Biobacterias. La tecnología avanza.

Autores: Carlos Aranda, Christian Rocha, Luis Ramírez, Darío Hernández.

Actualmente el desarrollo tecnológico de las renovables es cada vez mayor y ofrece muchas variedades de energía limpia e inagotable. En este caso hablaremos de un nuevo tema…
Las biobacterias, que es un nuevo método que revoluciona la forma de producir energía, no sólo de quemas de combustibles de carbono, o sustancias químicas peligrosas que dañan el medio ambiente.

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¿Qué es una biobatería?

Una biobacteria, producida con bacterias, se basa en  la creación de energía por medio de organismos marinos. Se trata de la bacteria Shewanella oneidensis, que puede encontrarse en ríos y mares de todo e mundo.

Bacteria
Bacteria Shewanella Oneidensis

No se sabía si el microorganismo generaba y conducía energía, o si utilizaba algo externo para ello.

Según aseguran, comprender cómo funciona abre las puertas hacia el uso de esta bacteria como una potente fuente de energía.

Las bacterias podrían pronto funcionar como “biobaterías” microscópicas, aseguran científicos en Estados Unidos y Reino Unido.

Antecedentes:

El Geobacter fue descubierto en 1987 en el sedimento de agua dulce del río Potomac en Washington D.C, por el Dr. Derek Lovley y un equipo de investigadores de la Universidad de Massachusetts Amherst. Las primeras bacterias, se les asignó el nombre de Geobacter metallireducens.

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Geobacter se consideró un término asociado a la capacidad de producir magnetita en ambientes sedimentarios. Desde el hallazgo hasta nuestros días, Derek Lovley y sus colegas han encontrado más de 20 especies de la familia Geobacter, precisando nuevas habilidades, como la capacidad de moverse hacia sustancias metálicas y los indicios de actividad metabólica aeróbica, lo que indica que el Geobacter puede sobrevivir a la exposición de oxígeno.

¿Cómo funciona esta biobatería?

Las bacterias podrían pronto funcionar como “biobaterías” microscópicas, aseguran científicos en Estados Unidos y Reino Unido. Los científicos notaron que los niveles de hierro y manganeso en el lago cambiaron con la estación y estaban en coordinación con los patrones de crecimiento de la bacteria.

Para entender el mecanismo Tom Clarke, profesor en la escuela de ciencias biológicas en la Universidad de East Anglia, y sus colaboradores elaboraron una versión sintética de ella y descubrieron que el organismo generaba una carga eléctrica, así se daba un cambio químico cuando contactaba directamente con los minerales

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Universidad de East Anglia, en Reino Unido

“Esta era la última pieza del rompecabezas”

La bacteria del género Geobacter tiene la capacidad de transferir electrones a moléculas como el Fe (III) y Mn (IV) , óxidos de nitrógeno, sustancias de alto peso molecular formadas por la degradación química y biológica de restos de plantas y de animales. Además permite la transferencia de electrones de forma directa a los electrodos, generando pequeñas corrientes eléctricas.

Estructuras:

La Geobacter se caracteriza en general por poseer una forma recta o ligeramente curvada, su tamaño puede variar de 1,2-2,0 μm de longitud por 0,5-0,6 μm de diámetro, además se caracteriza en general por poseer dos tipos de apéndices celulares, flagelos y Pili.

v16n32a11fig1 La presencia del flagelo es imprescindible en la búsqueda de Fe (III) y metales, así como para desplazarse de una partícula solida a otra, una vez se agota el oxido respirable.

Los Pili son estructuras eléctricamente conductoras
de proteínas, cuya función es transferir electrones desde la superficie externa del Geobacter hasta  llevar acabo la habilidad de transferir electrones al hierro insoluble, metales o electrodos. 

El Geobacter posee una red de Citocromos tipo C multihemo una proteína que funciona como mecanismo de transporte electrónico. la bacteria adquiere electrones de la materia orgánica y los cede a un ión férrico Fe3+ (forma insoluble) que se reduce en un ión ferroso Fe2+ (forma soluble).

Pero ¿Cómo se utilizaría? Electricidad.

El geobacter es capaz de transformar energía química a  eléctrica transfiriendo los electrones derivados de la oxidación de compuestos orgánicos a electrodos y así construir una celda de combustible microbiana.

Hay dos principales tipos de celdas, las celdas microbianas de combustible que emplean cultivos aislados en dispositivos controlados en el laboratorio y las celdas microbianas de sedimento, las cuales emplean la materia orgánica de fondos acuáticos para producir electricidad. Estas celdas ya se emplean en algunos lugares aportando la energía necesaria el funcionamiento de dispositivos marinos de monitoreo, con la ventaja que este tipo de baterías no requieren de mantenimiento y pueden durar hasta varios años funcionando.

Celda de combustible microbiana (MFC)

Una MFC es un reactor bio-electroquímico capaz de convertir la energía química en energía eléctrica a través de reacciones químicas catalizadas, con presencia de nitratos y sulfatos y de esencia de oxígeno.

La MFC consiste básicamente en dos compartimientos, anódico y catódico, que están separados por una membrana y a la vez tienen intercambio de protones.

Los electrones viajan a través de una resistencia que conecta el ánodo y el cátodo, originando una pequeña corriente que puede ser medida y utilizada para realizar trabajo. Los protones son transferidos al compartimiento catódico.

Ánodo: Los ánodos deben ser conductivos, bio-compatibles y químicamente estables en la solución del reactor. El material del electrodo más versátil es el carbón.

Cátodo: Los cátodos deben ser conductivos, bio-compatibles y químicamente estables para soportar la interfaz donde se reduce el oxígeno puro con los protones y electrones, para formar agua.

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De forma esquemática, el sistema de las biopilas es tan simple como dos electrodos (ánodo y cátodo) y un biofilm de bacterias creciendo sobre ellos. “El sistema funciona como una pila de combustible en la que la bacteria hace el trabajo del catalizador”.

 

Para concluir, el interés de la tecnología se centra más bien en aprovechar la energía química contenida en los residuos o incluso en la posibilidad de desarrollar biosensores a escala nanométrica que puedan funcionar con electricidad de estos microbios. Según estimaciones 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. Y esto puede significar un gran paso para poder estas biobacterias como catalizadores y ¿por qué no? Lograr usarlas como una energía alternativa y autosustentable.

Bibliografía:

Romero Mejía, Ayde; Vazquez Adrián (2011) Bacterias, fuente de energía para el futuro. Rescatado Febrero 17, 2016 http://www.scielo.org.co/pdf/tecn/v16n32/v16n32a11.pdf

BBC. (2013) Llegan las “bacterías”, pilas hechas con bacterias. Rescatado Febrero 9, 2016 de: http://www.bbc.com/mundo/noticias/2013/03/130326_tecnologia_baterias_bacterias_aa

El País. (2008) Bacterias que generan electricidad. Rescatado Febrero 9, 2016 de: http://elpais.com/diario/2008/06/25/futuro/1214344802_850215.html

JuanjoGabiña (2008) Cómo convertir el agua en ‘combustible’. Rescatado Febrero 9, 2016 de: http://juanjogabina.com/2008/08/19/como-convertir-el-agua-en-combustible

EcuRed. (2014) Hidrólisis. Dr Eggar Vázques Contreras. Rescatado Febrero 9, 2016 de: http://www.ecured.cu/Hidr%C3%B3lisis

[1] Alumnos del Área de Ingenierías Matutino “FIMAS”, Escuela Nivel Medio Superior Centro Histórico León, Guanajuato, México.

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