BIOELECTRICITY GENERATION BY UTILISING THE BIODEGRADATION OF POLYAROMATIC HYDROCARBONS IN A MICROBIAL FUEL CELL. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Fatmah Alamer Thesis with edits.pdf Restricted to Repository staff only until 10 September 2026. Download (2MB)

Arabic Abstract

تستغل الأبحاث في مجال خلايا الوقود الميكروبية (MFCs) الكائنات الحية الدقيقة لتوليد الكهرباء باستخدام مصادر وقود مثل المواد العضوية، مثل الجلوكوز. ومن بين هذه المصادر، يمكن استخدام الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات (PAHs) لتوليد كهرباء مستدامة، مما يمزج بين المعالجة البيئية وإنتاج الطاقة المتجددة. تعد الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات ملوثات خطرة موجودة في النفايات الصناعية حيث تشكل مخاطر بيئية وصحية عامة كبيرة بسبب خصائصها السامة والمسرطنة. تستخدم خلايا الوقود الميكروبية كائنات دقيقة محددة لتحليل هذه الملوثات باستخدامها كمصدر للكربون بينما تحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية، مما يقدم فائدة مزدوجة تتمثل في التخفيف من التلوث وتوليد الطاقة. في الدراسة الحالية، تم تقييم نظامين ميكروبيين شملوا بكتيريا Halomonas caseinilyticaالمحبة للملوحة واتحادًا بكتيريًا مكونًا من أنواع Pseudomonas و Bacillus. تم تشغيل خلايا الوقود الميكروبية باستخدام النفثالين، والفينانثرين، والأنثراسين كمصدر كربون وحيد في وسط بوشنيل هاس، وتم مراقبة الجهد الخارج لتقييم النشاط الكهروحيوي. تم رصد النتائج باستخدام جميع مركبات PAHs مع السلالات، ومع كل مركب بمفرده مع السلالات، ومع إضافة %1 جلوكوز. أظهرت النتائج أنه عند دمج جميع مركبات PAHs معًا، بلغ الجهد الكهربي ذروته ليصل إلى 0.1874 فولت للسلالة caseinilytica Halomonas و 0.2549 فولت للاتحاد البكتيريPseudomonas-Bacillus، خلال 72 ساعة. مما يشير بوضوح إلى إمكانية كل من السلالتين في توليد الكهرباء وتحليل مركباتPAHs .علاوة على ذلك، أظهرت بكتيريا caseinilytica Halomonas المحبة للملوحة أداءً مستدامًا في الظروف الملحية %10) كلوريد الصوديوم(، بينما أظهر الاتحاد البكتيري توليدًا سريعًا للجهد في البداية أعقبه انخفاض، مما يوحي بوجود اختلافات في استغلال الركائز والمسارات الأيضية. عند دراسة كل مركب من مركبات PAHs بشكل منفصل، أظهرت النتائج تفوق أداء caseinilytica H. على أداء الاتحاد البكتيري Pseudomonas-Bacillusعبر جميع المركبات. ولاحظ أن السلالات المختارة حققت أعلى قيم للجهد الكهربي مع مركب الفينانثرين مقارنة بالأنثراسين أو النفثالين، حيث أظهر الأنثراسين أضعف النتائج مع كلا السلالتين. تدعم هذه النتائج استخدام البكتيريا المعزولة محليًا في خلايا الوقود الميكروبية لمواجهة التحديين المزدوجين المتمثلين في إزالة التلوث بالهيدروكربونات وإنتاج الطاقة المتجددة، خاصة في البيئات الملوثة بالنفط. تُسلط النتائج الضوء على إمكانات الأنظمة الميكروبية المصممة خصيصًا لتطبيقات المعالجة الحيوية المستدامة المولدة للطاقة، لاسيما في مناطق مثل المملكة العربية السعودية حيث يشكل التلوث النفطي مخاوف بيئية كبيرة، حيث قد يؤدي ذلك إلى اكتشاف المزيد من السلالات مثل caseinilytica Halomonas التي يمكنها التعامل مع المناخات القاسية. يُوصى بشدة في الدراسات المستقبلية بعزل سلالات المحلية لدراسة مدى توليدها للكهرباء وتعزيز قدرة تحليلها لمركباتPAHs .

English Abstract

The research on microbial fuel cells (MFCs) utilizes microorganisms to generate electricity through a fuel source. Organic substrates, such as glucose, are used as a fuel source for these microorganisms. Of these sources, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) can be used to generate sustainable electricity, merging environmental remediation with renewable energy production. PAHs are hazardous pollutants found in industrial waste, posing significant ecological and public health risks due to their toxic and carcinogenic properties. MFCs utilize specific microorganisms to break down these pollutants using them as a carbon source while converting chemical energy into electrical energy, thus offering a dual benefit of pollution mitigation and energy generation. In the current study two microbial systems were evaluated including a halotolerant Halomonas caseinilytica and a consortium of Pseudomonas and Bacillus species. The MFCs were operated with naphthalene, phenanthrene, and anthracene as the sole carbon source in Bushnell-Hass medium and voltage output was monitored to assess electrogenic activity. Results were monitored with all PAHs together and the strains, with each PAH alone, the strains, and with 1% glucose. Results showed that when the PAHs were all combined which reached peaks of 0.1874 V for the Halomonas caseinilytica and 0.2549 V for the Pseodomonass-Bacillus consortium, within 72 hours. Which clearly indicates that both strains have potential to generate electricity and PAH degradation. Furthermore, the halotolerant Halomonas caseinilytica demonstrated sustained performance under saline conditions (10% NaCl), while the consortium showed rapid initial voltage generation followed by decline. Which suggest that differences in substrate utilization and metabolic pathways. Upon further study, taking each PAH separately, results showed found that H. caseinlytica outperforms Pseudomonas-Bacillus across all PAHs. The selected strains generate the highest voltages with phenanthrene compared to anthracene or naphthalene where anthracene shows the weakest results in both strains. The results advocate for using locally isolated bacteria in MFCs to mitigate dual challenges of hydrocarbon contamination removal and renewable energy production especially in oil-contaminated environments. The results highlight the potential of tailored microbial systems for sustainable bioremediation-energy applications, particularly in regions like Saudi Arabia where oil pollution shows significant environmental concerns, as it could lead to the discovery of more strains like Halomonas caseinilytica that could better handle harsher climates. Future studies will be highly recommended to isolate where more indigenous and novel strains which could be able to generate high electricity and enhanced PAHs degradation potential.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Environmental
Department:	College of Chemicals and Materials > Bioengineering
Committee Advisor:	Ahmad, Irshad
Committee Members:	Nzila, Alexis and Ben Mansour, Rached
Depositing User:	FATMAH ALAMER (g202213320)
Date Deposited:	14 Sep 2025 06:25
Last Modified:	14 Sep 2025 06:25
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143700