微生物燃料電池の性能と微生物群集に及ぼす一時的な外部電圧の影響

Effects of temporary external voltage on the performance and community of microbial fuel cells.

• Jing Guo
• Jianping Cheng
• Jiaquan Wang
• Zerui Zhang
• Xiaoyun Xie
• Pengpeng Chu

抄録

本研究では、硝酸性廃水を基質とする二室式微生物燃料電池（MFC）の性能に及ぼす一時的な外部電圧の影響を評価しました。その結果、外部からの電圧がMFCの性能に影響を与え、その影響は電圧を除去した後も継続していることがわかった。外部電圧が0.5, 0.8, 1.1Vの場合、MFCでは化学的酸素要求量の分解効率が上昇し、最適な印加電圧は1.1Vであった。外部電圧を印加しない対照群と比較して、1.1Vの印加電圧を印加したMFCでは、運転中に高い電流密度と硝酸塩除去効率を達成した。また、印加電圧1.1VのMFCは、最大電力密度2,035.08mW/mを達成した。また、0.5V及び0.8Vの印加電圧は、MFCの性能にプラスの影響を与えた。ハイスループットシーケンスを用いて、アノード及びカソードのバイオフィルムを探索した。その結果、バイオアノードにおける微生物群集との関連性が高いことが明らかになった。その結果、バイオアノード中の微生物群集は、起動時にはMethanotrichaceaeからFlavobacteriaceaeに変化し、定常時にはFlavobacteriaceaeに変化した。

This study evaluated the effects of temporary external voltage on the performance of two-chambered microbial fuel cells (MFC) that use nitrate wastewater as a substrate. Results indicate that the external voltage affected the performance of the MFC during their operation, and this effect remained even after the voltage was removed. The degradation efficiency of the chemical oxygen demand increased in the MFC under external voltages of 0.5, 0.8, and 1.1 V, and the optimal applied voltage was 1.1 V. Compared with the control group without external voltages, the MFC under a voltage of 1.1 V achieved higher current densities and efficiency of nitrate removal during their operation. The MFC with an applied voltage of 1.1 V also achieved the highest maximum power density of 2,035.08 mW/m. The applied voltages of 0.5 and 0.8 V exerted a positive effect on the performance of the MFC. High-throughput sequencing was used to explore the anode and cathode biofilms. Results showed that the influence was highly associated with microbial community in bio-anode. The predominant functional family changed from Methanotrichaceae during start-up to Flavobacteriaceae in a steady phase.