Realizado no Rio de Janeiro/RJ, de 14 a 18 de Outubro de 2013.
ISBN: 978-85-85905-06-4
ÁREA: Bioquímica e Biotecnologia
TÍTULO: Geração de eletricidade por microorganismos: comparação entre Geobacter metallireducens, Geobacter sulfurreducens e uma cocultura em células de combustível microbianas.
AUTORES: Lehnen, D. (UFRGS) ; Samios, D. (UFRGS)
RESUMO: As células de combustível microbianas têm sido estudadas para a geração de energia elétrica e para o tratamento de águas. Este trabalho foi desenvolvido utilizando bactérias encontradas em lodo: G. metallireducens, que oxidam metais pesados e compostos aromáticos e G. sulfurreducens, espécie mais comumente utilizada em células de combustível microbianas. Três células utilizando as duas espécies puras bem como uma cocultura das mesmas, foram construídas. Uma comparação entre a densidade de potência máxima por voltametria linear de varredura (LSV) foi realizada. Os biofilmes formados foram analisados com microscópio confocal de varredura a laser. As densidades de potência foram: 2,21, 3,61 e 0,016 W/m2 para G. sulfurreducens, G. metallireducens e cocultura respectivamente.
PALAVRAS CHAVES: Células de combustível; microbianas; eletricidade
INTRODUÇÃO: Células de combustível microbianas (MFC) despertaram interesse nos últimos anos devido à aplicação em tratamento de águas, bioremediação e geração de eletricidade. Porém o aumento na densidade de potência destes dispositivos é essencial para que sejam competitivos com outras fontes de energia renovável. Um dos organismos que tem sido estudado a fundo para a aplicação em MFCs é Geobacter sulfurreducens. As bactérias do gênero Geobacter crescem num eletrodo de ouro, oxidam acetato a CO2 e os elétrons liberados passam ao longo da cadeia respiratória até alcançar o ânodo. Os elétrons movem-se através de uma resistência externa antes de, finalmente, reduzir ferricianeto (ou O2) num cátodo de pano de carbono. Prótons são liberados a partir do biofilme para manter o equilíbrio de carga. Esta espécie de Geobacter, que gera eletricidade pela oxidação de compostos, mostrou gerar uma quantidade significativa de energia devido a múltiplos mecanismos extracelulares de transferência de elétrons através de pili ou citocromos do tipo C. Além disso, a formação de biofilmes no ânodo permite uma maior produção de corrente elétrica, pois todas as células estão envolvidas na transferência de elétrons para o ânodo. Outra espécie de Geobacter que desperta grande interesse é a Geobacter metallireducens por ser capaz de oxidar compostos aromáticos e reduzir metais nocivos solúveis (até mesmo radioativos) a forma inofensiva insolúvel. Neste trabalho foram feitas comparações de densidade de potência em MFCs de culturas puras dos dois organismos bem como numa cocultura das duas bactérias.
MATERIAL E MÉTODOS: Foram construídas três MFCs que consistem de dois compartimentos de vidro de 100 mL cada, separados por uma membrana permeável a prótons (Nafion-117). O ânodo consiste em uma placa de Ti de 0,25 cm2 coberto com um filme de 250 nm de Au. O cátodo é composto por pano de carbono (5 cm x 2,5 cm) e os eletrodos são conectados por um fio de aço inoxidável a uma resistência de 560 Ω. Após a construção, a célula foi autoclavada a 120 °C por 20 min. Ao compartimento catódico foi adicionado 100 mL de solução tampão de fosfato e 25 mM de [Fe(CN)6]3-. O compartimento anódico das 3 células foi inoculado com 9 mL de G. metallireducens, G. sulfurreducens e as duas bactérias respectivamente em meio de cultura específico utilizando 20 mM de acetato de sódio como doador de elétrons e 40 mM de citrato de Fe(III) como aceptor de elétrons. Após a solução no compartimento anódico apresentar turbidez, esta foi substituída pelo mesmo meio de cultura, porém isento de citrato de Fe(III). Esta solução foi substituída a cada 3-4 dias para garantir o fornecimento da fonte de carbono para as bactérias. A solução catódica foi substituída quando a voltagem atingisse valor inferior a 0,3 V. Todas as medidas eletroquímicas foram feitas usando um potenciostato “Gamry Instruments”. Depois da MFC ser desconectada por 60 min, foi realizada a voltametria linear de varredura (LSV). Densidade de potência foi calculada por P=IV/A, onde I é a corrente em amperes, V a voltagem em volts e A é a área do ânodo em m2. Os biofilmes formados no compartimento anódico foram submetidos a FISH (Fluorescence in situ hybridization) e analisados em microscópio confocal de varredura a laser (LSM 780, Carl Zeiss Microscopy) e a espessura dos mesmos foi determinada.
