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No lodo escuro do fundo de um rio existe uma bactéria sem oxigênio para respirar que resolveu o problema como quem monta uma instalação elétrica. Ela se chama Geobacter, come restos orgânicos e precisa despejar em algum lugar os elétrons que sobram da digestão. Como o único receptor disponível ali embaixo é ferrugem sólida, um grão de óxido de ferro que jamais atravessa a parede da célula, a bactéria empurra a carga para fora por filamentos de proteína mais finos que qualquer fio que a indústria consiga puxar. O lodo do rio, visto de perto, é um circuito. Engenheiros entenderam a oportunidade: se no lugar da ferrugem você oferecer uma barra de grafite, a colônia passa a alimentar um fio de verdade. É a base das pilhas microbianas movidas a esgoto, e algumas já passaram anos no fundo do mar alimentando sensores.
I
O Mecanismo
Toda respiração é uma conta de sobra. A célula quebra a comida, arranca elétrons das moléculas e aproveita a energia liberada nesse tráfego para se manter viva. Só que o elétron precisa terminar em algum lugar, e no fim da fila tem que existir alguém disposto a recebê-lo. No nosso caso, o receptor é o oxigênio que entra pelo pulmão, e o resíduo da entrega é água.
No sedimento do fundo de um rio, o oxigênio acaba nos primeiros milímetros. Abaixo dessa faixa fina, qualquer bactéria que queira respirar precisa achar outro receptor, e o que sobra em abundância no lodo é ferro oxidado, a mesma ferrugem alaranjada que corrói um portão velho. O problema é que ferrugem é pedra. Não se dissolve, não atravessa a membrana, não entra na célula para ser processada lá dentro.
A Geobacter inverteu a lógica. Em vez de puxar o receptor para dentro, ela leva o elétron para fora. A membrana da bactéria é atravessada por uma fileira de proteínas chamadas citocromos, cada uma com um átomo de ferro no centro, montadas como uma escada de mão que passa a carga de degrau em degrau até a superfície externa do corpo.
Faltava resolver o alcance. O grão de ferrugem nem sempre encosta na bactéria, e a célula precisava de um cabo de extensão. A resposta apareceu em filamentos finíssimos que brotam da superfície, chamados pili, com poucos nanômetros de largura e vários micrômetros de comprimento, milhares de vezes mais compridos do que largos e milhares de vezes mais finos que um fio de cabelo.
A descoberta veio do lugar mais banal possível. Em 1987, o microbiologista Derek Lovley recolheu sedimento do rio Potomac, perto de Washington, e isolou a linhagem que ficou conhecida como Geobacter metallireducens. No frasco, ela convertia ferrugem em grãos de magnetita e crescia com a reação, a primeira demonstração convincente de que um micróbio consegue tirar energia de comer metal oxidado.
Levou quase vinte anos até alguém medir o fio. Em 2005, Gemma Reguera e colegas encostaram a ponta de um microscópio de força atômica nos filamentos de Geobacter sulfurreducens e detectaram corrente passando por eles. Os pili não eram apenas apoio mecânico, eram condutores de verdade. O apelido de nanofio microbiano pegou e abriu uma década de discussão sobre como exatamente a carga andava por ali.
A resposta chegou pelo congelador. Em 2019, um grupo de Yale liderado por Nikhil Malvankar congelou os filamentos e os fotografou por criomicroscopia eletrônica, quase átomo a átomo. O que parecia um pelo de proteína era, na verdade, uma pilha de citocromos OmcS encadeados, com os átomos de ferro empilhados a poucos ângstroms um do outro, formando uma trilha metálica contínua por onde o elétron salta sem parar ao longo de micrômetros.
Depois apareceu uma segunda família de fios, feita da proteína OmcZ, muito mais condutora e produzida justamente quando a colônia cresce grudada num eletrodo. O resultado é um tapete vivo: o biofilme inteiro conduz, e as bactérias das camadas de cima, longe do metal, continuam respirando através das vizinhas de baixo, como prédios ligados na mesma rede.
II
Por que Importa
A troca que interessa ao engenheiro é simples. Para a bactéria, tanto faz se o receptor de elétrons é um grão de ferrugem ou uma barra de grafite enfiada no lodo. Ofereça o eletrodo e ela se instala nele, forma biofilme e passa a despejar a carga ali. Feche o circuito com um segundo eletrodo exposto ao oxigênio e a corrente começa a andar. Está montada a pilha microbiana.
