Bacterie

## Bacteriën in een plant microbiële brandstofcel

De plant microbiële brandstofcel heeft twee elektroden, een anode en een kathode compartiment. In deze elektroden vinden redoxreacties plaats [1]. Planten produceren organische stoffen met behulp van fotosynthese. Een deel van de organische stoffen dat de planten hebben geproduceerd, komt terecht in de bodem. In de bodem en rond de wortels van de plant bevinden zich bacteriën. Bacteriën gebruiken organische stoffen uit de bodem als energie. Elektrochemisch actieve bacteriën zijn in staat om de organische stoffen in koolstofdioxide, protonen en elektronen te oxideren. Bacteriën in een plant microbiële brandstofcel kunnen een biofilm vormen op de anode en de elektronen aan de anode afgegeven. De elektronen kunnen van de anode naar de kathode verplaatsen, waardoor er een stroom gaat lopen. In de kathode wordt zuurstof gereduceerd tot water, door de protonen en elektronen [2][3].

De samenwerking tussen plant en bacterie is erg belangrijk in een plant microbiële brandstofcel. Welke bacteriën zich op de anode vormen, is vaak afhankelijk van de soort plant die gebruikt wordt. Er is daardoor niet duidelijk te zeggen welke bacterie zorgt voor de hoogste elektriciteitsopbrengst. [4][5].

## Concurrentie

De elektronenoverdracht van de bacteriën naar de anode kan op verschillende manieren plaatsvinden. Er kan gebruik gemaakt worden van directe en indirecte elektronenoverdracht. Bij directe elektronenoverdracht worden de elektronen via de pili of nanodraden overgebracht, er is dan een directe verbinding tussen de bacterie en anode. Bij indirecte elektronenoverdracht scheidt de bacterie een mediator af dat de elektronen kan overdragen [5].

Wanneer er zuurstof in de anode terecht komt, gaan er aerobe bacteriën op de anode groeien. Deze bacteriën nemen dan de plaats in van elektrochemisch actieve bacteriën waardoor er belemmering plaatsvindt van de elektronenoverdracht en de elektriciteitsopbrengst omlaag gaat. [6][7].In de plant microbiële brandstofcel zou dit dus eigenlijk voorkomen moeten worden. Planten geven naast organische stoffen, ook zuurstof af via hun wortels [8]. Het is dus lastig om de anode compleet zuurstofvrij te houden. Er wordt dan ook veel onderzoek gedaan naar het optimaliseren van deze zuurstofvrije anode in combinatie met de plant [9].

Als er veel alternatieve elektronenacceptoren in de bodem zijn, zouden de bacteriën de elektronen aan deze stoffen overdragen in plaats van aan de anode. Om er voor te zorgen dat de bacteriën de elektronen overdragen aan de anode moet er dus voorkomen worden dat er veel alternatieve elektronenacceptoren beschikbaar zijn [10] .

## Bacteriële gemeenschappen

### **Pure bacterieculturen**

In een plant microbiële brandstofcel op het laboratorium kunnen optimale omstandigheden gecreëerd worden. Het is dan mogelijk om één specifieke soort bacterie te laten groeien op de anode.

De bacteriën die tot nu toe het meest zijn onderzocht zijn voor de toepassing in plant microbiële brandstofcellen zijn bacteriën van de stammen *Proteobacteriën* en *Firmicutes*. Andere bacteriën die elektronen kunnen produceren zijn bacteriën afkomstig van de *Archaebacteriën*, *Acidobacteriën* en *Cyanobacteriën* [11].

Archaebacteriën zijn vaak goed bestand tegen extreme condities, deze bacteriën zouden in een plant microbiële brandstofcel kunnen worden toegepast die bijvoorbeeld in een omgeving met heel zout water of hoge temperaturen geplaatst wordt. De bacteriën van de archaebacteriën waar onderzoek naar is gedaan zijn de *Haloferax volcanii* en *Natrialba magadii* [11]. De *Haloferax volcanii* bacterie is bestand tegen zoutconcentraties van 1,8 – 3,5 M en groeit optimaal bij temperaturen van 45°C – 50°C [12]. *Haloferax volcanii* leverde een vermogensdichtheid van 118,7 – 510 mW/m­2 [13]. De *Natrialba magadii* bacterie is bestand tegen hoge pH waarden, temperaturen en zoutconcentraties [14]. *Natrialba magadii* leverde een vermogensdichtheid van 45,7 – 54 mW/m2­ [13]. De keuze voor *Haloferax volcanii* is van deze twee bacteriën het best, aangezien deze meer stroom genereert.

