Bio-baterias: criando energia a partir de bactérias

o relógio alimentado pela batata é um flashback nostálgico das lições de biologia infantil da maioria de nós, mas um pequeno grupo de cientistas acreditam que gerar eletricidade a partir de organismos bacterianos poderia se tornar uma opção viável.novos insights sobre a mecânica de um aspecto novo da respiração bacteriana poderiam ajudar a acelerar o desenvolvimento de usinas microbianas capazes de gerar eletricidade a partir de águas residuais industriais ou sedimentos marinhos, e fábricas bacterianas que fabricam produtos químicos e combustíveis de alto valor usando apenas energia solar e dióxido de carbono.

pesquisa Recente, relatado pelo Dr. Tom Clarke equipe da Universidade de East Anglia, do Departamento de Ciências Biológicas tem se mostrado como milhares de pequenas molecular fios embutidos na superfície de uma bactéria chamada Shewanella oneidensis pode transmitir diretamente de uma corrente elétrica de minerais inorgânicos, tais como o ferro e óxidos de manganês, ou a superfície dos eletrodos. O fenômeno, conhecido como transferência eletrônica extracelular direta (DEET), ocorre por causa da forma como algumas bactérias que vivem em ambientes sem oxigênio exportam elétrons que são gerados através de seu ciclo respiratório. Exemplos incluem Shewanella, e algumas espécies de outra bactéria conhecida como Geobacter.

a respiração Celular ocorre em todos os organismos vivos, e envolve uma série cíclica de reações químicas que ocorrem dentro de células do organismo para converter energética bioquímica tomadas como alimentos ou nutrientes em uma fonte de energia que as células pode tocar em para a alimentação de todos os processos bioquímicos que realizam.

Este processo gera elétrons em excesso que, na maioria dos organismos, são passados ao oxigênio (gerando água como um subproduto) ou, no caso de micróbios vivendo um ambiente livre de oxigênio, tais como sedimentos de lama, os elétrons são passados para outros íons minerais tomados pela célula. O que os cientistas descobriram nos últimos anos, no entanto, é que uma gama de microorganismos desenvolveram formas de exportar diretamente os elétrons em excesso da célula. Eles fazem isso cortando os elétrons ao longo de pequenos fios moleculares que se projetam a cerca de 2,5 nm da superfície celular.

célula de combustível microbiana

crescem estas bactérias num eléctrodo e terminam efectivamente com a metade ânodo de uma bateria. Juntar este ânodo a um cátodo, alimentar as bactérias com matéria orgânica à base de carbono, digamos, a partir de águas residuais industriais, e você pode construir uma célula de combustível microbiana, ou MFC, que gera eletricidade, embora em pequenas quantidades.

Shewanella oneidensis, uma bactéria que vive em ambientes contaminados por metais pesados, é um dos organismos que apresenta este elétron-vaivém de capacidade, e o trabalho por Clarke grupo na UEA, colaborando com uma equipe do Departamento de Energia (DoE) do Pacific Northwest National Laboratory, tem mostrado como Shewanella moleculares fios podem transporte de elétrons para fora da célula a uma superfície adequada em que a bactéria é crescente.”os resultados das nossas experiências foram impressionantes”, afirma o Dr. Clarke. “Estes fios bacterianos são, efectivamente, como os fios de uma casa. Uma corrente fluiu para trás e para a frente incrivelmente rápido, e muito mais rápido do que é necessário para a respiração.”o aproveitamento de Shewanella como fonte de eletricidade em uma escala adequada para arar eletricidade de volta a um sistema de rede nacional provavelmente não será viável, simplesmente porque os organismos não geram corrente suficiente, continua o Dr. Clarke. No entanto, a sua capacidade de dar elétrons aos metais e minerais pode ser explorada para aplicações biorremediais, tais como a redução dos metais pesados solúveis presentes no solo em formas insolúveis que não podem lixiviar-se nas águas subterrâneas. Esta é uma das avenidas de pesquisa que os pesquisadores do laboratório do Noroeste do Pacífico estão perseguindo.mas o que é ainda mais excitante, afirma ele, é o potencial para explorar o processo inverso.: colocando elétrons de volta em bactérias como Shewanella através dos fios, e geneticamente engenharia dos microrganismos para fazer compostos úteis, incluindo combustíveis e precursores de polímeros, diretamente a partir de dióxido de carbono.

conhecida como eletrosíntese microbiana, esta é basicamente uma fotossíntese artificial, que é como as plantas geram açúcares a partir da luz solar, CO2 e água. Mas ao invés da própria luz solar, as bactérias aceitarão elétrons como fonte de energia, que eles usam para produzir compostos à base de carbono a partir de CO2.já é comercialmente viável a utilização de algas fotossintéticas “agrícolas” como meio de produção de compostos que podem ser convertidos em combustíveis ou outros produtos. No entanto, como Clarke assinala, esta abordagem absorve grandes áreas de terra, e está associada à degradação ambiental. Em contraste, a eletrosíntese microbiana poderia ser explorada em qualquer lugar que haja luz solar, usando painéis fotovoltaicos para alimentar as bactérias, e uma fonte de água e gás CO2, (gás de resíduos industriais fará muito bem) para alimentar as bactérias para que elas possam fabricar produtos à base de carbono.

