Tecnologia Científica

Células de combustível microbianas movidas a água da chuva para geração de energia em áreas remotas
O trabalho destacou a influência significativa da estação das chuvas em condições anaeróbias , onde a água da chuva de verão atingiu um potencial de circuito aberto (OCP) de 553 ± 2 mV, sem adição de nutrientes à temperatura ambiente
Por Thamarasee Jeewandara - 10/01/2022


MFC que foi usado no estudo: a) lado do cátodo eb) lado do ânodo. Crédito: Royal Society Open Science , doi: 10.1098 / rsos.210996

Em um novo relatório agora publicado na Royal Society Open Science , Mohammed Taha Amen e uma equipe de cientistas em engenharia de bio-nanosistemas, engenharia química e microbiologia da Universidade Nacional de Chonbuk da Coreia do Sul e da Universidade Zagazig, no Egito, mostraram a possibilidade de usando água da chuva como um analito sustentável em uma célula a combustível microbiana de catodo de ar (MFC). Os resultados mostraram como os construtos podem funcionar dentro de uma faixa de temperatura específica, em ambientes aeróbios e anaeróbios.

O trabalho destacou a influência significativa da estação das chuvas em condições anaeróbias , onde a água da chuva de verão atingiu um potencial de circuito aberto (OCP) de 553 ± 2 mV, sem adição de nutrientes à temperatura ambiente. A adição de nutrientes aumentou ainda mais a voltagem da célula. A equipe obteve o potencial máximo de circuito aberto para a água da chuva de inverno ao expor o reator ao ar (condições aeróbicas) à temperatura ambiente.

A célula de combustível microbiana de água da chuva (RMFC) resultante gerou uma potência máxima de 7 ± 0,1 mWm -2 a um valor de densidade de corrente correspondente de 44 ± 0,7 mAm -2 a 30 graus Celsius. Os cientistas obtiveram a potência máxima de saída à temperatura ambiente com a água da chuva de verão. Durante o verão, Lactobacillus spp . formaram o gênero eletroativo dominante, enquanto Staphylococcus spp. dominava a água da chuva de inverno. A análise de voltametria cíclica confirmou como os elétrons podem ser entregues diretamente do biofilme bacteriano à superfície do ânodo, sem quaisquer mediadores para abrir um novo caminho para células de combustível microbianas sustentáveis ​​baseadas em água da chuva (RMFCs).

Convertendo energia química em eletricidade em uma célula de combustível microbiana (MFC)

Um sistema de célula de combustível microbiano fornece uma configuração para que os microorganismos convertam a energia química incorporada em alguns compostos orgânicos em eletricidade, oxidando esses compostos em ATPs (trifosfato de adenosina) por meio de reações sequenciais . Os MFCs diferem de outros tipos de células de combustível, pois os organismos vivos podem atuar como um catalisador para organizar os materiais orgânicos presentes na câmara anódica. O processo de desenvolvimento do MFC fornece um processo limpo, confiável e eficiente, sem quaisquer subprodutos tóxicos . Embora a energia produzida pelos MFCs seja relativamente baixa, ela poderia obter energia de vários tipos de resíduos naturalmente presentes em diversos ambientes para conversão direta em eletricidade. Em áreas remotas, os MFCs são, portanto, considerados um conveniente dispositivo gerador de energia para sensores sem fio. A água da chuva contém uma variedade de microorganismos coletados da atmosfera, com ampla evidência de atividade microbiana no ar. As amostras de água da chuva fresca contêm uma ampla variedade filogenética, incluindo sequências genômicas, como Alphaproteobacteria , Actinobacteria, Bacteriodetes e Lentisphaerae. A presença de diversos microrganismos motivou o cientista a estudar a possibilidade de geração de eletricidade a partir de células a combustível microbianas de águas pluviais (RMFC) devido à sua capacidade de metabolizar componentes orgânicos e inorgânicos. Neste trabalho, Amen et al. investigou duas amostras diferentes de água da chuva com base na temporada de coleta de amostras para gerar eletricidade por meio de um MFC de cátodo de ar de câmara única. Os resultados, surpreendentemente, forneceram uma saída de energia promissora em uma atmosfera de qualidade relativamente alta.

