Impulso del rendimiento de las celdas de combustible microbianas microfluídicas a través de la investigación de los mecanismos de transferencia de electrones, metal

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 7417 (2022) Citar este artículo

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El documento presentado investiga fundamentalmente la influencia de diferentes mecanismos de transferencia de electrones, varios electrodos de metal y un campo magnético estático en el rendimiento general de las celdas de combustible microbianas microfluídicas (MFC) por primera vez para mejorar la bioelectricidad generada. Para hacerlo, como ánodo de MFC microfluídicos, se investigó a fondo el zinc, el aluminio, el estaño, el cobre y el níquel. Se utilizaron dos tipos de bacterias, Escherichia coli y Shewanella oneidensis MR-1, como biocatalizadores para comparar los diferentes mecanismos de transferencia de electrones. Se evaluó la interacción entre el ánodo y los microorganismos. Finalmente, se evaluó el potencial de aplicar un campo magnético estático para maximizar la potencia generada. Para el ánodo de zinc se obtuvo el máximo potencial de circuito abierto, densidad de corriente y densidad de potencia de 1,39 V, 138.181 mA m-2 y 35.294 mW m-2, respectivamente. La densidad de corriente producida es al menos un 445% mejor que los valores obtenidos en estudios publicados anteriormente hasta el momento. Los MFC de microfluidos se utilizaron con éxito para alimentar diodos emisores de luz ultravioleta (UV-LED) para aplicaciones médicas y clínicas para dilucidar su aplicación como generadores de energía de tamaño micro para dispositivos médicos implantables.

Las celdas de combustible microbianas (MFC) son enfoques prometedores de generación de bioelectricidad verde y renovable que utilizan microorganismos como biocatalizadores para recolectar energía a partir de sustratos orgánicos o biomasa1. Además, las numerosas aplicaciones de MFC en el tratamiento de aguas residuales y la biodetección2, la alimentación de celdas de electrólisis microbiana (MEC) para la producción de biohidrógeno3 y más allá en dispositivos de diagnóstico en el punto de atención4 atraen la atención académica. Las últimas aplicaciones han dado sus frutos con la ayuda de la tecnología de microfluidos que ofrece ventajas únicas de integrar una célula completa en un chip.

Ser capaz de alimentar sistemas miniaturizados para dispositivos médicos portátiles, ponibles5 e implantables (IMD)6, tener un tiempo de respuesta más corto, controlar los parámetros operativos con precisión1 y, finalmente, lograr una mejor comprensión de la formación de biopelículas y las interacciones biológicas7 son características principales de los MFC microfluídicos. Sin embargo, las aplicaciones prácticas de los MFC de microfluidos aún son limitadas debido a la baja densidad de potencia de salida y al alto costo de fabricación.

La energía generada depende de una variedad de factores, incluidos los parámetros físicos (materiales de los electrodos, configuración de la membrana y la celda), biológicos (tipo de microorganismo y sustrato y mecanismos de transferencia de electrones en los microorganismos) y operativos (temperatura, pH, resistencia externa y velocidad de flujo)8, 9,10. Dado que se produce una interacción directa o indirecta entre el microorganismo y la superficie del ánodo para transferir electrones extracelulares, el electrodo del ánodo desempeña un papel fundamental en este proceso. Además, el impacto de la estructura y los materiales del ánodo, en particular su biocompatibilidad, porosidad, topografía, rugosidad y potencial, podría afectar notablemente la formación de biopelículas y la resistencia interna de las MFC microfluídicas11. Un ánodo alternativo prometedor aumentará significativamente la densidad de potencia de salida de los MFC microfluídicos para acelerar la transición de esta tecnología de la investigación fundamental a las aplicaciones comerciales.

Desde el inicio de la tecnología MFC, se han realizado numerosos estudios para encontrar un electrodo de ánodo con todas las características mencionadas. Independientemente de la investigación de electrodos a base de carbono12, más de catorce electrodos a base de metales, como níquel (Ni), oro (Au), cobre (Cu), molibdeno (Mo), zinc (Zn), estaño (Sn) y aluminio ( Al), se utilizan como electrodos de ánodo en MFC13,14. Los resultados indicaron que Mo tiene una densidad de corriente más alta que otros metales y electrodos a base de carbono. Este fue el paso inicial hacia la introducción de electrodos a base de metal como una alternativa competitiva a los electrodos a base de carbono. Además, se han desarrollado varias estrategias de modificación, como la incorporación de nanoestructuras de níquel15 y la modificación de la superficie con nanoesferas de Fe3O4 y óxido de grafeno reducido16, para mejorar la biocompatibilidad, la relación área superficial/volumen y la conductividad eléctrica17.

Se observó un resultado intrigante durante el uso de electrodos a base de metal, lo que indica que son materiales de ánodo potencialmente más prometedores que los electrodos a base de carbono. Se ha informado un aumento de tres veces en la densidad de potencia para una malla de cobre recubierta de Sn sobre un electrodo de grafito18. Los electrodos a base de metal son mecánicamente más fuertes, tienen una conductividad eléctrica más alta y son más rentables. A excepción de Ni19 y Au20, hasta la fecha no se ha investigado a fondo ningún otro electrodo de base metálica en MFC de microfluidos. La interacción de los microorganismos y el tipo de electrodo es un tema crítico que no se ha considerado meticulosamente.

Los microorganismos exoelectrogénicos actúan como biocatalizadores de las MFC para degradar sustratos orgánicos y, al mismo tiempo, generar electrones extracelulares. Los electrones pueden transferirse directamente de las bacterias a los electrodos, como los nanocables (producidos por especies como S. oneidensis MR-1), o mediante mediadores autoproducidos, como el citocromo c generado por E. coli9.

La interpretación de los mecanismos de transferencia de electrones en un cultivo mixto compuesto por una avalancha de bacterias aún no se comprende por completo. Por ejemplo, el cobre como electrodo de ánodo generó densidades de corriente de 1513 y 0 Am-214 utilizando dos cultivos mixtos dominantes de Geobacter distintos. Por otro lado, la investigación de MFC microfluídicos inoculados con cultivos puros como S. oneidensis MR-121, E. coli19 y Geobacter22 dio como resultado una contemplación sencilla. Sin embargo, ningún informe evalúa y compara la generación de electricidad en condiciones operativas idénticas utilizando tipos de electrodos y mecanismos de transferencia de electrones.