A Electrosíntese como tecnologia é também distinta do uso de outras bactérias como Escherichia coli, e fermentação de leveduras, para o fabrico de compostos químicos. “Bactérias e leveduras geneticamente modificadas são amplamente usadas em ambientes comerciais para fabricar proteínas e outros compostos, intermediários e até mesmo drogas, mas eles não fotossíntese, então você tem que alimentá-los com algum tipo de açúcar, o que adiciona custos significativos ao processo”, explica Clarke. “Em contraste, a eletricidade é barata, e o CO2 é um produto de resíduos de muitos processos industriais e queima de combustíveis fósseis. Se pudermos alimentar bactérias como Shewanella com elétrons, por exemplo, colocando-as em eletrodos conectados a painéis solares, e dar-lhes CO2 como fonte de carbono, poderíamos usar este processo fotossintético artificial para gerar produtos de alto valor.”

ambiental, Uma situação win-win

Mobilizar a capacidade de Shewanella e outros microorganismos para passagem de electrões e, a partir de eletrodos (e, portanto, os dispositivos estão conectados a) é um campo conhecido como electromicrobiology. “Do ponto de vista ambiental, é uma situação em que todos ganham”, diz O Professor Korneel Rabaey, do Departamento de tecnologia bioquímica e microbiana da Universidade de Ghent.

Anteriormente, fundador do Centro para Microbiana Eletrossíntese na Universidade de Queensland, Professor Rabaey foi fundamental na implementação de uma escala de piloto microbiana bioelectrochemical sistema (BES) planta de uma promoção da cervejaria em Yatala, Queensland, cinco anos atrás. Esta usina-piloto usou bactérias para gerar energia elétrica a partir de águas residuais da própria cervejeira, e produzir soda cáustica, que a cervejaria precisa em grandes quantidades para limpar seus tanques. Desde então, foi criado um projecto-piloto semelhante numa fábrica de papel, para gerar o peróxido de hidrogénio necessário no processo de produção.o trabalho da Universidade de Queensland levou, além disso, à criação de uma empresa de spin-out, a Bilexys, que está a desenvolver sistemas bioelectroquímicos que associam o tratamento de águas residuais à produção de produtos químicos em escala comercial. “Essas usinas-piloto demonstram que o conceito funcionará no mundo real, e poderiam fornecer à indústria opções para a geração de produtos químicos necessários no local, com muito pouca energia, e o benefício adicional de limpar seus resíduos ao mesmo tempo”, comenta o Prof. Rabaey. “À medida que mais destas plantas-piloto forem surgindo, a tecnologia será vista como comercialmente viável e estimulará o desenvolvimento de novos processos.”

biofábricas movidas por electrões

é importante distinguir entre o conceito generalizado de utilização de bactérias para limpar águas residuais e o uso de síntese bioelectroquímica por organismos como a Shewanella, sublinha o Prof. Rabaey. “O tratamento de águas residuais usando bactérias anaeróbias para quebrar o conteúdo orgânico é bem reconhecido, e aplicado amplamente para produzir biogás rico em metano.”Na verdade, existem mais de 3.000 plantas na Europa que produzem biogás desta forma, usando uma mistura de bactérias que podem quebrar compostos de carbono complexos em componentes cada vez menores, ele aponta.

“O Que ainda não podemos fazer é fabricar produtos químicos limpos e de alto valor a partir de águas residuais, e é aqui que a síntese bioelectroquímica por bactérias como Shewanella poderia revolucionar a produção de combustíveis, biopolímeros e outras substâncias a partir de águas residuais, usando apenas fontes baratas de eletricidade. A bactéria já pode fazer algumas moléculas pequenas, mas esperamos engendrar geneticamente os microorganismos para que eles produzam moléculas mais complexas, da mesma forma que agora podemos criar levedura e a bactéria E. coli como biofábricas. No entanto, com a síntese bioelectroquímica não precisamos conectar açúcares aos organismos como blocos de construção para eles para fabricar o produto final.”

trabalho para este objetivo ainda está na infância relativa, no entanto. “Por um lado, temos bactérias como Shewanella que podem realizar fotossíntese artificial usando eletricidade barata, mas que atualmente só podem fabricar uma gama limitada de compostos úteis”, diz Prof. Rabaey. “Por outro lado, temos um arsenal de microorganismos – como a E. coli e leveduras – que tem o biológico máquinas necessárias para produzir um grande número de compostos, e que podem ser projetados de forma relativamente fácil, mas que não apresentar o elétron-vaivém de máquinas necessárias para que eles sejam alimentados com eletricidade.”

de Trabalho para desenvolver as tecnologias que irão permitir aos cientistas para modificar elétron de aceitação de espécies de bactérias, incluindo Shewanella, Geobacter, e a espécie da bactéria Clostridium, está sendo liderada pelo Professor Derek Bonitas na Universidade de Massachusetts (UMass) em Amherst, que descobriu a primeira espécie de Geobacter, conhecido como Geobacter metallireducens, na areia, sedimentos no rio Potomac, em 1987.

