Stimuler les performances des piles à combustible microbiennes microfluidiques en étudiant les mécanismes de transfert d'électrons, le métal

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 7417 (2022) Citer cet article

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L'article présenté étudie fondamentalement l'influence de différents mécanismes de transfert d'électrons, de diverses électrodes à base de métal et d'un champ magnétique statique sur la performance globale des piles à combustible microbiennes microfluidiques (MFC) pour la première fois afin d'améliorer la bioélectricité générée. Pour ce faire, en tant qu'anode des MFC microfluidiques, le zinc, l'aluminium, l'étain, le cuivre et le nickel ont été minutieusement étudiés. Deux types de bactéries, Escherichia coli et Shewanella oneidensis MR-1, ont été utilisées comme biocatalyseurs pour comparer les différents mécanismes de transfert d'électrons. L'interaction entre l'anode et les micro-organismes a été évaluée. Enfin, le potentiel d'application d'un champ magnétique statique pour maximiser la puissance générée a été évalué. Pour l'anode de zinc, le potentiel maximal de circuit ouvert, la densité de courant et la densité de puissance de 1,39 V, 138 181 mA m-2 et 35 294 mW m-2 ont été obtenus, respectivement. La densité de courant produite est au moins 445% meilleure que les valeurs obtenues dans les études précédemment publiées jusqu'à présent. Les MFC microfluidiques ont été utilisés avec succès pour alimenter des diodes électroluminescentes ultraviolettes (UV-LED) pour des applications médicales et cliniques afin d'élucider leur application en tant que générateurs d'énergie de taille micro pour les dispositifs médicaux implantables.

Les piles à combustible microbiennes (MFC) sont des approches prometteuses de production de bioélectricité verte et renouvelable qui utilisent des micro-organismes comme biocatalyseurs pour récolter de l'énergie à partir de substrats organiques ou de la biomasse1. En outre, les nombreuses applications des MFC dans le traitement des eaux usées et la biodétection2, l'alimentation des cellules d'électrolyse microbienne (MEC) pour la production de biohydrogène3 et au-delà dans les dispositifs de diagnostic au point de service4 attirent l'attention des universitaires. Ces dernières applications se sont concrétisées à l'aide de la technologie microfluidique qui offre des avantages uniques d'intégration d'une cellule entière sur une puce.

Être capable d'alimenter des systèmes miniaturisés pour dispositifs médicaux portables, portables5 et implantables (IMD)6, avoir un temps de réponse plus court, contrôler avec précision les paramètres de fonctionnement1, et enfin parvenir à une meilleure compréhension de la formation de biofilm et des interactions biologiques7 sont marqués comme les principales caractéristiques des MFC microfluidiques. Cependant, les applications pratiques des MFC microfluidiques sont encore limitées en raison de la faible densité de puissance de sortie et du coût de fabrication élevé.

La puissance générée dépend de divers facteurs, notamment des paramètres physiques (matériaux des électrodes, configuration de la membrane et des cellules), biologiques (type de micro-organisme et de substrat et mécanismes de transfert d'électrons dans les micro-organismes) et opérationnels (température, pH, résistance externe et débit)8,9,10. Comme une interaction directe ou indirecte entre le micro-organisme et la surface de l'anode a lieu pour transférer des électrons extracellulaires, l'électrode de l'anode joue un rôle essentiel dans ce processus. En outre, l'impact de la structure et des matériaux de l'anode, en particulier leur biocompatibilité, leur porosité, leur topographie, leur rugosité et leur potentiel, pourrait affecter de manière remarquable la formation de biofilms et la résistance interne des MFC microfluidiques11. Une anode alternative prometteuse augmentera considérablement la densité de puissance de sortie des MFC microfluidiques pour accélérer la transition de cette technologie de la recherche fondamentale vers les applications commerciales.

Depuis la création de la technologie MFC, de nombreuses études ont été menées pour trouver une électrode d'anode avec toutes les caractéristiques mentionnées. Indépendamment de l'étude des électrodes à base de carbone12, plus de quatorze électrodes à base de métal, telles que le nickel (Ni), l'or (Au), le cuivre (Cu), le molybdène (Mo), le zinc (Zn), l'étain (Sn) et l'aluminium (Al), sont utilisées comme électrodes d'anode dans les MFC13,14. Les résultats ont indiqué que Mo a une densité de courant plus élevée que les autres métaux et les électrodes à base de carbone. Il s'agissait de la première étape vers l'introduction d'électrodes à base de métal comme alternative compétitive aux électrodes à base de carbone. De plus, plusieurs stratégies de modification, telles que l'incorporation de nanostructures de nickel15 et la modification de surface avec des nanosphères de Fe3O4 et de l'oxyde de graphène réduit16, ont été développées pour améliorer la biocompatibilité, le rapport surface/volume et la conductivité électrique17.

Un résultat intrigant a été observé lors de l'utilisation d'électrodes à base de métal, indiquant qu'elles sont potentiellement des matériaux d'anode plus prometteurs que les électrodes à base de carbone. Une multiplication par trois de la densité de puissance a été rapportée pour un maillage en cuivre recouvert de Sn sur une électrode en graphite18. Les électrodes à base de métal sont mécaniquement plus résistantes, ont une conductivité électrique plus élevée et sont plus rentables. À l'exception de Ni19 et Au20, aucune autre électrode à base de métal n'a été étudiée de manière approfondie dans les MFC microfluidiques à ce jour. L'interaction des micro-organismes et du type d'électrode est un problème critique qui n'a pas été examiné avec minutie.

Les micro-organismes exoélectrogènes agissent comme des biocatalyseurs pour que les MFC dégradent les substrats organiques tout en générant simultanément des électrons extracellulaires. Les électrons peuvent être transférés directement des bactéries vers des électrodes, telles que des nanofils (produits par des espèces telles que S. oneidensis MR-1), ou via des médiateurs autoproduits tels que le cytochrome c généré par E. coli9.

L'interprétation des mécanismes de transfert d'électrons dans une culture mixte composée d'un déluge de bactéries n'est pas encore totalement comprise. Par exemple, le cuivre comme électrode d'anode a généré des densités de courant de 1513 et 0 Am-214 en utilisant deux cultures mixtes dominantes Geobacter distinctes. D'autre part, l'étude des MFC microfluidiques inoculés avec des cultures pures telles que S. oneidensis MR-121, E. coli19 et Geobacter22 a abouti à une simple contemplation. Cependant, aucun rapport n'évalue et ne compare la production d'électricité dans des conditions de fonctionnement identiques en utilisant des types d'électrodes et des mécanismes de transfert d'électrons.

