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Bacterias productoras de electricidad

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.

Ver también Mejora en el diseño de biopilas microbianas

“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.

“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

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:

  • Bacteria battery
  • 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). PNAS USA 105: 3968-3973

    Comentarios

    1. pauloarieu - mayo 30, 2008

    NO se ve el video.
    che, eso suplantara el tema de los combustibles?
    Que interesante. Bacterias que sirven par algo mas que enfermarnos.
    Bueno, el yoghurt y el queso rockefort, creo que usan bacterias,no?
    Paulo
    Saludos

    2. Manuel - mayo 30, 2008

    Gracias por el aviso, ya puedes verlo.

    Las bacterias son fundamentales para vida sobre la Tierra. El 90% de las células de tu cuerpo son bacterias, sin ellas enfermarías gravemente. Ya iré mostrando lo útiles que son, aunque haya algunas que provoquen graves enfermedades.
    Un saludo

    3. chema - junio 19, 2008

    Estimado Manuel;
    Si vas a copiar un artículo casi palabra por palabra ( el original es de Abraham Esteve-Núnez y fue publicado en Actualidad SEM como resultados de sus investigaciones) al menos deberías decirlo y no incluirlo como una referencia bibliográfica más.
    Muy fuerte que además, la conclusión final la expreses en primera persona copiando también palabra por palabra las conclusiones del investigador.

    4. Manuel - junio 19, 2008

    Hola Chema gracias por participar en este blog. Una de las funciones de esta página es difundir la ciencia, y para ello recurro tanto a textos míos como a los de otros autores. Si alguien quiere utilizar mis textos es libre de hacerlo.

    Los temas que trato son lo que considero de interés, y el de la producción de electricidad por parte de bacterias es uno de ellos. De hecho, al igual que Abraham, es también uno de mis temas de trabajo. Su texto me pareció estupendo y por eso lo utilicé. Quizá mal citado, es cierto, ya lo he corregido en el texto. Lo que tu llamas MI conclusión final, es la conclusión final del autor. Como verás en la nota que envié a meneame: http://meneame.net/story/bacterias-capaces-producir-electricidad, cité la fuente original, aunque desgraciadamente, y por motivos que desconozco, la SEM todavía no lo tiene online.

    Saludos

    5. chema - junio 19, 2008

    Vale, es simplemente que conozco personalmente al autor (fué compañero mío de carrera) y el artículo y aunque soy un defensor del software libre, la difusión via Creative Commons e incluso sin ningún tipo de licencia (los materiales que elabora para mis alumnos son de libre distribución), la dinámica actual de la web 2.0 de “fagocitosis” entre páginas web, blogs, etc, no debería olvidar al menos citar las fuentes cuando son los auténticos creadores.
    Por otro lado, tu blog me parece estupendo, tanto en la idea global que pretende transmitir, contenidos, como en su diseño. Lo incluyo en mi del.ici.ous.
    Un saludo

    6. Manuel - junio 19, 2008

    Gracias por los comentarios acerca del blog. Puedes tomar todo el material que quieras para preparar tus clases. Intento poner siempre las fuentes en cada artículo, si a veces no están es por descuido no por hambre fagocitaria.
    Yo también conozco a Abraham y con su artículo he cometido dos errores, no citarlo adecuadamente y no informarle personalmente (eso lo voy a corregir ahora mismo).
    Un saludo y éxitos en tu divulgación científica.

    7. Phosphoros - junio 19, 2008

    Hola
    ¡¡¡INCREÍBLE!!!…
    Con las Bacterias se hace Yogurt y el Roquefort con Hongos (Deuteromicetes, sí no me equivoco).
    Saludos.

    8. Manuel - junio 19, 2008

    Si, las bacterias pueden hacer de todo. ¿Has visto el artículo de biorremediación?. En cuanto se enteren los creacionistas seguro que las prohiben😉
    Saludos

    9. J.M.Hernández - junio 19, 2008

    ¿Que van a prohibir? si las bacterias no existen, y los yogures tampoco. Son invenciones de los darwinistas para dominar el mundo.

    Saludos.

    10. Phosphoros - junio 19, 2008

    ¡Já!…

    11. Marco Etcheverry - septiembre 13, 2008

    HOLA, POR FAVOR ENVIAME MAS INFORMACION SOBRE TU ARTICULO

    12. Arian - septiembre 30, 2008

    Oye Manuel solo una pregunta, que tiempo es el que pueden vivir este tipo de bacterias..
    solo esa duda!!

    13. Manuel - septiembre 30, 2008

    Hola Arian, encantado de que por fín alguien haga una pregunta científica😉

    Se considera que una bacteria individual vive hasta que se divide (eso de bacterias inmortales es un cuento de los periodistas). El tiempo de duplicación de las bacterias que habla este artículo es de unas 16 horas. Ahora bien, si hablamos de lo que puede vivir el cultivo bacteriano (la población) la cosa cambia. Estas bacterias asociadas a los electrodos están un estado cercano al resting (latencia), ceden los electrones al electrodo y apenas se dividen. Mientras se mantenga un aporte de materia orgánica pueden estar varias semanas funcionando como cultivo.

