Sănătatea solului și a apei, monitorizată cu pilele de biocombustie

Înapoi la Facultatea de Fizică de la Măgurele, acolo unde m-am întâlnit cu profesorul universitar Ioan Stamatin, cel care conduce o echipă de cercetători ai Centrului 3NanoSAE. După articolele despre aparatul care măsoară prospețimea produselor la raft și proiectul solarului încălzit cu doar 500 de euro toată iarna, urmează o altă temă de discuție. Pilele de biocombustie.

Natura, transpusă la nivel micro

Primele pile de biocombustie au fost realizate în 1900 întâi ca o curiozitate, apoi ca o necesitate. Astăzi, spune profesorul Ioan Stamatin, sunt folosite în special pentru monitorizarea calității apelor și este o dovadă a faptului că natura poate fi transpusă la nivel micro și studiată astfel încât să fie retranspusă în monitorizarea și protecția mediului. Ce sunt și cum arată aceste pile? Pila de biocombustie arată la prima vedere rudimentar, însă procesele care se întâmplă în interiorul ei demonstrează încă o dată cât de complexă este natura. Practic, componentele unei pile de biocombustie monocamerală (în cazul de față, recipient de plastic) sunt doi electrozi, respectiv un anod și un catod. Interiorul ei este parțial umplut cu apă de râu (sau apă care să aibă proprietăți similare celei de râu) și cu o selecție de microorganisme care metabolizează materia organică (glucoză, carbohidrați etc.) și o transformă în produși biocompatibili.

Cum acționează microorganismele

Societățile de microorganisme sunt existente pretutindeni – apă, aer, sol – și sunt asemeni unei microjungle. Microorganismele se divid, unele sunt mai puternice decât altele, mănâncă mai mult, iar când nu mai există mâncare cele mai puternice le mănâncă pe cele mai slabe. Aceste noțiuni despre existența microorganismelor au fost completate cu rezultatele proiectului celor de la Centrul 3Nano SAE

„Este suficient să pui în apă doi electrozi realizați din material conductor (hârtie carbonică sau derivat de grafit) și anumite selecții de microorganisme. Sau putem păstra microorganismele native apei pe care o folosim. După un timp, microorganismele vor forma un biofilm (forma macroscopică a societății de microorganisme) pe electrod. Este important de știut că sunt microorganisme cărora nu le place fierul, spre exemplu, dar care preferă rocile. Alte microorganisme preferă mediul carbonic. Cert este că în acest mediu microorganismele se concentrează în jurul anodului. Catodul stă la suprafața apei unde există oxigen și se produce fermentația aerobică și anaerobică. Circulația electronilor de la anod la catod și a protonilor prin apă produce potențial electric.“

Experiment de laborator...

„Această pilă are multiple funcțiuni. Dacă, spre exemplu, îi schimb lichidul și microorganismele și pun în interiorul ei un sol umed, atunci ea devine un senzor și un analizor al calității solului. Cum funcționează? Prin activitatea bioelectrochimică, microorganismele au capacitatea de a produce electricitate. Aceasta este colectată printr-un circuit electric mic care are conectat un led sau o diodă luminiscentă. Atât timp cât microorganismele trăiesc și au activitate vor produce electricitate, iar aceasta va menține aprins ledul sau dioda. Dacă acestea se aprind înseamnă că microorganismele se dezvoltă, cresc, iar solul este sănătos. Dacă se sting, înseamnă că se întâmplă ceva. Posibil să fi fost un exces de pesticide, de îngrășăminte sau alte cauze au dus la degradarea solului.“

...și cum poate fi replicat în natură

Sol – Profesorul Stamatin spune că pilele de biocombustie pot fi folosite cu succes în agricultură, mai ales cea ecologică. Acestea pot fi folosite pe orice suprafață cultivată și, dacă este înțeles principiul lor de funcționare, pot deveni un instrument foarte util în agricultură. Biochimia solului se schimbă în funcție de substanțele aplicate și, prin monitorizarea cu ajutorul celor doi electrozi a tensiunii electrice produse de microorganisme, se pot identifica problemele.

Pădure – „Pilele de biocombustie pot fi folosite și pentru monitorizarea pădurilor. Este suficient să renunțăm la capacul recipientului. Astfel catodul sau un electrod rămâne în aer. Insectele din pădure (musculițe, țânțari etc.) vor cădea în recipient, iar microorganismele le vor descompune. Prin această metabolizare vor produce suficientă energie electrică ca să aprindă ledul.  Și așa l-am transformat într-un senzor de monitorizare a ceea ce se întâmplă în pădure. Dacă pila de biocombustie are un circuit de transmitere a datelor te poate informa ce se întâmplă în pădure. Dacă există un incendiu, spre exemplu.“

Râuri – În ape, pilele de biocombustie vor monitoriza calitatea ei, concentrația de oxigen, materia organică dizolvată. Un sistem de pile de biocombustie pus în apă în diferite poziții îți poate spune ce s-a întâmplat în râu, unde anume și când. Dacă au loc deversări accidentale, spre exemplu, microorganismele mor, dispare implicit activitatea electrobiochimică, iar pila nu mai transmite nicio informație sau emite o avertizare. Practic, natura prin ea însăși ne va informa dacă apa a fost infestată sau nu.

Tratarea apei – „Microorganismele există oriunde, dar cele din ape și sol, prin metabolizarea materiei organice în exces, tratează, epurează și menține calitatea apelor. Aceasta a fost o altă etapă a proiectului nostru în care am încercat să folosim tensiunea de la tipuri diferite de surse pentru a activa și mai mult microorganismele. Practic, le-am accelerat metabolismul și astfel le-am crescut capacitatea de epurare a apelor.“

• Pilele de biocombustie pot fi folosite pentru studiu fundamental, pentru analiză sau dezvoltare de miniroboți, numiți ecoboți sau gastroboți, această ultimă denumire fiind pusă pe seama asemănării cu un stomac artificial. Practic, putem produce un minirobot care își folosește energia electrică pentru a se plimba prin păduri sau ape și pentru a monitoriza ce se întâmplă cu mediul înconjurător.

Laura ZMARANDA