Exoelectrogens for microbial electrochemical technologies: temperature dependence, energy harvesting, and remediation

Abstract

This thesis is the result of an exploratory PhD project focused on microbial electrochemical technologies and is a joined project between X-LAB and the Centre for Environmental Sciences of UHasselt. It is the first PhD thesis within UHasselt in the field of microbial electrochemical technologies. As the term itself already hints, is microbial electrochemistry an interdisciplinary topic combining biology, chemistry and physics. The field arose as a possible solution for the growing energy crisis the world currently encounters. This thesis explores microbial electrochemistry in a broad way from the fundamentals to the applications. The base of microbial electrochemistry are exoelectrogenic microorganisms. These microorganisms can perform extracellular electron transfer. In contrast to most other organisms their respiratory electron transport chain does not use oxygen (or another soluble electron acceptor) as the terminal electron acceptor. Instead, their electron transport chain is extended and can go straight through the outer membrane to the extracellular space where a solid material (e.g. iron oxides) can be used as terminal electron acceptor. This way electrons are transported across a much larger distance. From a physical point of view, the transport of electrons is equivalent to electrical current. Therefore, if the solid electron acceptor for instance is replaced by an electrode, this current can be harvested. This form of bio-electricity has been of interest for some years and the field of microbial electrochemistry keeps developing new technologies and applications based on this electron transport. This thesis aims to answer questions on various aspects within the world of microbial electrochemistry and consists of a bundle of manuscripts preceded by an introductory chapter and followed by an outlook for follow-up research. The first chapter explains the motivation and context for the PhD project; the current global energy crisis, renewable energy forms and the future of renewable energy. One of the possible futures of renewable energy is with these exoelectrogenic microorganisms. These microorganisms and the principle of extracellular electron transfer are explained in detail with a focus on the two model species Shewanella loihica and Geobacter sulfurreducens. One of the following chapters focusses on the Shewanellaceae member Shewanella loihica, so this species is also elaborated on briefly. This is followed by an introduction to microbial electrochemical technologies and more specifically microbial fuel cells: what they are and what the applications are. Over the years it became clear that the microbial fuel cell (and sister technologies) are not only useful for energy production, but can be used for other purposes such as remediation and sensing. The final part of the first chapter explains the aims of the thesis and lists the research questions studied in this thesis: 1. What is the effect of temperature on microbial fuel cells? 2. How do plant microbial fuel cells compare to other energy harvesters, in detail photovoltaics? 3. Can we enlarge the remediation capacities of microbial electrochemical technologies with biochar? Temperature is one of the important parameters in microbial fuel cell research for it affects the microbial activity and in contrast with other environmental parameters, temperature cannot be regulated by the bacteria themselves, as would be the case for pH for instance. Besides microbial metabolism, temperature also affects the Gibbs free energy, influencing the coulombic efficiency of the microbial fuel cell as a whole. In some situations a higher temperature is beneficial, but in other cases colder temperature are preferred. In research, the temperature is often set at room temperature or higher to accommodate the most often used mesophilic bacteria (i.e., bacteria that thrive at the intermediate temperatures, ca. 20-45°C). However, when we want to implement this technology in real life, the ambient temperature often is lower. This can be resolved by using so-called psychrophilic or psychrotolerant exoelectrogens, which are able to withstand lower temperatures. In the second chapter, one of these psychrotolerant species, i.e., Shewanella loihica, was used as a pure culture in microbial fuel cells at various temperatures. The performance of S. loihica at different temperatures was evaluated by its electrochemical performance, i.e., the current generation and power and polarization curves. Since S. loihica is one of the few