電子伝達機構、金属の研究によるマイクロ流体微生物燃料電池の性能の向上

Scientific Reports volume 12、記事番号: 7417 (2022) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

発表された論文は、生成される生体電気を改善するために、マイクロ流体微生物燃料電池 (MFC) の全体的な性能に対する、さまざまな電子伝達機構、さまざまな金属ベースの電極、および静磁場の影響を初めて基本的に調査しています。 そのために、マイクロ流体 MFC のアノードとして、亜鉛、アルミニウム、錫、銅、ニッケルが徹底的に調査されました。 2 種類の細菌、Escherichia coli と Shewanella oneidensis MR-1 を生体触媒として使用し、異なる電子伝達機構を比較しました。 アノードと微生物の間の相互作用を評価しました。 最後に、静磁場を印加して発電電力を最大化する可能性を評価しました。 亜鉛アノードの場合、最大開路電位、電流密度、電力密度はそれぞれ 1.39 V、138,181 mA m-2、35,294 mW m-2 となりました。 生成される電流密度は、これまでに以前に発表された研究で得られた値よりも少なくとも 445% 優れています。 マイクロ流体 MFC は、医療および臨床用途の紫外発光ダイオード (UV-LED) に電力を供給するために首尾よく使用され、埋め込み型医療機器用のマイクロサイズの発電機としての用途を解明しました。

微生物燃料電池 (MFC) は、微生物を生体触媒として利用して有機基質またはバイオマスからエネルギーを回収する、グリーンで再生可能な生物発電アプローチとして有望です1。 さらに、廃水処理やバイオセンシング 2、バイオ水素生産のための微生物電解セル (MEC) への電力供給 3、さらにはポイント・オブ・ケア診断装置 4 における MFC の数多くの応用が学術的な注目を集めています。 後者のアプリケーションは、セル全体をチップ上に統合するという独自の利点を提供するマイクロ流体技術の助けを借りて実現しました。

マイクロ流体 MFC の最大の特徴は、ポータブル、ウェアラブル 5 および植込み型医療機器 (IMD) 6 用の小型システムに電力を供給できること、応答時間が短いこと、動作パラメータを正確に制御できること、そして最終的にバイオフィルム形成と生物学的相互作用の理解を深めることができること 7 です。 しかし、マイクロ流体 MFC の実際の応用は、低い出力電力密度と高い製造コストにより依然として制限されています。

生成される電力は、物理的パラメータ（電極材料、膜とセルの構成）、生物学的パラメータ（微生物と基質の種類、微生物の電子伝達機構）、動作パラメータ（温度、pH、外部抵抗、流量）などのさまざまな要因に依存します8。 9、10。 微生物とアノード表面との間の直接的または間接的な相互作用が発生して細胞外電子が移動するため、アノード電極はこのプロセスにおいて重要な役割を果たします。 さらに、アノードの構造と材料、特に生体適合性、多孔性、トポグラフィー、粗さ、電位の影響は、バイオフィルムの形成とマイクロ流体 MFC の内部抵抗に顕著な影響を与える可能性があります 11。 有望な代替アノードは、マイクロ流体 MFC の出力密度を大幅に増加させ、この技術の基礎研究から商業応用への移行を加速します。

MFC 技術の開始以来、言及されたすべての特性を備えたアノード電極を見つけるために数多くの研究が行われてきました。 炭素系電極の調査12に関わらず、ニッケル（Ni）、金（Au）、銅（Cu）、モリブデン（Mo）、亜鉛（Zn）、錫（Sn）、アルミニウム（ Ａ１）は、ＭＦＣ１３、１４のアノード電極として使用される。 結果は、Mo が他の金属や炭素ベースの電極よりも高い電流密度を持っていることを示しました。 これは、炭素ベースの電極の競争力のある代替品として金属ベースの電極を導入するための最初のステップでした。 さらに、ニッケルナノ構造の組み込み 15 や、Fe3O4 ナノスフェアと還元酸化グラフェンによる表面修飾 16 など、いくつかの修飾戦略が、生体適合性、体積に対する表面積の比、および導電性を改善するために開発されています 17。

金属ベースの電極の使用中に興味深い結果が観察され、金属ベースの電極が炭素ベースの電極よりも有望なアノード材料である可能性があることを示しています。 グラファイト電極上に Sn コーティングされた銅メッシュを使用すると、電力密度が 3 倍増加することが報告されています 18。 金属ベースの電極は機械的に強く、導電性が高く、コスト効率が高くなります。 Ni19 と Au20 を除いて、これまでマイクロ流体 MFC で徹底的に研究された金属ベースの電極はありません。 微生物と電極の種類の相互作用は重要な問題ですが、これまで厳密には考慮されていませんでした。

外来微生物は、MFC の生体触媒として機能し、有機基質を分解すると同時に細胞外電子を生成します。 電子は細菌からナノワイヤ（S. oneidensis MR-1 などの種によって生成される）などの電極に直接移動することも、大腸菌によって生成されるチトクロム c などの自己生成メディエーターを介して移動することもできます9。

大量の細菌からなる混合培養における電子伝達機構の解釈はまだ完全には理解されていません。 たとえば、アノード電極として銅を使用すると、2 つの異なる Geobacter 優勢混合培養を使用して、1513 および 0 Am-214 の電流密度が生成されました。 一方、S. oneidensis MR-121、E. coli19、Geobacter22 などの純粋培養物を接種したマイクロ流体 MFC の研究では、単純な考察が得られました。 しかし、電極の種類と電子伝達機構を使用して、同一の動作条件下での発電を評価および比較した報告はありません。

