Utsläpp av organiska avloppsvatten – biologiskt nedbrytbart avfallsmaterial från växter och djur – till sötvattenförekomster är ett betydande miljöproblem som påverkar hälsan och hållbarheten hos dessa akvatiska ekosystem. De metoder som för närvarande finns tillgängliga för att kontrollera vattenkvaliteten är dock komplexa och kostsamma.
Forskare från Ritsumeikan University, Japan, har nyligen utvecklat en självdriven, billig och flytande biosensor för att övervaka vattenkvaliteten vid inloppet av sötvattensjöar och floder. Studien publicerades i Biochemical Engineering Journal den 1 november 2023.
"Vi utvecklade en självdriven, fristående, flytande biosensor baserad på en mikrobiell bränslecell (MFC) för tidig upptäckt av organiskt avloppsvatten. MFC-fodralet tillverkades av en 3D-skrivare och elektroderna tillverkades av lågkostnadsbaserade koldioxider. material", säger professor Kozo Taguchi från College of Science and Engineering, Department of Electrical and Electronic Engineering, Ritsumeikan University, som ledde studien.
MFC:er genererar elektricitet med hjälp av elektrogena bakterier. Dessa mikroorganismer producerar en elektrisk ström som ett resultat av deras biologiska metabolism. Mängden elektricitet som genereras av MFC är proportionell mot koncentrationen av det organiska avfallet som förbrukas av de elektrogena mikroorganismerna. Denna karakteristiska egenskap används därför för att designa biosensorer för organiskt avfall som drivs av MFC.
Med hjälp av billiga kolbaserade material utvecklade det japanska forskarteamet en självdriven biosensor baserad på en flytande MFC (FMFC) för att kontinuerligt spåra nivån av organisk förorening i sjöar och floder. För att uppnå detta fyllde de anoden (elektroden där oxidation sker och elektroner avges) på FMFC:n med jord som innehåller elektrogena bakterier. Anodbakterierna bröt sedan ner det organiska materialet som fanns i vattnet och omvandlade den lagrade kemiska energin till elektricitet. Den elektriska effekten användes sedan som ett mått på det organiska avfallet som fanns i det förorenade vattnet.
Även om forskarna inte karakteriserade de bakteriesamhällen som fanns i jordprovet, antog de rationellt att mikroorganismer från släktena Geobacter, Shewanella och Pseudomonas bidrog till den elektriska aktiviteten. Tidigare studier tyder på att risjordar naturligt innehåller elektrogena bakterier som tillhör dessa släkten.
Därefter lade teamet till en ljusemitterande diod (LED) till den flytbara biosensorenheten. Lysdioden kunde utnyttja elektriciteten som produceras av de elektrogena bakterierna och visuellt indikera nivån av organisk förorening i de vattenprover som undersöks. Det började blinka när det kemiska syrebehovet (COD) – en parameter som används för att mäta nivån av organiska föroreningar i vatten – översteg tröskelvärdet på 60 mg/L. Dessutom blinkade lysdioden i ökad takt när COD markant överskred tröskelvärdet.
Prof. Taguchi tillägger, "Eftersom FMFC-biosensorn producerar sin egen elektricitet kräver den ingen extern strömförsörjning. Dessutom kan den användas i system för tidig upptäckt som övervakar inflöden av organiskt avloppsvatten i sötvattenförekomster."
Mer information: Trang Nakamoto et al, Fristående flytande mikrobiell bränslecellsbaserad biosensor för spårning av organiska föroreningar, Biochemical Engineering Journal (2023). DOI:10.1016/j.bej.2023.109087
Tillhandahålls av Ritsumeikan University