Parmi les nombreuses stratégies utilisées pour intensifier la production de bioélectricité dans les études publiées précédemment, quatre techniques méritent d'être notées. Tout d'abord, l'ajout de médiateurs synthétisés chimiquement (par exemple le bleu de méthylène) pour faciliter le transfert des électrons produits23 ; deuxièmement, éliminer les gènes interférant dans le processus métabolique intracellulaire de la production de bioélectricité24 ; troisièmement, promouvoir des souches mutantes pour améliorer la fixation bactérienne à l'anode et augmenter la densité de courant de plus de 50 %25 ; et quatrièmement, améliorer la formation de biofilm en combinant les gènes efficaces d'E. coli et de S. oneidensis MR-1. La technique finale a augmenté la densité de puissance produite de 2,8 fois (de 61 à 167,6 mW m-2)26. En raison du coût élevé des médiateurs exogènes et de leur toxicité potentielle pour les micro-organismes, la commercialisation de MFC microfluidiques enrichis utilisant cette technique a jeté le doute sur sa commercialisation9. En outre, l'ingénierie métabolique des micro-organismes exoélectrogènes est un processus coûteux et chronophage qui stimule la recherche universitaire sur des techniques alternatives pour améliorer la bioélectricité.

Outre le potentiel des électrodes à base de métal et l'utilisation de mécanismes de transfert d'électrons, l'application d'un champ magnétique statique est une autre méthode viable pour améliorer la production de bioélectricité. Il a été rapporté que des aimants permanents couplés à l'anode27 ou à la cathode28 des MFC améliorent la production de bioélectricité. Ce phénomène a été introduit pour la première fois par Moore, attribuant une amélioration du métabolisme des micro-organismes d'électrogenèse29. De plus, il a été indiqué que le couplage d'une électrode avec des aimants permanents accélère le transfert d'électrons entre les micro-organismes et les électrodes30. Les effets de l'application d'un champ magnétique comprennent un démarrage rapide et une résistance interne (environ une diminution de 39 %) des MFC, ce qui a finalement amélioré la densité de puissance produite de plus de 31 %. Cependant, une augmentation excessive de l'intensité du champ magnétique peut affecter négativement la production d'électricité27. Il va de soi qu'il existe une intensité de champ magnétique optimale pour maximiser la production de bioélectricité. L'effet des champs magnétiques sur les performances des MFC microfluidiques en tant que plate-forme pour améliorer la production d'énergie doit être étudié de manière approfondie.

Indépendamment de la façon dont les processus métaboliques des micro-organismes sont méticuleusement étudiés ou de la manière dont le génie génétique est utilisé pour améliorer le transfert d'électrons, une large perspective sur l'amélioration de l'interaction entre les microbes et les accepteurs d'électrons en tant que méthode rentable et simple doit être prise en compte. Les objectifs de cette étude sont, premièrement, d'évaluer les électrodes à base de métal comme anodes des MFC microfluidiques et d'améliorer la production de bioélectricité. Deuxièmement, étudier l'effet des mécanismes de transfert d'électrons et l'interaction de l'électrode d'anode avec les micro-organismes sur les performances globales du système. Enfin, évaluer l'application potentielle d'un champ magnétique statique pour maximiser la puissance générée. Étant donné que les applications finales des MFC microfluidiques fabriqués peuvent être orientées vers les dispositifs médicaux, l'utilisation de bactéries non pathogènes est cruciale. Deux espèces non pathogènes, S. oneidensis MR-1 avec transfert direct d'électrons et E. coli avec transfert indirect d'électrons, ont été inoculées dans les MFC microfluidiques dans les mêmes conditions. En outre, la capacité des MFC microfluidiques à alimenter des diodes électroluminescentes ultraviolettes (UV-LED) pour des applications médicales et cliniques a été évaluée pour la première fois.

La figure 1A représente une illustration schématique en vue éclatée du MFC microfluidique proposé. Un rectangle d'une largeur de 1 mm et d'une longueur de 65 mm a été découpé sur une plaque de polyméthacrylate de méthyle (PMMA) d'une épaisseur de 1 mm (Cho Chen, Taiwan) par un faisceau laser puis complètement retiré pour former un microcanal droit sur la plaque qui sert de compartiment anolyte des MFC microfluidiques. Ainsi, la hauteur du microcanal était égale à l'épaisseur de la plaque de PMMA. Un microcanal droit a été choisi plutôt qu'un canal en spirale3 ou une géométrie carrée15 en raison de ses performances supérieures. Deux trous pour chaque cellule d'un diamètre de 1,6 mm ont également été découpés sur deux plaques de PMMA, et des embouts de seringue (16G, Changzhou Shuangma Medical Devices, Chine) ont été insérés dans les plaques pour fournir une entrée et une sortie pour l'injection de substrat et l'élimination des effluents. Le processus de découpe au laser a été réalisé à l'aide d'une machine laser CO2 (modèle CMA1390-LG, GD Han's Yueming Laser, Chine) avec une puissance, une distance de sécurité et une vitesse de 50 W, 6,5 mm et 70 mm s-1, respectivement. Les plaques de PMMA fabriquées ont été fixées par de la colle chloroforme pour constituer le corps principal de l'appareil. Ensuite, comme le montre la figure 1B, l'anode préparée a été placée sur un côté du dispositif et la cathode a été placée sur le côté opposé (c'est-à-dire devant l'anode). Il convient de noter qu'un côté de la cathode était exposé à l'air. Par conséquent, l'oxygène de l'air a joué un rôle d'accepteur d'électrons et a procédé à une réaction redox cathodique. Pour fixer l'anode et la cathode, une colle adhésive époxy a été utilisée. Enfin, des fils de cuivre d'un diamètre de 0,5 mm ont été reliés au coin des électrodes par de la colle adhésive époxy pour établir les contacts électriques. La cellule fabriquée était un MFC microfluidique à chambre unique contenant un compartiment d'anolyte de 50 ul avec une surface projetée de 0,5 cm2.

Illustration schématique du MFC microfluidique : (A) schéma éclaté et (B) dispositif fabriqué. (C) Détails schématiques de l'application d'un champ magnétique statique par des aimants permanents Nd–Fe–B. (1) : entrée substrat ; (2) : sortie substrat ; (3) microcanal et corps cellulaire ; (4) : anode ; (5) : cathode ; (6) : aimant supérieur ; (7) : aimant inférieur.

Un tissu de carbone (3 mm × 50 mm) a été utilisé comme base de l'électrode cathodique. Du côté solution de la cathode, une couche de catalyseur a également été enduite pour améliorer les performances du MFC microfluidique. En bref, un mélange de poudre de platine et de carbone (10 % en poids de Pt/C, Sigma-Aldrich) (0,5 mg Pt/cm2 de tissu de carbone), de solution de Nafion (solution de Nafion à 5 %, Alfa Aesar™) (66,7 µL/mg de Pt) et d'isopropanol (33,3 µL/mg de Pt) a été préparé et appliqué sur le côté solution de la cathode, comme indiqué précédemment31.