これまでに発表された研究では、生体電気の生成を強化するために使用された数多くの戦略の中で、注目に値する 4 つの技術があります。 まず、生成された電子の移動を促進するために、化学合成されたメディエーター（メチレンブルーなど）を追加します23。 第二に、生体電気生成の細胞内代謝プロセスにおいて干渉遺伝子をノックアウトする24。 第三に、変異株を促進して細菌のアノードへの付着を強化し、電流密度を 50% 以上増加させます 25。 4つ目は、大腸菌とS.オネイデンシスMR-1の有効な遺伝子を組み合わせることでバイオフィルム形成を促進することです。 最終的な技術では、生成される電力密度が 2.8 倍 (61 から 167.6 mW m-2 へ) 増加しました 26。 外因性メディエーターは高価であり、微生物に対する潜在的な毒性があるため、この技術を使用した濃縮マイクロ流体 MFC の商業化には疑問が投げかけられています9。 さらに、体外電気発生微生物の代謝工学は高価で時間のかかるプロセスであり、生体電気を強化するための代替技術の学術研究を刺激します。

金属ベースの電極の可能性および電子伝達機構の利用と並んで、静磁場の適用は、生体電気の生成を改善するためのもう 1 つの実行可能な方法です。 MFC のアノード 27 またはカソード 28 に永久磁石を結合すると、生体発電が強化されることが報告されています。 この現象はムーアによって最初に導入され、電気発生微生物の代謝の改善に起因すると考えられています29。 さらに、電極を永久磁石と結合すると、微生物と電極の間の電子伝達が促進されることが示されている 30。 磁界を印加する効果には、MFC の高速起動と内部抵抗 (約 39% 減少) が含まれ、最終的に生成される電力密度が 31% 以上向上します。 ただし、磁場強度が過度に増加すると、発電に悪影響を及ぼす可能性があります27。 生体電気の生成を最大化するための最適な磁場強度が存在することは自明のことです。 発電を改善するためのプラットフォームとしてのマイクロ流体 MFC の性能に対する磁場の影響を徹底的に調査する必要があります。

微生物の代謝プロセスをどのように細心の注意を払って調査するか、電子伝達を改善するために遺伝子工学をどのように使用するかに関係なく、費用対効果が高く簡単な方法として微生物と電子受容体の相互作用を強化するという幅広い視点を考慮する必要があります。 この研究の目的は、まず、マイクロ流体 MFC のアノードとしての金属ベースの電極を評価し、生体電気の生成を改善することです。 次に、システムの全体的なパフォーマンスに対する電子伝達機構とアノード電極と微生物の相互作用の影響を調査します。 最後に、生成される電力を最大化するための静磁場の潜在的な適用を評価します。 製造されたマイクロ流体 MFC の最終用途は医療機器に向けられるため、非病原性細菌の利用が重要です。 2 つの非病原性種、直接電子伝達を行う S. oneidensis MR-1 と間接電子伝達を行う大腸菌を、同じ条件下でマイクロ流体 MFC に接種しました。 さらに、医療および臨床用途向けの紫外発光ダイオード (UV-LED) に電力を供給するマイクロ流体 MFC の機能が初めて評価されました。

図１Ａは、提案されたマイクロ流体ＭＦＣの概略分解図を示す。 幅 1 mm、長さ 65 mm の長方形を、厚さ 1 mm のポリメチルメタクリレート (PMMA) プレート (Cho Chen、台湾) 上でレーザービームによって切断し、完全に除去して、その上に直線のマイクロチャネルを形成しました。マイクロ流体 MFC の陽極液コンパートメントとして機能するプレート。 したがって、マイクロチャネルの高さは PMMA プレートの厚さと同じでした。 性能が優れているため、スパイラル チャネル 3 や正方形の形状 15 よりも直線のマイクロチャネルが選択されました。 直径 1.6 mm の各セルの 2 つの穴も 2 枚の PMMA プレートに切り込み、シリンジチップ (16G、Changzhou Shuangma Medical Devices、中国) をプレートに挿入して、基質の注入と流出液の除去のための入口と出口を提供しました。 レーザー切断プロセスは、出力、スタンドオフ距離、および速度がそれぞれ 50 W、6.5 mm、および 70 mm s-1 の CO2 レーザー機械 (モデル CMA1390-LG、GD Han's Yueming Laser、中国) を使用して実行されました。 作製したPMMAプレートをクロロホルム接着剤で貼り付けて装置本体を作製した。 次に、図1Bに示すように、準備したアノードをデバイスの片側に配置し、カソードを反対側（つまり、アノードの前）に配置しました。 陰極の片面を空気に曝露したことに留意されたい。 したがって、空気中の酸素が電子受容体の役割を果たし、陰極酸化還元反応が進行します。 アノードとカソードを取り付けるには、エポキシ接着剤を使用しました。 最後に、直径 0.5 mm の銅線をエポキシ接着剤で電極の角に接続し、電気接点を確立しました。 作製したセルは、投影表面積 0.5 cm2 の 50 μl 陽極液コンパートメントを含む単一チャンバーのマイクロ流体 MFC でした。

マイクロ流体 MFC の概略図: (A) 分解図および (B) 組み立てられたデバイス。 (C) Nd-Fe-B 永久磁石による静磁場印加の概略図。 (1): 基板入口。 (2): 基板出口。 (3) マイクロチャネルと細胞体。 (4): アノード。 (5): カソード。 (6): 上部磁石。 (7): 下部マグネット。

カソード電極の基材としてカーボンクロス（３ｍｍ×５０ｍｍ）を使用した。 カソードの溶液側にも触媒層がコーティングされ、マイクロ流体 MFC の性能が向上しました。 簡単に説明すると、プラチナとカーボン粉末の混合物 (10 wt% Pt/C、Sigma-Aldrich) (カーボン クロスの 0.5 mg Pt/cm2)、ナフィオン溶液 (5% ナフィオン溶液、Alfa Aesar™) (66.7 μL/mg)以前に報告されているように、イソプロパノール (33.3 μL/mg Pt) を調製し、カソードの溶液側にコーティングしました 31。

Zn、Al、Sn、Cu、および Ni シート (純度 99%、厚さ 0.25 mm、Alfa Aesar) を切断して、マイクロ流体 MFC のアノードとして使用する長方形 (3 mm × 50 mm) を形成しました。 電極をイソプロピルエタノールに 3 分間浸して有機残留物を除去し、セルを組み立てる前に蒸留水で注意深く洗浄しました。