condutividade bacteriana

professor Lovley spearheads the Geobacter project (www.geobacter.org) na UMass, que está a investigar tanto as capacidades geradoras de electricidade – isto é, células de combustível microbianas – como as capacidades electrobiossintéticas da bactéria. Geobacter é excelente na geração de eletricidade, mas o pensamento de Prof. Lovley espelha o de Clarke e Rabaey, na medida em que ele acredita que é improvável que veremos o desenvolvimento de estações de tratamento de águas residuais baseadas em Geobacter – ou Shewanella-que geram grandes quantidades de eletricidade como um subproduto. “O nosso trabalho sobre células de combustível microbianas relaciona-se no principal Escritório de Pesquisa Naval-financiados projectos que estão olhando para a colheita de electricidade a partir da lama, no fundo do oceano para executar dispositivos de monitoramento, que exigem apenas um pouco de energia.uma aplicação potencial da capacidade de geração de eletricidade do Geobacter pode ser o desenvolvimento de sensores bioelétricos para compostos orgânicos, sugere Prof. Lovley. “Neste tipo de sensor, as bactérias seriam acopladas a um eletrodo, e um resultado positivo seria registrado como uma pequena corrente elétrica.”É um caso de pensar como explorar as capacidades geradoras de eletricidade de organismos relevantes em menor escala, e não em maior escala. “Aplicações onde você não precisa gerar muita energia representam boas oportunidades para células de combustível microbiano e organismos que podem realizar DEET.”

As aplicações de biorremediação são, em contraste, múltiplas, tensões Prof Lovley. Um dos projetos do UMass, em colaboração com empresas petrolíferas, tem como objetivo aproveitar a capacidade do Geobacter para oxidar a matéria orgânica como meio de remover contaminantes de hidrocarbonetos do solo e da água do solo. Trabalho pela UMass equipes separadamente tentar mapear o código genético de diferentes Geobacter espécies, e isso deve ajudar a prever como as bactérias irão se comportar em diferentes condições ambientais, e permitir que os cientistas a determinar as melhores cepas do organismo atividades como limpeza de contaminantes específicos.

UMass pesquisa sobre o processo de eletrossíntese (colocar os elétrons de volta para as bactérias) é centrada em outros microorganismos, como as espécies de Clostridium, que aparecem muito mais adequado do que Geobacter para aplicações em que os organismos são alimentados com elétrons para gerar produtos a partir de dióxido de carbono, Prof Bonitas acrescenta. “Geobacter é o melhor dos dois organismos para gerar eletricidade, enquanto Clostridium é bem adequado para aplicações eletrosintéticas.”

O que os pesquisadores ainda não sabem, no entanto, é como Clostridium recebe seus elétrons dentro e fora da célula. O organismo não produz fios moleculares como Shewanella e Geobacter. “Clostridium parece ter uma química exterior totalmente diferente de Shewanella, e descobrir como ela funciona é algo que esperamos alcançar nos próximos anos”.um dos grandes avanços tecnológicos da equipa UMass veio no ano passado, com o desenvolvimento de uma plataforma de bioengenharia que permitirá aos cientistas modificar geneticamente as espécies de Clostridium para que o microrganismo use o CO2 e a energia eléctrica para produzir compostos orgânicos muito simples e convertê-los em hidrocarbonetos mais complicados. “É a mesma idéia básica que manipular outras bactérias, na medida em que você pode tirar alguns genes e colocar outros dentro, para direcionar a célula para fabricar o composto que você quer, ou fazer um precursor ou bloco de construção que pode facilmente ser modificado para o produto final.além disso, novas ideias sobre a estrutura dos nanofilamentos produzidos por espécies como Geobacter e Shewanella poderiam pavimentar o caminho para o desenvolvimento de microcircuito baseado na cablagem biológica como uma abordagem completamente nova para interfacear a biologia com a electrónica. Por exemplo, Prof. Lovley sugere, Geobacter tem sido encontrado para exibir propriedades transistoras, e pode funcionar como supercapacitores para armazenamento de elétrons.

“isto presta-se ao potencial de crescimento de componentes electrónicos microbianos a partir de matérias-primas baratas, para a produção em massa. Os fios microbianos são extraordinariamente duráveis para uma proteína biológica, e a bioeletrônica tem a vantagem adicional de ser funcional na água.”No entanto, ele enfatiza, as aplicações práticas de tais tecnologias ainda estão no estágio conceitual.então, estes microrganismos que vivem na lama e no solo representam uma promessa de energia barata para todos? Parece improvável que o DEET irá realisticamente saciar a sede mundial de eletricidade, embora a capacidade destas bactérias para gerar uma corrente elétrica pode ser útil para o desenvolvimento de biossensores microbianos baseados em células de combustível e biobaterias de pequena escala. O que é muito mais provável é que Geobacter, Clostridium e Shewanella terão aplicações muito mais difundidas e comercialmente viáveis em áreas como biorremediação e limpeza de águas residuais, e a síntese de valiosos compostos industriais, intermediários e combustíveis.

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