Utafiti unatathmini mikondo miwili tofauti ya maji taka magumu kutibiwa ndani ya seli moja ya mafuta ya mikrobia: maji taka ya mtiririko wa kurudi wa gesi ya shale (shale gas flowback wastewater, SGFW), yanayohusishwa na chumvi nyingi na uharibifu mdogo wa kibayolojia, pamoja na maji-chujio ya dampo lililozeeka (aged landfill leachate, ALL), yanayotambulishwa na amoniamu nyingi, uwiano mdogo wa kaboni/nitrojeni na uharibifu dhaifu wa kibayolojia. Maji taka mawili halisi yalichanganywa kwa ujazo sawa na kulinganishwa katika seli ya mafuta ya mikrobia ya vyumba viwili (microbial fuel cell, MFC) yenye miundo mitatu tofauti ya anodi.

Anodi zilizochunguzwa ni kitambaa cha kaboni kilichorekebishwa kwa NiCo₂O₄ (NCOC), kitambaa cha kaboni kilichofunikwa kwa nikeli-fosforasi (NPC), na kitambaa cha kaboni kisichorekebishwa (CC). Katika mifumo yote, kitambaa cha kaboni kilitumika kama katodi. Utendaji wenye nguvu zaidi wa uzalishaji wa umeme ulipatikana katika NPC-MFC: volteji ya juu zaidi ya pato ilipimwa kuwa 643,3 mV, msongamano wa juu zaidi wa nguvu 1412,9 mW/m², na ukinzani wa ndani unaoonekana 155 Ω. Katika maji taka hayo hayo mchanganyiko, NCOC-MFC ilionyesha volteji ya juu zaidi ya 398,2 mV, msongamano wa juu zaidi wa nguvu 196,2 mW/m² na ukinzani wa ndani unaoonekana 870 Ω; msongamano wa juu zaidi wa nguvu wa CC-MFC ulikuwa 526,8 mW/m².

Faida ya kielektrokemia ya anodi ya NPC iliyofunikwa kwa Ni–P haikuonekana tu katika mikunjo ya nguvu. Ukinzani wa uhamishaji chaji wa NPC ulipimwa kuwa 7,9 Ω, ilhali kwa CC isiyofunikwa uliripotiwa kuwa 75,7 Ω; msongamano wa mkondo wa kubadilishana wa NPC ulifikia 4,0×10⁻² mA/cm², takriban mara 26,7 ya thamani ya CC ya 1,5×10⁻³ mA/cm². Watafiti wanahusisha matokeo haya na uwezo wa kifuniko cha Ni–P kurahisisha uhamishaji wa elektroni nje ya seli kwenye kiolesura cha biofilamu–elektrodi.

Hata hivyo, anodi inayozalisha umeme mwingi zaidi si lazima iwe anodi inayoongeza zaidi uondoaji wa dutu ya kikaboni. Uondoaji wa chemical oxygen demand (COD) ulihesabiwa kuwa 1103,4±69,3 mg/L na %42,88 kwa NCOC-MFC, 931,9±34,6 mg/L na %36,21 kwa NPC-MFC, na 980,9±103,9 mg/L na %38,12 kwa CC-MFC. Kwa upande mwingine, ufanisi wa Coulomb katika NPC-MFC ulibaki juu kwa %38,0±1,4 kuliko thamani za NCOC-MFC za %15,6±1,0 na CC-MFC za %9,0±1,0. Matokeo yanaonyesha kwamba uondoaji wa dutu ya kikaboni na urejeshaji wa elektroni kuwa nishati ya umeme si kipimo kilekile cha utendaji.

Faida ya maji taka mchanganyiko pia hutegemea nyenzo ya elektrodi. Msongamano wa juu zaidi wa nguvu wa NPC-MFC ulipanda hadi 1412,9 mW/m² katika maji taka mchanganyiko, huku ukitolewa kama 383,4 mW/m² katika ALL pekee na 436,1 mW/m² katika SGFW. Kinyume chake, msongamano wa juu zaidi wa nguvu wa NCOC-MFC katika maji taka mchanganyiko ulikuwa 196,2 mW/m², chini ya 649,8 mW/m² katika SGFW na 502,9 mW/m² katika ALL. Kwa hiyo, utafiti hauungi mkono hitimisho kwamba “kuchanganya maji taka huboresha MFC zote”; athari ya matibabu ya pamoja hubadilika pamoja na kemia ya uso wa anodi, biofilamu na uhamishaji elektroni.

Katika uchambuzi wa biofilamu juu ya anodi ya NPC, zaidi ya mfuatano halali 30.000 wa 16S rRNA ulipatikana na fahirisi ya coverage ikaonekana kuwa juu ya 0,99. Kulingana na uainishaji wa kitaksonomia wa watafiti, wingi wa jumla wa phyla zinazohusishwa na vijiumbe hai elektroamilifu ni %97,4. Desulfobacterota iliripotiwa kuwa phylum inayotawala zaidi kwa %57,4, Desulfuromonadia darasa linalotawala zaidi kwa %57,14, na Desulfuromonas jenasi inayotawala zaidi kwa %47,13. Katika picha za SEM, iliripotiwa kuwa uso wa NPC umefunikwa na biofilamu nzito na endelevu, na vijiumbe hai vyenye umbo la fimbo vilipanga nafasi zao kando ya nyuzi za kaboni.

