Célula de combustível microbiana (CCM) é um dispositivo bio-eletroquímico que converte energia química em energia elétrica pela ação de microrganismos. Existem vários tipos de CCM, no entanto, o mais comum é composto por uma câmara anódica e uma câmara catódica separadas fisicamente por uma membrana de troca de protões.Rahimnejad, M., Adhami, A., Darvari, S., Zirepour, A. and Oh, S. (2015). Microbial fuel cell as new technology for bioelectricity generation: A review. Alexandria Engineering Journal, 54(3), pp.745-756.
Os microrganismos estão contidos na câmara anódica, onde ocorre a oxidação de um substrato orgânico levando à libertação de protões e eletrões. O termo substrato é usado para descrever compostos oxidados pelos microrganismos (glucose, sacarose ou águas residuais, por exemplo) resultando numa reação química de oxidação-redução. Na câmara catódica (onde ocorre a redução), são recebidos os eletrões (através de um circuito externo) e protões (através da membrana de troca de protões de modo a compensar o balanço de carga do sistema) resultantes da degradação do substrato.
Em termos de construção, as CCMs podem ser de dois tipos, de câmara simples ou dupla. Nas de câmara simples, o cátodo e o ânodo estão numa única câmara, enquanto que nas de câmara dupla estão em câmaras separadas por uma membrana de troca de protões. As CCMs podem ser utilizados na produção de bioeletricidade, produção de hidrogénio, tratamento de águas residuais e biossensores.Gajda, I., Greenman, J. and Ieropoulos, I. (2018). Recent advancements in real-world microbial fuel cell applications. Current Opinion in Electrochemistry, 11, pp.78-83.
Componentes de uma célula de combustível microbiana
Câmara anódica Os microorganismos formam um biofilme na superfície do ânodo (funcionando este como aceitador final de eletrões). A atividade da célula depende da quantidade de bactérias que adere ao ânodo e, portanto, da sua área superficial. Esta câmara deve estar sob condições anaeróbicas, sendo que, na presença de oxigénio, as bactérias tendem a utilizar o oxigénio (que tem uma grande capacidade oxidante) como aceitador final de eletrões em vez de utilizarem o ânodo. A membrana de troca de protões é responsável pela manutenção das condições anaeróbicas na câmara anódica.
A seleção dos materiais adequados para o elétrodo é crucial para o desempenho dos CCMs, quer em termos de adesão bacteriana, transferência de eletrões ou eficiência eletroquímica. Os materiais mais frequentemente utilizados nos elétrodos são materiais de carbono, sendo que estes têm de ser estáveis para as culturas microbianas, bons condutores elétricos e possuir uma grande área superficial (o que permite uma troca de eletrões mais eficiente).Logan, B. and Regan, J. (2006). Microbial Fuel Cells—Challenges and Applications. Environmental Science & Technology, 40(17), pp.5172-5180.
Câmara catódica No cátodo o oxigénio é reduzido com a produção de água sendo os materiais escolhidos de forma a oferecerem boas condições para a redução de oxigénio.Rycroft, M., EE Publishers. (2018, December 4th). Microbial fuel cells: A new approach to waste-water treatment. Retrieved from https://www.ee.co.za/article/microbial-fuel-cells-a-new-approach-to-waste-water-treatment.html Esta reação consiste na transferência de eletrões do cátodo para o oxigénio. O oxigénio reage com os electrões e os protões resultando na redução de oxigénio a água (Eq. 1).
Eq. 1: Reação de redução de oxigénio a água
A redução de oxigénio no cátodo pode ser melhorada com o uso de platina ou outros metais (como Mn2O3 ou Fe2O3). No entanto, como a platina é um metal caro e outros metais mais baratos, são suscetíveis a degradação na presença de oxigénio, a sua aplicabilidade tem uso limitado.Agrawal, K., Bhardwaj, N., Kumar, B., Chaturvedi, V., & Verma, P. (2019). Microbial Fuel Cell: A Boon in Bioremediation of Wastes. In Microbial Wastewater Treatment (pp. 175-194). Elsevier. A utilização de biocátodos poderá substituir a utilização de platina enquanto catalisador desta reação. De forma a acelerar a reação de redução no cátodo, poderá ser utilizado um catalisador, que pode ser um mediador exógeno, um catalisador químico ou ainda um biocatalizador.
Mediadores em CCMs Mediadores são tipicamente produtos químicos exógenos,Rathour, R., Kalola, V., Johnson, J., Jain, K., Madamwar, D., & Desai, C. (2019). Treatment of Various Types of Wastewaters Using Microbial Fuel Cell Systems. In Microbial Electrochemical Technology (pp. 665-692). Elsevier. que são reduzidos do seu estado oxidado ao capturar os eletrões de dentro da membrana celular, libertando, assim, eletrões para o ânodo, oxidando novamente o mediador na câmara anódica. O ciclo é repetido, aumentando assim a potência.
Quando a área de superfície do elétrodo não é suficiente para cobrir todas as bactérias em crescimento, os mediadores facilitam o transporte de eletrões. A seleção dos mediadores tem por base dois critérios, o seu potencial redox e a sua toxicidade (têm que se selecionar mediadores sem toxicidade ou baixa toxicidade para os microorganismos). Foi também relatado que em culturas mistas em CCMs sem mediadores geram energia usando os metabolitos celulares que funcionam com mediadores “naturais” ou a própria matéria orgânica presente nas águas residuais.Sevda, S., & Sreekrishnan, T. R. (2012). Effect of salt concentration and mediators in salt bridge microbial fuel cell for electricity generation from synthetic wastewater. Journal of Environmental Science and Health, Part A, 47(6), 878–886.
