Кіріспе

Биоэлектрохимиялық жүйе Микробиологиялық отын жадырауы (МКЖ) - биоэлектрохимиялық отын жадырауының бір түрі, ол электр тоғын электрлік контур арқылы анодтағы редукцияланған қосылыстардың микробтық тотығудан (отын немесе электрон доноры деп те аталады) алынған электрондарды катодтағы оттегі (оксидтеуші агент немесе электрон қабылдағыш деп те аталады) сияқты тотықталған қосылыстарға аудару арқылы өндіреді. МФК-да бактериялар катализациялаған биохимиялық реакциялардан алынған электрондарды пайдалана отырып, электр энергиясын өндіреді. Кешенді биотехнология (үшінші басылым) МФК-ны екі жалпы санатқа бөлуге болады: аралас және аралас емес. ХХ ғасырдың басында жасалған алғашқы МФК-да медиатор пайдаланылды: ол жасушадағы бактериядан анодқа электронды көшіретін химиялық зат. Аралассыз МФК 1970-ші жылдары пайда болды; МФК-нің бұл түрінде бактериялар әдетте сыртқы мембраналарында электрондарды анодқа тікелей бере алатын цитохромдар сияқты электрохимиялық белсенді редокстік ақуыздарға ие. ХХІ ғасырда МФК-ны қалдық суларды тазартуда коммерциялық пайдалануды бастады.

Тарих

Электр энергиясын өндіру үшін микроорганизмдерді пайдалану идеясы ХХ ғасырдың басында пайда болды. Майкл Крессе Поттер бұл тақырыпты 1911 жылы бастаған. Поттер Saccharomyces cerevisiae-ден электр энергиясын өндіре алды, бірақ бұл жұмыс аз жарияланды. 1931 жылы Барнетт Коэн микробтық жартылай отын элементтерін жасады, олар сериялы түрде қосылған кезде, 2 миллиампер токпен 35 вольттан астам энергия шығара алады. DelDuca және басқалар жасаған зерттеу. Глюкозаны Clostridium butyricum ферментациялау арқылы алынған сутегін сутек пен ауа отын элементінің анодындағы реактив ретінде пайдаланған. Жасуша жұмыс істесе де, микроорганизмдердің сутегі өндіруінің тұрақсыздығына байланысты ол сенімді емес еді. Бұл мәселені Suzuki және басқалар шешті. 1976 жылы, бір жылдан кейін сәтті MFC дизайнын шығарды. 1970 жылдардың аяғында микробтық отын жадырауының қалай жұмыс істейтіні туралы аз түсінік болды. Бұл ұғымды Робин М. Аллен, кейіннен Х. Питер Беннетто зерттеді. Адамдар отын жадырын дамушы елдерге электр энергиясын өндірудің ықтимал әдісі ретінде қарастырды. Беннеттоның 1980 жылдардың басында басталған жұмысы отын жадырауының қалай жұмыс істейтінін түсінуге көмектесті және оны көптеген адамдар осы тақырыптың ең беделді өкілі ретінде қарады. 2007 жылдың мамыр айында Австралияның Квинсленд университеті Фостерс пивоварнасымен бірлесіп, MFC прототипіне қол жеткізді. 10 литрлік прототип сыра зауытының ағынды суын көмірқышқыл газына, таза суға және электр энергиясына айналдырды. Топ алдағы халықаралық биоэнергетика конференциясына арналған пилоттық масштабтағы модель жасауды жоспарлаған.

