To understand the effects of acclimation schemes on the formation of anode biofilms, different electrical performances are characterized in this study, with the roles of suspended and attached bacteria in single-chamber microbial fuel cells (MFCs). The results show that the generation of current in single-chamber MFCs is significantly affected by the development of a biofilm matrix on the anode surface containing abundant immobilized microorganisms. The long-term operation with suspended microorganisms was demonstrated to form a dense biofilm matrix that was able to reduce the activation loss in MFCs. Also, a Pt-coated anode was not favorable for the initial or long-term bacterial attachment due to its high hydrophobicity (contact angle = $124^{\circ}$), which promotes easy detachment of the biofilm from the anode surface. Maximum power ($655.0\;mW/m^2$) was obtained at a current density of $3,358.8\;mA/m^2$ in the MFCs with longer acclimation periods. It was found that a dense biofilm was able to enhance the charge transfer rates due to the complex development of a biofilm matrix anchoring the electrochemically active microorganisms together on the anode surface. Among the major components of the extracellular polymeric substance, carbohydrates ($85.7\;mg/m^2_{anode}$) and proteins ($81.0\;mg/m^2_{anode}$) in the dense anode biofilm accounted for 17 and 19%, respectively, which are greater than those in the sparse anode biofilm.
Kang Hye-Sun;Lee Jong-Kwang;Kim Moo-Hoon;Park Doo-Hyun
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.16
no.3
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pp.399-407
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2006
In this study, an electrical conductive carbon fiber was used as a biofilter matrix to electrochemically improve the biofilter function. A bioreactor system was composed of carbon fiber (anode), titanium ring, porcelain ring, inorganic nutrient reservoir, and VOC reservoir. Electric DC power of 1.5 volt was charged to the carbon fiber anode (CFA) to induce the electrochemical oxidation potential on the biofilter matrix, but not to the carbon fiber (CF). We tested the effects of electrochemical oxidation potential charged to the CFA on the biofilm structure, the bacterial growth, and the activity for metabolic oxidation of VOCs to $CO_2$, According to the SEM image, the biofilm structure developed in the CFA appeared to be greatly different from that in the CF. The bacterial growth, VOCs degradation, and metabolic oxidation of VOCs to $CO_2$ in the CFA were more activated than those in the CF. On the basis of these results, we propose that the biofilm structure can be improved, and the bacterial growth and the bacterial oxidation activity of VOCs can be activated by the electrochemical oxidation potential charged to a biofilter matrix.
Biofilm formation is inevitable in a bioelectrochemical system in which microorganisms act as a sole biocatalyst. Cathodic biofilm (CBF) works as a double-edged sword in the performance of the air-cathode microbial fuel cells (MFCs). Proton and oxygen crossover through the CBF are limited by the robust structure of extracellular polymeric substances, composition of available constituents and environmental condition from which the biofilm is formed. The MFC performance in terms of power, current and coulombic efficiency is influenced by the nature and origin of CBF. Development of CBF from different ecological environment while keeping the same anode inoculums, contributes additional charge transfer resistance to the total internal resistance, with increase in coulombic efficiency at the expense of power reduction. This study demonstrates that MFC operation conditions need to be optimized on the choice of initial inoculum medium that leads to the biofilm formation on the air cathode.
Understanding exoelectrogenic reactions of the bioanode is limited due to its complexity and the absence of analytics. Impedance and thermodynamics of bioanode, abiotic anode, and riboflavin-amended anode were evaluated. Activation overpotential of the bioanode was negligible compared with that of the abiotic anode. Impedance spectroscopy shows that the bioanode had much lower charge transfer resistance and higher capacitance than the abiotic anode in low frequency reaction. In high frequency reaction, the impedance parameters, however, were relatively similar between the bioanode and the abiotic anode. At open-circuit impedance spectroscopy, a high frequency arc was not detected in the abiotic anode in Nyquist plot. Addition of riboflavin induced a phase angle shift and created curvature in high-frequency arc of the abiotic anode, and it also drastically changed impedance spectra of the bioanode.
