Att ändra elektrodernas ytkemi leder till förmånlig tillväxt av en ny elektroaktiv bakterie som kan stödja förbättrad energineutral avloppsrening.

Att växa, elektroaktiva bakterier bryter ner organiska föreningar genom att överföra elektroner till fasta substrat utanför sina celler. Forskare har använt denna process för att driva enheter, såsom mikrobiella elektrokemiska system, där bakterierna växer som en film på en elektrod, bryta ner de organiska föreningarna i avloppsvatten och överföra de resulterande elektronerna till elektroden.

Forskare letar nu efter sätt att förbättra denna process så att den producerar vätgas vid en negativt laddad katodelektrod, som sedan kan omvandlas till el för att driva avloppsreningsverk. Detta kräver elektroaktiva bakterier som effektivt överför elektroner till en positivt laddad anodelektrod som inte använder väte för sin tillväxt.

Krishna Katuri, en forskare i Pascal Saikalys labb, och kollegor har nu hittat en ny elektroaktiv bakterie, kallas Desulfuromonas acetexigens, som företrädesvis växer när anodens ytkemi ändras på ett specifikt sätt. Bakterien producerar en högre strömtäthet än den viktigaste strömproducerande bakterien, Geobacter sulfurreducens, och på kortare tid.

"Vi betraktar detta som en banbrytande upptäckt på området, säger Katuri.

När man justerar ytkemin, forskarna modifierade grafitelektroder för att producera amino, karboxyl- och hydroxidgrupper på deras yta. Vid slam och acetat, en organisk förening som används som foder, placerades i en glaskammare tillsammans med elektroden, bakterier växte snabbt på elektrodens yta. Analyser visade att D. acetexigens preferentiellt växte snabbt på de modifierade elektroderna, medan G. sulfurreducens växte på konventionellt använda omodifierade elektroder testade som kontroller.

Ytterligare analyser visade att D. acetexigens genererade en strömtäthet på cirka 9 ampere per kvadratmeter inom 20 timmar efter att processen startade, jämfört med endast 5 ampere per kvadratmeter på 72 timmar av G. sulfurreducens.

Också, D. acetexigens använder inte väte som foder. Detta innebär att en mikrobiell elektrokemisk reaktor som behandlar avloppsvatten kan kombinera elektronerna och protonerna som produceras av denna bakterie för att generera vätgas vid katoden.

"Vi planerar nästa att studera hur D. acetexigens överför elektroner och att lära oss hur man maximerar sin aktivitet vid anoden, " säger Saikaly. "Vi tillverkar också en mikrobiell elektrolyscellreaktor i pilotskala för att behandla hushållsavloppsvatten med denna bakterie samtidigt som vi återvinner vätgas som energi. Solpaneler kommer att integreras i pilotreaktorn med syftet att använda sol- och väteenergi för att uppnå energineutral eller till och med möjligen energipositiv avloppsvattenrening."