Pedeorelha | Como funcionam as células de combustível microbianas de plantas

Vova Krasen
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Se as células a combustível microbianas de plantas se popularizarem, plantas de arroz como essas podem significar tanto energia quanto alimento. Quer saber mais? Confira essas fotos de veículos com combustível alternativo. Creative Commons / midorisyu (sob licença CC BY 2.0)

Direta ou indiretamente, quase toda a vida na Terra é movida a energia solar.

As plantas convertem a luz solar em compostos orgânicos que, quando consumidos por outras formas de vida, passam a energia solar para o resto da cadeia alimentar. Como humanos, acessamos essa energia armazenada por meio da digestão e da queima de plantas cruas ou processadas. O petróleo é apenas matéria orgânica morta há muito tempo transformada por forças geológicas, e os biocombustíveis de primeira geração são extraídos do milho, cana-de-açúcar e óleo vegetal [fonte: The New York Times].

Infelizmente, o petróleo está tão repleto de problemas ambientais e de segurança quanto de energia, e os biocombustíveis de primeira geração - que são refinados pela queima de outros combustíveis - ficam muito aquém da neutralidade de carbono. Pior, como as safras globais de alimentos literalmente perdem terreno para a produção de biocombustíveis, a crescente escassez aumenta os preços dos alimentos, a fome e a instabilidade política [fonte: The New York Times].

Mas e se houvesse uma maneira de ter nosso arroz e queimá-lo também? E se pudéssemos derivar energia das plantações sem matá-las, ou gerar energia usando plantas e terras desnecessárias para a alimentação, tudo por meio do poder dos micróbios? Essa é a ideia por trás células de combustível vegetal-microbiana (PMFCs).

Quando se trata de fazer a vida funcionar, as plantas podem receber toda a boa publicidade, mas é o micróbio tão maligno que mantém a cadeia alimentar unida. Especificamente, as cianobactérias ajudam a formar sua base; os micróbios intestinais nos ajudam a digerir o alimento; e as bactérias do solo transformam os resíduos resultantes em nutrientes que as plantas podem usar.

Durante décadas, os pesquisadores vasculharam as possíveis maneiras de extrair energia desse metabolismo microbiano. Na década de 1970, seus esforços começaram a dar frutos na forma de células de combustível microbianas (MFCs) - dispositivos que geram eletricidade diretamente de uma reação química catalisada por micróbios [fonte: Rabaey e Verstraete]. Os MFCs oferecem opções renováveis de baixo consumo de energia para monitorar poluentes, limpar e dessalinizar água e alimentar sensores e instrumentos remotos.

Há um porém, é claro: os MFCs só funcionam enquanto tiverem algo para nos alimentar - normalmente, material orgânico nas águas residuais [fontes: Deng, Chen e Zhao; ONR]. Os pesquisadores perceberam que podiam entregar esse lixo - um bufê interminável movido a energia solar - diretamente para os micróbios do solo das próprias plantas, e a semente de uma ideia foi plantada.

Em 2008, os pesquisadores estavam publicando artigos anunciando o primeiro desses MFCs movidos a plantas, e o potencial ficou cada vez mais claro [fontes: Deng, Chen e Zhao; De Schamphelaire et al .; Strik et al.]. Usando essa tecnologia escalonável, aldeias e fazendas em países em desenvolvimento poderiam se tornar autossuficientes, enquanto nações industrializadas poderiam reduzir suas pegadas de efeito estufa extraindo energia de pântanos, estufas ou biorrefinarias [fontes: Doty; PlantPower].

PMFCs, em suma, são uma versão mais nova e mais ecológica de "usinas de energia" - talvez.

Conteúdo

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O solo, ao que parece, está cheio de potencial (elétrico) inexplorado.

À medida que as plantas verdes realizam a fotossíntese - convertendo a energia solar em química e, em seguida, armazenando-a em açúcares como a glicose - elas exsudam produtos residuais por meio de suas raízes em uma camada de solo conhecida como rizosfera. Lá, as bactérias se alimentam das células desprezadas das plantas, juntamente com proteínas e açúcares liberados por suas raízes [fonte: Ingham].

Em termos de PMFC, isso significa que, enquanto a planta viver, a bactéria terá um vale-refeição e a célula a combustível gerará energia. A primeira lei da termodinâmica, que alguns traduzem como "não existe almoço grátis", ainda se aplica porque o sistema recebe energia de uma fonte externa, ou seja, o sol.

Mas como na Terra, ou embaixo dela, os micróbios geram eletricidade simplesmente consumindo e metabolizando alimentos? Tal como acontece com o amor ou cozimento, tudo se resume à química.

