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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


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


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).


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


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


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.


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

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