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UNIVERSITARIOS POTOSINOS 211 MAYO 20174
La plurifuncionalidad de las
bacterias electrogénicasGUILLERMO ANDRÉS HERNÁNDEZ GÓMEZ [email protected] ALEJANDRO SÁNCHEZ OLVERAFACULTAD DE INGENIERÍA
HERNÁNDEZ, G. Y SÁNCHEZ, M. PÁGINAS 4 A 10
Recibido: 05.09.2016 I Aceptado: 27.03.2017
Palabras clave: Biolectrogénesis, metabolismo, microorganismos, reacciones y óxido-reducción.
Imagen: http://news.wisc.edu
MAYO 2017 211 UNIVERSITARIOS POTOSINOS 5
Se ha comprobado la efectividad de
microorganismos en la generación de
energía alternativa por diferentes téc-
nicas, como la biorremediación y la
bioelectrogénesis; por esto los organis-
mos que viven en condiciones extre-
mas de temperatura o grado de acidez
(pH) están teniendo mayor relevancia,
a la vez destacan por reducir elementos
existentes en sustancias utilizadas por la
industria para diversos procesos y, a la
postre, generan residuos, cuya composi-
ción química derivada de estos elemen-
tos en algunas de las ocasiones resulta
complicado remediar; éste es uno de
los fundamentos de la biorremediación.
La bioelectrogénesis, también deno-
minada bioelectricidad, es la produc-
ción de electricidad llevada a cabo por
seres vivos y se presenta en la mayoría
de ellos (Mohn, 2017), la cual parece
ser una alternativa con un gran poten-
cial para generar energía de un modo
más eficiente. ¿Cuál es la diferencia
con la generación de energía ya cono-
cida, es decir, la convencional, —como
la nuclear o por la quema de combus-
tibles fósiles, que es la más utilizada en
la actualidad—? En términos científicos,
principalmente el hecho de concebir
energía eléctrica a partir de seres vivos
es ya fascinante, pero al ver las ven-
tajas, aquellos que dudan de lo fan-
tástico de esta tecnología, podemos
decirles que es más barato, contamina
menos y se aprovecha un proceso me-
tabólico sin la necesidad de alterarlo.
La plurifuncionalidad de las
bacterias electrogénicas
En la actualidad, el desarrollo de tecnologías eficientes, baratas y amigables con el ambiente nos ha llevado poco a poco a caer en cuenta de que la opción más viable para cumplir estas características y satisfacer los intereses de todas las partes involucradas, significa optar por desarrollar tecnologías que se basen en organismos capaces de aprovechar metabólicamente ciertos compuestos de interés ambiental, ya que la acumulación y proliferación de algunos de estos o su presencia en gran cantidad, puede generar problemas de impacto ambiental en asentamientos urbanos y rurales.
ENERGÍA ALTERNATIVA:: BIOLECTROGÉNESIS
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CO2
Lactato
OM c-Cyt
e-
e-
e- e-
Fe(III)Óxido o electrodo
Célula
Pero ¿cómo puede ser posible la gene-
ración de energía eléctrica con estos
organismos? Si no son un carbón que
podamos quemar ni celdas fotovoltai-
cas que reciban radiación electromag-
nética. La justificación de la bioelec-
trogénesis se deriva de estudiar los
procesos que realizan los microorga-
nismos, uno de ellos es la respiración.
Ejemplos de estos microorganismos
son los del género Shewanella, en el
que destacan las especies Shewanella
oneidensis y Shewanella loihica, capa-
ces de reducir los iones Fe+3 (férrico) a
Fe+2 (ferroso), los dos estados de oxi-
dación del hierro en la naturaleza que
se encuentran en el ambiente donde
se desarrollan.
S. oneidensis es una bacteria anaero-
bia que habita en las profundidades
del océano, sedimentos y suelos, es
decir, ambientes con ausencia de oxí-
geno. Por su capacidad de reducir io-
nes metálicos como el uranio, hierro,
plata y manganeso recibe el nombre
de Shewanella oneidensis MR-1, don-
de MR-1 hace referencia a que redu-
cen manganeso; fue descubierta en el
lago Oneida, Nueva York, en 1988.
El proceso requiere un medio favora-
ble para que la bacteria oxide materia
orgánica y al mismo tiempo reduz-
ca iones metálicos; mientras tenga la
posibilidad de eliminar el exceso de
electrones generados a partir de la
liberación de energía en un proceso
catabólico. Particularmente, la respi-
ración de hierro en estado oxidado
(Fe+3), sucede cuando la materia orgá-
nica fuente de carbono (C) es oxidada
por este ion y se libera energía en for-
ma de electrones (figura 1), que que-
dan retenidos temporalmente dentro
del microorganismo.
Ahora bien, ¿acaso nuestro amigo S.
oneidensis puede aceptar electrones
ilimitadamente, como si de dulces se
tratara? Pues no, en realidad el organis-
mo no puede conservar o retener cier-
ta cantidad de electrones dentro de
su membrana, ya que derivaría en un
“enredo eléctrico” que posteriormente
inhibiría el proceso metabólico, lo cual
hace indispensable la presencia de un
aceptor de electrones, como Fe+2 o un
electrodo que se encarga de tomar los
electrones del microorganismo.
Con lo que llegamos a una pregun-
ta muy importante, ¿cómo es que las
bacterias como S. oneidensis pueden
generar electricidad? Bueno, ya men-
cionamos que hay electrones que salen
de la membrana debido al proceso por
el que se oxida la materia orgánica y se
libera energía en forma de electrones,
esto básicamente ya es electricidad.
La bioelectrogénesis puede llevarse a
HERNÁNDEZ, G. Y SÁNCHEZ, M. PÁGINAS 4 A 10
Figura 1. Shewanella loihica comienza su proceso metabólico degradando materia orgánica, como el lactato, para después eliminar el exceso de electrones cediéndolos a iones de hierro oxidados o a un electrodo. (Nakamura, R. y Hashimoto, K., 2009). OM c-Cyt: citocromo C de membrana celular externa, responsable de la transferencia extraceluar de electrones.
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cabo en la mayoría de los organismos,
sin embargo, muy pocos generan una
cantidad considerable de electricidad
para que pueda aprovecharse o notarse
(Mohn, 2017).
Otro ejemplo es Shewanella loihica,
descubierta en las aguas hidrotermales
de Naha Vent, al sur del monte subma-
rino de Loihi, Hawaii; se desarrolla en
ambientes con temperaturas que van
de los 0 a los 42 °C. Las investigacio-
nes realizadas por Ryuhei Nakamura y
Kazuhito Hashimoto, del Departamento
de Química Aplicada de la Universidad
de Tokio, Japón (2009), son relevantes
debido a que destacan la corriente ge-
nerada durante la respiración anaerobia
de -Fe2O3 (el α-Fe2O3, es la forma del
óxido de hierro III en fase alfa, que tiene
que ver con la estructura (acomodo) de
los átomos del compuesto, tiene forma
romboédrica; más común de la hema-
tita, que es la forma mineral del Fe2O3)
por este microorganismo, cuando el óxi-
do de Fe3+ se encuentra en solución co-
loidal (sistema formado por dos o más
fases, principalmente por una líquida y
por una sólida), se “conecta” mediante
los pili (Plural de pilum, que quiere decir
“pelo”, estructura en la membrana ex-
terna de ciertos microorganismos), que
se piensa son conductores naturales de
electrones que posee este organismo
(figura 2). De igual modo demostraron
que el sistema coloidal funciona como
un conductor alternativo cuando los
pili no están en posibilidad de conec-
tarse directamente al aceptor, por el
cual pueden transmitir los electrones
y llevarlos hasta donde se encuentre el
mismo; es decir, si un organismo se en-
cuentra alejado del aceptor, el sistema
coloidal “los acerca” y ocurre la misma
transferencia de electrones sin que el
microorganismo y los iones estén su-
mamente próximos. Así como ocurre
con S. oneidensis, S. loihica realiza su
proceso metabólico oxidando mate-
ria orgánica (lactato) empleando Fe3+
como agente oxidante (figura 2).
Un último caso es el de Geobacter me-
tallireducens, “prima” del género Shewa-
La biolectrogenésis puede llevarse a cabo por la mayoría de los organismos, pero pocos generan una considerable cantidad de electricidad
ENERGÍA ALTERNATIVA:: BIOLECTROGÉNESIS
Figura 2. Conexiones intercelulares características de microorganismos bioelectrogénicos, de A. thiooxidans (flechas blancas) sobre electrodo de grafito (García Meza, 2016).
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nella, dado que ambas son de la familia
Geobacteraceae. G. metallireducens fue
la primera bacteria en conocerse que
oxida compuestos orgánicos (hasta dió-
xido de carbono), usando óxidos de hie-
rro como aceptores de electrones. Ade-
más, se ha observado que puede oxidar
cadenas de ácidos grasos, alcoholes y
compuestos monoaromáticos, como el
tolueno y el fenol, los cuales son can-
cerígenos a elevadas concentraciones,
tal como lo hace la especie Ferroglobus
placidus. Las bacterias G. metalliredu-
cens juegan un papel importante en el
ciclo de carbono y la biorremediación,
pues metabolizan contaminantes consi-
derados peligrosos para el ser humano
(incluso radiactivos), a formas mucho
menos complejas de tratar.
Estas bacterias se han estudiado de-
bido a su capacidad de oxidar com-
puestos orgánicos y el uso que puede
dárseles en celdas de combustible se-
dimentarias (figura 3), donde especies
como G. metallireducens no necesitan
mediadores (compuestos químicos
generalmente tóxicos que utilizan al-
gunos microorganismos para generar
energía). La aplicación de estas celdas
HERNÁNDEZ, G. Y SÁNCHEZ, M. PÁGINAS 4 A 10
Cámara anaerobiaANÓDICA
Cámara aerobiaCATÓDICA
MembranaSelectiva a H+
H+
O2 + H+CO2
Materiaorgánica
H2O
H+
e- e-
La bioelectrogénesis, también denominada bioelectricidad, es la producción de electricidad llevada a cabo por seres vivos, y se presenta en la mayoría de ellos (Mohn, 2017), la cual parece ser una alternativa con un gran potencial para generar energía de un modo más e�ciente.
¿Cuál es la diferencia entre la generación de energía ya conocida, es decir, energía convencional, como la energía nuclear o la generación de electricidad por la quema de combustibles fósiles, que es la que mayormente se usa en la actualidad?
1. Se lleva a cabo
oxidación demetria orgánica en la cámara anaerobia.
2. La oxidación de
materia orgánica libera electrones.
4. Finalmente, el �ujo de electrones generado a partir de la oxidación de materia orgánica es
utilizado para la generación de energía eléctrica.
3.Los electrones son conducidos por
el electrodo conectado al circuito que se muestra en la imagen.
Esto ocurre en lugar de que algún otro compuesto o iones utilicen estos electrones para reducirse.
Prototipo de investigación para la obtención de energía.
Figura 3. Sistema bioelectrogénico sedimentario.
MAYO 2017 211 UNIVERSITARIOS POTOSINOS 9ENERGÍA ALTERNATIVA:: BIOLECTROGÉNESIS
se basa en el mecanismo que usan
las baterías convencionales, las cuales
utilizan láminas de materiales conduc-
tores y sustancias químicas que alma-
cenan energía que es transformada en
energía eléctrica por las láminas (cabe
recalcar que estas sustancias son al-
tamente peligrosas); sin embargo, las
celdas de combustible donde pueden
utilizarse organismos como Geobacter
únicamente necesitan compuestos or-
gánicos como los antes mencionados.
Ahora bien, ¿qué es la electricidad si no
un flujo de electrones? En el momento
que este genera, ocurre un diferencial
de potencial que da origen a la inten-
sidad de corriente eléctrica, debido al
movimiento de electrones que van de
un punto a otro, es lo que conocemos
comúnmente como energía eléctrica.
Por información recabada en estudios
de potenciales óxido-reducción, se han
elaborado las torres de electrones, las
cuales muestran los voltajes producidos
a partir de ciertos pares redox (parejas
de oxidación-reducción), que nos ofre-
cen un panorama más amplio en cuan-
to a la capacidad que tienen de produ-
cir esta corriente en diferentes medios
con determinados pH. Al ser así, es
posible tener el dato del voltaje de la
reducción de Fe, el cual representa 0.2
voltajes (V) a pH de 7 y de 0.76V a pH
2. Todo esto nos lleva a cuestionarnos
¿qué pasaría si en lugar de dejar que los
electrones liberados lleguen al aceptor
final para ser reducido, se colocara un
electrodo que conectara a un capacitor
de una batería y pudiésemos aprove-
char la electricidad generada para otros
fines? ¿Por qué no pensar en conectar
un electrodo a estas bacterias genera-
doras de corriente que atrape los elec-
trones? Esta podría ser una alternativa
para canalizar el flujo de corriente y
tener la posibilidad de utilizarlo como
energía eléctrica, tal como se obtiene
de manera convencional.
Al observar cómo se presenta este pro-
ceso con estos organismos en diferentes
medios y circunstancias, es posible de-
ducir que podemos obtener la energía
Cámara anaerobiaANÓDICA
Cámara aerobiaCATÓDICA
MembranaSelectiva a H+
H+
O2 + H+CO2
Materiaorgánica
H2O
H+
e- e-
La bioelectrogénesis, también denominada bioelectricidad, es la producción de electricidad llevada a cabo por seres vivos, y se presenta en la mayoría de ellos (Mohn, 2017), la cual parece ser una alternativa con un gran potencial para generar energía de un modo más e�ciente.
¿Cuál es la diferencia entre la generación de energía ya conocida, es decir, energía convencional, como la energía nuclear o la generación de electricidad por la quema de combustibles fósiles, que es la que mayormente se usa en la actualidad?
1. Se lleva a cabo
oxidación demetria orgánica en la cámara anaerobia.
2. La oxidación de
materia orgánica libera electrones.
