CÉLULAS DE ENERGIA MICROBIANA PARA O ENSINO DE BIOELETRICIDADE, TRANSFERÊNCIA DE ELÉTRONS E ATIVIDADE MICROBIANA

Matheus Henrique Alcântara de Lima Cardozo; Isabel Cristina  Braga Rodrigues; Demian  Patrick Fabiano; Edson Romano Nucci

Matheus Henrique Alcântara de Lima Cardozo Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP) https://orcid.org/0000-0002-0833-7738
Isabel Cristina Braga Rodrigues Universidade Federal de São João Del-Rei (UFSJ) https://orcid.org/0000-0002-5474-6225
Demian Patrick Fabiano Universidade Federal de São João Del-Rei (UFSJ) https://orcid.org/0000-0002-4292-7715
Edson Romano Nucci Universidade Federal de São João Del-Rei (UFSJ) https://orcid.org/0000-0002-5904-4732

Resumen

Células de energia microbiana (CEM) são dispositivos que permitem promover o biotratamento de resíduos e a biogeração de energia elétrica de modo simultâneo por meio da atuação de microrganismos. Considerando a crise energética que tem ganhado força nas últimas décadas e a necessidade de abordar, na educação, formas alternativas de geração de energia – o que pode ser facilitado pela utilização de recursos didáticos –, propõe-se, nesse trabalho, a utilização das CEM para o ensino de bioeletricidade no âmbito da microbiologia. Por meio dessa abordagem, temas como ubiquidade microbiana, microbiologia do solo, respiração celular, geração de bioeletricidade e transferência de elétrons em microbiologia podem ser abordados e desenvolvidos. Assim, o trabalho elaborado permitiu concluir que experimentos práticos com CEM têm, de fato, potencial para ser empregados como um relevante recurso didático para o ensino e discussão da microbiologia.

Biografía del autor/a

Matheus Henrique Alcântara de Lima Cardozo, Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP)

Graduado em Engenharia de Bioprocessos e Mestre em Engenharia Química (pela UFSJ). Atualmente é Doutorando em Engenharia Ambiental (pela UFOP).

Isabel Cristina Braga Rodrigues, Universidade Federal de São João Del-Rei (UFSJ)

Graduada em Farmácia, Farmácia-Bioquímica e Farmácia Industrial e Mestre e Doutora em Engenharia Ambiental (pela UFOP). É professora na Universidade Federal de São João del-Rei (UFSJ).

Demian Patrick Fabiano, Universidade Federal de São João Del-Rei (UFSJ)

Graduado em Engenharia Química (pela UFU) e em Engenharia de Bioprocessos pela (UFSJ). Mestre em Engenharia Química (pela UFU) e Doutor em Engenharia Química pela (UFSCar). É professor na Universidade Federal de São João del-Rei (UFSJ).

Edson Romano Nucci, Universidade Federal de São João Del-Rei (UFSJ)

Graduado em Matemática, Mestre em Engenharia Química e Doutor em Engenharia Química (pela UFSCAR). É professora na Universidade Federal de São João del-Rei (UFSJ).

Citas

AHN, Youngho; LOGAN, Bruce. Effectiveness of domestic wastewater treatment using microbial fuel cells at ambient and mesophilic temperatures. Bioresource technology, v. 101, n. 2, p. 469-475, 2010. Disponível em: https://citeseerx.ist.psu.edu/document?repid=rep1&type=pdf&doi=3bd3cb377f6ba730ae502386dbcb244ca0bcc425. Acesso em 07 dez. 2023.

ANGIONI, Simone et al. Improving the performances of Nafion™-based membranes for microbial fuel cells with silica-based, organically-functionalized mesostructured fillers. Journal of Power Sources, v. 334, p. 120-127, 2016. Disponível em: https://iris.unipv.it/bitstream/11571/1162694/4/Paper_quartarone_second%20revision.pdf. Acesso em: 04 dez. 2023.

BAUDLER, André; RIEDL, Sebastian; SCHRÖDER, Uwe. Long-term performance of primary and secondary electroactive biofilms using layered corrugated carbon electrodes. Frontiers in Energy Research, v. 2, p. 30, 2014. Disponível em: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenrg.2014.00030/full. Acesso em: 04 dez. 2023.

