Estrutura da comunidade bacteriana de biofilme eletrogênico desenvolvido em ânodo de grafite modificado em célula de combustível microbiana

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 1255 (2023) Citar este artigo

2169 Acessos

2 Citações

1 Altmétrica

Detalhes das métricas

A formação de biofilme microbiano eletrogênico no eletrodo é crítica para a colheita de energia elétrica de águas residuais em células de biocombustível microbianas (MFCs). Embora o conhecimento das estruturas da comunidade bacteriana no biofilme seja vital para o projeto racional de eletrodos de MFC, um estudo aprofundado sobre o assunto ainda é aguardado. Aqui, tentamos resolver esse problema criando biofilme eletrogênico em ânodos de grafite modificados montados em um MFC de cátodo de ar. A modificação foi realizada com óxido de grafeno reduzido (rGO), polianilina (PANI) e nanotubo de carbono (CNTs) separadamente. Para acelerar o crescimento do biofilme, pó de composto de soja e batata (planta) foi misturado com esses materiais condutores durante a fabricação dos ânodos. O MFC fabricado com ânodo baseado em PANI forneceu a densidade de corrente de 324,2 mA cm-2, seguido por CNTs (248,75 mA cm-2), rGO (193 mA cm-2) e branco (sem revestimento) (151 mA cm- 2) eletrodos de grafite. Da mesma forma, o ânodo baseado em PANI suportou um crescimento robusto de biofilme contendo densidades celulares bacterianas máximas com diversas formas e tamanhos das células e ampla funcionalidade metabólica. A diversidade alfa do biofilme desenvolvido sobre o ânodo revestido com PANI foi a unidade taxonômica operacional mais elevada (2058 OUT) e índice de Shannon (7,56), conforme divulgado a partir da análise de sequência de rRNA 16S de alto rendimento. Além disso, dentro dessas unidades taxonômicas, os filos exoeletrogênicos compreendendo Proteobacteria, Firmicutes e Bacteroidetes foram máximos com seus níveis correspondentes (%) 45,5, 36,2 e 9,8. A abundância relativa de Gammaproteobacteria, Clostridia e Bacilli no nível de classe, enquanto Pseudomonas, Clostridium, Enterococcus e Bifidobacterium no nível de gênero foram comparativamente maiores no ânodo baseado em PANI.

Os processos de base biológica usados ​​para o gerenciamento de águas residuais envolvem custos operacionais menores e operações mais simples do que suas contrapartes químicas e físicas1. Esforços estão sendo feitos para melhorar a eficiência e agregar benefícios de valor agregado aos processos de tratamento de base biológica para realizar todo o seu potencial para aplicações no mundo real2. A transformação de compostos orgânicos em águas residuais em derivados valiosos usando sistemas bioeletroquímicos (BESs) atraiu uma atração crescente devido à sua perspectiva em diversas implementações3. Célula de combustível microbiana (MFC) é um adendo atraente a este empreendimento biotecnológico por seu potencial de quebrar os compostos orgânicos biodegradáveis ​​que existem em corpos de águas residuais usando micróbios eletroativos e simultaneamente gerar energia bioelétrica por meio de estratégias de transformação bioeletroquímica4. O chefão desse processo de conversão são as populações microbianas naturais no ambiente de águas residuais que colonizam os eletrodos do MFC como biofilme e iniciam o processo de conversão por meio de suas atividades biocatalíticas5,6. No entanto, este processo de conversão bioeletrocatalítica das substâncias orgânicas complexas presentes nas águas residuais através do biofilme bacteriano naturalmente desenvolvido é prolongado e não competente o suficiente para lidar com a dinâmica de acúmulo de resíduos em condições de ambiente aberto. Uma questão crítica que evoca esse desafio é a formação lenta do biofilme eletrogênico sobre a superfície anódica. Portanto, a indução de eletroforese de biofilme microbiano na superfície do eletrodo é uma importante área de pesquisa na tecnologia de bioprocesso baseada em MFC7.

Uma infinidade de relatórios científicos está disponível no desenvolvimento de biofilme microbiano eletrogênico em superfícies de eletrodos para colheita de energia em MFC8,9. Eletrogênios são micróbios eletroquimicamente ativos, mais comumente bactérias, que produzem energia elétrica em uma configuração MFC degradando compostos orgânicos e transferindo os elétrons gerados para um eletrodo10,11. A formação de biofilme desses eletrógenos na superfície do eletrodo (principalmente ânodo) é um pré-requisito para a colheita de elétrons metabólicos suficientes da oxidação de compostos orgânicos nas águas residuais para gerar a energia desejada em MFCs12,13. Diferentes estratégias têm sido investigadas para criar biofilme bacteriano e melhorar a energia elétrica em MFC, como triagem de eletrodos e materiais de revestimento sobre eletrodos14,15, acoplamento químico de biofilme com o eletrodo base16, nanofabricações17 e triagem de resíduos ambientais para fabricar eletrodos18. Entre os materiais de eletrodos, os materiais à base de carbono estão surgindo como eletrodos promissores para melhorar o desempenho eletroquímico do biofilme19,20.