Nd-Fe-B 永久磁石 (グレード N42、50 × 10 × 5 mm) が使用され、図 1C に示すように静磁場を生成するように配置されました。 マイクロ流体 MFC の全体的な性能に対する 86 mT の磁場の影響を、選択した金属ベースの電極と S. oneidensis MR-1 を使用して調査しました。 大腸菌に適用される弱い静磁場でさえ、細菌の生存能力に悪影響を与える可能性があることに注意する必要があります32。

Escherichia coli ATCC-11105 および S. oneidensis MR-1 は、シャリフ工科大学の生化学・生物環境研究センター (BBRC) から入手しました。 大腸菌をニュートリエントブロス（NB）培地（牛肉エキス1 g l-1、酵母エキス2 g l-1、ペプトン5 g l-1、およびNaCl 5 g l-1）中で37℃で24時間培養しました。 。 Shewanella oneidensis MR-1 を、トリプシン ソイ ブロス (TSB) 培地 (トリプトン 17 g l-1、大豆 3 g l-1、5 g l-1) 中で 30 °C のシェーカー インキュベーター (100 rpm) で 48 時間培養しました。 NaCl、2.5 g l-1 K2HPO4、および 2.5 g l-1 グルコース)。 微生物濃縮プロセスは、均一かつ均質なバイオフィルムを達成するために、開回路条件下で実施されました33。 マイクロ流体 MFC は、細菌と基質の混合物 (つまり、NB を含む大腸菌および TSB を含む S. オナイデンシス MR-1) を作製したセルに注入するシリンジ ポンプを使用して開始されました。

大腸菌が自己生成メディエーター（すなわちチトクロム c）を介して電子を伝達することを考えると、電子生成速度を維持するには微生物と培地の両方を継続的に注入する必要があることは明らかです。 その結果、マイクロ流体 MFC の動作中に大腸菌と NB の混合物がシステムに注入されました。 Shewanella oneidensis MR-1 は、付着した細菌が生成したナノワイヤーを介して電子をアノードに直接転送します。 10 時間後、S. oneidensis MR-1 の注入を停止し、システムには TSB のみを供給しました。

システムの電気化学的特性として、開回路電位 (OCP)、生成される電力、および電流密度が評価されました。 マルチメーターデータロガー (PROVA-803) を使用して、細胞電位を毎分記録しました。 10 ～ 300,000 Ω の範囲の外部抵抗を使用して、分極と電力密度の曲線を取得しました。 次に、オームの法則を使用して、生成される電力と電流を計算し、空気拡散カソードの投影表面積 (0.5 cm2) を使用して正規化しました。

マイクロ流体 MFC が医療および臨床用途で発電機と消毒装置の両方として機能する能力を実証するために、最適化されたマイクロ流体 MFC を使用して LED (赤、白、青、UV) に電力を供給しました。 上述のアプリケーションに対するシステムの機能は、赤、白、青、および UV LED (DGPY-5 mm) に電力を供給する能力によって実証されます。 マイクロ流体 MFC の持続可能性は、これらの LED によって消費される電力を経時的に監視することによって判断されました。 さらに、すべての LED の光強度は露出計 (LX-103、Lutron) を使用して測定されました。 提案されたマイクロ流体 MFC の消毒能力を実証するために、3 つの UV-LED が使用されました。 20 世紀半ば以来、UV-LED が医療衛生に使用され、病原微生物を殺す可能性が認識されてきました 34。

開回路条件は細胞に最も高い外部抵抗を課し、その結果均一なバイオフィルム形態とバイオフィルムへの基質の拡散に十分な時間をもたらします 33。 加えられた外部抵抗により生体触媒による有機基質の酸化反応が進行し、大幅に多くの電子が生成されるため、開回路条件下で可能な最小限の駆動力で生分解反応が進行しました。 その結果、細菌は均一なバイオフィルムを形成するのに十分な時間を得ることができます。 形成されたバイオフィルムは均質であるため、閉回路条件下で形成される不均質なバイオフィルムよりも基質へのアクセスが容易になります。 Zn、Al、Sn、Cu、および Ni の初期評価は、同じ注入条件 (流量 0.2 ml h-1) および接種時間 (図2）。

(A) 大腸菌および (B) シュワネラ オナイデンシス MR-1 微生物および純粋な基質を使用した、亜鉛、アルミニウム、スズ、銅およびニッケルのアノード電極の開回路電位 (OCP) の変化。

さまざまな金属ベースのアノード電極を使用して製造されたマイクロ流体 MFC における E. coli および S. oneidensis MR-1 の OCP の変化を図 2 に示します。 E. coli および S. oneidensis MR-1 について培養された各細胞の持続 OCP 値は、 1を大きさ順に並べました。 S. oneidensis MR-1 の存在下での OCP 進化の初期段階での不安定性 (図 2B) は、基板と裸の陽極表面の間の相互作用、不完全なバイオフィルム形成、および基板間の競合など、さまざまな要因の結果である可能性があります。バクテリアがアノード表面に到達し、バイオフィルムを形成します35。

図2に示すように、大腸菌およびS.オネイデンシスMR-1で培養したマイクロ流体MFCのZnアノードでは、それぞれ最大OCP1.32および1.39Vが得られました。 Zn および Al 電極は、S. oneidensis MR-1 を接種したマイクロ流体 MFC のほとんどの炭素ベースの電極よりも高い OCP を示します。これは、これらの金属が還元標準電位が高く、イオン移動速度が速いという事実に起因すると考えられます。炭素ベースの電極よりも陽極液36。 Zn アノードの OCP が最も高く、Cu アノードの OCP が最も低くなります。 亜鉛アノードマイクロ流体 MFC では、2 つの一連の酸化還元反応がセルの OCP に影響を与える可能性があります。 1 つ目は亜鉛の酸化に伴う酸化還元反応で、亜鉛イオンが新しい電解質として媒体中に放出されます。 2 つ目は、細菌による有機基質の酸化です。 亜鉛酸化を組み込むと、理論上の最大値である 1.14 V37 よりも高い電位が生成される可能性があるため、作製したマイクロ流体 MFC はハイブリッド システムとみなすことができます。 MFC の典型的な電気化学反応は、カソードでの酸素の還元とアノードでの酢酸の酸化です 38。 したがって、考えられる酸化還元反応と半電池電位は次のとおりです 39,40:

