MYH’lerde Elektron Transferi

MYH’lerde elektrik üretimi için organik maddelerden serbest bırakılan elektronların elektrotlara transfer edilmesi önemli bir husustur. Birçok çevresel ortamda elektron alıcıların mikroorganizmalar tarafından kullanılabilirliği sınırlıdır, bu olay mikroorganizmaların solunum yollarının engellenmesi olarak gösterilir. Bu şekildeki çevre koşullarında fermantasyon organizmaları nadiren çoğalmaktadır. Fermantasyon; ayrışma ürünleri veya organik besinlerin (substratların) elektron verici ve aynı zamanda elektron

alıcı olarak görev yaptığı ve ATP’nin tekrar üretildiği metabolik bir prosesdir. Bu prosesin avantajı fermantasyon organizmaları, yalnızca solunum yollarını kullanan organizmaları desteklemeyen birçok ortamda gelişebilmeleridir. Çünkü uygun elektron alıcılar mevcut değildir. Fermantasyon enerji bakımından solunum sistemleri ile karşılaştırıldığında daha az verimlidir. Örneğin, glikozun anaerobik ayrışması sırasında 26-38 mol ATP oluşurken glikozun fermentasyonu sırasında yalnızca 1-4 mol ATP oluşmaktadır. Mikroorganizmalar elektronları transfer ederek enerji üreterek yaşamlarını sürdürür ve çoğalırlar. Üretilen elektronların anot elektrotuna transferi birkaç şekilde olabilmektedir. Pant vd. (2010) bir MYH’de gerçekleşebilecek muhtemel elektron transfer yöntemlerini basitleştirilmiş bir şekilde ifade etmişlerdir (Şekil 2.2).

Şekil 2.2. Muhtemel elektron transfer yöntemlerinin görüldüğü basitleştirilmiş çift bölmeli mikrobiyal yakıt hücresi: (1) Direk elektron transferi (Hücre dışı membran sitokromu yoluyla), (2) Mediyatörler vasıtasıyla elektron transferi, (3) Nano kablolar vasıtasıylaelektron transferi (Pant vd., 2010).

Solunum sırasında mikroorganizmalar düşük bir redoks potansiyelinde elektronca zengin olan bir besin maddesinden (substratdan) elektronları serbest bırakır ve bu elektronları birçok elektron transfer kompleksi vasıtasıyla son elektron alıcının indirgendiği hücre zarına (membranına) transfer ederler. Mikroorganizmalar elektronların akışı ile üretilen enerjiyi kullanamazlar. Elektronların akışı Mitchell tarafından tanımlandığı gibi membrandan karşı tarafa proton gradiyenti oluşturmak için kullanılmaktadır. Membran kompleksi (ATP sentezi) protonların iç kısma doğru akışı ile serbest bırakılan enerji taşıyıcı moleküller üretmek için kullanılır. Buna örnek olarak adenozin trifosfat (ATP) verilebilir. Proton gradiyenti oluşturularak elektron verici ve

elektron alıcı arasındaki potansiyel farklılık süreç içerisinde enerjinin üretimi için kullanılır. Mikroorganizmaların solunumunda farklı elektron alıcıların önemli bir kısmını kullanılabilir. Bunlar sırası ile oksijen, nitrat, manganez oksitler ve sülfattır. Bir MYH’nin anot bölmesinde üretilen elektronlar anot elektrotuna başlıca üç mekanizma ile aktarılır. Bunlar; direk elektron transferi, yapay mediyatörler ile elektron transferi ve mikroorganizmaların ürettiği mediyatörler ile elektron transferi şeklindedir (Şekil 2.2).

2.2.1 Direkt Elektron Transferi

MYH’lerde direk elektron transfer mekanizması organik maddenin oksitlenmesi ile açığa çıkan elektronların anot yüzeyine c-tipi sitokrom gibi taşıyıcı proteinler ile aktarılması şeklinde gerçekleşir. Shewanella, Geobacteraceae, Geobacter ve Rhodoferax gibi bakteriler organik maddeleri parçalaması sonucu elde ettikleri elektronları direk olarak elektrot yüzeyine aktarabilirler (Liu vd. 2010a). Bu bakteriler anodofiller olarak da bilinmekte ve anot yüzeyinde biyofilm oluşturarak elektronları anot elektrotuna aktarabilmektedirler.