Os experimentos e efeitos sazonais

A equipe coletou água da chuva em abril e dezembro para as chuvas de verão e inverno, respectivamente, e usou as amostras sem aditivos ou com caldo nutritivo . Amen et al. em seguida, construiu um MFC para funcionar como um cátodo de ar de câmara única feito de poliacrílico transparente entre o ânodo e o cátodo. A equipe colocou um eletrodo de referência de prata / cloreto de prata (Ag / AgCl) no compartimento do anodo para medir o potencial dos eletrodos. Eles montaram o MFC e o esterilizaram usando UV, em seguida testaram seu desempenho com água da chuva pura como um anólito (eletrólito no lado do ânodo), ao lado da água da chuva com meio nutriente de caldo. Para examinar as condições aeróbicas / anaeróbias, a equipe em seguida forneceu contato direto do ar ambiente com os MFCs e, em outra instância, bloqueou o acesso ao oxigênio para criarcondições anaeróbicas . Amen et al. Espera-se que os tipos de microrganismos e suas quantidades na água da chuva variem de acordo com a estação. A água da chuva de verão forneceu um potencial máximo de circuito aberto do que no inverno a uma temperatura ambiente após 15 dias de funcionamento. Os resultados indicaram como as células a combustível microbianas da água da chuva propostas poderiam criar um potencial muito aceitável independentemente da estação de coleta, embora a água da chuva de verão produzisse um anólito mais favorável.

Caracterização eletroquímica e efeitos experimentais na configuração

A equipe também testou o desempenho eletroquímico de células a combustível microbianas usando um potenciostato e análise de voltametria cíclica em uma configuração de três eletrodos, onde atribuíram o ânodo como um eletrodo de trabalho, o cátodo e Ag / AgCl como um contra-eletrodo e eletrodo de referência, respectivamente . Após 22 dias de funcionamento, a equipe desmontou o aparato e cultivou o biofilme coletado da superfície do ânodo e do anólito, em meio de ágar Nutrient. Após isolar o crescimento bacteriano, Amen et al. extraiu o DNA genômicopara análise. A equipe descobriu que a manutenção de condições anaeróbias em MFCs é bastante difícil na prática e, portanto, investigou células em condições aeróbias para determinar o papel bem-sucedido da água da chuva como um anólito na configuração para geração de eletricidade. Eles creditaram as descobertas à rápida metabolização de nutrientes a 30 graus Celsius. Os valores de saída enfatizaram as aplicações de RMFCs ( células a combustível microbianas de águas pluviais ) no verão ou inverno nas condições de interesse apropriadas.

Avaliando a confiabilidade dos construtos

A água da chuva de verão sozinha (rotulada SRMFC-A) produziu uma saída de tensão máxima de 553 ± 0,6 mV em comparação com a água da chuva de verão com nutrientes (rotulada SRMFC-WN). A configuração apenas com água da chuva de verão produziu uma potência máxima em 18 dias, enquanto aquelas com nutrientes no meio atingiram uma potência máxima em três dias. Como a adição de nutrientes a uma célula de combustível em um ambiente prático é tediosa, os resultados indicaram como a configuração pode ser usada sozinha sem nutrientes para produzir uma voltagem razoável para aplicações em tempo real. Resultados adicionais com voltametria cíclica mostraram como os elétrons foram entregues do biofilme bacteriano para a superfície do ânodo via contato direto sem mediadores. As células de combustível microbianas de inverno e verão também mostraram um filme eletroativo espesso e bem estruturado via microscopia eletrônica de varredura , possibilitando a transferência de elétrons para o ânodo.

Análises e perspectivas da comunidade bacteriana

Os cientistas examinaram as variantes microbiológicas para investigar a comunidade microbiana na água da chuva usada. Eles observaram a presença de interações sinérgicas entre microrganismos como um fator importante para formar biofilmes eletroativos que sustentam os sistemas bioeletroquímicos a longo prazo. Enquanto o Lactobacillus spp. formado como as bactérias eletroativas primárias na configuração da célula de combustível microbiana de verão, Staphylococcus spp. estiveram presentes de forma mais dominante na configuração de inverno. A célula de combustível microbiana (MFC) proposta é aplicável a regiões em todo o mundo. na prática, a equipe espera aplicações da configuração em áreas remotas onde a célula pode ser preenchida com água da chuva primeiro e deixada no modo de circuito aberto para formar um biofilme na superfície do ânodo e criar um potencial de circuito aberto estável. Desta maneira, Mohammed Taha Amen e seus colegas mostraram o desenvolvimento de uma célula de combustível microbiana de câmara única de cátodo de ar que funcionava efetivamente com a água da chuva como anólito. O produto resultante não é apenas útil para alimentar sensores sem fio, mas também pode ser eficaz como uma ferramenta de biossensor para monitorar a comunidade microbiana.

 

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