Entre las numerosas estrategias utilizadas para intensificar la generación de bioelectricidad en estudios publicados anteriormente, cabe destacar cuatro técnicas. Primero, agregar mediadores sintetizados químicamente (p. ej., azul de metileno) para facilitar la transferencia de electrones producidos23; en segundo lugar, eliminando los genes que interfieren en el proceso metabólico intracelular de producción de bioelectricidad24; tercero, promover cepas mutantes para mejorar la unión bacteriana al ánodo y aumentar la densidad de corriente en más del 50 %25; y cuarto, mejorar la formación de biopelículas al combinar los genes efectivos de E. coli y S. oneidensis MR-1. La técnica final aumentó la densidad de potencia producida en 2,8 veces (de 61 a 167,6 mW m-2)26. Debido al alto coste de los mediadores exógenos y su potencial toxicidad para los microorganismos, la comercialización de MFC microfluídicas enriquecidas mediante esta técnica ha puesto en duda su comercialización9. Además, la ingeniería metabólica de microorganismos exoelectrogénicos es un proceso costoso y lento que estimula la investigación académica sobre técnicas alternativas para mejorar la bioelectricidad.

Junto con el potencial de los electrodos metálicos y la utilización de mecanismos de transferencia de electrones, la aplicación de un campo magnético estático es otro método viable para mejorar la generación de bioelectricidad. Se ha informado que los imanes permanentes acoplados al ánodo27 o al cátodo28 de los MFC mejoran la generación de bioelectricidad. Este fenómeno fue introducido por primera vez por Moore, atribuyéndole una mejora en el metabolismo de los microorganismos de electrogénesis29. Además, se ha indicado que acoplar un electrodo con imanes permanentes acelera la transferencia de electrones entre microorganismos y electrodos30. Los efectos de aplicar un campo magnético incluyen un arranque rápido y resistencia interna (aproximadamente una disminución del 39 %) de los MFC, lo que finalmente mejoró la densidad de potencia producida en más del 31 %. Sin embargo, un aumento excesivo en la intensidad del campo magnético puede afectar negativamente la generación de energía27. Es evidente que existe una intensidad de campo magnético óptima para maximizar la producción de bioelectricidad. Se debe investigar a fondo el efecto de los campos magnéticos en el rendimiento de las MFC microfluídicas como plataforma para mejorar la generación de energía.

Independientemente de cuán meticulosamente se investiguen los procesos metabólicos de los microorganismos o cómo se utilice la ingeniería genética para mejorar la transferencia de electrones, se debe tener en cuenta una perspectiva amplia sobre la mejora de la interacción entre los microbios y los aceptores de electrones como un método directo y rentable. Los objetivos de este estudio son, en primer lugar, evaluar los electrodos de base metálica como ánodos de MFC microfluídicos y mejorar la producción de bioelectricidad. En segundo lugar, investigar el efecto de los mecanismos de transferencia de electrones y la interacción del electrodo del ánodo con los microorganismos en el rendimiento general del sistema. Finalmente, evaluar la potencial aplicación de un campo magnético estático para maximizar la potencia generada. Dado que las aplicaciones finales de las MFC microfluídicas fabricadas pueden orientarse a dispositivos médicos, la utilización de bacterias no patógenas es crucial. Dos especies no patógenas, S. oneidensis MR-1 con transferencia directa de electrones y E. coli con transferencia indirecta de electrones, se inocularon en las MFC microfluídicas en las mismas condiciones. Además, se evaluó por primera vez la capacidad de los MFC microfluídicos para alimentar diodos emisores de luz ultravioleta (UV-LED) para aplicaciones médicas y clínicas.

La figura 1A muestra una ilustración esquemática de una vista detallada de la MFC microfluídica propuesta. Se cortó un rectángulo con un ancho de 1 mm y una longitud de 65 mm en una placa de polimetilmetacrilato (PMMA) con un espesor de 1 mm (Cho Chen, Taiwán) mediante un rayo láser y luego se eliminó por completo para formar un microcanal recto en la placa que sirve como compartimento de anolito de las MFC microfluídicas. Entonces, la altura del microcanal era igual al espesor de la placa de PMMA. Se eligió un microcanal recto sobre un canal en espiral3 o geometría cuadrada15 debido a su rendimiento superior. También se cortaron dos orificios para cada celda con un diámetro de 1,6 mm en dos placas de PMMA y se insertaron puntas de jeringa (16G, Changzhou Shuangma Medical Devices, China) en las placas para proporcionar una entrada y una salida para la inyección de sustrato y la eliminación de efluentes. El proceso de corte por láser se realizó utilizando una máquina láser de CO2 (Modelo CMA1390-LG, GD Han's Yueming Laser, China) con potencia, distancia de separación y velocidad de 50 W, 6,5 mm y 70 mm s-1, respectivamente. Las placas de PMMA fabricadas se unieron con pegamento de cloroformo para formar el cuerpo principal del dispositivo. Luego, como se muestra en la Fig. 1B, el ánodo preparado se colocó en un lado del dispositivo y el cátodo se colocó en el lado opuesto (es decir, frente al ánodo). Cabe señalar que un lado del cátodo estaba expuesto al aire. Por lo tanto, el oxígeno del aire jugó un papel como aceptor de electrones y procedió a la reacción redox catódica. Para unir el ánodo y el cátodo, se utilizó pegamento adhesivo epoxi. Finalmente, se conectaron alambres de cobre con un diámetro de 0,5 mm a la esquina de los electrodos mediante pegamento adhesivo epoxi para establecer los contactos eléctricos. La célula fabricada era una MFC microfluídica de cámara única que contenía un compartimento de anolito de 50 µl con un área de superficie proyectada de 0,5 cm2.

Ilustración esquemática del MFC de microfluidos: (A) diagrama explotado y (B) dispositivo fabricado. (C) Detalles esquemáticos de la aplicación de un campo magnético estático por imanes permanentes Nd-Fe-B. (1): entrada de sustrato; (2): salida del sustrato; (3) microcanal y cuerpo celular; (4): ánodo; (5): cátodo; (6): imán superior; (7): imán inferior.

Se utilizó tela de carbón (3 mm × 50 mm) como base del electrodo del cátodo. En el lado de la solución del cátodo, también se revistió una capa de catalizador para mejorar el rendimiento de la MFC microfluídica. En resumen, una mezcla de polvo de platino y carbono (10% pt/C, Sigma-Aldrich) (0,5 mg Pt/cm2 de Carbon Cloth), solución de Nafion (solución de Nafion al 5%, Alfa Aesar™) (66,7 µL/mg de Pt), y se preparó isopropanol (33,3 µL/mg de Pt) y se recubrió el lado de la solución del cátodo como se informó previamente31.

