Struktur-Funktions-Zusammenhänge elektroaktiver Biofilme in mikrobiellen Brennstoff- und Elektrolysezellen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In bioelektrochemischen Systemen (BES) sind die Bildung und Architektur von Biofilmen von besonderer Bedeutung, vor allem im Zusammenhang mit Durchflussanwendungen. Die Wechselwirkung zwischen elektroaktiven Mikroorganismen und der Elektrodenoberfläche ist von großer Bedeutung, häufig aber auch ein begrenzender Faktor. Die verfügbare Oberfläche hat einen direkten Einfluss auf die Stromerzeugung, insbesondere bei Organismen, welche als schwache Biofilmbildner gelten. Um die Grenzen der limitierten Elektrodenoberfläche zu überwinden, wurden Nanopartikel (NPs) mit einem magnetischen Eisenkern und einer leitfähigen, hydrophoben Graphithülle als Bausteine verwendet, um leitfähige, magnetische Mikrosäulen auf der Anodenoberfläche zu schaffen. Die dynamische, dreidimensionale Elektrodenstruktur wurde in situ mittels optischer Kohärenztomographie (OCT), die in mikrofluidische BES-Systeme integriert ist, überwacht und quantifiziert. Zyklische Voltammetrie zeigte, dass die zusammengesetzten Anodenerweiterungen elektrisch leitfähig waren und somit die elektroaktive Oberfläche effektiv vergrößerten. Außerdem dienten die NPs als kontrollierbare Träger für die elektroaktiven Modellorganismen Shewanella oneidensis und Geobacter sulfurreducens. Dies führte zu einer fünffachen Erhöhung der stationären Stromdichte für S. oneidensis. In Kombination mit Poly(3,4-Ethylendioxythiophen)- Poly(styrolsulfonat)-Aggregaten (PEDOT:PSS) konnte sogar eine 22-fache Steigerung erzielt werden. Im Kontrast dazu stieg die steady-state Stromdichte für G. sulfurreducens zwar nicht an, wurde aber viermal schneller erreicht als in der Kontrolle ohne Zugabe von NPs. Die hier vorgestellte Arbeit zeigt einen kontrollierbaren, skalierbaren und einfachen Ansatz zur Vergrößerung der Elektrodenoberfläche in bestehenden BES durch die Anwendung eines Magnetfeldes und elektrisch leitfähiger magnetischer NPs. Es ist wahrscheinlich, dass diese Ergebnisse auf andere elektroaktive Mikroorganismen übertragen werden können, wodurch die Anwendbarkeit dieser Methode bei der BES-Optimierung möglicherweise erweitert wird.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Elucidating the development of cooperative anode-biofilm-structures. Biofilm, 7, 100193.
Klein, Edina; Wurst, René; Rehnlund, David & Gescher, Johannes
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Magnetic, conductive nanoparticles as building blocks for steerable micropillar-structured anodic biofilms. Biofilm, 8, 100226.
Wurst, René; Klein, Edina & Gescher, Johannes
