Uma das maiores ameaças ao meio ambiente hoje são as águas residuais que sobram das atividades de produção. Práticas agrícolas, como a suinocultura, produzir uma grande quantidade de águas residuais contendo contaminantes orgânicos, gases malcheirosos, e outras substâncias que prejudicam o abastecimento de água. Os métodos usuais de tratamento e reciclagem de tais águas residuais incluem aeração, aplicá-lo como fertilizante em outras áreas agrícolas ou confiná-lo a lagoas e pântanos especializados para passar por processos de limpeza natural.

Contudo, em áreas como Okinawa, Japão, com recursos de terra limitados e muitas fazendas de porcos, a quantidade de água residual produzida supera a área disponível para tratamento e reciclagem. Como tal, há uma grande necessidade de encontrar o melhor, mais rápido, e métodos mais baratos de tratamento de águas residuais, que é parte do que deu origem à Unidade de Sistemas Biológicos da Universidade de Pós-Graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST). Usando uma tecnologia de tratamento de águas residuais promissora, chamada de célula de combustível microbiana (MFC), a Unidade tem como objetivo ajudar a ilha - e por procuração, outros locais com problemas semelhantes de águas residuais - reduza a carga de águas residuais.

Um MFC é, num sentido, um recipiente anaeróbico de bactérias concentradas que se alimentam de material biodegradável e bactérias encontradas em águas residuais. Ele opera via bioeletroquímica, o que significa que a energia usada para operar a célula é gerada a partir da transferência de elétrons da bactéria para os eletrodos dentro do dispositivo - nenhuma fonte de energia externa é necessária. Quando as águas residuais passam por um MFC, a bactéria "alimentadora" digere os compostos orgânicos das águas residuais e a água mais limpa sai do outro lado. Além disso, o processo de digestão expele energia que é convertida em eletricidade utilizável. O resultado final é um dispositivo que limpa águas residuais e gera eletricidade ao fazer isso.

"[As células são] de baixa manutenção, baixo custo, e não tem muitas peças móveis, "explica David Simpson, um técnico na Unidade de Sistemas Biológicos OIST. Isso é importante para aqueles que não têm tempo ou recursos para manter equipamentos de tratamento caros - uma descrição que se encaixa no caso de trabalhadores apressados, como criadores de porcos.

"Idealmente, estamos trabalhando para colocar a célula de combustível [onde você precisa] e esquecê-la, "explica o professor Igor Goryanin, que lidera a Unidade no OIST. "Ele monitorará e tratará as águas residuais por conta própria."

Os pesquisadores do OIST já desenvolveram MFCs com a capacidade de funcionar por longos períodos de tempo sem quebrar ou "engasgar". Agora, em um artigo publicado em Scientifica , eles identificaram uma forma de fortalecer o desempenho dos dispositivos também. Antes de executar um MFC, deve primeiro ser cultivado, ou inoculado, com as bactérias "digestivas". Para fazer isso, um joga lodo contendo bactérias em uma parte do MFC chamada ânodo. Aqui, as bactérias desejadas são propagadas para uso posterior no tratamento de águas residuais.

Em seu estudo, os pesquisadores do OIST levantaram a hipótese de que um MFC será melhor no tratamento de águas residuais se o ânodo for preparado com lodo que esteve em contato anterior com esse fluxo de resíduos específico. Eles testaram essa hipótese em uma fazenda local de porcos administrada pelo Centro de Pesquisa em Criação de Animais de Okinawa em Nakijin, uma aldeia na parte norte da ilha. Eles usaram lodo coletado de um tanque de recepção de águas residuais de suínos nesta fazenda, bem como lodo coletado de um reator de águas residuais em uma cervejaria local. Ao comparar a produtividade dos dois tipos de MFCs, eles descobriram que o lodo de suíno MFC tratava as águas residuais da suinocultura muito melhor do que as da cervejaria local. Os marcadores que os pesquisadores usaram para julgar isso foram a taxa de remoção da demanda química de oxigênio e ácidos graxos voláteis - contaminantes do abastecimento de água - bem como a geração de eletricidade.

Além da fazenda de porcos, a Unidade tem MFCs colocados em outros locais em Okinawa e ao redor do mundo, incluindo uma destilaria Awamori em Okinawa, uma destilaria de uísque na Escócia, e uma vinícola na Califórnia, Estados Unidos. Na Califórnia, eles estão usando as águas residuais tratadas para irrigação. Os MFCs na destilaria Awamori estão operando há cerca de 5 anos. Simpson explica isso, no momento, esses MFCs no site Awamori estão limpando a água a um nível que permite uma descarga segura em esgotos.

"[Podemos] remover orgânicos em alto grau, com cerca de 90 por cento de eficiência, "Simpson explica." Mas o tratamento libera amônia e fosfatos. "Esses são produtos químicos que podem causar depleção de oxigênio na água, bem como proliferação de algas prejudiciais." Portanto, estamos tentando fechar o ciclo. "Eles estão trabalhando para colher os nutrientes - fosfato, amônia - em escala de laboratório.

A Unidade está atualmente trabalhando com colaboradores no Centro de Pesquisa de Pecuária e Pastagens da Prefeitura de Okinawa e no Centro de Ciência Ambiental de Okinawa, com financiamento do Governo da Prefeitura de Okinawa, para desenvolver uma solução para capturar e remover os nutrientes, potencialmente levando a subprodutos valiosos e sustentáveis ​​para fertilizantes.

“A ideia do tratamento de águas residuais é ajudar eventualmente os países sem acesso a água potável, "O professor Goryanin explica, "talvez limpando a água para usar em poços de água potável."

Por enquanto, os pesquisadores do OIST continuarão testando, corre, e otimizar seus MFCs com a esperança de que um dia eles possam aliviar a carga de águas residuais do mundo.