Se cortaron láminas de Zn, Al, Sn, Cu y Ni (99 % de pureza, 0,25 mm de espesor, Alfa Aesar) para formar un rectángulo (3 mm × 50 mm) utilizado como ánodo de las MFC microfluídicas. Los electrodos se empaparon con etanol isopropílico durante 3 min para eliminar los residuos orgánicos y luego se lavaron cuidadosamente con agua destilada antes del ensamblaje de la celda.

Se utilizaron imanes permanentes Nd-Fe-B (grado N42, 50 × 10 × 5 mm) y se ubicaron para generar un campo magnético estático, como se describe en la Fig. 1C. Se investigó el efecto de un campo magnético de 86 mT en el rendimiento general de la MFC microfluídica utilizando el electrodo de base metálica seleccionado y S. oneidensis MR-1. Cabe señalar que incluso un campo magnético estático débil aplicado a E. coli puede tener un efecto perjudicial sobre la viabilidad de las bacterias32.

Escherichia coli ATCC-11105 y S. oneidensis MR-1 se obtuvieron del Centro de Investigación Bioquímica y Bioambiental (BBRC) de la Universidad Tecnológica de Sharif. Escherichia coli se cultivó durante 24 h en medio caldo nutritivo (NB) (1 g l-1 de extracto de carne, 2 g l-1 de extracto de levadura, 5 g l-1 de peptona y 5 g l-1 de NaCl) a 37 °C. . Shewanella oneidensis MR-1 se cultivó durante 48 h en incubadora con agitación (100 rpm) a 30 °C en medio caldo de soja tríptico (TSB) (17 g l-1 triptona, 3 g l-1 de soja, 5 g l-1 NaCl, 2,5 g l-1 K2HPO4 y 2,5 g l-1 de glucosa). El proceso de enriquecimiento microbiano se realizó en condiciones de circuito abierto para lograr una biopelícula uniforme y homogénea33. Las MFC microfluídicas se iniciaron utilizando una bomba de jeringa para inyectar una mezcla de bacterias y sustratos (es decir, E. coli con NB y S. oneidensis MR-1 con TSB) en las células fabricadas.

Dado que E. coli transfiere electrones a través de mediadores autoproducidos (es decir, citocromo c), es evidente que se requiere una inyección continua tanto del microbio como del medio para mantener la tasa de producción de electrones. Como resultado, se inyectó una mezcla de E. coli y NB en el sistema durante el funcionamiento de las MFC microfluídicas. Shewanella oneidensis MR-1 transfiere electrones directamente al ánodo a través de nanocables generados por bacterias. Después de 10 h, se detuvo la inyección de S. oneidensis MR-1 y el sistema se alimentó solo con TSB.

Se evaluó el potencial de circuito abierto (OCP), la potencia producida y las densidades de corriente así como las características electroquímicas de los sistemas. Cada minuto, el potencial de la celda se registró utilizando un registrador de datos multímetro (PROVA-803). Se utilizaron resistencias externas que van de 10 a 300.000 Ω para obtener las curvas de polarización y densidad de potencia. Luego, utilizando la ley de Ohm, la potencia y la corriente generadas se calcularon y normalizaron utilizando el área de superficie proyectada del cátodo de difusión de aire (0,5 cm2).

Para demostrar la capacidad de los MFC de microfluidos para funcionar como generadores de energía y dispositivos de desinfección en aplicaciones médicas y clínicas, se utilizó el MFC de microfluidos optimizado para alimentar los LED (rojo, blanco, azul y UV). La capacidad del sistema para las aplicaciones mencionadas anteriormente se demuestra por su capacidad para alimentar LED rojos, blancos, azules y UV (DGPY-5 mm). La sostenibilidad de los MFC de microfluidos se determinó mediante el control de la energía consumida por estos LED a lo largo del tiempo. Además, la intensidad de la luz de todos los LED se determinó con un medidor de luz (LX-103, Lutron). Se utilizaron tres LED UV para demostrar las capacidades de desinfección de los MFC microfluídicos propuestos. Desde mediados del siglo XX, se ha reconocido el potencial de los LED UV para uso en saneamiento médico y para matar microbios patógenos34.

Las condiciones de circuito abierto imponen la mayor resistencia externa a las células, lo que da como resultado una morfología de biopelícula uniforme y un tiempo amplio para la difusión del sustrato en la biopelícula33. A medida que la resistencia externa aplicada progresó en la reacción de oxidación del sustrato orgánico por biocatalizadores para producir significativamente más electrones, la reacción de biodegradación procedió con la menor cantidad de fuerza impulsora posible en condiciones de circuito abierto. Como resultado, las bacterias tienen tiempo suficiente para formar una biopelícula uniforme. La biopelícula formada será homogénea, lo que permite un acceso más fácil al sustrato que la biopelícula heterogénea formada en condiciones de circuito cerrado. La evaluación inicial de Zn, Al, Sn, Cu y Ni se logró mediante el seguimiento de la evolución de OCP de E. coli y S. oneidensis MR-1 en las mismas condiciones de inyección (caudal de 0,2 ml h-1) y tiempo de inoculación ( Figura 2).

La evolución del potencial de circuito abierto (OCP) de electrodos de ánodo de zinc, aluminio, estaño, cobre y níquel con (A) microorganismos Escherichia coli y (B) Shewanella oneidensis MR-1 y sustratos puros.

La evolución de OCP de E. coli y S. oneidensis MR-1 en MFC microfluídicos fabricados con varios electrodos de ánodo de base metálica se muestra en la Fig. 2. Los valores sostenidos de OCP de cada célula cultivada para E. coli y S. oneidensis MR- 1 fueron ordenados por magnitud. La inestabilidad en las primeras etapas de la evolución de OCP en presencia de S. oneidensis MR-1 (Fig. 2B) podría ser el resultado de una variedad de factores, incluida la interacción entre el sustrato y la superficie del ánodo desnudo, la formación de biopelículas incompletas y la competencia entre bacterias alcancen la superficie del ánodo y formen la biopelícula35.