RESULTADOS E DISCUSSÃO: A célula inoculada com G. sulfurreducens apresentou uma potência máxima de 2,21 W/m2 quando estava em operação por 153 horas e espessura de 62,1 μm medida no eixo xz (Figura 1A). O valor de potência obtido foi superior ao citado na literatura para células utilizado ar no compartimento catódico.
A célula com G. metallireducens, apesar de demorar mais tempo para apresentar uma potência considerável, atingiu um pico de 3,61 W/m2 após 240 horas de operação, apresentando uma espessura de 80 μm (Figura 1B). O experimento demonstrou que G. metallireducens além de poder ser utilizada em bioremediação, apresenta uma potência elevada, podendo ser usada também em células de combustível microbianas, para a produção de eletricidade.
A célula inoculada com as duas espécies apresentou biofilme com espessura de apenas 8 μm (Figura 1C) e potência máxima de 0,016 W/m2, muito baixa comparada as células inoculadas com culturas puras. Conforme podemos observar na Figura 1C, a espécie G. sulfurreducens, em vermelho, localiza-se na superfície do eletrodo de maneira uniforme e a G. metallireducen, de coloração verde, sobre a primeira, porém não de maneira uniforme. O experimento sugere que quando uma cocultura é formada, ocorre a transferência direta de elétrons entre as duas espécies segundo relatado por Summers et al, o que impede a transferência de elétrons para o eletrodo e consequentemente a formação do biofilme. Além disso, pode-se perceber uma relação direta entre a espessura do biofilme e a potência produzida nas três células.
Figura 1
Imagem em 3-D de biofilmes formados no ânodo. Em A G. sulfurreducens, B G. metallireducens e C cocultura.
Gráficos de densidade de potência
Densidade de potência máxima atingida nas células avaliadas
CONCLUSÕES: O experimento demonstrou que G. metallireducens além de poder ser utilizada em bioremediação, apresenta uma potência elevada, podendo ser usada também em células de combustível microbianas, para a produção de eletricidade. O experimento também demonstrou o melhor desempenho de células utilizando ferrocianeto no cátodo, em comparação às citadas na literatura que utilizam ar. O experimento sugere que quando uma cocultura é formada, ocorre a transferência direta de elétrons entre as duas espécies segundo relatado por Summers et al, o que impede a transferência de elétrons para o eletrodo.
AGRADECIMENTOS: Ao Prof. Allon Hochbaum e Universidade da Califórnia, Irvine onde os experimentos foram realizados e coordenados e a CAPES pelo auxilio financeiro.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: ZHANG T.; GANNON S.; NEVIN K.; FRANKS A.; LOVLEY D. 2010. Stimulating the anaerobic degradation of aromatic hydrocarbons in contaminated sediments by providing an electrode as the electron acceptor.Environmental Microbiology, 12:1011–1020
SUMMERS Z.; FOGARTY H.; LEANG C.;FRANKS A.; MALVANKAR N.; LOVLEY D. 2010 Direct Exchange of Electrons Within Aggregates of an Evolved Syntrophic Coculture of Anaerobic Bacteria. Science, 330, 1413.
KIM, MS.; CHA, J.; KIM, DH. 2012. Enhancing Factors of Electricity Generation in a Microbial Fuel Cell Using Geobacter sulfurreducens. Journal of microbiology and biotechnology, 22:1395-1400