One chambered sediment microbial fuel cell (SMFC) was equipped with Fe, brass (Cu/Zn), Fe/Zn, Cu, Cu/carbon cloth and graphite felt anode. Graphite felt was used as common cathode. The SMFC was membrane-less and mediator-less as well. Order of anodic performance on the basis of power density was Fe/Zn ($6.90Wm^{-2}$) > Fe ($6.03Wm^{-2}$) > Cu/carbon cloth ($2.13Wm^{-2}$) > Cu ($1.13Wm^{-2}$) > brass ($Cu/Zn=0.24Wm^{-2}$) > graphite felt ($0.10Wm^{-2}$). Fe/Zn composite anode have twisted 6.73% more power than Fe alone, Cu/carbon cloth boosted power production by 65%, and brass (Cu/Zn) produced 65% less power than Cu alone. Graphite felt have shown the lowest electricity generation because of its poor galvanic potential. The estuarine sediment served as supplier of oxidants or electron producing microbial flora, which evoked electrons via a complicated direct microbial electron transfer mechanism or making biofilm, respectively. Oxidation reduction was kept to be stationary over time except at the very initial period (mostly for sediment positioning) at anodes. Based on these findings, cost effective and efficient anodic material can be suggested for better SMFC configurations and stimulate towards practical value and application.
NA BYUNG KWAN;SANG BYUNG IN;PARK DAE WON;PARK DOO HYUN
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.15
no.6
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pp.1221-1228
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2005
Carbon electrode was applied to a wastewater treatment system as biofilm media. The spatial distribution of heterotrophic bacteria in aerobic wastewater biofilm grown on carbon electrode was investigated by scanning electron microscopy, atomic force microscopy, and biomass measurement. Five volts of electric oxidation and reduction potential were charged to the carbon anode and cathode of the bioelectrochemical system, respectively, but were not charged to electrodes of a conventional system. To correlate the biofilm architecture of bacterial populations with their activity, the bacterial treatment efficiency of organic carbons was measured in the bioelectrochemical system and compared with that in the conventional system. In the SEM image, the biofilm on the anodic medium of the bioelectrochemical system looked intact and active; however, that on the carbon medium of the conventional system appeared to be shrinking or damaging. In the AFM image, the thickness of biofilm formed on the carbon medium was about two times of those on the anodic medium. The bacterial treatment efficiency of organic carbons in the bioelectrochemical system was about 1.5 times higher than that in the conventional system. Some denitrifying bacteria can metabolically oxidize $H_{2}$, coupled to reduction of $NO_{3}^{-}\;to\;N_{2}$. $H_{2}$ was produced from the cathode in the bioelectrochemical system by electrolysis of water but was not so in the conventional system. The denitrification efficiency was less than $22\%$ in the conventional system and more than $77\%$ in the bioelectrochemical system. From these results, we found that the electrochemical coupling reactions between aerobic and anaerobic reactors may be a useful tool for improvement of wastewater treatment and denitrification efficiency, without special manipulations such as bacterial growth condition control, C/N ratio (the ratio of carbon to nitrogen) control, MLSS returning, or biofilm refreshing.
Eaktasang, Numfon;Kang, Christina S.;Ryu, Song Jung;Suma, Yanasinee;Kim, Han S.
Environmental Engineering Research
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v.18
no.4
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pp.277-281
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2013
A dual-chamber microbial fuel cell (MFC) inoculated with Desulfovibrio desulfuricans and supplemented with lactate as an organic fuel was employed in this study. Biofilm formed on the anodic electrode was examined by scanning electron microscopy, revealing that the amount of biofilm was increased with repeated cycles of MFC operation. The maximum current production was notably increased from the first cycle ($1,310.0{\pm}22.3mA/m^2$) to the final cycle ($1,539.4{\pm}25.8mA/m^2$) of MFC run. Coulombic efficiency was also increased from $89.4%{\pm}0.2%$ to $98.9%{\pm}0.5%$. We suggest that the current production efficiency was related to the biomass of biofilm formed on the electrode, which was also increased as the MFC run was repeated. It was also found that D. desulfuricans, which colonized on the electrode, produced filaments or nano-pili. Nano-pili were effective for the attachment of cells on the electrode. In addition, the nano-pili provided a cell-to-cell link and stimulated the development of thicker electroactive biofilm, and therefore, they facilitated electron transfer to the anode. Conclusively, the biofilm of D. desulfuricans enhanced the current production in the MFC as a result of effective attachment of cells and electron transfer from the cell network to the electrode.
