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
