Arriva dall'istituto di ricerca CSIR-AMPRI una nuova cella a combustibile microbica in grado di rimuovere gli antibiotici dalle acque reflue producendo al contempo elettricità e acqua ossigenata. Il segreto? Elettrodi composti da nanofibre di carbonio con punte catalitiche con una doppia funzionalità: trattamento e produzione chimica utile
Depuratori trasformati in fabbriche di energia e chimica
Le acque reflue non rappresentano solo uno scarto. Se adeguatamente trattate possono essere la fonte di nuovi sottoprodotti di valore, come conferma una nuova ricerca del Council of Scientific and Industrial Research-Advanced Materials and Processes Research Institute (CSIR-AMPRI), in India. Qui un gruppo di scienziate e scienziati ha realizzato un prototipo di fuel cell microbica in grado da un lato di rimuovere gli antibiotici presenti e dall’altro di produrre energia pulita e acqua ossigenata.
La produzione elettrica, mette in guardia il team, è davvero molto bassa, ma il valore dell’innovazione non si misura semplicemente in watt prodotti.
Antibiotico resistenza, una minaccia sanitaria in crescita
Una delle sfide a cui la nuova cella a combustibile potrebbe dare una mano è la lotta all’antibiotico-resistenza, crescente minaccia alla salute globale.
Secondo i dati dell’European Antimicrobial Resistance Surveillance Network, l’evoluzione di questo fenomeno nei Paesi dell’Unione europea viaggia a ritmi elevati e tra il 2020 e il 2024 si è osservato un incremento di diverse infezioni ematiche da batteri resistenti. Un esempio su tutti: nel 2024 si sono registrati oltre 11 casi di infezioni da Escherichia coli resistenti alle cefalosporine di terza generazione per 100.000 abitanti, pari a un aumento del 5,9% rispetto ai livelli del 2019.
All’origine dei trend di peggioramento c’è la crescente abitudine ad usare in maniera inappropriata o ad abusare di tali medicinali sia in ambito umano che veterinario. Tuttavia il nodo principale rimane la gestione del problema. In questo contesto le acque reflue rappresentano una delle principali vie di trasmissione e proliferazione dei super batteri, agendo come veri e propri incubatori biologici dove i microrganismi “imparano” a resistere ai farmaci.
Intervenire a livello dei depuratori appare dunque essenziale, sebbene sia necessaria una precisazione: la ricerca indiana si è focalizzata su un vecchio antibiotico – il cloramfenicolo -, oggi impiegato solo in alcuni paesi in via di sviluppo ma su cui si è riaccesa una certa attenzione proprio a causa dell’aumento dei tassi di resistenza agli agenti antimicrobici primari.
Le fuel cell microbiche con nuovi elettrodi
Lo studio del CSIR-AMPRI è partito da una vecchia conoscenza in ambito energetico: le fuel cell microbiche, celle a combustibile che generano elettricità utilizzando gli elettroni rilasciati da reazioni biochimiche catalizzate dai batteri.
La tecnologia risale agli anni 30 dello scorso secolo, ma tra bassa densità di potenza, costi elevati e problemi tecnici queste fuel cell non sono mai riuscite ad arrivare sul mercato di massa. Nonostante ciò diversi progetti dimostrativi le hanno utilizzate nel trattamento delle acque per ricavare energia e in alcuni casi per ridurre gli agenti patogeni.
Cosa c’è di nuovo ora? L’innovazione firmata da Yashmeen Budania, Ankita Chaurasiya, Pradip Kumar e Shiv Singh risiede negli elettrodi. Il gruppo ha realizzato un nuovo tipo di elettrodo privo di legante e a partire da materiali meno costosi di quelli tradizionali. L’unità è costituita da ossidi di ferro e nichel cresciuti su nanofibre di carbonio e supportati su fibra di carbonio attivata dove i batteri aderiscono e formano una pellicola spessa.
Un’architettura 3D che offre diversi vantaggi grazie al basso costo, all’elevata area superficiale e alla stabilità chimica. “Ogni nanofibra è un minuscolo filo con una punta contenente un catalizzatore”, scrive Shiv Singh. “Si tratta di un prototipo da laboratorio, non di un impianto di trattamento. La potenza è bassa, ma un singolo elettrodo in grado di svolgere tre funzioni rappresenta un utile punto di partenza.”
Utilizzando un elettrolita neutro, il sistema non solo depura l’acqua contaminata da antibiotici e genera elettricità, ma produce anche perossido di idrogeno (H2O2) – un utile ossidante impiegato nell’industria – senza bisogno di una fonte di alimentazione esterna aggiuntiva.
Il risultati dello studio
I test di laboratorio hanno mostrato come a livello dell’anodo un denso biofilm abbia permesso di rimuovere il 99.99% del cloramfenicolo e di ridurre quella che in gergo viene chiamata la Domanda Chimica di Ossigeno (COD) del 94% tramite ossidazione microbica; al catodo, invece, è stato prodotto perossido di idrogeno con una concentrazione accumulata di 0.74mM. Il tutto raggiungendo una densità di corrente di 153.4mA/m2, una densità di potenza di 24.68mW/m2 e un potenziale a circuito aperto superiore a 0.6V.
“Vogliamo essere chiari sui limiti. La potenza è bassa, come del resto per le celle a combustibile microbiche in generale. L’antibiotico è stato trasformato, non eliminato. Il carbonio organico totale si è ridotto di circa la metà e la spettrometria di massa ha rilevato otto prodotti di degradazione, molti dei quali privi di atomi di cloro. Non sappiamo ancora quanto siano innocui questi frammenti”. Tuttavia questa è la prima volta che una ricerca ottiene un simile triplice risultato con un’unica cella. “In futuro, siamo convinti di poter prolungare la durata, testare altri farmaci, verificare la tossicità dei prodotti di degradazione e collegare diverse celle in serie per aumentarne la potenza”