species capable of performing both direct and indirect extracellular electron transfer, both transfer mechanisms were investigated by confocal laser scanning microscopy and fluorescence spectroscopy, respectively. This electrochemical performance was also compared to the growth of this species in a non-bioelectrochemical setting. The current results indicate that S. loihica can perform in a microbial fuel cell between 10°C and 30°C, the intermediate temperatures (15-20-25°C) showed the most promising output. Further experiments are needed to strengthen these insights. Therefore, this chapter should be considered as a work in progress. One of the expansions of the microbial fuel cell is the plant microbial fuel cell. Here a plant is added to the system to provide a constant flow of nutrients to the exoelectrogens. These nutrients originate from photosynthesis, in other words, solar energy is converted into electrical energy. The similarity between this renewable energy form and photovoltaics is obvious, but a comparative study has not been performed so far. Chapter three functions as a bridge between these two research fields because although they have many things in common, there is almost no correspondence between them regarding underlying working principle and performance. The main question to be answered here is what the theoretical maximum power conversion efficiency of the plant microbial fuel cell is. This is calculated by researching the maximum efficiency of each step in the process and multiplying them. From this calculation the maximum power conversion efficiency of the plant microbial fuel cell is estimated at 0.92%, more than one order of magnitude lower than some emerging and classical photovoltaics (ca. 13-27%). This indicates that energy-wise the plant microbial fuel cell is incomparable to photovoltaics. Looking into the power densities published over the last 14 years, no clear rise or approach to the theoretical maximum is observed. However, there are some benefits which the plant microbial fuel cell has over photovoltaics such as aesthetics, price and simplicity and additional applications such as remediation and sensing. Chapter three functions as an extensive review on the plant microbial fuel cell and its added value to the world. As mentioned above, remediation is one of the main applications of microbial fuel cells, besides energy production. In chapter four we want to improve the remediation process by adding biochar. Biochar is the residue which is obtained after the pyrolysis of various waste streams. Depending on the input source and the pyrolysis temperature, the characteristics of biochar vary greatly. Here, we investigated three types of input material and four pyrolysis temperatures to evaluate how well they would perform in the remediation of pollutants. The chosen analytes were two pharmaceuticals (ibuprofen and diclofenac) and two pesticides (thiacloprid and pirimicarb). The biochars used in this manuscript were made of (class A and B) wood waste, coffee bean husks or date palm fibre. All biochars were evaluated by the standard characteristics for the environmental application: pH, conductivity, leaching, porosity, pore structure, moisture content, ash content and yield. After this assessment the best environmentally approved biochars (coffee bean husks and wood waste) were evaluated in regards of their adsorption capacities for the four pollutants. Both biochars were capable of removing pirimicarb, thiacloprid and ibuprofen. Only the wood waste biochar was able to remove the diclofenac. The remediation capacities of the biochar in combination with exoelectrogenic bacteria was tested next and showed that with the presence of a mixed bacterial culture, even more thiacloprid and ibuprofen could be removed. This research shows promising results towards the addition of biochar in microbial remediation. Finally the last chapter looks back at the research questions and whether an answer can be formed to them. Additionally, some projects for future research are introduced. For instance, the plant microbial fuel cell introduced in chapter 3 is further explored regarding its application in space. Another electrogenic bacteria, e.g., the cable bacteria is introduced in the microbial fuel cell and the possibility of using a sediment microbial fuel cell as a sensor in water quality monitoring is explored briefly.