Utafiti unatokana na MFC za vyumba viwili vya 500 mL katika kiwango cha maabara. Hakujaribiwa mtambo wa matibabu wa majaribio au wa kiwango kamili, uendeshaji endelevu wa muda mrefu kwa kulisha mfululizo, mizania ya nishati, gharama ya uwekezaji, mzunguko wa maisha wa kifuniko cha nikeli/fosforasi, wala upanuzi wa kiwango katika mazingira halisi ya uwanja. Kwa hiyo, msongamano wa nguvu wa 1412,9 mW/m² au uondoaji wa COD ulioripotiwa haupaswi kutafsiriwa kama thamani ya moja kwa moja ya utendaji wa mtambo wa matibabu wa viwandani.

Kwa mtazamo wa Türkiye, mkabala huu ni mbinu ya kibioelektrokemia inayostahili kuchunguzwa kwa ajili ya matibabu ya pamoja ya maji taka ya viwandani yenye chumvi nyingi na maji-chujio ya dampo, pamoja na urejeshaji wa kiasi fulani cha nishati ya umeme katika mchakato huo huo. Hata hivyo, utafiti unatumia mikondo miwili halisi ya maji taka kutoka China. Kwa kuwa muundo wa maji-chujio ya madampo nchini Türkiyedeki, profaili za chumvi na metali nzito za maji taka ya viwandani, joto, kanuni, mzigo wa kihidroliki na mahitaji ya matibabu ya awali yanaweza kuwa tofauti, thamani za utendaji haziwezi kuhamishwa moja kwa moja bila uainishaji wa maji taka wa ndani na uthibitishaji wa kiwango cha majaribio.

Tatizo kuu la utafiti ni nini?

Maji ya kurudi yanayotokea baada ya hydraulic fracturing katika uzalishaji wa gesi ya shale yanahusishwa na chumvi nyingi, uharibifu mdogo wa kibayolojia na uthabiti wa kikemia kwa sababu ya chumvi za tabaka na viambajengo vinavyoyeyuka kutoka kwenye hifadhi. Maji-chujio ya dampo lililozeeka ni maji taka changamano yanayotokea katika madampo yaliyoendeshwa kwa muda mrefu, na yanaweza kuonyesha sifa kama kaboni ya kikaboni inayovunjika kwa urahisi kwa kiwango cha chini, amoniamu nyingi na uwiano usio sawia wa kaboni/nitrojeni.

Dhana ya watafiti ni kwamba kuunganisha maji taka haya mawili magumu kwa uwiano fulani kunaweza kusawazisha kwa sehemu baadhi ya sifa za kuzuia za yote mawili. Kupunguza kwa dilution chumvi nyingi sana ya SGFW, kupunguza viwango vya viambajengo sumu au vizuizi katika mikondo miwili, na mchango wa viambajengo tofauti vya virutubisho vya ALL katika metaboli ya mikrobia vinapendekezwa kama mifumo inayowezekana ya sinergia.

Hata hivyo, hili si tatizo linalotegemea tu muundo wa maji taka. Katika seli ya mafuta ya mikrobia, elektroni zinazotolewa kutoka kwa dutu ya kikaboni lazima zihamishiwe kwenye elektrodi; kwa hiyo, ulinganifu wa uso wa anodi na vijiumbe hai na uwezo wake kuruhusu extracellular electron transfer (extracellular electron transfer, EET) ni mojawapo ya vikwazo msingi vya utendaji. Kwa sababu hiyo, utafiti ulichunguza mchanganyiko wa maji taka pamoja na marekebisho mawili tofauti ya anodi yanayotegemea nikeli.

Maji taka yalichukuliwa kutoka wapi?

Maji-chujio ya dampo lililozeeka yalichukuliwa kutoka dampo la Changshengqiao huko Chongqing; maji taka ya mtiririko wa kurudi wa gesi ya shale yalichukuliwa kutoka tanki la kuchanganyia la kituo cha matibabu cha uwanja wa gesi ya shale wa Xing'ao katika eneo la Nanchuan, Chongqing. Sampuli zilihifadhiwa katika hali ya baridi kabla ya majaribio.

Maji taka mchanganyiko yaliandaliwa kwa kuunganisha ujazo sawa wa SGFW na ALL.

Ingawa chanzo kinatoa thamani ya COD na pH kwa “maji taka mchanganyiko yaliyoongezewa virutubisho”, hakielezi katika maandishi haya makuu muundo wa kikemia na kiasi cha virutubisho vilivyoongezwa. Vivyo hivyo, ingawa chumvi ni kigezo muhimu katika dhana ya kuchanganya, Jedwali 1 haitoi thamani ya nambari ya conductivity au chumvi, mkusanyiko wa amoniamu, kiasi cha sulfate wala viwango vya metali nzito. Kwa hiyo, kwa kutumia chanzo hiki pekee haiwezekani kuhesabu kwa uwiano gani wa kiasi mchanganyiko ulipunguza viambajengo vizuizi kikemia.

