微生物燃料電池

微生物燃料電池（MFC ）は、^バイオ電気化学燃料電池システムの一種であり^{、マイクロ}燃料電池とも呼ばれ、アノード上の還元化合物（燃料または電子供与体とも呼ばれる）の微生物による酸化によって生成された電子を、外部電気回路を介してカソード上の酸素などの酸化化合物（酸化剤または電子受容体とも呼ばれる）に迂回させることで電流を生成します。MFCは、細菌によって触媒される生化学反応から得られる電子を使用して電気を生成します。 ^{[ 2 ]} MFCは、媒介型と非媒介型の2つの一般的なカテゴリに分類できます。20世紀初頭に実証された最初のMFCは、細胞内の細菌からアノードに電子を伝達する化学物質である媒介物を使用していました。非媒介型MFCは1970年代に登場しました。このタイプのMFCでは、細菌は通常、外膜上にシトクロムなどの電気化学的に活性な酸化還元タンパク質を持っており、電子を直接アノードに伝達することができます。^{[ 3 ] [ 4 ]} 21世紀に入り、MFCは廃水処理において商業的に利用され始めた。^{[ 5 ]}

微生物を使って電気を作るというアイデアは、20世紀初頭に考案されました。マイケル・クレッセ・ポッターが1911年にこのテーマを始めました。 ^{[ 6 ]}ポッターはサッカロミセス・セレビシエから電気を生成することに成功しましたが、この研究はほとんど報道されませんでした。1931年、バーネット・コーエンは微生物ハーフ燃料電池を作り、それを直列に接続すると、わずか2ミリアンペアの電流で35ボルト以上の電圧を生成できました。^{[ 7 ]}

DelDuca らによる研究では、Clostridium butyricumによるグルコースの発酵によって生成された水素を水素空気燃料電池のアノードの反応物として使用した。この電池は機能したが、微生物による水素生成の不安定性のため信頼性に欠けていた。 ^{[ 8 ]}この問題は 1976 年に Suzuki らによって解決され、^{[ 9 ]}翌年には MFC の設計に成功した。^{[ 10 ]}

1970年代後半、微生物燃料電池の仕組みについてはほとんど理解されていませんでした。この概念はロビン・M・アレンによって研究され、後にH・ピーター・ベネットによって研究されました。人々は燃料電池を、発展途上国における発電の可能性のある方法として捉えていました。1980年代初頭に始まったベネットの研究は、燃料電池の動作原理の理解を深めるのに役立ち、彼はこの分野における第一人者と見なされるようになりました。

2007年5月、オーストラリアのクイーンズランド大学は、フォスターズ・ブリューイングとの共同作業として、MFCのプロトタイプを完成させた。このプロトタイプは10リットル設計で、醸造所の廃水を二酸化炭素、きれいな水、電気に変換した。このグループは、近々開催される国際バイオエネルギー会議に向けて、パイロットスケールモデルを作成する計画を立てていた。^{[ 11 ]}

微生物燃料電池 (MFC) は、微生物の作用によって化学エネルギーを電気エネルギーに変換する 装置です。^{[ 12 ]}これらの電気化学セルは、バイオアノードおよび/またはバイオカソードを使用して構築されます。ほとんどの MFC には、アノード (酸化が行われる場所) とカソード (還元が行われる場所) の区画を分離する膜が含まれています。酸化中に生成された電子は、電極またはレドックスメディエーター種に直接伝達されます。電子の流れはカソードに移動します。システムの電荷バランスは、通常はイオン膜を介してセル内のイオンの移動によって維持されます。ほとんどの MFC は、 CO ₂ 、プロトン、および電子を生成するために酸化される有機電子供与体を使用します。硫黄化合物や水素などの他の電子供与体も報告されています。^{[ 13 ]}カソード反応では、さまざまな電子受容体が使用されますが、最もよく使用されるのは酸素(O ₂ ) です。研究された他の電子受容体には、還元による金属回収^{[ 14 ]} 、水から水素への変換^{[ 15 ]} 、硝酸塩還元^{[ 16 ] [ 17 ]}、硫酸塩還元などがある。

微生物が好気性条件下で糖などの物質を消費すると、二酸化炭素と水が生成されます。しかし、酸素が存在しない場合、スクロースの場合に以下に説明するように、二酸化炭素、水素イオン、および電子が生成される可能性があります。^{[ 66 ]}

微生物燃料電池は、無機メディエーターを用いて細胞の電子伝達系に作用し、生成された電子を伝達する。メディエーターは細胞の外側の脂質膜と細菌の外膜を通過し、その後、通常は酸素や他の中間体によって取り込まれるはずの電子を電子伝達系から放出する。

還元されたメディエーターは電子を蓄えて細胞から出て、その電子を電極に伝達します。この電極が陽極となります。電子の放出によってメディエーターは元の酸化状態に戻り、再び同じプロセスが繰り返されます。これは嫌気性条件下でのみ起こり得ます。酸素が存在する場合は、酸素がより多くの自由エネルギーを放出するため、電子を回収してしまうからです。

特定の細菌は、細胞外電子伝達（EET）として総称される特殊な電子伝達経路を利用することで、無機メディエーターの使用を回避できる。EET経路により、微生物は細胞外で化合物を直接還元することができ、陽極との直接的な電気化学的コミュニケーションを可能にするために使用できる。^{[ 67 ]}

