Aplicaciones de la Bioelectrogénesis I

A partir de esta entrada (como bien anuncia su título) comenzamos un ciclo de actualizaciones sobre las diferentes aplicaciones y ventajas de la micro-bioelectrogenesis, pero antes de entrar directamente en materia es importante señalar que en dichas entradas nos referiremos sobre todo a Geobacter ya que la mayoría de bibliografia sobre el tema está enfocada a dicha bacteria.

La falta de control en el uso de combustibles fósiles ha desatado una crisis energética a nivel mundial, despertando el interés por otras fuentes de energía renovables y con poco o nulo impacto sobre el medio ambiente. Una de estás fuentes de energía emergente es la bioelectrogénesis, pero la producción de una energía renovable, limpia y barata no es la unica ventaja de esta tecnología...

Biorremediación las bacterias electrogénicas son de gran interés debido a su papel en la restauración ambiental. Por ejemplo, las especies de Geobacter pueden degradar contaminantes derivados del petróleo por oxidación de estos compuestos a dióxido de carbono y también pueden eliminar los contaminantes de metales radiactivos. Como la comprensión del funcionamiento de las especies de Geobacter ha mejorado, es posible utilizar esta información para modificar las condiciones ambientales con el fin de acelerar el ritmo de la biorremediación.

Bioenergía los microorganismos juegan un papel importante en algunos digestores de aguas residuales anaeróbicas degradando contaminantes orgánicos y transfiriendo electrones a los microorganismos que producen metano, un biocombustible importante. Estudios recientes sugieren que esta transferencia de electrones pasa a través de los nanocables microbianos conductores de Geobacter. La capacidad de las especies de Geobacter para oxidar compuestos orgánicos con la transferencia de electrones a los electrodos se muestra prometedora como una estrategia para la producción de bioelectricidad, especialmente en ambientes remotos.

Electrosíntesis microbiana este es un proceso para convertir el CO₂ de efecto invernadero en combustibles de transporte y otros productos orgánicos útiles. La electrosíntesis es una forma artificial de fotosíntesis que ofrece la posibilidad de convertir la luz solar y el dióxido de carbono en compuestos orgánicos deseables mucho más eficientes y más sostenibles que los procesos basados ​​en la biomasa.

Bioelectrónica las bacterias tienen propiedades electrónicas novedosas que pueden tener aplicaciones prácticas. Por ejemplo, pueden formar películas conductoras altamente cohesivas que tienen conductividades que rivalizan con las de polímeros conductores sintéticos. La conductividad de las películas de Geobacter resulta de una red de nanocables microbianos, delgados filamentos de proteína que conducen electrones a lo largo de su longitud. Por lo tanto, Geobacter ofrece la posibilidad de hacer sensores electrónicos y otros dispositivos, que funcionan bajo el agua.

Enfoque sistémico de ambientes microbiológicos Geobacter ha demostrado ser un excelente modelo para el desarrollo de análisis del genoma de ambientes naturales a gran escala, biorremediación y aplicaciones de bioenergía. Este enfoque ha incluido el diagnóstico sofisticado del estado fisiológico de la comunidad microbiana del subsuelo durante la biorremediación.

En próximas entradas ampliaremos una a una todas estas aplicaciones,

Saludos!

Bacterias electrogénicas: Resumen final

En esta entrada pensaba ampliar la información sobre otras bacterias electrogénicas (que no fueran Shewanella o Geobacter) pero la información y artículos sobre estas son escasos (se mencionan en mucha bibliografia del tema pero no se amplía la información).

Es por eso que he decidido hacer un pequeño resumen del tema, comenzaré con una tabla:

(Revista de la Universidad de potosí)

Es importante destacar también que las evidencias actuales sugieren que las bacterias que respiran hierro son las más eficientes en cuanto a la producción de bioelectricidad se refiere, y que los actuales modelos de bioelectricidad prefieren el empleo de cultivos mixtos al de especies puras, incluyendo no solo microorganismos que respiran hierro sino también especies oxigénicas como las cianobacterias de los géneros Anabaena y Synechocystis porque las bacterias trabajan mejor en comunidades que aisladas.