Deze thesis is het resultaat van een verkennend doctoraatsproject dat focuste op microbiële elektrochemische technologieën en is een collaboratie tussen X-LAB en het Centrum voor Milieukunde aan de UHasselt. Het is een van de eerste doctoraatsthesissen aan de UHasselt die draait rond microbiële elektrochemische technologieën. Zoals de term zelf al weergeeft, is microbiële elektrochemie een interdisciplinair onderwerp dat biologie, chemie en fysica combineert. The onderzoeksveld ontstond als mogelijke oplossing voor de groeiende energiecrisis die de wereld momenteel trotseert. Deze thesis onderzoekt microbiële elektrochemie in de brede zin van de fundamentele aspecten tot de applicaties. De basis van microbiële elektrochemie zijn exo-elektrogene micro-organismen. Deze micro-organismen kunnen aan extracellulaire elektronentransfer doen. In contrast met de meeste andere organismen, heeft respiratoire elektronentransportketen geen nood aan zuurstof (of andere oplosbare elektronacceptoren) als de eindelektronacceptor. In plaats van zuurstof gaat de elektronentransportketen van deze micro-organismen doorheen het buitenste membraan naar de extracellulaire ruimte waar vaste stoffen uit de omgeving (bv. IJzeroxiden) gebruikt kunnen worden als eindelektronacceptor. Op deze manier worden elektronen over een veel grotere afstand verplaatst. Vanuit uit fysisch standpunt is het transport van elektronen gelijk aan een elektrische stroom. Hierdoor kunnen we de vaste elektronacceptoren vervangen door een elektrode en hiermee elektriciteit oogsten. Deze vorm van bio-elektriciteit word al enkele jaren onderzocht en microbiële elektrochemie blijft een interessante topic waar steeds nieuwe technologieën en applicaties uit voort komen. Deze thesis is gericht op het antwoorden van vragen uit verschillende aspecten binnen de wereld van microbiële elektrochemie en bestaat uit een enkele manuscripten voorafgegaan door een inleidend hoofdstuk en gevolgd door een hoofdstuk met enkele vooruitzichten en vervolgonderzoek. Het eerste hoofdstuk verklaart de motivatie en de context van dit doctoraatsproject. De huidige globale energiecrisis, hernieuwbare energievormen en de toekomst van hernieuwbare energy worden kort aangehaald. Een van de mogelijke toekomsten voor hernieuwbare energy is met bovenstaande exoelektrogene micro-organismen. Deze micro-organismen en het extracellulaire elektrontransportmechanisme worden in detail uitgelegd met een speciale focus op de twee model organismen Shewanella loihica en Geobacter sulfurreducens. Een van de volgende hoofdstukken focust op een familielid van de Shewanellaceae familie, de Shewanella loihica. Deze species wordt ook kort uitgelegd ter verduidelijking. Dit wordt gevolgd door een introductie van de microbiële elektrochemische technologieën en meer specifiek de microbiële brandstofcel: wat ze zijn en wat zijn de applicaties. Doorheen de jaren werd het duidelijk dat de microbiële brandstofcel (en zijn zuster technologieën) niet alleen nuttig zijn voor energie productie, maar ook voor andere doeleinden zoals sanering en sensoren. Het laatste deel van het eerste hoofdstuk gaat over de doelen van de thesis en onderzoeksvragen: 1. Wat is het effect van temperatuur op microbiële brandstofcellen? 2. In welke mate zijn plant microbiële brandstofcellen vergelijkbaar met fotovoltaïsche cellen? 3. Hoe kunnen we de saneringscapaciteit van microbiële elektrochemische technologieën vergroten met biochar? Temperatuur is een van de meest belangrijke parameters in onderzoek rond microbiële brandstofcellen omdat het de microbiële activiteit aantast en in tegenstelling tot andere omgevingsparameters kan temperatuur niet beïnvloed worden door de bacteriën zelf zoals dat bij pH het geval zou zijn. Naast het microbiële metabolisme beïnvloed de temperatuur ook de Gibbs vrije energie en daarmee ook een coulombische efficiëntie van de microbiële brandstofcel in zijn geheel. In bepaalde gevallen kan een hogere temperatuur voordelig zijn, maar in andere gevallen is een koelere temperatuur meer gewenst. In onderzoek wordt temperatuur vaak vastgezet op kamertemperatuur of hoger om de vaak gebruikte mesofiele bacteriën (bacteriën die het beste groeien op gemiddelde temperaturen, ong. 20-45°C). te accommoderen. Wanneer we deze technologie in het echte leven willen toepassen zal de omgevingstemperatuur echter vaak lager zijn. Dit kan verholpen worden door zogenaamde psychrofiele of psychrotolerante exoelektrogenen te gebruiken, deze kunnen lagere temperaturen weerstaan. In het tweede hoofdstuk wordt de psychrotolerante Shewanella loihica gebruikt als pure cultuur in microbiële brandstofcellen op verschillende temperaturen. De prestatie van S. loihica op verschillende temperaturen werd geëvalueerd door zijn elektrochemische prestatie, d.w.z. de stroomproductie en vermogens- en polarisatiecurve. Gezien S. loihica een van de weinige soorten is die zowel direct als gemedieerde extracellulaire elektrontransport kan, worden beide mechanismen ook onderzocht door middel van confocale laser scanning microscopie en fluorescentie spectroscopie. De elektrochemische prestatie wordt ook vergeleken met de groei van de species in een niet-bio-elektrochemische setting. The huidige resultaten geven aan dat S. loihica kan functioneren in microbiële brandstofcellen op een temperatuur tussen 10°C en 30°C. The tussenliggende temperaturen (15-20-25°C) tonen momenteel de meest veelbelovende resultaten. Verdere experimenten zijn nodig om deze resultaten te versterken. Dit hoofdstuk moet om die reden aanschouwen worden als een lopend onderzoek. Een van de uitbereidingen van de microbiële brandstofcel is de plant microbiële brandstofcel. In dit geval wordt een plant toegevoegd aan het systeem om een constante toevoer van nutriënten naar exo-elektrogene bacteriën te voorzien. Deze nutriënten komen voort uit fotosynthese, in andere woorden wordt zonneenergie omgezet tot elektrische energie. De gelijkenissen tussen deze hernieuwbare energievorm en fotovoltaïsche cellen is duidelijk, maar een vergelijkende studie is tot op heden nog niet uitgevoerd. In hoofdstuk drie gaan we deze twee onderzoeksvelden connecteren gezien beide velden veel gemeenschappelijk hebben, maar er zelden overspraak is tussen de twee op vlak van onderliggende werkingsmechanismen en prestaties. De hamvraag is wat de theoretische maximale efficiëntie is van de vermogensconversie van de plant microbiële brandstofcel. Dit wordt berekend door van elke stap in het proces de maximale efficiëntie te zoeken en deze te vermenigvuldiging. Uit deze berekening werd de maximale efficiëntie van de vermogensconversie geschat op 0.92%, meer dan een grootteorde kleiner dan de efficiëntie van enkele opkomende en gekende fotovoltaïsche cellen (ca. 13-27%). Dit impliceert dat energie-gewijs de plant microbiële brandstofcel niet te vergelijken is met fotovoltaïsche cellen. Als we de gepubliceerde vermogensdensiteit doorheen de laatste 14 jaar vergelijken, zien we geen duidelijke stijging of nadering van het theoretische maximum. Echter zijn er wel enkele voordelen verbonden aan de plant microbiële brandstofcel in vergelijking met zonnecellen zoals het uitzicht, de prijs, de simpelheid en bijkomende toepassingen zoals sanering en sensing. Hoofdstuk drie functioneert als een uitgebreide review van de plant microbiële brandstofcel en zijn toegevoegde waarde in de wereld. Zoals al eerder vermeld is sanering een van de hoofdtoepassingen van microbiële brandstofcellen naast energie productie. In hoofdstuk vier willen we dit proces verbeteren door biochar toe te voegen. Biochar is het residu dat verkregen wordt na pyrolyse van allerhande afvalstromen. Afhankelijk van de invoerbron en de pyrolyse temperatuur zijn de karakteristieken van biochar zeer gevarieerd. Hier onderzoeken we drie soorten toevoerbronnen en vier pyrolyse temperaturen en evalueren we de prestatie in de sanering van polluenten. De gekozen analyten zijn twee farmaceutica (ibuprofen en diclofenac) en twee pesticiden (thiacloprid en pirimicarb). De biochar die gebruikt werden in dit manuscript zijn gemaakt van (klasse A en B) afvalhout, koffieboonschillen en dadelpalmvezels. Alle biochars werden geëvalueerd door middel van de standaard karakteristieken voor omgevingstoepassingen: pH, geleidbaarheid, uitloging, porositeit, porie structuur, vochtgehalte, asgehalte en opbrengst. Hierna werden de biochars die omgevingsgewijs het beste presteerden (koffieboonschillen en afvalhout) getest op hun adsorptie capaciteiten voor de vier polluenten. Beide biochar konden zowel pirimicarb, thiacloprid en ibuprofen verwijderen. Enkel de biochar gemaakt van afvalhout kon ook diclofenac verwijderen. The sanering capaciteiten van biochars werden ook getest in combinatie met exo-elektrogene bacteriën en dit toonde aan dat in combinatie met een gemengde bacteriële cultuur nog meer thiacloprid en ibuprofen verwijderd kon worden. Dit onderzoek toont veelbelovende resultaten over de toegevoegde waarde van biochar in microbiële sanering. Het laatste hoofdstuk kijkt terug op de onderzoeksvragen en of er intussen een antwoord op gevormd kan worden. Ook worden hier enkele mogelijke toekomstige projecten geïntroduceerd. Zo word er bijvoorbeeld verder ingegaan op de plant microbiële brandstofcel en hoe deze gebruikt kan worden in de ruimte. Een andere elektrogene bacterie wordt geïntroduceerd, namelijk de kabelbacterie, in een microbiële brandstofcelcontext en de mogelijkheid om een sediment microbiële brandstofcel te gebruiken als sensor om de waterkwaliteit te monitoren wordt kort uitgelegd.