Inoculum selection and hydraulic retention time impacts in a microbial fuel cell treating saline wastewater

Abstract

Inglés: Microbial fuel cell (MFC) technology has received increased interest as a suitable approach for treating wastewater while producing electricity. However, there remains a lack of studies investigating the impact of inoculum type and hydraulic retention time (HRT) on the efficiency of MFCs in treating industrial saline wastewater. The effect of three different inocula (activated sludge from a fish-canning industry and two domestic wastewater treatment plants, WWTPs) on electrochemical and physicochemical parameters and the anodic microbiome of a two-chambered continuous-flow MFC was studied. For each inoculum, three different HRTs were tested (1 day, 3 days, and 6 days). The inoculum from the fish canning industry significantly increased voltage production (with a maximum value of 802 mV), power density (with a maximum value of 78 mW m−2), coulombic efficiency (with a maximum value of 19.3%), and organic removal rate (ORR) compared to the inocula from domestic WWTPs. This effect was linked to greater absolute and relative abundances of electroactive microorganisms (e.g., Geobacter, Desulfovibrio, and Rhodobacter) and predicted electron transfer genes in the anode microbiome likely due to better adaption to salinity conditions. The ORR and current production were also enhanced at shorter HRTs (1 day vs. 3 and 6 days) across all inocula. This effect was related to a greater abundance and diversity of bacterial communities at HRT of 1 day compared to longer HRTs. Our findings have important bioengineering implications and can help improve the performance of MFCs treating saline effluents such as those from the seafood industry.

Español: La tecnología de celdas de combustible microbianas (MFC) ha despertado un creciente interés como una estrategia adecuada para el tratamiento de aguas residuales mientras se genera electricidad. Sin embargo, aún existe una falta de estudios que investiguen el impacto del tipo de inóculo y el tiempo de retención hidráulica (HRT) en la eficiencia de las MFC en el tratamiento de aguas residuales industriales salinas. En este estudio, se evaluó el efecto de tres inóculos diferentes (lodo activado de una industria conservera de pescado y dos plantas de tratamiento de aguas residuales domésticas, EDAR) sobre los parámetros electroquímicos y fisicoquímicos, así como sobre el microbioma anódico de una MFC de dos cámaras con flujo continuo. Para cada inóculo, se probaron tres HRT diferentes (1 día, 3 días y 6 días). El inóculo procedente de la industria conservera de pescado aumentó significativamente la producción de voltaje (con un valor máximo de 802 mV), la densidad de potencia (con un valor máximo de 78 mW m⁻²), la eficiencia coulómbica (con un valor máximo de 19,3%) y la tasa de eliminación de materia orgánica (ORR) en comparación con los inóculos de las EDAR domésticas. Este efecto se relacionó con una mayor abundancia absoluta y relativa de microorganismos electroactivos (por ejemplo, Geobacter, Desulfovibrio y Rhodobacter), así como con la presencia de genes predichos de transferencia de electrones en el microbioma del ánodo, probablemente debido a una mejor adaptación a condiciones salinas. La ORR y la producción de corriente también se incrementaron a tiempos de retención hidráulica más cortos (1 día frente a 3 y 6 días) en todos los inóculos. Este efecto se asoció con una mayor abundancia y diversidad de comunidades bacterianas a un HRT de 1 día en comparación con tiempos de retención más largos. Nuestros hallazgos tienen importantes implicaciones en bioingeniería y pueden contribuir a mejorar el rendimiento de las MFC en el tratamiento de efluentes salinos, como los generados por la industria pesquera.