Анықтама

Микробиологиялық отын жадыбыры - микроорганизмдердің әсерінен химиялық энергияны электр энергиясына айналдыратын құрылғы. Бұл электрохимиялық элементтер биоанодты және/немесе биокатодты пайдалана отырып құрастырылады. Көптеген МФК-да анодтың (окисдеу орын алатын) және катодтың (редукциялау орын алатын) бөліктерін бөлетін мембрана бар. Окистену кезінде пайда болған электрондар тікелей электродқа немесе редокстық медиатор түріне беріледі. Электрондық ағынды катодқа ауысады. Жүйенің зарядтық тепе-теңдігі ұяшық ішіндегі иондық қозғалыстар арқылы, әдетте иондық мембрана арқылы сақталады. Көптеген МФК-да көміртегі, протондар мен электрондарды өндіру үшін тотықталатын органикалық электрон доноры қолданылады. Электрондарды басқа да донорлар, мысалы күкірт қосылыстары немесе сутектер туралы хабарланған. Катодтық реакция әр түрлі электронды акцепторларды, көбінесе оттегін (O2) пайдаланады. Зерттелген басқа электрон қабылдағыштарға металдарды редукциялау, суды сутеңге, нитратты редукциялау және сульфатты редукциялау жатады.

Электр энергиясын өндіру

МФК электр энергиясын өндіру үшін аз қуатты қажет ететін, бірақ батареяларды ауыстыру мүмкін емес, мысалы сымсыз сенсорлық желілер үшін тартымды. Микробтық отын элементтерімен жұмыс істейтін сымсыз сенсорлар, мысалы, қашықтан бақылау (сақтау) үшін пайдаланылуы мүмкін. Отын жадырын қоректендіру үшін кез келген органикалық материалды, соның ішінде ағынды суларды тазарту қондырғыларына қосылатын жадырмаларды пайдалануға болады. Химиялық процестердегі ағынды сулар мен синтетикалық ағынды сулар екі және бір камералы медиаторлы және МФК-мен (қапталмаған графит электродтары) биоэлектр энергиясын өндіру үшін пайдаланылды. Биофильммен қапталған графит анодының қуат өндіруі жоғары екендігі байқалды. Отын элементтері шығарындылары нормативтік шектерден төмен. МФК энергияны стандартты ішкі жанатын қозғалтқыштарға қарағанда тиімдірек айналдырады, олар Карно тиімділігімен шектеледі. Теориялық тұрғыдан алғанда, МФК энергия тиімділігін 50%-дан аса алады. Розендал сутегін өндіруде кәдімгі технологияға қарағанда 8 есе аз энергия жұмсаған. Сонымен қатар, МФК-лар кішігірім масштабта жұмыс істей алады. Кейбір жағдайларда электродтардың қалыңдығы 7 мкм және ұзындығы 2 см болуы қажет, сондықтан MFC батареяны алмастыра алады. Ол энергияның жаңартылатын түрін береді және оны қайта зарядтаудың қажеті жоқ. МФК-лар 20 °C-дан 40 °C-ға дейінгі жеңіл температурада және шамамен 7 pH-да жақсы жұмыс істейді, бірақ ұзақ мерзімді медициналық қолдану үшін қажетті тұрақтылықтан, мысалы, кардиостимуляторларда, қалады. Электр станциялары балдырлар сияқты су өсімдіктеріне негізделуі мүмкін. Егер МФК жүйесі қолданыстағы электр жүйесіне іргелес орналасса, онда ол өзінің электр желілерімен бөлісе алады.

Білім

Топыраққа негізделген микробтық отын элементтері білім беру құралдары ретінде қызмет етеді, өйткені олар көптеген ғылыми пәндерді қамтиды (микробтану, геохимия, электротехника және т.б.). және топырақ пен тоңазытқыштан алынған заттар сияқты жалпы қолда бар материалдарды пайдалана отырып жасалуы мүмкін. Үйдегі және сыныптағы ғылыми жобаларға арналған жиынтықтар бар. " деп жазылған.