Anodi ya NCOC iliyofunikwa kwa NiCo₂O₄ iliandaliwa vipi?

Eneo tendaji la vitambaa vyote vya kaboni ni 6 cm². Kwa elektroliti ya NiCo₂O₄, 1 mmol Ni(NO₃)₂·6H₂O na 2 mmol Co(NO₃)₂·6H₂O ziliyeyushwa katika 100 mL ya maji yaliyotolewa ioni.

Electrodeposition ilifanywa katika mpangilio wa elektrodi tatu. Kitambaa cha kaboni kilichofanyiwa matibabu ya awali kilitumika kama elektrodi ya kazi, Ag/AgCl kama elektrodi rejea na Pt kama elektrodi pinzani. Msongamano wa mkondo thabiti wa −3 mA/cm² ulitumika kwa sekunde 900. Baada ya elektrodi kuoshwa na kukaushwa, ilipashwa hadi 300 °C kwa kasi ya kuongeza joto ya 1 °C/dakika na kukalsiniwa kwa saa 2 katika tanuri ya mufla. Kitambaa cha kaboni kilichorekebishwa kwa NiCo₂O₄ kilichopatikana kiliitwa NCOC.

Anodi ya NPC iliyofunikwa kwa Ni–P iliandaliwa vipi?

Kwa elektroliti ya Ni–P, 0,7 mmol NaH₂PO₂·H₂O, 0,2 mmol C₆H₅Na₃O₇·2H₂O na 1,75 mmol NiSO₄·6H₂O ziliyeyushwa katika 100 mL ya maji yaliyotolewa ioni.

Kifuniko cha Ni–P kilifanywa kwa electrodeposition inayotegemea voltametria ya mzunguko. Masafa ya potenshali yalitolewa kama −1,0–0 V, kasi ya skani 20 mV/s na idadi ya mizunguko miwili. Baada ya kuosha na kukausha, kitambaa cha kaboni kilichofunikwa kwa Ni–P kiliitwa NPC.

Seli za mafuta za mikrobia ziliundwaje?

Kila mfumo ni seli ya mafuta ya mikrobia ya H-aina yenye vyumba viwili vya kawaida, na ujazo wa kila chumba ni 500 mL. Vyumba vya anodi na katodi vilitenganishwa na membrani ya kubadilisha protoni ya DuPont Nafion 117. Nyuzi za titani zilitumika katika muunganisho wa umeme; katika mifumo yote, kitambaa cha kaboni kisichorekebishwa kilichaguliwa kama elektrodi ya katodi.

Mifumo mitatu ya majaribio ilikuwa kama ifuatavyo:

• NCOC-MFC: anodi ya kitambaa cha kaboni kilichofunikwa kwa NiCo₂O₄ + katodi ya kitambaa cha kaboni.
• NPC-MFC: anodi ya kitambaa cha kaboni kilichofunikwa kwa Ni–P + katodi ya kitambaa cha kaboni.
• CC-MFC: anodi ya kitambaa cha kaboni kisichofunikwa + katodi ya kitambaa cha kaboni.

Hatua za matibabu ya awali ya membrani ya kubadilisha protoni na ukuzaji wa tamaduni za mikrobia hazikurudiwa kwa kina katika utafiti huu, bali zilielekezwa kwenye kazi iliyochapishwa awali ya watafiti. Hii ni upungufu wa maelezo ya mbinu kwa upande wa uwezekano wa kuunda upya jaribio kikamilifu kwa kutumia maandishi makuu yaliyochunguzwa pekee.

Uzalishaji wa umeme ulipimwaje?

Volteji ya pato ilirekodiwa mfululizo chini ya ukinzani wa nje thabiti wa 1000 Ω. Msongamano wa mkondo na msongamano wa nguvu vilihesabiwa kwa kuzingatia eneo tendaji la anodi:

\[ I_v=\frac{U}{S R} \]

\[ P_v=\frac{U^2}{S R} \]

Hapa \(U\) inawakilisha volteji, \(S\) eneo tendaji la anodi, na \(R\) ukinzani wa nje.

NPC-MFC ilionyesha tabia gani katika uzalishaji wa volteji?

NPC-MFC ilifikia volteji ya juu zaidi ya pato ya 643,3 mV. Muda wa kufikia volteji ya juu zaidi ulitolewa kuwa siku 4,8 pekee. Katika ulinganisho, NCOC-MFC ilifikia kiwango chake cha juu ndani ya siku 25,1, na CC-MFC ndani ya siku 22,1.

Volteji ya juu zaidi ya NCOC-MFC ilibaki 398,2 mV, huku CC-MFC ikionyesha kilele cha 614,7 mV na kisha volteji yake ikapungua hatua kwa hatua. Mfumo wa NPC uliendeshwa kwa suluhisho lilelile la mmenyuko hadi siku ya 60. Kwa kuwa katika sehemu ya hitimisho thamani ya “steady-state operation time” ya NPC imetolewa pia kuwa siku 30, muda wa jumla wa uendeshaji wa siku 60 na muda wa uendeshaji thabiti wa siku 30 havipaswi kuchukuliwa kama dhana moja.

