Microorganismo para generación de energía eléctrica

MICROORGANISMO PARA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA
Bioelectrogénesis a partir de bacterias del género
Geobacter
UNIVERSIDAD DE GUANAJUATO
División de Ciencias de la Salud e Ingenierías
Departamento de Ingeniería Agroindustrial
Licenciatura en Ingeniería Agroindustrial
Biotecnología
9no Semestre
Dr. César Díaz Pérez
Elizabeth Flores Rodríguez
Martes, 4 de diciembre de 2018
Índice
Índice .................................................................................................................................................... 1
Introducción ......................................................................................................................................... 2
Microorganismos involucrados ............................................................................................................ 3
Origen ............................................................................................................................................... 3
Hábitat .............................................................................................................................................. 3
Descripción morfológica ................................................................................................................... 3
Metabolismo..................................................................................................................................... 3
Reproducción y crecimiento ............................................................................................................. 4
Producción biotecnológica ................................................................................................................... 4
Celda de Combustible Microbiana, CCM (Microbial Fuel Cell, MFC) ............................................... 4
Ánodo ............................................................................................................................................... 5
Cátodo .............................................................................................................................................. 5
Membrana de Intercambio de Protones (Proton Exchange Membrane, PEM) ............................... 5
Regulador.......................................................................................................................................... 5
Inversor ............................................................................................................................................. 6
Funcionamiento ................................................................................................................................ 6
Perspectivas.......................................................................................................................................... 6
Conclusión ............................................................................................................................................ 8
Referencias bibliográficas .................................................................................................................... 8
1
Introducción
Debido a la forma en que se utilizan los combustibles se ha destruido gran parte del paisaje y cuerpos
de agua, ocasionando contaminación que en muchos casos es irreversible y, ante este problema, es
imprescindible obtener nuevas fuentes de energía eléctrica que causen un mínimo impacto en el
medio ambiente y no dependan de los combustibles fósiles.
Se conoce como bioelectrogénesis o bioelectricidad a la producción de electricidad que se lleva a
cabo por seres vivos (Mohn, 2017), la cual se considera como una alternativa para generar energía
de un modo más eficiente, ya que, al ver las ventajas se denota que es una biotecnología más barata,
que contamina menos y se aprovecha en un proceso metabólico si la necesidad de alterarlo
(Hernández Gómez & Sánchez Olvera, 2017).
La bioelectrogénesis se deriva de estudiar los procesos que realizan los microorganismos, entre ellos
la respiración. Sin embargo, el proceso para generar electricidad requiere un medio favorable para
que la bacteria oxide materia orgánica y a la vez reduzca iones metálicos, liberando de esta forma
los electrones a través de una membrana que, a su vez, representan la energía, que, en resumen, es
la electricidad (Hernández Gómez & Sánchez Olvera, 2017). Este proceso puede llevarse a cabo en
la mayoría de los organismos, pero muy pocos generan una cantidad considerable de electricidad
para que pueda aprovecharse o notarse (Mohn, 2017).
Se denomina Celda de Combustible Microbiana (CCM) al sistema bioeléctrico que emplea esta clase
de microorganismos para generar electricidad a partir de energía química, su diseño consiste en un
ánodo, un cátodo y una membrana de intercambio protónico que los separa y, a la vez, están
conectados por un circuito eléctrico ( (Das & Mangwani, 2010).
Existen microorganismos de diversas especies que se consideran aliados en generación de
electricidad, entre ellos están las bacterias de las especies Shewanella putrefaciens, Pseudomonas
aeruginosa, Escherichia coli y del género Geobacter de la familia Geobaceracea, ésta última fue la
primera en conocerse, de ella sobresalen dos especies Geobacter sulfurreducens y Geobacter
metalliresucens. Estas bacterias tienen la capacidad de transferir electrones a moléculas como el Fe
(III) y Mn (IV) (Lovley, Dissimilatory Fe (III) and Mn(IV) Reduction, 1991) óxidos de nitrógeno (Lovley,
Dissimilatory metal reduction, 1993),sustancias de alto peso molecular formadas por la degradación
química y biológica de restos de plantas y animales (Lovley, Humic Substances as a Mediator for
Microbially Catalyzed Metal Reduction, 1998). Permite la transferencia de electrones de forma
directa a los electrodos, generando pequeñas corrientes eléctricas (Gregory, Bond, & Lovley, 2004)
La capacidad de Geobacter para transferir electrones desde y hacia electrodos permite obtener
electricidad a partir de materia orgánica (Bond & Lovley, 2003), o el uso de electrodos como donador
de electrones para la reducción de contaminantes como nitrato, uranio y disolventes clorados (Wall
& Krumholz, 149–166) .Además, puede oxidar cadenas de ácidos grasos, alcoholes y compuestos
monoaromáticos (tolueno y fenol, que en concentraciones elevadas son cancerígenos); tienen un
papel importante en el ciclo del carbono y la biorremediación ya que metabolizan contaminantes
peligrosos para el ser humano a formas menos complejas (Hernández Gómez & Sánchez Olvera,
2017).
