Bactérias em nanofios convertem luz solar, dióxido de carbono e água em blocos orgânicos

02 Abr 2020 (Nanowerk News) Se os humanos esperarem colonizar Marte, os colonos precisarão fabricar no planeta uma enorme variedade de compostos orgânicos, de combustíveis a drogas, que são muito caros para serem enviados da Terra. Os químicos da Universidade da Califórnia, Berkeley e Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) têm um plano para isso. Nos últimos oito anos, os pesquisadores vêm trabalhando em um sistema híbrido que combina bactérias e nanofios que podem capturar a energia da luz solar para converter dióxido de carbono e água em blocos de construção de moléculas orgânicas. Nanofios são finos fios de silício com cerca de um centésimo da largura de um cabelo humano, usados ​​como componentes eletrônicos e também como sensores e células solares. “Em Marte, cerca de 96% da atmosfera é CO2. Basicamente, tudo o que você precisa são esses nanofios de semicondutores de silício para absorver a energia solar e repassá-la a esses bugs para fazer a química para você”, disse o líder do projeto Peidong Yang, professor de química e a cadeira de SK e Angela Chan em energia na UC Berkeley. “Para uma missão espacial profunda, você se preocupa com o peso da carga útil e os sistemas biológicos têm a vantagem de se auto-reproduzirem: você não precisa enviar muito. É por isso que nossa versão bio-híbrida é altamente atraente”. Um dispositivo para capturar dióxido de carbono do ar e convertê-lo em produtos orgânicos úteis. Em esquerdo é a câmara contendo o híbrido de nanofios / bactérias que reduz CO2 a forma de etilo. À direita está a câmara onde o oxigênio é produzido. (Imagem: Peidong Yang) O único outro requisito, além da luz solar, é a água, que em Marte é relativamente abundante nas calotas polares e provavelmente fica congelada no subsolo na maior parte do planeta, disse Yang, que é cientista sênior do Berkeley Lab e diretor do Kavli. Instituto de Nanociência da Energia. O bio-híbrido também pode puxar dióxido de carbono do ar na Terra para produzir compostos orgânicos e, simultaneamente, enfrentar as mudanças climáticas, causadas por um excesso de CO2 produzido na atmosfera pela atmosfera. Em um novo artigo publicado na revista Joule (“Híbridos compactos de nanofios e bactérias para fixação eficiente de CO2 por meio de energia solar”), os pesquisadores relatam um marco no empacotamento dessas bactérias (Sporomusa ovata) em uma “floresta de nanofios” para alcançar uma eficiência recorde: 3,6% da energia solar recebida é convertida e armazenada em ligações de carbono, na forma de uma molécula de dois carbonos chamada acetato: ácido essencialmente acético ou vinagre. Moléculas de acetato podem servir como blocos de construção para uma variedade de moléculas orgânicas, de combustíveis e plásticos a drogas. Muitos outros produtos orgânicos podem ser feitos de acetato dentro de organismos geneticamente modificados, como bactérias ou leveduras. O sistema funciona como a fotossíntese, que as plantas empregam naturalmente para converter dióxido de carbono e água em compostos de carbono, principalmente açúcar e carboidratos. As usinas, no entanto, têm uma eficiência bastante baixa, normalmente convertendo menos de meio por cento da energia solar em compostos de carbono. O sistema de Yang é comparável à planta que melhor converte CO2 em açúcar: cana-de-açúcar, que é 4-5% eficiente. Yang também está trabalhando em sistemas para produzir eficientemente açúcares e carboidratos da luz solar e CO2, potencialmente fornecendo alimento para os colonos de Marte. Assista o pH Quando Yang e seus colegas demonstraram seu reator híbrido nanofios e bactérias há cinco anos, a eficiência de conversão solar era de apenas 0,4% – comparável às plantas, mas ainda baixa quando comparada às eficiências típicas de 20% ou mais para painéis solares de silício que convertem luz para eletricidade. Yang foi um dos primeiros a transformar nanofios em painéis solares, há cerca de 15 anos. Os pesquisadores inicialmente tentaram aumentar a eficiência colocando mais bactérias nos nanofios, que transferem elétrons diretamente para as bactérias para a reação química. Mas as bactérias se separaram dos nanofios, interrompendo o circuito. Os pesquisadores finalmente descobriram que os insetos, ao produzirem acetato, diminuíam a acidez da água ao redor – isto é, aumentavam uma medida chamada pH – e os faziam se separar dos nanofios. Ele e seus alunos finalmente encontraram uma maneira de manter a água um pouco mais ácida para neutralizar o efeito do aumento do pH como resultado da produção contínua de acetato. Isso lhes permitiu empacotar muito mais bactérias na floresta de nanofios, aumentando a eficiência quase um fator de 10. Eles foram capazes de operar o reator, uma floresta de nanofios paralelos, por uma semana sem que as bactérias descascassem. Neste experimento em particular, os nanofios foram usados ​​apenas como fios condutores, não como absorvedores solares. Um painel solar externo forneceu a energia. Micrografia eletrônica de varredura de um híbrido de nanofios e bactérias operando com a acidez ideal, ou pH, para que as bactérias se amontoem ao redor dos nanofios. A embalagem fechada proporciona uma conversão mais eficiente da energia solar em ligações de carbono. A barra de escala é de 1/100 milímetro ou 10 mícrons. (Imagem: Peidong Yang) Em um sistema do mundo real, no entanto, os nanofios absorviam a luz, geravam elétrons e os transportavam para as bactérias lançadas sobre os nanofios. As bactérias absorvem os elétrons e, semelhante à maneira como as plantas produzem açúcar, convertem duas moléculas de dióxido de carbono e água em acetato e oxigênio. “Esses nanofios de silício são essencialmente como uma antena: eles capturam o fóton solar como um painel solar”, disse Yang. “Dentro desses nanofios de silício, eles vão gerar elétrons e alimentá-los a estas bactérias. Em seguida, as bactérias absorvem CO2, faça o química e cuspir acetato.” O oxigênio é um benefício colateral e, em Marte, poderia reabastecer a atmosfera artificial dos colonos, o que imitaria o ambiente de oxigênio de 21% da Terra. Yang alterou o sistema de outras maneiras – por exemplo, para incorporar pontos quânticos na membrana da bactéria que atuam como painéis solares, absorvendo a luz solar e evitando a necessidade de nanofios de silício. Essas bactérias ciborgues também produzem ácido acético. Seu laboratório continua a procurar maneiras de aumentar a eficiência do bio-híbrido, e também está explorando técnicas de engenharia genética das bactérias para torná-las mais versáteis e capazes de produzir uma variedade de compostos orgânicos. Fonte: Por Robert Sanders, Universidade da Califórnia, Berkeley Assine uma cópia gratuita de um de nossos informativos diários da Newsletter da Kanowerk com uma compilação de todas as notícias do dia. Esses artigos também podem interessá-lo: