Em um artigo recente publicado em Eletroquímicapesquisadores investigaram o aprimoramento da transferência de elétrons extracelulares (EET) por meio de estruturas de eletrodos de nanofios (NW), com foco no papel dos citocromos multi-heme na superfície da célula bacteriana. O estudo visa melhorar a eficiência da transferência de elétrons por meio da otimização do design do eletrodo, avançando assim a aplicação de Desulfovibrio ferrophilus IS5 em sistemas bioeletroquímicos.
Crédito da imagem: Love Worker/Shutterstock.com
Fundo
A crescente demanda por soluções de energia sustentável despertou interesse em sistemas bioeletroquímicos, particularmente aqueles que utilizam microrganismos para conversão e armazenamento de energia. Desulfovibrio ferrophilus IS5, uma bactéria redutora de sulfato, ganhou atenção por sua capacidade de transferir elétrons diretamente para eletrodos, um processo essential para o desenvolvimento de células de combustível microbianas e tecnologias de biorremediação.
A transferência de elétrons extracelular envolve o movimento de elétrons de células microbianas para aceptores de elétrons sólidos, como eletrodos. D. ferrophilus IS5, esse processo é facilitado por citocromos multi-heme, proteínas integrais de membrana que desempenham um papel basic na cadeia de transporte de elétrons. Vários fatores, incluindo propriedades da superfície do eletrodo e o arranjo físico das células bacterianas, podem influenciar a eficiência da EET.
O Estudo Atual
Substratos de p-Si(100) dopados com boro foram limpos usando banhos ultrassônicos em água deionizada, acetona e etanol. Uma fina camada de ouro (Au) foi depositada through evaporação térmica para servir como um catalisador para corrosão assistida por metallic. Os substratos foram então imersos em uma solução de peróxido de hidrogênio (H2O2) e ácido fluorídrico (HF) para corrosão seletiva do silício, formando nanofios de silício alinhados verticalmente de comprimentos variados (50 nm, 200 nm e 500 nm). Após a corrosão, os nanofios foram revestidos com uma camada de 20 nm de óxido de índio e estanho (ITO) usando pulverização catódica para aumentar a condutividade elétrica.
Desulfovibrio ferrophilus IS5 foi cultivado em meio Postgate’s B modificado com lactato como doador de elétrons e sulfato como aceptor de elétrons. A cultura foi incubada anaerobicamente a 30 °C, e as células foram coletadas durante a fase de crescimento exponencial. A suspensão bacteriana foi ajustada para uma densidade óptica de 0,5 a 600 nm em uma solução eletrolítica anóxica.
Um sistema de três eletrodos foi empregado, com o eletrodo NW como eletrodo de trabalho, um eletrodo de calomelano saturado como referência e um fio de platina como contraeletrodo. A amperometria de potencial único foi realizada em +0,4 V vs. SHE, enquanto a voltametria de pulso diferencial (DPV) foi conduzida com um incremento de pulso de 5,0 mV e amplitude de pulso de 50 mV. As correntes de fundo foram subtraídas usando o software program QSoas.
As densidades de corrente foram calculadas normalizando as correntes para a área da superfície do eletrodo. As correntes de pico DPV foram correlacionadas com concentrações de espécies redox-ativas, permitindo a estimativa das taxas de transferência de elétrons. Análises estatísticas foram realizadas para avaliar a significância das diferenças entre as várias configurações NW.
Resultados e Discussão
O estudo demonstrou que eletrodos de nanofios melhoraram significativamente a taxa de transferência de elétrons extracelulares em comparação com eletrodos ITO planos.
Imagens de microscopia eletrônica de varredura (SEM) revelaram arranjos de nanofios densamente compactados, o que aumentou a hidrofilicidade das superfícies dos eletrodos. Acredita-se que essa hidrofilicidade aumentada promova melhor fixação celular e facilite o processo de transferência de elétrons.
Descobriu-se que o comprimento dos nanofios desempenha um papel crítico na determinação da eficiência do EET, com nanofios mais longos mostrando desempenho aprimorado. O comprimento supreme para maximizar a transferência de elétrons foi identificado, indicando que o arranjo espacial dos nanofios pode ser ajustado para os melhores resultados.
As medições eletroquímicas mostraram que os eletrodos de nanofios exibiram maiores densidades de corrente na presença de D. ferrophilus IS5, apoiando a hipótese de que superfícies nanoestruturadas podem melhorar a transferência de elétrons microbianos.
O estudo também enfatizou a importância dos citocromos multi-heme no mecanismo de transferência de elétrons, pois essas proteínas são essenciais para a transferência direta de elétrons das células bacterianas para a superfície do eletrodo. As descobertas se alinham com pesquisas anteriores, que estabeleceram o papel crítico dos citocromos na facilitação da EET em vários microrganismos.
Conclusão
Esta pesquisa fornece informações valiosas sobre como melhorar a transferência de elétrons extracelulares em Desulfovibrio ferrophilus IS5 usando estruturas de eletrodos de nanofios.
O estudo demonstrou com sucesso que os conjuntos de nanofios melhoram significativamente a eficiência da transferência de elétrons, principalmente devido à sua maior área de superfície e hidrofilicidade, que promovem melhor fixação celular e interação com citocromos multi-heme.
As descobertas ressaltam o potencial dos eletrodos nanoestruturados no avanço de sistemas bioeletroquímicos, abrindo caminho para células de combustível microbianas e tecnologias de biorremediação mais eficientes. Pesquisas futuras devem se concentrar em otimizar ainda mais o design de eletrodos de nanofios e explorar os mecanismos subjacentes à EET aprimorada para aproveitar totalmente as capacidades dos microrganismos em aplicações de energia sustentável.
Referência de periódico
Deng X.., et al. (2024). Estruturas de eletrodos de nanofios melhoraram o transporte direto de elétrons extracelulares por meio de citocromos multi-heme de superfície celular em Desulfovibrio ferrophilus É5. Eletroquímica. DOI: 10.3390/electrochem5030021, https://www.mdpi.com/2673-3293/5/3/21