Tofauti kubwa zaidi katika msongamano wa nguvu ni ipi?

Katika hali ya maji taka mchanganyiko, msongamano wa juu zaidi wa nguvu wa NPC-MFC ni 1412,9 mW/m². Thamani hiyo hiyo ni 196,2 mW/m² kwa NCOC-MFC na 526,8 mW/m² kwa CC-MFC. Watafiti wanaripoti thamani ya NPC kuwa takriban mara 7,2 ya NCOC na takriban mara 2,7 ya CC.

Volteji za mzunguko wazi ziko karibu zaidi: NPC-MFC 739,7 mV, NCOC-MFC 722,2 mV na CC-MFC 726,8 mV. Hii inaonyesha kuwa tofauti kubwa katika msongamano wa juu zaidi wa nguvu haiwezi kuelezwa na volteji ya mzunguko wazi pekee; polarizesheni ndani ya mfumo na ukinzani wa uhamishaji elektroni ni muhimu.

Matokeo ya ukinzani wa ndani unaoonekana yalionyesha nini?

Ukinzani wa ndani unaoonekana wa 155 Ω wa NPC-MFC ndio thamani ya chini zaidi kati ya mifumo mitatu. Ukiangaliwa pamoja na grafu za msongamano wa nguvu/polarizesheni, matokeo haya yanaashiria kuwa hasara za jumla zinazozuia mtiririko wa elektroni katika mfumo wenye anodi ya NPC ni ndogo zaidi.

Uchambuzi wa EIS ulionyesha nini kuhusu kiolesura cha anodi–biofilamu?

Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) ilifanywa katika masafa ya 0,01 Hz–100 kHz na amplitude ya 5 mV, na data ililinganishwa kwa kutumia ZView kupitia saketi sawa.

Ukinzani wa ohmiki uko karibu kwa elektrodi tatu: NCOC 2,7 Ω, NPC 2,4 Ω na CC 3,0 Ω. Kwa upande mwingine, tofauti kubwa inaonekana katika ukinzani wa uhamishaji chaji. Kwa NPC iliripotiwa 7,9 Ω, na kwa CC 75,7 Ω. Ukinzani wa uhamishaji chaji wa NCOC katika maji taka mchanganyiko ulitolewa kuwa 129,4 Ω.

Katika grafu ya Nyquist ya CC isiyofunikwa, michakato miwili ya kulegea inayofanana na nusu duara inaonekana, ilhali kipengele hicho si dhahiri katika NPC na NCOC. Watafiti wanahusisha sehemu ya masafa ya juu katika CC na uhamishaji chaji wa elektrodi–biofilamu, na sehemu ya masafa ya kati/chini na mwendo wa ioni ndani ya biofilamu, kapasitansi iliyosambazwa na uhamishaji wa massa.

Nusu duara ndogo katika NPC imetafsiriwa kuwa uhamishaji chaji wa kasi zaidi. Ukinzani mkubwa katika NCOC unaelezwa kwa mifumo inayowezekana kama kufunikwa kwa sehemu kwa uso na chembe za kikaboni/isokaboni ndani ya maji taka mchanganyiko na uwezekano wa kutokea kwa mashapo ya hidroksidi/karbonati za metali katika hali dhaifu ya alkali. Hizi ni tafsiri za kimfumo za watafiti; kiasi cha mashapo hakikutolewa ndani ya utafiti huu kwa uchambuzi tofauti wa kiasi cha massa ya uso.

Je, uchambuzi wa Tafel unaunga mkono faida ya anodi ya Ni–P?

Msongamano wa mkondo wa kubadilishana wa NPC ni takriban mara 26,7 ya CC. Watafiti wanatafsiri hili kama kiashiria cha kiolesura kinachofaa zaidi kwa uhamishaji elektroni kati ya biofilamu na elektrodi, pamoja na shughuli ya juu zaidi ya bioelektrokatalitiki.

Je, uzalishaji bora wa umeme maana yake ni uondoaji bora wa COD?

Hapana. Mojawapo ya hoja muhimu za matokeo ni kwamba urejeshaji wa nishati na uondoaji wa dutu ya kikaboni havipangwi kwa mwelekeo mmoja.

NCOC-MFC ndiyo mfumo uliozalisha msongamano wa juu zaidi wa nguvu ulio chini zaidi, ingawa ulitoa uondoaji wa COD ulio juu zaidi. Watafiti wanapendekeza kuwa uso wa NCOC ulio na ukwaruzo zaidi unaweza kutoa maeneo mengi zaidi ya kushikamana kwa vijiumbe hai tofauti vinavyobadilisha dutu ya kikaboni.

NPC-MFC, kwa upande mwingine, ilionyesha ufanisi wa Coulomb ulio juu sana licha ya uondoaji mdogo zaidi wa COD. Ufanisi wa Coulomb unaonyesha ni kiasi gani cha elektroni zinazoweza kutolewa kinadharia kutoka kwa dutu ya kikaboni iliyotumiwa kimegeuzwa kuwa chaji ya umeme inayoweza kupimwa katika mzunguko wa nje. Kwa hiyo, kuelekezwa kwa sehemu kubwa zaidi ya mzigo wa kikaboni uliotumiwa kwenye uzalishaji wa umeme katika NPC kunachukuliwa na utafiti kama mojawapo ya faida kuu.