Des feuilles de Zn, Al, Sn, Cu et Ni (pureté de 99 %, épaisseur de 0,25 mm, Alfa Aesar) ont été découpées pour former un rectangle (3 mm × 50 mm) utilisé comme anode des MFC microfluidiques. Les électrodes ont été trempées dans de l'éthanol isopropylique pendant 3 min pour éliminer les résidus organiques, puis lavées soigneusement avec de l'eau distillée avant l'assemblage de la cellule.

Des aimants permanents Nd – Fe – B (grade N42, 50 × 10 × 5 mm) ont été utilisés et localisés pour générer un champ magnétique statique, comme décrit sur la figure 1C. L'effet d'un champ magnétique de 86 mT sur les performances globales du MFC microfluidique a été étudié à l'aide de l'électrode à base de métal sélectionnée et de S. oneidensis MR-1. Il convient de noter que même un faible champ magnétique statique appliqué à E. coli peut avoir un effet néfaste sur la viabilité des bactéries32.

Escherichia coli ATCC-11105 et S. oneidensis MR-1 ont été achetés auprès du Centre de recherche biochimique et bioenvironnementale (BBRC) de l'Université de technologie Sharif. Escherichia coli a été cultivé pendant 24 h dans un milieu de bouillon nutritif (NB) (1 g l-1 d'extrait de bœuf, 2 g l-1 d'extrait de levure, 5 g l-1 de peptone et 5 g l-1 de NaCl) à 37 °C. Shewanella oneidensis MR-1 a été cultivée pendant 48 h dans un incubateur agitateur (100 tr/min) à 30 °C dans un milieu de bouillon de soja trypsique (TSB) (17 g l-1 de tryptone, 3 g l-1 de soja, 5 g l-1 de NaCl, 2,5 g l-1 de K2HPO4 et 2,5 g l-1 de glucose). Le processus d'enrichissement microbien a été réalisé dans des conditions de circuit ouvert pour obtenir un biofilm33 uniforme et homogène. Les MFC microfluidiques ont été lancés à l'aide d'une pompe à seringue pour injecter un mélange de bactéries et de substrats (c'est-à-dire E. coli avec NB et S. oneidensis MR-1 avec TSB) dans les cellules fabriquées.

Étant donné que E. coli transfère des électrons via des médiateurs autoproduits (c'est-à-dire le cytochrome c), il est évident qu'une injection continue de microbe et de milieu est nécessaire pour maintenir le taux de production d'électrons. En conséquence, un mélange d'E. coli et de NB a été injecté dans le système pendant le fonctionnement des MFC microfluidiques. Shewanella oneidensis MR-1 transfère les électrons directement à l'anode via des nanofils générés par des bactéries attachées. Après 10 h, l'injection de S. oneidensis MR-1 a été arrêtée et le système n'a été alimenté que par du TSB.

Le potentiel de circuit ouvert (OCP) a produit des densités de puissance et de courant lorsque les caractéristiques électrochimiques des systèmes ont été évaluées. Chaque minute, le potentiel de la cellule a été enregistré à l'aide d'un enregistreur de données multimètre (PROVA-803). Des résistances externes allant de 10 à 300 000 Ω ont été utilisées pour obtenir les courbes de polarisation et de densité de puissance. Ensuite, en utilisant la loi d'Ohm, la puissance et le courant générés ont été calculés et normalisés en utilisant la surface projetée de la cathode de diffusion d'air (0,5 cm2).

Pour démontrer la capacité des MFC microfluidiques à fonctionner à la fois comme générateurs d'énergie et dispositifs de désinfection dans les applications médicales et cliniques, le MFC microfluidique optimisé a été utilisé pour alimenter les LED (rouge, blanc, bleu et UV). La capacité du système pour les applications mentionnées ci-dessus est démontrée par sa capacité à alimenter des LED rouges, blanches, bleues et UV (DGPY-5 mm). La durabilité des MFC microfluidiques a été déterminée en surveillant la puissance consommée par ces LED au fil du temps. De plus, l'intensité lumineuse de toutes les LED a été déterminée à l'aide d'un posemètre (LX-103, Lutron). Trois LED UV ont été utilisées pour démontrer les capacités de désinfection des MFC microfluidiques proposés. Depuis le milieu du XXe siècle, le potentiel des LED UV pour une utilisation dans l'assainissement médical et pour tuer les microbes pathogènes a été reconnu34.

Les conditions de circuit ouvert imposent la résistance externe la plus élevée aux cellules, ce qui se traduit par une morphologie uniforme du biofilm et un temps suffisant pour la diffusion du substrat dans le biofilm33. Au fur et à mesure que la résistance externe appliquée faisait progresser la réaction d'oxydation du substrat organique par les biocatalyseurs pour produire beaucoup plus d'électrons, la réaction de biodégradation s'est déroulée avec le moins de force motrice possible dans des conditions de circuit ouvert. En conséquence, les bactéries ont suffisamment de temps pour former un biofilm uniforme. Le biofilm formé sera homogène, ce qui permet un accès plus facile au substrat que le biofilm hétérogène formé dans des conditions de circuit fermé. L'évaluation initiale de Zn, Al, Sn, Cu et Ni a été réalisée en suivant l'évolution de l'OCP de E. coli et S. oneidensis MR-1 dans les mêmes conditions d'injection (débit de 0,2 ml h-1) et temps d'inoculation (Fig. 2).

L'évolution du potentiel de circuit ouvert (OCP) des électrodes d'anode de zinc, d'aluminium, d'étain, de cuivre et de nickel avec (A) Escherichia coli et (B) Shewanella oneidensis MR-1 et des substrats purs.

L'évolution de l'OCP d'E. coli et de S. oneidensis MR-1 dans des MFC microfluidiques fabriqués à l'aide de diverses électrodes d'anode à base de métal est illustrée à la Fig. 2. Les valeurs OCP soutenues de chaque cellule cultivée pour E. coli et S. oneidensis MR-1 ont été classées par ordre de grandeur. L'instabilité dans les premiers stades de l'évolution de l'OCP en présence de S. oneidensis MR-1 (Fig. 2B) pourrait être le résultat de divers facteurs, notamment l'interaction entre le substrat et la surface nue de l'anode, la formation incomplète de biofilm et la compétition entre les bactéries pour atteindre la surface de l'anode et former le biofilm35.