Como se ilustra en la Fig. 2, los OCP máximos de 1,32 y 1,39 V se obtuvieron para el ánodo de Zn en MFC microfluídicos cultivados con E. coli y S. oneidensis MR-1, respectivamente. Los electrodos de Zn y Al exhiben un OCP más alto que la mayoría de los electrodos a base de carbono en MFC microfluídicos inoculados con S. oneidensis MR-1, lo que podría atribuirse al hecho de que estos metales tienen un potencial estándar de reducción más alto y una tasa más rápida de transferencia de iones en el anolito que los electrodos a base de carbono36. El ánodo de Zn tiene el OCP más alto, mientras que el ánodo de Cu tiene el más bajo. En las MFC microfluídicas de ánodo de Zn, dos series de reacciones redox podrían afectar el OCP de la célula. Primero está la reacción redox asociada con la oxidación de zinc, que libera iones de zinc en el medio como un nuevo electrolito. El segundo es la oxidación del sustrato orgánico por bacterias. La incorporación de oxidación de zinc podría generar un potencial mayor que el valor teórico máximo posible de 1,14 V37 y, en consecuencia, la MFC microfluídica fabricada puede considerarse como un sistema híbrido. Las reacciones electroquímicas típicas de una MFC son la reducción de oxígeno en el cátodo y la oxidación del acetato en el ánodo38. Entonces, las posibles reacciones redox y los potenciales de media celda son los siguientes39,40:

Pila de combustible microbiana:

Ánodo:

Cátodo:

Además, para una batería de Zn-aire, las reacciones redox se mencionan de la siguiente manera41:

Batería de Zn-aire:

Ánodo:

Cátodo:

En consecuencia, las reacciones catódicas de ambos sistemas podrían ser las mismas y se podrían alcanzar valores teóricos de 1,111 y 1,6 V para pilas de combustible microbianas y baterías de zinc-aire, respectivamente. Los OCP de las MFC microfluídicas con ánodo de zinc se obtuvieron a 1,32 y 1,39 V. Con respecto al funcionamiento de las celdas como un sistema híbrido, el alto valor de OCP se puede atribuir a la incidencia de las reacciones anteriores. Incluso en comparación con las MFC microfluídicas de doble cámara, la OCP sostenida de la MFC microfluídica con ánodo de Zn fue mayor que las OCP obtenidas en los estudios publicados previamente21. El ánodo de Zn demuestra el primer paso prometedor hacia la comercialización de MFC microfluídicos.

Un examen más profundo también revela el papel de la notable interacción entre los biocatalizadores y el electrodo. La tabla incrustada en la Fig. 2 compara la OCP sostenida de las MFC microfluídicas en presencia y ausencia de bacterias. Para el ánodo de Zn, la diferencia de voltaje entre la celda inoculada con bacterias y la celda con medio solo fue mucho mayor que la de otros electrodos, lo que revela el papel significativo de las bacterias en la facilitación de las reacciones redox. Para investigar la participación de cada problema en la generación de energía total, el MFC de microfluidos se operó con y sin inoculación de bacterias, y se obtuvieron densidades máximas de potencia y corriente de aproximadamente 166,4 mW m-2 y 4400 mA m-2 sin presencia de bacterias y 14 592 mW. m-2 y 118.000 mA m-2 con inoculación de bacterias, respectivamente. Los valores obtenidos indicaron que la participación de la reacción redox asociada con la oxidación de zinc en las densidades de corriente y potencia totales podría estimarse en aproximadamente 1,14 % y 3,72 %, respectivamente. Esto demuestra el papel fundamental de las bacterias en la oxidación de sustratos orgánicos y el efecto insignificante de la oxidación del ánodo de zinc en la bioelectricidad generada. Además, la resistencia interna del sistema (como indicador de la conductividad del anolito) con presencia de bacterias fue de 50 Ω mientras que fue de 2000 Ω sin inoculación de bacterias en las celdas microfabricadas. Esta diferencia de 40 veces revela que el rendimiento general de la MFC microfluídica con ánodo de zinc dependía principalmente de la actividad de los microorganismos.

En cuanto al papel fundamental del electrodo de ánodo en la reducción del sobrepotencial de activación y, por lo tanto, en la facilitación de las reacciones redox, se puede evaluar el rendimiento de cada electrodo de base metálica. Además, se demostrará la efectividad de cada mecanismo de transferencia de electrones.

En la Fig. 3 se muestran las curvas de densidad de potencia de los electrodos de base metálica (incluidos Cu, Sn y Zn) para E. coli y S. oneidensis MR-1 en función de diferentes caudales de sustrato. Una explicación detallada de otros electrodos de base metálica se presenta en archivo complementario. Las MFC microfluídicas con un ánodo de Cu exhiben las densidades de potencia y corriente más bajas, mientras que aquellas con un ánodo de Zn exhiben el nivel más alto de estos valores. Las MFC microfluídicas inoculadas con S. oneidensis MR-1 funcionan mejor que las inoculadas con E. coli para los ánodos de Zn, Al, Sn y Ni. Además de su compatibilidad con los electrodos de base metálica, los mecanismos de transferencia directa de electrones tienen una pérdida menor que la transferencia indirecta de electrones a través de lanzaderas móviles de electrones.

Las curvas de densidad de potencia para las MFC microfluídicas con diferentes electrodos de ánodo acoplados con Escherichia coli ((A) Cu, (B) Sn y (C) Zn) y Shewanella oneidensis MR-1 ((D) Cu, (E) Sn y ( F) Zn) bajo diferentes tasas de inyección de sustrato. Las barras de error representan la variación de las densidades de potencia y corriente entre experimentos repetidos.

En comparación con otros electrodos a base de metal y otros MFC publicados anteriormente en la literatura (incluidos los MFC a macro y microescala)14,22, el MFC de ánodo de Zn acoplado con S. oneidensis MR-1 produjo las densidades de potencia y corriente más altas reportadas hasta ahora. fecha (alrededor de 14.592 mW m-2 y 118.000 mA m-2, respectivamente). Estos resultados demuestran una coincidencia exitosa entre los mecanismos de transferencia directa de electrones y el potencial del zinc como ánodo en un MFC microfluídico. Incluso para el Al y el Sn del MFC microfluídico inoculado con S. oneidensis MR-1, las densidades de potencia producidas son mucho más altas que las de los electrodos a base de carbono42, lo que indica una compatibilidad exitosa de los nanocables y los electrodos a base de metal.

Las MFC microfluídicas de ánodo de Sn tenían densidades de potencia de 380 y 781,4 mW m-2, respectivamente, cuando se usaron E. coli y S. oneidensis MR-1 (Fig. 3B y E). Sn exhibe una densidad de potencia de 271 y 242 mW m-2 cuando se usa como ánodo en un MFC inoculado con cultivos de mezcla dominante de Geobacter14,18. La densidad de potencia de Sn obtenida por S. oneidensis MR-1 es superior a 2,8 veces la notificada para cultivos mixtos dominantes de Geobacter, lo que indica que S. oneidensis MR-1 tiene una biocompatibilidad y una transferencia de electrones superiores a los aceptores de electrones basados en metales. Además, no deben pasarse por alto los beneficios de los MFC microfluídicos, que mejoran la generación de bioelectricidad.

