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Usando o sistema bioeletroquímico de três eletrodos e duas câmaras descrito aqui, mostramos a medição da geração de corrente a partir de EET mediado por DHNA em L. plantarum. Esses experimentos BES geram dados de alta qualidade; no entanto, os BESs são sensíveis. Assim, o sucesso do protocolo depende da precisão do usuário, particularmente na montagem do reator e do eletrodo de referência, posicionamento de agulhas e eletrodos dentro da câmara anódica e substituição da membrana de troca catiônica. É fundamental montar os reatores com cuidado, garantindo que não haja vazamento de água/mídia durante a autoclavagem ou experimentação. O vazamento de água pode ser resolvido garantindo que as membranas de troca catiônica sejam cortadas para se encaixar com precisão no O-ring e apertando a braçadeira da junta com os dedos. Também é essencial submergir totalmente o feltro de carbono redondo em água durante a autoclavagem para permitir que ele se torne hidrofílico para experimentação. Recomendamos que novos usuários permitam que os reatores recém-montados cheios de água fiquem parados por 2 h antes da autoclavagem, verificando se há sinais de vazamentos lentos abaixo das junções principais da garrafa. Além disso, garantir um conjunto adequado de eletrodos de referência garante uma replicação consistente dos dados entre os reatores. Se a frita de Teflon dentro do invólucro de vidro ficar descolorida, rachada ou seca, isso pode causar uma alta resistência do eletrodo de referência. Os usuários podem substituir o invólucro de vidro para restaurar o desempenho do eletrodo de referência.
A orientação adequada de todas as agulhas e eletrodos dentro da câmara anódica durante a experimentação é fundamental para o sucesso do experimento. O eletrodo de referência não deve entrar em contato direto com nenhuma parte do eletrodo de trabalho de feltro de carbono. Os usuários podem ajustar a posição do feltro de carbono girando suavemente o fio de titânio do eletrodo de trabalho acima do reator. Além disso, a colocação da agulha para aspersão de nitrogênio não deve fazer contato direto com eletrodos dentro da câmara ou quaisquer conexões eletrodo/potenciostato acima da câmara. O fluxo de nitrogênio deve ser ajustado para não fluir para nenhum dos eletrodos. Finalmente, os usuários devem certificar-se de que a barra de agitação não entre em contato com o eletrodo de trabalho, posicionando o eletrodo de trabalho 1-2 cm acima da barra de agitação. Se um sinal errático for observado no OCV, isso geralmente pode ser resolvido garantindo a colocação adequada dos eletrodos e do fluxo de nitrogênio dentro do reator e verificando se as conexões entre os cabos do potenciostato e os eletrodos do reator estão corretas e seguras. Por fim, nossa experiência mostra que mediadores de elétrons como o DHNA podem ser retidos dentro da membrana de troca catiônica e causar uma alta corrente de fundo se reutilizados muitas vezes. Recomendamos a substituição da membrana de troca catiônica após dois a três usos, especialmente ao investigar EET mediado, para garantir resultados experimentais confiáveis.
Ao contrário do EET direto, onde a ligação microbiana direta ao eletrodo facilita a transferência de elétrons, o EET mediado requer difusão consistente de vaivéns de elétrons através da membrana celular e do eletrodo, resultando nas configurações exclusivas de BES descritas aqui. Primeiro, escolhemos um BES de câmara dupla em vez da contraparte de câmara única em nosso protocolo para separar as reações anódicas e catódicas com uma membrana de troca catiônica. Essa separação evita que os mediadores de elétrons de difusão livre (DHNA) e os micróbios interajam de forma cruzada com o cátodo, garantindo que o EET microbiano seja a principal fonte de elétrons para reduzir os mediadores de elétrons e o ânodo. A separação também permite um controle preciso sobre parâmetros como concentração/distribuição do mediador e o potencial posicionado no ânodo. Além disso, escolhemos feltro de carbono como material anódico entre outras opções, como hastes de grafite, eletrodos de metal, carbono vítreo ou óxido de índio e estanho (ITO). Isso ocorre porque a estrutura porosa 3D do feltro de carbono fornece uma área de superfície muito maior do que os eletrodos30, permitindo a utilização eficiente de mediadores mesmo em altas concentrações. Nossas configurações BES de três eletrodos e duas câmaras fornecem uma leitura confiável e reprodutível do EET mediado, mesmo em monitoramento de longo prazo; no entanto, esse processo é relativamente baixo. Este protocolo é adequado para compreensão em escala de bancada dos mecanismos EET ou para testar protótipos de aplicações EET. Arquiteturas BES alternativas, como BESs portáteis ou impressos 31,32, matrizes de semicondutores de óxido metálico complementar (CMOS)33 ou BESs34 ampliados, podem ser consideradas pelos pesquisadores para diferentes propósitos fundamentais ou de aplicação.