Je, kuchanganya maji taka kweli kuliunda sinergia?

Jibu la matokeo linaweza kutolewa tu kwa kutaja nyenzo ya anodi.

Kwa upande wa NPC, maji taka mchanganyiko yalionyesha athari chanya yenye nguvu. Msongamano wa juu zaidi wa nguvu uliongezeka takriban mara 3,7 ikilinganishwa na ALL na takriban mara 3,2 ikilinganishwa na SGFW. Ukinzani wa ndani pia ulipungua kutoka thamani za 583,3 na 396,7 Ω katika maji taka ya pekee hadi 155 Ω katika mfumo mchanganyiko.

Kwa CC isiyofunikwa, maji taka mchanganyiko yaliinua msongamano wa juu zaidi wa nguvu kutoka 55,7 hadi 526,8 mW/m² ikilinganishwa na SGFW; watafiti walieleza hili kama ongezeko la takriban mara 9,5. Hata hivyo, ufanisi wa Coulomb wa CC katika mfumo mchanganyiko haukuzidi thamani ya %15,1 katika ALL na ulibaki %9,0.

Kwa NCOC, matokeo yako kinyume. Katika maji taka mchanganyiko, uondoaji wa COD uliongezeka hadi 1103,4±69,3 mg/L, ilhali msongamano wa juu zaidi wa nguvu ulipungua hadi 196,2 mW/m². Kwa hiyo, uwezo wa NCOC kubadilisha dutu ya kikaboni katika mazingira mchanganyiko haukuakisiwa kwa kiwango kilekile katika uzalishaji wa umeme.

Kwa hiyo, matokeo ya “sinergia” ya utafiti yanapaswa kusomwa si kama kuboreka kwa wakati mmoja kwa vipimo vyote vya utendaji, bali kama faida ya matibabu ya pamoja inayotegemea elektrodi.

Biofilamu juu ya NPC inaonyesha nini?

Baada ya utafiti, anodi ya NPC ilichunguzwa kwa scanning electron microscopy. Katika picha za SEM, iliripotiwa kuwa uso ulikuwa umefunikwa na biofilamu nzito na kompakt, maeneo yaliyobaki wazi yalikuwa machache, na mkusanyiko wa chembe ngumu ulionekana kuwa mdogo.

Katika ukuzaji mkubwa zaidi, vijiumbe hai vingi vyenye umbo la fimbo vilionekana vikiwa vimeunganishwa kando ya nyuzi za kaboni. Watafiti wanatafsiri kuwa uso wenye ukwaruzo zaidi ulioundwa na kifuniko cha Ni–P uliunga mkono kushikamana kwa mikrobia na kuchangia matumizi bora ya maeneo elektroamilifu na biofilamu.

Jamii ya mikrobia ilichambuliwa vipi?

Jamii ya biofilamu ilichunguzwa kwa high-throughput sequencing kwenye jukwaa la Illumina MiSeq PE300. Primers 338F na 806R zilitumika katika ukuzaji wa eneo la bakteria la 16S rRNA.

Zaidi ya sekansi halali 30.000 zilipatikana kutoka sampuli ya anodi ya NPC, na fahirisi ya coverage iliripotiwa kuwa juu ya 0,99.

Ni vijiumbe hai gani vinatawala katika kiwango cha phylum?

Watafiti walihesabu wingi wa jumla wa phyla walizozihusisha na vijiumbe hai elektroamilifu kuwa %97,4. Thamani hii ya %97,4 inategemea uainishaji wa wingi wa kitaksonomia katika data ya sequencing kwa kutumia maarifa ya kifasihi kuhusu kazi; si kipimo cha moja kwa moja cha kielektrokemia cha shughuli ya uhamishaji elektroni ya kila seli moja moja.

Jamii inayotawala katika kiwango cha darasa na jenasi ni ipi?

Katika kiwango cha darasa, Desulfuromonadia inatawala kwa %57,14. Gammaproteobacteria imetolewa kama %17,02, Clostridia %8,58, Bacteroidia %8,23 na Bacilli %5,48.

Katika kiwango cha jenasi, kundi linalotawala zaidi ni Desulfuromonas %47,13. Linafuatiwa na Marinospirillum %8,58, Geoalkalibacter %6,86, Alkalibacter %5,29 na Acholeplasma %5,05.