2
Microorganismos involucrados
Origen
Las especies de Geobacter fueron descubiertas en 1987 por el Dr. Derek R. Lovley
(ver imagen 1) y sus colaboradores de la Universidad de Massachusetts Amherst
(Poddar & Khurana, 2011) en un sedimento de agua del río Potomac en
Washington D.C. A este género se le asociaron descubrimientos con la facultad de
respirar uranio, la biodegradación anaerobia de compuestos derivados del
petróleo, la respiración de ácidos húmicos, la capacidad de generar electricidad y
la identificación de nanocables conductores (Lovley, Dissimilatory Fe (III) and
Mn(IV) Reduction, 1991). Derek Lovley y sus colegas han encontrado más de 20
especies de la familia Geobacter (Roach, 2004)
Hábitat
Imagen 1 Derek
Lovley, pionero en
bioelectrogénesis con
el género Geobacter.
Se encuentran en sedimentos de agua dulce, marinos anóxicos, sedimentos de sal de pantano,
ambientes subterráneos y acuíferos. Dichos ambientes son ricos en nitratos y sulfatos, pero deben
ser espacios libres de oxígeno puro (Holmes, Bond, O’Neil, Reimers, & Tender L. R.:Lovley, 2004)
Descripción morfológica
El género Geobacter pertenece al grupo Deltaproteobacteria de la familia
Geobacteraceae, son Gram-negativas y se caracterizan por tener una forma
recta o ligeramente curveada, varían de 1.2-2.0 µm de longitud y 0.5-0.6 µm
de diámetro, además, poseen dos apéndices celulares, flagelos y Pili como
se observa en la imagen 2 de la derecha (Shelobolina et al, 2007) (Straub &
Buchholz-Cleven, 2001).
Los flagelos son estructuras proteicas de 20 nm de diámetro y 16 µm de
longitud, suele haber dos por célula. Son los que permiten el Imagen 2 Morfología de
Geobacter sulfurreducens.
desplazamiento de la bacteria y su presencia es vital para la búsqueda de
Fe (III) y metales. Los Pili son estructuras proteicas, conductoras de electricidad, su función es
transferir electrones desde la superficie externa del Geobacter hasta los materiales reductores
localizados al costado de la célula. La cantidad varía de 100 hasta 1000 por bacteria, miden de 3-5
µm de diámetro por 1-5 µm de longitud. Le proveen la habilidad de transferir electrones al hierro
insoluble, metales o electrodos (Shelobolina, Vrionis, Findlay, & Lovley, 2008)
Metabolismo
El metabolismo para degradar los contaminantes depende de la obtención de la energía de éstos, y
se clasifican en fotótrofos, quimiorganótrofos y quimiolitótrofos. En general, el metabolismo es
quimiorganótrofo anaerobio, utilizan compuestos orgánicos como fuente de energía y de carbono
para su crecimiento y desarrollo (Romero, Vásquez, & Lugo, 2012). En respiración anaerobia requiere
la presencia de receptores de electrones como nitratos, sulfatos, fumaratos, ferricianuro, Fe (III)
(Lovley, Dissimilatory Fe (III) and Mn(IV) Reduction, 1991), oxígeno y electrodos (Bond & Lovley,
3
2003). También, posee una red de citocromos que constituye un mecanismo de transporte
electrónico y vincula entre sí la membrana interna, el periplasma y la membrana externa, con el fin
de transferir los electrones desde una sustancia oxidada a otra que se reduce (Romero, Vásquez, &
Lugo, 2012). Para obtener los electrones, se oxida la materia orgánica hasta producir dióxido de
carbono, agua, energía en forma utilizable (electrones) y ATP (Lovley, Dissimilatory metal reduction,
1993) y el citocromo actúa como un capacitor almacenando energía (Romero, Vásquez, & Lugo,
2012).
