Bio-batterie a base di batteri e nanoparticelle magnetiche

Lo studio

Ancora una volta dalla sinergia tra materia vivente e non vivente sono stati ottenuti risultati interessanti e promettenti per un futuro più sostenibile, da un punto di vista energetico ed ambientale.

In letteratura, è oramai nota la capacità di alcuni batteri di usare il ferro presente nel suolo o nei minerali per la generazione di energia. Molti di questi ferrobatteri possono usare piccoli magneti, ossia nanoparticelle di magnetite (Fe3O4), che si trovano nel terreno e nei sedimenti, per condividere gli elettroni ed accumulare energia, nello stesso modo in cui si farebbe utilizzando una batteria ricaricabile.

Uno studio condotto e pubblicato nel 2015 sulla rivista Science da alcuni ricercatori dell’Università di Tubinga, in Germania, guidati dal Prof. Andreas Kappler, ha portato alla scoperta delle interazioni tra i ferrobatteri Rhodopseudomonas palustris TIE-1 e Geobacter sulfurreducens e le nanoparticelle magnetiche di Fe3O4. La combinazione di questi tre elementi ha permesso l’ottenimento di una bio-batteria auto-ricaricabile mediante semplice accensione e spegnimento dell’irraggiamento solare.

Il metabolismo dei ferrobatteri

I ferrobatteri (batteri fissatori del ferro) sono un gruppo di microrganismi aerobi che ottengono carbonio dal biossido di carbonio (CO2) e ricavano l’energia per il proprio metabolismo dall’ossidazione, per via enzimatica, del ferro dallo stato ferroso (Fe2+) allo stato ferrico (Fe3+).

Questi batteri accelerano la reazione che avviene naturalmente tra ossigeno e ioni ferrosi presenti nell’acqua, o sulla superficie delle tubazioni metalliche, catturando l’energia rilasciata dal processo di ossidazione e utilizzandola per il proprio metabolismo:

4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 → 4Fe(OH)3

Lo ione ferrico forma un composto altamente insolubile, l’idrossido di ferro (Fe(OH)3), che precipita in acqua fornendole il classico colore rossastro tipico della ruggine (Fig. 1).

Figura 1 – Effetto del metabolismo dei ferrobatteri in un corso d’acqua

La bio-batteria

Nello studio di Kappler et al. co-colture di queste due specie batteriche sono state incubate in presenza di magnetite, monitorando e controllando la quantità di luce a cui le colture sono state esposte.

I risultati ottenuti hanno mostrato che per questi microrganismi il ferro è disponibile come sorgente di elettroni quando è presente in un minerale magnetico cristallino.

Gli scienziati hanno poi simulato l’alternarsi di giorno e notte attraverso l’illuminazione artificiale. Hanno così dimostrato che in condizioni di luce simili a quella del giorno, i batteri ferro-ossidanti fototrofi rimuovono gli elettroni dalla magnetite, scaricandola. Durante le condizioni notturne, al contrario, essi ricaricano la magnetite trasferendo di nuovo gli elettroni. Di fatto il materiale veniva ricaricato per il ciclo successivo (Fig. 2).

Figura 2 – Ossidazione/riduzione ciclica di particelle di magnetite da parte dei ferrobatteri R. palustris TIE-1 e G. sulfurreducens.

Questo meccanismo di ossidazione/riduzione è stato ripetuto su più cicli, il che significa che la batteria è stata utilizzata durante cicli ripetuti giorno-notte.

Nell’ambiente il potenziale della magnetite di agire come una batteria potrebbe estendersi anche a molte altre specie di batteri che normalmente non richiedono ferro, come ad esempio i microrganismi fermentatori.

Il potenziale della scoperta

Questo studio ha gettato le basi per una possibile applicazione in campo energetico di queste specie di ferrobatteri che, oltre a diminuire l’inquinamento da metalli utilizzati nelle batterie, consentirebbe di riutilizzare il ferro presente in ambienti contaminati.

Nicola Di Fidio

Sitografia

Bibliografia

  • Byrne, J. M., Klueglein, N., Pearce, C., Rosso, K. M., Appel, E., & Kappler, A. (2015). Redox cycling of Fe (II) and Fe (III) in magnetite by Fe-metabolizing bacteria. Science, 347(6229), 1473-1476.

Crediti immagini

  • https://scienze.fanpage.it/batterie-del-futuro-a-base-di-batteri-che-producono-elettricita-la-scoperta-del-mit/
  • https://it.wikipedia.org/wiki/Ferrobatteri
  • https://science.sciencemag.org/content/347/6229/1473/tab-figures-data

Informazioni su Nicola Di Fidio 56 Articoli
Nicola Di Fidio, Ph.D. student Department of Chemistry and Industrial Chemistry - University of Pisa Via G. Moruzzi 13 - 56124 Pisa MSc. in Industrial and Environmental Biotechnologies Mob: +39 3299740251 Primary e-mail: nicola.difidio91@gmail.com Secondary e-mail: n.difidio@studenti.unipi.it

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