Estudios recientes describen la influencia del inóculo en el desempeño de las celdas de electrolisis microbianas, incluso afirman que muestras tomadas de un mismo ambiente natural en diferentes épocas del año provocan variabilidades en la productividad de las celdas tanto como en la población de microorganismos.

Tabla resumen de diferentes bacterias electrogénicas y sus substratos habituales

Los combustibles que pueden utilizarse para alimentar las celdas electrogénicas microbianas van desde soluciones de compuestos sencillos (como los que presominan en la tabla anterior) a mezclas complejas ricas en materia orgánica como residuos vegetales o las presentes en aguas residuales. 

Para terminar esta entrada recopilatoria quiero resaltar que el desarrollo de todas estas tecnologías está todavía en sus comienzos y que aun se debe de seguir estudiando y optimizando para ofrecer resultados mas competitivos. 

En proximas entradas abordaremos las aplicaciones de las bacterias electrogénicas...

Saludos!

Bacterias electrogénicas: Shewanella

Como ya os anuncié en la entrada anterior hoy nos centraremos en otro microorganismo bioelectrogénico: Shewanella, es importante mencionar que no es un genero tan estudiado en términos de bioelectrogénesis como lo es Geobacter pero intentaré proporcionaros la suficiente información sobre dicha bacteria.

En los sistemas alimentados con ácido acético las comunidades bacterianas están dominadas por Geobacter sulfurreducens. Sin embargo si se utiliza ácido láctico como substrato se promueve el crecimiento de otra bacteria electrogénica: Shewanella oniedensis.

Shewanella es un importante organismo modelo para estudios de biorremediación por sus diversas habilidades respiratorias, conferidas por su plasticidad en cuanto a posibles donadores de electrones.

Es un genero compuesto por bacterias bacilares gramnegativas marinas que pueden reducir metales pesados y ​​tóxicos, pueden vivir en cualquier tipo de ambiente (con o sin oxígeno), presentan flagelo y suelen crecer en forma de biofilm. Fue aislada por primera vez en el lago Oneida de Nueva York en 1988.

Micrografia electrónica de barrido de Shewanella (Wikipedia)

Algunas especies de Shewanella pueden producir electricidad y reducir hierro, uranio y plutonio en sedimentos. También puede respirar sulfatos, nitratos y cromatos cuando crece anaeróbicamente.

Shewanella (cuando crece en biofilm) secreta riboflavinas como mediadores redox que establecen comunicación entre bacterias y electrodos. Esta característica podría ser muy interesante ya que actualmente se postula que la biorremediación de sitios contaminados y la consecuente generación de energía deben hacerse de manera conjunta entre varios microorganismos de distintas especies.

 

Y esto es todo por hoy...

Saludos!

Bacterias electrogénicas: Geobacter II

En esta nueva entrada continuaremos hablando de Geobacter, pero esta vez nos centraremos mas en los avances actuales en lo que a investigación se refiere.

A lo largo de los años posteriores a su aislamiento se han ido descubriendo las capacidades de Geobacter para utilizar la materia orgánica y la biomasa para producir bioenergía o su capacidad para oxidar metales, degradar compuestos orgánicos (como los derivados del petróleo) y materiales radioactivos (como el uranio), etc., que las hacen excelentes candidatas para los procesos de biorremediación de ambientes naturales. También se ha secuenciado su genoma y analizado su proteoma, lo que ha permitido la creación de modelos mediante los cuales se ha podido predecir su desempeño en ambientes donde el combustible sobrepasara los aceptores de electrones. Aunque aún queda mucho por investigar de Geobacter, pues en la actualidad sabemos que su producción de energía es de 350 mili Wats por metro cuadrado con un voltaje de 0,5 volts.

El departamento de energía de EUA incluyó a Geobacter en el proyecto “Genomas para la vida” (Genomes to life), cuya finalidad es la de impulsar la investigación de sistemas vivos que tengan aplicación en el campo energético. 

El uso de la genómica, la posibilidad de secuenciar genes de diversas cepas de Geobacter, así como la existencia de modelos informáticos para estudiar variables, están permitiendo desarrollar enormemente el estudio de estas bacterias, diseñando en el laboratorio cepas específicas que mejoran sus prestaciones en biorremediación y bioenergía.