Биосенсор

Микробтық отын элементінен пайда болатын ток отын ретінде пайдаланылатын қалдық судың органикалық заттар құрамына тікелей пропорционалды. МФК-лар ағынды судың еріген концентрациясын өлшеуге болады (мысалы, биосенсор ретінде). Қалдық суды әдетте оның биохимиялық оттегіге деген қажеттілігі (BOD) бойынша бағалайды. ДБҚ-ның мәндері 5 күн бойы микробтардың тиісті көзімен, әдетте, ағынды су қондырғыларынан жиналған белсендірілген шламмен, инкубациялау арқылы анықталады. MFC типті BOD сенсоры BOD мәндерін нақты уақыт режиміне сәйкес қамтамасыз ете алады. Қысқылтек пен нитрат анодтағы электронды қабылдағыштарға кедергі келтіріп, МФК-дан ток шығаруды азайтады. Сондықтан, MFC BOD сенсорлары осы электронды қабылдағыштардың қатысуымен BOD мәндерін төмен бағалайды. Бұл жағдай цианид пен азид сияқты терминалды оксидаза ингибиторларын қолдану арқылы МФК-да аэробтық және нитраттық тыныс алуды тежеу арқылы болдырмауға болады. Мұндай BOD сенсорлары коммерциялық сатылымда бар. АҚШ-тың әскери-теңіз флоты қоршаған ортаны бақылау үшін микробиологиялық отын элементтерін қолдануды қарастырып жатыр. Микробиологиялық отын элементтерін қоршаған ортаны бақылауға арналған сенсорларға қуат беру үшін қолдану ұзақ уақыт бойы қуат беруі мүмкін және сымдық инфрақұрылымсыз теңіз астындағы деректерді жинау мен алуды қамтамасыз етеді. Отын элементтері өндіретін энергия бастапқы іске қосу уақытынан кейін датчиктерді ұстап тұру үшін жеткілікті. Теңіз асты жағдайларына байланысты (солы жоғары концентрация, температураның өзгеруі және қоректік заттардың шектеулі жеткізілімі) Әскери-теңіз флоты қолда бар қоректік заттарды толық пайдалануды қамтамасыз ететін тұзға төзімді микроорганизмдердің қоспасы бар МФК-ны қолдануға болады. Олардың негізгі кандидаты - Shewanella oneidensis, бірақ басқа да ыстық пен суыққа төзімді Shewanella spp-ні де қосуға болады. Бірінші өздігінен жұмыс істейтін және автономды BOD/COD биосенсор әзірленді, ол тұщы суда органикалық ластаушы заттарды анықтауға мүмкіндік береді. Сенсор тек қана МФК-ның қуатына сүйенеді және техникалық қызмет көрсетусіз үздіксіз жұмыс істейді. Ол ластану деңгейі туралы хабарлау үшін дабылды іске қосады: сигналдың жиілігі жоғарыласа ластану деңгейі туралы ескертеді, ал жиілігі төмен болса ластану деңгейі төмен екендігі туралы хабарлайды.

Биологиялық қалпына келтіру

2010 жылы А. тер Хейне және басқалар. Электр энергиясын өндіретін және Cu2+ иондарын мыс металға қайтаратын құрылғыны жасады. Микробиологиялық электролиз жасушаларының сутегін өндіретіндігі дәлелденді.

Қалдық суларды тазарту

МФК суды тазартуда анаэробты қорытуды пайдалана отырып, энергия жинау үшін қолданылады. Бұл процесс патогендерді де азайтады. Алайда, бұл 30 градус температураны талап етеді және биогазды электр энергиясына айналдыру үшін қосымша қадам қажет. Шпицалы аралықтарды МФК-да спиральдық ағынды құру арқылы электр энергиясын өндіруді арттыру үшін пайдалануға болады. МФК-ны масштабтау үлкен беттік аумақтың қуат шығынынан туындаған қиындықтармен байланысты.

Араласқан

Микробтық жасушалардың көпшілігі электрохимиялық белсенді емес. Микробтық жасушалардан электрозға электронды тасымалдауды тионин, пиоцианин, метил виологен, метил көк, гумид қышқылы және нейтральды қызыл сияқты медиаторлар қамтамасыз етеді. Қолда бар медиаторлардың көпшілігі қымбат және уытты.