微生物燃料電池：

アノード：

陰極：

さらに、亜鉛空気電池の場合、酸化還元反応は次のように述べられています41:

亜鉛空気電池:

アノード：

陰極：

その結果、両方のシステムのカソード反応は同じになる可能性があり、微生物燃料電池と亜鉛空気電池でそれぞれ理論値 1.111 と 1.6 V を達成できました。 亜鉛アノードを備えたマイクロ流体 MFC の OCP は、1.32 および 1.39 V でした。ハイブリッド システムとしてのセルの動作に関して、高い OCP 値は、上記の反応の発生に起因すると考えられます。 デュアルチャンバーマイクロ流体 MFC と比較しても、Zn アノードマイクロ流体 MFC の持続 OCP は、以前に発表された研究で得られた OCP よりも高かった 21。 亜鉛アノードは、マイクロ流体 MFC の商業化に向けた最初の有望なステップを示しています。

より詳細な検査により、生体触媒と電極間の顕著な相互作用の役割も明らかになります。 図 2 に埋め込まれた表は、細菌の存在下と非存在下でのマイクロ流体 MFC の持続 OCP を比較しています。 亜鉛アノードの場合、バクテリアを接種したセルと培地のみのセルの間の電圧の差は他の電極よりもはるかに高く、酸化還元反応の促進におけるバクテリアの重要な役割が明らかになりました。 発電全体における各問題の割合を調査するために、マイクロ流体 MFC を細菌接種ありおよびなしで動作させたところ、最大電力と電流密度は細菌の存在なしで約 166.4 mW m-2 および 4400 mA m-2、細菌の存在なしでは約 14,592 mW が得られました。細菌接種では、それぞれ m-2 および 118,000 mA m-2。 達成された値は、全体の電流密度および電力密度における亜鉛の酸化に関連する酸化還元反応の割合が、それぞれ約 1.14% および 3.72% と推定できることを示しました。 これは、有機基質の酸化における細菌の重要な役割と、生成される生体電気に対する亜鉛陽極酸化の影響が無視できることを示しています。 さらに、細菌が存在する場合のシステムの内部抵抗（陽極液の導電性の指標として）は 50 Ωでしたが、微細加工セルに細菌が接種されていない場合は 2000 Ωでした。 この 40 倍の違いは、亜鉛アノードを備えたマイクロ流体 MFC の全体的な性能が主に微生物の活性に依存していることを明らかにしています。

活性化過電位を低下させ、それによって酸化還元反応を促進するというアノード電極の重要な役割に関して、各金属ベースの電極の性能を評価することができます。 さらに、それぞれの電子伝達機構の有効性を実証します。

異なる基質流量に基づく、大腸菌およびS.オナイデンシスMR-1に対する金属ベースの電極（Cu、Sn、Znを含む）の電力密度曲線を図3に示します。 他の金属ベースの電極の詳細な説明補足ファイルに記載されています。 Cu アノードを備えたマイクロ流体 MFC は出力と電流密度が最も低くなりますが、Zn アノードを備えたマイクロ流体 MFC はこれらの値の最高レベルを示します。 S. oneidensis MR-1 を接種したマイクロ流体 MFC は、Zn、Al、Sn、Ni のアノードに関して大腸菌を接種したマイクロ流体 MFC よりも優れた性能を発揮します。 金属ベースの電極との適合性は別として、直接電子伝達機構は可動電子シャトルを介した間接電子伝達よりも損失が低くなります。

大腸菌 ((A) Cu、(B) Sn、および (C) Zn) および Shewanella oneidensis MR-1 ((D) Cu、(E) Sn、および ( F) 異なる基質注入速度における Zn)。 エラーバーは、繰り返された実験間の電力と電流密度の変動を表します。

他の金属ベースの電極や、これまでに文献で発表されている他の MFC (マクロスケールおよびマイクロスケール MFC を含む)14,22 と比較して、S. oneidensis MR-1 と結合した Zn アノード MFC は、報告されている最高の出力と電流密度を生成しました。 (それぞれ約 14,592 mW m-2 と 118,000 mA m-2)。 これらの結果は、直接電子移動機構とマイクロ流体 MFC のアノードとしての亜鉛の可能性がうまく一致していることを示しています。 S. oneidensis MR-1 を接種したマイクロ流体 MFC の Al と Sn であっても、生成される出力密度は炭素ベースの電極よりもはるかに高く 42、これはナノワイヤと金属ベースの電極の適合性が成功していることを示しています。

Snアノードマイクロ流体MFCは、大腸菌およびS.オネイデンシスMR-1を使用した場合、それぞれ380および781.4mW m-2の出力密度を有した（図3BおよびE）。 ジオバクター優勢混合培養物を接種した MFC のアノードとして使用すると、Sn は 271 および 242 mW m-2 の電力密度を示します 14,18。 S. oneidensis MR-1 によって得られた Sn の出力密度は、Geobacter 優勢混合培養で報告されているものの 2.8 倍を超えており、S. oneidensis MR-1 が優れた生体適合性と金属ベースの電子受容体への電子移動を備えていることを示しています。 さらに、生体発電を強化するマイクロ流体 MFC の利点も見逃すべきではありません。