Al igual que con los resultados de OCP, las MFC microfluídicas con el ánodo de Cu generaron menor potencia y densidades de corriente que aquellas con otros electrodos de base metálica (alrededor de 57,76 y 64,25 mW m-2, respectivamente). Las propiedades antibiopelícula y antibacteriana del Cu43 impiden la formación de una capa productora de electrones efectiva, lo que puede ser la razón principal del bajo nivel de generación de energía. Se ha demostrado que el rendimiento del Cu como ánodo en las MFC es un aceptor de electrones sensible para el biocatalizador. Se obtuvieron densidades de potencia máximas de 2 y 69 mW m-2 en MFC con ánodo de Cu cuando se utilizaron cultivos dominantes de Geobacter13 y S. oneidensis MR-144, respectivamente. Este bajo rendimiento se ha atribuido a la liberación de iones tóxicos y la corrosión45.

La tasa de flujo óptima en las MFC microfluídicas está determinada por las condiciones de transferencia de masa46, la obtención de nutrientes para el crecimiento de biopelículas7,47,48, la estabilidad hidrodinámica49 y el desprendimiento de bacterias al evitar un esfuerzo cortante excesivo cerca de la superficie del ánodo7,46. Con respecto a la similitud de la geometría de las celdas en este estudio con el MFC de tamaño micro fabricado en el trabajo de Mardanpour y Yaghmaei19, el rango de la tasa de flujo del sustrato se determinó con base en los valores informados del estudio mencionado. Los caudales deben ajustarse en el rango para establecer un flujo continuo en el microcanal e inhibir la deshidratación del biofilm por un lado y evitar el desprendimiento del biofilm debido a la alta tensión de cizallamiento por el otro lado. La diferencia entre las velocidades de flujo óptimas para las MFC microfluídicas inoculadas con diferentes biocatalizadores (es decir, E. coli y S. oneidensis MR-1) indica un efecto notable de la velocidad de flujo del sustrato en los mecanismos de transferencia de electrones. A excepción de Cu, la tasa de flujo óptima para todos los electrodos basados en metal en las MFC microfluídicas que utilizan S. oneidensis MR-1 es menor que la de E. coli. Con respecto a los mecanismos de transferencia de electrones para S. oneidensis MR-1 a través de los nanocables adjuntos en la superficie del ánodo, una velocidad de flujo más baja permite suficiente tiempo para la formación de biopelículas en el electrodo y evita el desprendimiento de biopelículas y la tensión de flujo del sustrato. Por otro lado, E. coli transfiere electrones a través de mediadores autoproducidos (es decir, citocromo c) que actúan como transportadores de electrones. Una tasa de flujo más alta puede resultar en un número más significativo de lanzaderas en el microcanal para transferir electrones extraídos de la membrana bacteriana.

El fenómeno de sobreimpulso es otra característica que se puede observar en una curva de densidad de potencia. A medida que disminuye la resistencia externa, aumenta la cantidad de corriente producida y la demanda de electrones. Si las bacterias no pueden suministrar los electrones necesarios a través de reacciones redox, se produce una disminución brusca de la corriente y la potencia, lo que se conoce como fenómeno de sobreimpulso50. Un aumento en la tasa de flujo del sustrato puede compensar la disminución de la densidad de corriente, proporcionar nutrientes adicionales a los microorganismos y acelerar su tasa metabólica en la producción de electrones. Como resultado, puede ocurrir un exceso cuando la tasa de flujo es menor que la tasa de flujo óptima para alimentar a los microorganismos. Además, a velocidades de flujo más altas, el tiempo insuficiente para que las bacterias y las moléculas de citocromo-c lleguen a la superficie del electrodo19 puede ser otro factor que contribuya al fenómeno de exceso. Teniendo en cuenta las curvas de densidad de potencia, ninguno de los MFC microfluídicos inoculados con S. oneidensis MR-1 experimenta el fenómeno de sobreimpulso. Por el contrario, este problema se observó en las curvas de densidad de potencia de Cu, Ni y Zn inoculados con E. coli en caudales de 0,3, 3 y 2 ml h-1, respectivamente.

Las curvas de polarización se pueden utilizar para evaluar el efecto del tipo de electrodo y los mecanismos de transferencia de electrones en los sobrepotenciales de los sistemas. Las partes primera, media y final de una curva de polarización se pueden utilizar para determinar los sobrepotenciales de activación, óhmico y de concentración, respectivamente51. Las curvas de polarización de varios electrodos de base metálica para dos especies con distintos mecanismos de transferencia de electrones se muestran en la Fig. 4. La pendiente de la sección inicial de la curva de polarización, denotada por la elipse discontinua, indica el orden de sobrepotencial de activación. Como puede verse, la pendiente de las curvas de polarización de S. oneidensis MR-1 (Fig. 4B) es menor que la de las MFC microfluídicas inoculadas con E. coli (Fig. 4A), lo que indica que S. oneidensis MR-1 requiere menos energía de activación para extraer electrones de la oxidación del sustrato que E. coli. Las vías metabólicas en S. oneidensis MR-1 pueden estar más simplificadas que las de E. coli. Además, Zn tiene menos pendiente que cualquiera de esas especies debido a la menor pérdida de energía durante la reacción redox, lo que puede explicar el potencial de reducción estándar más bajo de las bacterias y una mayor biocompatibilidad con los ánodos de Zn. Aunque Al es una especie reductora más vigorosa que Zn, la biocompatibilidad de Zn puede tener una influencia más significativa en el rendimiento de las MFC microfluídicas. Sn, Ni y Cu tienen una pendiente mayor y se ajustan a sus respectivas posiciones en la tabla de potenciales de reducción estándar.

La comparación de sobrepotenciales de activación y óhmicos de diferentes electrodos y mecanismos de transferencia de electrones de los biocatalizadores utilizados mediante curvas de polarización. (A) Escherichia coli, (B) Shewanella oneidensis MR-1, (C) Zn y Sn, (D) Al y Sn, (E) Sn y Cu, (F) Sn y Ni. Las barras de error representan la variación de las densidades de potencia y corriente entre experimentos repetidos.

De acuerdo con las curvas de polarización en la Fig. 4A, no se observaron diferencias significativas en el sobrepotencial de activación para los ánodos de Sn, Ni y Cu de las MFC microfluídicas que utilizan E. coli como biocatalizador. Por otro lado, es visible la diferencia significativa en la pendiente de las curvas de polarización en la zona inicial de la Fig. 4B. Cuando se inocula S. oneidensis MR-1, Sn y Ni exhiben un sobrepotencial de activación más bajo que el Cu, lo que enfatiza el papel crítico de los nanocables de la superficie del ánodo en la reducción del sobrepotencial de activación.

