Un passo avanti per l’elettronica biodegradabile
Un organismo filamentoso e multicellulare, presente nei sedimenti di acqua dolce e marini, è in grado di trasferire elettroni su distanze centimetriche. i batteri cavo(si apre in una nuova finestra), come sono noti, possono facilitare il trasporto di elettroni ossidando il solfuro nei sedimenti profondi e trasportando elettroni per ridurre l’ossigeno in superficie. E ce ne sono molti in giro: All’interno di uno strato superiore di 15 cm di sedimento, sono state rilevate(si apre in una nuova finestra) densità di batteri cavo che forniscono una lunghezza totale fino a 2 km per centimetro quadrato di superficie . Kartik Aiyer(si apre in una nuova finestra), un borsista post-dottorato Marie Curie(si apre in una nuova finestra) presso il Centro di elettro-microbiologia della Università di Aarhus(si apre in una nuova finestra), spiega: «Sono unici nella loro capacità di dividere il lavoro metabolico(si apre in una nuova finestra) tra le diverse cellule del cavo. In altre parole, mentre alcune cellule sepolte nel sedimento anossico generano energia ossidando un donatore di elettroni (più comunemente il solfuro), altre cellule riducono l’ossigeno nella zona ossigenata eseguendo una differente semireazione della ossidoriduzione(si apre in una nuova finestra) ». Il progetto Cable electricity O2 si proponeva di sviluppare un sistema bioelettrochimico che passasse dalla produzione di energia all’accumulo di energia, utilizzando i batteri. L’obiettivo è alimentare biologicamente un microprocessore, il che, se avrà successo, potrebbe aprire la strada all’elettronica biodegradabile.
Le colture arricchite con batteri cavo generano corrente elettrica
I batteri sono stati integrati in un sistema di gestione dell’energia costituito da un chip microprocessore, un circuito di misurazione della corrente e della tensione e un microcontrollore per alimentare il microprocessore con gli elettroni ottenuti dal sedimento. Per studiare la potenziale elettroattività dei batteri cavo, una cella a tre elettrodi composta da un elettrodo di lavoro in feltro di carbone, un elettrodo di riferimento Ag/AgCl e un contro-elettrodo Ti è stata inoculata con sedimento di acqua dolce. «Il sedimento è stato arricchito con il ceppo singolo E. aureum GS. Non erano presenti altri ceppi di batteri cavo. Dopo l’inoculazione, la corrente ha mostrato un aumento sigmoidale», spiega l’autore. Per comprendere meglio il contributo specifico dei batteri cavo alla corrente complessiva misurata, un altro set di celle a tre elettrodi è stato inoculato con sedimento autoclavato. «Abbiamo aggiunto circa 10 batteri cavo puliti dopo averli pescati dal sedimento utilizzando ami di vetro sterilizzati. Rispetto ai controlli sui sedimenti trattati in autoclave, l’aggiunta di batteri cavo vivi ha prodotto un chiaro aumento della corrente, evidenziando il loro ruolo specifico nel guidare l’elettroattività del sistema», osserva il ricercatore.
Processori alimentati da batteri per l’elettronica biodegradabile
Il team ha coltivato con successo i batteri cavo sugli elettrodi. Ci è voluto più tempo del previsto, ma è stato stabilito un sistema riproducibile, come mostrato nel loro recente articolo(si apre in una nuova finestra). Aiyer ritiene che ciò stabilisca le basi biologiche per la produzione di energia, nell’ambito di un’attenzione generale volta a trovare modi per generare dispositivi elettronici biocompatibili e biodegradabili. La scoperta più importante del progetto è stata che i batteri cavo possono essere coltivati direttamente sugli elettrodi, anziché coltivarli con l’ossigeno come avviene in natura. Il sostegno dell’UE ha portato a questa scoperta. «Avevamo già capito la loro capacità di spostare elettroni internamente su distanze centimetriche, ma non sapevamo che potessero anche scambiare elettroni direttamente con superfici solide come gli elettrodi. La dimostrazione di questo comportamento ci offre, per la prima volta, un modo controllato per studiare come i batteri cavo interagiscono elettricamente con il loro ambiente - un passo essenziale prima di poter sviluppare qualsiasi applicazione pratica.»