Watafiti wanahusisha uwezo wa Desulfuromonas wa uhamishaji elektroni nje ya seli na uzalishaji mkubwa wa umeme wa NPC-MFC. Sifa za halofili au ustahimilivu wa chumvi za Marinospirillum zinatafsiriwa kama uteuzi wa jamii unaoendana na mazingira ya chumvi nyingi ya SGFW.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

• Katika maji taka mchanganyiko yaliyochunguzwa, anodi ya NPC iliyofunikwa kwa Ni–P ilizalisha msongamano wa juu zaidi wa nguvu kuliko NCOC na CC isiyofunikwa.
• Msongamano wa juu zaidi wa nguvu wa NPC-MFC ni 1412,9 mW/m² na volteji ya juu zaidi ya pato ni 643,3 mV.
• Ukinzani wa ndani unaoonekana wa NPC-MFC ni 155 Ω, thamani ya chini zaidi kati ya mifumo mitatu ya maji taka mchanganyiko.
• Ukinzani wa uhamishaji chaji wa anodi ya NPC ulipimwa kuwa 7,9 Ω na msongamano wa mkondo wa kubadilishana 4,0×10⁻² mA/cm².
• Ufanisi wa Coulomb wa NPC ni %38,0±1,4, juu kuliko MFC nyingine mbili za maji taka mchanganyiko zilizolinganishwa.
• NCOC-MFC ilionyesha kiasi cha juu zaidi cha uondoaji wa COD kati ya mifumo mitatu ya maji taka mchanganyiko kwa 1103,4±69,3 mg/L.
• Athari ya kuunganisha maji taka ilibadilika kulingana na nyenzo ya anodi; hakuna uboreshaji wa jumla katika vipimo vyote ulioonekana.
• Katika biofilamu ya NPC, Desulfobacterota, Desulfuromonadia na Desulfuromonas zilionyesha wingi wa jamaa wa juu.

Matokeo ambayo utafiti hauungi mkono

• Matokeo ya maabara hayathibitishi kuwa utendaji uleule utapatikana katika mtambo wa matibabu ya maji taka wa kiwango kamili.
• Msongamano wa nguvu wa 1412,9 mW/m² haumaanishi uzalishaji halisi wa umeme wa mtambo au ziada ya nishati.
• Mizania halisi ya nishati haikuhesabiwa pamoja na matumizi ya nishati ya pampu, kuchanganya, kutengeneza elektrodi na mifumo mingine saidizi.
• Upotevu wa muda mrefu wa nyenzo ya elektrodi ya Ni–P, utoaji wa nikeli au uimara wa mizunguko ya muda mrefu sana haujatathminiwa.
• Haijaonyeshwa kuwa mchanganyiko wa maji taka utaunda sinergia ileile katika miundo yote ya SGFW na ALL.
• Kwa kuwa chanzo hakitoi kikamilifu profaili za nambari za chumvi, amoniamu na metali nzito, hatua zote za kikemia za utaratibu uliopendekezwa wa dilution hazijathibitishwa kwa kiasi.
• Wingi wa kitaksonomia wa %97,4 si kipimo cha kazi cha seli moja kinachoonyesha kwamba seli hizi zote zinazalisha umeme kwa wakati mmoja.
• Uwezekano wa kiuchumi, kiwango cha majaribio na matumizi halisi ya uwanja hayajathibitishwa katika utafiti huu.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Vigezo msingi vya mfumo wa majaribio

Vigezo vya maandalizi ya elektrodi

Matokeo msingi ya kielektro-umeme katika maji taka mchanganyiko

Biashara kati ya uzalishaji wa umeme na uondoaji wa kichafuzi

Utafiti unaonyesha wazi kwamba MFC haiwezi kuchaguliwa kama “kisafishaji bora” kwa kuangalia tu msongamano wa juu zaidi wa nguvu. Wakati ukinzani mdogo wa uhamishaji chaji na msongamano mkubwa wa mkondo wa kubadilishana wa anodi ya NPC unatoa faida katika kusafirisha elektroni kwenda mzunguko wa nje, inapendekezwa kuwa uso wa NCOC unaweza kuwa na vijiumbe hai vingi zaidi vya kubadilisha dutu ya kikaboni na hivyo kuongeza uondoaji wa COD.

Kwa hiyo NPC ilionyesha faida zaidi upande wa urejeshaji elektroni na uzalishaji wa umeme, huku NCOC katika jaribio la sasa ikionyesha faida upande wa uondoaji wa jumla wa COD. Malengo hayo mawili yanapaswa kutathminiwa tofauti katika usanifu wa mchakato.

Uhusiano wa matokeo ya mikrobia na utaratibu

Ufanisi mkubwa wa Coulomb wa NPC na wingi mkubwa wa Desulfuromonadia na Desulfuromonas vilionekana katika mfumo uleule. Watafiti wanatafsiri muundo huu wa jamii kuwa wenye faida kwa extracellular electron transfer.

Hata hivyo, utafiti haukufanya jaribio la kudhibitiwa la ukoloni linalothibitisha kuwa kifuniko cha Ni–P huchagua aina fulani moja kwa moja katika kiwango cha molekuli. Jamii iliyoonekana ni matokeo ya pamoja ya uso wa elektrodi na matriksi ya maji taka mchanganyiko, chumvi, sulfate na shinikizo nyingine za uteuzi wa kimazingira.

Vipengele vilivyopungua kwa upande wa kurudiwa kwa jaribio

Ingawa utafiti unatoa kwa kina vigezo vya usanisi wa elektrodi, baadhi ya maelezo ya uendeshaji wa kibayolojia wa MFC yameelekezwa kwenye utafiti uliopita katika maandishi makuu. Matibabu ya awali ya membrani na itifaki ya ukuzaji wa mikrobia hayakurudiwa kikamilifu hapa.

