Biofilmes Microativos Eletroativos Derivados de Águas Residuais: Crescimento, Manutenção e Caracterização Básica

O objetivo geral deste procedimento é cultivar um biofilme microbiano eletroativo anódico a partir de inóculos de águas residuais e caracterizar suas propriedades bioeletrocatalíticas. Isso é feito primeiro configurando, inoculando e iniciando um potencial reator de batelada alimentado bioeletroquímico controlado estaticamente. O segundo passo é monitorar a produção atual usando a pirometria Krono.

Em seguida, o meio é trocado regularmente após a exaustão do substrato até que uma densidade de corrente máxima reprodutível seja atingida, representando uma formação de biofilme em estado estacionário. A etapa final é estudar a transferência de elétrons extracelulares de bactérias eletroativas usando telemetria vol cíclica durante a presença e ausência do substrato. Em última análise, a análise de dados fornece informações fundamentais sobre a termodinâmica de transferência de elétrons microbianos e permite que o potencial formal de locais de transferência de elétrons extracelulares possíveis e reais seja determinado.

A principal vantagem dessa técnica é que é possível obter informações diretas sobre a transferência de elétrons entre microrganismos e eletrodos sólidos e, assim, obter informações fundamentais sobre a transferência de elétrons extracelulares microbianos. Geralmente, os indivíduos novos no método terão dificuldades com a escolha correta do parâmetro e a interpretação correta do gráfico derivado. Durante a aquisição e análise de dados, erros graves podem ser cometidos.

Antes de iniciar este procedimento, prepare uma quantidade adequada do meio de crescimento usando um tampão fosfato, incluindo outros nutrientes de acordo com a referência a seguir. Use 10 milimolares de acetato de sódio como substrato. Adicione um mililitro de águas residuais primárias por 20 mililitros de crescimento, meio como inóculo.

Em seguida, insira uma agulha no meio e lave-a com nitrogênio por pelo menos meia hora. Para desarejá-lo durante a lavagem com nitrogênio, meça o tamanho do eletrodo para a configuração de três eletrodos. Insira o eletrodo de trabalho, o contra-eletrodo e o eletrodo de referência em um frasco de fundo redondo de 250 mililitros modificado de quatro gargalos por meio de plugues de silicone.

Enrole os plugues de silicone com paraforma para selar o sistema enquanto lava com nitrogênio. Despeje 250 mililitros do meio de crescimento e da mistura de inóculo através da porta de amostragem para o reator. Feche a porta de amostragem com um tampão de silicone e feche-a hermeticamente com perfil.

Coloque o recipiente em uma câmara com temperatura controlada a 35 graus Celsius para garantir condições ambientais constantes. Em seguida, conecte os eletrodos aos respectivos cabos do stat potencial. Abra o software para controlar a estatística potencial e escolha a técnica.

Cronopirometria Defina o eletrodo de trabalho para um potencial constante de 0.2 volts por um tempo de duração de 500 horas gravando a cada 600 segundos em seguida, inicie a cronopirometria e observe o gráfico da corrente medida ao longo do tempo. Depois de calcular as densidades de corrente preferenciais, plote a densidade de corrente medida em função do tempo.

Depois que a corrente oxidativa atingir um platô e retornar à corrente zero, pause a medição métrica do crono amper para uma troca de meio. Portanto, transfira o recipiente para uma caixa de fluxo laminar e lave o sistema com nitrogênio. Descarregue cuidadosamente o meio e reabasteça com meio fresco desaerado após o reabastecimento do meio.

Feche a porta de amostragem e sele-a com paraform. Repetir os passos anteriores até que a corrente oxidativa máxima atinja um estado estacionário Após cada ciclo de crescimento, colher uma amostra de um mililitro das soluções do meio fresco e do meio trocado para análise do substrato por HPLC. Para estudar a transferência de elétrons extracelulares, selecione a técnica telemetria de vol cíclico no software de controle de estatísticas de potenciais.

Em seguida, defina o potencial inicial EI do eletrodo de trabalho para menos 0,5 volts versus o eletrodo de referência, o potencial de vértice E um a 0,3 volts e o potencial final E dois para menos 0,5 volts. Use uma taxa de varredura de um milivolt por segundo. Inicie o experimento e registre pelo menos três ciclos para obter um cv reprodutível.

