Integração fotobiohíbrida: potencializando a transferência de elétrons em microalgas com semicondutores e mediadores Redox

Abstract

No Capítulo 1, foi apresentada a fundamentação teórica sobre os desafios ambientais associados à poluição por pesticidas e à necessidade de soluções energéticas limpas, que motivam o desenvolvimento de sistemas fotobioeletroquímicos (PBEs) integrando organismos fotossintéticos a materiais nanoestruturados. Esta tese teve como objetivo investigar diferentes estratégias biohíbridas para superar as limitações de transferência de elétrons nesses sistemas e explorar aplicações tanto no monitoramento ambiental quanto na conversão sustentável de energia. No Capítulo 2, foi desenvolvido um biossensor baseado em cloroplastos imobilizados em eletrodos de trióxido de tungstênio (WO₃) modificados com polidopamina (PDA). O sensor apresentou resposta linear entre 0,005 e 10,0 µM para o herbicida simazina, com limite de detecção de 0,002 µM (0,410 ppb), desempenho equivalente ao de métodos cromatográficos e maior sustentabilidade (índice AGREE 0,78). No Capítulo 3, a pesquisa avançou para biofotoeletrodos híbridos contendo microalgas imobilizadas em WO₃/PDA, que atingiram fotocorrentes de até 24 µA cm⁻² sob baixa intensidade luminosa, confirmando a contribuição celular ativa. Como prova de conceito, o sistema foi acoplado a um biocátodo de formato desidrogenase, possibilitando a conversão fotoassistida de CO₂ em formiato, evidenciando o potencial dos PBEs na valorização de carbono. No Capítulo 4, buscou-se intensificar a transferência eletrônica em microalgas por meio da funcionalização com nanopartículas de ouro (AuNPs). A estratégia baseada no cultivo em meio suplementado com AuNPs resultou em aumento expressivo da fotocorrente, associado ao efeito plasmônico em 525 nm, sem comprometer a viabilidade, o crescimento e o conteúdo pigmentário das células. Em conjunto, os resultados comprovam que a integração de cloroplastos, microalgas e nanomateriais em eletrodos semicondutores permite o desenvolvimento de plataformas analíticas e energéticas sustentáveis, capazes de unir alta sensibilidade, biocompatibilidade e eficiência na detecção de poluentes e na conversão de energia solar em eletricidade e produtos químicos de interesse.

Chapter 1 presents a theoretical foundation for the environmental challenges associated with pesticide pollution and the need for clean energy solutions, which motivates the development of photobioelectrochemical (PBE) systems that integrate photosynthetic organisms with semiconductor materials and nanomaterials. This thesis aimed to investigate various biohybrid strategies for overcoming electron transfer limitations in these systems and explore their applications in both environmental monitoring and sustainable energy conversion. In Chapter 2, a biosensor was developed based on chloroplasts immobilized on tungsten trioxide (WO₃) electrodes modified with polydopamine (PDA). The sensor exhibited a linear response to the herbicide simazine in the range of 0.005–10.0 µM, with a detection limit of 0.002 µM (0.410 ppb), achieving performance comparable to chromatographic methods while demonstrating higher sustainability (AGREE index 0.78). In Chapter 3, the research advanced to hybrid biophotoelectrodes incorporating intact microalgae immobilized on WO₃/PDA electrodes, which achieved photocurrents up to 24 µA cm⁻² under lowpower visible light, confirming active cellular contribution to electron flow. As proof of concept, the system was coupled to a formate dehydrogenase biocathode, enabling light-assisted CO₂ reduction to formate, highlighting the potential of PBEs for carbon valorization. In Chapter 4, electron transfer was further enhanced through functionalization of Chlorella cells with gold nanoparticles (AuNPs). The strategy based on cultivation in AuNP-supplemented medium resulted in a significant photocurrent increase, attributed to plasmonic enhancement at 525 nm, without compromising cell viability, growth, or pigment content. Collectively, the findings demonstrate that the integration of chloroplasts, microalgae, and nanomaterials with semiconductor electrodes enables the development of sustainable analytical and energy platforms that combine high sensitivity, biocompatibility, and efficiency in both pollutant detection and solarto-chemical energy conversion.