Lo scarico di effluenti organici – materiali di scarto biodegradabili provenienti da piante e animali – nei corpi d’acqua dolce rappresenta un problema ambientale significativo, che incide sulla salute e sulla sostenibilità di questi ecosistemi acquatici. Tuttavia, i metodi attualmente disponibili per controllare la qualità dell'acqua sono complessi e costosi.
I ricercatori dell’Università Ritsumeikan, in Giappone, hanno recentemente sviluppato un biosensore autoalimentato, economico e galleggiante per monitorare la qualità dell’acqua all’ingresso di laghi e fiumi d’acqua dolce. Lo studio è stato pubblicato sul Biochemical Engineering Journal il 1° novembre 2023.
"Abbiamo sviluppato un biosensore galleggiante autoalimentato, autonomo, basato su una cella a combustibile microbica (MFC) per il rilevamento precoce delle acque reflue organiche. La custodia dell'MFC è stata fabbricata con una stampante 3D e gli elettrodi sono stati fabbricati con materiali a base di carbonio a basso costo materiali", afferma il professor Kozo Taguchi del College of Science and Engineering, Dipartimento di ingegneria elettrica ed elettronica, Università di Ritsumeikan, che ha guidato lo studio.
Gli MFC generano elettricità con l'aiuto di batteri elettrogenici. Questi microrganismi producono una corrente elettrica come risultato del loro metabolismo biologico. La quantità di elettricità generata dall'MFC è proporzionale alla concentrazione dei rifiuti organici consumati dai microrganismi elettrogenici. Questa caratteristica viene quindi utilizzata per progettare biosensori di rifiuti organici alimentati da MFC.
Utilizzando materiali poco costosi a base di carbonio, il gruppo di ricerca giapponese ha sviluppato un biosensore autoalimentato basato su un MFC galleggiante (FMFC) per monitorare continuamente il livello di contaminazione organica nei laghi e nei fiumi. Per raggiungere questo obiettivo, hanno riempito l’anodo (l’elettrodo dove avviene l’ossidazione e vengono emessi gli elettroni) dell’FMFC con terreno contenente batteri elettrogenici. I batteri anodici successivamente decomponevano la materia organica presente nell’acqua e convertivano l’energia chimica immagazzinata in energia elettrica. La produzione elettrica è stata quindi utilizzata come misura dei rifiuti organici presenti nell'acqua contaminata.
Sebbene i ricercatori non abbiano caratterizzato le comunità batteriche presenti nel campione di terreno, hanno razionalmente ipotizzato che i microrganismi dei generi Geobacter, Shewanella e Pseudomonas contribuissero all’attività elettrica. Studi precedenti indicano che i terreni delle risaie contengono naturalmente batteri elettrogenici appartenenti a questi generi.
Successivamente, il team ha aggiunto un diodo a emissione di luce (LED) al gruppo biosensore galleggiante. Il LED è stato in grado di sfruttare l'elettricità prodotta dai batteri elettrogenici e di indicare visivamente il livello di contaminazione organica nei campioni di acqua oggetto dell'indagine. Ha iniziato a lampeggiare quando la domanda chimica di ossigeno (COD), un parametro utilizzato per misurare il livello di contaminanti organici nell'acqua, ha superato il valore soglia di 60 mg/L. Inoltre, il LED lampeggiava ad un ritmo maggiore quando il COD superava significativamente il valore di soglia.
Il Prof. Taguchi aggiunge:"Poiché il biosensore FMFC produce la propria elettricità, non richiede alimentazione esterna. Inoltre, può essere utilizzato in sistemi di rilevamento precoce che monitorano gli afflussi di acque reflue organiche nei corpi di acqua dolce."
Ulteriori informazioni: Trang Nakamoto et al, Biosensore autonomo basato su celle a combustibile microbico galleggiante per il monitoraggio dell'afflusso di inquinamento organico, Biochemical Engineering Journal (2023). DOI:10.1016/j.bej.2023.109087
Fornito dall'Università Ritsumeikan
