Ciência é INVESTIMENTO! Vamos transformar o Brasil em uma Nação rica e forte!

SISTEMA DE FOTOSSÍNTESE ARTIFICIAL PROPORCIONA GANHOS AO MEIO AMBIENTE

SISTEMA DE FOTOSSÍNTESE ARTIFICIAL PROPORCIONA GANHOS AO MEIO AMBIENTE

Edição Vol. 4, N. 7, 16 de Março de 2017

DOI: http://dx.doi.org/10.15729/nanocellnews.2017.03.16.005

Uma descoberta potencialmente revolucionária na fotossíntese artificial foi conseguida com o desenvolvimento de um sistema que pode capturar as emissões de dióxido de carbono (CO2, gás do efeito estufa) antes de serem expelidos para a atmosfera e, em seguida, alimentados pela energia solar, converter o dióxido de carbono em produtos químicos valiosos, incluindo plásticos biodegradáveis, fármacos e, até mesmo, combustíveis líquidos.

Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) e da Universidade da Califórnia (UC) Berkeley ligados ao Departamento de Energia dos EUA, liderados pelo professor Dr. Peidong Yang, químico da Divisão de Ciências de Materiais do Laboratório de Berkeley, criaram um sistema híbrido de nanofios semicondutores e bactérias que imitam o processo fotossintético natural pelo qual as plantas usam a energia da luz solar para sintetizar carboidratos a partir do dióxido de carbono e da água (1). No entanto, este novo sistema artificial fotossintético sintetiza a combinação de dióxido de carbono e água em acetato, o bloco de construção mais comum, nos dias atuais, para a biossíntese.

Este sistema é um salto revolucionário no campo da fotossíntese artificial (Figura 1). O sistema tem o potencial de mudar fundamentalmente a indústria química e petrolífera em que podemos produzir produtos químicos e combustíveis de uma forma totalmente renovável, em vez de extraí-los de profundidade abaixo do solo, como acontece com o petróleo.

 fotossintese-artificial

Figura 1: Cientistas Realizam Química Verde com CO2 Capturado. Este sistema de fotossíntese artificial tem quatro componentes gerais: (1) coleta de energia solar, (2) geração de equivalentes redutores, (3) redução de CO2 em intermediários biossintéticos, e (4) produção de produtos químicos de valor agregado. Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) e da Universidade da Califórnia (UC) Berkeley criaram um sistema de fotossíntese artificial que sintetiza a combinação de dióxido de carbono (CO2) e água em acetato, o bloco de construção mais comum hoje em dia para a biossíntese de compostos mais complexos, como ácidos graxos ou cadeias de carbono maiores, como aquelas que fazem parte da gasolina e diesel. Fonte: (1)

Quanto mais dióxido de carbono é liberado para a atmosfera, mais quente a atmosfera se torna. O dióxido de carbono atmosférico está agora no seu nível mais elevado em pelo menos três milhões de anos, principalmente devido à queima de combustíveis fósseis. No entanto, os combustíveis fósseis, especialmente o carvão, continuarão a ser uma fonte significativa de energia para satisfazer as necessidades humanas no futuro previsível. As tecnologias para sequestrar carbono antes deste escapar para a atmosfera estão sendo estudadas, mas todas exigem que o carbono capturado seja armazenado, uma exigência que vem com seus próprios desafios ambientais.

A técnica fotossintética artificial desenvolvida pelos pesquisadores da Berkeley resolve o problema de armazenamento colocando o dióxido de carbono capturado em bom uso.

Na fotossíntese natural, as folhas coletam energia solar e o dióxido de carbono é reduzido e combinado com a água para a síntese de produtos moleculares que constituem a biomassa. No sistema apresentado pelos pesquisadores, os nanofios coletam a energia solar e entregam elétrons excitados às bactérias, onde o dióxido de carbono é reduzido e combinado com a água para a síntese de uma variedade de produtos químicos desejados, com alto valor agregado (1).

Ao combinar matrizes biocompatíveis de nanofio de captura de luz com populações selecionadas de bactérias, o novo sistema de fotossíntese artificial oferece uma situação de ganho/ganho para o ambiente: química verde alimentada por energia solar usando dióxido de carbono sequestrado (1).

Esse sistema representa uma aliança emergente entre os campos de ciências de materiais e a biologia, onde as oportunidades de criar novos dispositivos funcionais podem misturar e combinar componentes de cada disciplina. Por exemplo, a morfologia da matriz de nanofios protege as bactérias como ovos de Páscoa enterrados em grama alta, de modo que esses organismos sensíveis ao oxigênio, geralmente possam sobreviver em fontes ambientais de dióxido de carbono, como gases de combustão (1).

