2-1- مروری بر واسط های حمل الکترون در MFC ها
کاهیده شدن موثر واسط، تحت تاثیر قدرت کاهندگی سلولها اهمیت بیشتری در مقایسه با سایر مزیت ها دارد. با وجود اینکه واسطی که کمترین توان کاهندگی را دارد از نظر تئوری کمترین کاهش آندی را نتیجه می دهد که حاصل آن بیشینه شدن اختلاف قدرت کاهندگی آند و کاتد می باشد ( که بیشترین اختلاف ولتاژ جاصل می گردد) لزوما” موثرترین عامل در جدا کردن الکترون ها از سیستم کاهنده بین سلولی (NADH، NADPH و یا سیتوکرومهای کاهیده شده) درون میکروب ها نمی باشد. یک واسط با E0 کاهنده بیشتر، توان کل تولیدی بیشتری نسبت به یک واسط با کمترین قدرت کاهش خواهد داشت (Ieropoulos و همکارانش، a2005). واسط های سنتز شده برون سلولی شامل رنگها و ارگانیک های فلزی مانند قرمز خنثی (NR)، آبی متیلن (MB)، تیونین (thionine)، آبی ملودا (MelB)، 2-هیدروکسی 1و4-نفتوکونیون (HNQ) و Fe(III)EDTA می باشد (Park و Zeikus، 2000؛ Tokuji و Kenji، 2003؛ Veg و Fernandez، 1987؛ Allen و Bennetto، 1993؛ Ieropoulos و همکارانش a2005). متاسفانه  سمی بودن و ناپایداری واسط های سنتز شده، کاربرد آنها را در MFC ها محدود می کند. برخی از میکروبها می توانند از ترکیباتی که به طور طبیعی شکل می گیرند و شامل متابولیت های میکروبی (Endogenous mediators) می باشد به عنوان واسط استفاده نمایند. اسیدهای هیومیک (Humic Acids)، آنتراکوینون (Anthraquinone)، اکسیانیون های سولفور (Oxyanions of Sulphur) (سولفات و تیوسولفات) همگی توانایی انتقال الکترون از درون غشاء سلول به آند را دارند (Lovley، 1993). چندی پیش میکروب هایی یافت شدند که مستقیما” الکترونها را به آند منتقل می کنند (Kim و همکارانش، a1999؛ Chaudhuri و Lovley، 2003). این میکروب ها از نظر شرایط عملیاتی پایدار بوده و بازدهی کلمب ( columbic efficiency) ایجاد می کنند (Chaudhuri و Lovley، 2003؛ Scholz و Schroder، 2003). Shewanella putrefaciens (Kim و همکارانش، 2002)، Geobacteracea Sulferreducens (Bond و Lovley، 2003)، Geobacter metallireducens (Min و همکارانش a2005)، Rhodoferax ferrireducens (Chaudhuri و Lovley، 2003) همگی از نظر بیوشیمیایی فعال بوده و می توانند روی سطح آند بیوفیلم (biofilm) تشکیل داده و الکترونها را مستقیما” از طریق رسانایی الکتریکی از درون غشاء انتقال دهند. هرگاه از آنها در انتقال الکترون استفاده شود، آند به عنوان آخرین الکترون گیرنده در زنجیره انتقال الکترون در بیوفیلم خواهد بود. بیوفیلم هایی که روی سطح کاتد شکل می گیرند نیز می توانند نقش موثری در انتقال الکترون ها بین میکروبها و الکترودها ایفا کنند. کاتد نیز می تواند نقش الکترون دهنده به Thiobacillus ferrooxidans ها را داشته باشد که در یک کاتالیت به شکل سوسپانسیون حضور دارند (Prasad و همکارانش، 2006). مورد مذکور در یک سیستم MFC وجود خواهد داشت که در هر دو محفظه کاتد و آند حاوی میکروب باشد.
G.metallireducens، G.sulfurreducens (Gregory و همکارانش، 2004) و یا سایر بیوفیلم های دریایی (Bergel و همکارانش، 2005) می توانند آخرین الکترون گیرنده هایی باشند که  الکترون ها را از کاتد، که نقش الکترون دهنده را دارد، بگیرند. MFC های بدون واسط (mediator-less MFCs) در تصفیه فاضلاب و تولید توان بسیار مناسب می باشند چرا که در این MFC ها هزینه واسط حذف شده است (Ieropoulos و همکارانش، a2005).