Neste protocolo, fornecemos instruções detalhadas para as técnicas eletroquímicas mais comumente utilizadas: cronoamperometria (CA) e voltametria cíclica (CV). Vale ressaltar que outras técnicas eletroquímicas, como Espectroscopia de Impedância Eletroquímica (EIS) e Voltametria de Pulso Diferencial (DPV), podem fornecer insights mais profundos sobre o BES, analisando a resistência de transferência de carga e a capacitância de camada dupla 35,36,37. Embora este protocolo BES permita medições de EET, complementar os dados eletroquímicos com medições de atividade metabólica e biomassa celular também pode ser essencial para uma análise abrangente. Micróbios como L. plantarum envolvem EET como um dos sumidouros de elétrons ao lado de outros subprodutos da fermentação, como lactato e etanol. Além disso, vale ressaltar que o crescimento da biomassa celular também serve como um sumidouro de elétrons13. Portanto, quantificar os doadores de elétrons consumidos (por exemplo, manitol), avaliar o crescimento da biomassa celular e monitorar os subprodutos da fermentação oferecem insights mais profundos sobre a eficiência e as ramificações fisiológicas do EET. Os metabólitos celulares são comumente quantificados usando cromatografia e ensaios enzimáticos, enquanto a viabilidade e o crescimento celular são avaliados pela contagem de unidades formadoras de colônias e pela medição da densidade óptica do meio gasto a 600 nm, respectivamente13 . Também é importante notar que as medições de EET são sensíveis a pequenas perturbações em condições experimentais. Isso inclui, mas não se limita a pH, temperatura, velocidade de agitação e taxa de aspersão de gás nitrogênio38. Portanto, a normalização dos níveis medidos de EET com medições bioanalíticas atua como um controle interno, facilitando a avaliação consistente em experimentos realizados em dias diferentes.
Combinando técnicas eletroquímicas com outras medições bioanalíticas, o EET mediado cria novas oportunidades para eletrofermentação e bioeletrocatálise. O uso convencional de eletrocatalisadores orgânicos, inorgânicos ou enzimáticos apresenta desafios devido ao seu alto custo e são propensos à degradação. Alternativamente, o uso de micróbios como eletrocatalisadores vivos oferece uma solução mais barata e escalável devido às habilidades de auto-reparo e auto-replicação dos micróbios39. L. plantarum, geralmente reconhecida como uma bactéria segura do ácido lático, é um chassi particularmente intrigante. Usando configurações eletroquímicas idênticas descritas neste protocolo, mostramos anteriormente que L. plantarum pode fermentar suco de couve sob condições de EET e acelerar o fluxo metabólico para produzir mais produtos finais de fermentação, como lactato, acetato e succinato13; Esses ácidos orgânicos são compostos de sabor essenciais na fermentação de alimentos. Isso implica que, usando técnicas eletroquímicas, o EET mediado em L. plantarum pode ser potencialmente sequestrado para manipular o fluxo metabólico, alterar os sabores dos alimentos ou produzir produtos químicos valiosos. Vale ressaltar que as técnicas eletroquímicas apresentadas neste protocolo podem não apenas ser aplicadas a L. plantarum, mas também podem ser aplicadas genericamente a outros micróbios nativos ou modificados que realizam EET mediado40,41. Diferentes mediadores eletrônicos, como flavina, ferroceno, vermelho neutro, ferricianeto, lawsona e menadiona, podem ser selecionados com base no mecanismo de transferência de elétrons do micróbio específico que está sendo usado22,42. Além disso, o protocolo BES estabelecido neste trabalho pode ser estendido a exoeletrogênios que realizam EET sem mediador, como demonstrado anteriormente com as espécies de Shewanella e Geobacter 43,44. Um meio de crescimento otimizado deve ser usado para apoiar a atividade celular do micróbio específico para facilitar seu desempenho no EET. Este protocolo ajusta os parâmetros para EET mediado por DHNA em L. plantarum, mas modificações são esperadas quando um micróbio diferente e mediadores eletrônicos são aplicados.