Microbial electrochemical technologies
مائکروبیل الیکٹرو کیمیکل ٹیکنالوجیز (ایم ای ٹیز) مائکرو حیاتیات کو الیکٹرو کیمیکل اتپریرک کے طور پر استعمال کرتی ہیں، جو بائیو الیکٹرکٹی، بائیو فیولز، ایچ 2 اور دیگر قیمتی کیمیکلز کی پیداوار کے لیے مائکروبیل میٹابولزم کو الیکٹرو کیمیکل عمل کے ساتھ ضم کرتی ہیں۔ مائکروبیل فیول سیل (ایم ایف سی) اور مائکروبیل الیکٹرولیسس سیل (ایم ای سی) ایم ای ٹی کی نمایاں مثالیں ہیں۔ جبکہ ایم ایف سی کا استعمال نامیاتی مادے سے بجلی پیدا کرنے کے لیے کیا جاتا ہے جو عام طور پر گندے پانی کے علاج سے وابستہ ہوتے ہیں، ایم ای سی کیمیائی رد عمل جیسے ایچ 2 یا میتھین کی پیداوار کو چلانے کے لیے بجلی کا استعمال کرتا ہے۔ حال ہی میں، مائکروبیل الیکٹروسنتھیس سیل (ایم ای ایس) بھی ایک امید افزا ایم ای ٹی کے طور پر ابھرے ہیں، جہاں کیتھوڈ ڈبے میں قیمتی کیمیکل تیار کیے جا سکتے ہیں۔ دیگر ایم ای ٹی ایپلی کیشنز میں مائکروبیل ریمیڈیشن سیل، مائکروبیل ڈی سیلینیشن سیل، مائکروبیل سولر سیل، مائکروبیل کیمیائی سیل وغیرہ شامل ہیں۔ تاریخ بجلی پیدا کرنے کے لیے مائکروبیل خلیوں کے استعمال کا اندازہ ایم سی نے لگایا تھا۔ پوٹر نے 1911 میں اس نتیجے کے ساتھ کہ "مائکروجنزموں کے ذریعہ نامیاتی مرکبات کی تحلیل برقی توانائی کی آزادی کے ساتھ ہوتی ہے"۔ ایم ایف سی تحقیق میں ایک قابل ذکر اضافہ 1931 میں بی کوہن نے کیا تھا، جب سیریز میں جڑے ہوئے مائکروبیل نصف فیول سیل اسٹیک بنائے گئے تھے، جو 0.2 ایم اے کے کرنٹ کے ساتھ 35 وی سے زیادہ پیدا کرنے کے قابل تھے۔ 1980 کی دہائی کے آخر میں دو کامیابیاں حاصل ہوئیں جب مصنوعی ریڈوکس ثالثوں کے بغیر سیل کے اندرونی حصے سے ایکسٹرا سیلولر میٹل آکسائڈز تک الیکٹران منتقل کرنے کے قابل پہلے معلوم بیکٹیریا میں سے دو: شیوانیلا (سابقہ آلٹروموناس) ونائڈینسس ایم آر-1 اور جیوبیکٹر سلفرریڈوسینس پی سی اے کو الگ کیا گیا۔ 90 کی دہائی کے آخر میں، کم اور دیگر۔ اس سے پتہ چلتا ہے کہ فی (III) کو کم کرنے والا جراثیم، ایس ونائڈینسس ایم آر-1 برقی کیمیائی طور پر فعال تھا اور کسی اضافی الیکٹران ثالث کے بغیر ایم ایف سی میں بجلی پیدا کر سکتا ہے۔ ان نتائج نے الیکٹرو مائکروبیولوجی کی ترقی کی بنیاد رکھی، اور ایم ایف سی کا میدان شروع ہوا۔ تاہم، کم بجلی کی پیداوار کی وجہ سے، یہ بھی شک تھا کہ آیا ایم ایف سی گندے پانی کی نامیاتی کمی پر عملی اطلاق ہو سکتا ہے۔ یہ نظریہ اس وقت تبدیل ہوا جب یہ ثابت ہوا کہ گھریلو گندے پانی کو بیک وقت بجلی پیدا کرتے ہوئے عملی حدود میں ٹریٹ کیا جا سکتا ہے۔ مزید برآں، ایم ایف سی میں گلوکوز کا استعمال کرتے ہوئے طاقت کی کثافت دو درجے زیادہ کا مظاہرہ کیا گیا، بغیر کسی بیرونی کیمیائی ثالث کی ضرورت کے۔ ان کاموں کی بنیاد پر، ایم ایف سی کی عملی ایپلی کیشنز کو تیار کرنے کی دوڑ بہت تیز رفتار سے ابھرنے کے لیے شروع کی گئی، جس کے بڑے اہداف گھریلو، صنعتی اور دیگر قسم کے گندے پانی کے علاج کے لیے بڑے پیمانے پر ٹیکنالوجی کی ترقی ہے۔ 