O combustível dessa pilha é matéria orgânica dissolvida em água suja. Esgoto doméstico serve, resíduo de cervejaria serve, efluente de laticínio serve. A conta ganha graça quando se lembra de que uma estação de tratamento queima energia bombeando ar para degradar a mesma matéria orgânica que a bactéria comeria de graça.
As estimativas de laboratório apontam que o esgoto carrega vários múltiplos da energia química necessária para tratá-lo, e o conjunto de água e saneamento consome uma fatia perto de dois a três por cento da eletricidade de um país industrializado. Virar a estação de consumidora para geradora não seria economia de trocado.
A honestidade obriga a frear aqui. Depois de duas décadas de protótipos, a pilha microbiana ainda entrega watts, não quilowatts. A potência por metro quadrado de eletrodo é baixa, o cátodo bom é caro, e um reator grande sofre com resistência interna e com micróbios concorrentes que roubam o substrato antes da Geobacter. Nenhuma cidade está no escuro esperando o esgoto virar usina.
Onde a tecnologia já venceu foi no nicho em que ninguém compete. Pilhas microbianas bentônicas, enterradas no sedimento do fundo do mar, alimentam sensores oceanográficos por anos sem troca de bateria, porque o lodo repõe o combustível sozinho. Miliwatts constantes num lugar onde mandar um barco trocar pilha custa uma fortuna valem mais que megawatts teóricos.
Outro caminho abandonou a eletricidade e foi atrás de gás. Na célula de eletrólise microbiana, em vez de colher corrente, aplica-se uma voltagem pequena sobre o mesmo biofilme, e os elétrons que a Geobacter entrega ao eletrodo terminam produzindo hidrogênio do outro lado. Gasta-se bem menos energia do que numa eletrólise comum, porque a bactéria já fez o serviço pesado de arrancar os elétrons do lixo orgânico.
A mesma respiração também serve para limpar veneno. A Geobacter consegue empurrar elétrons para o urânio dissolvido, e o metal reduzido perde a solubilidade e precipita para fora da água. Em testes de campo num terreno contaminado no Colorado, pesquisadores injetaram acetato no lençol freático só para alimentar a população nativa de Geobacter, e a concentração de urânio caiu enquanto o banquete durou.
A Geobacter nem é o caso mais extremo do gênero. No sedimento de uma baía dinamarquesa, pesquisadores encontraram as chamadas bactérias-cabo, filamentos formados por milhares de células enfileiradas que conduzem elétrons por centímetros inteiros, ligando o sulfeto do fundo ao oxigênio lá em cima. Em escala bacteriana, um centímetro equivale a uma linha de transmissão entre continentes.
O recado final desfaz uma hierarquia confortável. A eletricidade não é invenção nossa que a natureza copiou depois. Micróbios movem carga por fios de proteína há bilhões de anos, muito antes de existir cobre trefilado ou tomada na parede, e um punhado de lodo de rio guarda mais engenharia elétrica do que qualquer bancada de faculdade. Quem entender o circuito que já está lá embaixo pode acabar cobrando a conta do esgoto ao contrário.
III
A Fonte
Nature, 1987. Derek Lovley, John Stolz, Gordon Nord e Elizabeth Phillips, no artigo "Anaerobic production of magnetite by a dissimilatory iron-reducing microorganism", descreveram a linhagem GS-15 isolada do sedimento do rio Potomac, hoje chamada Geobacter metallireducens, e mostraram que ela cresce reduzindo óxido de ferro e deixa magnetita como resíduo.
Nature, 2005. Gemma Reguera, Kevin McCarthy, Teena Mehta, Julie Nicoll, Mark Tuominen e Derek Lovley, em "Extracellular electron transfer via microbial nanowires", mediram condutividade nos pili de Geobacter sulfurreducens com microscopia de força atômica de ponta condutora e mostraram que a bactéria depende desses filamentos para reduzir óxido de ferro insolúvel.
Cell, 2019. Fengbin Wang, Yangqi Gu, Nikhil Malvankar e colegas, em "Structure of microbial nanowires reveals stacked hemes that transport electrons over micrometers", usaram criomicroscopia eletrônica para revelar que os filamentos condutores são polímeros do citocromo OmcS, com os grupos heme empilhados formando um caminho contínuo para a carga.
Environmental Science and Technology, 2006. Bruce Logan e colegas, em "Microbial fuel cells: methodology and technology", consolidaram os métodos de medida e as arquiteturas de reator que transformaram a curiosidade de bancada em linha de pesquisa aplicada ao tratamento de efluentes.
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