Desenvolvimento de sistemas bioeletroquímicos para geração de eletricidade a partir da oxidação de amônia: estudo de metagenoma e metatranscriptoma

Resumo

A necessidade de reduzir o consumo de energia em estações de tratamento de efluentes (ETE), aliada a rigorosos padrões de qualidade para o efluente, especialmente em relação às concentrações de nitrogênio, possui importância global. Essa urgência é intensificada em países em desenvolvimento devido à demanda urgente pela expansão de serviços nos setores de saneamento e energia. Simultaneamente, em países desenvolvidos, há um foco na modernização da infraestrutura de saneamento, destacando ainda mais a relevância global dessa questão. Uma via promissora para enfrentar esse desafio está na recente descoberta e avanço de processos bioeletroquímicos capazes de gerar eletricidade diretamente a partir da oxidação do nitrogênio amoniacal, potencialmente transformando a dinâmica energética das ETEs. No entanto, a falta de conhecimento sobre aspectos fundamentais desse processo, como os microorganismos responsáveis, as sequências de reações, as vias metabólicas e os mecanismos de transferência de elétrons, dificulta uma compreensão abrangente de sua aplicabilidade prática no tratamento de efluentes. Como resultado, a otimização e a implementação em larga escala do processo tornam-se desafiadoras. Esta proposta de pesquisa busca abordar essas lacunas de conhecimento elucidando as reações e mecanismos envolvidos no processo de conversão bioeletroquímica de amônia por meio de análises metagenômicas e metatranscriptômicas. Ao longo de um período de 12 meses, o projeto compreende três fases experimentais centradas em estudos de células de combustível microbianas (CCM), a serem realizados no laboratório de Microbiologia Ambiental e Biotecnologia do Prof. Kartik Chandran na Universidade de Columbia, na cidade de Nova York, EUA. A fase inicial envolve o cultivo de bactérias eletroativas convencionais (EAB) operando CCMs com águas residuais sintéticas simulando o sobrenadante de digestores de lodo anaeróbios. Posteriormente, a segunda fase consiste em alimentar as CCMs com uma versão inorgânica de águas residuais sintéticas para avaliar a adaptação do sistema, considerando a composição e função da comunidade microbiana, para a oxidação de amônia. Na terceira fase, o estudo visa avaliar a influência do oxigênio dissolvido na oxidação bioeletroquímica de amônia, ao mesmo tempo que investiga o impacto do sulfato, comumente presente no sobrenadante de digestores de lodo anaeróbios. Uma unidade de controle, mantida em condições de circuito aberto durante toda a operação, auxiliará na compreensão das interações bactéria-eletrodo e na influência da composição e função do biofilme. A pesquisa emprega extensa caracterização do efluente, técnicas eletroquímicas (voltametria cíclica e espectroscopia de impedância) e sequenciamento completo do genoma (DNA), juntamente com sequenciamento do metatranscriptoma (RNA). Essas abordagens visam desvendar cadeias de reações, vias metabólicas e mecanismos de troca de elétrons responsáveis por converter amônia em eletricidade. Os resultados deste estudo são esperados para fornecer insights valiosos sobre fenômenos complexos, promovendo o desenvolvimento e a integração prospectiva desse inovador processo bioeletroquímico em sistemas de tratamento de águas residuárias, com benefícios potenciais para o setor de energia.