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¿Pueden las bacterias producir electricidad?
Picomicro:
CBM-UAM, ICMM, CAB-INTA, CIB,
UCM, ICP
¿Qué es un microorganismo?
Richard Dawkins: El mundo esta dividido fundamentalmente en bacterias y el resto
Descubrimientos fascinantes de este mundo de microorganismos nos muestran una realidad que está totalmente distinta.
Distribución de los microorganismos en el mundo
Microorganismos más
abundantes del planeta
Algunas bacterias pueden
incluso sobrevivir en el frío y
vacío extremos del espacio
exterior y a Tº hasta 250ºC
¿En que nos pueden ayudar los microorganismos?
Las microorganismos nos proporcionan alimentos……
Tienen una parte activa en el proceso de biodegradación…..
Gracias el trabajo realizado ….
Las microorganismos patógenos
Las bacterias son de vital importancia y útiles para la humanidad.
E. coli
Staphylococcus aureus
Vibrio vulnificus
Campylobacter jejuni
Una bacteria que puede
producir una toxina mortal.
Origen: carnes mal cocidas,
especialmente hamburguesas,
leche cruda y productos
agrícolas
Esta bacteria produce una toxina
que causa vómitos al poco
tiempo de ser ingerida. Origen:
alimentos cocinados con alto
contenido en proteínas
(ejemplos: jamón cocido,
ensaladas, productos de
pastelería, productos lácteos
Causa gastroenteritis o un
síndrome conocido como
septicemia primaria. Las
personas con enfermedades del
hígado son especialmente de
alto riesgo. Origen: mariscos
crudos o mal cocidos
Es la causa mas común de
diarrea; Origen: Carnes y pollos
crudos o mal cocinados, leche
cruda y agua sin tratamiento
Listeria monocytogenes
Shigella
Yersinia enterocolitica
Clostridium botulinum
Causa listeriosis, una enfermedad
grave en mujeres embarazadas,
recién nacidos y adultos con un
sistema inmune débil. Origen: suelo
y agua. Se ha encontrado en
productos lácteos incluyendo quesos
blandos así como también encarne
cruda y mal cocida, en pollos y
productos del mar frescos o en
conserva
Produce aproximadamente 300.000
casos de enfermedades diarreicas.
La falta de higiene hace que Shigella
sea fácilmente transmitida de
persona en persona. Origen:
ensaladas, leche, productos lacteos
y agua sucia
Causa yersiniosis, una enfermedad
caracterizada por diarrea y/o
vómitos Origen: cerdo,productos
lácteos y agrícolas
Este organismo produce la toxina
que causa el botulismo, una
enfermedad caracterizada por
parálisis muscular. Origen:
Alimentos preparados en el hogar y
aceite de hierbas
Salmonella
Toxoplasma gondii
Es la segunda causa más común
de enfermedades transmitidas
por alimentos; Origen: huevos
crudos y mal cocidos, pollos y
carnes mal cocidas, productos
lácteos, mariscos, frutas y
vegetales
Un parásito que causa
toxoplasmosis, una enfermedad
muy severa que puede producir
desórdenes del sistema nervioso
central, particularmente retardo
mental y deterioro visual en
niños; Origen: carnes,
principalmente de cerdo
Producción de electricidad
la energía cinética generada por efecto
de las corrientes de aire
Gráfico de la evolución del consumo neto de energía eléctrica en España
La generación de energía eléctrica en el mundo sigue dependiendo en gran parte de la quema de
combustibles fósiles --petróleo, gas y carbón-- que son muy contaminantes. Una de las amenazas más
graves para el medio ambiente mundial procede de esta contaminación: las emisiones en rápido aumento
de los denominados gases ``de invernadero'', en especial el dióxido de carbono (CO2) considerado por
muchos científicos como el principal responsable del recalentamiento de la Tierra
Célula de Combustible Bacteriana MFC
La conversión de energía química en eléctrica es posible en
ciertos dispositivos electroquímicos denominados células o
pilas de combustible (“Fuel Cells”), donde la electricidad se
obtiene a partir de una fuente externa de combustible químico
que suele ser hidrógeno o etanol. Una variante reciente es la
célula de combustible microbiana (Microbial Fuel Cell, MFC
Podemos distinguir dos tipos de bacterias electrogénicas,
aquellas que producen sus propios mediadores redox, que
son secretados al medio y reaccionan con el electrodo,
y aquellas que interaccionan de forma directa con el
electrodo sin mediador soluble alguno. Así por ejemplo se
han descrito que Shewanella secreta riboflavinas que
actúan como mediadores redox entre la bacteria y el
electrodo. En el segundo grupo, el de la transferencia
directa por contacto bacteria-electrodo se encuentran las
bacterias del género Geobacter. Otros microorganismos
como Rhodoferax ferrireducens, Aeromonas hydrophila,
Clostridium butyricum y Enterococcus gallinarum también
tienen la capacidad de ceder electrones, pero por
mecanismos aún no conocidos”.