Comme illustré sur la figure 2, les OCP maximales de 1, 32 et 1, 39 V ont été obtenues pour l'anode de Zn dans des MFC microfluidiques cultivés avec E. coli et S. oneidensis MR-1, respectivement. Les électrodes Zn et Al présentent un OCP plus élevé que la plupart des électrodes à base de carbone dans les MFC microfluidiques inoculés avec S. oneidensis MR-1, ce qui pourrait être attribué au fait que ces métaux ont un potentiel standard de réduction plus élevé et un taux plus rapide de transfert d'ions dans l'anolyte que les électrodes à base de carbone36. L'anode Zn a l'OCP le plus élevé, tandis que l'anode Cu a le plus bas. Dans les MFC microfluidiques à anode de Zn, deux séries de réactions redox pourraient affecter l'OCP de la cellule. La première est la réaction redox associée à l'oxydation du zinc, qui libère des ions de zinc dans le milieu sous la forme d'un nouvel électrolyte. La seconde est l'oxydation du substrat organique par les bactéries. L'incorporation de l'oxydation du zinc pourrait générer un potentiel supérieur à la valeur théorique maximale possible de 1,14 V37, et par conséquent, le MFC microfluidique fabriqué peut être considéré comme un système hybride. Les réactions électrochimiques typiques d'un MFC sont la réduction de l'oxygène à la cathode et l'oxydation de l'acétate à l'anode38. Ainsi, les réactions redox possibles et les potentiels de demi-cellule sont les suivants39,40 :

Pile à combustible microbienne :

Anode:

Cathode:

De plus, pour une batterie Zn-air, les réactions redox sont mentionnées comme suit41 :

Batterie Zn-air :

Anode:

Cathode:

Par conséquent, les réactions cathodiques des deux systèmes pourraient être les mêmes et des valeurs théoriques de 1,111 et 1,6 V pour les piles à combustible microbiennes et les batteries zinc-air pourraient être atteintes, respectivement. Les OCP des MFC microfluidiques avec anode de zinc ont été obtenus à 1,32 et 1,39 V. En ce qui concerne le fonctionnement des cellules en tant que système hybride, la valeur élevée de l'OCP peut être attribuée à l'incidence des réactions ci-dessus. Même par rapport aux MFC microfluidiques à double chambre, l'OCP soutenu du MFC microfluidique à anode de Zn était supérieur aux OCP obtenus dans les études publiées précédemment21. L'anode de Zn démontre la première étape prometteuse vers la commercialisation des MFC microfluidiques.

Un examen plus approfondi révèle également le rôle de l'interaction remarquable entre les biocatalyseurs et l'électrode. Le tableau intégré de la figure 2 compare l'OCP soutenue des MFC microfluidiques en présence et en l'absence de bactéries. Pour l'anode Zn, la différence de tension entre la cellule inoculée par les bactéries et la cellule à milieu seul était beaucoup plus élevée que les autres électrodes, ce qui révèle le rôle important des bactéries dans la facilitation des réactions redox. Pour étudier la part de chaque problème dans la production d'énergie globale, le MFC microfluidique a été utilisé avec et sans inoculation de bactéries, et les densités maximales de puissance et de courant ont été obtenues d'environ 166,4 mW m-2 et 4400 mA m-2 sans présence de bactéries et 14 592 mW m-2 et 118 000 mA m-2 avec inoculation de bactéries, respectivement. Les valeurs obtenues ont indiqué que la part de la réaction redox associée à l'oxydation du zinc dans les densités de courant et de puissance globales pouvait être estimée à environ 1,14 % et 3,72 %, respectivement. Cela démontre le rôle critique des bactéries dans l'oxydation du substrat organique et l'effet négligeable de l'oxydation de l'anode de zinc sur la bioélectricité générée. De plus, la résistance interne du système (en tant qu'indicateur de la conductivité de l'anolyte) avec la présence de bactéries était de 50 Ω alors qu'elle était de 2000 Ω sans inoculation de bactéries dans les cellules microfabriquées. Cette différence de 40 fois révèle que la performance globale du MFC microfluidique avec anode de zinc dépendait principalement de l'activité des micro-organismes.

Concernant le rôle critique de l'électrode d'anode dans l'abaissement de la surtension d'activation et facilitant ainsi les réactions redox, les performances de chaque électrode à base de métal peuvent être évaluées. De plus, l'efficacité de chaque mécanisme de transfert d'électrons sera démontrée.

Les courbes de densité de puissance des électrodes à base de métal (y compris Cu, Sn et Zn) pour E. coli et S. oneidensis MR-1 basées sur différents débits de substrat sont présentées à la Fig. 3. Une explication détaillée des autres électrodes à base de métal est présentée dans le fichier supplémentaire. Les MFC microfluidiques avec une anode en Cu présentent les densités de puissance et de courant les plus faibles, tandis que ceux avec une anode en Zn présentent le niveau le plus élevé de ces valeurs. Les MFC microfluidiques inoculés avec S. oneidensis MR-1 fonctionnent mieux que ceux inoculés avec E. coli pour les anodes Zn, Al, Sn et Ni. Outre leur compatibilité avec les électrodes à base de métal, les mécanismes de transfert direct d'électrons ont une perte moindre que le transfert indirect d'électrons via des navettes d'électrons mobiles.

Les courbes de densité de puissance pour les MFC microfluidiques avec différentes électrodes d'anode engagées avec Escherichia coli ((A) Cu, (B) Sn et (C) Zn) et Shewanella oneidensis MR-1 ((D) Cu, (E) Sn et (F) Zn) sous différents taux d'injection de substrat. Les barres d'erreur représentent la variation des densités de puissance et de courant entre les expériences répétées.

Comparé à d'autres électrodes à base de métal et à d'autres MFC précédemment publiés dans la littérature (y compris les MFC à macro et micro-échelle)14,22, le MFC à anode de Zn engagé avec S. oneidensis MR-1 a produit les densités de puissance et de courant les plus élevées signalées à ce jour (environ 14 592 mW m-2 et 118 000 mA m-2, respectivement). Ces résultats démontrent une correspondance réussie entre les mécanismes de transfert direct d'électrons et le potentiel du zinc comme anode dans un MFC microfluidique. Même pour Al et Sn du MFC microfluidique inoculé avec S. oneidensis MR-1, les densités de puissance produites sont beaucoup plus élevées que les électrodes à base de carbone, ce qui indique une compatibilité réussie des nanofils et des électrodes à base de métal.

Les MFC microfluidiques à anode Sn avaient des densités de puissance de 380 et 781,4 mW m-2, respectivement, lorsque E. coli et S. oneidensis MR-1 étaient utilisés (Fig. 3B et E). Sn présente une densité de puissance de 271 et 242 mW m-2 lorsqu'il est utilisé comme anode dans un MFC inoculé avec des cultures mixtes dominantes Geobacter14,18. La densité de puissance de Sn obtenue par S. oneidensis MR-1 est supérieure à 2,8 fois celle rapportée pour les cultures mixtes dominantes de Geobacter, ce qui indique que S. oneidensis MR-1 a une biocompatibilité et un transfert d'électrons supérieurs aux accepteurs d'électrons à base de métal. De plus, les avantages des MFC microfluidiques, qui améliorent la production de bioélectricité, ne doivent pas être négligés.

Comme pour les résultats de l'OCP, les MFC microfluidiques avec l'anode en Cu ont généré des densités de puissance et de courant inférieures à celles avec d'autres électrodes à base de métal (environ 57,76 et 64,25 mW m-2, respectivement). Les propriétés anti-biofilm et antibactériennes du Cu43 empêchent la formation d'une couche productrice d'électrons efficace, ce qui peut être la principale raison du faible niveau de production d'énergie. Il a été démontré que la performance de Cu en tant qu'anode dans les MFC est un accepteur d'électrons sensible pour le biocatalyseur. Des densités de puissance maximales de 2 et 69 mW m-2 ont été obtenues dans des MFC à anode de cuivre lorsque la culture dominante de Geobacter13 et S. oneidensis MR-1 ont été utilisées44, respectivement. Cette mauvaise performance a été attribuée à la libération d'ions toxiques et à la corrosion45.

Le débit optimal dans les MFC microfluidiques est déterminé par les conditions de transfert de masse46, l'approvisionnement en nutriments pour la croissance du biofilm7,47,48, la stabilité hydrodynamique49 et le détachement des bactéries en évitant une contrainte de cisaillement excessive près de la surface de l'anode7,46. En ce qui concerne la similitude de la géométrie des cellules dans cette étude avec le micro-MFC fabriqué dans les travaux de Mardanpour et Yaghmaei19, la plage de débit du substrat a été déterminée sur la base des valeurs rapportées de l'étude mentionnée. Les débits doivent être ajustés dans la plage pour établir un flux continu dans le microcanal et inhiber la déshydratation du biofilm d'une part et empêcher le détachement du biofilm dû à la contrainte de cisaillement élevée d'autre part. La différence entre les débits optimaux pour les MFC microfluidiques inoculés avec différents biocatalyseurs (c'est-à-dire E. coli et S. oneidensis MR-1) indique un effet remarquable du débit du substrat sur les mécanismes de transfert d'électrons. À l'exception de Cu, le débit optimal pour toutes les électrodes à base de métal dans les MFC microfluidiques utilisant S. oneidensis MR-1 est inférieur à celui de E. coli. En ce qui concerne les mécanismes de transfert d'électrons pour S. oneidensis MR-1 via les nanofils attachés à la surface de l'anode, un débit inférieur laisse suffisamment de temps pour la formation de biofilm sur l'électrode et empêche le détachement du biofilm et le stress d'écoulement du substrat. D'autre part, E. coli transfère des électrons via des médiateurs autoproduits (c'est-à-dire le cytochrome c) qui agissent comme des navettes d'électrons. Un débit plus élevé peut entraîner un nombre plus important de navettes dans le microcanal pour transférer les électrons extraits de la membrane bactérienne.

Le phénomène de dépassement est une autre caractéristique que l'on peut observer dans une courbe de densité de puissance. À mesure que la résistance externe diminue, la quantité de courant produite et la demande d'électrons augmentent. Si les bactéries ne peuvent pas fournir les électrons nécessaires via des réactions redox, une diminution brutale du courant et de la puissance se produit, connue sous le nom de phénomène de dépassement50. Une augmentation du débit du substrat peut compenser la diminution de la densité de courant, fournir des nutriments supplémentaires aux micro-organismes et accélérer leur taux métabolique dans la production d'électrons. En conséquence, un dépassement peut se produire lorsque le débit est inférieur au débit optimal pour l'alimentation des micro-organismes. De plus, à des débits plus élevés, le temps insuffisant pour que les bactéries et les molécules de cytochrome-c atteignent la surface de l'électrode19 peut être un autre facteur contribuant au phénomène de dépassement. Compte tenu des courbes de densité de puissance, aucun des MFC microfluidiques inoculés avec S. oneidensis MR-1 ne subit le phénomène de dépassement. Au contraire, ce problème a été observé dans les courbes de densité de puissance de Cu, Ni et Zn inoculés avec E. coli à des débits de 0,3, 3 et 2 ml h-1, respectivement.

Les courbes de polarisation peuvent être utilisées pour évaluer l'effet du type d'électrode et des mécanismes de transfert d'électrons sur les surpotentiels des systèmes. Les parties première, médiane et finale d'une courbe de polarisation peuvent être utilisées pour déterminer les surpotentiels d'activation, ohmique et de concentration, respectivement51. Les courbes de polarisation de diverses électrodes à base de métal pour deux espèces avec des mécanismes de transfert d'électrons distincts sont illustrées à la Fig. 4. La pente de la section initiale de la courbe de polarisation, indiquée par l'ellipse en pointillés, indique l'ordre de surtension d'activation. Comme on peut le voir, la pente des courbes de polarisation de S. oneidensis MR-1 (Fig. 4B) est inférieure à celle des MFC microfluidiques inoculés à E. coli (Fig. 4A), ce qui indique que S. oneidensis MR-1 nécessite moins d'énergie d'activation pour extraire les électrons de l'oxydation du substrat que E. coli. Les voies métaboliques de S. oneidensis MR-1 peuvent être plus simplifiées que celles d'E. coli. De plus, le Zn a moins de pente que n'importe laquelle de ces espèces en raison d'une moindre perte d'énergie pendant la réaction redox, ce qui peut expliquer un potentiel de réduction standard inférieur des bactéries et une biocompatibilité accrue avec les anodes en Zn. Bien que l'Al soit une espèce réductrice plus vigoureuse que le Zn, la biocompatibilité du Zn peut avoir une influence plus significative sur les performances des MFC microfluidiques. Sn, Ni et Cu ont une pente plus importante et s'ajustent à leurs positions respectives dans le tableau des potentiels de réduction standard.

La comparaison des surpotentiels d'activation et ohmiques de différentes électrodes et des mécanismes de transfert d'électrons des biocatalyseurs utilisés par des courbes de polarisation. (A) Escherichia coli, (B) Shewanella oneidensis MR-1, (C) Zn et Sn, (D) Al et Sn, (E) Sn et Cu, (F) Sn et Ni. Les barres d'erreur représentent la variation des densités de puissance et de courant entre les expériences répétées.

Selon les courbes de polarisation de la figure 4A, aucune différence significative dans la surtension d'activation n'a été observée pour les anodes Sn, Ni et Cu des MFC microfluidiques utilisant E. coli comme biocatalyseur. Par contre, la différence significative de la pente des courbes de polarisation dans la zone initiale de la figure 4B est visible. Lorsque S. oneidensis MR-1 est inoculé, Sn et Ni présentent une surtension d'activation inférieure à Cu, ce qui souligne le rôle critique des nanofils de surface d'anode dans la réduction de la surtension d'activation.