Sediment microbial fuel cells (SMFCs) illustrated great potential for powering environmental sensors and bioremediation of sediments. In the present study, array anodes for SMFCs were fabricated with graphite rods as anode material and stainless steel plate as electric current collector to make it inconvenient to in situ settle down and not feasible for large-scale application. The results demonstrated that maximum power of 89.4 ㎼ was obtained from three graphite rods, twice of 43.3 ㎼ for two graphite rods. Electrochemical impedance spectroscopy revealed that three graphite rods resulted in anodic resistance of 61.2 Ω, relative to 76.0 Ω of two graphite rods. It was probably caused by the parallel connection of the graphite rods, as well as more biomass which could reduce the charge transfer resistance of the biofilm anode. The presently designed array configuration possesses the advantages of easy to enlarge the surface area, decrease in anodic resistance because of the parallel connection of each graphite rod, and convenience to berry into sediment by gravity. Therefore, the as prepared array node would be an effective method to fabricate large-scale SMFC and make it easy to in situ applicate in natural sediments.
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.32
no.1
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pp.87-96
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2010
The electrode material is one of the factors affecting the power production of microbial fuel cell. In this study, effects of carbon electrode material, thickness and configuration on the power density, biofilm formation and microbial community diversity of microbial fuel cell were investigated. To optimize the anode-cathode electrode assembly, seven lab-scale reactors which had various carbon electrode constructions were operated in continuous mode. Under the steady state condition, the electrode combination of graphite felt (6 mm) with hole showed the highest cell voltage of 238 mV and the coulombic efficiency of 37%. As a result of SEM analysis, the bacteria growing on surface of knitted type of carbon cloth and graphite felt electrode ncreased significantly. The change of dominant species between seeding sludge and biofilm on the surface of anode electrode, microbial analysis with PCR-DGGE showed that the dominant species of seeding sludge are quite different from those of biofilm on the surface of each anode electrode. Especially Geobacter sp., a well known electrochemical bacteria, was found as the dominant species of the electrode combination with graphite felt.
The most energy-demanding step of wastewater treatment is the aeration-dependent elimination of organic carbon. Microbial fuel cells (MFCs) offer an alternative strategy in which carbon elimination is conducted by anaerobic microorganisms that transport respiratory electrons originating from carbon oxidation to an anode. Hence, chemical energy is directly transformed into electrical energy. In this study, the use and stability of barcode-containing exoelectrogenic model biofilms under non-axenic wastewater treatment conditions are described. Genomic barcodes were integrated in Shewanella oneidensis, Geobacter sulfurreducens, and G. metallireducens. These barcodes are unique for each strain and allow distinction between those cells and naturally occurring wild types as well as quantification of the amount of cells in a biofilm via multiplex qPCR. MFCs were pre-incubated with these three strains, and after 6 days the anodes were transferred into MFCs containing synthetic wastewater with 1% wastewater sludge. Over time, the system stabilized and the coulomb efficiency was constant. Overall, the initial synthetic biofilm community represented half of the anodic population at the end of the experimental timeline. The part of the community that contained a barcode was dominated by G. sulfurreducens cells (61.5%), while S. oneidensis and G. metallireducens cells comprised 10.5% and 17.9%, respectively. To the best of our knowledge, this is the first study to describe the stability of a synthetic exoelectrogenic consortium under non-axenic conditions. The observed stability offers new possibilities for the application of synthetic biofilms and synthetically engineered organisms fed with non-sterile waste streams.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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