Con respecto a los sobrepotenciales óhmicos de las MFC microfluídicas, que se pueden determinar a través de la zona media de la curva de polarización, se pueden hacer algunas especulaciones sobre la ascendencia de los mecanismos de transferencia de electrones. Las curvas de polarización de los electrodos de base metálica utilizados por diversas especies microbianas se muestran en la Fig. 4C–F. La potencia generada por Sn es superior a Cu y Ni, mientras que es inferior a Zn y Al. Esto convierte al Sn en un excelente candidato para ser utilizado como referencia y comparar las características eléctricas de los otros electrodos. Por lo tanto, las curvas de polarización de cada electrodo de base metálica se muestran junto con la curva de polarización de Sn como referencia para hacer la comparación perfectamente bien. Como se ilustra en la Fig. 4C, la pendiente de la curva en la zona media (contenida dentro de una elipse discontinua) de S. oneidensis MR-1 es menor que la de E. coli en el MFC microfluídico que usa ánodo de Zn, lo que también es cierto para Al y Sn. Debido a que el sobrepotencial óhmico es una medida de la conductividad del anolito y la entrega de electrones a los aceptores de electrones, indica que los nanocables requieren menos energía para entregar electrones que los transbordadores de electrones móviles. Los microbios exoelectrogénicos que transfieren electrones directamente mediante nanocables (como S. oneidensis MR-1) pueden introducirse como una alternativa a E. coli que transfiere electrones a través de mediadores autoproducidos52. Esta sustitución en la inoculación de MFC microfluídicos mejoró notablemente el rendimiento celular y su eficiencia. La comparación de los resultados de los estudios previos3,19,53 reveló el rendimiento superior de S. oneidensis MR-1 sobre E. coli incluso cuando la superficie del ánodo se enriqueció con nanopartículas para mejorar la generación de energía 15. En términos de conductividad del anolito, se ha demostrado que los nanocables pueden transportar electrones en un camino de largo alcance y, en consecuencia, aumentar la conductividad del biofilm54. Por lo tanto, incluso una biopelícula gruesa con una red de nanocables puede resultar en una resistencia eléctrica interna más baja que las lanzaderas de electrones móviles. La investigación futura sobre el cálculo de campos eléctricos en ambos tipos de procesos de transferencia de electrones puede resultar extremadamente útil en esta área.

El sobrepotencial óhmico de las MFC microfluídicas con ánodos de Cu y Ni no mostró una diferencia significativa (Fig. 4E, F). La diferencia en los mecanismos de transferencia de electrones no tuvo un efecto perceptible en el rendimiento de esas células, lo que puede deberse a la baja propensión del Cu a la unión de biopelículas, y la biopelícula MR-1 de S. oneidensis no puede desempeñar un papel único en la conducción de electrones. Por lo tanto, los microbios suspendidos pueden contribuir principalmente a la transferencia de electrones y no se observa una diferencia significativa cuando se agregan S. oneidensis MR-1 o E. coli al MFC microfluídico con ánodo de Cu. Las imágenes de microscopía electrónica de barrido proporcionaron evidencia adicional de la razón mencionada anteriormente para la formación de biopelículas por desinclinación de Cu. En el caso del Ni, se requiere más investigación para aclarar, evaluar y comparar los sobrepotenciales óhmicos basados en mecanismos de transferencia de electrones.

La figura 5 ilustra el efecto de aplicar un campo magnético estático de 86 mT en la curva de densidad de potencia de los electrodos de base metálica. Cabe señalar que las celdas fabricadas se operaron durante casi diez días y se expusieron continuamente al campo magnético estático durante este período. Como puede verse, a excepción de la MFC microfluídica de ánodo de Zn, la potencia generada de las otras MFC microfluídicas ha disminuido significativamente. Además, cada uno de ellos experimentó una fluctuación (indicada por un círculo discontinuo). Esta abrupta disminución es leve para los ánodos de Cu, Al y Zn, pero es dramática para los de Ni y Sn. La aplicación de un campo magnético estático redujo la potencia generada de Cu, Ni, Sn y Al en un 22 %, 27 %, 13 % y 66 %, respectivamente. Para Zn, por otro lado, este campo magnético aumentó la densidad de potencia en más de 2,4 veces. Aunque es difícil atribuir esta variación compleja a un solo parámetro, parece que las propiedades magnéticas de los ánodos y las propiedades metabólicas de S. oneidensis MR-1 son más importantes que otras variables.

El efecto del campo magnético estático en el rendimiento de los electrodos de base metálica de las MFC microfluídicas acopladas con Shewanella oneidensis MR-1 en las tasas de flujo de sustrato optimizadas (Tabla S1 en el archivo complementario). Las barras de error representan la variación de las densidades de potencia y corriente entre experimentos repetidos.

En cuanto a la propiedad magnética de los ánodos de base metálica, el Zn y el Cu son diamagnéticos, el Al y el Sn son paramagnéticos y el Ni es ferromagnético55. El notable aumento en la densidad de potencia del ánodo de Zn no puede atribuirse únicamente a su propiedad magnética, ya que el ánodo de Cu no mostró el mismo comportamiento. Además, los ánodos de Al y Sn no mostraron la misma disminución cuando se aplicó un campo magnético estático. No se ha realizado ningún estudio para examinar la variación en las reacciones metabólicas de S. oneidensis MR-1 cuando se aplica un campo magnético estático según el conocimiento de los autores. La investigación futura se centrará en descifrar este tema y el efecto de la fuerza del campo magnético estático en el rendimiento de las MFC microfluídicas.

La tabla S1 en el archivo complementario resume los puntos principales del análisis electroquímico discutido en las figuras anteriores. Cuando se usó S. oneidensis MR-1 en lugar de E. coli, Zn, Al, Sn y Ni produjeron casi el doble de densidad de potencia, lo que indica que el mecanismo de transferencia directa de electrones tiene prioridad sobre el mecanismo de transferencia de electrones basado en mediadores. Los valores de resistencia interna calculados para todos los electrodos de las MFC microfluídicas casi indican una tendencia decreciente en la utilización de S. oneidensis MR-1 sobre E. coli. Excepto por el ánodo de cobre, la tasa de flujo óptima en las MFC microfluídicas inoculadas con S. oneidensis MR-1 es menor que en las inoculadas con E. coli. En el caso de S. oneidensis MR-1, la posibilidad de desprendimiento bacteriano requiere una disminución de las tasas de flujo, mientras que la facilitación de la lanzadera de electrones en las células utilizadas E. coli requiere un aumento de las tasas de flujo.

