Ossido di grafene

Scientific Reports volume 6, numero articolo: 21867 (2016) Citare questo articolo

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L’ossido di grafene (GO) viene ridotto da alcuni batteri esoelettrogeni, ma i suoi effetti sulla crescita e sul metabolismo batterici sono una questione controversa. Questo studio mirava a determinare se GO funziona come accettore terminale di elettroni per consentire la crescita specifica e la produzione di elettricità da parte di batteri esoelettrogenici. La coltivazione di campioni ambientali con GO e acetato come unico substrato potrebbe arricchire in modo specifico i batteri esoelettrogeni con predominanza delle specie Geobacter (51-68% delle popolazioni totali). È interessante notare che i batteri in queste colture si autoaggregano in un complesso di idrogel conduttivo insieme al GO biologicamente ridotto (rGO). Un nuovo batterio GO-respirante denominato Geobacter sp. il ceppo R4 è stato isolato da questo complesso di idrogel. Questo organismo ha mostrato una produzione di elettricità stabile a >1000 μA/cm3 (a 200 mV rispetto ad Ag/AgCl) per più di 60 giorni tramite rGO mentre una produzione temporanea di elettricità utilizzando feltro di grafite. La migliore produzione di elettricità dipende dalle caratteristiche di rGO come un'ampia superficie per la crescita del biofilm, una maggiore capacità e una minore resistenza interna. Questo è il primo rapporto che dimostra la crescita dipendente da GO di batteri esoelettrogenici mentre formano un complesso di idrogel conduttivo con rGO. Il semplice processo put-and-wait che porta alla formazione di complessi idrogel di rGO ed esoelettrogeni consentirà applicazioni più ampie di GO ai sistemi bioelettrochimici.

I sistemi bioelettrochimici (BES)1 o sistemi elettrochimici microbici (MES)2 sono dispositivi di reazioni elettrochimiche che utilizzano microrganismi come catalizzatori. Le celle a combustibile microbiche (MFC) sono un rappresentante dei BES che generano elettroni su un elettrodo tramite l'ossidazione microbica dei composti organici3. I batteri esoelettrogenici sono caratterizzati dalla loro funzione unica chiamata trasferimento di elettroni extracellulari (EET)4 e sono mediatori nella produzione di elettricità nei BES. I membri dei generi Geobacter e Shewanella sono gli esoelettrogeni più studiati in grado di trasferire elettroni direttamente mediante attacco all'elettrodo e indirettamente tramite mediatori redox5,6.

Le prestazioni dei BES sono associate principalmente all'EET nei biofilm batterici che si sviluppano sull'elettrodo ma meno all'EET indiretto da parte delle cellule planctoniche all'interno dell'apparato7. Pertanto, il materiale dell'elettrodo è un importante determinante della formazione di biofilm e delle prestazioni del trasferimento di elettroni sull'interfaccia cellula-elettrodo. Poiché gli elettrodi di carbonio sono chimicamente stabili e adatti allo sviluppo di biofilm batterici, questo tipo di elettrodi è stato preferibilmente applicato ai BES8,9. In particolare, il feltro di grafite, la spazzola di carbone e il tessuto di carbone sono stati presi in considerazione per l'uso pratico a causa della loro disponibilità commerciale, delle prestazioni sperimentali e del vantaggio economico. Uno dei possibili fattori importanti che influenzano le prestazioni degli elettrodi è la superficie. Un elettrodo con un'area superficiale maggiore può consentire l'adesione di un numero maggiore di cellule batteriche rispetto a quello del carbonio nudo o della grafite10. Un recente progresso tecnico in quest'area di ricerca è la modifica dell'anodo utilizzando derivati ​​del grafene che presentano prestazioni più elevate11,12,13.

Il grafene, un reticolo a nido d'ape a singolo strato di atomo di carbonio, presenta il vantaggio di avere un'elevata conduttività e ampie aree superficiali di diverso ordine di grandezza, ad esempio 2965 m2/g per il grafene14 e 0,02 m2/g per il feltro di grafite10. Tuttavia, è difficile applicare il grafene direttamente ai BES, perché è costituito da polvere idrofobica e deve essere un complesso con elettrodi di supporto per l'uso nei BES. È stato dimostrato che l'aggiunta di ossido di grafene (GO), la forma ossidata del grafene, alla camera di reazione dei BES migliora il trasferimento di elettroni all'elettrodo di carbonio15,16. Il GO stesso non è elettricamente conduttivo ma diventa un conduttore quando viene ridotto dai microrganismi17,18. Qui questa forma ridotta di GO viene designata semplicemente come GO ridotto (rGO), perché non sono disponibili informazioni sulla sua identità chimica. La riduzione batterica della GO è stata dimostrata per la prima volta in colture di specie Shewanella e successivamente in Escherichia coli19 e popolazioni miste complesse20. Le specie Shewanella hanno ridotto la GO utilizzando la proteina redox coinvolta nell'EET17,18. Inoltre, la GO è stata ridotta nell’estratto privo di cellule di una coltura di Shewanella17, probabilmente da piccole biomolecole come la vitamina C21. Questi risultati sollevano la questione se il GO serva da accettore di elettroni per l’accoppiamento dell’EET con l’ossidazione del substrato nei batteri esoelettrogenici, consentendone così la crescita. Finora, la crescita batterica mediante respirazione GO non è stata ancora completamente dimostrata. D'altro canto, è stato dimostrato che il GO possiede anche attività antibatteriche o battericide22,23. Questi risultati forniscono un’altra ipotesi secondo cui il GO funziona come un semplice assorbitore di elettroni ma non come un accettore di elettroni terminale per consentire la crescita respiratoria. Pertanto, le informazioni sugli effetti della GO sulla crescita e sul metabolismo batterico sono al momento frammentarie e indefinite. Questa situazione ha limitato l’applicazione del GO ai BES.