Em termos gerais, os MFCs funcionam separando duas metades de um processo eletro-bioquímico (metabolismo) e conectando-os em um circuito elétrico. Para entender como, vamos examinar o metabolismo celular em detalhes.

No exemplo de livro didático a seguir, glicose e oxigênio reagem para produzir dióxido de carbono e água [fontes: Bennetto; Rabaey e Verstraete].

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6C_O2 + 6h₂O

Mas dentro de células individuais - ou organismos unicelulares como bactérias - esta declaração ampla encobre uma série de etapas intermediárias. Algumas dessas etapas liberam temporariamente elétrons que, como todos sabemos, são úteis para gerar eletricidade. Então, em vez de glicose e oxigênio reagirem para produzir dióxido de carbono e água, aqui a glicose e a água produzem dióxido de carbono, prótons (íons de hidrogênio carregados positivamente (H⁺)) e elétrons (e^-) [fontes: Bennetto; Rabaey e Verstraete].

C₆H₁₂O₆ + 6h₂O → 6CO₂ + 24h⁺ + 24e^-

Em um PMFC, essa metade do processo define a metade da célula a combustível. Esta porção está localizada na rizosfera com as raízes das plantas, resíduos e bactérias. A outra metade da célula encontra-se em água rica em oxigênio, no lado oposto de uma membrana permeável. Em um ambiente natural, essa membrana é formada pela fronteira solo-água [fontes: Bennetto; Rabaey e Verstraete; Deng, Chen e Zhao].

Na segunda metade da célula, prótons e elétrons livres se combinam com o oxigênio para produzir água, assim:

6O₂ + 24h⁺ + 24e^- → 12H₂O

Os prótons alcançam essa segunda metade fluindo através da membrana de troca iônica, criando uma carga líquida positiva - e um potencial elétrico que induz o fluxo de elétrons ao longo do fio de conexão externo. Voila! Corrente elétrica [fontes: Bennetto; Rabaey e Verstraete; Deng, Chen e Zhao].

Mas quanto?

Eliminação de possíveis problemas

A determinação do impacto ambiental dos PMFCs exigirá pesquisas adicionais em uma variedade de áreas, incluindo como os eletrodos afetam o ambiente radicular. Eles podem reduzir potencialmente a disponibilidade de nutrientes, por exemplo, ou reduzir a capacidade de uma planta de combater infecções [fonte: Deng, Chen and Zhao].

Além disso, como funcionam melhor em algumas de nossas terras mais protegidas - pântanos e áreas agrícolas - os PMFCs podem enfrentar um processo de aprovação ambiental difícil. Por outro lado, os MFCs de águas residuais podem oxidar amônio e reduzir os nitratos, então é possível que os MFCs baseados em plantas possam equilibrar o risco protegendo as terras úmidas do escoamento agrícola [fontes: Deng, Chen e Zhao; Moleiro; Tweed].

A partir de 2012, os PMFCs não produzem muita energia e funcionam apenas em ambientes aquáticos, com plantas como capim-junco (Glyceria maxima), arroz, capim-comum (Spartina anglica) e junco gigante (Arundo Donax) [fontes: Deng, Chen e Zhao; PlantPower]. Se você se deparar com um campo de PMFCs, como o patch do telhado do Instituto de Ecologia da Holanda em Wageningen, nunca saberia que era algo mais do que uma coleção de plantas, exceto pela fiação colorida saindo do solo [fonte: Williams].

Ainda assim, suas aplicações potenciais no tratamento de outros problemas de sustentabilidade global, incluindo a pressão exercida pelos biocombustíveis em um sistema global de abastecimento de alimentos já sobrecarregado, continua a inspirar pesquisadores e pelo menos um empreendimento exploratório, o projeto PlantPower de 5,23 milhões de euros [fontes: Deng , Chen e Zhao; PlantPower; Tenenbaum].

Como os PMFCs já funcionam em plantas aquáticas, os agricultores e aldeias não precisam se desfazer de suas safras de arroz à base de água para implementá-las. Em uma escala maior, as comunidades poderiam estabelecer PMFCs em pântanos ou áreas de solo de baixa qualidade, evitando a competição pela terra entre a produção de energia e alimentos [fonte: Strik et al.]. Ambientes manufaturados, como estufas, podem produzir energia ao longo do ano, mas a produção de eletricidade em terras agrícolas depende da estação de crescimento [fonte: PlantPower].