Van de acidobacteriën is alleen de bacterie *Geothrix fermentans* onderzocht. Deze bacterie produceert elektronenmediatoren waar de reductiereactie in de anode door verbeterd wordt.

[11]. Deze bacterie heeft een optimale groeitemperatuur van 35°C. Onder de 25°C wordt geen groei van de bacterie waargenomen. De bacterie produceert weinig stroom en heeft geen brede groeicondities wat de bacterie geen eerste keus maakt voor het gebruik in de plant microbiële brandstofcel [15].

Cyanobacteriën gebruiken zonlicht als energiebron. Omdat in een plant microbiële brandstofcel de bacteriën op de anode in de bodem groeien, komt er geen licht bij de bacteriën. Cyanobacteriën zijn daarom niet nuttig in de plant microbiële brandstofcel, maar kunnen wellicht nuttig zijn voor gewone microbiële brandstofcellen.

Van de firmicutes zijn de bacteriën *Clostridium butyricum, C. beijerinckii* en *Thermincola* onderzocht. De *Clostridium butyricum* en *C. beijerinckii* zijn anaerobe bacteriën met een brede pH en temperatuur tolerantie [11]. Dit zijn om deze redenen goed toepasbare bacteriën voor de plant microbiële brandstofcel. De *Thermincola* bacterie heeft een optimale temperatuur van 57-60°C en een optimale pH van 7-8 [16]. De temperaturen in een plant microbiële brandstofcel zullen niet snel oplopen tot 57°C, de *Thermincola* bacterie zou dus niet snel gekozen worden voor gebruik voor de cel.

Proteobacteriën worden onderverdeeld in alfa-, bèta-, gamma- en deltaproteobacteriën [11].

Alfaproteobacteriën zijn fototroof [11], wat ze onbruikbaar maakt voor de plant microbiële brandstofcel. De bacteriën hebben namelijk geen toegang tot zonlicht wanneer zij zich onder de bodem bevinden. Fototrofe bacteriën hebben dit zonlicht wel nodig om organische stoffen af te breken.

Van de betaproteobacteriën is alleen de bacterie *Rhodoferax ferrireducens* onderzocht. Deze bacterie produceerde een vermogensdichtheid van 12,9 mW/m2 [11]. De bacterie groeit bij een pH van 6.7-7.1 en een temperatuur van 4-30°C [17]. Deze bacterie zou een goede optie kunnen zijn om te gebruiken in de brandstofcel, aangezien hij goed tegen temperatuurschommelingen zou kunnen en een groeit bij een neutrale pH waarde.

Van de gammaproteobacteriën zijn de bacteriën *E. coli*, *Shewanella* en *Pseudomonas* onderzocht. De hoogste vermogensdichtheid dat *E. coli* heeft geproduceerd was 1304 mW/m2 . [11]. *E. coli* groeit bij temperaturen van 4-45°C [18]. *Shewanella putrefaciens* heeft een vermogensdichtheid van 1024 mW/m­2­ geproduceerd [11]. Deze bacterie groeit bij temperaturen van 4-37°C [19]. De bacteriën zouden vanwege hen groeitemperaturen geschikt zijn voor de plant microbiële brandstofcel.

Van de deltaproteobacteriën zijn de bacteriegeslachten *Geobacter* en *Geopsychrobacter* onderzocht. *G. sulfurreducens* produceerde een vermogensdichtheid van 1.88 W/m2 [11]. Deze bacterie heeft een groeitemperatuur van 26-30°C [20]. *G. metallireducens* produceerde een vermogensdichtheid van 26 mW/m­2 [11]. *G. metallireducens* groeit bij een temperatuur van 30°C. De *G. sulfurreducens* wordt het meest gebruikt in plant microbiële brandstofcellen. Dit is best wel logisch, aangezien deze het meeste energie oplevert van de besproken bacteriën. De keuze voor de *G. sulfurreducens* is voor de toepassing in Nederland minder logisch, aangezien de temperatuur waar hij in groeit niet vaak behaald wordt in Nederland. Dit zou alleen op een laboratorium gesimuleerd kunnen worden.’