2004 میں، ایکسٹرا سیلولر الیکٹران اپٹیک (ای ای یو) کیتھوڈز سے جرثوموں تک (جیوبیکٹر ایس پی پی۔) منسلک بائیو فلم کے ساتھ قائم کیا گیا تھا، جہاں فیومیریٹ کو سکینیٹ تک کم کر دیا گیا تھا۔ الیکٹران ٹرانسپورٹ کے لیے اس الٹا رد عمل نے ایم ای ایس کے تحقیقی شعبے کو جنم دیا۔ 2010 میں، نیوین اور دیگر۔ دریافت کیا کہ ایسیٹوجینک مائکروجنزم اسپوروموسا اوواٹا کیتھوڈ الیکٹروڈ سے الیکٹرانوں کو اٹھا کر ایم ای ایس خلیوں میں سی او 2 کو ایسیٹک ایسڈ میں تبدیل کر سکتا ہے۔ اگلے سالوں میں، گرین ہاؤس گیسوں کے اخراج پر بڑھتے ہوئے خدشات کی وجہ سے بھی، ایم ای ایس سیل میں سی او 2 بائیو الیکٹرو کنورژن کا میدان پروان چڑھا۔ کئی آٹوٹروفک مائکروجنزموں نے براہ راست یا ثالث کے ذریعے کیتھوڈ سے الیکٹرانوں کو پکڑنے کی صلاحیت ظاہر کی۔ مخصوص مائکروبیل پرجاتیوں کے علاوہ، یہ دکھایا گیا کہ کاربن ڈائی آکسائیڈ کو کم کرنے والی برادریوں کو ایم ای ایس خلیوں میں سیوریج کی کیچڑ، ڈائجسٹر کیچڑ یا سمندری/دریا کے تلچھٹ جیسے انوکولم ذرائع سے افزودہ کیا جا سکتا ہے۔ اگلی دہائی میں، تکنیکی بہتریوں کی وجہ سے ایسیٹیٹ کی پیداوار کی شرح چند سے بڑھ کر سینکڑوں گرام/ایم 2 کیتھوڈ/ڈی ہو گئی۔ ایم ای ایس خلیوں نے 200 ایل سی ایچ 4/ایم 2 کیتھوڈ/ڈی تک پیداوار کی شرح کے ساتھ، سی او 2 کو بائیو میتھین میں تبدیل کرنے کے لیے ایک امید افزا ٹیکنالوجی کا بھی مظاہرہ کیا۔ مزید برآں، ایتھنول اور کیپروٹ سمیت مزید قیمتی مصنوعات کو نشانہ بنانے کے لیے ایم ای ایس کے دائرہ کار کو بڑھایا گیا۔ اصول مائکروبیل ایکسٹرا سیلولر الیکٹران کی منتقلی الیکٹروڈ کے ساتھ بیکٹیریا سے الیکٹرانوں کے لیے مختلف میکانزم ہیں۔ ان میں ایک "براہ راست" عمل شامل ہے، جہاں خلیے کی سطح پر واقع ریڈوکس اجزاء، جو کہ ملٹی ہیم سائٹوکرومز یا نینو فیلامینٹس ہو سکتے ہیں، ٹھوس سطحوں سے براہ راست رابطہ کرتے ہیں (شکل 1 اے، سی اور ڈی)، اور ایک "بالواسطہ" عمل جس کی ثالثی گھلنشیل ریڈوکس ثالثوں کے ذریعے کی جاتی ہے جو خلیوں اور الیکٹروڈ [28-30] (شکل 1 بی) کے درمیان چکور الیکٹرانوں کو منتقل کرتے ہیں۔ الیکٹران شٹلز ہیومک مادہ ہو سکتے ہیں جو خلیوں کے ذریعہ تیار نہیں ہوتے ہیں، یا ثانوی میٹابولائٹس جو حیاتیات کے ذریعہ تیار کیے جاتے ہیں جن میں فینازین [32، 33] اور فلاوینس [34، 35] شامل ہیں۔ اس کے علاوہ، بیکٹیریا کے کچھ بنیادی میٹابولائٹس، جیسے سلفر پرجاتیوں اور H2، الیکٹرانوں کو ایکسٹرا سیلولر الیکٹران قبول کرنے والوں کی طرف لے جا سکتے ہیں۔ ملٹی ہیم سائٹوکرومز میں ہیم کوفیکٹرز کے علاوہ، فلاوین مونو نیوکلیوٹائڈ کو بھی ریڈوکس کوفیکٹرز [27] کے طور پر کچھ بیرونی جھلی سائٹوکروم میں الیکٹران کی منتقلی کی شرح کو بڑھانے کے لیے دکھایا گیا۔ چونکہ الیکٹرانوں کو ای ای ٹی کے دوران سیلولر جھلی کے پار مائکروبیل خلیوں کے اندرونی حصے سے بیرونی حصے میں منتقل کیا جاتا ہے، مثبت چارج والے آئنوں کو چارج غیر جانبداری کو برقرار رکھنے کے لیے بیک وقت الیکٹران کے بہاؤ کی سمت میں حرکت کرنے کی ضرورت ہوتی ہے (شکل 1 اے)۔ بائیو الیکٹرو کیمیکل سسٹم (اصول، اجزاء، ترتیبات) بائیو الیکٹرو کیمیکل سسٹم (بی ای ایس) وہ آلہ ہے جو ایم ای ٹی میں استعمال ہوتا ہے۔ ایک کلاسک بی ای ایس جیسے ایم ایف سی عام طور پر دو حصوں پر مشتمل ہوتا ہے (شکل 2): ایک انوڈک اور ایک کیتھوڈک سیکشن جو منتخب طور پر پارगम्य، پروٹون/کیشن ایکسچینج جھلی یا سالٹ برج سے الگ ہوتا ہے۔ ایم ایف سی میں، انوڈک سیکشن مائکروبس پر مشتمل ہوتا ہے جو اینولیٹ میں اینیروبک حالات میں بائیو کیٹالسٹس کے طور پر کام کرتے ہیں، جہاں کیتھوڈک سیکشن الیکٹران قبولیت پر مشتمل ہوتا ہے (مثال کے طور پر۔ آکسیجن)۔ نامیاتی مرکبات کے آکسیکرن سے پیدا ہونے والے الیکٹرانوں کو انوڈ تک پہنچایا جاتا ہے۔ جرثوموں کے ذریعہ پیدا ہونے والے الیکٹرانوں کو براہ راست 'نانووائرز' یا بیرونی میمبرین پروٹین کے ذریعے، یا بالواسطہ طور پر الیکٹران شٹلنگ ایجنٹوں کا استعمال کرتے ہوئے انوڈ میں منتقل کیا جاتا ہے۔ یہ الیکٹران ایک بیرونی سرکٹ کے پار کیتھوڈ تک پہنچتے ہیں اور چلنے والے ہر الیکٹران کے لیے، پروٹون رد عمل کو مکمل کرنے اور برقی کرنٹ کو برقرار رکھنے کے لیے کیتھوڈ پر رد عمل ظاہر کرتے ہیں۔ بی ای ایس ری ایکٹرز کی متعدد اقسام ہیں لیکن بڑے پیمانے پر وہ سب ایک جیسے آپریٹنگ اصولوں کا اشتراک کرتے ہیں۔ فنکشنگ سسٹم میں تین بنیادی عناصر (اینوڈ، کیتھوڈ اور سیپریٹر) کی اسمبلی کو بہتر بنانے کے لیے مختلف ڈیزائن اور ترتیبات قائم کیے گئے ہیں۔ بی ای ایس کی کارکردگی ان کے ڈیزائن کے ساتھ نمایاں طور پر تبدیل ہوتی ہے۔ ٹیبل 1۔ ان کی تعمیر کے لیے اہم بی ای ایس اجزاء اور متعلقہ مواد کا خلاصہ دکھاتا ہے۔ جدول 1۔ ایم ایف سی ایپلی کیشنز کے بڑے اجزاء توانائی کی بازیابی اور پیداوار ایم ایف سی کے ساتھ گندے پانی کا علاج یہ اچھی طرح سے جانا جاتا ہے کہ گندے پانی کے علاج میں پمپنگ، ہوا بازی، اور ٹھوس ہینڈلنگ توانائی استعمال کرنے والے بڑے عمل ہیں۔ اکیلے ہوا بازی ایک عام گندے پانی کے ٹریٹمنٹ پلانٹ میں آپریشن کے اخراجات کا 50 فیصد حصہ بن سکتی ہے۔ ان اخراجات کو ختم کرنے سے بڑی مقدار میں توانائی کی بچت ہو سکتی ہے۔ گندے پانی کے علاج میں ایم ایف سی، بجلی کی پیداوار کے علاوہ، ان مذکور عمل سے منسلک توانائی کی بچت میں بھی مدد کرتے ہیں جو ایک بہت بڑا فائدہ دیتے ہیں۔ ایم ایف سی عمل ایک اینیروبک عمل ہے اور اینیروبک عمل کے لیے کیچڑ کی پیداوار ایروبک عمل کے لیے اس کا تقریبا 1/5 ہے۔ اس طرح، ایم ایف سی کا استعمال گندے پانی کے ٹریٹمنٹ پلانٹ میں ٹھوس مادوں کی پیداوار کو کم کر سکتا ہے، بالآخر ٹھوس مادوں کو سنبھالنے کے لیے اہم آپریٹنگ اخراجات کو کم کر سکتا ہے۔ مزید برآں، اس ٹیکنالوجی نے اس صدی کے آغاز سے بجلی کی پیداوار میں تقریبا تیزی سے اضافہ دیکھا ہے۔ یہ ارتقاء انجینئروں کی طرف سے بڑھتی ہوئی تعریف کی بازگشت کرتا ہے کہ یہ ٹیکنالوجی عملی ایپلی کیشنز کے طور پر ابھرنے کے لیے تیار ہے اور اس سے وابستہ ٹیکنالوجیز بہت جلد منظر عام پر آئیں گی۔ ایم ایف سی ٹیکنالوجیز کے ذریعے گندے پانی کا علاج ایک امید افزا اور ابھی تک منفرد طریقہ کار ہے کیونکہ گندے پانی کے علاج کا عمل توانائی کے اخراجات کے بجائے بجلی کی شکل میں توانائی پیدا کرنے کا ایک طریقہ بن سکتا ہے۔ ایم ایف سی کا استعمال کے آئی ایم کے ذریعے پانی میں لیکٹیٹ کے تعین کے لیے کیا گیا۔ اور ساتھی کارکنان، اور بعد میں دکھایا کہ ایم ایف سی میں بجلی کی پیداوار کو صنعتی گندے پانی کا استعمال کرتے ہوئے نشاستے سے برقرار رکھا جا سکتا ہے۔ ایم ایف سی میں بجلی کی پیداوار کے لیے مختلف قسم کے سبسٹریٹ استعمال کیے گئے ہیں جو خالص مرکبات سے لے کر گندے پانی میں موجود نامیاتی مادے کے پیچیدہ مرکب تک ہیں۔ گندے پانی کے بائیو ٹریٹمنٹ کے لیے ایم ایف سی کے استعمال نے تقریبا 40-90% سی او ڈی اور بی او ڈی میں کمی کے ساتھ گندے پانی میں موجود نامیاتی مادے کو بجلی میں موثر تبدیلی بھی ریکارڈ کی ہے۔ ظاہر ہے، گندے پانی سے حاصل کی جانے والی توانائی کسی شہر کو بجلی فراہم کرنے کے لیے کافی نہیں ہے، لیکن یہ ٹریٹمنٹ پلانٹ چلانے کے لیے کافی بڑی ہو سکتی ہے۔ مسلسل پیش رفت کے ساتھ، اس طاقت کو حاصل کرنے سے گندے پانی کے بنیادی ڈھانچے کی توانائی کی پائیداری کا باعث بن سکتا ہے۔ بینتھک ایم ایف سی بینتھک ایم ایف سی اینوکسک سمندری تلچھٹ میں نامیاتی سبسٹریٹس کے مائکروبیل آکسیکرن کے ذریعے بجلی پیدا کرتے ہیں جس کے ساتھ پانی کے اوپری کالم میں آکسیجن کی کمی ہوتی ہے۔ الیکٹران مختلف تلچھٹوں میں قدرتی طور پر پائے جانے والے مائکروجنزم کے میٹابولزم سے پیدا ہوتے ہیں۔ اس طرح، بینتھک ایم ایف سی میں کسی بھی بیرونی مائکروجنزم یا الیکٹران شٹل کے اضافے کی ضرورت نہیں ہوتی ہے۔ موسمی بوئوں نے اپنی پوری طاقت بینتھک ایم ایف سی سے حاصل کی جس سے وہ بیٹریوں کو تبدیل کرنے کی ضرورت سے مسلسل اور آزادانہ طور پر کام کر سکتے تھے۔ بینتھک ایم ایف سی کو بجلی کی پیداوار میں کمی کے بغیر کئی سالوں تک چلایا جا سکتا ہے۔ محققین نے اندازہ لگایا کہ ایک بینتھک ایم ایف سی اسی بجلی کی سطح پر غیر معینہ مدت تک بجلی فراہم کر سکتا ہے اور اتنی ہی قیمت جتنی گہرے سمندر کی طاقت اور روشنی سے منسلک لیڈ ایسڈ بیٹری ایک سال تک فراہم کر سکتی ہے۔ غذائی اجزاء کی بازیابی نائٹروجن اور فاسفورس کو گندے پانی میں بڑے آلودگیوں کے طور پر سمجھا جاتا ہے جن کو ہٹانا اور بازیافت پائیدار علاج کے نظام کے لیے ضروری ہے۔ نائٹروجن کو روایتی طور پر حیاتیاتی نائٹریفیکیشن اور ڈینیٹریفیکیشن کے عمل کے ذریعے ہٹا دیا جاتا ہے جس میں گندے پانی کے علاج میں بہت زیادہ توانائی اور لاگت شامل ہوتی ہے۔ بی ای ایس میں امونیم نائٹروجن کی بازیابی کی اچھی صلاحیت ہے جس میں نائٹروجن سے بھرپور فضلہ جیسے پیشاب، سوائن شراب، ڈائجسٹر شراب اور لینڈ فل لیچیٹ وغیرہ سے اچھا منافع ہوتا ہے۔ گندے پانی سے فاسفورس روایتی طور پر پولی فاسفیٹ دانے دار، فی-پی یا سٹرووائٹ کے طور پر بیکٹیریا کے ذریعے بازیافت کیا جاتا ہے۔ Cusick et al. سنگل چیمبر ایم ای سی کو استعمال کرکے بی ای ایس میں اسٹروائٹ کی پیداوار حاصل کی گئی، جہاں 40 ٪ تک گھلنشیل فاسفیٹ کو اسٹروائٹ بارش کے ذریعے 0.3-0.9 g/m2/h کی شرح سے بازیافت کیا گیا۔ بی ای ایس میں دیگر فاسفورس کی بازیابی میں گندے پانی سے فاسفیٹ آئنوں کے ساتھ کیتھوڈ رد عمل سے پیدا ہونے والے ہائیڈرو آکسائیڈ آئنوں کا تبادلہ شامل تھا جس کے نتیجے میں 52.4 ± 9.8 فیصد فاسفیٹ کو ہٹایا گیا۔ مائیکروبیل الیکٹرو کیمیکل ریمیڈیشن بی ای ایس زیر زمین آلودگیوں کے تدارک کے لیے آکسیکرن اور تخفیف پر مبنی عمل دونوں کے لیے جانا جاتا ہے۔ روایتی حیاتیاتی علاج یا کیمیائی عمل کے مقابلے میں، بی ای ایس ایک یا متعدد الیکٹروڈ استعمال کرتے ہیں جو آلودگیوں کے تدارک کے لیے بند ری ایکٹر نہیں ہوتے ہیں۔ اس نظام میں ٹھوس الیکٹروڈ غیر زہریلی یا کم زہریلی شکلوں میں آلودگیوں کی مائکروبیل تبدیلی کو متحرک کرنے کے لیے غیر ختم ہونے والے الیکٹران قبول کنندگان/عطیہ دہندگان کے طور پر کام کرتے ہیں۔ مثال کے طور پر، مشترکہ بائیو الیکٹرکٹی کے ساتھ زہریلے مادوں کی حیاتیاتی انحطاط کو بڑھانا پیداوار ہو سکتی ہے۔ پیچیدہ پٹرولیم نامیاتی، جیسے کہ بی ٹی ای ایکس کمپلیکس (بینزین، ٹولوین، زائلین، اور ایتھائل بینزین وغیرہ)۔ بی ای ایس سسٹمز کا استعمال کرتے ہوئے بائیو ریمیڈیٹ کیا جا سکتا ہے۔ مورس اور دیگر نے اطلاع دی کہ ڈیزل (C8-C25) کے انحطاط کو پاور ان پٹ کے بغیر الیکٹروڈ متعارف کروا کر 164% سے بہتر بنایا گیا۔ بائیو ڈیزل، فینول، کل پٹرولیم ہائیڈرو کاربن، پولی سائیکلک ارومیٹک ہائیڈرو کاربن (پی اے ایچ)، 1,2-ڈائکلورو ایتھین، پیریڈائن وغیرہ پر تحقیقات میں یہ بھی کہا گیا ہے کہ بی ای ایس کی توثیق کو پیٹرولیم ہائیڈرو کاربن کو بیک وقت موجودہ نسل کے ساتھ خراب کرنے کے لیے ایک عملی ٹیکنالوجی کے طور پر استعمال کیا جا سکتا ہے۔ ٹرائکلورو ایتھین اور ٹیٹراکلورو ایتھین جیسے کلورینیٹڈ سالوینٹس، جو زیادہ زہریلا یا کارسنجینک نوعیت کے لیے جانے جاتے ہیں، منفی پولرائزڈ سالڈ اسٹیٹ الیکٹروڈ کا استعمال کرکے خراب ہونے کی اطلاع دی گئی ہے جو الیکٹران شٹلز کے ساتھ اور اس کے بغیر الیکٹرانوں کا عطیہ کرتے ہیں۔ نائٹریٹ کو ہٹانا، جو کہ ایک عام زیر زمین آلودہ چیز ہے، یا تو اکیلے [سیکونٹ، 2018 #9] یا دیگر شریک آلودگیوں جیسے آرسینائٹ کے ساتھ مل کر بھی دکھایا گیا ہے۔ روایتی ڈینیٹریفیکیشن کے مقابلے میں جس میں ہیٹروٹروفک ڈینیٹریفائنگ بیکٹیریا شامل ہوتے ہیں، بی ای ایس کے ذریعے ڈینیٹریفیکیشن میں آٹوٹروفک ڈینیٹریفائنگ بیکٹیریا شامل ہوتے ہیں جن میں الیکٹرانوں کو الیکٹروڈ سے اٹھانے کی صلاحیت ہوتی ہے۔ نتیجتا، بی ای ایس میں بائیو کیتھوڈز کو ڈی نائٹریفیکیشن کے لیے تیار کیا گیا ہے جس کے نتیجے میں زیر زمین پانی اور گندے پانی میں کم توانائی کی لاگت پر نائٹریٹ/نائٹریٹ میں موثر کمی واقع ہوتی ہے۔ دیگر مطالعات میں، الیکٹران ڈونرز کے طور پر کیتھوڈ کے ساتھ بی ای ایس میں پرکلوریٹ، سی آر (VI)، سی یو (II)، اور تابکار یورینیم کی کمی بھی حاصل کی گئی ہے۔ گھلنشیل الیکٹران ڈونر کے بجائے الیکٹران ڈونر کے طور پر ٹھوس الیکٹروڈ کے استعمال سے وابستہ سب سے بڑا فائدہ آلودگیوں میں کمی (مثال کے طور پر، U (VI) سے U (IV)) ہے جو الیکٹروڈ پر ایک مستحکم بارش ہے۔ بی ای ایس کا استعمال کرتے ہوئے نہ صرف زیر زمین پانی بلکہ مٹی کے حیاتیاتی علاج کی بھی تلاش کی گئی ہے۔ مثال کے طور پر، مٹی میں جڑی بوٹیوں اور اینٹی بائیوٹکس کی کامیاب صفائی کا مظاہرہ کیا گیا ہے (حوالہ)۔ کیمیکلز کی مائکروبیل الیکٹرو کیمیکل پروڈکشن ایم ای ایس، بی ای ایس کی ایک قسم، مائکروبس کو کیتھوڈک اتپریرک کے طور پر استعمال کرکے ایندھن اور اعلی قیمت والے کیمیکلز کی ترکیب کو چلانے کے لیے بجلی کا استعمال کر سکتی ہے جس کے نتیجے میں فضلہ کے دھاروں کا علاج بھی ہوتا ہے (شکل۔ 3)۔ اس نظام سے وابستہ دوہرے فوائد کاربن کو الگ کرنا اور ویلیو ایڈڈ کیمیکلز کی پیداوار ہیں۔ ایم ای ایس کے ذریعے قیمتی مرکبات کی ایک وسیع رینج تیار کی گئی ہے، جیسے کہ ایچ 2، ایسیٹیٹ، سی ایچ 4، ایتھنول، بیوٹینول، ایچ 2 او 2، وغیرہ۔ ایم ای ایس میں پروڈکٹ سپیکٹرم بڑی حد تک بائیو کیتھوڈ مواد (کاربن یا دھات پر مبنی)، شامل مائکروجنزم، تخفیف کی صلاحیت، اور ریڈوکس ثالث کی سرگرمی، اور پی ایچ، درجہ حرارت اور دباؤ سمیت آپریشن کے حالات کے ذریعے کنٹرول کیا جاتا ہے۔ کیتھوڈ پر ہائیڈروجن کی پیداوار کو یقینی بنانے کے لیے-0.6 اور-1.0 V بمقابلہ SHE کے درمیان کی صلاحیت کو عام طور پر مخلوط کلچر کے ساتھ ٹیکہ لگائے گئے MES پر لاگو کیا جاتا ہے، جسے پھر CO2 کو کم کرنے کے لیے ایسیٹوجینک اور میتھانوجینک مائکروجنزموں کے ذریعے لیا جاتا ہے۔ کم منفی صلاحیتوں پر کاربن ڈائی آکسائیڈ میں کمی، یہاں تک کہ-0.4 وی بمقابلہ ایس ایچ ای کی نظریاتی صلاحیت سے بھی زیادہ، مخصوص مائکروجنزموں جیسے اسپوروموسا کے لیے ظاہر کیا گیا ہے، حالانکہ اب بھی اس بات پر بحث کی جاتی ہے کہ آیا اس کی وجہ کیتھوڈ سے براہ راست الیکٹران کا جذب ہونا ہے یا الیکٹروڈ کی سطح پر سازگار تھرموڈینامکس۔ ایم ای ایس پر زیادہ تر مطالعات ماحول (تقریبا 20 ڈگری سیلسیس) یا میسوفیلک (تقریبا 35 ڈگری سیلسیس) کے تحت کیے گئے ہیں، لیکن یہ عمل تھرموفیلک حالات (50-70 ڈگری سیلسیس) کے تحت قابل عمل ثابت ہوا۔ غیر جانبدار یا قدرے تیزابی پی ایچ (5.5-7.0) کو سی او 2 کو ایسیٹک ایسڈ میں تبدیل کرنے کے لیے بہترین دکھایا گیا تھا، حالانکہ میتھانوجینیسیس کے آغاز سے بچنے کے لیے کم پی ایچ، یا برومو ایتھین سلفونک ایسڈ (بی ای ایس اے) جیسے انفیکٹرز کا استعمال ضروری ہے۔ ایم ای ایس سے حاصل ہونے والے کیمیائی مرکبات کو نیچے کی طرف صنعتی مصنوعات جیسے پولیمرک مصنوعات، ڈیزل یا مٹی کے تیل سے مشابہت رکھنے والی مصنوعات، پلاسٹکائزر، اور بہت سی صنعتوں میں چکنا کرنے والے ایجنٹوں کے طور پر استعمال کیا جا سکتا ہے۔ شکل۔ 3. ایم ای ایس کے خاکے فضلہ کے بہاؤ کے علاج اور اعلی قیمت والی مصنوعات کی تشکیل کو ظاہر کرتے ہیں۔ بہت سے نامیاتی مرکبات جیسے ایسیٹیٹ، بیوٹیریٹ، اور لیکٹیٹ، بڑی حد تک گندے پانی کے پودوں اور خمیر یونٹوں کے اخراج میں موجود ہیں۔ یہ نامیاتی مصنوعات قابل قدر مصنوعات ہیں، لیکن ان کی کم تعداد کی وجہ سے، نکالنا لاگت سے موثر آپشن نہیں ہے۔ لہذا، ایم ای ایس کو ان شارٹ چین کاربوکسلک ایسڈ کو لمبے چین ایسڈ اور دیگر مفید مصنوعات میں تبدیل کرنے کے لیے استعمال کیا گیا ہے۔ اگرچہ اعلی قیمت والے مرکبات کم وسائل کی لاگت والے فیڈ سے حاصل کیے جا سکتے ہیں، لیکن اس بات کا موازنہ کرنے کے لیے مطالعات کی ضرورت ہے کہ آیا موجودہ ٹیکنالوجیز کے مقابلے میں ریڈوکس کی صلاحیت کو کنٹرول کرنا اور کیتھوڈ کو کرنٹ کی فراہمی معاشی طور پر ممکن ہے یا نہیں۔ اس کے باوجود، اس ٹیکنالوجی پلیٹ فارم میں مزید بہتری مستقبل کی حیاتیاتی معیشت کے بہت سے بنیادی چیلنجوں پر قابو پانے میں مدد کر سکتی ہے۔ H2 کی پیداوار کے لیے مائکروبیل الیکٹرولیسس جب ہائیڈروجن کی پیداوار کے لیے استعمال کیا جاتا ہے، تو تمام نامیاتی مواد کو کاربن ڈائی آکسائیڈ اور ہائیڈروجن گیس میں تبدیل کرنے کی توانائی کی رکاوٹ کو دور کرنے کے لیے ایم ای سی کو بیرونی توانائی کے ذریعے سے مکمل کرنے کی ضرورت ہوتی ہے۔ ایک معیاری ایم ایف سی کو> 0.14 وی کی تکمیل کرکے ہائیڈروجن پیدا کرنے والے ایم ای سی میں تبدیل کیا جاتا ہے۔ ہائیڈروجن کے بلبلے کیتھوڈ پر بنتے ہیں اور ایندھن کے ذریعہ کے طور پر استعمال کرنے کے لیے جمع کیے جاتے ہیں۔ اگرچہ بجلی کا استعمال عام ایم ایف سی کی طرح پیدا کرنے کے بجائے کیا جاتا ہے، لیکن ہائیڈروجن پیدا کرنے کا یہ طریقہ موثر ہے کیونکہ انوڈ میں بیکٹیریا سے پیدا ہونے والے 90 فیصد سے زیادہ پروٹون اور الیکٹران ہائیڈروجن گیس میں تبدیل ہو جاتے ہیں۔ ہائیڈروجن کو جمع کیا جا سکتا ہے اور بعد میں استعمال کے لیے ذخیرہ کیا جا سکتا ہے تاکہ ایم ایف سی کی موروثی کم طاقت کی خصوصیت پر قابو پایا جا سکے۔ مائکروبیل الیکٹرو کیمیکل بائیو گیس کو سی ایچ 4 میں اپ گریڈ کرنا مائکروبیل الیکٹرو کیمیکل کمی کے تصور میں کاربن ڈائی آکسائیڈ کی تبدیلی شامل ہے جو اینیروبک ڈائجسٹر میں پیدا ہونے والی بائیو گیس کا غیر توانائی سے بھرپور جزو ہے جو میتھین کے توانائی سے بھرپور جزو میں تبدیل ہوتا ہے۔ یہ کمی ایم ای ایس میں کاربن ڈائی آکسائیڈ، پروٹون اور الیکٹرانوں (بجلی سے) کے درمیان کیمیائی رد عمل کے ذریعے ممکن ہے۔ یہ بصورت دیگر پاور ٹو گیس ٹیکنالوجی کے نام سے جانا جاتا ہے، جو الیکٹرو کیمیکل یونٹس کو صنعتی فضلہ اور زیادہ اہم صنعتی CO2 کے اخراج کے لیے کاربن سنک کے طور پر کام کرنے کی اجازت دیتا ہے۔ پاور ٹو گیس ٹیکنالوجی ممکنہ طور پر مہنگی تکنیکوں، جیسے کہ امین اسکربنگ یا پریشر سوئنگ ایڈسورپشن کا استعمال کرتے ہوئے کاربن ڈائی آکسائیڈ کو ہٹانے کی ضرورت کے بغیر قدرتی گیس سے ملتی جلتی گریڈ کے ساتھ بائیو گیس پیدا کرتی ہے۔ پانی کی ڈی سیلینیشن پینے کے پانی کے لیے استعمال ہونے والے سمندری پانی اور نمکین پانی کی ڈی سیلینیشن نے ہمیشہ اہم مسائل پیش کیے ہیں کیونکہ پانی سے تحلیل شدہ نمکیات کو ہٹانے کے لیے درکار توانائی کی مقدار کی وجہ سے۔ ایک موافقت شدہ ایم ایف سی کا استعمال کرتے ہوئے، یہ عمل بغیر کسی بیرونی برقی توانائی کے ان پٹ کے آگے بڑھ سکتا ہے۔ جب ایک معیاری ایم ایف سی کے دو الیکٹروڈ کے درمیان تیسرا چیمبر جوڑتے ہیں اور اسے سمندری پانی سے بھرتے ہیں، تو سیل کے مثبت اور منفی الیکٹروڈ بالترتیب مثبت اور منفی نمک آئنوں کو اپنی طرف متوجہ کرتے ہیں، اور نمک کو نیم پارगम्य جھلی کا استعمال کرتے ہوئے سمندر کے پانی سے فلٹر کیا جا سکتا ہے۔ لیبارٹری کے کام میں نمک کو ہٹانے کی استعداد 90 فیصد تک ریکارڈ کی گئی ہے۔ بائیو سینسروں کے ایم ایف سی کے حیاتیاتی فضلہ ٹریٹمنٹ یونٹ کی نگرانی اور کنٹرول میں استعمال ہوتے ہیں کیونکہ ان کے ایم ایف سی کی کولومبی پیداوار اور گندے پانی میں نامیاتی مادے کی طاقت کے باہمی تعلق کی وجہ سے جو بائیو سینسروں کے لیے ریڈنگ کے طور پر کام کرتا ہے۔ مائکروجنزم شیوانیلا پر مبنی نظام سیوریج میں حیاتیاتی آکسیجن کی طلب کی مقدار کے لیے سینسر کے طور پر وعدہ ظاہر کرتے ہیں۔ اس تصور کو دوسرے مرکبات کا پتہ لگانے کے لیے آسانی سے بڑھایا جا سکتا ہے جو بجلی کی پیداوار کے لیے الیکٹران ڈونرز کے طور پر کام کر سکتے ہیں، جیسے کہ ہائیڈروجن یا خوشبودار آلودگیاں۔ نیز، اس طرح کے سینسر دریاؤں میں زہریلے مادوں کے اشارے کے طور پر، گندے پانی کے ٹریٹمنٹ پلانٹس کے داخلی دروازے پر، آلودگی یا غیر قانونی ڈمپنگ کا پتہ لگانے کے لیے، یا آلودہ مقامات پر تحقیق کرنے کے لیے انتہائی مفید ثابت ہو سکتے ہیں۔ مائیکرو الیکٹرانکس اور متعلقہ شعبوں کی ترقی کے ساتھ الیکٹرانک آلات کے لیے بجلی کی ضرورت بہت کم ہو گئی ہے۔ ایم ایف سی کم طاقت والے سینسر چلا سکتے ہیں جو دور دراز علاقوں سے ڈیٹا اکٹھا کرتے ہیں۔ اینیروبک بیکٹیریا جو قدرتی طور پر تلچھٹ میں بڑھتے ہیں وہ چھوٹا کرنٹ پیدا کرتے ہیں جسے سینسر کے لیے توانائی ذخیرہ کرنے کے لیے کیپسیٹر کو چارج کرنے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ روایتی بیٹری کے بجائے ریموٹ سینسنگ میں ایم ایف سی کا استعمال کرنے کا ایک بڑا فائدہ یہ ہے کہ بیکٹیریا دوبارہ پیدا ہوتے ہیں، جس سے ایم ایف سی کو روایتی بیٹریوں کے مقابلے میں نمایاں طور پر طویل عمر ملتی ہے۔ اس طرح سینسر کو دیکھ بھال کے بغیر کئی سالوں تک دور دراز علاقے میں تنہا چھوڑا جا سکتا ہے۔ اس اثر کے لیے قابل اعتماد ایم ایف سی تیار کرنے کے لیے وسیع تحقیق، زیادہ تر مناسب نامیاتی اور غیر نامیاتی مادوں کے انتخاب پر مرکوز ہے جنہیں توانائی کے ذرائع کے طور پر استعمال کیا جا سکتا ہے۔ مائکروبیل موجودہ پیداوار بائیو فلم یا گندے پانی پر مبنی وبائی امراض کے لیے منشیات کی جانچ کے لیے بائیو الیکٹرو کیمیکل سینسرز پر بھی لاگو ہوتی ہے۔ جیوبیکٹر بیکٹیریل نانووائرز ایکسو الیکٹروجن بائیو الیکٹرو کیمیکل ری ایکٹر حوالہ جات بائیو فزکس بھی دیکھیں۔