Tekniğiyle Elektrik Üretilmesi. Çukurova Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi, 28(2), 35-49.
  • Çek, N., 2016a. Parçacıklar ve Enerji Kaynakları. Lambert Academic Publishing, 338 s, Saarbrucken, Almanya.
  • Çek, N., 2016b. Parçacıklar ve Parçacıkların Enerji Kaynakları Üzerinde Etkileri. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, 4(7), 1-8.
  • Çek, N., 2017. Examination of zinc electrode performance in microbial fuel cells. Gazi University Journal of Science, 30(4), 395-402.
  • Çek, N., Erensoy, A., 2019. Kompost Mikrobiyal Yakıt Hücreleri İçin Titanyum Elektrot Performansının İncelenmesi. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, (17), 909-915.
  • Erensoy, A., Çek, N., 2018. Alternative Biofuel Materials for Microbial Fuel Cells from Poplar Wood. ChemistrySelect, 3, 1251-11257.
  • Evelyn, L., Marshall, A., Gostomski, P. A., 2014. Gaseous pollutant treatment and electricity generation in microbial fuel cells (MFCs) utilising redox mediators. Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 13, 35-51.
  • Fu, C. C., Hung, T. C., Wu, W. T., Wen, T. C., Su, C. H., 2010. Current and voltage responses in instant photosynthetic microbial cells with Spirulina platensis. Biochemical Engineering Journal, 52, 175-80.
  • Gomez, M. V., Mai, G., Greenwood, T., Mullins, J. P., 2014. The development and maximization of a novel photosynthetic microbial fuel cell using Rhodospirillum rubrum. Journal of Emerging Investigators, 3, 1-7.
  • Haavisto, J. M., Lakaniemi, A-M., Puhakka, J. A., 2019. Storing of exoelectrogenic anolyte for efficient microbial fuel cell recovery. Environmental Technology, 40(11), 1467-1475.
  • Hassani, S. S., Ziaedini, A., Samiee, L., Dehghani, M., Mashayekhi, M., Faramarzi, M. A., 2019. One Step Synthesis of Tertiary Co‐doped Graphene Electrocatalyst Using Microalgae Synechococcus elangatus for Applying in Microbial Fuel Cell. Fuel Cells, 19(5), 623-634. Haslett, N. D., Rawson, F. J., Barriëre, F., Kunze, G., Pasco, N., Gooneratne, R., Baronian, K. H. R., 2011. Characterisation of yeast microbial fuel cell with the yeast Arxula adeninivorans as the biocatalyst. Biosensors and Bioelectronics, 26, 3742-3747.
  • He, L., Du, P., Chen, Y., Lu, H., Cheng, X., Chang, B., Wang, Z., 2017. Advances in microbial fuel cells for wastewater treatment. Renewable&Sustainable Energy Reviews, 71, 388-403.
  • Holmes, D. E., Nicoll, J. S., Bond, D. R., Lovley, D. R., 2004. Potential role of a novel psychrotolerant member of the family Geobacteraceae, Geopsychrobacter electrodiphilus gen. nov., sp. nov., in electricity production by a marine sediment fuel cell. Applied Environmantal Microbiology, 70, 6023-6030.
  • Hubenova, Y., Mitov, M., 2010. Potential application of Candida melibiosica in biofuel cells. Bioelectrochemistry, 78, 57-61.
  • Kondaveeti, S., Choi, K. S., Kakarla, R., Min, B., 2014. Microalgae Scenedesmus obliquus as renewable biomass feedstock for electricity generation in microbial fuel cells (MFCs). Frontiers of Environmental Science & Engineering, 8(5),784-791.
  • Lan, J. C. W., Raman, K., Huang, C. M., Chang, C. M., 2013. The impact of monochromatic blue and red LED light upon performance of photo microbial fuel cells (PMFCs) using Chlamydomonas reinhardtii transformation F5 as biocatalyst. Biochemical Engineering Journal, 78, 39-43.
  • Lapinsonnière, L., Picot, M., Poriel, C., Barrière, F., 2013. Phenylboronic acid modifed anodes promote faster bioflm adhesion and increase microbial fuel cell performances. Electroanalysis, 25, 601-605.
  • Light, S. H., Su, L., Rivera-Lugo, R., Cornejo, J. A., Louie, A., Iavarone, A. T., Ajo-Franklin, C. M., Portnoy, D. A., 2018. A flavin-based extracellular electron transfer mechanism in diverse Gram-positive bacteria, Nature, 562, 140-144.
  • Liu, H., Ramnarayanan, R., Logan, B. E., 2004. Production of electricity during wastewater treatment using a single chamber microbial fuel cell. Environmental Science & Technology, 38, 2281-2285.
  • Liu, H., Grot, S., Logan, B. E., 2005. Electrochemically assisted microbial production of hydrogen from acetate. Environmental Science & Technology, 39 4317-4320.
  • Liu, J., Guo, T., Wang, D., Ying, H. 2015. Clostridium beijerinckii mutant obtained atmospheric pressure glow discharge generates enhanced electricity in a microbial fuel cell. Biotechnology Letters, 37, 95-100.
  • Liu, Z. D., Li, H. R., 2007. Efects of bio- and abio-factors on electricity production in a mediatorless microbial fuel cell. Biochemical Engineering Journal. 36, 209-214.
  • Ma, M., Cao, L., Ying, X., Deng, Z., 2012. Study on the performance of photosynthetic microbial fuel cells powered by Synechocystis PCC-6803. Renew. Energy Resour., 30, 42-46.