    Saludos

    14. laura - noviembre 20, 2008

    bueno el articulo, me sirvio mucho pero el video esta en ingles,,, gracias por la informacion.

    15. TaShErIt - febrero 3, 2009

    hola Manuel: Soy Ivonne, estudiante de la carrera de ing. sistemas computacionales; me llamo mucho la atencion la info del blog, el link me lo dio una amiga xk kiero voy a desarrollar un proyecto usando este tema de la electricidad producida por bacterias y kiero saber si le puedo dar un enfoque hacia mi carrera, xk la neta esta super imteresante. xfa contsta a mi correo electronico: timy_56@hotmail.com

    16. Manuel - febrero 3, 2009

    Hola Ivonne bienvenida al blog. El desarrollo de las biopilas tienen una limitación grave, su extraordinario tamaño. En ese sentido hacen falta ingenieros capaces de optimizar el proceso y miniaturizarlo. Sin embargo yo sólo puedo ayudar en la parte biológica, que es lo que domino y se explica en los artículos, ofreciéndote referencias bibliográficas, pero poco más.
    En mi grupo de investigación estamos intentando algo parecido, pero la parte del trabajo que están llevando a cabo los ingenieros escapa a mi comprensión.
    Saludos

    17. TaShErIt - febrero 7, 2009

    hola manuel. gracias x responderme. entonces me podrias dar mas info sobre el tema?? xk la verdad si es muy interesante y tambien kiero saber si puedo contar con tu asesoria.

    kisses. Ivonne

    18. Manuel - febrero 7, 2009

    Hola Ivonne, tanto como asesoría…. Plantea en qué puedo echarte un clave y veremos si dispongo de tiempo y de conocimientos suficientes para hacerlo.
    Saludos

    19. logos77 - febrero 7, 2009

    Manuel,

    ¿Te puedo preguntar con qué proposito se mantienen las bacterias vivas en el cultivo?

    Saludos

    20. Manuel - febrero 7, 2009

    Ana curiosa pregunta. Aunque suene a perogrullada se mantienen vivas porque queremos estudiarlas vivas. Y en aquellos estudios que se hacen con bacterias muertas (por ejemplo estudio de estructura o morfología) se necesita un cultivo como fuente de bacterias a estudiar..

    Si te refieres al caso particular de la producción de electricidad, se necesitan vivas como fuente de electrones, se precisa que estén metabólicamente activas, consuman la fuente de carbono y transfieran una parte de los electrones ganados hasta el electrodo.

    Saludos

    21. logos77 - febrero 7, 2009

    Gracias por la respuesta.

    Aqui viene otra pregunta. ¿Para que más se usan las bacterias vivas?
    Esto se está poniendo interesante.

    Saludos

    22. Manuel - febrero 7, 2009

    Uff, para microbiología en general. Toma cualquier libro de microbiología general y toda la información que ahí veas ha sido obtenida a partir de cultivos de bacterias vivas o estudio de bacterias en el medio ambiente.
    Y cuando digo información me refiero tanto a microbiología básica (conocimientos acerca de cómo funcionan las bacterias) como aplicada (aplicaciones biotecnológica de esos conocimientos).
    Ya me dirás qué te parece interesante.
    Saludos

    23. tasherit - febrero 10, 2009

    k onda Manuel:
    Pues quiero saber si me puedes proporcionar info sobre los tipos de bacterias productoras de eléctricidad, con esto me refiero a que de cómo las puedo obtener, cuál es el medio de cultivo apropiado, cuánta energía producen, y demás datos relacionados.

    Si me dieras esos datos te estaré super agradecida, porque ésta info es d vital importancia para mi proyecto.

    Por tu tiempo muchisímas gracias. kisses

    24. Manuel - febrero 10, 2009

    OK, dame un par de días a ver que te consigo. Ya te advierto que las bacterias en cuestión son anaeróbicas estrictas, o lo que es lo mismo, no son metabólicamente activas en presencia de oxígeno. ¿Teneis la capacidad de generar atmósferas libres de O2 en vuestro laboratorio?. Si no es así, es mejor no embarcarse en un proyecto como este.
    Saludos

    25. tasherit - febrero 13, 2009

    ps la verdad no he investigado eso aún, pero este proyecto es super importante para mi.

    y muchas grax por tu apoyo.

    26. tasherit - febrero 24, 2009

    hola de nuevo. si tengo los recursos para el cultivo de las bacterias, porfavor dame la info que necesito.

    ivonne

    27. pochorok - febrero 25, 2009

    hola:
    soy nuevo en este bloq y me parece muy interesante este tema ademas quiero empezar a investigar sobre este tema espero aclaren mis dudas

    que tipos de bacterias se utilizan ? cuales son? donde las consigo? como las reprodusco? que tipo de cultivo necesitaria?

    28. juank - abril 20, 2009

    q interesante estoy cogiendo este tema para mi proyecto de tesis si pudieran pongas mas informacion o links porfa para poder leer mas muchas graqcias

    29. kerchak - febrero 27, 2012

    Una batería o pila microbiana funciona mejor con Bacillus stratosphericus, una bacteria que viven en la estratosfera y que aterrizó en un río inglés. Con ella es posible la generación de casi el doble de electricidad. ¿Quizás sea la energía del futuro?


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