4. Finalmente, el �ujo de electrones generado a partir de la oxidación de materia orgánica es
utilizado para la generación de energía eléctrica.
3.Los electrones son conducidos por
el electrodo conectado al circuito que se muestra en la imagen.
Esto ocurre en lugar de que algún otro compuesto o iones utilicen estos electrones para reducirse.
Prototipo de investigación para la obtención de energía.
Imagen: Diseño y fotografía, Comunicación Social, UASLP.
La bacteria Geobacter metallireducens oxida compuestos que son cancerígenos a elevadas concentraciones
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eléctrica resultante de estos procesos
vitales para las bacterias sin la necesidad
de alterarlos, interviniendo únicamente
para darle otra finalidad a los electrones
almacenados, y de esta forma conseguir
un beneficio mutuo al transformar esto
en electricidad, por un lado promovien-
do la continuidad del proceso metabóli-
co de las bacterias y, por el otro, fomen-
tando la interacción de las redes tróficas.
Después de todo, ¿qué más podríamos
pedir? Si utilizamos el proceso metabó-
lico de ciertos microorganismos para
nuestro beneficio, al mismo tiempo,
mantenemos redes tróficas y, por si
fuera poco, es una posible herramienta
para remediar los desastres de diversas
índoles generados por nuestras accio-
nes en diversos lugares alrededor del
mundo, los cuales en la actualidad han
tomado especial relevancia en diversos
ámbitos, ya que la magnitud de estas
problemáticas es muy grande desde el
punto de vista ambiental; somos testi-
gos de cómo a diario ocurren accidentes
y eventos desafortunados que ponen en
riesgo la integridad del ambiente y sus
ecosistemas con sus muchas formas
de vida. El accidente de la plataforma
petrolífera Deepwater Horizon es un
ejemplo de tantos, si bien representa un
desastre, también es una oportunidad
para demostrar que la aplicación de la
biorremediación con microorganismos
sobre los que hemos tratado, puede te-
ner buenos dividendos, incluso generar
frutos para el sector bioenergético.
Para complementar el conocimiento
adquirido acerca de bacterias y microor-
ganismos de este tipo, es importante
conocer cómo interactúan en su am-
biente, así como la participación directa
que tienen en los procesos metabólicos
de otros seres, este es uno de los temas
más importantes para la ecología, en la
que estas relaciones son fundamenta-
les. De esta manera, pueden obtenerse
grandes beneficios biotecnológicos con
la implementación de técnicas para el
aprovechamiento de estos procesos
metabólicos, así como de sus reactivos,
que por lo general tienen cabida dentro
de las redes tróficas una vez más, como
productos, de este modo se comprue-
ba que el flujo de materia y energía en
las mismas es constante, así que debe-
mos reconocer las diversas aplicaciones
que tienen estas bacterias en la biorre-
mediación y, con mayor énfasis, en la
bioelectrogénesis.
Agradecimientos:Queremos agradecer a Jessica Viridiana García Meza y a María Murillo Martí por la realización de “El conspicuo mundo de los microorganismos V: metiendo las narices en las bacterias electrogénicas”, texto extraído de la revista Universitarios Potosinos, año siete, número seis, pp. 10-17; el cual nos brindó la inspiración necesaria, haciéndonos partícipes de la fascinación por este tema y sus alcances, dándonos la oportunidad de compartir con ustedes cuán asombroso es este micromundo para nosotros.
Bibliografía:Shi, L., Rosso, K., Clarke, T., Richardson, D. y Zachara, J. (2012).
Molecular Underpinnings of Fe(III) Oxide Reduction by Shewanella oneidensis MR-1. Frontiers in Microbiology, 3. Recuperado de: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3279761/.
Sivakumar, N. (2007). Shewanella liohica. Septiembre 25, 2016, de Kanyon College. Recuperado de: https://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Shewanella_loihica.
Nakamura, R. y Hashimoto, K. (2009). Harnessing self-organizing bacterial networks for microbial fuel cells. Septiembre 25, 2016, de SPEI. Recuperado de: http://spie.org/newsroom/1477-harnessing-self-organizing-bacterial-networks-for-microbial-fuel-cells.
Mohn, E. (2017). Bioelectrogenesis (bioelectricity). Salem Press: Encyclopedia of Science.
Tang, C. (2009). Geobacter metallireducens. Kenyon College. Recuperado de: https://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Geobacter_metallireducens.
HERNÁNDEZ, G. Y SÁNCHEZ, M. PÁGINAS 4 A 10
Estudia el quinto semestre de la carrera de Ingeniería Ambiental en la Facultad de Ingeniería de la UASLP. Es auxiliar en el proyecto de restauración de área de suelo anexa al Instituto de Metalurgia de la UASLP.
MANUEL ALEJANDRO SÁNCHEZ OLVERA