CEU
Colegio Jesús María
Alicante
energía bacteriana
¿QUÉ ES LA ENERGÍA BACTERIANA?
La energía bacteriana es un tipo de energía alternativa que se encuentra en desarrollo. Su objetivo es aprovechar la energía química de enlaces de compuestos orgánicos, como la glucosa, para convertirla en energía mecánica mediante la acción bacteriana.
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Aunque en la actualidad se aprovecha la acción bacteriana en depuradoras, donde los microorganismos descomponen el agua de desecho para producir dióxido de carbono y mover turbinas, los científicos están investigando maneras de crear una pila bacteriana. Efectivamente, se trataría de una pila de aspecto normal, pero el ánodo y el cátodo serían las reacciones que llevan a cabo bacterias descomponedoras. Otra alternativa es crear celdas pequeñas que puedan cargar pilas o baterías externas.
ELECTRICIDAD CON BACTERIAS
CELDAS DE COMBUSTIBLE BIOLÓGICO
EL METABOLISMO DE BACTERIAS ELECTROQUÍMICAS
Estudios recientes han demostrado la existencia de proteínas electroquímicamente activas con capacidades de oxidación-reducción en las bacterias Shewanella oneidensis y Geobacter Sulfurreduncens. Estas proteínas son capaces de transmitir directamente una corriente eléctrica a moléculas inorgánicas (Fe, Mg…), o bien sobre electrodos. El fenómeno es conocido como “transferencia directa extracelular de electrones” (DEET) y se produce por la transferencia de electrones que producen estas bacterias en su ciclo respiratorio anaerobio.
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En cualquier tipo de respiración, como es la fermentación en este caso, se generan electrones en exceso que pasan a los iones de sales minerales de la tierra o barro donde viven estas bacterias. Lo hacen por medio de pequeñas redes electrónicas de unos 2.5nm de ancho, situadas en la membrana citoplasmática. En el proceso intervienen también moléculas llamadas citocromos, encargadas de transportar sustancias y obtener energía química.
CÓMO SERÍA UNA BATERÍA BACTERIANA
Las baterías bacterianas, o celdas de combustible biológico (CCB) constarían de dos cámaras, una en la que se lleva a cabo la oxidación (ánodo) y otra donde se produce la reducción (cátodo). Los electrones producidos en la oxidación se mueven al cátodo a través de una membrana iónica, cosa que produce energía.
Los electrones producidos en la reducción del metileno pasan por un cable hasta la otra celda, donde participan en el proceso de oxidación.
Algunos tipos de celdas se centran en la producción de hidrógeno para generar electricidad. En la actualidad, se investigan maneras de utilizar las propias reacciones como fuente de electrones.
Detalle de las proteinas transportadoras de electrones propias de las quimioelectrobacterias.
Los electrones producidos en la reducción del metileno pasan por un cable hasta la otra celda, donde participan en el proceso de oxidación.
Al cultivar bacterias electroquímicas sobre un electrodo, se obtendría un ánodo de la mitad de la batería. Posteriormente, se formaría un cátodo por la introducción de materia orgánica en la celda, como agua residual. Los procesos de descomposición que tendrían lugar producirían una corriente de electrones, aunque a muy pequeña escala.
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La energía producida por las bacterias no es rentable a gran escala, simplemente porque los microorganismos son incapaces de producir tanta energía. Por esta razón, se pretenden crear generadores pequeños que puedan abastecer aparatos electrónicos individuales.
ELECTROSÍNTESIS MICROBIAL
Es posible revertir el proceso de la combustión bacteriana: pasando electrones hasta células de Shewanella revierte el proceso y es posible obtener combustible y polímeros precursores, directamente a partir de dióxido de carbono.
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Químicamente, la electrosíntesis es una fotosíntesis “artificial”. En vez de aceptar luz solar como fuente de energía, las bacterias pueden aceptar electrones libres, que utilizarán en la producción de compuestos orgánicos partiendo de CO2.
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En la actualidad, se utilizan algas fotosintéticas para llevar a cabo la electrosíntesis. No obstante, se trata de un proceso que ocupa amplias zonas de tierra y está asociada con la degradación biológica.
La electrosíntesis bacteriana, en cambio, podría ser explotada en cualquier lugar, zona, país… donde esté presente luz solar. A partir de la energía luminosa se podrían construir celdas biológicas fotoeléctricas: por la acción de la luz se descomponen
materiales de desecho en agua y dióxido de carbono, que servirían de alimento a los microorganismos.
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Otro tipo de electrosíntesis incluye la producción de compuestos químicos por acción de Escherichia coli y levaduras. A nivel industrial, estos microorganismos son modificados genéticamente para sintetizar proteínas, fármacos…
síntesis de compuestos
CONDUCTIVIDAD BACTERIANA
La Shewanella oneidensis es una bacteria gram-positiva que habita en ambientes contaminados por metales pesados. posee la capacidad de reducir metabólicamente iones de hierro y manganeso. provoca el olor putrefacto de la carne en mal estado
Shewanella
La geobacter sulfurreducens es una especie de bacteria gram-negativa capaz de reducir iones de azufre y metales, creando una corriente electrica a traves de la membrana. habita en todo tipo de suelos.
Geobacter
La clostridium son varias especies de bacterias gram-positivas que habitan en tierra gris y el tracto digestivo de animales. Poseen enzimas catalasas que les permiten reducir y oxidar compuestos en etanol, co2, botox...
