Os pesquisadores do Instituto de Microbiologia da Academia Chinesa de Ciências desenvolveram uma bateria oceânica biônica miniaturizada, uma célula bio-solar que converte luz em eletricidade, imitando a estrutura ecológica básica dos ecossistemas microbianos marinhos. Este estudo foi publicado em Nature Communications .
Os oceanos cobrem cerca de 70% da superfície da Terra. Do ponto de vista energético, os ecossistemas marinhos são um enorme sistema de bioconversão de energia solar em que os microrganismos dominam os processos de conversão de energia.

A conversão de energia nos ecossistemas marinhos começa com a fotossíntese. Microrganismos fotossintéticos, chamados produtores primários, localizados na zona eufótica da coluna d'água, absorvem a energia solar e convertem fótons em elétrons que são usados ​​para fixar o dióxido de carbono em matéria orgânica. A matéria orgânica é parcialmente consumida pelo plâncton que vive na coluna de água e parcialmente depositada nos sedimentos marinhos onde microrganismos anaeróbios facultativos ou estritamente anaeróbios mineralizam a matéria orgânica complexa em dióxido de carbono por meio de oxidação sucessiva.

Os microrganismos nos sedimentos marinhos podem ser divididos em dois grupos. Um grupo, denominado degradadores primários, é responsável pela degradação da matéria orgânica complexa em compostos orgânicos simples; o outro grupo, denominado consumidor final, é responsável pela oxidação completa de compostos orgânicos simples, liberando elétrons para a redução biológica de elementos como nitrogênio, ferro, manganês e enxofre. Através da fixação fotossintética de carbono e mineralização da matéria orgânica, os ecossistemas microbianos marinhos usam a energia solar para impulsionar os ciclos biogeoquímicos.

Vistos do espaço sideral, os ecossistemas microbianos marinhos com função de conversão fotoelétrica podem ser considerados como uma enorme “bateria oceânica” carregada pela energia solar. No entanto, a distribuição espacial e temporal de microrganismos nos ecossistemas marinhos é enorme, e a transferência de elétrons é lenta e lenta, então a eficiência da conversão fotoelétrica é baixa. Os pesquisadores propuseram que é possível desenvolver uma bateria oceânica compactada espaço-temporalmente com eficiência energética significativamente melhorada.

Para atingir esse objetivo, os pesquisadores extraíram a estrutura básica dos ecossistemas microbianos marinhos. Eles projetaram e construíram uma comunidade microbiana sintética composta por produtores primários (cianobactérias), degradadores primários (Escherichia coli) e consumidores finais (Shewanella oneidensis e Geobacter sulfurreducens) para conversão biofotoelétrica.

Nesta comunidade microbiana sintética, as cianobactérias manipuladas são capazes de sintetizar sacarose a partir de dióxido de carbono usando energia luminosa e armazenar energia luminosa em sacarose; a E. coli manipulada é responsável pela degradação da sacarose em lactato; S. oneidensis e G. sulfurreducens oxidam completamente o lactato a dióxido de carbono por meio de sucessivas oxidações e transferem elétrons para os eletrodos extracelulares para gerar corrente elétrica, convertendo assim a energia luminosa em eletricidade.

Os pesquisadores demonstraram que a comunidade microbiana de quatro espécies superou significativamente a comunidade de três espécies sem G. sulfurreducens e a comunidade de duas espécies sem E. coli e G. sulfurreducens em termos de resistência interna, densidade de potência máxima e estabilidade, indicando que manter a estrutura ecológica completa dos ecossistemas microbianos marinhos é essencial para alcançar uma conversão biofotoelétrica eficiente. A densidade de potência máxima dessa comunidade microbiana de quatro espécies atingiu 1,7 W/m ² , que é uma ordem de magnitude superior à do sistema biofotovoltaico de duas espécies relatado pelos autores em trabalho anterior (Zhu et al, Nature Communications , 2019, 10:4282).

Os pesquisadores descobriram ainda que o oxigênio produzido pelas cianobactérias durante a fotossíntese permitiu a respiração aeróbica de E. coli e S. oneidensis, e o oxigênio inibiu a geração de eletricidade por S. oneidensis e pelo estritamente anaeróbio G. sulfurreducens, levando a um efeito negativo sobre o desempenho geral. Para resolver esse problema, os pesquisadores bloquearam a via de respiração aeróbica de E. coli e S. oneidensis. Eles desenvolveram um hidrogel condutor com propriedades de barreira ao oxigênio. O hidrogel condutor foi usado para encapsular E. coli, S. oneidensis e G. sulfurreducens para formar uma camada de sedimento artificial isolante de oxigênio capaz de transferência de elétrons.

Ao montar a camada de sedimento artificial contendo degradador primário (E. coli) e consumidor final (S. oneidensis e G. sulfurreducens) com uma camada de coluna de água contendo produtor primário (cianobactéria), os pesquisadores acabaram montando uma célula bio-solar integrada que diretamente converte luz em eletricidade por mais de um mês.

Esta célula bio-solar mimetiza a estrutura física básica e a estrutura ecológica da bateria-oceânica, com a escala espaço-temporal significativamente compactada e o número de espécies minimizado, podendo assim ser considerada uma bateria-oceânica biónica miniaturizada.

Este estudo demonstra que uma comunidade microbiana sintética minimizada por espécies e espaço-temporalmente compactada pode reproduzir a função de conversão fotoelétrica de ecossistemas microbianos marinhos. A eficiência energética desta bateria oceânica biônica é maior do que a dos ecossistemas marinhos devido à superação do modelo de transferência de elétrons em rede e lento.

O desenvolvimento de baterias oceânicas biônicas miniaturizadas melhora a eficiência biofotovoltaica e fornece uma nova rota para o desenvolvimento de células bio-solares eficientes e estáveis. Este estudo também demonstra o potencial biotecnológico da ecologia sintética. + Explorar mais

Cientistas desenvolvem novo sistema biofotovoltaico