En 2009 la revista TIME calificó una de las nuevas cepas desarrolladas a través de ingeniería genética por Lovley (con capacidad de para generar energía mucho más eficientemente que otras cepas) como uno de los 50 mejores descubrimientos de ese año. Y en el año 2010 los trabajos realizados por el Dr. Lovley llevan a descubrir la capacidad de Geobacter de transferiry transportar electrones fuera de la célula (e incluso entre distintos microorganismos) lo que abre la puerta a la futura creación de biobaterías eléctricas autoalimentadas.

Estos últimos años han sido muy prolíficos para el equipo de investigación del Dr. Lovley, que ha presentado estudios muy relevantes en relación a:

-          Modificación de Geobacter sulfurreducens para producir cepas que generen biopelículas con mayor densidad de pilis y exopolisacaridos (con el consecuente aumento de su conductividad y efectividad) lo que permite que rivalicen en conductividad con polímeros sintéticos incluso (abril 2013).

-          Creación de una cepa específica que produce electricidad a partir de hidrógeno, sin necesidad de utilizar carbono orgánico para crecer (mayo 2013, 113 Simposio General de la ASM).

Hoy también os dejo con un vídeo del profesor Lovley en el que nos habla sobre su investigación en el proyecto Geobacter. En la proxima entrada continuaremos hablando de bacterias electrogénicas pero esta vez abordaremos un género diferente: Shewanella.

Para mas información y si quereis estar al día sobre las investigaciones con Geobacter y sus aplicaciones podeis visitar la página: www.geobacter.org

Saludos!

Bacterias electrogénicas: Geobacter I

Lo prometido es deuda, asi que como ya os había dicho que haría, a partir de hoy comenzamos un ciclo de profundización de las diferentes bacterias electrogénicas y como bien indica el título de la entrada comenzaremos con el género Geobacter.

Geobacter es del tipo de bacterias que habita de forma natural en el subsuelo y durante millones de años ha utilizado los óxidos de hierro insolubles como aceptores de electrones para la oxidación de la materia orgánica. Es por esta forma de respiración que ha contribuido en la formación de la corteza terrestre.

Se trata de una bacteria con forma bacilar, gamnegativa, anaerobia, que presenta pilis y un flagelo imprescindible para la respiración ya que le permite moverse de una partícula sólida a otra una vez agotado el óxido respirable,  

Micrografia electrónica coloreada de Geobacter (Geobacter project)

Desde su descubrimiento el género Geobacter ha suscitado un enorme interés para el medio ambiente. Todo comenzó en el año 1987 cuando el doctor Derek R. Lovley, junto a su equipo de la Universidad de Massachussets Amherts, aisló la primera cepa conocida de Geobacter (inicialmente designada como GS-15 y posteriormente como Geobacter metallireducens) de los sedimentos del río Potomac en Washington DC y describió su capacidad para reducir el ión férrico gracias a la oxidación de compuestos orgánicos a CO₂, en otras palabras, genera energía respirando iones de hierro de suelos y sedimentos. Hasta la fecha ningún microorganismo con capacidad de usar óxidos de hierro como aceptor final de electrones había sido descrito.

La gran versatilidad de Geobacter para transferir electrones fuera de la célula (flujo exocelular) está relacionada con la presencia de citocromos C, es el organismo secuenciado con mayor número de genes codificantes de estos transportadores de electrones. Lo que hace especial a Geobacter es la presencia de una red de citocromos C multihemo que distribuidos entre membranas y periplasma permiten transferir los electrones del interior al exterior para respirar sustratos extracelulares como el hierro III. Geobacter también respira sustratos solubles como fumarato o nitrato, cuya reducción tiene lugar en la membrana interna. 

(a) Geobacter en precencia de un aceptor soluble como el nitrato no desarrolla flagelos. (b) Cuando no hay un aceptor de electrones soluble, pero hay iones férricos [Fe(III)] insoluble, se activan los mecanismos de quimiotaxis y se forma el flagelo que permite a la bacteria desplazarse y adherirse. (Geobacter project)

Por último os dejo con un vídeo de la Oficina de Investigación Naval (ONR) en el que explican como conseguir energía a partir de especies de Geobacter que habitan en fondos marinos...

Saludos!