Rezultate

Activitatile de cercetare desfasurate in cadrul proiectului au fost legate de  investigarea nanocompozitelor pe bază de PANI cu diferiți nanoxizi metalici (TiO2, WO3, ZnO, NiO, Fe3O4, CuO, FeNiO) și PPY cu ​​nanooxizi (WO3 și TiO2) pentru modificarea anodului MFC, precum si impactul lor privind producerea de bioenergie si tratarea apelor uzate. Corelarea compoziției polimer/nano-oxid impreuna cu compoziția biofilmului anodic dezvoltat pe suprafata anodului modificat pot aduce noi cunostinte utile pentru dezvoltarea aplicatiilor practice ale MFC si sugera anumite tipuri de modificari ale anozilor MFC pentru imbunatatirea performantelor MFC. În cazul modificării anodului cu nanocompozite pe baza de PANI/ nanoxizi metalici, experimentele MFC, acestea au fost realizate atat la lumina cat si la întuneric. Astfel, experimentele la lumina au condus la cea mai buna performanta a MFC pentru modificarea anodului cu PANI/ZnO, iar pentru cele la intuneric performantele cele mai bune au fost obtinute pentru modificarea anodului cu PANI/WO3.  Rezultatele diferite, pe baza analizei comunitatilor microbiene la nivel de ape si biofilm anodic, au fost atribuite diversitatii microbiene diferite prezente in apa municipale initiale si care in timpul experimentelor la lumina a condus la  dezvoltarea  clasei Chlorobia, respectiv a genului Chlorobium la nivelul comunitatii bacteriene a anodului cat si in apele colectate dupa experimentele MFC.  Astfel, modificarea cu PANI/ZnO favorizeaza dezvoltarea biofilmului cu o abundenta crescuta a genului Chlorobium la nivelul comunitatii bacteriene, rezultatele fiind in concordanta si cu concentratiile de ADNtotal extrase din biofilmul depus pe  suprafata anodului care au fost mult mai mici pentru modificarea  PANI/WO3  (13.4 ng/µL) comparativ cu PANI/ZnO  (34.7 ng/µL). Prezenta genului Geobacter a fost identificata doar in cazul modificarii cu PANI/WO3, dar activitatea electrogena a acestuia, in experimentele la lumina,  a fost probabil inhibata de prezenta Chlorobium la nivelul comunitatii bacteriene a biofilmului.  Pentru testele efectuate la intuneric, prezenta alegelor verzi nu a fost detectata nici la nivel de ape si nici la nivelul comunitatii bacteriene a biofilmelor . In termeni de densitate maxima de putere obtinuta, rezultatele obtinute au aratat faptul ca modificarea anodului (CC) atat cu nanocompozite pe baza de PANI/nano-oxizi cat si cu cele cu  PPY/nano-oxizi conduc la o imbunatatire semnificativa a performantelor MFC comparativ cu cele ale anodului nemodificat (CC). In plus, din sumarizarea tuturor experiementelor efectuate la intuneric,  putem  concluziona ca prezenta nano-oxidul WO3 in materialele nanocompozite are un rol decisiv in imbunatatirea performantelor MFC,  atat in compozitia nanocompozitelor cu PANI cat si ale celor PPY, fiind  corelate cu efectul sinergetic al celor doua componente, al nano-oxizilor de WO3, care oferă materialelor nanocompozite o mai bună biocompatibilitate, cu cel al polimerilor semiconductori care contribuie la conductivitatea lor.  Densitatea maxima de putere obtinuta pentru modificarea cu PANI/WO3 (39.5 mW/m2) fiind de aproximativ 2.26 ori mai mare decat in cazul anodului nemodificat-CC (19.7mW/m2).   Corelarea performantei MFC cu compozitia comunitatii microbiene a biofilmului anodic,  a aratat faptul ca modificarea cu PANI/WO3 favorizeaza o abundență crescută genul Geobacter (22,2%), microorganismul recunoscut pentru activitatea exoelectrogenică deosebita, iar performanta mai scazuta a anodului modificat cu PANI-ZnO pentru experimentele derulate la intuneric pot fi asociata, cu o abundenta crescuta a genului Methanosaeta (32,5%), microorganisme capabile să efectueze metanogeneza si care conduce la o pierdere de electroni la metan, scăzând puterea de ieșire a MFC. In plus, s-a observat ca toate biofilmele anodice analizate au drept reprezentanți majori aceleași clase bacteriene, cu variații din punct de vedere al raportului dintre acestea si care depinde de materialul folosit pentru modificarea anodului, si care in functie de activitatea lor pot fii direct corelate cu performantele MFC,  asa cum s-a arata in discutiile de mai sus. In materie de alfa-diversitate, probele de apă reziduală au prezentat un număr de specii observate, precum și valorile distanțelor filogenetice Faith’s, în medie mai mici decât biofilmele de la nivelul anozilor corespunzători. Biofilmul de la nivelul anozilor de pânză carbonică (nemodificati) a prezentat un număr de specii observate scăzut față de toate celelalte probe, indicând faptul că modificările făcute la nivelul celorlalți anozi au un impact semnificativ asupra comunităților microbiene care se dezvoltă pe acestea si in consecinta asupra performantelor MFC. Rezultatele au aratat faptul ca compozitia comunitățile microbiene de la nivelul anozilor este dependenta, pe langa tipul de material nanocompozit utlizat pentru modificarea anodului, de diversitatea microbiană a apei reziduale inițiale si de conditiile de desfasurare a experimentelor (lumina/intuneric). Astfel probele de apă reziduală inițială (Etapa II) au prezentat cele mai abundente clase Gammaproteobacteria, respectiv Campylobacteria, clase ce se regăsesc frecvent în probe de apă municipală si care  scad semnificativ în probele anodice. La nivel de biofilm, probele, indiferent de proveniența acestora, au prezentat abundențe relative similare pentru clasa Bacteroidia, indicând faptul că procesul de îmbogățire ce a avut loc pe durata funcționării sistemelor MFC nu a avut un impact puternic asupra abundenței acestui taxon precum si o abundenta crescuta a clasei Desulfuromonadia, implicit a genului Geobacter, cu variatii ale abundentelor relative in functie de materialul utilizat pentru modificare. Iar pentru experimentele desfasurate la lumina s-a observat o abundenta crescuta a Chlorobium la nivelul comunitatii bacteriene, ceea ce a condus si la rezultate mai scazute in termeni de tratare a apelor. Pentru probele de apa (Etapa III) diversitatea taxonomică, a aratat ca apa reziduală inițială a fost compusă majoritar, la nivel de clase bacteriene, de Campylobacteria, Negativicutes, și Fusobacteriia, ale căror abundențe au scăzut în cazul biofilmelor. La fel ca in cazul experimentelor efectuate la lumina, in cazul celor efectuate la intuneric, la nivelul biofilmelor, toate probele au prezentat aceleași clase bacteriene majore, cu variații din punct de vedere al raportului dintre acestea care depinde de materialul folosit pentru modificarea anodului,  cu Methanosarcinia a fost cea mai abundentă clasă, urmată de Bacteroidia și Desulfuromonadia. Din rezultatele obtinute privind eficienta MFC in tratarea apelor municipale s-a evidențiat că eficiența de mineralizare a materiei organice (reflectată de diminuarea), degradarea materiei organice (CCO) si BOD crește în ordinea: pânză carbonică <PANI-ZnO<PANI< PANI-WO3 < PANI-TiO2, cu eficiente crescute atat pentru PANI-WO3 cat si pentru PANI-TiO2 de peste 90%. De menționat este și faptul că, degradarea microbiană care se produce în afara MFC, este nesemnificativă comparativ cu cea produsă în celulele de combustie microbiene (apă reziduală martor). Rezultatele legate de tratarea apelor municipale cu tehnologia MFC utilizând materiale nanocompozite studiate, arată reduceri semnificative ale principalelor caracteristici analizate (CBO, CCO si TOC), fiind asociate cu o abundenta crescuta a clasei bacteriene Bacteroidia (a doua ca abundenta in compozitia biofilmelor anodice), care este una dintre clasele dominante găsite în MFC si care contribuie atat la degradarea materiei organice cat si la imbunatatirea performantelor MFC.  In plus, achizitionarea microscopului de fluorescenta (Euromex Microscopen) in Etapa I a proiectului ne-a permis vizualizarea comunitățíi de microorganisme in situ prin microscopie de epifluorescență. Imaginile de microscopie de epifluorescență au evidențit faptul că celulele microbiene prezente în apa reziduală cu care s-au alimentat MFC-urile, se prezintă atât sub formă de agregate cât și libere cu capacitate de agregare și formarea de biofilm iar cele la nivel de biofilm anodic evidențiind faptul că celulele microbiene sunt atașate la întreaga suprafață, prezentand o  intensitate crescuta a fluorescenței în zonele cu mai multe straturi depuse.

Activitatile de cercetare desfasurate in acest proiect au aratat ca, corelarea proprietatilor/compozitiei materialului nanocompozit utilizat pentru modificarea anodului, impreuna cu analiza comunitatilor bacteriene la nivel de ape municipale si la nivel de biofilm anodic, pot aduce noi cunostinte pentru proiectarea experiementelor MFC, astfel incat acestea sa poate deveni o alternativa viabila pentru îndepărtarea eficientă a materiei organice din apele reziduale și a obtinerea de bioenergei.