O sistema começa com uma “floresta artificial” de heteroestruturas de nanofios, consistindo em nanofios de óxido de silício e titânio, desenvolvidos anteriormente por Yang e seu grupo de pesquisa.

Essa floresta artificial é semelhante aos cloroplastos em plantas verdes. Quando a luz solar é absorvida, os pares de elétrons fóton-excitados são gerados nos nanofios do óxido de silicone e de titânio, que absorvem regiões diferentes do espectro solar. Os elétrons fóton-gerados no silicone serão passados para as bactérias para a conseguinte redução do CO2 enquanto os buracos fóton-gerados no óxido de titânio quebram moléculas de água para produzir oxigênio (1).

Uma vez que a floresta de matrizes de nanofios é estabelecida, esta é preenchida com populações microbianas que produzem enzimas conhecidas em catalisar seletivamente a redução do dióxido de carbono. Para este estudo, a equipe de Berkeley usou a Sporomusa ovata, uma bactéria anaeróbia que prontamente aceita elétrons diretamente do ambiente circundante e os usa para reduzir dióxido de carbono (1).

A S. ovata é um grande catalisador de dióxido de carbono, uma vez que faz acetato, um intermediário químico versátil que pode ser usado para fabricar uma gama diversificada de produtos químicos úteis. Eles puderam povoar uniformemente a matriz de nanofios com a S. ovata usando a água salobra tamponada com traços de vitaminas como o único componente orgânico (1).

Uma vez que o dióxido de carbono tenha sido reduzido pela S. ovata ao acetato (ou algum outro intermediário biossintético), a E. coli geneticamente modificada é usada para sintetizar produtos químicos alvo. Para melhorar os rendimentos de produtos químicos alvo, as S. ovata e E. coli foram mantidas separados para este estudo (1). No futuro, essas duas atividades – catálise e síntese – poderiam ser combinadas em um processo de etapa única.

Uma chave para o sucesso do sistema de fotossíntese artificial deles é a separação dos requisitos exigentes para a eficiência de captura de luz e atividade catalítica que é tornada possível pela tecnologia híbrida nanofio/bactérias. Com este enfoque, a equipe de Berkeley alcançou uma eficiência de conversão da energia solar de até 0,38% por aproximadamente 200 horas sob a luz solar simulada, que é aproximadamente a mesma daquela que é conseguida por uma folha.

Os rendimentos das moléculas químicas alvo produzidas a partir do acetato também foram encorajadores – até 26% para o butanol, um combustível comparável à gasolina, 25% para o amorfadieno, um precursor da droga antimalária artemisinina e 52% para o plástico biodegradável e renovável poli-hidroxibutirato (PHB) (1). Desempenho melhorado são antecipados com refinamentos adicionais da tecnologia.

Os cientistas estão, atualmente, trabalhando no sistema de segunda geração, que tem uma eficiência de conversão solar-química de 3%. Uma vez que se pode alcançar uma eficiência de conversão de 10% em uma maneira rentável, a tecnologia deve ser comercialmente viável. Essa é a ciência básica que gera riquezas e empregos para o desenvolvimento de uma nação! Por isso mesmo, governantes, invistam em Ciências, Tecnologia e Inovações! 

É o Instituto Nanocell gerando, produzindo, transformando o conhecimento para uma Nação mais forte! 

Faça sua contribuição, pessoa física ou empresas, aos projetos científicos do Instituto Nanocell e deduza de seu Imposto de Renda! Faça com seu cartão de crédito pelo site do Instituto www.institutonanocell.org.br 

  • Banco: Banco do Brasil
  • Agência: 8071-3
  • Conta Corrente: 1200-9

Fonte: Laboratório Nacional Lawrence Berkeley

Editorial: Laboratório nacional de Lawrence Berkeley

Referência

1.Liu C, Gallagher JJ, Sakimoto KK, Nichols EM, Chang CJ, Chang MC, et al. Nanowire-bacteria hybrids for unassisted solar carbon dioxide fixation to value-added chemicals. Nano letters. 2015;15(5):3634-9.

Print Friendly

Deixe uma resposta

O seu endereço de email não será publicado Campos obrigatórios são marcados *


*

Você pode usar estas tags e atributos de HTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>