Cuando se aplica un campo magnético estático, el ánodo de Zn se comporta de manera diferente a otros ánodos de base metálica. No es fácil interpretar las razones de las complejas variaciones en las tendencias de polarización de los electrodos de base metálica. En general, un campo magnético estático tiene un efecto perjudicial en la generación de energía de las MFC microfluídicas, a excepción de las MFC microfluídicas con ánodo de Zn.

La Figura 6 muestra imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de los ánodos y cátodos de MFC microfluídicos inoculados con E. coli y S. oneidensis MR-1. Las imágenes SEM de alta resolución se presentan en el archivo complementario. Las imágenes están ordenadas desde la densidad de potencia más alta (es decir, Zn) a la más baja (es decir, Cu). La imagen final de cada serie muestra una biopelícula en el cátodo de tela de carbón. En la superficie del cátodo, tanto S. oneidensis MR-1 como E. coli han formado biopelículas densas. Independientemente del tipo de ánodo, ambas especies tienden a adherirse a la superficie del cátodo más que a los electrodos del ánodo. Ahmed y Kim demostraron que la biopelícula catódica podría reducir la energía generada hasta en un 20 %56. Por lo tanto, se desarrollaron nuevos catalizadores de cátodo con actividad antibacteriana para inhibir la formación de biopelículas en la superficie del cátodo y mejorar la generación de bioelectricidad57,58.

Imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de la biopelícula (A) Escherichia coli y (B) Shewanella oneidensis MR-1 en las áreas superficiales del ánodo y el cátodo de las MFC microfluídicas. Se caracterizó la información relacionada de cada imagen SEM.

Como se ilustra en la subfigura inicial de la Fig. 6A, la formación de biopelículas en la superficie del ánodo de Zn es poco común. Es más exacto afirmar que ninguna bacteria o grupo de bacterias tiene una imagen clara. Por otro lado, la nanopartícula de óxido de zinc que se produce de forma natural es fácilmente identificable. Aunque el MFC microfluídico de ánodo de Zn tiene la densidad de energía más alta, es evidente que la E. coli suspendida puede desempeñar un papel fundamental en la generación de energía. Entre Al y Cu, el número de bacterias adheridas a la superficie del ánodo aumentó drásticamente. Simultáneamente, las superficies de los ánodos de Al y Sn están cubiertas por grupos dispersos y bacterias individuales, mientras que las superficies de los ánodos de Ni y Cu están cubiertas por densos grupos de bacterias. Con respecto a los mecanismos de transferencia de electrones de E. coli a través del citocromo c59, la presencia de una biopelícula densa puede actuar como una barrera para entregar el electrón montado al ánodo.

Junto con el papel crítico del potencial de electrodo estándar de los electrodos de base metálica utilizados, parece aumentar la generación de energía de las MFC microfluídicas inoculadas con E. coli; debería mejorar el crecimiento de bacterias suspendidas y el transporte de electrones, por un lado, mientras elimina las barreras a los aceptores de electrones, por otro lado. El papel de las nanopartículas en la prevención de la formación de una biopelícula gruesa en el área de la superficie del electrodo puede verse como una solución, ya que esto puede ser una razón para evitar la formación de biopelícula en el área de la superficie del ánodo de Zn. Se ha demostrado que al recubrir la superficie de Ni de la MFC microfluídica con nanopartículas de Ni, la densidad de potencia se puede aumentar en más del 30 %15. La primera posibilidad es que esto ocurra como resultado de un aumento en el área superficial del ánodo. Sin embargo, otro estudio encontró que el uso de nanopartículas de Zn en la superficie del ánodo de Zn para aumentar el área de superficie disponible para la biopelícula MR-1 de S. oneidensis no aumentó la densidad de potencia generada del MFC60 microfluídico. La presencia de nanopartículas puede reducir la adhesión de bacterias a la superficie del ánodo. La investigación futura podría centrarse en el efecto de las nanopartículas en la formación de biopelículas por varios tipos de microorganismos.

Para caracterizar las morfologías superficiales de los ánodos de base metálica, se capturaron imágenes SEM de los ánodos usados después de eliminar su biopelícula y se compararon con los nuevos (archivo complementario). Las imágenes de Al y Ni no mostraron ningún cambio detectable después de diez días de operación. En la superficie del Sn pueden verse parcialmente cavidades locales, conocidas como corrosión por picaduras61. Las nanoestructuras naturales estaban presentes en la superficie de los ánodos limpios y lavados en el caso de Zn. Además, se observaron algunas grietas leves en el ánodo de Zn después de lavar la biopelícula, lo que podría considerarse una corrosión menor. Para evaluar el efecto de la corrosión del ánodo en el rendimiento de los MFC, Yamashita y Yokoyama examinaron varios metales como ánodo de los MFC durante 350 días e informaron que los ánodos basados en metales podían producir una densidad de corriente estable. También demostraron que una tasa de corrosión específica podría disminuir significativamente la densidad de corriente generada14. En el presente estudio, no se observó ninguna reducción en la bioelectricidad producida durante la operación, lo que indicó un nivel y velocidad de corrosión insignificantes.

El ánodo de cobre del MFC microfluídico inoculado con S. oneidensis MR-1 experimentó corrosión y un cambio significativo en la rugosidad de la superficie es cristalino. Por otro lado, el MFC microfluídico reclutó E. coli como biocatalizador no mostró ninguna variación notable en la superficie del ánodo de Cu. Esto podría estar relacionado con este problema de que la biopelícula formada de E. coli en el ánodo de Cu desempeñó un papel como capa protectora que inhibía la corrosión de la superficie expuesta de Cu al anolito del sistema. Por el contrario, se puede observar un número insignificante de bacterias en el ánodo inoculado con S. oneidensis MR-1. La corrosión del ánodo de Cu durante la operación de MFC fue explicada en el trabajo de Zhu y Logan45. Además, Baudler et al. demostraron la estabilidad del Cu como ánodo de la MFC y su resistencia a la corrosión13. Esto podría reforzar la especulación de que una biopelícula de un microorganismo en particular podría desempeñar un papel protector contra la corrosión. En el presente estudio, E. coli podría contribuir a mantener el ánodo de Cu de la MFC microfluídica.

Las imágenes SEM de biopelículas de S. oneidensis MR-1 en MFC microfluídicas fabricadas con varios ánodos también se muestran en la Fig. 6B. Las elipses de líneas discontinuas blancas indicaron la biopelícula formada en el MFC microfluídico de ánodo de Zn. El número de bacterias que formaron la biopelícula disminuyó a medida que el Cu reemplazó al Al. En otras palabras, Al soporta una biopelícula más densa que Sn, y Sn soporta una biopelícula más densa y compacta que Ni. Las bacterias adheridas a la superficie de Cu son escasas y no se agregaron. Las imágenes SEM en la Fig. 6 demuestran una relación entre la abundancia de biopelículas de S. oneidensis MR-1 formadas y la mejora de la densidad de potencia. Los MFC microfluídicos con biopelículas densas logran una mayor densidad de potencia que aquellos con microbios escasamente adheridos al ánodo.

