Como funcionam as células de combustível microbianas vegetais

As plantas convertem a luz solar em compostos orgânicos que, quando consumidos por outras formas de vida, passam a energia do sol para o resto da cadeia alimentar. Como seres 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 de milho, cana-de-açúcar e óleo vegetal [fonte: The New York Times ].

Infelizmente, o petróleo é tão cheio 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 ainda, à medida que as culturas alimentares globais 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 extrair energia das plantações sem matá-las, ou gerar energia usando plantas e terras desnecessárias para alimentação, tudo através do poder dos micróbios? Essa é a ideia por trás das células de combustível microbianas de plantas ( PMFCs ).

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

Durante décadas, os pesquisadores procuraram 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 a partir de uma reação química catalisada por micróbios [fonte: Rabaey e Verstraete ]. Os MFCs oferecem opções renováveis ​​de baixo consumo de energia para monitoramento de poluentes, limpeza e dessalinização de água e alimentação de sensores e instrumentos remotos.

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

Em 2008, 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 ai. ; Strike et ai. ]. Usando essa tecnologia escalável, vilarejos 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 ].

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

Conteúdo

1. Não há lugar como o barro
2. PMFCs: Todos molhados ou excelentes em seu campo?
3. Do petróleo aos arados

O solo, como se vê, está cheio de potencial (elétrico) inexplorado.

À medida que as plantas verdes realizam a fotossíntese - convertendo a energia da luz solar em energia química, armazenando-a em açúcares como a glicose - elas exalam resíduos através de suas raízes para uma camada do solo conhecida como rizosfera . Lá, as bactérias comem as células descamadas das plantas, juntamente com proteínas e açúcares liberados por suas raízes [fonte: Ingham ].

Em termos de PMFC, isso significa que, enquanto a planta estiver viva, 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, o sol.

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

De um modo geral, os MFCs funcionam separando duas metades de um processo eletrobioquímico (metabolismo) e conectando-as em um circuito elétrico. Para entender como, vejamos o metabolismo celular em detalhes.

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

C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6O ₂ → 6C _O2 + 6H ₂ O

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

C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6H ₂ O → 6CO ₂ + 24H ⁺ + 24e ^-

Em um PMFC, essa metade do processo define metade da célula de 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:

6O ₂ + 24H ⁺ + 24e ^- → 12H ₂ O

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

Mas quanto?

Enraizando Problemas Potenciais

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

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

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

Still, their potential applications in addressing other global sustainability problems, including the strain placed by biofuels on an already overburdened global food supply system, continues to inspire researchers and at least one exploratory venture, the 5.23-million-euro project PlantPower [sources: Deng, Chen and Zhao; PlantPower; Tenenbaum].

Because PMFCs already work on aquatic plants, farmers and villages need not dump their water-based rice crops in order to implement them. On a larger scale, communities could set up PMFCs in wetlands or areas of poor soil quality, avoiding land competition between energy and food production [source: Strik et al. ]. Manufactured settings like greenhouses could produce energy throughout the year, but farmland electricity production would depend on the growth season [source: PlantPower].

Producing more energy locally could lower carbon emissions by reducing the demand for fuel shipping -- itself a major greenhouse gas contributor. But there's a catch, and it's a pretty significant one: Even if PMFCs become as efficient as possible, they still face a bottleneck -- the photosynthetic efficiency and waste production of the plant itself.

Plants are surprisingly inefficient at transforming solar energy into biomass. This conversion limit springs partly from quantum factors affecting photosynthesis and partly from the fact that chloroplasts only absorb light in the 400-700 nanometer band, which accounts for about 45 percent of incoming solar radiation [source: Miyamoto].

The two most prevalent types of photosynthesizing plants on Earth are known as C3 and C4, so named because of the number of carbon atoms in the first molecules they form during CO₂ breakdown [sources: Seegren, Cowcer and Romeo; SERC]. The theoretical conversion limit for C3 plants, which make up 95 percent of plants on Earth, including trees, tops out at a mere 4.6 percent, while C4 plants like sugar cane and corn climb nearer to 6 percent. In practice, however, each of these plant types generally achieve only 70 percent of these values [sources: Deng, Chen and Zhao; Miyamoto; SERC].

With PMFCs, as with any machine, some energy is lost in running the works -- or, in this case, in growing the plant. Of the biomass built by photosynthesis, only 20 percent reaches the rhizosphere, and only 30 percent of that becomes available to microbes as food [source: Deng, Chen and Zhao].