En ce qui concerne les surtensions ohmiques des MFC microfluidiques, qui peuvent être déterminées via la zone médiane de la courbe de polarisation, certaines spéculations sur l'ascendant des mécanismes de transfert d'électrons peuvent être faites. Les courbes de polarisation des électrodes à base de métal utilisées par diverses espèces microbiennes sont illustrées à la Fig. 4C – F. La puissance générée par Sn est supérieure à Cu et Ni, alors qu'elle est inférieure à Zn et Al. Cela fait de Sn un excellent candidat pour être utilisé comme référence et comparer les caractéristiques électriques des autres électrodes. Ainsi, les courbes de polarisation de chaque électrode à base de métal sont indiquées à côté de la courbe de polarisation Sn comme référence pour bien faire la comparaison. Comme illustré sur la figure 4C, la pente de la courbe dans la zone médiane (contenue dans une ellipse en pointillés) de S. oneidensis MR-1 est inférieure à E. coli dans le MFC microfluidique utilisant une anode de Zn, ce qui est également vrai pour Al et Sn. Comme la surtension ohmique est une mesure de la conductivité de l'anolyte et de la délivrance d'électrons aux accepteurs d'électrons, elle indique que les nanofils nécessitent moins d'énergie pour délivrer des électrons que les navettes d'électrons mobiles. Les microbes exoélectrogènes transférant des électrons directement par nanofil (comme S. oneidensis MR-1) peuvent être introduits comme une alternative à E. coli qui transfère des électrons via des médiateurs autoproduits52. Cette substitution dans l'inoculation des MFC microfluidiques a sensiblement amélioré les performances de la cellule et son efficacité. La comparaison des résultats des études précédentes3,19,53 a révélé les performances supérieures de S. oneidensis MR-1 par rapport à E. coli, même lorsque la surface de l'anode est enrichie de nanoparticules pour améliorer la génération d'énergie 15. En termes de conductivité de l'anolyte, il a été démontré que les nanofils peuvent transporter des électrons sur un trajet à longue distance et par conséquent augmenter la conductivité du biofilm54. Ainsi, même un biofilm épais avec un réseau de nanofils peut entraîner une résistance électrique interne plus faible que les navettes électroniques mobiles. Les recherches futures sur le calcul des champs électriques dans les deux types de processus de transfert d'électrons pourraient s'avérer extrêmement utiles dans ce domaine.

La surtension ohmique des MFC microfluidiques avec des anodes Cu et Ni n'a pas montré de différence significative (Fig. 4E, F). La différence dans les mécanismes de transfert d'électrons n'a eu aucun effet perceptible sur les performances de ces cellules, ce qui peut être dû à la faible propension de Cu pour la fixation du biofilm, et le biofilm S. oneidensis MR-1 ne peut pas jouer un rôle unique dans la conduction électronique. Ainsi, les microbes en suspension peuvent contribuer principalement au transfert d'électrons, et aucune différence significative n'est observée lorsque S. oneidensis MR-1 ou E. coli sont ajoutés au MFC microfluidique avec anode en Cu. Les images de microscopie électronique à balayage ont fourni des preuves supplémentaires de la raison mentionnée précédemment pour la formation de biofilm de désinclinaison de Cu. Dans le cas du Ni, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour clarifier, évaluer et comparer les surpotentiels ohmiques basés sur les mécanismes de transfert d'électrons.

La figure 5 illustre l'effet de l'application d'un champ magnétique statique de 86 mT sur la courbe de densité de puissance des électrodes à base de métal. Il convient de noter que les cellules fabriquées ont été exploitées pendant près de dix jours et exposées en continu au champ magnétique statique pendant cette période. Comme on peut le voir, à l'exception du MFC microfluidique à anode de Zn, la puissance générée des autres MFC microfluidiques a considérablement diminué. De plus, chacun d'eux a connu une fluctuation (indiquée par un cercle en pointillés). Cette diminution brutale est légère pour les anodes Cu, Al et Zn, mais elle est dramatique pour Ni et Sn. L'application d'un champ magnétique statique a réduit la puissance générée de Cu, Ni, Sn et Al de 22 %, 27 %, 13 % et 66 %, respectivement. Pour Zn, en revanche, ce champ magnétique a augmenté la densité de puissance de plus de 2,4 fois. Bien qu'il soit difficile d'attribuer cette variation complexe à un seul paramètre, il apparaît que les propriétés magnétiques des anodes et les propriétés métaboliques de S. oneidensis MR-1 sont plus importantes que les autres variables.

L'effet du champ magnétique statique sur les performances des électrodes à base de métal des MFC microfluidiques engagés avec Shewanella oneidensis MR-1 dans les débits de substrat optimisés (tableau S1 dans le fichier supplémentaire). Les barres d'erreur représentent la variation des densités de puissance et de courant entre les expériences répétées.

En ce qui concerne la propriété magnétique des anodes à base de métal, Zn et Cu sont diamagnétiques, Al et Sn sont paramagnétiques et Ni est ferromagnétique55. L'augmentation notable de la densité de puissance de l'anode Zn ne peut pas être attribuée uniquement à sa propriété magnétique, car l'anode Cu n'a pas montré le même comportement. De plus, les anodes Al et Sn ne présentaient pas la même diminution lorsqu'un champ magnétique statique était appliqué. Aucune étude n'a été menée pour examiner la variation des réactions métaboliques de S. oneidensis MR-1 lorsqu'un champ magnétique statique est appliqué à la connaissance des auteurs. Les recherches futures se concentreront sur le déchiffrement de ce sujet et l'effet de l'intensité du champ magnétique statique sur les performances des MFC microfluidiques.

Le tableau S1 du fichier supplémentaire résume les principaux points de l'analyse électrochimique abordés dans les figures précédentes. Lorsque S. oneidensis MR-1 a été utilisé à la place de E. coli, Zn, Al, Sn et Ni ont produit près de deux fois la densité de puissance, ce qui indique que le mécanisme de transfert direct d'électrons a priorité sur le mécanisme de transfert d'électrons basé sur un médiateur. Les valeurs de résistance interne calculées pour toutes les électrodes des MFC microfluidiques indiquent presque une tendance à la baisse de l'utilisation de S. oneidensis MR-1 par rapport à E. coli. À l'exception de l'anode en cuivre, le débit optimal dans les MFC microfluidiques inoculés avec S. oneidensis MR-1 est inférieur à celui inoculé avec E. coli. Dans le cas de S. oneidensis MR-1, la possibilité d'un détachement bactérien nécessite une diminution des débits, alors que la facilitation de la navette électronique dans les cellules utilisées E. coli nécessite une augmentation des débits.

Lorsqu'un champ magnétique statique est appliqué, l'anode Zn se comporte différemment des autres anodes à base de métal. Il n'est pas facile d'interpréter les raisons des variations complexes des tendances de polarisation des électrodes à base de métal. En général, un champ magnétique statique a un effet néfaste sur la production d'énergie des MFC microfluidiques, à l'exception des MFC microfluidiques à anode Zn.