Produzir mais energia localmente pode reduzir as emissões de carbono ao reduzir a demanda por transporte de combustível - ela mesma uma importante fonte de gases de efeito estufa. Mas há um problema, e é bastante significativo: mesmo que os PMFCs se tornem o mais eficientes possível, eles ainda enfrentam um gargalo - a eficiência fotossintética e a produção de resíduos da própria planta.

As plantas são surpreendentemente ineficientes na transformação de energia solar em biomassa. Esse limite de conversão decorre em parte de fatores quânticos que afetam a fotossíntese e em parte do fato de que os cloroplastos apenas absorvem luz na faixa de 400-700 nanômetros, que é responsável por cerca de 45% da radiação solar incidente [fonte: Miyamoto].

Os dois tipos mais prevalentes de plantas fotossintetizantes na Terra são conhecidos como C3 e C4, assim chamados por causa do número de átomos de carbono nas primeiras moléculas que formam durante o CO₂ repartição [fontes: Seegren, Cowcer e Romeo; SERC]. O limite teórico de conversão para plantas C3, que representam 95% das plantas na Terra, incluindo árvores, chega a apenas 4,6%, enquanto as plantas C4, como cana-de-açúcar e milho, chegam a quase 6%. Na prática, entretanto, cada um desses tipos de plantas geralmente atinge apenas 70% desses valores [fontes: Deng, Chen e Zhao; Miyamoto; SERC].

Com os PMFCs, como em qualquer máquina, parte da energia é perdida no funcionamento das obras - ou, neste caso, no crescimento da planta. Da biomassa construída pela fotossíntese, apenas 20% chega à rizosfera e apenas 30% dela se torna disponível para os micróbios como alimento [fonte: Deng, Chen and Zhao].

Os PMFCs recuperam cerca de 9% da energia do metabolismo microbiano resultante na forma de eletricidade. No total, isso equivale a uma taxa de conversão de energia solar em PMFC próxima de 0,017 por cento para plantas C3 ((70 por cento da taxa de conversão de 4,6 por cento) x 20 por cento x 30 por cento x 9 por cento) e 0,022 por cento para plantas C4 (0,70 x 6,0 x 0,20 x 0,30 x 0,09) [fontes: Deng, Chen e Zhao; Miyamoto; SERC].

Na verdade, alguns pesquisadores acham que essas suposições podem subestimar o potencial dos PMFCs, o que só pode ser uma boa notícia para os consumidores.

É hidráulico

O interesse em células de combustível, que permitem que os carros percorram mais quilômetros do que apenas a energia da bateria, são mais facilmente implementadas em veículos grandes, continuou a aumentar em novembro de 2012 [fonte: Ko]. Mas, embora o hidrogênio possa parecer verde, sua produção requer muita eletricidade, o que o torna tudo menos neutro em carbono [fonte: Wüst]. PMFCs, que produzem gás hidrogênio naturalmente, podem oferecer esperança para a produção de combustível de hidrogênio verdadeiramente verde.

Você está vendo dois designs diferentes para PMFCs, ambos colocados em um telhado em Wageningen, na Holanda. Imagem cedida por Marjolein Helder / Plant-e

Como qualquer nova tecnologia, os PMFCs enfrentam vários desafios; por exemplo, eles precisam de um substrato que favoreça simultaneamente o crescimento da planta e a transferência de energia - dois objetivos às vezes conflitantes. As diferenças no pH entre as duas metades das células, por exemplo, podem causar perda de potencial elétrico, pois os íons "curvam" através da membrana para atingir o equilíbrio químico [fonte: Helder et al.].

Se os engenheiros puderem resolver os problemas, porém, os PMFCs podem ter um potencial vasto e variado. Tudo se resume a quanta energia eles podem produzir. De acordo com uma estimativa de 2008, esse número mágico chega a cerca de 21 gigajoules (5.800 quilowatts-hora) por hectare (2,5 acres) a cada ano [fonte: Strik et al.]. Pesquisas mais recentes estimam que o número pode chegar a 1.000 gigajoules por hectare [fonte: Strik et al.]. Mais alguns fatos para perspectiva [fontes: BP; Comissão Europeia]:

Um barril de petróleo contém cerca de 6 gigajoules de energia química.
A Europa abriga 13,7 milhões de agricultores, com cada fazenda tendo em média 12 hectares (29,6 acres).
Em comparação, a América tem 2 milhões de agricultores com uma média de 180 hectares (444,6 acres) cada.

Com base nesses números, se 1 por cento das terras agrícolas dos EUA e da Europa fossem convertidas em PMFCs, eles produziriam uma estimativa retroativa de 34,5 milhões de gigajoules (9,58 bilhões de quilowatts-hora) anualmente para a Europa e 75,6 milhões de gigajoules (20,9 bilhões de quilowatts-hora) anualmente para a América.

Em comparação, os 27 países da União Europeia em 2010 consumiram 1.759 milhões toneladas de óleo equivalente (TOE) em energia, ou 74,2 bilhões de gigajoules (20,5 trilhões de quilowatts-hora). TOE é uma unidade padronizada de comparação internacional, igual à energia contida em uma tonelada de petróleo [fontes: Comissão Européia; Universcience].

Nesse cenário simplificado, os PMFCs fornecem uma queda em um grande balde de energia, mas é uma queda livre de poluição e uma queda gerada por paisagens exuberantes, em vez de usinas de energia que expelem fumaça ou parques eólicos destruidores de pássaros.

Além disso, é apenas o começo. Os pesquisadores já estão trabalhando em bactérias devoradoras de resíduos mais eficientes e, entre 2008 e 2012, os avanços na química do substrato mais do que dobraram a produção elétrica em alguns PMFCs. PlantPower argumenta que, uma vez aperfeiçoados, os PMFCs poderiam fornecer até 20 por cento dos energia primária -- ou seja, energia derivada de recursos naturais não transformados [fonte: Øvergaard; PlantPower].

Os PMFCs devem se tornar mais baratos e eficientes antes que possam desfrutar de ampla implementação, mas o progresso está em andamento. Muitos MFCs já economizam dinheiro fabricando eletrodos de tecido de carbono altamente condutor, em vez de metais preciosos ou feltro de grafite caro [fontes: Deng, Chen e Zhao; Tweed]. Em 2012, custava US $ 70 para operar uma configuração de um metro cúbico em condições de laboratório.

Quando se considera seu potencial de remoção de poluentes e redução de gases de efeito estufa, quem sabe? Os PMFCs podem atrair investidores e interesses do governo o suficiente para se tornarem as usinas de energia do futuro - ou plantar a semente para uma ideia ainda melhor [fonte: Deng, Chen and Zhao].

Nota dos autores: Como funcionam as células de combustível microbianas de plantas

Se você pensar sobre isso, construir uma bateria que pode funcionar com processos digestivos bacterianos nos traz um passo mais perto de ciborgues e máquinas com alimentação própria. O corpo humano depende das bactérias intestinais para converter alimentos em energia; se pudéssemos aproveitar esse processo para estimular as células de combustível, também poderíamos alimentar implantes corporais, como marca-passos.

Pesquisadores da Harvard Medical School e do Massachusetts Institute of Technology já apagaram essa linha, construindo um chip cerebral alimentado por glicose, que coleta do líquido cefalorraquidiano recirculado [fonte: Rapoport, Kedzierski and Sarpeshkar]. Os ciberencéfalos podem estar muito atrás? (Bem, sim, provavelmente).

Imagine: poderíamos construir máquinas que pastam! OK, isso pode não soar tão sexy quanto armas de raio e foguetes, mas essas máquinas podem permanecer ativas em campo indefinidamente sem a necessidade de recarga ou novas baterias. Uma coleção de MFCs poderia formar um intestino improvisado, puxando eletricidade da glicose da planta.

Se alguém seguir essa ideia, espero que empregue PMFCs. Eu imagino rebanhos de robôs de cerâmica branca cobertos por Salvia hispanica, e eu faço a pergunta:

Os andróides sonham com Chia Pets elétricos?

Fontes

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Deng, Huan, Zheng Chen e Feng Zhao. "Energia de Plantas e Microorganismos: Progresso em Células Combustíveis Vegetais-Microbianas." ChemSusChem. Vol. 5, não. 6. Página 1006. Junho de 2012. (10 de janeiro de 2013) http://www.researchgate.net/publication/51871942_Energy_from_Plants_and_Microorganisms_Progress_in_Plant-Microbial_Fuel_Cells/file/9fcfd4fe35d29c822c.pdf
De Schamphelaire, Liesje et al. Células a combustível microbianas que geram eletricidade a partir de rizodepositos de plantas de arroz. Ciência e tecnologia ambiental. Vol. 42, nº 8. Página 3053. Março de 2008.
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Doty, Cate. "For Africa, 'Energy from Dirt'." The New York Times. 10 de novembro de 2008. http://www.nytimes.com/2008/11/11/giving/11AFRICA.html?_r=0
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Como funcionam as células de combustível microbianas de plantas

Nota dos autores: Como funcionam as células de combustível microbianas de plantas

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