OCP の結果と同様に、Cu アノードを備えたマイクロ流体 MFC は、他の金属ベースの電極を備えたマイクロ流体 MFC よりも低い出力と電流密度を生成しました (それぞれ、約 57.76 および 64.25 mW m-2)。 Cu43 の抗バイオフィルムおよび抗菌特性により、効果的な電子生成層の形成が妨げられ、これが発電レベルの低下の主な原因である可能性があります。 MFC のアノードとしての Cu の性能は、生体触媒にとって敏感な電子受容体であることが実証されています。 Geobacter 優勢培養 13 および S. oneidensis MR-1 を使用した場合、Cu アノード MFC でそれぞれ 2 および 69 mW m-2 の最大出力密度が得られました 44。 この性能の低下は、有毒イオンの放出と腐食に起因すると考えられています45。

マイクロ流体 MFC の最適な流量は、物質移動条件 46、バイオフィルム成長のための栄養素の調達 7,47,48、流体力学的安定性 49、およびアノード表面付近での過剰なせん断応力を回避することによる細菌の剥離 7,46 によって決まります。 Mardanpour と Yaghmaei19 の研究で作製されたマイクロサイズ MFC とこの研究のセルの形状の類似性に関して、基板流量の範囲は、言及された研究の報告値に基づいて決定されました。 流量は、マイクロチャネル内で連続的な流れを確立し、一方ではバイオフィルムの脱水を抑制し、他方では高いせん断応力によるバイオフィルムの剥離を防ぐ範囲に調整する必要があります。 異なる生体触媒（大腸菌とS. オナイデンシス MR-1）を接種したマイクロ流体 MFC の最適流量の違いは、電子伝達機構に対する基質流量の顕著な影響を示しています。 Cu を除いて、S. oneidensis MR-1 を利用するマイクロ流体 MFC のすべての金属ベースの電極の最適流量は、大腸菌の流量よりも低くなります。 アノード表面に付着したナノワイヤを介した S. oneidensis MR-1 の電子伝達機構に関しては、流量が低いほど、電極上でのバイオフィルム形成に十分な時間が確保され、バイオフィルムの剥離や基板流動ストレスが防止されます。 一方、大腸菌は、電子シャトルとして機能する自己生成メディエーター（シトクロム c）を介して電子を伝達します。 流速が高くなると、細菌膜から抽出された電子を転送するためのマイクロチャネル内のシャトルの数がより多くなる可能性があります。

オーバーシュート現象は、電力密度曲線で観察できるもう 1 つの特性です。 外部抵抗が減少すると、生成される電流量と電子の需要が増加します。 バクテリアが酸化還元反応を通じて必要な電子を供給できない場合、オーバーシュート現象として知られる電流と電力の急激な減少が発生します50。 基質流量の増加は、電流密度の減少を補い、微生物に追加の栄養素を提供し、電子生成における代謝速度を加速する可能性があります。 その結果、微生物の供給に最適な流量を下回るとオーバーシュートが発生する場合があります。 さらに、流量が高くなると、細菌やシトクロム c 分子が電極表面に到達するまでの時間が不十分になることも、オーバーシュート現象に寄与するもう 1 つの要因である可能性があります。 出力密度曲線を考慮すると、S. oneidensis MR-1 を接種したマイクロ流体 MFC はいずれもオーバーシュート現象を経験しません。 逆に、この問題は、それぞれ 0.3、3、2 ml h-1 の流量で大腸菌を接種した Cu、Ni、Zn の出力密度曲線で観察されました。

分極曲線を使用して、システムの過電位に対する電極の種類と電子伝達機構の影響を評価できます。 分極曲線の最初の部分、中間の部分、および最後の部分を使用して、それぞれ活性化過電圧、オーム過電圧、および集中過電圧を決定できます51。 異なる電子伝達機構を持つ 2 つの種のさまざまな金属ベースの電極の分極曲線を図 4 に示します。破線の楕円で示される分極曲線の最初の部分の傾きは、活性化過電圧の次数を示します。 見てわかるように、S. oneidensis MR-1 の分極曲線の傾き (図 4B) は、大腸菌を接種したマイクロ流体 MFC (図 4A) の傾きよりも小さく、これは S. oneidensis MR-1 が必要とする分極曲線の傾きが少ないことを示しています。基質の酸化から電子を取り出すための活性化エネルギーが大腸菌よりも優れています。 S. オナイデンシス MR-1 の代謝経路は、大腸菌の代謝経路よりも合理化されている可能性があります。 さらに、亜鉛は酸化還元反応中のエネルギー損失が少ないため、これらの種のどれよりも傾きが小さく、これが細菌の標準還元電位の低下と亜鉛アノードとの生体適合性の増加を説明している可能性があります。 Al は Zn よりも強力な還元種ですが、Zn の生体適合性はマイクロ流体 MFC の性能により大きな影響を与える可能性があります。 Sn、Ni、および Cu はより大きな傾きを持ち、標準還元電位の表内のそれぞれの位置に調整されます。

分極曲線による、さまざまな電極の活性化とオーミック過電位の比較、および使用した生体触媒の電子伝達機構。 (A) 大腸菌、(B) シェワネラ・オナイデンシス MR-1、(C) Zn & Sn、(D) Al & Sn、(E) Sn & Cu、(F) Sn & Ni。 エラーバーは、繰り返された実験間の電力と電流密度の変動を表します。

図４Ａの分極曲線によれば、生体触媒として大腸菌を用いたマイクロ流体ＭＦＣのＳｎ、Ｎｉ、およびＣｕアノードでは、活性化過電位に有意な差は観察されなかった。 一方、図 4B の最初のゾーンの分極曲線の傾きには大きな違いが見られます。 S. oneidensis MR-1 を接種すると、Sn と Ni は Cu よりも低い活性化過電圧を示します。これは、活性化過電圧の低減におけるアノード表面ナノワイヤの重要な役割を強調します。