La figure 6 montre des images de microscopie électronique à balayage (MEB) des anodes et de la cathode des MFC microfluidiques inoculés avec E. coli et S. oneidensis MR-1. Les images SEM haute résolution sont présentées dans le fichier supplémentaire. Les images sont classées de la densité de puissance la plus élevée (c'est-à-dire Zn) à la plus faible (c'est-à-dire Cu). L'image finale de chaque série représente le biofilm sur la cathode en tissu de carbone. Sur la surface de la cathode, S. oneidensis MR-1 et E. coli ont formé des biofilms denses. Quel que soit le type d'anode, les deux espèces ont tendance à adhérer davantage à la surface de la cathode qu'aux électrodes de l'anode. Ahmed et Kim ont démontré que le biofilm cathodique pouvait réduire la puissance générée jusqu'à 20 %56. Ainsi, de nouveaux catalyseurs cathodiques à activité antibactérienne ont été développés pour inhiber la formation de biofilm à la surface de la cathode et améliorer la génération de bioélectricité57,58.

Images de microscopie électronique à balayage (SEM) du biofilm (A) Escherichia coli et (B) Shewanella oneidensis MR-1 sur les surfaces anodiques et cathodiques des MFC microfluidiques. Les informations connexes de chaque image SEM ont été caractérisées.

Comme illustré dans la sous-figure initiale de la figure 6A, la formation de biofilm sur la surface de l'anode de Zn est rare. Il est plus exact de dire qu'aucune bactérie ou groupe de bactéries n'a une image claire. D'autre part, la nanoparticule d'oxyde de zinc d'origine naturelle est facilement identifiable. Même si le MFC microfluidique à anode de Zn a la densité de puissance la plus élevée, il est évident que les E. coli en suspension peuvent jouer un rôle critique dans la production d'énergie. Entre Al et Cu, le nombre de bactéries attachées à la surface de l'anode a augmenté de façon spectaculaire. Simultanément, les surfaces des anodes Al et Sn sont recouvertes de groupes clairsemés et de bactéries individuelles, tandis que les surfaces des anodes Ni et Cu sont recouvertes de groupes denses de bactéries. En ce qui concerne les mécanismes de transfert d'électrons d'E. coli via le cytochrome c59, la présence d'un biofilm dense peut agir comme une barrière à la livraison de l'électron monté à l'anode.

Parallèlement au rôle critique du potentiel d'électrode standard des électrodes à base de métal utilisées, il semble augmenter la production d'énergie des MFC microfluidiques inoculés avec E. coli ; il devrait améliorer la croissance des bactéries en suspension et le transport des électrons d'une part tout en supprimant les barrières aux accepteurs d'électrons d'autre part. Le rôle des nanoparticules dans la prévention de la formation d'un biofilm épais sur la surface de l'électrode peut être considéré comme une solution, car cela peut être une raison pour éviter la formation de biofilm sur la surface de l'anode de Zn. Il a été démontré qu'en enduisant la surface de Ni du MFC microfluidique avec des nanoparticules de Ni, la densité de puissance peut être augmentée de plus de 30 %15. La première possibilité est que cela se produise à la suite d'une augmentation de la surface de l'anode. Cependant, une autre étude a révélé que l'utilisation de nanoparticules de Zn sur la surface de l'anode de Zn pour augmenter la surface disponible pour le biofilm de S. oneidensis MR-1 n'augmentait pas la densité de puissance générée du MFC60 microfluidique. La présence de nanoparticules peut réduire l'adhésion des bactéries à la surface de l'anode. Les recherches futures pourraient se concentrer sur l'effet des nanoparticules sur la formation de biofilms par divers types de micro-organismes.

Pour caractériser les morphologies de surface des anodes à base de métal, des images SEM des anodes usagées après élimination de leur biofilm ont été capturées et comparées aux nouvelles (fichier supplémentaire). Les images Al et Ni n'ont montré aucun changement détectable après dix jours de fonctionnement. Des cavités locales peuvent être observées partiellement sur la surface de Sn, connues sous le nom de corrosion par piqûres61. Les nanostructures naturelles étaient présentes à la surface des anodes fraîches et lavées dans le boîtier en Zn. De plus, quelques légères fissures ont été observées sur l'anode de Zn après lavage du biofilm, ce qui pourrait être considéré comme une corrosion mineure. Pour évaluer l'effet de la corrosion de l'anode sur les performances des MFC, Yamashita et Yokoyama ont examiné divers métaux comme anode des MFC pendant 350 jours et ont signalé que les anodes à base de métal pouvaient produire une densité de courant stable. Ils ont également démontré qu'un taux de corrosion spécifique pouvait diminuer de manière significative la densité de courant générée14. Dans la présente étude, aucune réduction de la bioélectricité produite n'a été observée pendant l'opération, ce qui indique le niveau et le taux de corrosion négligeables.

L'anode en cuivre du MFC microfluidique inoculé avec S. oneidensis MR-1 a subi une corrosion et un changement significatif de la rugosité de la surface est limpide. En revanche, le MFC microfluidique recruté E. coli comme biocatalyseur n'a montré aucune variation remarquable à la surface de l'anode en Cu. Cela pourrait être lié à ce problème selon lequel le biofilm formé d'E. coli sur l'anode de Cu a joué un rôle de couche de protection protectrice qui a inhibé la corrosion de la surface exposée de Cu à l'anolyte du système. Au contraire, un nombre négligeable de bactéries peut être observé sur l'anode inoculée de S. oneidensis MR-1. La corrosion de l'anode de Cu pendant le fonctionnement du MFC a été expliquée dans les travaux de Zhu et Logan45. Par ailleurs, Baudler et al. ont démontré la stabilité du Cu comme anode du MFC et sa résistance à la corrosion13. Cela pourrait renforcer la spéculation selon laquelle un biofilm d'un micro-organisme particulier pourrait jouer un rôle protecteur contre la corrosion. Dans la présente étude, E. coli pourrait contribuer au maintien de l'anode en Cu du MFC microfluidique.

Les images SEM de biofilms de S. oneidensis MR-1 sur des MFC microfluidiques fabriqués à l'aide de diverses anodes sont également présentées sur la figure 6B. Des ellipses blanches en pointillés indiquaient le biofilm formé sur le MFC microfluidique à anode de Zn. Le nombre de bactéries qui ont formé le biofilm a diminué lorsque Cu a remplacé Al. En d'autres termes, Al supporte un biofilm plus dense que Sn, et Sn supporte un biofilm plus dense et plus compact que Ni. Les bactéries attachées à la surface de Cu sont rares et ne se sont pas agrégées. Les images SEM de la Fig. 6 démontrent une relation entre l'abondance des biofilms formés de S. oneidensis MR-1 et l'amélioration de la densité de puissance. Les MFC microfluidiques avec des biofilms denses atteignent une densité de puissance plus élevée que ceux avec des microbes peu attachés sur l'anode.