PMFCs recover around 9 percent of the energy from the resulting microbial metabolism as electricity. Altogether, that amounts to a PMFC solar-to-electrical conversion rate approaching 0.017 percent for C3 plants ((70 percent of the 4.6 percent conversion rate) x 20 percent x 30 percent x 9 percent) and 0.022 percent for C4 plants (0.70 x 6.0 x 0.20 x 0.30 x 0.09) [sources: Deng, Chen and Zhao; Miyamoto; SERC].

In fact, some researchers think those assumptions may underestimate the potential of PMFCs, which can only be good news for consumers.

It's Hydromatic

Interest in fuel cells, which enable cars to cover more miles than battery power alone and are more easily implemented in large vehicles, continued to surge as of November 2012 [source: Ko]. But, while hydrogen fuel might seem green-ish, its production requires loads of electricity, which makes it anything but carbon-neutral [source: Wüst]. PMFCs, which naturally produce hydrogen gas, could offer hope for truly green hydrogen fuel production.

Like any new technology, PMFCs face a number of challenges; for instance, they need a substrate that simultaneously favors plant growth and energy transfer -- two goals that are sometimes at odds. Differences in pH between the two cell halves, for example, can bring about loss of electrical potential, as ions "short" across the membrane to achieve chemical balance [source: Helder et al. ].

If engineers can work out the kinks, though, PMFCs could hold both vast and varied potential. It all comes down to how much energy they can produce. According to a 2008 estimate, that magic number comes in at around 21 gigajoules (5,800 kilowatt-hours) per hectare (2.5 acres) each year [source: Strik et al.]. More recent research has estimated that number could go as high 1,000 gigajoules per hectare [source: Strik et al.]. A few more facts for perspective [sources: BP; European Commission]:

Based on these numbers, if 1 percent of U.S. and European farmlands were converted to PMFCs, they would yield a back-of-the-envelope estimate of 34.5 million gigajoules (9.58 billion kilowatt-hours) annually for Europe and 75.6 million gigajoules (20.9 billion kilowatt-hours) annually for America.

By comparison, the 27 European Union countries in 2010 consumed 1,759 million tons of oil equivalent (TOE) in energy, or 74.2 billion gigajoules (20.5 trillion kilowatt-hours). TOE is a standardized unit of international comparison, equal to the energy contained in one ton of petroleum [sources: European Commission; Universcience].

In this simplified scenario, PMFCs provide a drop in a very large energy bucket, but it's a pollution-free drop, and a drop generated from lush landscapes instead of smoke-belching power plants or bird-smashing wind farms .

Moreover, it's just the beginning. Researchers are already working on more efficient waste-gobbling bacteria and, between 2008 and 2012, advances in substrate chemistry more than doubled electrical production in some PMFCs. PlantPower argues that, once perfected, PMFCs could provide as much as 20 percent of Europe's primary energy -- that is, energy derived from untransformed natural resources [source: Øvergaard; PlantPower].

PMFCs must become cheaper and more efficient before they can enjoy wide implementation, but progress is under way. Already, many MFCs save money by manufacturing electrodes from highly conductive carbon cloth rather than precious metals or expensive graphite felt [sources: Deng, Chen and Zhao; Tweed]. As of 2012, it cost $70 to operate a one-cubic-meter setup under laboratory conditions.

When one considers their potential for removing pollutants and for reducing greenhouse gases, who knows? PMFCs could garner enough investor and government interest to become the power plants of the future -- or plant the seed for an even better idea [source: Deng, Chen and Zhao].

Authors Note: How Plant-microbial Fuel Cells Work

If you think about it, building a battery that can run off of bacterial digestive processes brings us one step closer to cyborgs and self-powered machines. The human body relies on gut bacteria to convert food into energy; if we could tap into this process to juice fuel cells, then we might also power bodily implants, such as pacemakers.

Researchers at Harvard Medical School and Massachusetts Institute of Technology have already blurred this line, constructing a brain chip powered by glucose, which it harvests from recirculated cerebrospinal fluid [source: Rapoport, Kedzierski and Sarpeshkar]. Can cyberbrains be far behind? (Well, yes, probably).

Imagine só: poderíamos construir máquinas que pastam! OK, isso pode não parecer tão sexy quanto armas de raios e foguetes, mas essas máquinas podem permanecer ativas no campo indefinidamente sem 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. Visualizo manadas de robôs de cerâmica branca cobertos de Salvia hispanica e faço a pergunta:

Os andróides sonham com Chia Pets elétricos?

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