óxido de grafeno

Scientific Reports volume 6, Número do artigo: 21867 (2016) Citar este artigo

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O óxido de grafeno (GO) é reduzido por certas bactérias exoeletrogênicas, mas seus efeitos no crescimento e metabolismo bacterianos são uma questão controversa. Este estudo teve como objetivo determinar se o GO funciona como o aceptor final de elétrons para permitir o crescimento específico e a produção de eletricidade por bactérias exoeletrogênicas. O cultivo de amostras ambientais com GO e acetato como único substrato poderia enriquecer especificamente bactérias exoeletrogênicas com espécies de Geobacter predominantes (51-68% das populações totais). Curiosamente, as bactérias nessas culturas se auto-agregaram em um complexo de hidrogel condutor junto com GO biologicamente reduzido (rGO). Uma nova bactéria que respira GO designada Geobacter sp. a estirpe R4 foi isolada deste complexo de hidrogel. Este organismo exibiu produção estável de eletricidade em >1000 μA/cm3 (a 200 mV vs Ag/AgCl) por mais de 60 d via rGO enquanto produção temporária de eletricidade usando feltro de grafite. A melhor produção de eletricidade depende das características do rGO, como uma grande área de superfície para crescimento de biofilme, maior capacitância e menor resistência interna. Este é o primeiro relato a demonstrar o crescimento dependente de GO de bactérias exoeletrogênicas enquanto forma um complexo de hidrogel condutor com rGO. O processo simples de colocar e esperar que leva à formação de complexos de hidrogel de rGO e exoeletrogênios permitirá aplicações mais amplas de GO em sistemas bioeletroquímicos.

Sistemas bioeletroquímicos (BESs)1 ou sistemas eletroquímicos microbianos (MESs)2 são os dispositivos de reações eletroquímicas que usam microorganismos como catalisadores. Células de combustível microbianas (MFCs) são um representante de BESs que gera elétrons para um eletrodo via oxidação microbiana de compostos orgânicos3. Bactérias exoeletrogênicas são caracterizadas por sua função única chamada transferência extracelular de elétrons (EET)4 e são mediadoras na produção de eletricidade em BESs. Membros dos gêneros Geobacter e Shewanella são os exoeletrogênios mais estudados que podem transferir elétrons diretamente por ligação ao eletrodo e indiretamente via mediadores redox5,6.

O desempenho de BESs está associado principalmente com EET em biofilmes bacterianos que se desenvolvem no eletrodo, mas menos com EET indireto por células planctônicas dentro do aparelho7. Portanto, o material do eletrodo é um importante determinante da formação de biofilmes e do desempenho da transferência de elétrons na interface célula-eletrodo. Como os eletrodos de carbono são quimicamente estáveis ​​e bons para o desenvolvimento de biofilmes bacterianos, esse tipo de eletrodo tem sido preferencialmente aplicado em BESs8,9. Especialmente, feltro de grafite, escova de carvão e tecido de carbono foram levados em consideração para uso prático por causa de sua disponibilidade comercial, desempenho experimental e benefício econômico. Um dos possíveis fatores importantes que afetam o desempenho dos eletrodos é a área de superfície. Um eletrodo com uma área de superfície maior pode permitir a fixação de mais células bacterianas do que o de carbono nu ou grafite10. Um progresso técnico recente nesta área de pesquisa é a modificação do anodo usando derivados de grafeno que apresentam maior desempenho11,12,13.

Grafeno, uma rede de favo de mel de camada única de átomo de carbono, tem vantagens de ter alta condutividade e grandes áreas de superfície em magnitude de ordem diferente, por exemplo, 2965 m2/g para grafeno14 e 0,02 m2/g para feltro de grafite10. No entanto, é difícil aplicar o grafeno diretamente nos BESs, porque é um pó hidrofóbico e precisa ser um complexo com eletrodos de suporte para uso em BESs. Foi demonstrado que a adição de óxido de grafeno (GO), a forma oxidada do grafeno, à câmara de reação em BESs aumenta a transferência de elétrons para o eletrodo de carbono15,16. O próprio GO não é eletricamente condutivo, mas torna-se um condutor quando reduzido por microorganismos17,18. Aqui esta forma reduzida de GO é designada simplesmente como GO reduzido (rGO), porque nenhuma informação sobre sua identidade química está disponível. A redução bacteriana de GO foi demonstrada pela primeira vez em culturas de espécies de Shewanella e posteriormente em Escherichia coli19 e populações mistas complexas20. As espécies de Shewanella reduziram o GO usando a proteína redox envolvida na EET17,18. Além disso, GO foi reduzido no extrato livre de células de uma cultura de Shewanella17, possivelmente por pequenas biomoléculas como a vitamina C21. Essas descobertas levantam a questão de saber se o GO serve como um aceptor de elétrons para o acoplamento do EET com a oxidação do substrato em bactérias exoeletrogênicas, permitindo assim seu crescimento. Até agora, o crescimento bacteriano pela respiração GO ainda não foi totalmente demonstrado. Por outro lado, o GO também demonstrou ter atividades antibacterianas ou bactericidas22,23. Esses resultados fornecem outra suposição de que o GO funciona como um simples coletor de elétrons, mas não como um aceptor de elétrons terminal para permitir o crescimento respiratório. Portanto, as informações sobre os efeitos do GO no crescimento e metabolismo bacteriano são fragmentadas e indefinidas no momento. Essa situação tem restringido a aplicação do GO aos BESs.