分極曲線の中間ゾーンによって決定できるマイクロ流体 MFC のオーミック過電位に関しては、電子伝達機構の優位性についていくつかの推測が可能です。 さまざまな微生物種が使用する金属ベースの電極の分極曲線を図 4C ～ F に示します。 Snの発電量はCuやNiより高く、ZnやAlよりは低い。 このため、Sn は基準として使用し、他の電極の電気特性を比較するための優れた候補になります。 したがって、完全に比較できるように、各金属ベースの電極の分極曲線を Sn 分極曲線と並べて参照として示します。 図4Cに示すように、Znアノードを使用したマイクロ流体MFCでは、S.オネイデンシスMR-1の中央ゾーン（破線の楕円内に含まれる）の曲線の傾きが大腸菌よりも小さく、これはAlにも当てはまります。そしてSn。 オーム過電圧は、陽極液の導電率と電子受容体への電子の伝達の尺度であるため、ナノワイヤが電子を伝達するために必要なエネルギーが可動電子シャトルよりも少ないことを示しています。 ナノワイヤによって直接電子を伝達する外来微生物（S. oneidensis MR-1 など）は、自己生成メディエーターを介して電子を伝達する大腸菌の代替として導入できます 52。 マイクロ流体 MFC の接種におけるこの置換により、セルの性能と効率が著しく改善されました。 以前の研究 3,19,53 の結果を比較すると、発電を改善するためにアノード表面にナノ粒子が豊富に含まれている場合でも、大腸菌よりも S. oneidensis MR-1 の性能が優れていることが明らかになりました 15。ナノワイヤーは長距離経路で電子を輸送し、その結果バイオフィルムの導電性を高めることができるということです54。 したがって、ナノワイヤのネットワークを備えた厚いバイオフィルムであっても、可動電子シャトルよりも内部電気抵抗が低くなる可能性があります。 両方のタイプの電子移動プロセスにおける電場の計算に関する将来の研究は、この分野で非常に役立つことが判明する可能性があります。

Cu および Ni アノードを備えたマイクロ流体 MFC のオーム過電位は、有意な差を示さなかった (図 4E、F)。 電子伝達機構の違いはこれらの細胞の性能に目立った影響を及ぼさなかったが、これは銅のバイオフィルム付着傾向が低いためである可能性があり、S. oneidensis MR-1 バイオフィルムは電子伝導において独特の役割を果たすことができない。 したがって、懸濁微生物は主に電子移動に寄与する可能性があり、Cu アノードを備えたマイクロ流体 MFC に S. oneidensis MR-1 または E. coli を添加しても、有意な差は観察されません。 走査型電子顕微鏡画像は、前述の Cu 傾斜バイオフィルム形成の理由についての追加の証拠を提供しました。 Ni の場合、電子伝達メカニズムに基づいてオーミック過電位を明確にし、評価し、比較するにはさらなる研究が必要です。

図 5 は、金属ベースの電極の出力密度曲線に 86 mT の静磁場を印加した場合の影響を示しています。 製造されたセルはほぼ 10 日間動作し、この期間中継続的に静磁場にさらされたことに注意してください。 見てわかるように、Zn アノード マイクロ流体 MFC を除いて、他のマイクロ流体 MFC の生成電力は大幅に減少しています。 さらに、それぞれに変動（破線の円で示す）が発生しました。 この急激な減少は、Cu、Al、および Zn アノードではわずかですが、Ni と Sn では劇的です。 静磁場を印加すると、Cu、Ni、Sn、Alの発電量はそれぞれ22%、27%、13%、66%減少しました。 一方、Zn の場合、この磁場により出力密度が 2.4 倍以上増加しました。 この複雑な変動を単一のパラメーターのせいにすることは困難ですが、アノードの磁気特性と S. oneidensis MR-1 の代謝特性が他の変数よりも重要であると思われます。

最適化された基質流量におけるシュワネラ・オネイデンシス MR-1 と関与するマイクロ流体 MFC の金属ベースの電極の性能に対する静磁場の影響 (補足ファイルの表 S1)。 エラーバーは、繰り返された実験間の電力と電流密度の変動を表します。

金属ベースのアノードの磁気特性に関しては、Zn と Cu は反磁性、Al と Sn は常磁性、Ni は強磁性です55。 Cu アノードは同じ挙動を示さなかったため、Zn アノードの出力密度の顕著な増加はその磁気特性のみに起因するものではありません。 さらに、Al および Sn アノードは、静磁場を印加した場合にも同様の減少を示さなかった。 著者らの知る限り、静磁場を印加したときの S. oneidensis MR-1 の代謝反応の変化を調べる研究は行われていません。 今後の研究は、この主題と静磁場強度がマイクロ流体 MFC の性能に及ぼす影響を解明することに焦点を当てます。

補足ファイルの表 S1 は、前の図で説明した電気化学分析の主要なポイントをまとめたものです。 大腸菌の代わりに S. oneidensis MR-1 を使用した場合、Zn、Al、Sn、Ni はほぼ 2 倍の出力密度を生成しました。これは、直接電子伝達メカニズムがメディエーターベースの電子伝達メカニズムよりも優先されることを示しています。 マイクロ流体 MFC のすべての電極に対して計算された内部抵抗値は、S. oneidensis MR-1 の利用率が大腸菌よりも減少傾向にあることをほぼ示しています。 銅アノードを除いて、S. oneidensis MR-1 を接種したマイクロ流体 MFC の最適流量は、大腸菌を接種したものよりも低くなります。 S. oneidensis MR-1 の場合、細菌が剥離する可能性があるため流速を下げる必要がありますが、大腸菌の場合は使用細胞内の電子シャトルを促進するために流速を高める必要があります。

静磁場が印加されると、Zn アノードは他の金属ベースのアノードとは異なる動作をします。 金属ベースの電極の分極傾向の複雑な変化の理由を解釈するのは簡単ではありません。 一般に、静磁場は、Zn アノード マイクロ流体 MFC を除いて、マイクロ流体 MFC の発電に悪影響を及ぼします。