Substratos usados nas CCMs Vários estudos reportam a utilização de diferentes águas residuais como substrato nos sistemas CCMs, incluindo águas residuais domésticas, águas residuais contendo corantes, águas residuais contendo hidrocarbonetos, águas residuais da indústria de laticínios, águas residuais de cervejarias e vinícolas, águas residuais de indústrias de moagem de arroz, águas residuais à base de melaço, efluentes do moinho de óleo de palma, águas residuais para processamento de alimentos, subprodutos animais e resíduos que contenham águas, águas residuais farmacêuticas, e águas residuais contendo metais. Foi relatado que as diferenças na densidade de energia estão diretamente relacionadas com a fonte da água residual, dependendo também da configuração das CCMs e da natureza dos poluentes presentes nos resíduos.
Bactérias eletroquimicamente ativas Atualmente, os CCMs são, maioritariamente, dependentes do uso de bactérias capazes de libertar eletrões extracelularmente. Bactérias eletroquimicamente ativas, como Shewanella oneidensis e Geobacter sulfurreducens, foram originalmente isoladas como bactérias redutoras de metais, sendo capazes de realizar respiração na ausência de oxigénio, utilizando óxidos de metais insolúveis como aceitadores finais de eletrões.Hirose, A., Kasai, T., Koga, R., Suzuki, Y., Kouzuma, A. and Watanabe, K. (2019). Understanding and engineering electrochemically active bacteria for sustainable biotechnology. Bioresources and Bioprocessing, 6(1). Esta transferência extracelular de eletrões é possível devido à existência de citocromos associados à membrana plasmática, que servem de condutores de eletrões entre as reações catabólicas intracelulares e os materiais condutores extracelulares (neste caso o ânodo). Alternativamente, a transferência de eletrões pode ser efetuada por um mediador adicionado ao CCM. O uso de bactérias eletroquimicamente ativas torna o uso de CCMs sem mediador possível.Tharali, A., Sain, N. and Osborne, W. (2016). Microbial fuel cells in bioelectricity production. Frontiers in Life Science, 9(4), pp.252-266.
Aplicações
Tratamento de Águas Residuais Através da literatura é possível encontrar diversos estudos sobre várias configurações de CCMs e atribuir valores concretos de produção de energia e degradação de poluentes para diferentes tipos de substratos. Alguns exemplos serão explicados brevemente.
Águas Residuais Urbanas Dada a complexa natureza das águas residuais, a remoção parcial ou total de poluentes é geralmente realizada utilizando culturas mistas ou consórcios microbianos. Numa investigação liderada por Luciana Peixoto, em 2013, uma CCM de duas câmaras para produção de bioeletricidade e tratamento de águas residuais foi testada com comunidades microbianas mistas e puras (Geobacter sulfurreducens). As densidades instantâneas de potência atingiram máximos de 710 W/m3 com cultura pura e 823 W/m3 com cultura mista, com uma remoção média de carbono das águas residuais de 83%.
Águas Residuais de Indústrias Têxteis A descarga de águas com corantes têxteis constitui um risco ambiental, contendo uma mistura de diversos poluentes como corantes azo, ácidos, alcalinos, amido, peróxido de hidrogénio, tensioativos, metais e agentes dispersantes. Durante o processo de coloração têxtil, perde-se até 50% de corantes nas águas residuais. A descarga de efluentes contendo estas tintas causa sérios problemas ambientais devido à sua intensa cor, toxicidade, mutagenicidade e carcinogenicidade para os organismos vivos, levando a problemas estéticos e à obstrução da penetração da luz e transferência de oxigénio nos ecossistemas aquáticos.Solanki, K., Subramanian, S., & Basu, S. (2013). Microbial fuel cells for azo dye treatment with electricity generation: A review. Bioresource Technology, 131, 564–571. Numa investigação liderada por Yang Mu, em 2009, foi construído um sistema de CCM de câmara dupla para a degradação biótica do corante azo Acid Orange 7 na presença de acetato de sódio, pelo metabolismo do consórcio microbiano no compartimento anódico. Este estudo obteve descoloração de 92,2 ± 5,4 % com uma densidade de potência de 19,7 ± 0,9 A/m3.
Águas Residuais de Matadouros Os matadouros produzem águas residuais, constituídas principalmente por carbono orgânico biodegradável, proteínas gordas, bem como microrganismos e vírus, que podem ser prejudiciais à saúde humana e animal. Devido à grande variedade de poluentes presentes neste tipo de águas residuais a utilização de uma só estirpe microbiana para a completa degradação dos poluentes tem uma viabilidade reduzida, sendo por isso necessário o uso de culturas mistas de várias estirpes. A digestão anaeróbia tem sido amplamente utilizada no tratamento de águas residuais de matadouros e considerada uma opção sustentável na gestão e remoção destes resíduos. No entanto, a utilização de CCMs com este fim pode constituir uma alternativa sustentável para a simultânea remoção de poluentes e recuperação de energia.Katuri, K. P., Enright, A. M., O'Flaherty, V., & Leech, D. (2012). Microbial analysis of anodic biofilm in a microbial fuel cell using slaughterhouse wastewater. Bioelectrochemistry, 87, 164-171. Numa investigação liderada por Krishna P. Katuri, em 2011, um sistema CCM de duas câmaras foi usado para o tratamento das águas residuais de um matadouro. Este sistema alcançou uma densidade de potência máxima de 578 mW/m2, tendo o biofilme anódico sido dominado pela bactéria Geovibrio ferrireducens.
Células de Combustível Microbianas utilizadas como Biossensores
Funcionamento dos Biossensores