Respiración bacteriana
Ciclo de los ácidos tricarboxílicos o Ciclo de Krebs.
Convierte el Acetil-CoA en CO2 e H en forma de
NADH2 y FADH2
Cadena Respiratoria.
Siempre Cede los H de NADH2 y FADH2 a un aceptor
Transporta protones a través de una membrana.
Obtención de energía por ATPasa transportadora de
protones
Se produce en organismos respiradores
En procariotas en citoplasma, en eucariontas en la matriz mitocondrial.
Intervienen una serie de enzimas solubles o ligadas a interior de la membrana interna de la mitocondria
Común al metabolismo de glúcidos, lípidos y prótidos
Respiración bacteriana
Se produce en la membrana membrana plasmática o mesosomas de procariotas respiradores Supone:
Un transporte de electrones del NADH2 o del FADH2 a un aceptor o receptor final
Este transporte de electrones lo realizan proteínas y otras sustancias en una membrana celular
El transporte de electrones se aprovecha para bombear protones al exterior de la membrana
Se crea un gradiente de concentración de protones y un potencial (diferencia de cargas)
El gradiente eléctrico permite la formación de ATP . 1ATP por cada 2 H+ transportados
Lo realiza un complejo enzimático: ATP asa mitocondrial
Fe 3+ + 3H 2O → Fe(OH ) 3 + 3H +
Fe: 2260ppm, Zn: 225 ppm, Cu: 110 ppm, SO42-: 10110 ppm pH=2.3
Biodiversidad procariota del río Tinto
La densidad procariota es del de orden 106 células/ml.
Río Tinto como análogo Marciano
se han descrito hasta 90 cepas de levaduras;
las euglenas y diatomeas son abundantes, así como las algas fotosintéticas,
1000 especies de hongos filamentosos que se han aislado, formando biopelículas que sirven de sustento a otros muchos
protistas; la concentración de bacterias heterotróficas acidófilas es también elevada; y, en la base de la cadena trófica,
están las bacterias quimiolitotrofas responsables de las características de las aguas y algunos eucariotas fotosintéticos.
No hay, sin embargo, eucariotas superiores
Crecimiento en placas y fuente de energía
En presencia de oxígeno:
2+
+
3+
2 Fe + 2 H + O2 → 2 Fe + H 2O
S º + H 2O + 3 / 2O2 → SO42− + 2 H +
En ausencia de oxígeno:
3+
2+
2−
4
S º+6Fe + 4H 2O → 6Fe + SO + 8H
+
Crecimiento de acidiphillium en medio sólido
En presencia de oxígeno:
C6H12O6 + 2O2 + 12OH-
6CO2 + 6H2O
En ausencia de oxígeno
C6H12O6 + 24Fe(III) + 24OH-
6CO2 + 24Fe(II )+ 18H2O
2 Fe 2 + + 2 H + + O2 → 2 Fe 3+ + H 2O
S º +6 Fe 3+ + 4 H 2O → 6 Fe 2 + + SO42 − + 8 H +
Oxidacíon
Reduccíon
At. ferrooxidans y el ciclo del hierro
Bacteria1
Bacteria2
Bacteria3
=
PCR
Bacterias
Clonaje
DGGE
Microscopia
cianobacterias
protistas fotosintéticos
At. ferrooxidans
Fe3+
L. ferrooxidans
H2O
Ferroplasma spp.
O2
Acidimicrobium spp.
Ferromicrobium spp.
NADH
CO2
Acidiphilium spp
(CH2O)nn
Fe 3+ + 3H2O
Fe(OH)3 + 3H+
Modelo de ecología microbiana de río Tinto
At. ferrooxidans
Fe3+
Fe2+
Aerobiosis
[O2]
At. ferrooxidans
At. thiooxidans
At. caldus
So
SRB
SO42-
At. ferrooxidans
CO2
CO2
CHOOH
At. ferrooxidans
Acidiphilium spp
Acidimicrobium spp.