図 6 は、大腸菌および S. オナイデンシス MR-1 を接種したマイクロ流体 MFC のアノードとカソードの走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像を示しています。 高解像度 SEM 画像は補足ファイルに示されています。 画像は、最高（つまり、Zn）の電力密度から最低（つまり、Cu）の電力密度の順に並べられています。 各シリーズの最終画像は、カーボンクロス陰極上のバイオフィルムを示しています。 カソード表面では、S. oneidensis MR-1 と E. coli の両方が高密度のバイオフィルムを形成しています。 アノードの種類に関係なく、両方の種はアノード電極よりもカソード表面に付着する傾向があります。 アーメドとキムは、陰極バイオフィルムが生成電力を最大 20% 削減できることを実証しました56。 そこで、カソード表面でのバイオフィルムの形成を抑制し、生物発電を改善する抗菌活性を持つ新しいカソード触媒が開発されました 57,58。

マイクロ流体 MFC のアノードおよびカソード表面領域上の (A) 大腸菌および (B) シュワネラ・オネイデンシス MR-1 バイオフィルムの走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像。 各 SEM 画像の関連情報が特徴付けられました。

図6Aの最初の部分図に示されているように、Znアノード表面上でのバイオフィルムの形成は一般的ではありません。 単一の細菌または細菌のグループには明確な画像がない、と言ったほうが正確です。 一方、天然に存在する酸化亜鉛ナノ粒子は簡単に識別できます。 亜鉛陽極マイクロ流体 MFC は最高の出力密度を持っていますが、懸濁した大腸菌が発電において重要な役割を果たしている可能性があることは明らかです。 Al と Cu の間では、アノード表面に付着した細菌の数が劇的に増加しました。 同時に、Al および Sn アノードの表面はまばらなグループと個々のバクテリアで覆われ、Ni および Cu アノードの表面は密なバクテリアのグループで覆われます。 シトクロム c59 を介した大腸菌の電子伝達機構に関しては、高密度のバイオフィルムの存在が、搭載された電子を陽極に運ぶ際の障壁として機能する可能性があります。

使用される金属ベースの電極の標準電極電位の重要な役割に加えて、大腸菌を接種したマイクロ流体 MFC の発電量が増加すると考えられます。 それは、一方では浮遊細菌の増殖と電子輸送を強化し、他方では電子受容体への障壁を取り除くはずです。 電極表面領域での厚いバイオフィルムの形成を防止するナノ粒子の役割は、これが亜鉛アノード表面領域でのバイオフィルムの形成を回避する理由となり得るため、解決策とみなすことができる。 マイクロ流体 MFC の Ni 表面を Ni ナノ粒子でコーティングすることにより、出力密度が 30% 以上増加できることが実証されています15。 1 つ目の可能性は、アノード表面積の増加の結果としてこれが発生するということです。 しかし、別の研究では、Zn アノード表面に Zn ナノ粒子を使用して S. oneidensis MR-1 バイオフィルムの利用可能な表面積を増加させても、マイクロ流体 MFC60 の生成電力密度は増加しないことがわかりました。 ナノ粒子の存在により、アノード表面領域への細菌の付着が減少する可能性があります。 将来の研究は、さまざまな種類の微生物によるバイオフィルムの形成に対するナノ粒子の影響に焦点を当てる可能性があります。

金属ベースのアノードの表面形態を特徴付けるために、バイオフィルムを除去した後の使用済みアノードの SEM 画像を取得し、新しいアノードと比較しました (補足ファイル)。 Al および Ni の画像には、10 日間の動作後でも検出可能な変化は見られませんでした。 Sn 表面には局所的な空洞が部分的に見られ、孔食として知られています61。 天然のナノ構造は、Zn の場合、新鮮で洗浄されたアノードの表面に存在していました。 さらに、バイオフィルムを洗浄した後、Zn アノードにいくつかのわずかな亀裂が観察されましたが、これは軽度の腐食と考えられます。 MFC の性能に対するアノード腐食の影響を評価するために、山下氏と横山氏は、MFC のアノードとしてさまざまな金属を 350 日間検査し、金属ベースのアノードが安定した電流密度を生成できることを報告しました。 彼らはまた、特定の腐食速度によって生成される電流密度が大幅に減少する可能性があることを実証しました14。 本研究では、操作中に生成された生体電気の減少は観察されず、これは腐食のレベルと速度が無視できることを示しています。

S. oneidensis MR-1 を接種したマイクロ流体 MFC の Cu アノードは腐食を経験し、表面粗さの顕著な変化がはっきりとわかりました。 一方、生体触媒として大腸菌を動員したマイクロ流体 MFC は、Cu アノードの表面に顕著な変化を示さなかった。 これは、Cu アノード上に形成された大腸菌のバイオフィルムが、システムのアノード液に対する Cu の露出表面の腐食を抑制する保護被覆層としての役割を果たしたというこの問題に関連している可能性があります。 逆に、S. oneidensis MR-1 を接種したアノードでは無視できる数の細菌が観察されます。 MFC の動作中の Cu アノードの腐食は、Zhu と Logan の研究で説明されています 45。 さらに、Baudler et al. MFC のアノードとしての Cu の安定性と耐腐食性を実証しました 13。 これは、特定の微生物のバイオフィルムが腐食に対する保護的な役割を果たしているのではないかという推測を強化する可能性があります。 本研究では、大腸菌がマイクロ流体 MFC の Cu アノードの維持に寄与している可能性があります。

さまざまなアノードを使用して製造されたマイクロ流体 MFC 上の S. oneidensis MR-1 バイオフィルムの SEM 画像も図 6B に示します。 白い破線の楕円は、Znアノードマイクロ流体MFC上に形成されたバイオフィルムを示しています。 CuがAlに置き換わると、バイオフィルムを形成する細菌の数が減少した。 言い換えれば、Al は Sn よりも高密度のバイオ フィルムをサポートし、Sn は Ni よりも高密度で緻密なバイオ フィルムをサポートします。 Cu 表面に付着したバクテリアはまばらであり、凝集しませんでした。 図 6 の SEM 画像は、形成された S. oneidensis MR-1 バイオフィルムの量と出力密度の向上との関係を示しています。 高密度のバイオフィルムを備えたマイクロ流体 MFC は、アノード上に微生物がまばらに付着しているマイクロ流体 MFC よりも高い出力密度を達成します。

