Biobateria com bactérias imita vilosidades do intestino, gera 0,75 volt e pode tratar esgoto

Tecnologia criada nos Estados Unidos usa resíduos da água como alimento para produzir energia em sensores e LEDs.

Uma estrutura que reproduz, em escala tecnológica, as pequenas saliências do intestino delgado conseguiu manter uma produção estável de eletricidade por pelo menos 14 horas. O dispositivo foi criado por pesquisadores da Binghamton University, nos Estados Unidos, com bactérias capazes de gerar energia e uma arquitetura pensada para aproveitar nutrientes presentes na água residual.

O resultado ainda é de laboratório, mas aponta para uma aplicação prática: instalar biobaterias dentro de tubulações de esgoto e usar a própria matéria orgânica transportada pela água como combustível. A eletricidade produzida seria suficiente para acender pequenos LEDs ou alimentar microssensores, equipamentos úteis para acompanhar condições de redes de saneamento.

O intestino virou modelo para aumentar a área de contato

A inspiração veio das vilosidades intestinais, estruturas parecidas com dedos que revestem o trato digestivo. Elas ampliam a área disponível para a absorção de nutrientes e mantêm contato próximo com microrganismos que participam da digestão.

Na biobateria, esse princípio foi reproduzido com um hidrogel polimérico flexível, material usado também em aplicações biomédicas. Bactérias dormentes foram distribuídas pelas estruturas semelhantes às vilosidades. Elas funcionam como o ânodo, o polo em que ocorre a reação responsável pela liberação de elétrons.

Do outro lado, um tecido de carbono modificado atua como cátodo. Os dois componentes ficam separados por uma membrana de troca iônica, que permite o movimento de íons e ajuda a fechar o circuito elétrico.

Por que o formato plano dificultava o funcionamento

O grupo é liderado pelo professor Seokheun “Sean” Choi, do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science. A equipe também reúne os estudantes de doutorado Ruohan “Astrid” Zhang e Botian Wang.

Antes do modelo inspirado no intestino, Choi havia testado biobaterias feitas com papel, tecido, metal e polímeros. O pesquisador também desenvolveu uma versão ingerível, projetada para permanecer inativa até alcançar o intestino delgado, além de estudar a integração desses dispositivos em circuitos produzidos por impressão 3D.

O problema recorrente era a baixa área de contato oferecida por estruturas bidimensionais. O papel, embora poroso, não resolvia completamente a necessidade de criar um ambiente tridimensional para as bactérias. Quando o material ficava muito poroso, a formação de biofilme podia bloquear os caminhos por onde circulam nutrientes e resíduos.

“Estruturas porosas podem ser facilmente obstruídas pela formação de biofilme, por isso tivemos muitos problemas com a entrega de nutrientes, o acúmulo de resíduos ou o crescimento desigual do biofilme”, afirmou Choi.

As vilosidades artificiais foram desenhadas para oferecer uma superfície maior, encurtar o caminho de difusão e melhorar o transporte de massa. Ao mesmo tempo, o hidrogel permite que o dispositivo seja flexível, adaptável e produzido em diferentes tamanhos.

O que os testes mediram

Os pesquisadores fabricaram biobaterias com dimensões variadas para identificar quais configurações entregavam melhor desempenho. Com fornecimento contínuo de meio nutritivo, o protótipo sustentou aproximadamente 0,75 volt durante ao menos 14 horas.

Esse nível de tensão não se compara ao de uma bateria convencional usada em celulares, veículos ou equipamentos domésticos. A proposta é outra: fornecer energia local e em pequena escala para sensores, luzes de sinalização e dispositivos de monitoramento que consumam pouco.

Segundo a Binghamton University, a bactéria utilizada no sistema é a Bacillus subtilis, espécie formadora de esporos. Em condições adequadas, esses microrganismos participam das reações que transformam nutrientes em corrente elétrica.

O estudo foi publicado na revista científica Small, neste artigo sobre a biobateria inspirada nas vilosidades. Segundo a Binghamton University, o protótipo manteve cerca de 0,75 volt por pelo menos 14 horas em testes de laboratório realizados pela equipe.

Como a tecnologia poderia funcionar em uma tubulação

Em uma futura aplicação, a biobateria seria instalada dentro ou junto de uma tubulação de águas residuais. O fluxo carregaria nutrientes capazes de manter as bactérias ativas, enquanto o próprio formato flexível permitiria que o material acompanhasse o tamanho e a geometria do cano.

A ideia combina geração de energia e monitoramento do saneamento. Sensores alimentados pelo sistema poderiam, em princípio, acompanhar variáveis da água sem depender exclusivamente da troca frequente de pilhas ou da instalação de cabos em pontos de difícil acesso.

Essa possibilidade tem interesse direto para a Amazônia, onde municípios dos nove estados da região enfrentam redes de saneamento extensas, áreas alagáveis, comunidades isoladas e custos elevados para levar energia e manutenção a pontos distantes. A biobateria não resolve esses desafios por si só, mas uma fonte local de baixa potência poderia ser útil em sistemas de monitoramento de estações, canais e tubulações, caso a tecnologia avance para testes fora do laboratório.

O que ainda precisa ser resolvido

O resultado atual demonstra o funcionamento do conceito, não uma solução pronta para redes públicas de esgoto. Ainda será necessário verificar como o dispositivo se comporta com águas residuais reais, que podem conter substâncias tóxicas, variações de temperatura, mudanças na concentração de nutrientes e microrganismos concorrentes.

Também será preciso descobrir por quanto tempo as bactérias permanecem viáveis, como evitar a obstrução por biofilmes e de que maneira o sistema pode ser fabricado em larga escala. O grupo pretende criar um método de impressão em uma única etapa para tornar a produção mais simples e repetível.

Os próximos protótipos também devem incorporar melhor a fisiologia intestinal. No corpo humano, as bactérias ficam concentradas principalmente perto da superfície das vilosidades, em uma camada de muco. Reproduzir essa composição química e esse arranjo poderá ajudar a manter os microrganismos ativos por mais tempo, etapa que os pesquisadores planejam investigar.

Com informações de Binghamton University.

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