Caratterizzazione della comunità microbica in Microbial Fuel Cells inoculate con sedimento marino e alimentate con differenti substrati

La crescita esponenziale dei bisogni energetici, associati al progresso economico e all'aumento della popolazione mondiale, a cui si aggiunge il possibile esaurimento in un futuro prossimo dei combustibili fossili, rende necessaria la ricerca di nuove soluzioni energetiche. I dispositivi bio-elettrochimici chiamati Microbial Fuel Cells (MFCs), combinando la gestione dei rifiuti con la produzione di corrente elettrica, rappresentano una nuova tecnologia a basso impatto ambientale. Le MFCs possono essere applicate nella produzione di bioenergia, nel biorisanamento e per lo sviluppo di biosensori. Sono formate da un anodo e un catodo, collegati tramite un circuito elettrico esterno e separate da una membrana a scambio protonico. Il loro funzionamento dipende da batteri elettrogenici che, ossidando il substrato, cedono gli elettroni prodotti tramite respirazione anaerobica all'anodo e quindi al catodo dove avviene la riduzione dell'ossigeno. Lo studio svolto in questa tesi è frutto di una collaborazione tra il Dipartimento di Scienze della Sanità Pubblica e Pediatriche dell'Università di Torino (DSSPP) e l'Istituto Italiano di Tecnologia (IIT). L'obiettivo principale è stato valutare la struttura della comunità microbica sviluppata all'interno della camera anodica confrontando le diverse tipologie di substrato. È stato condotto un doppio esperimento in parallelo: le MFCs, inoculate con un campione ambientale proveniente da sedimento marino, sono state alimentate con due differenti terreni solidi T ed N e uno liquido L. Le performance del sistema sono state valutate tramite tecniche elettrochimiche dai ricercatori dell'IIT. Le tecniche biomolecolari quali la PCR-DGGE seguita dal sequenziamento delle bande, e la real time qPCR sono state utilizzate per l'analisi dei campioni forniti dall'IIT presso i laboratori del DSSPP. In particolare sono state indagate le classi &#946;, &#947;, &#948;-Proteobacteria, i phyla Bacteroidetes e Firmicutes e specifici batteri elettrogenici quali Geobacter sp., Shewanella sp. e Pseudomonas sp.. Le MFCs con substrato L hanno riportato valori di densità di potenza circa 3 volte maggiori rispetto alle MFCs alimentate con T o N, paragonabili tra loro. L'analisi dei dendrogrammi eseguita sui gel di DGGE ha rilevato che le MFCs solide sono risultate più simili tra loro confrontate con quelle L. Dal sequenziamento è emerso che nei campioni era presente circa il 61% di Proteobacteria, il 18% di Firmicutes e il 18% di batteri non coltivabili, dovuti alla provenienza ambientale dell'inoculo. La dominanza dei Proteobacteria è stata confermata dalle analisi qPCR. Una maggiore &#945;-diversità è stata evidenziata all'interno delle MFCs rispetto all'inoculo iniziale p<0.01. Non sono state riscontrate differenze nella quantificazione di Shewanella sp. e Pseudomonas sp. nelle celle solide; Geobacter sp. è risultato maggiore in N p<0.01, sebbene le performance di T ed N non ne abbiano risentito. Le migliori prestazioni delle celle L sembrano esser dovute ad una dominanza nel trasferimento elettronico mediato in quanto sono risultati prevalere Shewanella sp. e Pseudomonas sp.. Sebbene questi terreni possano condurre verso sistemi gestibili con minori necessità di manutenzione impiegabili in aree remote, i terreni liquidi mostrano ancora migliori performance elettrochimiche. Questo può essere dovuto alla biodisponibilità dei nutrienti nei terreni solidi che possono aver condizionato lo sviluppo della comunità microbica.