Reproducción y crecimiento
El proceso reproductivo es fisión binaria, las células individuales se duplican en un tiempo de 19 ±3.6
h en laboratorio. El crecimiento ocurre en una serie de fases, en la primera (fase Lag) las células se
ajustan a su nuevo ambiente, en la segunda, fase exponencial, la población se duplica a intervalos
regulares bajo condiciones óptimas de pH y temperatura. La tercera etapa, fase estacionaria, es
cuando el número de células producidas es igual a la cantidad de células que mueren, a esto se le
denomina equilibrio dinámico, el crecimiento bacteriano se detiene debido al agotamiento de algún
nutriente. La fase de muerte/declinación se consigue cuando la tasa de destrucción supera a la tasa
de crecimiento. Las condiciones óptimas de crecimiento son un pH en rango de 6.2-7.4 y
temperatura de 22-30 °C.
Producción biotecnológica
El género Geobacter puede transformar internamente energía química en energía eléctrica,
transfiriendo los electrones derivados de la oxidación de compuestos orgánicos a electrodos,
constituyendo una celda de combustible microbiana (Salgado, 2009)
Para producir energía eléctrica empleando CCM se requieren elementos básicos como son: un
equipo que transforme la energía química de la materia orgánica en energía eléctrica (CCM), un
elemento que proteja la celda de procesos inadecuados de carga y descarga, que es conocido como
regulador de carga; y un elemento que transforme la corriente directa en alterna, el inversor.
Celda de Combustible Microbiana, CCM (Microbial Fuel Cell, MFC)
La producción de esta biotecnología consiste en una celda de combustible microbiana (CCM) la cual
se describe en la imagen 3, una CCM es un reactor bio-electroquímico capaz de convertir la energía
química en energía eléctrica mediante reacciones químicas catalizadas por Geobacter en condiciones
anóxicas, ausencia de oxígeno puro, pero en presencia de nitratos o sulfatos como agentes de
oxidación cuando se descompone la materia orgánica. La estructura de una CCM consiste en dos
compartimientos, uno anódico y uno catódico que están separados por una membrana permeable
de intercambio de protones (Romero, Vásquez, & Lugo, 2012).
El ánodo se conserva en condiciones anaeróbicas donde una película del Geobacter sobrepuesta
oxida la materia orgánica y genera dióxido de carbono, protones y electrones. Los electrones viajan
a través de una resistencia que conecta el ánodo con el cátodo, originando una pequeña corriente
que puede ser medida y utilizada para realizar trabajo (Lovley, Bug juice: harvesting electricity with
4
microorganisms, 2006). La transferencia de electrones sobre el electrodo es directa debido a los Pili
de la bacteria, ya que se adhieren a los electrodos y permiten que los electrones se transfieran desde
la materia orgánica hasta el ánodo.
Imagen 3 Diagrama esquemático de una Celda de Combustible Microbiana.
Ánodo
El material con el que está construido el ánodo debe ser conductivo, biocompatible y químicamente
estables en la solución del reactor. El material más versátil es el carbón, le provee una superficie
áspera para que las bacterias se anclen firmemente y está disponible en placas de grafito compacto
o barras, aunado a que es más económico, fáciles de manipular y tienen un área de contacto definida
(Yia et al., 2009)
Cátodo
El material debe ser conductivo, biocompatible y químicamente estable para soportar la interfaz
donde se reduce el oxígeno puro con los protones y electrones. El material afecta el desempeño de
la CCM (Bond & Lovley, 2003).
Membrana de Intercambio de Protones (Proton Exchange Membrane, PEM)
El material del que está construida debe poseer alta selectividad de protones, estabilidad y firmeza
ya que debe canalizar los protones en una sola dirección desde el ánodo hacia el cátodo. La PEM
más utilizada es la Nafion® 117 con alta selectividad, pero baja estabilidad, la otra opción utilizada
es el Ultrex con baja selectividad de protones, pero una estabilidad muy alta (Logan & regan, 2006)
Regulador
Se encarga de conectar los módulos a la carga, monitores el sistema y establece los parámetros para
que funcione de forma correcta, el parámetro fundamental es el voltaje, puesto que, debe
mantenerse constante en el tiempo (Romero, Vásquez, & Lugo, 2012).
5
Inversor
Su función es transformar la corriente continua generada por los módulos de CCM en corriente
alterna con magnitud de 110 V o 120 V, es necesario para lograr el funcionamiento de los aparatos
electrónicos (Romero, Vásquez, & Lugo, 2012).
Funcionamiento
La forma de aplicación de estas celdas está basada en el mecanismo que usan las baterías
convencionales como se ilustra en la imagen 4, las cuales utilizan láminas de materiales conductores
y sustancias químicas que almacenan energía que es transformada en energía eléctrica por las
láminas. No obstante, las CCM donde se utilizan organismos como Geobacter solo necesitan
compuestos orgánicos (Hernández Gómez & Sánchez Olvera, 2017).