  • Malvankar, N. S., Lovley D. R., 2012. Microbial nanowires: a new paradigm for biological electron transfer and bioelectronics. ChemSusChem, 5, 1039-1046.
  • Ng, FL., Phang, SM., Periasamy, V., Yunus, K., Fisher, A. C., 2014. Evaluation of algal bioflms on indium tin oxide (ITO) for use in biophotovoltaic platforms based on photosynthetic performance. PLoS ONE, 9(5), e97643.
  • Nielsen, L. P., Risgaard-Petersen, N., Fossing, H., Christensen, P. B., Sayama, M. 2010. Electric currents couple spatially separated biogeochemical processes in marine sediment. Nature, 463, 1071-1074.
  • Pankratova, G., Hederstedt, L., Gorton, L., 2019. Extracellular electron transfer features of Gram-positive bacteria. Analytica Chimica Acta, 1076, 32-47.
  • Pareek, A., Sravan, J.S., Mohan, S.V., 2019. Exploring chemically reduced graphene oxide electrode for power generation in microbial fuel cell. Materials Science for Energy Technologies, 2(3), 600-606.
  • Patil, S. A., Hägerhäll, C., Gorton, L., 2012. Electron transfer mechanisms between microorganisms and electrodes in bioelectrochemical systems. Bioanalytical reviews, 4, 159-192.
  • Pfeffer, C., Larsen, S., Song, J., Dong, M. D., Besenbacher, F., Meyer, R. L., Kjeldsen, K. U., Schreiber, L., Gorby, Y. A., El-Naggar, M. A., Leung, K. M., Schramm, A., Risgaard-Petersen, N., Nielsen, L. P. 2012. Filamentous bacteria transport electrons over centimetre distances. Nature, 491, 218-221.
  • Pirbadian, S., El-Naggar, M. Y., 2012. Multistep hopping and extracellular charge transfer in microbial redox chains. Physical Chemistry Chemical Physics, 14, 13802-13808.
  • Qiao, Y., Wu, X. S., Li, C. M., 2014. Interfacial electron transfer of Shewanella putrefaciens enhanced by nanofaky nickel oxide array in microbial fuel cells. Journal of Power Sources, 266, 226-231.
  • Raghavulu, S. V., Goud, R. K., Sarma, P. N., Mohan, S. V., 2011. Saccharomyces cerevisiae as anodic biocatalyst for power generation in biofuel cell: infuence of redox condition and substrate load. Bioresource Technology, 102, 2751-2757.
  • Rosenbaum, M. A., Franks, A. E. 2014. Microbial catalysis in bioelectrochemical technologies: status quo, challenges and perspectives. Applied Microbiology and Biotechnology, 98, 509-518.
  • Schneider, G., Kovács, T., Rákhely, G., Czeller, M., 2016. Biosensoric potential of microbial fuel cells. Applied Microbiology and Biotechnology, 100, 7001-7009.
  • Sekar, N., Umasankar, Y., Ramasamy, R. P., 2014. Photocurrent generation by immobilized cyanobacteria via direct electron transport in photobioelectrochemical cells. Physical Chemistry Chemical Physics, 16, 7862-7871.
  • Shreeram, D. D., Panmanee, W., McDaniel, C. T., Daniel, S., Schaefer, D. W., Hassett, D. J., 2018. Efect of impaired twitching motility and bioflm dispersion on performance of Pseudomonas aeruginosa-powered microbial fuel cells. Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology, 45, 103-109.
  • Xiang, K., Qiao, Y., Ching, C. B., Li, C. M., 2009. GldA overexpressing-engineered E. Coli as superior electrocatalyst for microbial fuel cells. Electrochemistry Communications, 11, 1593-1595.
  • Xing, D., Zuo, Y., Cheng, S., Regan, J. M., Logan, B. E., 2008. Electricity generation by Rhodopseudomonas palustris DX-1. Environmental Science & Technology, 42, 4146-4151.
  • Xu, C., Poon, K., Choi, M. M. F., Wang, R., 2015. Using live algae at the anode of a microbial fuel cell to generate electricity. Environmental Science and Pollution Research, 22, 15621-15635.
  • Yi, H., Nevin, K. P., Kim, B. C., Franks, A. E., Klimes, A., Tender, L. M., Lovley, D. R., 2009. Selection of a variant of Geobacter sulfurreducens with enhanced capacity for current production in microbial fuel cells. Biosensors and Bioelectronics, 24, 3498-3503.
  • Zhao, F., Slade, R. C. T., Varcoe, J.R. 2009. Techniques for the study and development of microbial fuel cells: an electrochemical perspective. Chemical Society Reviews, 38, 1926-1939.
  • Zuo, Y., Xing, D., Regan, J. M., Logan, B. E., 2008. Isolation of the exoelectrogenic bacterium Ochrobactrum anthropi YZ-1 by using a U-tube microbial fuel cell. Applied and Environmental Microbiology, 74(10), 3130-3137.
Birincil Dil tr
Konular Mühendislik
Bölüm Makaleler
Yazarlar

Orcid: 0000-0001-6300-1105
Yazar: Ahmet ERENSOY
Kurum: FIRAT ÜNİVERSİTESİ
Ülke: Turkey


Orcid: 0000-0001-6120-9228
Yazar: Nurettin ÇEK (Sorumlu Yazar)
Kurum: FIRAT ÜNİVERSİTESİ
Ülke: Turkey


Tarihler

Yayımlanma Tarihi : 15 Nisan 2020

APA ERENSOY, A , ÇEK, N . (2020). Mikrobiyal Yakıt Hücrelerinde Kullanılan Saf Kültür Mikroorganizmaları ve Genel Özellikleri. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi , (18) , 109-117 . DOI: 10.31590/ejosat.669787