MFCの動作において、アノードは陽極室の細菌によって認識される最終電子受容体である。したがって、微生物の活性はアノードの酸化還元電位に大きく依存する。酢酸駆動型MFCのアノード電位と電力出力の間にはミカエリス・メンテン曲線が得られた。臨界アノード電位は最大電力出力をもたらすようである。^{[ 68 ]}

潜在的な媒介物質としては、天然赤色色素、メチレンブルー、チオニン、レゾルフィンなどが挙げられる。^{[ 69 ]}

電流を生成できる生物は、外生発電生物と呼ばれる。この電流を実用的な電力に変換するためには、外生発電生物を燃料電池内に収容する必要がある。

メディエーターと酵母などの微生物を溶液中で混合し、そこにグルコースなどの基質を加える。この混合物を密閉容器に入れ、酸素の侵入を防ぐことで、微生物に嫌気呼吸を行わせる。溶液中には陽極として機能する電極を設置する。

MFCの第2チャンバーには、別の溶液と正に帯電した陰極があります。これは、生体細胞の外部にある電子伝達系の末端にある酸素シンクに相当します。この溶液は、陰極で電子を受け取る酸化剤です。酵母細胞の電子伝達系と同様に、これは酸素などの様々な分子で構いませんが、より便利なのは、少量で済む固体酸化剤です。

2つの電極は、導線（またはその他の導電性経路）で接続されています。回路を完成させ、2つのチャンバーを接続するのは、塩橋またはイオン交換膜です。この最後の構造により、式1で説明されているように生成されたプロトンが、陽極チャンバーから陰極チャンバーへと移動することができます。

還元されたメディエーターは、セルから電極へ電子を運びます。ここで、メディエーターは電子を放出する際に酸化されます。これらの電子はワイヤーを通って第2の電極へと流れ、そこで電子シンクとして機能します。そこから電子は酸化剤へと移動します。また、水素イオン（プロトン）は、ナフィオンなどのプロトン交換膜を介して陽極から陰極へと移動します。水素イオンは濃度勾配の低い方へ移動し、酸素と結合しますが、そのためには電子が必要です。これにより電流が発生し、水素は濃度勾配を維持するために利用されます。

藻類バイオマスは、微生物燃料電池の基質として使用した場合、高いエネルギーを与えることが観察されている。^{[ 70 ]}

微生物燃料電池（MFC）は、微生物の代謝活動を電力生成と汚染物質分解の両方に利用できる独自の能力により、環境修復のための有望なツールとして登場しました。^{[ 71 ]} MFCは、環境修復のさまざまな分野で応用されています。主な用途の1つはバイオレメディエーションで、MFCのアノード上の電気活性微生物が有機汚染物質の分解に積極的に関与し、汚染物質除去のための持続可能で効率的な方法を提供します。さらに、MFCは、汚染物質の微生物分解によって電力を生成し、水質を向上させることで、廃水処理において重要な役割を果たしています。これらの燃料電池は現場で展開でき、汚染された場所で継続的かつ自律的な修復を可能にします。さらに、その汎用性は、堆積物から重金属や栄養素を除去できる堆積物微生物燃料電池（SMFC）にも及びます。^{[ 72 ]} MFCをセンサーと統合することで、困難な場所での遠隔環境モニタリングが可能になります。微生物燃料電池の環境浄化への応用は、汚染物質を再生可能エネルギー源に変換する可能性を秘めていると同時に、生態系の回復と保全に積極的に貢献する可能性を示している。

微生物燃料電池（MFC）は、持続可能で革新的な技術として大きな可能性を秘めていますが、課題がないわけではありません。大きな障害の1つは、MFCの性能の最適化にあります。これは、微生物の多様性、電極材料、リアクター設計などさまざまな要因により、依然として複雑な作業です。^{[ 73 ]}費用対効果が高く長持ちする電極材料の開発は、MFCの大規模な経済的実現可能性に直接影響するため、もう1つのハードルとなっています。さらに、MFCを実用的な用途にスケールアップするには、エンジニアリングとロジスティクスの課題があります。それにもかかわらず、微生物燃料電池技術の継続的な研究は、これらの障害に対処し続けています。科学者は、新しい電極材料を積極的に探索し、効率を向上させるために微生物群集を強化し、リアクター構成を最適化しています。さらに、合成生物学と遺伝子工学の進歩により、電子伝達能力が強化されたカスタム微生物を設計する可能性が開かれ、MFCの性能の限界を押し広げています。^{[ 74 ]}学際的な分野間の協力も、MFCのメカニズムのより深い理解と、廃水処理、環境修復、持続可能なエネルギー生産などの分野における潜在的な応用の拡大に貢献しています。

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• Rabaey, Korneel; Rodríguez, Jorge; Blackall, Linda L ; Keller, Jurg; Gross, Pamela; Batstone, Damien; Verstraete, Willy; Nealson, Kenneth H (2007). "微生物生態学と電気化学の出会い：電気駆動型コミュニティと駆動型コミュニティ" . The ISME Journal . 1 (1): 9– 18. Bibcode : 2007ISMEJ...1....9R . doi : 10.1038/ismej.2007.4 . PMID 18043609 . 
• Pant, Deepak; Van Bogaert, Gilbert; Diels, Ludo; Vanbroekhoven, Karolien (2010). "持続可能なエネルギー生産のための微生物燃料電池 (MFC) で使用される基質のレビュー". Bioresource Technology . 101 (6): 1533–43 . Bibcode : 2010BiTec.101.1533P . doi : 10.1016/j.biortech.2009.10.017 . PMID 19892549 . 

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