Медиаторсыз

Медиаторсыз микробтық отын жадырақтары электрохимиялық белсенді бактерияларды, мысалы, Shewanella putrefaciens және Aeromonas hydrophila бактериялық тыныс алу ферментінен электродқа тікелей электронды көшіру үшін пайдаланады. Кейбір бактериялар электронды өндірісін сыртқы мембранадағы пили арқылы өткізе алады. Медиаторсыз МФК-лар жүйеде қолданылатын бактериялар штаммы, ион алмасу мембранасының түрі және жүйе жағдайлары (температура, рН және т.б.) сияқты аз сипатталады. Медиаторсыз микробтық отын элементтері ағынды сумен жұмыс істей алады және энергияны тікелей белгілі бір өсімдіктер мен О2-ден алады. Бұл құрылым өсімдік микробтық отын жағылғыш элементі деп аталады. Мүмкін өсімдіктер қамыс, шнур, күріш, помидор, люпин және балдырлар. Энергия тірі өсімдіктер арқылы алынады (орналасқан жерде энергия өндіру), бұл нұсқа экологиялық артықшылықтар береді.

Микробиологиялық электролиз

Медиаторды МФК-ден кем ететін бір түр - микробтық электролиз жасушасы (МЭК). МФК-лер судағы органикалық қосылыстардың бактериялық ыдырауымен электр тоғын өндірсе, МЭК-тер бактерияларға кернеуді қолдану арқылы сутек немесе метан өндіру процесін ішінара кері қайтарады. Бұл органикалық заттардың микробтық ыдырауынан пайда болатын кернеуді толықтырады, бұл судың немесе метанның электролизіне әкеледі. МФК принципі толық кері микробиологиялық электросинтезде кездеседі, онда көмірқышқыл газын бактериялар сыртқы электр тогын пайдаланып, көп көміртекті органикалық қосылыстар түзеді.

Топыраққа негізделген

Топыраққа негізделген микробтық отын элементтері негізгі МФК принциптерін ұстанады, яғни топырақ қоректік заттарға бай анодтық орта, инокулум және протон алмасу мембранасы (ПЭМ) ретінде әрекет етеді. Анод топыраққа белгілі бір тереңдікте орналасады, ал катод топырақтың үстіне орналасады және ауаға ұшырайды. Топырақ табиғи түрде әр түрлі микроорганизмдермен, соның ішінде МФК үшін қажетті электрогендік бактериялармен, және өсімдіктер мен жануарлардың зақымдануынан жиналған күрделі қанттар мен басқа да қоректік заттарға толы. Сонымен қатар, топырақтағы аэробты (оттегі тұтынатын) микроорганизмдер оттегі сүзгісі ретінде әрекет етеді, бұл зертханалық МФК жүйелерінде қолданылатын қымбат ПЭМ материалдарына ұқсас, олар топырақтың редокстық әлеуетін тереңдеумен азайтады. Топыраққа негізделген МФК ғылым сыныптарында танымал оқу құралына айналуда. Седименттік микробтық отын элементтері (SMFC) ағынды суларды тазарту үшін қолданылған. Қарапайым SMFC-тер ағынды суларды тазарту кезінде энергия өндіре алады. Мұндай SMFC-лердің көпшілігі құрамында құрғақ жерлерді еліктейтін өсімдіктер бар. 2015 жылы SMFC сынақтары 150 литрден астамға жетті. 2015 жылы зерттеушілер энергияны шығарып, батареяны зарядтайтын SMFC қолданбасын жариялады. Тұздар суда оң және теріс зарядталған иондарға бөлініп, тиісті теріс және оң электродтарға қозғалады және жабысады, батареяны зарядтайды және тұзды микробактериялық сыйымдылықты тұздану арқылы алып тастауға мүмкіндік береді. Микроорганизмдер тұзды тазарту процесінде қажетті энергиядан көп энергия өндіреді. 2020 жылы Еуропалық зерттеу жобасы теңіз суын адам тұтынуы үшін тәтті суға айналдыруды жүзеге асырды, бұл энергияны тұтыну шамамен 0,5 кВт/м3 құрайды, бұл қазіргі заманғы тұзсыздандыру технологияларын ескере отырып, энергияны тұтынуды 85% азайтуды білдіреді. Сонымен қатар, энергияны алатын биологиялық процесс бір мезгілде қалдық суды қоршаған ортаға шығару немесе ауыл шаруашылығы / өнеркәсіптік мақсаттарда қайта пайдалану үшін тазартады. Бұл Aqualia компаниясы 2020 жылдың басында Испанияның Дения қаласында ашқан тұзсыздандыру инновациялық орталығында қол жеткізілді.