Imagen 4 Sistema bioeléctrico (Hernández Gómez & Sánchez Olvera, 2017).
Perspectivas
Medina & Zapata (2017) en su investigación de tesis realizaron la evaluación de la producción de
energía eléctrica y la disminución de la Demanda Química de Oxígeno (DQO1) en agua residual
1
La Demanda Química de Oxígeno es un parámetro para estimar la calidad del agua, cuanto mayor es la DQO más
contaminante es la muestra.
6
sintética, mediante la acción de dos bacterias, Escherichia coli y Pseudomonas aeruginosa, utilizando
electrodos de grafito y tela de carbono. Como resultados se mostró que Escherichia coli bajo
determinadas condiciones de pH y temperatura obtuvo los mayores valores de voltaje, medidos en
mV. Concluyendo la factibilidad del uso de bacterias como la antes mencionada en celdas de
combustible microbianas para producir energía eléctrica y disminución de DQO, ya que
proporcionan un proceso de depuración y producción de energía simultaneo cuyo objetivo es
disminuir los costos de operación de cualquier planta tratadora de aguas residuales.
La energía que se puede generar mediante una CCM a través de bacterias bioelectrogénicas en
comparación con otras fuentes de energía es baja, ya que esta biotecnología es considerada
relativamente nueva, sin embargo, a pesar de ello ha avanzado en eficiencia debido a que en la
actualidad se produce una densidad de potencia en el electrodo de W/m2 ante los mW/m2 obtenidos
en las primeras experiencias (ver Tabla 1). Aunado a que el tamaño de los electrodos ha disminuido
hasta 800 veces y la densidad de corriente ha aumentado incluso hasta 100 veces du producción en
tan solo 10 años de investigación (Romero, Vásquez, & Lugo, 2012).
Tabla 1 Resultados de los estudios realizados en CCM con bacterias del género Geobacter (Bond & Lovley, 2003)
(Richter, y otros, 2008) (Yia et al., 2009) (Lovley, Derek R., 2006).
En 2017 Collazos y Bravo evaluaron la diversidad bacteriana asociada a biopelículas formadas sobre
los ánodos de celdas de combustible microbianas utilizando muestras ambientales como inóculo
(agua residual doméstica, ARD y agua residual industrial, ARI) y único sustrato energético. Las celdas
se monitorearon en función de la producción de energía eléctrica y se realizó la caracterización
molecular a las biopelículas formadas. En los resultados reportaron valores de densidad de potencia
máxima de 4.85 mW/m2 para ARD y de 1.85 mW/m2 para el caso de ARI, con disminuciones de 71 %
7
de DBO2 par el ARD y de 59 % para ARI. En el reconocimiento de las secuencias a partir de las
biopelículas sobre los ánodos, se recuperaron 15 secuencias mediante la amplificación del gen del
ARNr 16s y mediante un análisis filogenético se ubicó a estas secuencias en la clase
Deltaproteobacteria y entre ellas, se encuentra la familia Geobacteraceae. De este trabajo se
concluyó que esta biotecnología debería enfocarse más en temas de biorremediación que a la vez
permitan la obtención de energía eléctrica. (Collazos & Bravo, 2017)
Conclusión
El utilizar el proceso metabólico de estos microorganismos en la bioelectrogénesis en actividades
humanas forma parte de una red de beneficios biotecnológicos con la implementación de técnicas
para el aprovechamiento de estos procesos y sus reactivos.
Las bacterias del género Geobacter poseen características que podrían controlarse fácilmente en
CCM para su crecimiento, desarrollo y producción de electricidad. El potencial de producción es el
requerido para proveer de energía necesaria a una vivienda, por lo que esta forma de energía puede
ser una solución para ciertas zonas que no poseen una red eléctrica (Romero, Vásquez, & Lugo,
2012).
Referencias bibliográficas
Bond, D. R., & Lovley, D. R. (2003). Electricity Production by Geobacter sulfurreducens Attached to
Electrodes. Applied And Environmental Microbiology, 69(3), 1548–1555.
Collazos, A., & Bravo, E. (2017). DIVERSIDAD BACTERIANA ASOCIADA A BIOPELÍCULAS ANÓDICAS EN CELDAS
DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS ALIMENTADAS CON AGUAS RESIDUALES. Acta Biológica
Colombiana, 22(1), 77-84.