大腸菌を接種したマイクロ流体 MFC とは対照的に、比較により、付着細菌の増殖は S. oneidensis MR-1 を接種したマイクロ流体 MFC の発電強化の兆候と見なすことができることが示される可能性があります。 ナノワイヤに基づく直接電子伝達機構により、相互接続されたナノワイヤの複雑なネットワークを介した電子伝達が可能になることは明らかです。 これは、より高密度で厚い S. oneidensis MR-1 バイオフィルムがより高い出力密度を生成できる理由を説明する可能性があります。 将来の研究には、静磁場にさらされた S. oneidensis MR-1 の SEM 画像が含まれる予定であることに注意してください。

マイクロ流体 MFC は、発光ダイオード (LED) に電力を供給する能力に関して全体的に評価され、マイクロ流体 MFC に関する以前に発表された研究と比較されました。 3 つの Zn アノード マイクロ流体 MFC を直列に接続して 4.1 V を生成し、赤、青、白、紫外 LED に電力を供給し、外部磁場なしで LED に電力を供給するマイクロ流体 MFC の機能を実証します。 図 7 は、点灯した LED、その電力推移、および各 LED に必要な電流を表しています。 さらに、発生した光の強度を露出計を使用して測定し、報告しました。 図に示すように、白色 LED は大幅に高い光強度を生成します。 赤色 LED は他のタイプの LED よりも多くのエネルギーを消費するため、赤色 LED の電力の推移を図 7 に示します。初期の電力低下にもかかわらず、電力の推移には一貫した傾向が見られます。 赤色 LED に電力を供給するマイクロ流体 MFC の持続可能性を評価するために、シリンジ ポンプを停止し、ほぼ 1.75 時間後に光強度が 2 ルクスから 1 ルクスに減少しました。 2.5 時間後、LED がオフになりました。 このシステムのもう 1 つの特徴は、マイクロ流体 MFC を介してわずか 150 μl の基板を使用して 3 つの LED に 2 時間以上電力を供給できることです。

LED に電力を供給するための Shewanella oneidensis MR-1 を接種した Zn アノード マイクロ流体 MFC のパフォーマンス。

図 8 は、以前に発表された研究の結果と比較したマイクロ流体 MFC の性能を示しています。 関連する研究は、最大電力と電流密度に基づいて整理されています（補足ファイルの表S2と図8）。 見てわかるように、マイクロ流体 MFC の生成電力密度は、適切なアノード電極を選択し、適切な電子伝達機構を調整し、静磁場を印加することによって大幅に改善されました。

以前に公開された研究と比較した、Shewanella oneidensis MR-1 を接種した Zn アノード マイクロ流体 MFC の性能。

製造されたマイクロ流体 MFC は、完全な接種のための複雑な生物学的技術や、電極を促進するための長時間の合成方法を必要としません。 この操作は、クリーンルーム条件を必要とせず、従来の実験室で行われました。 S. oneidensis MR-1 を接種し、Nd-Fe-B 永久磁石でサポートされた製造された Zn アノード マイクロ流体 MFC の製造コストは 1.1 ドル未満です。 これは、臨床および医療用途向けのマイクロ流体 MFC のマーケティングを加速するシステムのもう 1 つの優れた機能です。

3 つのシンプルでコスト効率の高い方法を使用して、マイクロ流体 MFC の生体発電を強化し、これまでで最高の出力と電流密度を実現しました。 電気化学的特性の観点から、金属ベースの電極を使用して製造されたマイクロ流体 MFC は次の特性を示します。

S. oneidensis MR-1 を接種したマイクロ流体 MFC は、大腸菌を接種したマイクロ流体 MFC よりも高い出力と電流密度を示します。これは、直接電子伝達機構と金属ベースのアノードの電位がよりよく一致していることを意味します。

Shewanella oneidensis MR-1 は、基質の酸化から電子を取り出すのに大腸菌よりも少ない活性化エネルギーしか必要としません。これは、S. oneidensis MR-1 の代謝経路が大腸菌よりもスムーズで、移動性の電子シャトルと比較してナノワイヤーの損失が少ない可能性があることを示唆しています。 。

大腸菌を接種したマイクロ流体 MFC の発電を強化するには、一方では浮遊細菌の増殖とその電子輸送を強化し、他方では電子受容体への障壁を取り除く必要があります。 この問題に対処するには、ナノ粒子の沈殿が重要である可能性があります。

大腸菌を接種した細胞とは対照的に、S. オナイデンシス MR-1 バイオフィルムの形成量と出力密度の増加の間には相関関係があります。 高密度のバイオフィルムを備えたマイクロ流体 MFC は、アノード上に微生物がまばらに付着しているマイクロ流体 MFC よりも高い出力密度を達成します。

亜鉛陽極マイクロ流体 MFC (2.4 倍増加) を除き、静磁場の印加はマイクロ流体 MFC の発電に悪影響を及ぼします。

さまざまな磁場を使用してバイオフィルムのトポグラフィーを調査したり、静磁場を適用することによって発生する急激な変化を解読したりすることは、将来の研究トピックになる可能性があります。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開記事に含まれています。

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イラン、テヘランのタルビアト・モダレス大学機械工学科

モハマド・シルコシュ＆ユセフ・ワークス

カナダ、モントリオール、マギル大学生物工学部

モハマド・マフディ・マルダンプール

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M.Sh.: 形式分析、調査、執筆レビューおよび編集 YH: 監修、概念化、執筆レビューおよび編集 MMM: 監修、概念化、執筆レビューおよび編集。

ユセフ・ホジャット氏との通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Shirkosh, M.、Hojjat, Y. & Mardanpour, MM 電子伝達機構、金属ベースの電極、および磁場の効果を調査することにより、マイクロ流体微生物燃料電池の性能を向上させます。 Sci Rep 12、7417 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-11472-6

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受信日: 2022 年 1 月 19 日

受理日: 2022 年 4 月 25 日

公開日: 2022 年 5 月 6 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-11472-6

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