CÂNDIDO, Mirilene dos Santos Casado et al. Microbiologia no Ensino Médio: Analisando a realidade e sugerindo alternativas de ensino numa Escola Estadual Paraibana. Ensino, Saúde e ambiente, v. 8, n. 1, 2015. Disponível em: https://periodicos.uff.br/ensinosaudeambiente/article/download/21199/12671. Acesso em: 04 dez. 2023.

CARDOZO, Matheus Henrique Alcântara de Lima; NUCCI, Edson Romano. Células de Energia Microbiana: Uma Tecnologia para Biotratamento de Efluente Aliado à Biogeração de Energia Elétrica. Sustentabilidade – Conceito Articulador de Saberes e Práticas, p. 306-320, 2022. Recuperado de https://www.reconectasolucoes.com.br/_files/ugd/db03c2_598fe830d0e84fbe9e06891b3f1fab a1.pdf. Acesso em: 04 dez. 2023.

CREPALDE, Rodrigo dos Santos; AGUIAR Júnior, Orlando Gomes. Abordagem intercultural na educação em ciências: da energia pensada à energia vivida. Educação em Revista, v. 30, p. 43-61, 2014. Disponível em: https://www.scielo.br/j/edur/a/VXpG6Tf9f4nd5GJNW6L6nGC/?lang=pt&format=html. Acesso em: 04 dez. 2023.

DU, Zhuwei; LI, Haoran; GU, Tingyue. A state of the art review on microbial fuel cells: a promising technology for wastewater treatment and bioenergy. Biotechnology advances, v. 25, n. 5, p. 464-482, 2007. Disponível em: https://www.researchgate.net/profile/Tingyue-Gu-3/publication/6254033_A_state_of_the_art_review_on_microbial_fuel_cells_A_promising_technology_for_wastewater_treatment_and_bioenergy/links/58933ca2aca27231daf5ecad/A-state-of-the-art-review-on-microbial-fuel-cells-A-promising-technology-for-wastewater-treatment-and-bioenergy.pdf. Acesso em 07 dez. 2023.

FORESTI, Eugenio. Anaerobic treatment of domestic sewage: established technologies and perspectives. Water Science and Technology, v. 45, n. 10, p. 181-186, 2002. Disponível em: https://citeseerx.ist.psu.edu/document?repid=rep1&type=pdf&doi=7e5b6459b4c6c1a5af61960da3ff3b2c172d729c. Acesso em 07 dez. 2023.

FUNG, Andrew Way Meng. Otimização da geração de energia em célula a combustível microbiana com Escherichia coli utilizando eletrodo modificado por eletrodeposição de polipirrol. 2006. 41 f. Dissertação (Mestrado em Ciência Ambientais) – Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Brasil.

GHASEMI, Mostafa et al. Effect of pre-treatment and biofouling of proton exchange membrane on microbial fuel cell performance. International journal of hydrogen energy, v. 38, n. 13, p. 5480-5484, 2013. Disponível em: https://www.academia.edu/download/47132499/Effect_of_pre-treatment_and_biofouling_o20160709-18348-1btmiir.pdf. Acesso em: 04 dez. 2023.

GUDE, Veera Gnaneswar. Energy and water autarky of wastewater treatment and power generation systems. Renewable and sustainable energy reviews, v. 45, p. 52-68, 2015. Disponível em: https://www.academia.edu/download/36489618/RSER_Energy_and_water_autarky_of_wastewater_treatment_and_power_generation_systems.pdf. Acesso em: 04 dez. 2023.

HE, Zhen; SHAO, Haibo; ANGENENT, Largus T. Increased power production from a sediment microbial fuel cell with a rotating cathode. Biosensors and Bioelectronics, v. 22, n. 12, p. 3252-3255, 2007.

HIDALGO, Diana et al. Streamlining of commercial Berl saddles: a new material to improve the performance of microbial fuel cells. Energy, v. 71, p. 615-623, 2014. Disponível em: https://www.academia.edu/download/35701372/ENERGY.pdf. Acesso em: 04 dez. 2023.