3-1- میکروب هایی که در پیل های سوختی میکروبی کاربرد دارند
خیلی از میکرو ارگانیسم ها توانایی انتقال الکترون های حاصل از متابولیسم مواد آلی به آند را دارند. یک لیست از این دسته از میکروب ها و سوبسترا (substrate) مربوطه در جدول 1-1 آمده است.
رسوبات دریایی، خاک، فاضلاب، رسوب موجود در آب تازه و لجن فعال همگی منابع غنی از این میکروارگانیسم ها می باشند (Niessen و همکارانش، 2006؛ Zhang و همکارانش، 2006). تعدادی از مقالاتی که اخیرا” منتشر شده اند به بحث در مورد چگونگی جداسازی و شناسایی میکروبها و نحوه شکل دهی مجموعه ای از کروموزوم ها برای میکروارگانیسم هایی که قادر به تولید الکتریسیته از تجزیه مواد آلی می باشند پرداخته اند (Logan و همکارانش، 2005؛ Holmes و همکارانش، 2004؛ Back وهمکارانش، 2004). مکانیسم انتقال الکترون در محفظه آند یک عامل کلیدی در درک تئوری چگونگی عملکرد MFC ها می باشد. همانطور که در بالا ذکر شد میکروبها الکترون ها را از طریق یک سیستم انتقال الکترون به آند منتقل می کنند که خود شامل یک سری از ترکیبات در ماتریس باکتریایی برون سلولی بوده و یا همراه شاتل های الکترون (Electron shuttles) می باشد که در محلول حل شده اند. Geobacter به گروه میکروارگانیسم های کاهنده فلزی تعلق دارد که انرژی به شکل ATP تولید می کند که از نظر بیولوژیکی مفید بوده و طی کاهش اکسیدهای فلزی تحت شرایط غیرهوازی در خاک و رسوبات حاصل می شود. الکترونها به الکترون گیرنده نهایی مانند Fe2O3 منتقل می شوند که عمدتا” از طریق تماس مستقیم اکسیدهای معدنی و میکروارگانیسم های کاهنده فلز صورت می گیرد (Lovley و همکارانش، 2004؛ Vargas و همکارانش، 1998). واکنش آندی در یک MFC بدون واسط که از یک باکتری کاهنده فلزی تشکیل شده و عمدتا” به خانواده های Shewanella، Rhodoferax و Geobacter تعلق دارد مشابه همین فرآیند می باشد. چرا که آند به عنوان آخرین الکترون گیرنده نقش ایفا می کند و این درست مثل اکسیدهای فلزی جامد است. شکل 1-2 ترکیبات شیمیایی را نشان می دهد که در انتقال الکترون از حمل کننده های الکترون (Electron carriers) در ماتریس میان سلولی به الکترون گیرنده نهایی جامد (آند) در میکروارگانیسم های کاهنده آهن درگیر می باشند (Lovley و همکارانش، 2004؛ Vargas و همکارانش، 1998؛ Holmes و همکارانش، 2004).
S.putrefaciens، G.sulferreducens، G.metallireducens و R.ferrireducens با استفاده از این سیستم الکترونها را به الکترود جامد (آند) منتقل می کنند. با وجود اینکه اغلب MFC های بدون واسط واقعی با میکروارگانیسم های کاهنده فلزی عمل می کنند اما یک مورد استثنایی با Clostridiumbutyricum (Oh و Logan، 2006؛ Park و همکارانش، 2001) گزارش شد. واسط هایی نظیر مولکول های رنگ و مواد هیومیک (humic substances) نیز بر MFC های بدون واسط تاثیر بسزایی دارند. حتی با وجود اینکه آندوفیل ها (Anodophiles) قادر به انتقال مستقیم الکترون ها به آند خصوصا” در مراحل اولیه تشکیل بیوفیلم می باشند، واسط های الکترون مانند Mn4+ و یا قرمز خنثی (NR) که در ارتباط با آند عمل می کنند با استفاده از آندوفیل S.putrefaciens کارایی MFC ها را به طور قابل ملاحظه ای افزایش می دهند (Park و Zeikus، 2002). واسط ها نقشی مهم برای میکروب هایی که قادر به انتقال الکترون به آند نیستند ایفا می کنند. شکل 1-3 فرآیندهای بنیادی را نشان می دهد (Lovley و همکارانش، 1996؛ Ieropoulos و همکارانش، a2005).
تعداد صفحه : 111
قیمت : 14700تومان