Ferromicrobium
(CH2O)n
SO42-
SRB
So
Cu++ Cu+ Mo6+ Mo5+ Cr6+ Cr3+
Fe(OH)3
Fe2+
[P]
Trazas
Anaerobiosis
[O2]
Modelo de ecología microbiana de 3.2
mS/cm
Aerobiosis
1368ppm
77%
At. ferrooxidans
L. ferrooxidans
2Fe2+ + 1/2O2 +2H+
At. ferrooxidans2Fe
At. thiooxidans
Precipitación
Sedimentación
Fe2+
(CH2O)n
466
2,5
1674ppm
SO4 + 2H+
At. ferrooxidans
L. ferrooxidans
Acidiphilium spp
6,41
Fe(OH)3 + 3H+
+ H2O
2-
So + 3/2O2 + H2O
CO2
3+
23%
Redox-mV pH
77% 23%
1674 ppm
Fe3+
2+
3+
Fe
Fe
Fe(OH)3 +
3H+
81% 19%
1674 ppm
Precipitación
Sedimentación
So
75%
25%
4165ppm
45,5% 54,5%
SRB
Anaerobiosis
At. ferrooxidans
At. ferrooxidans
SO4
Disolución
Reducción
2-
4759ppm
M trazas 32,5% 67,5%
At. ferrooxidans
So +
6Fe3+
+ 4H2O
[P]
2-
SO4
+
8H+
+
6Fe2+
4564ppm
32,5% 67,5%
9,06 405
Sedimentos
Acidiphilium
L. ferrooxidans
At. ferrooxidans
Fotótrofos
Fe3+
Fe2+
1,8
Río Tinto: Marte en la tierra
Por ello la NASA lo escogió como hábitat a estudiar por su
posible similud al ambiente del planeta Marte.
Rió Tinto: Modelo terrestre de referencia. La simplicidad de los requerimientos
necesarios para microorganismos del rio Tinto: CO2, N2 minerales.
Modelos de funcionamiento del sistema.
Desde un punto de vista astrobiológico, acercarse al río Tinto es, tal vez,
hacer un viaje hacia atrás en el tiempo sobre la superficie de Marte. el
estudio de los ecosistemas del río Tinto abre una amplia perspectiva
para el análisis de la evolución de las posibles comunidades biológicas
durante las eras geológicas marcianas durante las que el planeta pudo
haber mantenido agua líquida en superficie.
Temperatura superficial mínima -140°C
Temperatura superficial media -63°C
Temperatura superficial máxima 20°C
Presión atmosférica (bares) 0.007
Composición atmosférica
Dióxido de Carbono (C02)
Nitrógeno (N2)
Oxígeno (O2)
Monóxido de Carbono (CO)
95.32%
2.7%
0.13%
0.07%
EL OXÍGENO NO COMPITE CON LA TRANSFERENCIA
DE ELECTRONES
0,02
7 días de incubación en aire
tras purgar con N2, 40min
en presencia de fenol 5%, 4 horas
en presencia de fenol 5%, 6 horas
I/A
0,01
0,00
-0,01
1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4 -0,6
E/V
At. ferrooxidans
Aire
e-
Aire
e-
e-
eGLUCOSA
Ánodo
CO2 + H+
O2
H+
H+
H2
O
carbón
Cátodo
carbón
Acidiphillium
At.ferrooxidans
Resistencia
Acidiphillium
At ferrooxidans
Polarization
1,2
Power mW/m2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Current mA/m2
En la actualidad, la cantidad de energía que se obtiene de las bacterias en el laboratorio es reducida, alrededor de los 350 miliwatts
por metro cuadrado (mW/m2).
degradan contaminantes y, con la energía contenida en las aguas residuales las bacterias podrían generar diez veces la
electricidad que se necesita para su depuración en las plantas de tratamiento, si bien por ahora no sirven de combustible para
automóviles, son de utilidad para alimentar equipos de bajo consumo en lugares aislados, donde no llegan los cables eléctricos.
El desarrollo biosensores a escala nanométrica ( seguridad, Salud publica, misiones espaciales, investigación…..)