全球對於水資源的重視與日俱增，如何將廢污水用環保的方式再利用是永續經營的難題。微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell, MFC)可以將污水中的有機物等污染轉化為綠電，達到淨水又產能的雙重效果，被認為是一種新興的污水採礦技術。系統中的陰極性能對於整個系統的輸出功率與水質淨化扮演至關重要的角色。除了利用各種化學催化劑修陰極提高性能外，微生物被觀察到可以促進陰極氧氣還原、提高陰極輸出效能，同時也可以淨化水質。其作為一種低成本低二次污染的催化劑相較於化學催化劑更加利用潛力。然而這種生物催化陰極的放大化運行與驅動真實電子元件的應用可行性仍是未知，亟待證明。因此本研究開發了低成本的連續流無膜生物催化陰極MFC(圖一左)，評估生物催化陰極的MFCs在長期串聯放大下的廢水出流水質與系統發電量，並結合電化學交流阻抗分析(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)與次世代定序(Next Generation Sequencing, NGS)進行生物膜的電化學活性與微生物分析。此外，設計了一套電源管理系統(Power Management System, PMS)對MFC產生的電能進行能量收集。結果顯示，生物催化陰極MFCs能不受串聯放大時電極極化的影響，提供穩定的水質淨化效能。此外，前人對於生物陽極在串聯放大過程中觀察到電壓反轉對其的衝擊，本研究結果顯示在生物陰極中也會發生電壓反轉(圖一右上)。我們的研究結果進一步證實，操作大約一個月後，受到電極極化的生物陰極樣本(Biocathode_S1)的電壓可以自動恢復，相較於生物陽極的回復期長得多。對於從電壓反轉恢復的生物陰極樣本進行電化學交流阻抗分析，結果顯示由於電容效應，極化電阻顯著增加。串聯放大下的生物陰極系統亦成功為電源管理系統中的電容進行充電，進而驅動給小型傳感器。生物陰極的16S rRNA基因高通量測序的結果顯示Thiothrix (40.9%)被大量發現存在於具有電位回復功能的生物陰極樣本中(圖一右下)。總體而言，這些結果表明，生物陰極的微生物群落可能轉移成具有電容特性的生物膜組成，從而克服串聯連接過程中的電壓反轉衝擊。本研究證實了生物陰極系統放大的可行性，未來有必要進一步擴大基於生物陰極的MFC放大化的研究。（環工所于昌平教授提供）
圖一、連續流無膜生物催化陰極MFC串聯放大模組與試驗
