Biossensor fotobioeletroquímico baseado em synechococcus elongatus para detecção de atrazina em águas ambientais

Abstract

Os herbicidas são uma das classes de pesticidas mais utilizados no mundo; porém, sua aplicação excessiva e descontrolada tem levantado sérias preocupações ambientais, uma vez que sua persistência no ambiente representa risco à saúde humana e aos ecossistemas. A detecção desses poluentes em baixas concentrações na água superficial e subterrânea é, portanto, essencial. Este trabalho relata o desenvolvimento de um biossensor fotobioeletroquímico baseado na imobilização do microrganismo cianobactéria, cepa Synechococcus elongatus, em um eletrodo de carbono vítreo (GCE) modificado com Ti₃C₂Tx (MXene) e polidopamina (PDA), para a detecção do herbicida atrazina em águas superficiais (rios), costeiras (oceano) e subterrâneas. A integração do MXene, um nanomaterial altamente condutivo e de grande área superficial, aprimorou a resposta da fotocorrente, enquanto a camada de PDA garantiu a imobilização celular eficaz e biocompatível, além de mediar a transferência de elétrons entre as células e o eletrodo. Essa interação revelou uma sinergia crucial para alcançar elevada intensidade de sinal sob luz. Após a exposição à atrazina, observou-se uma queda significativa na fotocorrente, consistente com a inibição do herbicida sobre o PSII (fotosistema II), que interrompe a cadeia de transporte de elétrons fotossintéticos. O sistema destaca-se por baixo custo, rápida resposta, alta sensibilidade (LD = 0,37 nM ou 0,08 ppm; LQ = 1,12 nM ou 0,24 ppm; Sa = 177,71 nA cm⁻² µM⁻¹) e mínima necessidade de preparo de amostra. Assim, este estudo valida sua aplicação como uma plataforma sensível e seletiva para o monitoramento ambiental de poluentes que inibem o sistema PSII, oferecendo uma ferramenta eficiente para a detecção precoce de poluentes emergentes, contribuindo para práticas sustentáveis de gestão ambiental.

Herbicides are one of the most widely used classes of pesticides worldwide; however, their excessive and uncontrolled application has raised serious environmental concerns, as their persistence in the environment poses risks to human health and ecosystems. Detecting these pollutants at low concentrations in water is therefore essential. This work reports the development of a photobioelectrochemical biosensor based on the immobilization of the cyanobacterial microorganism, Synechococcus elongatus strain, on a glassy carbon electrode (GCE) modified with Ti₃C₂Tx (MXene) and polydopamine (PDA), for the detection of the herbicide atrazine in surface (rivers), coastal (ocean) and groundwater. The integration of MXene, a highly conductive nanomaterial with a large surface area, enhanced the photocurrent response, while the PDA layer ensured effective and biocompatible cell immobilization and mediated electron transfer between the cells and the electrode. This interaction revealed a crucial synergy for achieving high signal intensity under light. After exposure to atrazine, a significant drop in photocurrent was observed, consistent with the herbicide's inhibition of PSII (photosystem II), which disrupts the photosynthetic electron transport chain. The system stands out for its low cost, fast response, high sensitivity (LOD = 0.37 nM or 0.08 ppm; LOQ = 1.12 nM or 0.24 ppm; Sa = 177.71 nA cm⁻² µM⁻¹) and minimal sample preparation requirements.Thus, this study validates its application as a sensitive and selective platform for environmental monitoring of pollutants that inhibit the PSII system, offering an efficient tool for the early detection of emerging pollutants, contributing to sustainable environmental management practices.