IN-SEOP, Chang; ORIANNA, Bretschger; KENNETH, Nealson. Electrochemically active bacteria (EAB) and mediator-less microbial fuel cells. Journal of Microbiology and Biotechnology, v. 16, n. 2, p. 163-177, 2006. Disponível em: https://koreascience.kr/article/JAKO200617033428931.pdf. Acesso em: 04 dez. 2023.

KUNTKE, P. et al. Ammonium recovery and energy production from urine by a microbial fuel cell. Water research, v. 46, n. 8, p. 2627-2636, 2012. Disponível em: https://www.academia.edu/download/39257744/0c96051f0fe61a3217000000.pdf. Acesso em: 04 dez. 2023.

LEHNEN, Débora Santos. Desenvolvimento de células de combustível microbiana. 2014. 40 f. Dissertação (Mestrado em Química) – Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Brasil.

LIU, Hong; RAMNARAYANAN, Ramanathan; LOGAN, Bruce. Production of electricity during wastewater treatment using a single chamber microbial fuel cell. Environmental science & technology, v. 38, n. 7, p. 2281-2285, 2004. Disponível em: https://www.academia.edu/download/46124054/Production_of_Electricity_During_Wastewa20160601-4356-1cf8euh.pdf. Acesso em 07 dez. 2023.

LOGAN, Bruce et al. Microbial electrolysis cells for high yield hydrogen gas production from organic matter. Environmental Science & Technology, v. 42, n. 23, p. 8630-8640, 2008. Disponível em: https://www.researchgate.net/profile/Abudukeremu-Kadier/post/What_is_the_favourable_voltage_for_conducting_Microbial_electrolysis_cell_MEC_experiment/attachment/59d61dd279197b807797a46c/AS%3A273596813905923%401442241971536/download/2008-Logan-etal-ES%26T.pdf. Acesso em: 04 dez. 2023.

LOGAN, Bruce; RABAEY, Korneel. Conversion of wastes into bioelectricity and chemicals by using microbial electrochemical technologies. Science, v. 337, n. 6095, p. 686-690, 2012. Disponível em: https://www.researchgate.net/profile/Korneel-Rabaey/publication/230643505_Conversion_of_Wastes_into_Bioelectricity_and_Chemicals_by_Using_Microbial_Electrochemical_Technologies/links/0deec5237f4de2466d000000/Conversion-of-Wastes-into-Bioelectricity-and-Chemicals-by-Using-Microbial-Electrochemical-Technologies.pdf. Acesso em: 04 dez. 2023.

MARCON, Lucas Ricardo Cardoso. Potencialidade da célula combustível microbiana para geração de energia elétrica a partir de esgoto sanitário. 2011. 57 f. Dissertação (Mestrado em Ciências) – Universidade de São Paulo, Brasil.

MIRANDA, Leila Mourão. Sobre história, sustentabilidade e crise energética. Revista Brasileira de História, v. 43, p. 15-28, 2023. Disponível em: https://www.scielo.br/j/rbh/a/jyPGVj8MZycHSjfY4XTBMcb/. Acesso em: 05 dez. 2023.

MORAIS, Naassom Wagner Sales; SANTOS, André Bezerra dos. Análise dos padrões de lançamento de efluentes em corpos hídricos e de reúso de águas residuárias de diversos estados do Brasil. Revista DAE, n. 215, p. 40-55, 2019. Disponível em: https://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/43168/1/2019_art_absantos.pdf. Acesso em 07 dez. 2023.

MUNOZ-CUPA, Carlos et al. An overview of microbial fuel cell usage in wastewater treatment, resource recovery and energy production. Science of the Total Environment, v. 754, p. 142429, 2021. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969720359581. Acesso em 07 dez. 2023.

NICOLA, Jéssica Anese; PANIZ, Catiane Mazocco. A importância da utilização de diferentes recursos didáticos no Ensino de Ciências e Biologia. InFor, v. 2, n. 1, p. 355-381, 2017. Disponível em: https://ojs.ead.unesp.br/index.php/nead/article/download/InFor2120167/98. Acesso em: 05 dez. 2023.