Gorby vd. (2005) Geobacter ve Shewanella türü bakterilerde “nano tel” adını verdikleri iletken uzantıların varlığını tespit etmişlerdir. Reguera vd. (2005) ise Geobacter sufurreducens türü bakterilerin sahip olduğu iletken uzantıları keşfetmiş, fakat Shewanella onedensis türü bakterilerin uzantılarının Geobacter sufurreducens türü bakterilerin uzantılarından farklı olduğunu belirtmişlerdir. Geobacter sufurreducens bakterileri tarafından üretilen uzantılar daha ince ipliklere sahipken Shewanella onedensis bakterileri tarafından üretilenlerin birkaç iletken demet tel (kalın yapıda) şeklinde olduğu görülmüştür. Hücre membranı ile yapılan direk elektron transferi Shewanella spp. türlerinde görülürken pili aracılığı ile direk elektron transferi ise Geobacter spp. türlerinde görülmektedir. Pili ile yapılan elektron taşınımda yer alan proteinler diğer taşınımda yer alan proteinlerden farklılık göstermektedir. Hücre membranı ile yapılan elektron taşınımında mikroorganizma türleri anot elektrotu ile yüzeysel temas halinde iken, pili aracılığı ile yapılan elektron taşınımında bakterilerin anot elektrota direk temasları gerekmektedir. Çünkü pili yapısı uzundur, pilinin ucunun anot elektrotu ile temas etmesi yeterlidir. Pili aracılığı ile elektronu ileten bakterilerin daha çok elektrik enerjisi üretmelerinin nedeni, aynı anot elektrot yüzey alanına membranları aracılığı ile taşınım yapan bakterilerden daha fazla bakterinin elektronlarını iletebilmeleridir. Yani pili aracılığı

ile elektronlarını ileten bakteriler, anot yüzeyinde daha kalın bir biyofilm tabakası oluşturmaktadır (Reguera vd., 2006).

2.2.2 Yapay Mediyatörler ile Elektron Transferi

Yapay mediyatörler ile elektronların transfer mekanizması elektron taşınımı olarak da adlandırılmaktadır. Bu elektron taşıyıcılar genellikle hücre içerisindeki bir veya daha fazla elektron taşıyıcıdan elektronları alıp hücre membranlarından geçme yeteneğine sahiptirler. Mediyatörler hücreden indirgenmiş formda çıkarak elektronları elektrot yüzeyine iletirler (Lovley, 2006). Mediyatörler elektronları hücre metabolizmasından hücre dışına iletemeyen Escherichia coli, Pseudomonas, Proteus, ve Bacillus türleri gibi mikroorganizmalar için önemlidir (Davis vd., 2007). MYH’lerde güç üretimini arttırmak için yaygın olarak kullanılan elektron taşıyıcıları sıralayacak olursak thionine, benzylviologen, 2,6-dichlorophenolindophenol, 2-hydroxy-1,4-naphthoquinone, farklı fenazinler, fenotiyazinler, fenoksazinler, demir şelatlar, metilen mavisi ve nötral kırmızısıdır. Etkin bir elektron taşınımı sağlamak için mediyatörlerin aşağıdaki özelliklere sahip olmaları gereklidir (Du vd., 2007).

 Hücre zarından (membranından) kolaylıkla geçebilmeli,  Elektron transfer zincirinden elektronları alabilmeli,  Yüksek elektrot reaksiyon hızına sahip olabilmeli,  Anot sıvısı içerisinde yüksek çözünürlüğe sahip olmalı,  Biyolojik olarak ayrışmamalı,

 Mikroorganizmalar üzerinde toksik olmamalı,  Maliyeti düşük olmalıdır.

2.2.3 Mikrobiyal Ürünler ile Elektron Transferi

Bazı mikroorganizmaların hücre dışı elektron transferini sağlamak için kendi mediyatörlerini üretebildikleri bilinmektedir. Shewanella oneidensis bu mekanizmayı kullanabildiği ileri sürülen ilk bakteri türüdür (Park ve Zeikus, 2003). Ayrıca Geothrix fermentans (Newman ve Kolter, 2000) ve Pseudomonas türlerinin de elektron taşıyıcıları üretebilidiği bilinmektedir. Pseudomonas türleri elektronları anot elektroduna transfer eden “pyocyanin”i ürettikleri belirlenmiştir (Rabaey vd. 2005a).

2.2.4 Mediyatörlerle İlgili Yapılmış Çalışmalar

Rahimnejad vd. (2011b) MYH’de glikozu karbon kaynağı olarak kullanıp elektrik enerjisi üretmişlerdir. Elektrik üretimini arttırmak amacıyla metilen mavisini MYH’de elektron taşıyıcı olarak kullanmışlardır. Metilen mavisini (MB) 50, 100, 200, 300 ve 400 µM konsantrasyonlarında sisteme ilave etmişlerdir. MYH’den maksimum güç ve akım yoğunluğunun 300 µM konsantrasyonundaki metilen mavisi ilavesinde elde etmişlerdir. Çalışmada elektrot olarak grafit elektrot vembran olarak Nafion 117 proton değişim membranı kullanılmıştır. 300 µM metilen mavisi ilavesi ile 12,3 µW maksimum güç ve 232 µA maksimum akım üretilmiştir. Ayrıca maksimum açık devre voltajı 250 mV olarak ölçülmüş ve 36 saat boyunca sabit akım elde edilmiştir.

İki bölmeli MYH’de asetat, glikoz ve ksiloz’dan elektrik üretiminin araştırıldığı bir başka çalışma Thygesen vd. (2009) tarafından gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada medyatör olarak hümik asit kullanılmıştır. Medyatör kullanılmaksızın asetat ile maksimum voltaj (570 mV, 1000 Ω) ve maksimum güç yoğunluğu (123 mW/m2_{) elde edilmiştir. Glikoz için} güç yoğunluğu ise 28 mW/m2

ve voltaj 380 mV, ksiloz için güç yoğunluğu 32 mW/m2 ve voltaj 414 mV olarak kaydedilmiştir. Mediyatör olarak hümik asit kullanılması (2 g/L) durumunda güç yoğunluğu glikoz için %84 ve ksiloz için%30 artmıştır.

Ho vd. (2011) karbon kumaş, karbon kağıt ve karbon keçe elektrotlar ile yaptıkları çalışmada farklı medyatörlerin elektrik üretimi üzerindeki etkisini araştırmıştır. Karbon kumaş elektrot ile mikroorganizmadan elektrota elektron transferi iyi düzeyde gerçekleşmiştir. Karbon kağıt elektrot daha az pürüzlülüğe ve yüksek miktarda tortulu yüzeye sahip olduğundan ile daha düşük bir elektrik üretim performansı gözlenmiştir. Bu çalışmada 2-hydroxy-l,4-naphthoquinone ve thionin mediyatörü denenmiştir. Elektrot yüzeyine elektron transferi 2-hydroxy-l,4-naphthoquinone mediyatörünün kullanılmasına karşılık thionin mediyatörünün kullanılması ile daha fazla gerçekleşmiştir. Bunun sebebi 2- hydroxy-l,4-naphthoquinone mediyatörünün yüksek derecede çözünürlüğe sahip olması, stabilitesi ve elektrot yüzeyine adsorbe olma kapasitesinin düşük olması olarak gösterilmiştir.

Babanova vd. (2011) mikroorganizmalardan anot elektrotu yüzeyine elektron transferini hızalandırmak ve bu sayede üretilen elektrik miktarını arttırmak amacıyla çözünmüş elektron mediyatörlerini kullanmışlardır. Bu çalışmada her bir bölmenin efektif çalışma hacmi 13 ml olan çift bölmeli bir MYH kullanılmıştır. Anot ve katot bölmesini biri

birinden ayırmak için Nafion 117 proton değişim membranı kullanılmıştır. Metilen mavisi (MM), metil oranj (MO), bromokresol yeşili (BY), metil kırmızısı (MK) ve nötral kırmızısı (NK) mediyatörleri MYH sistemine ilave edilmiş ve elde edilen güç yoğunlukları sırası ile BY<NK<MK<MO<MM şeklinde gerçekleşmiştir. En yüksek güç yoğunluğunu 640 mW/m2 ile 0,8 mM metilen mavisi ilavesi ile elde etmişlerdir. Her bir mediyatör için optimum konsantrasyonu metil oranj için 0,3 mM, Metil kırmızısı için 0,6 mM, metilen mavisi için 0,8 mM, nötral kırmızı için 0,9 mM, bromokresol yeşili 0,6 mM olarak tespit edilmiştir.

Velasquez-Orta vd. (2010) çalışmalarında kullandıkları MYH’de Shewanella bakterisini kullanıp, flavin mediyatörünün optimum konsantrasyonunu ve elektrik üretimini araştırmışlardır. Çalışmada anot elektrotu olarak grafit elektrot ve proton değişim membranı olarak Nafion 117 kullanılmıştır. MYH’ye flavinlerin mikro molar konsantrasyonlarında ilavesi ile akım ve güç artışı olmuştur. 4,5-5,5 μM flavin konsantrasyonunda MYH’de üretilen maksimum akım miktarı 0,2–0,6 μM flavin konsantrasyonlarından dört kat daha fazla olmuştur. Yüksek flavin konsantrasyonlarında 150 mW/m2 lik güç üretimi elde edilmiştir.

Literatürde yapılmış olan medyatör çalışmalarında MYH’de hali hazırda kullanılan mediyatörlerin farklı konsantrasyonlarda ilavesi ile MYH’de üretilen güç miktarını ne şekilde etkilediği açık bir şekilde tespit edilmemiştir. Ayrıca farklı medyatör türü ve konsantrasyonların farklı elektrotlar ile kullanıldığında güç üretimini ve MYH iç direncinin nasıl etkilendiği tam olarak tespit edilmemiştir. Ayrıca literatürde medyatör ile yapılmış çalışmalarda sentetik atıksular kullanılmıştır, gerçek atıksular kullanılarak medyatörlerin etkisinin tespit edildiği çalışma mevcut değildir. Literatürde bu noktda ciddi açık bulunmaktarır. Bu amaçla yapılan tez çalışmasında gerçek atıksu beslemeli bir MYH’de farklı mediyatör türü ve konsantrasyonlarının farklı elektrotlar kullanıldığında MYH’de üretilen güç miktarına ne şekilde katkı yapacağı belirlenmiştir.