Contrairement aux MFC microfluidiques inoculés avec E. coli, une comparaison pourrait indiquer que les bactéries attachées peuplées peuvent être considérées comme un signe de génération d'énergie améliorée dans les MFC microfluidiques inoculés avec S. oneidensis MR-1. Il est clair que le mécanisme de transfert direct d'électrons basé sur des nanofils permet le transport d'électrons via un réseau complexe de nanofils interconnectés. Cela peut expliquer pourquoi un biofilm de S. oneidensis MR-1 plus dense et plus épais peut produire une densité de puissance plus élevée. Il convient de noter que les travaux futurs incluront des images SEM de S. oneidensis MR-1 exposées à un champ magnétique statique.

Les MFC microfluidiques ont été évalués globalement en ce qui concerne leur capacité à alimenter des diodes électroluminescentes (LED) et en comparaison avec des recherches précédemment publiées sur les MFC microfluidiques. Trois MFC microfluidiques à anode Zn sont connectés en série pour générer 4,1 V et alimenter des LED rouges, bleues, blanches et ultraviolettes afin de démontrer la capacité des MFC microfluidiques à alimenter des LED sans aucun champ magnétique externe. La figure 7 représente les LED allumées, leur évolution de puissance et le courant nécessaire pour chaque LED. De plus, l'intensité lumineuse générée a été mesurée et signalée à l'aide du luxmètre. Les LED blanches produisent beaucoup plus d'intensité lumineuse, comme illustré sur la figure. Étant donné que les LED rouges consomment plus d'énergie que les autres types de LED, l'évolution de la puissance des LED rouges est illustrée à la Fig. 7. Malgré une réduction initiale de la puissance, une tendance constante de l'évolution de la puissance est évidente. Pour évaluer la durabilité des MFC microfluidiques alimentant des LED rouges, la pompe à seringue a été arrêtée et après presque 1,75 h, l'intensité lumineuse est passée de 2 à 1 lx. Après 2,5 h, les LED se sont éteintes. Une autre caractéristique de ce système est la possibilité d'alimenter trois LED pendant plus de deux heures en utilisant seulement 150 μl du substrat via des MFC microfluidiques.

Les performances du MFC microfluidique à anode de Zn inoculé avec Shewanella oneidensis MR-1 pour alimenter les LED.

La figure 8 montre les performances du MFC microfluidique par rapport aux résultats d'études publiées précédemment. Les études connexes sont organisées (dans le tableau S2 du fichier supplémentaire et la figure 8) en fonction des densités de puissance et de courant maximales. Comme on peut le voir, la densité de puissance générée du MFC microfluidique a été considérablement améliorée en sélectionnant une électrode d'anode appropriée, en ajustant un mécanisme de transfert d'électrons approprié et en appliquant un champ magnétique statique.

Les performances du MFC microfluidique à anode de Zn inoculé avec Shewanella oneidensis MR-1 par rapport aux travaux publiés précédemment.

Le MFC microfluidique fabriqué ne nécessite pas de techniques biologiques complexes pour une inoculation parfaite ou de longues méthodes de synthèse pour promouvoir les électrodes. L'opération a été effectuée dans un laboratoire conventionnel sans avoir besoin de conditions de salle blanche. Le coût de production du MFC microfluidique à anode Zn fabriqué inoculé avec S. oneidensis MR-1 et supporté par des aimants permanents Nd – Fe – B est inférieur à 1,1 $. Il s'agit d'une autre caractéristique exceptionnelle du système pour accélérer la commercialisation des MFC microfluidiques pour des applications cliniques et médicales.

Trois méthodes simples et rentables ont été utilisées pour améliorer la production de bioélectricité des MFC microfluidiques qui ont abouti à la plus haute densité de puissance et de courant à ce jour. En termes de propriétés électrochimiques, les MFC microfluidiques fabriqués à partir d'électrodes à base de métal présentent les caractéristiques suivantes :

Les MFC microfluidiques inoculés avec S. oneidensis MR-1 présentent une puissance et une densité de courant supérieures à celles inoculées avec E. coli, ce qui implique une meilleure adéquation entre les mécanismes de transfert direct d'électrons et le potentiel des anodes à base de métal.

Shewanella oneidensis MR-1 nécessite moins d'énergie d'activation pour extraire les électrons de l'oxydation du substrat que E. coli, ce qui implique que les voies métaboliques de S. oneidensis MR-1 peuvent être plus lisses que celles d'E. coli et moins de perte de nanofils par rapport aux navettes d'électrons mobiles.

Pour améliorer la génération d'énergie des MFC microfluidiques inoculés avec E. coli, il est nécessaire de renforcer la croissance des bactéries en suspension et leur transport d'électrons d'une part et de supprimer les barrières aux accepteurs d'électrons d'autre part. La précipitation des nanoparticules peut être essentielle pour résoudre le problème.

Contrairement aux cellules inoculées avec E. coli, il existe une corrélation entre la quantité de biofilm de S. oneidensis MR-1 formé et l'augmentation de la densité de puissance. Les MFC microfluidiques avec des biofilms denses atteignent une densité de puissance plus élevée que ceux avec des microbes peu attachés sur l'anode.

À l'exception du MFC microfluidique à anode de Zn (augmentation de 2,4 fois), l'application d'un champ magnétique statique a un effet néfaste sur la production d'énergie des MFC microfluidiques.

Étudier la topographie des biofilms à l'aide de différents champs magnétiques et déchiffrer la variation abrupte qui se produit en appliquant un champ magnétique statique peuvent être de futurs sujets de recherche.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié.

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Département de génie mécanique, Université Tarbiat Modares, Téhéran, Iran

Mohammad Shirkosh & Yousef Œuvres

Département de bioingénierie, Université McGill, Montréal, QC, Canada

Mohammad Mahdi Mardanpour

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M.Sh. : Analyse formelle, Investigation, Rédaction-Révision & Édition YH : Supervision, Conceptualisation, Rédaction-Révision & Édition MMM : Supervision, Conceptualisation, Rédaction-Révision & Édition.

Correspondance avec Yousef Hojjat.

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Shirkosh, M., Hojjat, Y. & Mardanpour, MM Stimulation des performances des piles à combustible microfluidiques en étudiant les mécanismes de transfert d'électrons, les électrodes à base de métal et l'effet de champ magnétique. Sci Rep 12, 7417 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-11472-6

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Reçu : 19 janvier 2022

Accepté : 25 avril 2022

Publié: 06 mai 2022

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

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Ionique (2023)

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