PANT, Deepak et al. A review of the substrates used in microbial fuel cells (MFCs) for sustainable energy production. Bioresource technology, v. 101, n. 6, p. 1533-1543, 2010. Disponível em: https://citeseerx.ist.psu.edu/document?repid=rep1&type=pdf&doi=4846e61d473e9066d60bd9dba62a2ef3ef5787f0. Acesso em 07 dez. 2023.

PARK, Younghyun et al. Complete nitrogen removal by simultaneous nitrification and denitrification in flat-panel air-cathode microbial fuel cells treating domestic wastewater. Chemical Engineering Journal, v. 316, p. 673-679, 2017. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894717301626. Acesso em 07 dez. 2023.

RABAEY, Korneel; VERSTRAETE, Willy. Microbial fuel cells: novel biotechnology for energy generation. Trends in Biotechnology, v. 23, n. 6, p. 291-298, 2005. Disponível em: https://www.researchgate.net/profile/Korneel-Rabaey/publication/7819936_Microbial_Fuel_Cells_Novel_Biotechnology_for_Energy_Generation/links/5a546521a6fdccf3e2e2dae8/Microbial-Fuel-Cells-Novel-Biotechnology-for-Energy-Generation.pdf. Acesso em 07 dez. 2023.

RAHIMNEJAD, Mostafa et al. Microbial fuel cell as new technology for bioelectricity generation: A review. Alexandria Engineering Journal, v. 54, n. 3, p. 745-756, 2015. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1110016815000484. Acesso em: 05 dez. 2023.

SANTOS, Pollyana Myrella Capela et al. Microbiologia para o ensino médio e técnico: contribuição da extensão ao ensino e aplicação da ciência. Revista Conexão UEPG, v. 9, n. 2, p. 254-267, 2013. Disponível em: https://www.redalyc.org/pdf/5141/514151730009.pdf. Acesso em: 04 dez. 2023.

SIMEON, Meshack et al. Polarization and power density trends of a soil‐based microbial fuel cell treated with human urine. International Journal of Energy Research, v. 44, n. 7, p. 5968-5976, 2020. Disponível em: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/er.5391. Acesso em 05 dez. 2023.

TANISHO, Shigeharu; KAMIYA, Nobuyuki; WAKAO, Noriaki. Microbial fuel cell using Enterobacter aerogenes. Journal of electroanalytical chemistry and interfacial electrochemistry, v. 275, n. 1, p. 25-32, 1989. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/002207288987189X. Acesso em 05 dez. 2023.

TORTORA, Gerard; CASE, Christine; FUNKE, Berdell. Microbiologia. 12 ed. Artmed Editora, 2016.

TRAPERO, Juan et al. Is microbial fuel cell technology ready? An economic answer towards industrial commercialization. Applied energy, v. 185, p. 698-707, 2017. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261916315562. Acesso em 05 dez. 2023.

VIEIRA, Valdecir Junior; CORRÊA, Maria José Pinheiro. O uso de recursos didáticos como alternativa no ensino de Botânica. Revista de Ensino de Biologia da SBEnBio, p. 309-327, 2020. Disponível em: https://renbio.org.br/index.php/sbenbio/article/download/290/116. Acesso em 05 dez. 2023.

VILAS BOAS, Rogério Custódio; MOREIRA, Fatima Maria de Souza. Microbiologia do solo no ensino médio de Lavras, MG. Revista Brasileira de Ciência do Solo, v. 36, p. 295-306, 2012. Disponível em: https://www.scielo.br/j/rbcs/a/Trc7ZM7qYKvnwZRHhb9sC5h/. Acesso em 07 dez. 2023.

WINFIELD, Jonathan et al. Towards disposable microbial fuel cells: natural rubber glove membranes. International journal of hydrogen energy, v. 39, n. 36, p. 21803-21810, 2014. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319914026305. Acesso em 07 dez. 2023.

ZHOU, Xingwang et al. Surface oxygen-rich titanium as anode for high performance microbial fuel cell. Electrochimica Acta, v. 209, p. 582-590, 2016. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0013468616311690. Acesso em 07 dez. 2023.