Depois de calcular as densidades de corrente preferencialmente, plote a densidade de corrente medida em função do potencial do eletrodo de trabalho. A partir das medições métricas do cronômetro, a densidade máxima de corrente e a eficiência do Kula podem ser medidas. Aqui é mostrada uma curva de crescimento cronométrica típica de biofilme de vários ciclos de crescimento usando um reator de batelada alimentada.

Após a fase de atraso inicial, um primeiro máximo de densidade de corrente começa, então a corrente diminui para um fluxo de corrente quase zero devido ao esgotamento do substrato. Após o reabastecimento do substrato. A densidade de corrente aumenta novamente com uma densidade máxima de corrente mais alta.

Após vários ciclos de crescimento, a densidade máxima de corrente é constante, o que indica uma formação de biofilme em estado estacionário. Como o máximo do estado estacionário. O valor da densidade atual depende de vários parâmetros.

É frequentemente considerado como uma característica dos sistemas de eletrodos de biofilme microbiano eletroativo. A segunda característica operacional é a eficiência ômica, que é o número de elétrons registrados como fluxo de corrente elétrica por ciclo de batelada alimentado em relação ao número máximo teórico de elétrons. Consulte o protocolo de texto para obter detalhes sobre como calcular a eficiência da chamada, o fluxo de corrente elétrica e o número máximo teórico de elétrons mostrado.

Aqui está um currículo típico para condições de não rotatividade. Em uma alta taxa de varredura, o CV de um biofilme para altas taxas de varredura onde apenas um par de pico e, portanto, um potencial formal FE pode ser identificado é retratado. Aqui. Em geral, o potencial formal de um par redox pode ser calculado a partir do potencial de pico do pico de oxidação EPA e do pico de redução da respectiva espécie EPC.

Ao formar a média aritmética, consulte o protocolo de texto para obter detalhes sobre como calcular o potencial formal. Ao aplicar uma taxa de varredura baixa o suficiente ao biofilme idêntico, até quatro pares redox podem ser identificados. No entanto, o CV sem rotatividade mostra apenas todos os compostos ativos redox no eletrodo e, portanto, o EF dos possíveis locais de transferência de elétrons extracelulares.

Somente a análise do CV de rotatividade fornece o EF dos sites EET reais ao analisar ainda mais os CVS sem rotatividade. Outros parâmetros característicos, como separação de picos, corrente de pico máxima e densidade mínima de corrente de pico, podem ser analisados. Esses parâmetros, especialmente quando registrados para diferentes taxas de varredura, podem ser usados para análises mecanicistas e cinéticas de processos de transferência de elétrons em eletrodos.

No entanto, essa análise cinética que está bem estabelecida para sistemas químicos não é direta para biofilmes microbianos eletroativos. Ao realizar a medição do CV na presença de substrato, obtém-se um CV de rotatividade. Depois de plotar os dados, a curva bioeletrocatalítica típica em forma de S é observada.

Ao analisar mais detalhadamente os dados, o máximo da primeira derivada ou o ponto de inflexão da curva fornece o potencial formal EF dos locais EET reais. No caso de um biofilme dominado por uma fina proporção de geobacter, dois pontos de inflexão podem ser observados. Posteriormente, a derivada mostra dois máximos correspondentes ao potencial formal dos sítios EET ativos bioeletrocatalíticos, que são denominados como EF dois e EF três, respectivamente.

Esse achado também mostra que os processos redox associados aos potenciais formais EF um e EF quatro não estão relacionados à bioeletrólise. À medida que o biofilme cresce e fica mais espesso, o CV mostra apenas um ponto de inflexão. Este potencial formal EEF negativo 0,32 volts versus prata, cloreto de prata é aproximadamente igual à média aritmética dos dois potenciais formais atribuídos ao EET do biofilme fino.

Este resultado mostra que a análise CV fundamental fornece informações sobre a termodinâmica EET de forma rápida e não invasiva. Uma vez dominada, essa técnica pode ser facilmente adaptada a diferentes sistemas de interesse e, dependendo dos dados, permite uma profundidade diferente de análise de dados, se executada corretamente. Seguindo este procedimento e aprendendo os fundamentos da geometria do biofilme microbiano, pode-se aprender facilmente outros métodos, como telemetria de onda quadrada ou espectroscopia de impedância eletroquímica, bem como análise de dados aprofundada.