Pia, katika sehemu ya mbinu ya toleo hili haijaelezwa ni virutubisho gani viliongezwa kwa mkusanyiko gani katika sampuli ya “combined wastewater with nutrients”.

Ingawa matokeo ya COD na ufanisi wa Coulomb yametolewa kwa thamani za ±, maandishi makuu yaliyochunguzwa hayaripoti wazi idadi ya marudio ya majaribio, ulinganisho wa kitakwimu unaotegemea p-value au kizingiti cha umuhimu kilichofafanuliwa kabla. Kwa hiyo, tofauti za nambari kati ya makundi zinapaswa kuwasilishwa jinsi zilivyoonyeshwa katika chanzo, bila kuunda dai la umuhimu wa kitakwimu ambalo halijaripotiwa.

Ni nini hakijulikani kuhusu upanuzi wa kiwango?

Seli za majaribio zinaundwa na vyumba vya 500 mL. Utafiti haukuunda reaktta ya majaribio ya mtiririko endelevu, rundo la MFC la seli nyingi za moduli, wala mfumo wa matibabu katika kiwango cha mita za ujazo.

Katika matumizi halisi, vigezo kama gharama ya elektrodi, uimara wa kifuniko cha Ni–P, kuchafuka kwa membrani, muda wa kubaki wa kihidroliki, nishati ya kusukuma na kuchanganya, kipindi cha kubadilisha elektrodi, uundaji wa tope la taka na ubora wa maji ya mwisho yanayotoka vinapaswa kutathminiwa kando.

Watafiti pia wanaeleza wazi kuwa kazi zaidi inahitajika kwa upanuzi wa kiwango na matumizi ya vitendo ya MFC zilizorekebishwa kwa NPC katika matibabu ya maji taka mchanganyiko.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Jina kamili la kazi asili: Synergistic performance of nickel-based anode microbial fuel cells for the treatment of shale gas flowback wastewater and aged landfill leachate

Waandishi na mpangilio katika toleo lililochunguzwa: Yi Xiao; Zhengxin Yang; Suli Zou; Yu Hao; Longjun Xu; Chenglun Liu.

Mchango sawa/mwandishi wa kwanza sawa: Katika toleo lililochunguzwa hakuna tamko la mwandishi wa kwanza sawa au mchango sawa.

Waandishi wa mawasiliano: Longjun Xu na Chenglun Liu.

Barua pepe za waandishi wa mawasiliano: Longjun Xu — xulj@cqu.edu.cn; Chenglun Liu — xlclj@cqu.edu.cn.

Taasisi: State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control, Chongqing University, Chongqing 400044, China; Science and Technology Department, Chongqing Vocational Institute of Engineering, Chongqing 402260, China; College of Chemistry and Chemical Engineering, Chongqing University, Chongqing 401331, China.

Aina ya chanzo kilichochunguzwa: Preprint ya utafiti wa majaribio katika kiwango cha maabara unaochunguza uzalishaji wa umeme, uondoaji wa maji taka, tabia ya kielektrokemia na jamii ya mikrobia katika seli za mafuta za mikrobia zenye anodi za nikeli kwa kutumia sampuli halisi za SGFW na ALL.

Hali ya mapitio ya rika: Toleo la SSRN 6934127 lililochunguzwa ni preprint ambayo haijapitia mapitio ya rika. Toleo la baadaye lililopitiwa na rika la utafiti lilichapishwa katika jarida la Bioelectrochemistry. Data za kisayansi katika makala hii ya Dataanla zimetolewa kutoka toleo la preprint lililopakiwa; maelezo ya kisayansi ya matoleo mawili hayakuunganishwa bila kuona maandishi kamili yaliyopitiwa na rika.

Jukwaa la preprint lililochunguzwa: SSRN.

Nambari ya rekodi ya SSRN iliyochunguzwa: 6934127.

DOI ya preprint iliyochunguzwa: 10.2139/ssrn.6934127.

Tarehe ya kuchapishwa kwa toleo la SSRN lililochunguzwa: 13 Juni 2026.

Kiungo rasmi cha preprint:SSRN 6934127

Toleo la zamani la preprint: Kwenye SSRN pia kuna toleo la SSRN 6136206 la kurasa 30 la utafiti huo huo, la tarehe 26 Januari 2026; DOI yake ni 10.2139/ssrn.6136206.

Chapisho lililopitiwa na rika: Bioelectrochemistry, Volume 173, 2027, Article 109401; tarehe ya kuchapishwa mtandaoni 22 Julai 2026.

DOI ya chapisho lililopitiwa na rika: 10.1016/j.bioelechem.2026.109401.

Mchapishaji wa chapisho lililopitiwa na rika: Elsevier.

Kiungo rasmi cha toleo lililopitiwa na rika:10.1016/j.bioelechem.2026.109401

Kutolingana kwa metadata ya kibibliografia: Katika chanzo kilichopakiwa cha kurasa 37, mwandishi wa tatu ni Suli Zou. Katika metadata ya wavuti ya SSRN 6934127, sehemu ya mwandishi wa tatu inaonekana kama “Xiaoxuan Liu”, huku rekodi ya zamani ya SSRN 6136206 na kazi iliyopakiwa zikionyesha Suli Zou. Kwa hiyo jina Suli Zou katika hati ya chanzo limehifadhiwa na tofauti ya metadata haikuunganishwa kimya kimya.

Vyanzo vya maji taka: ALL — Changshengqiao landfill, Chongqing; SGFW — Xing'ao shale gas field treatment station mixing tank, Nanchuan, Chongqing.

Muundo wa jaribio: MFC ya H-aina yenye vyumba viwili vya 500 mL/chumba, membrani ya kubadilisha protoni ya Nafion 117, eneo tendaji la anodi 6 cm², katodi ya kitambaa cha kaboni; ulinganisho wa anodi za NCOC, NPC na CC.

Ugunduzi mkuu wa msingi: Katika hali ya SGFW+ALL mchanganyiko, NPC-MFC ilionyesha volteji ya juu zaidi ya pato ya 643,3 mV, msongamano wa juu zaidi wa nguvu wa 1412,9 mW/m², ukinzani wa ndani unaoonekana wa 155 Ω na ufanisi wa Coulomb wa %38,0±1,4. Uondoaji wa juu zaidi wa COD ulipimwa katika NCOC-MFC kuwa 1103,4±69,3 mg/L.

Kikomo cha tafsiri ya sinergia: Matibabu ya pamoja ya maji taka hayakuleta uboreshaji wa jumla katika anodi zote na vipimo vyote vya utendaji. Uzalishaji wa umeme na ufanisi wa Coulomb wa NPC uliboreka kwa uwazi, huku uzalishaji wa umeme wa NCOC katika maji taka mchanganyiko ukishuka ikilinganishwa na hali za maji taka moja moja, ingawa uondoaji wa COD uliongezeka.

Uchambuzi wa mikrobia: High-throughput sequencing ya 16S rRNA ilifanywa kwa biofilamu ya NPC; zaidi ya sekansi halali 30.000 na >0,99 coverage ziliripotiwa. Katika kiwango cha phylum, Desulfobacterota iliripotiwa kutawala kwa %57,4, katika kiwango cha darasa Desulfuromonadia kwa %57,14, na katika kiwango cha jenasi Desulfuromonas kwa %47,13.

Taarifa za kimbinu zinazokosekana: Matibabu ya awali ya membrani ya kubadilisha protoni na utaratibu wa ukuzaji wa mikrobia umeelekezwa kwenye utafiti uliopita. Kwa “maji taka mchanganyiko yaliyoongezewa virutubisho”, muundo na dozi za virutubisho hazikutolewa katika maandishi haya makuu. Pia jedwali la maji taka halijumuishi thamani za nambari za chumvi, amoniamu, sulfate na metali nzito.

Kikomo cha uripoti wa kitakwimu: Ingawa baadhi ya data za COD na CE zimewasilishwa kama wastani±mtawanyiko, katika maandishi makuu hakuna idadi ya marudio ya majaribio wala p-value/kizingiti cha umuhimu kilicho wazi kwa inference kati ya makundi. Kwa hiyo, hapa halikuundwa dai la umuhimu wa kitakwimu lisilokuwapo katika chanzo.

Ufadhili: National Natural Science Foundation of China, Grant No. 52174157; Chongqing Municipal Primary and Secondary School Innovative Talent Cultivation Project Program, CY250115.

Michango ya waandishi ya CRediT: Yi Xiao — Investigation, Writing-original draft; Zhengxin Yang — Investigation, Formal analysis; Suli Zou — Visualization, Data Curation; Yu Hao — Data curation, Validation; Longjun Xu — Supervision, Writing-review & editing, Funding acquisition; Chenglun Liu — Resources, Funding acquisition.

Mgongano wa maslahi: Katika toleo lililochunguzwa, tamko tofauti na wazi la mgongano wa maslahi halikugunduliwa.

Upatikanaji wa data: Katika toleo lililochunguzwa, tamko tofauti la upatikanaji wa data halikugunduliwa.

Leseni: Katika toleo lililochunguzwa, leseni wazi ya Creative Commons au inayolingana kwa matumizi tena haikugunduliwa. Kwa hiyo, picha asili za SEM na grafu hazijachapishwa tena moja kwa moja hapa; data za kisayansi zimewasilishwa kwa majedwali yaliyoundwa upya.

Kikomo cha kiwango: Matokeo yanahusu MFC za vyumba viwili vya 500 mL katika kiwango cha maabara. Mtambo wa majaribio, matibabu endelevu ya kiwango kamili, mizania halisi ya nishati, uwezekano wa kiuchumi na uimara wa muda mrefu wa nyenzo havijathibitishwa katika utafiti huu.

Kanuni ya maudhui ya kisayansi: Masharti ya majaribio, thamani za kielektrokemia, matokeo ya COD, ufanisi wa Coulomb, na ugunduzi kuhusu biofilamu na jamii ya mikrobia katika maandishi haya ya Dataanla yanategemea toleo lililopakiwa la kurasa 37 la SSRN 6934127. Vyanzo vya nje vilitumika tu kuthibitisha utambulisho wa kibibliografia, historia ya toleo na chapisho la baadaye lililopitiwa na rika.