Clostridium
Gracias a las capacidades electrobiosintéticas de Geobacter y Shewanella, se pretende utilizar como fuente de energía el barro en el fondo oceánico para generar electricidad a pequeña escala, que se utilizaría para mantener dispositivos de control, observación geológica y marina…
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Otra aplicación de la bacteria Geobacter sería la creación de sensores orgánicos bioeléctricos. En otras palabras, aprovechando la habilidad de esta bacteria de formar cátodos, se podría detectar la existencia de ciertas moléculas orgánicas en un medio, como fármacos. Se generaría un poco cantidad de electricidad, la necesaria para saber que se ha formado un cátodo o ánodo y que la sustancia está presente.
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Las bacterias electroquímicas también podrían tener efectos de bioremediación. Esto significa que podrían ser utilizadas en procesos industriales para eliminar desechos contaminantes. Una de esas industrias podría ser la del petróleo: las capacidades oxidativas de Geobacter servirían para remover restos de hidrocarburos del suelo y del agua.
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Para la síntesis de productos orgánicos a partir de dióxido de carbono, se ha visto que las bacterias del género Clostridium tienen mejores capacidades electrosintéticas. Sin embargo, aún no se conoce el mecanismo de electroxidación de Clostridium: el microorganismo no produce cadenas electrónicas, a diferencia de Shewanella y Geobacter. Conocer las propiedades de esta bacteria aumentaría sus aplicaciones en un futuro no muy lejano.
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Para saber cómo se comportaría la bacteria en los distintos medios, se está intentando secuenciar el código genético de la especie Geobacter y obtener bacterias modificadas genéticamente que puedan sobrevivir en todo tipo de medios y obtener los mejores resultados.
OPTIMIZACIÓN EN LA PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD
Es importante distinguir entre la producción de energía bacteriana a partir de agua residual, y la producción de energía bacteriana a partir de reacciones bioelectroquímicas.
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Como se ha dicho anteriormente, las bacterias anaerobias son utilizadas extensivamente en las depuradoras y plantas de tratamiento de aguas residuales, pues se trata de microorganismos capaces de descomponer compuestos orgánicos en inorgánicos y producir metano.
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No obstante, todavía no se ha conseguido producir productos químicos complejos y de interés tecnológico. Estudios recientes demuestran que el uso de bacterias como Shewanella y Geobacter a gran escala podría servir para sintetizar polímeros a partir de agua residual. Estas bacterias, por su capacidad de transportar electrones a través de la membrana, servirían para producir electricidad por respiración y síntesis de moléculas orgánicas por electrosíntesis. Se trataría de emplear estos microorganismos en la industria electroquímica como se utiliza E. Coli en la industria alimentaria-biomédica. La bacteria E. Coli y las levaduras ya se utilizan en la síntesis de fármacos por técnicas de modificación genética, pero carecen de la habilidad para producir electricidad.
Por medio de la bioingeniería, los científicos serán capaces de modificar genéticamente bacterias del género Clostridium a fin de que usen dióxido de carbono y electricidad y produzcan hidrocarburos complejos.
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Asimismo, los nanofilamentos producidos por Geobacter y Shewanella se utilizarán para crear microcircuitos: en el futuro, la biología y la electrónica estarían unidas, y el primer paso es la creación de pilas, baterías y celdas bioelectroquímicas. Por ejemplo, las bacterias Geobacter funcionan de manera parecida a un transistor y almacén de electrones.
CELDA BACTERIANA CASERA
MATERIALES:
-Papel de aluminio
-Recipiente vacío de plástico o cristal, con tapa
-2x Cable de cobre aislado de 10cm
- 5cm de grafito
- Tierra de distintos tipos: marrón, gris, amarilla…
-Agua
- Multímetro digital / Voltímetro
-Pala
1. preparar la celda
Llenar el recipiente de plástico o cristal con tierra de distinto tipo, se pueden llenar varias celdas para comprobar el funcionamiento de la pila según los distintos tipos de tierra (marrón, gris, arcillosa…). Según la composición del suelo, habrá más o menos minerales disueltos, por lo que el funcionamiento electroquímico de la bacteria variará.
2. PREPARAR EL ÁNODO
Se debe coger el cable de 10cm y pelarlo en los extremos para que quede expuesto el cobre, unos 2cm en un extremo y unos 4cm en el otro. A continuación, debemos coger el papel de aluminio y enrollarlo alrededor del extremo largo. Finalmente, insertamos el ánodo en la tierra a un lado del recipiente.
3. PREPARAR EL CÁTODO
Se prepara el segundo cable al igual que antes. El extremo más largo lo debemos enrollar alrededor de la barra de grafito y la insertamos en la tierra sin que el cable llegue a tocarla.
4. MEDIR EL VOLTAJE INICIAL
Unimos los extremos cortos de ambos cables a un voltímetro o multímetro para sacar el voltaje inicial.
5. ECHAR AGUA
Echamos agua al recipiente hasta que la tierra esté saturada, con una composición de barro.
6. INCUBAR Y MEDIR
Cerramos el recipiente con una tapa y dejamos reposar la pila durante unos 4-5 días para que las bacterias se multipliquen. Pasado este período, abrimos el recipiente y medimos el voltaje (1V teórico).
Enhorabuena, has conseguido hacer tu propia celda biológica.
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