Das, S., & Mangwani, E. (2010). Recent developments in microbial fuel cells. Scientific & Industrial Research,
69, 727-773.
Gregory, K., Bond, D., & Lovley, D. R. (2004). Graphite electrodes as electron donors for anaerobic
respiration. Environmental Microbiology, 6(6), 596–604.
Hernández Gómez, G. A., & Sánchez Olvera, M. A. (2017). La plurifuncionalidad de las bacterias
electrogénicas. Energía Alternativa, 4-10.
Holmes, D. E., Bond, D. R., O’Neil, R. A., Reimers, C., & Tender L. R.:Lovley, D. R. (2004). Microbial
Communities Associated with Electrodes Harvesting Electricity from a Variety of Aquatic Sediments.
Electrodeassociated communities, 48(2), 178–19.
Logan, B., & regan, J. (2006). Electricity-producing bacterial communities in microbial fuel cells. TRENDS in
Biotechnology, 14(12), 512-518.
Lovley, D. R. (1991). Dissimilatory Fe (III) and Mn(IV) Reduction. Microbiological Reviews, 55, 259-287.
2
La Demanda Bioquímica de Oxígeno es la cantidad de oxígeno que los microorganismos consumen durante la
degradación de las sustancias orgánicas contenidas en una muestra, cuando mayor sea la contaminación, mayor será
la DBO.
8
Lovley, D. R. (1993). Dissimilatory metal reduction. Applied And Environmental Microbiology, 47, 263-290.
Lovley, D. R. (1998). Humic Substances as a Mediator for Microbially Catalyzed Metal Reduction. Acta
hydrochin hydrobiol, 26(3), 152–157.
Lovley, D. R. (2006). Bug juice: harvesting electricity with microorganisms. Nature Publishing Group, 4, 497508.
Lovley, Derek R. (2006). Bug juice, harvesting electricity with microorganisms. Nature Publishing Group, 4,
497–508.
Medina Mesa, S., & María, Z. R. (2017). EVALUACIÓN DE LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y
DISMINUCIÓN DE DQO EN AGUA RESIDUAL SINTÉTICA MEDIANTE CELDAS DE COMBUSTIBLE
MICROBIANAS A ESCALA LABORATORI. Bogotá: Fundación Universidad de América.
Mohn, E. (2017). Bioelectrogenesis (bioelectricity). Encyclopedia of Science.
Poddar, S., & Khurana, S. (Junio de 2011). Geobacter: The Electric Microbe! Efficient Microbial Fuel Cells to
Generate Clean, Cheap Electricity. Indian Journal Microbiol, págs. 240-241. doi:10.1007/s12088-0110180-8
Richter, H., McCarthy, K., Nevin, K., Johnson, J., Rotello, V., & Lovley, D. R. (2008). Electricity Generation by
Geobacter sulfurreducens Attached to Gold Electrodes. Departments of Microbiology and
Chemistry, 24(8), págs. 1-4.
Roach, J. (2004). Rust-Breathing Bacteria: Miracle Microbes. National Geographic News, págs. 1–7.
Romero, A., Vásquez, J., & Lugo, A. (2012). Bacterias, fuente de energía para el futuro. Tecnura, 16(32), 118143.
Salgado, S. (2009). Microbial fuel cells powered by Geobacter sulfurreducens. Basic Biotechnology, 96-101.
Shelobolina et al, E. S. (2007). Geobacter pickeringii sp. nov., Geobacter argillaceus sp. nov. and Pelosinus
fermentans gen. nov., sp. nov., isolated from subsurface kaolin lenses. International Journal of
Systematic and Evolutionary Microbiology, 54(5), págs. 126–135.
Shelobolina, E., Vrionis, H., Findlay, R., & Lovley, D. R. (2008). Geobacter uraniireducens sp. nov., isolated
from subsurface sediment undergoing uranium bioremedia. International Journal of Systematic and
Evolutionary Microbiology, 58(5), págs. 1075–1078.
Straub, K. L., & Buchholz-Cleven, B. E. (2001). “Geobacter bremensis sp. nov. and Geobacter pelophilus sp.
nov., two dissimilatory ferric-iron-reducing bacteria. International Journal of Systematic and
Evolutionary Microbiology, 51(5), págs. 1805-1808.
Wall, J. D., & Krumholz, L. R. (149–166). Uranium Reduction. The Annual Review of Microbiology, 60, 2006.
Yia et al., H. (2009). Selection of a variant of Geobacter sulfurreducens with enhanced capacity for current
production in microbial fuel cells. Biosensors and Bioelectronics, 24(12), 3498–3503.
9