A diferencia de las MFC microfluídicas inoculadas con E. coli, una comparación podría indicar que las bacterias adheridas pobladas pueden considerarse un signo de generación de energía mejorada en las MFC microfluídicas inoculadas con S. oneidensis MR-1. Está muy claro que el mecanismo de transferencia directa de electrones basado en nanocables permite el transporte de electrones a través de una red compleja de nanocables interconectados. Eso puede explicar por qué una biopelícula de S. oneidensis MR-1 más densa y gruesa puede producir una mayor densidad de potencia. Cabe señalar que el trabajo futuro incluirá imágenes SEM de S. oneidensis MR-1 expuestas a un campo magnético estático.

Las MFC microfluídicas se evaluaron en general con respecto a su capacidad para alimentar diodos emisores de luz (LED) y en comparación con investigaciones publicadas anteriormente sobre MFC microfluídicas. Tres MFC microfluídicos de ánodo de Zn se conectan en serie para generar 4,1 V y alimentar LED rojo, azul, blanco y ultravioleta para demostrar la capacidad de los MFC microfluídicos para alimentar LED sin ningún campo magnético externo. La figura 7 representa los LED iluminados, su evolución de potencia y la corriente requerida para cada LED. Además, la intensidad de la luz generada se midió e informó usando el medidor de luz. Los LED blancos producen una intensidad de luz significativamente mayor, como se ilustra en la figura. Dado que los LED rojos consumen más energía que otros tipos de LED, la evolución de la potencia de los LED rojos se muestra en la Fig. 7. A pesar de una reducción inicial de la potencia, es evidente una tendencia constante en la evolución de la potencia. Para evaluar la sostenibilidad de los MFC microfluídicos que alimentan los LED rojos, se detuvo la bomba de jeringa y, después de casi 1,75 h, la intensidad de la luz disminuyó de 2 a 1 lx. Después de 2,5 h, los LED se apagaron. Otra característica de este sistema es la capacidad de alimentar tres LED durante más de dos horas usando solo 150 μl del sustrato a través de MFC microfluídicos.

El rendimiento del MFC microfluídico de ánodo de Zn inoculado con Shewanella oneidensis MR-1 para encender LED.

La figura 8 muestra el rendimiento de la MFC de microfluidos en comparación con los resultados de estudios publicados anteriormente. Los estudios relacionados están organizados (en la Tabla S2 del archivo complementario y la Fig. 8) en función de la potencia máxima y las densidades de corriente. Como puede verse, la densidad de potencia generada de la MFC microfluídica se ha mejorado significativamente al seleccionar un electrodo de ánodo apropiado, ajustar un mecanismo de transferencia de electrones adecuado y aplicar un campo magnético estático.

El rendimiento del MFC microfluídico de ánodo de Zn inoculado con Shewanella oneidensis MR-1 en comparación con trabajos publicados anteriormente.

El MFC microfluídico fabricado no requiere técnicas biológicas complejas para una inoculación perfecta o métodos de síntesis prolongados para promover electrodos. La operación se realizó en un laboratorio convencional sin necesidad de condiciones de sala limpia. El costo de producción del MFC microfluídico de ánodo de Zn fabricado inoculado con S. oneidensis MR-1 y respaldado por imanes permanentes de Nd-Fe-B es inferior a $ 1.1. Esta es otra característica excepcional del sistema para acelerar la comercialización de MFC de microfluidos para aplicaciones clínicas y médicas.

Se utilizaron tres métodos simples y rentables para mejorar la generación de bioelectricidad de MFC microfluídicos que dieron como resultado la mayor potencia y densidad de corriente hasta la fecha. En términos de propiedades electroquímicas, las MFC microfluídicas fabricadas con electrodos de base metálica presentan las siguientes características:

Las MFC microfluídicas inoculadas con S. oneidensis MR-1 exhiben una mayor potencia y densidad de corriente que las inoculadas con E. coli, lo que implica una mejor coincidencia entre los mecanismos de transferencia directa de electrones y el potencial de los ánodos basados en metales.

Shewanella oneidensis MR-1 requiere menos energía de activación para extraer electrones de la oxidación del sustrato que E. coli, lo que implica que las vías metabólicas de S. oneidensis MR-1 pueden ser más suaves que las de E. coli y menos pérdida de nanocables en comparación con los transbordadores de electrones móviles .

Para mejorar la generación de energía de las MFC microfluídicas inoculadas con E. coli, es necesario reforzar el crecimiento de bacterias suspendidas y su transporte de electrones, por un lado, y eliminar las barreras a los aceptores de electrones, por otro lado. La precipitación de nanopartículas puede ser fundamental para abordar el problema.

A diferencia de las células inoculadas con E. coli, existe una correlación entre la cantidad de biopelícula MR-1 de S. oneidensis formada y el aumento de la densidad de potencia. Los MFC microfluídicos con biopelículas densas logran una mayor densidad de potencia que aquellos con microbios escasamente adheridos al ánodo.

A excepción de la MFC microfluídica de ánodo de Zn (aumento de 2,4 veces), la aplicación de un campo magnético estático tiene un efecto perjudicial en la generación de energía de las MFC microfluídicas.

Investigar la topografía de los biofilms utilizando diferentes campos magnéticos y descifrar la variación abrupta que se produce al aplicar un campo magnético estático pueden ser temas de investigación futuros.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad Tarbiat Modares, Teherán, Irán

Obras de Mohammad Shirkosh y Yousef

Departamento de Bioingeniería, Universidad McGill, Montreal, QC, Canadá

Mohammad Mahdi Mardanpour

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M.Sh.: Análisis formal, Investigación, Redacción-Revisión y Edición YH: Supervisión, Conceptualización, Redacción-Revisión y Edición MMM: Supervisión, Conceptualización, Redacción-Revisión y Edición.

Correspondencia con Yousef Hojjat.

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Shirkosh, M., Hojjat, Y. y Mardanpour, MM Impulso del rendimiento de las celdas de combustible microbianas microfluídicas mediante la investigación de los mecanismos de transferencia de electrones, los electrodos de metal y el efecto del campo magnético. Informe científico 12, 7417 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-11472-6

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Recibido: 19 enero 2022

Aceptado: 25 de abril de 2022

Publicado: 06 mayo 2022

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

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Iónica (2023)

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