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Bacterias productoras de electricidad

1 noviembre, 2010

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Artículo confeccionado a partir del artículo de Abraham Esteve-Nuñez (Actualidad SEM 2008), que realiza sus trabajos con la bacteria reductora de Fe(III) “Geobacter metallireducens” (texto entrecomillado) y de Gorby et al (2006) PNAS que trabajan con otro reductor de Fe(III) anaerobio facultativo: Shewanella onidiensis.

“El uso incontrolado de los combustibles fósiles ha disparado una crisis energética global, incrementado el interés por obtener fuentes de energía renovables con el mínimo impacto en el medio ambiente. Hasta ahora el compromiso energético de la microbiología ambiental se había dirigido a optimizar la producción de hidrógeno, aprovechar el metano generado en los tratamientos de aguas residuales, o generar biocombustibles como el etanol o el biodiesel. Sin embargo, el reciente descubrimiento de bacterias capaces de convertir energía química en eléctrica sugiere la aparición de una nueva forma de energía verde, cuya explotación supondrá un importante reto biotecnológico en los próximos años”.

“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)”.

Esquema de una biopila. Tomado de Chaudhuri and Lovley (2003) Nat. Biotechnol. 21:1229-1232.

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“En las MFC se emplean bacterias para oxidar el combustible, materia orgánica, y transferir los electrones a un electrodo (ánodo), que está conectado a un cátodo a través de un material conductor que contiene una resistencia. La cámara que alberga estos electrodos, la anódica (que suele ser anaeróbica, ya que el proceso de transferencia de electrones lo suelen hacer bacterias que respiran sustancias diferentes al oxígeno) y la catódica, están comunicadas por una membrana de intercambio catiónico que permite el paso de protones. De esta forma, los protones generados en la oxidación de la materia orgánica se combinan con el oxígeno y con los electrones que llegan al cátodo para formar agua”.

“Los análisis de las comunidades microbianas asociadas a los ánodos de las MFC muestran una gran diversidad de géneros bacterianos dependiendo de la naturaleza del inóculo, del combustible y del tipo de MFC utilizada. Uno del grupo de microorganismos que se ha mostrado como muy eficaz en la transferencia de electrones a una MFC es el de la delta-proteobacterias, y en concreto el género Geobacter“.

“La gran revolución en el campo de las MFC se ha producido en el último lustro, con el descubrimiento de microorganismos electrogénicos que son capaces de transferir los electrones al ánodo en ausencia de mediadores redox artificiales. 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”.

Las bacterias del género Geobacter son habitantes de forma natural del subsuelo y durante millones de años han utilizado los óxidos de hierro insolubles como aceptores de electrones para oxidar la materia orgánica. Los mecanismos responsables de establecer una comunicación redox entre la bacteria y la superficie de los óxidos de hierro han contribuido a “dar forma” a la corteza terrestre, y comprenderlos constituye uno de los retos de la microbiología medioambiental. Geobacter es capaz de producir magnetita en ambientes sedimentarios, así como de respirar uranio, biodegradar anaeróbicamente compuestos aromáticos contaminantes, respirar ácidos húmicos en ambientes naturales o transferir electrones a electrodos, con la consiguiente producción de electricidad.
Cuando Yuri Gorby descubrió que un microbio que transforma metales tóxicos puede hacer brotar diminutos cables eléctricamente conductores de su membrana celular, razonó que esta rareza anatómica y su fisiología capaz de modificar metales debían estar relacionadas. Un colega que había oído la presentación de Gorby en una reunión científica informó después que también él fue capaz de lograr nanocables de otra especie de bacteria reductora de metales, y además sugirió que los cables podrían usarse para fabricar diminutos dispositivos eléctricos mediante técnicas de bioingeniería.

Ahora resulta que muchas otras bacterias, incluso especies involucradas en la fermentación y la fotosíntesis, también pueden formar cables bajo diversas condiciones medioambientales.“La Tierra parece estar ‘cableada”, afirma Gorby, científico del laboratorio PNNL (Pacific Northwest National Laboratory), quien ha documentado la aparente ubicuidad de vida microbiana eléctricamente conductiva. En una serie de experimentos, Gorby y sus colegas indujeron la formación de nanocables en una amplia variedad de bacterias, y demostraron que eran eléctricamente conductores. Los nanocables bacterianos son muy pequeños, con medidas del orden de 10 nanómetros en diámetro, y formaron manojos de hasta 150 nanómetros de ancho. Llegaron a crecer hasta alcanzar decenas o incluso centenares de micras de largo.

No se conocen aún las implicaciones fisiológicas y ecológicas para estas interacciones, pero el efecto sugiere una forma muy organizada de distribución de energía entre los miembros de las más viejas y sostenibles formas de vida en el planeta.

Nanowires de Shewanella onediensis MR-1. Gorby et al. PNAS USA

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En Geobacter parece que la estrategia de transferencia electrónica es diferente:
Geobacter posee una red de citocromos C multihemo que se distribuyen por la membrana interna, periplasma y membrana externa que transfieren los electrones a su aceptor final de electrones natural (el hierro III) o bien a los electrodos, si éstos están presentes”.

“El estudio de las aplicaciones reales de las MFC está todavía en sus inicios. Las MFC son en realidad biorreactores, que permiten la oxidación de un compuesto orgánico (que van desde azúcares, a excedentes industriales como el glicerol o la sacarosa, o compuestos contaminantes como el fenol o el tolueno) catalizada por microorganismos. La cantidad de energía que se obtiene aún es baja, aunque desde que se inició el diseño de la MFC hasta hoy se ha conseguido aumentar su potencia en 1000 veces. El desarrollo de esta tecnología está en su infancia, por lo que el diseño de dispositivos con menor resistencia interna, el ensayo de nuevos materiales conductores, y el empleo de cepas bacterianas electrogénicas óptimas llevará a MFC de mayor potencia”.

“Es importe resaltar que el desarrollo de estas tecnologías está todavía en sus comienzos, y que los diseños deben de ser estudiados y optimizados para ofrecer resultados competitivos. No obstante, considero que utilizar microorganismos con fines energéticos debería convertirse en un desafío científico que muestre el compromiso de la ciencia en general, y de la microbiología en particular, por intentar resolver la crisis energética global presente y futura”.

Aquí os dejo un vídeo que informa de la producción de electricidad por parte de bacterias:

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Entradas relacionadas:

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Referencias:

Cheng y Logan (2007) PNAS USA 104: 18871-18873
Du et al (2007) Biotecnol Adv 25: 464-482
Esteve-Nuñez et al (2008). Environ Microbiol 10: 497-505
Esteve-Nuñez (2008). Actualidad SEM
Gorby et al (2006) PNAS 103 :11358-11363
Logan et al (2006) Environ Sci Technol 17: 5181-5191
Lovley (2006) Nat Rev Microbiol 4: 497-508
Marsili et al. (2008).

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