Фототрофты биофильм

Фототрофты биофильмді МФК (ner) хлорофиттер мен кандианофиттер сияқты фотосинтезденетін микроорганизмдерді қамтитын фототрофты биофильм анодын қолданады. Олар фотосинтез жүргізеді, осылайша органикалық метаболиттер шығарады және электрондарды береді. Бір зерттеуде PBMFC-ның қуат тығыздығы практикалық қолдану үшін жеткілікті екені анықталды. Анодта таза оттегі фотосинтездік материалды пайдаланатын фототрофты МФК-ның кіші санаты кейде биологиялық фотоэлектрлік жүйелер деп аталады.

Нанопорозды мембрана

АҚШ-тың Әскери-теңіз зерттеулер зертханасы жасушаның ішінде пассивті диффузияны пайдаланар үшін ПЭМ емес микроорганизмдерді пайдаланатын нанопорозды мембраналы микробтық отын жасушаларын жасады. Мембрана - саңылаусыз полимерлік сүзгі (найлон, целлюлоза немесе поликарбонат). Ол Nafion-мен салыстырмалы қуат тығыздықтарын (бізге танымал PEM) және ұзақ мерзімділіктерін ұсынады. Кеспекті мембраналар пассивті диффузияға мүмкіндік береді, осылайша PEM-ді белсенді ұстау және жалпы энергия шығаруды арттыру үшін MFC-ге қажетті қуатты азайтады. Мембрананы қолданбайтын МФК-лар аэробты ортада анаэробты бактерияларды тарата алады. Алайда мембранасыз МФК-лар жергілікті бактериялар мен қуат беретін микробтар катодты ластайды. Нанопорозды мембраналардың жаңа пассивті диффузиясы катодты ластанудан қорықпай, мембрананың артықшылықтарына жетуі мүмкін. Нанопорозды мембраналар Nafion-дан 11 есе арзан (Nafion 117, $ 0,22 / см2 және поликарбонат, < $ 0,02 / см2).

Керамикалық мембрана

PEM мембраналарын керамикалық материалдармен ауыстыруға болады. Керамикалық мембрананың құны 5,66 доллардан төмен болуы мүмкін. Керамикалық мембраналардың макропорозы құрылымы иондық түрлерді жақсы тасымалдауға мүмкіндік береді. Керамикалық МФК-да сәтті пайдаланылған материалдар - қыш, алюмина, мулит, пирофиллит және терракота.

