Produção de eletricidade por consórcio de bactérias púrpura não sulfurosas em célula de combustível microbiana

Abstract

As células de combustível microbianas (CCMs) são sistemas bioeletroquímicos (SBEs) que tem despertado grande interesse como alternativa para geração de eletricidade e recuperação de produtos com valor comercial a partir do tratamento de águas residuais por meio do metabolismo microbiano. Nos últimos anos, houve uma melhora significativa no desempenho das CCMs, com a geração de energia já se aproximando de valores adequados para aplicações práticas em escala laboratorial. Entretanto, a eficiência dessa tecnologia ainda precisa ser aperfeiçoada para a sua aplicação em escalas maiores. Uma solução promissora para superar esse obstáculo é a tecnologia das CCMs fotossintéticas (foto-CCMs), que fazem uso de microrganismos fototróficos para conversão de energia luminosa em eletricidade através do processo de fotossíntese. Os microrganismos mais estudados em foto-CCMs são as bactérias púrpura não sulfurosas (BPNS) por apresentarem elevada diversidade metabólica e excelente desempenho na geração de bioeletricidade, especialmente as do gênero Rhodopseudomonas. Portanto, o objetivo deste estudo foi avaliar o potencial do uso de água residual como substrato para produção de bioeletricidade em foto-CCM usando um consórcio de BPNS e lodo anaeróbico. Para isso, foram construídas três foto-CCMs de duas câmaras, cada uma separada por uma membrana de troca catiônica (MTC) pré-tratada. Pano de carbono foi utilizado nos ânodos e cátodos, eletricamente conectados por um fio de platina sob uma resistência. Os compartimentos anódicos foram alimentados com lodo anaeróbico proveniente de uma estação de tratamento de esgoto (ETE). Um consórcio de BPNS isolado deste lodo e previamente enriquecido foi utilizado como biocátodo. As câmaras de cada célula foram preenchidas com água residual sintética (ARA) rica em acetato de sódio como meio de cultura. Então, as foto-CCMs foram incubadas em temperatura constante sob condições anaeróbicas, agitação contínua e iluminação constante fornecida por lâmpadas LED. Nessas condições, a densidade máxima de potência atingiu um valor de 4,67 mW/m2. Este estudo demonstrou a possibilidade na utilização de lodo anaeróbico como bioanodo e BPNS como biocátodo em foto-CCMs para geração de bioeletricidade com a utilização de águas residuais. Entretanto, ainda são necessários mais estudos para validar esses resultados, bem como para melhorar densidade de potência e a estabilidade do sistema a longo prazo.

Microbial fuel cells (MFCs) are bioelectrochemical systems (BES) that have gained great interest as an alternative for electricity generation and value-added products recovery from wastewater treatment by microbial metabolism. Over the past years, the performance of MFCs has significantly improved and the power generation already approach values that would be suitable for practical implementation in laboratory scale systems. However, it is still necessary to increase the efficiency of this technology in order to make the scaling-up of MFCs viable. A promising solution to overcome this hurdle is the photosynthetic MFC (photo-MFC) technology, which can use phototrophic microorganisms to convert light energy into electricity through photosynthesis process. The most studied microorganisms in photo-CCMs are purple non-sulfur bacteria (PNSB) due their high metabolic versatility and strong performance in bioelectricity generation, especially those of the genus Rhodopseudomonas. Thus, the objective of this study was to evaluate the potential of the use of wastewater as a substrate in the production of bioelectricity in a photo-MFC using PNSB consortia and anaerobic sludge. For this purpose, three dual-chamber photo-MFCs were constructed, each separated by cation exchange membrane (CEM) pretreated. Carbon cloth were used as anodes and cathodes, electrically connected through an external platinum circuit under a load. Anodic compartments were fed with anaerobic sludge from a sewage treatment plant (STP). A PNSB consortia isolated from this sludge and previously enriched was used as biocathode. The chambers of each cell were filled with designed synthetic wastewater (DSW) rich in sodium acetate as a culture medium. Then, the photo-MFCs were incubed at room temperature under anaerobic conditions, continuous stirring and constant illumination provided by LED lamps. In these conditions, maximum power density achieved 4.67 mW/m2. This study demonstrated the possibility of employing anaerobic sludge as a bioanode and PNSB as a biochatode in a photo-MFCs for bioelectricity generation with the utilization of wastewater. However, it is still necessary further studies in order to validate these results as well as the improvement of power density and the long-term stability.