### **Gemengde bacterieculturen**

Uit onderzoek blijkt dat plant microbiële brandstofcellen met verschillende bacteriesoorten een hogere elektriciteitsopbrengst genereren dan een pure bacteriecultuur [21]. In de praktijk komen er ook meer soorten bacteriën voor in de cel, wat het gemakkelijker toepasbaar maakt dan wanneer er voor gezorgd moet worden dat er maar één bacterie aanwezig is. De bacteriën in de plant microbiële brandstofcel moeten anaeroob zijn. Dit kunnen facultatieve of obligaat anaerobe bacteriën zijn. Facultatief anaerobe bacteriën kunnen groeien bij zowel zuurstofrijke als zuurstofarme omgevingen, obligaat anaerobe bacteriën kunnen alleen groeien bij zuurstofarme bacteriën. Bacteriën groeien over het algemeen het best bij een neutrale pH, maar zijn ook in staat om te groeien bij pH waarden van 5 tot 8 [22].
Daarnaast stoppen de bacteriën in de plant microbiële brandstofcel met groeien bij temperaturen lager dan 7°C [9].

## Afvalwaterzuivering met behulp van bacteriën

In afvalwater zijn veel verschillende stoffen aanwezig (link naar wiki water). Stoffen die voor kunnen komen zijn bijvoorbeeld fosfor en stikstof. In afvalwater komt stikstof voor in de vorm van ammonium en nitraat [23]. Anaerobe bacteriën zijn in staat om nitraat om te zetten in stikstofgas. Dit proces wordt denitrificatie genoemd [24]. Facultatief anaerobe bacteriën zijn ook in staat om nitraat om te zetten in stikstofgas, maar zij kunnen dit alleen in de afwezigheid van zuurstof [25]. De bacteriën in de plant microbiële brandstofcel zijn geacht facultatief- of strikt anaeroob te zijn. Deze bacteriën zijn in staat om nitraat om te zetten in stikstof. Omdat de bacteriën het nitraat kunnen gebruiken om om te zetten, zal nitraat niet schadelijk zijn voor de bacteriën in de plant microbiële brandstofcel. Wanneer het nitraat niet omgezet wordt, zal het in de grond of het afvalwater blijven zitten. Voor de energieproductie is het niet duidelijk welke invloed nitraat heeft op de brandstofcel, uit sommige onderzoeken is namelijk gebleken dat het toevoegen van nitraat aan de anode geen invloed heeft op de elektriciteitsproductie van de plant microbiële brandstofcel [26], terwijl in andere onderzoeken wel degelijk een verminderde elektriciteitsproductie te zien was na het toevoegen van nitraat [27]. Fosfor bevindt zich in afvalwater in de vorm van fosfaat [28]. Sommige bacteriën kunnen fosfaat opnemen, waardoor het uit het afvalwater gehaald wordt [29].

Zware metalen kunnen ook worden omgezet door bacteriën die aanwezig zijn in het afvalwater. Er bestaan diverse soorten metaal reducerende bacteriën. Sommige metalen kunnen door de bacteriën worden omgezet naar een vaste stof, waardoor de metalen gemakkelijker terug te winnen worden [30].

De stoffen die in afvalwater aanwezig zijn, zijn niet schadelijk voor de bacteriën. Sommige bacteriën gebruiken de stoffen juist. Als de stoffen niet gebruikt worden door de bacteriën, blijven deze in het afvalwater zitten. Een te veel aan zware metalen kan echter wel schadelijke effecten hebben op bacteriën, dus zullen de bacteriën bij sterk verontreinigd afvalwater nauwelijks in staat zijn om de organische stoffen om te zetten.

## Identificatie van elektrogene bacteriën

Identificatie van elektrochemisch actieve bacteriën kan op meerdere manieren worden gedaan. In verschillende onderzoeken wordt de identificatie naar bacteriën gedaan door middel van DNA sequentie-analyses. Bij deze vorm van identificatie wordt gekeken naar de volgorde van de nucleotiden [31]. FISH (Fluorescentie In Situ Hybridisatie) is een identificatietechniek die gebruikt wordt bij het identificeren van bacteriën waarbij een DNA fragment wordt gemarkeerd met een fluorescerende stof, waarna er kan worden gekeken of het DNA van de bacterie overeenkomt met het gekleurde fragment [32][33]. CLSM (confocale laser scanning microscopie) is een identificatietechniek waarbij reflectie, transmissie en fluorescentie kunnen worden toegepast. CLSM wordt ook in combinatie met FISH gebruikt [32][34].