Өндiру процесi

Микроорганизмдер қант сияқты затты аэробтық жағдайда тұтынатын кезде көмірқышқыл газы мен су шығарады. Алайда, оттегі болмаған кезде олар көмірқышқыл газы, гидрон (сутек иондары) және электрондар шығарады, бұл сахароза үшін төменде сипатталғандай: Микробтық отын жарушы элементтер жасушалардың электронды тасымалдау тізбегіне және өндірілген электронды арналарға қол жеткізу үшін органикалық емес медиаторларды қолданады. Медиатор сыртқы жасуша липидті мембраналары мен бактериялық сыртқы мембрананы кесіп өтеді; содан кейін ол электрондарды электрондар тасымалдау тізбегінен босата бастайды, ол әдетте оттегімен немесе басқа да аралық заттармен алынады. Енді қысқартылған медиатор электрондармен зарядталған жасушадан шығады, ол электродқа ауысады; бұл электрод анодқа айналады. Электрондардың босауы медиаторды бастапқы тотығу күйіне қайтарады, бұл процессті қайталауға дайын. Бұл тек анаэробты жағдайда ғана мүмкін; егер оттегі болса, ол электрондарды жинайды, өйткені босатуға көбірек еркін энергиясы бар. Кейбір бактериялар органикалық емес медиаторларды пайдалануды айналып өтіп, арнайы электронды тасымалдау жолдарын пайдалана алады, олар ұжымдық түрде клеткадан тыс электронды трансфер (ЭЭТ) деп аталады. EET жолдары микробтың жасушадан тыс қосылыстарды тікелей азайтуға мүмкіндік береді және анодпен тікелей электрохимиялық байланысты іске асыру үшін пайдаланылуы мүмкін. МФК операциясында анод - анодтық камерадағы бактериялар танитын соңғы электронды акцептор. Сондықтан микробтық белсенділік анодтың окистендіру-қайта қалпына келтіру потенциалына қатты тәуелді. Ацетатпен жұмыс істейтін МФК-ның анодтық потенциалы мен шығыс қуаты арасындағы Михаэлис-Ментен қисығы алынды. Анодтық потенциал ең жоғары қуатты қамтамасыз етеді. Мүмкін болатын медиаторларға табиғи қызыл, метилен көк, тионин және ресоруфин жатады. Электр тоғын шығара алатын организмдер экзоэлектрогендер деп аталады. Бұл токты пайдалануға болатын электр энергиясына айналдыру үшін экзоэлектрогендер отын жадырына орналастырылуы керек. Медиатор мен ашытқы сияқты микроорганизмдер ерітіндіде араластырылады, оған глюкоза сияқты субстрат қосылады. Бұл қоспаны оттегіге кіруіне жол бермеу үшін жабық камераға орналастырады, осылайша микроорганизм анаэробты тыныс алуды бастауға мәжбүр болады. Ерітіндіге анод ретінде жұмыс істейтін электрод қойылады. МФК-ның екінші камерасында басқа ерітінді және оң зарядталған катод бар. Бұл биологиялық жасушадан тыс орналасқан электронды тасымалдау тізбегінің соңында орналасқан оттегі тұнбасына тең. Ерітінді - катодтағы электрондарды алатын тотықтырғыш зат. Ашытқы жасушасындағы электрондық тізбекке ұқсас, бұл оттегі сияқты әр түрлі молекулалар болуы мүмкін, бірақ ыңғайлы нұсқа - аз көлемді талап ететін қатты тотықтырғыш агент. Екі электродты қосқанда сым (немесе басқа электр өткізгіш жол) болады. Сұлбаны аяқтап, екі камераны жалғау тұз көпірі немесе ион алмасу мембранасы болып табылады. Бұл соңғы ерекшелік , сипатталғандай, пайда болған протондарға анод камерасынан катод камерасына өтуіне мүмкіндік береді. Кемелденген медиатор электронды жасушадан электрозға жеткізеді. Мұнда медиатор электрондарды жинаған кезде тотығады. Олар екінші электродқа дейін өтетін сым арқылы өтеді, ол электронды тұндырғышы ретінде әрекет етеді. Одан кейін олар тотықтырғыш материалға өтеді. Сонымен қатар сутегі иондары / протондары анодтан катодқа Nafion сияқты протон алмасу мембранасы арқылы жылжытылады. Олар төменгі концентрациялы градиентке көтеріліп, оттегімен қосылады, бірақ бұл үшін оларға электрон керек. Бұл ток шығарады және сутек концентрация градиентін ұстап тұруға пайдаланылады. Микробтық отын элементіндегі субстрат ретінде пайдаланылған кезде балдырлар биомассасының жоғары энергия беретіндігі байқалады.

