De lozing van organisch afvalwater – biologisch afbreekbare afvalstoffen van planten en dieren – in zoetwaterlichamen is een aanzienlijk probleem voor het milieu, dat de gezondheid en duurzaamheid van deze aquatische ecosystemen aantast. De methoden die momenteel beschikbaar zijn voor het inspecteren van de waterkwaliteit zijn echter complex en kostbaar.

Onderzoekers van de Ritsumeikan Universiteit, Japan, hebben onlangs een zelfaangedreven, goedkope en drijvende biosensor ontwikkeld voor het monitoren van de waterkwaliteit aan de ingang van zoetwatermeren en rivieren. Het onderzoek werd gepubliceerd in het Biochemical Engineering Journal op 1 november 2023.

"We hebben een zelfaangedreven, stand-alone, drijvende biosensor ontwikkeld op basis van een microbiële brandstofcel (MFC) voor vroege detectie van organisch afvalwater. De MFC-behuizing is vervaardigd door een 3D-printer en de elektroden zijn vervaardigd uit goedkope, op koolstof gebaseerde materialen", zegt professor Kozo Taguchi van het College of Science and Engineering, Department of Electrical and Electronic Engineering, Ritsumeikan University, die het onderzoek leidde.

MFC's wekken elektriciteit op met behulp van elektrogene bacteriën. Deze micro-organismen produceren een elektrische stroom als gevolg van hun biologische metabolisme. De hoeveelheid elektriciteit die door de MFC wordt opgewekt, is evenredig met de concentratie van het organische afval dat wordt verbruikt door de elektrogene micro-organismen. Dit karakteristieke kenmerk wordt daarom gebruikt om biosensoren voor organisch afval te ontwerpen, aangedreven door MFC's.

Met behulp van goedkope, op koolstof gebaseerde materialen ontwikkelde het Japanse onderzoeksteam een ​​zelfaangedreven biosensor op basis van een drijvende MFC (FMFC) om voortdurend het niveau van organische verontreiniging in meren en rivieren te volgen. Om dit te bereiken vulden ze de anode (de elektrode waar oxidatie plaatsvindt en elektronen worden afgegeven) van de FMFC met grond die elektrogene bacteriën bevatte. De anodische bacteriën hebben vervolgens het organische materiaal in het water afgebroken en de opgeslagen chemische energie omgezet in elektriciteit. Het elektrisch vermogen werd vervolgens gebruikt als maatstaf voor het organische afval dat in het verontreinigde water aanwezig was.

Hoewel de onderzoekers de bacteriële gemeenschappen in het bodemmonster niet karakteriseerden, veronderstelden ze rationeel dat micro-organismen van de geslachten Geobacter, Shewanella en Pseudomonas bijdroegen aan de elektrische activiteit. Uit eerder onderzoek blijkt dat padiegronden van nature elektrogene bacteriën bevatten die tot deze geslachten behoren.

Vervolgens voegde het team een ​​lichtemitterende diode (LED) toe aan de drijvende biosensorconstructie. De LED kon de door de elektrogene bacteriën geproduceerde elektriciteit benutten en visueel het niveau van organische verontreiniging in de onderzochte watermonsters aangeven. Het begon te knipperen toen het chemisch zuurstofverbruik (CZV) – een parameter die wordt gebruikt om het gehalte aan organische verontreinigingen in water te meten – de drempelwaarde van 60 mg/l overschreed. Bovendien knipperde de LED in een verhoogd tempo wanneer de CZV de drempelwaarde aanzienlijk overschreed.

Prof. Taguchi voegt hieraan toe:"Omdat de FMFC-biosensor zijn eigen elektriciteit produceert, heeft deze geen externe voeding nodig. Bovendien kan hij worden gebruikt in systemen voor vroege detectie die de instroom van organisch afvalwater in zoetwaterlichamen monitoren."

Meer informatie: Trang Nakamoto et al., Stand-alone drijvende microbiële, op brandstofcellen gebaseerde biosensor voor het volgen van de instroom van organische vervuiling, Biochemical Engineering Journal (2023). DOI:10.1016/j.bej.2023.109087

Aangeboden door Ritsumeikan Universiteit