Қоршаған ортаны қалпына келтірудегі қолдану

Микробиологиялық отын элементтері (МФО) қоршаған ортаны қалпына келтірудің перспективалы құралы ретінде пайда болды, өйткені олар электр энергиясын өндіру және ластаушы заттарды ыдырау үшін микроорганизмдердің метаболистік қызметін пайдаланудың ерекше қабілетімен танылды. МФК-ны қоршаған ортаны қалпына келтіруде әртүрлі жағдайларда қолдануға болады. Бір негізгі қолдану биомедиация, онда МФК анодтағы электроактивті микроорганизмдер органикалық ластаушы заттарды ыдырауға белсенді қатысады, бұл ластаушы заттарды жоюдың тұрақты және тиімді әдісін ұсынады. Сонымен қатар, МФК-лар ағынды суларды тазартуда маңызды рөл атқарады, өйткені олар бір мезгілде электр энергиясын өндіреді және ластаушы заттарды микробиологиялық ыдырау арқылы су сапасын жақсартады. Бұл отын элементтерін жергілікті жерде қолдануға болады, бұл ластанған жерлерде үздіксіз және дербес тазартуға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, олардың көпжақтылығы шөгінділердегі микробтық отын элементтеріне (SMFC) дейін жетеді, олар шөгінділерден ауыр металдар мен қоректік заттарды алып тастай алады. МФК-ны сенсорлармен біріктіру арқылы олар қиын жерлерде қоршаған ортаны қашықтан бақылауға мүмкіндік береді. Микробтық отын элементтерін қоршаған ортаны қалпына келтіруде қолдану олардың ластаушы заттарды жаңартылатын энергия көзіне айналдыру мүмкіндігін көрсетеді, сонымен қатар экожүйелерді қалпына келтіру мен сақтауға белсенді түрде ықпал етеді.

Қиындықтар мен жетістіктер

Микробиологиялық отын элементтері (МФО) тұрақты және инновациялық технологиялар ретінде үлкен әлеуетті ұсынады, бірақ олар өздерінің қиындықтарымен де шектеледі. Бір үлкен кедергі - МФК өнімділігін оңтайландыру, бұл әр түрлі факторларға байланысты күрделі міндет болып табылады, оның ішінде микробтық әртүрлілік, электродтық материалдар және реактордың дизайны. Шығынға тиімді және ұзақ уақытқа созылатын электрод материалдарын әзірлеу тағы бір кедергіге айналады, өйткені ол көпфункционалды фитоволокнолардың экономикалық тиімділігіне үлкен масштабта тікелей әсер етеді. Сонымен қатар, МФК-ны тәжірибелік қолдану үшін масштабтау инженерлік және логистикалық қиындықтар тудырады. Дегенмен, микробтық отын жарушы элементтер технологиясы бойынша жүргізіліп жатқан зерттеулер осы кедергілерді жоюды жалғастыруда. Ғалымдар жаңа электрод материалдарын белсенді түрде зерттеп, тиімділікті арттыру үшін микробтық қауымдастықтарды жетілдіріп, реактор конфигурацияларын оңтайландыруда. Сонымен қатар, синтетикалық биология мен гендік инженерияның жетістіктері электронды көшіру қабілеті жоғары микроорганизмдерді жасаудың мүмкіндіктерін ашады, бұл MFC өнімділігінің шекарасын кеңейтеді. Көп салалы салалар арасындағы ынтымақтастық те МФК механизмдерін терең түсінуге және олардың қалдық суларды тазарту, қоршаған ортаны қалпына келтіру және тұрақты энергия өндіру сияқты салаларда әлеуетті қолдануларын кеңейтуге ықпал етеді.