Palabras clave: microorganismos

Ana Sotres “Las bacterias nos permiten limpiar aguas residuales y generar bioelectricidad al mismo tiempo”

Publicado por Gema Valera Vázquez
03/08/2017

 

Ana Sotres en su laboratorio en IRENA (León)
Ana Sotres en su laboratorio en IRENA (León)

Ana Sotres (Asturias, 1982) es Doctora en Ingeniería Ambiental por la Universidad Politécnica de Cataluña. Trabaja en IRENA, a las afueras de León, pero le gusta ir a pie, es el mejor momento del día para oxigenar el cerebro, y las mejores ideas a veces aparecen caminando. Desde que por casualidad llegó a sus manos una tesis doctoral que le descubrió que existían formas de generar energía verde aprovechando reacciones naturales de ciertas bacterias, lo tuvo claro: quería dedicarse a mejorar el rendimiento de las llamadas pilas biológicas, para poder utilizarlas a gran escala y aliviar el problema al que nos enfrentamos de agotamiento de energías fósiles.

Probablemente pocos de nuestros lectores han escuchado hablar sobre las pilas biológicas. ¿Cuál es el principio fundamental de estas pilas?
Se parecen a una pila convencional. Son un tipo de reactores con dos cámaras de diferente carga, un ánodo (negativo) y un cátodo (positivo), separados por una membrana. Estas cámaras están conectadas por una resistencia externa, como si fuera un circuito eléctrico. En el ánodo las bacterias degradan materia orgánica, y esta descomposición produce C02, protones y electrones, los cuales circulan por el circuito eléctrico hacia el cátodo, produciendo bioelectricidad y agua.

Es fabuloso pensar que si a estas bacterias se les da de comer los residuos orgánicos contenidos en aguas residuales, generan energía y limpian el agua. ¿Qué uso se le puede dar al agua?
Principalmente para riego. Las bacterias eliminan la carga orgánica que en altas concentraciones es contaminante; pero en ningún caso es agua potable, porque no va a ajustarse a los valores que establece la normativa, y porque el proceso de potabilización del agua es totalmente diferente. No sirve con eliminar la materia orgánica, tiene muchos más pasos como la desinfección para acabar con microorganismos patógenos.

La cantidad de energía que hoy por hoy podéis obtener con una biopila, ¿es suficiente como para hacer funcionar algún aparato de bajo coste energético como una bombilla LED?
Depende del tamaño de los reactores y materiales que utilices. Hay equipos que sí consiguen encender una bombilla o mover un ventilador pequeñito.

Entonces, ¿cuántas bacterias necesito para cargar mi teléfono móvil?
No creo que sea cuestión de cuántas sino de cuáles. Hay un tipo de microorganismos llamados exoelectrogénicos que pueden producir grandes cantidades de energía eléctrica.

¿Estamos cerca de aplicar las biopilas a gran escala?
Se están intentando hacer cosas, pero aún queda. Hay plantas piloto en Australia, en EEUU y en Bélgica, pero no sé en qué fase se encuentran. Lo que sí es cierto es que al ritmo que avanza la ciencia, y la cantidad de grupos de investigación detrás de esta tecnología, seguro que el futuro está más cerca de lo que pensamos.

Se tiende a asociar bacteria con peligro para la salud, ¿qué decimos a nuestros lectores para que se tranquilicen y no se muestren escépticos ante el uso de bacterias en Bioingeniería?
¡Que sin bacterias no podríamos vivir! Habitan nuestro cuerpo, gracias a ellas bebemos vino y comemos pan. Y además las podemos utilizar para descontaminar suelos, limpiar las playas de vertidos y ayudarnos a conseguir biocombustible. Todos los procesos biotecnológicos de los que nos beneficiamos están llevados a cabo por bacterias, un ejemplo cercano son las depuradoras de agua de las ciudades.

¿En casa también cuidas el medio ambiente?
Intento hacerlo, pero hay muchas cosas que no hago bien del todo y a veces me frustro, porque controlar todo es imposible: lo que comemos, los envases que generamos, la energía que consumimos, los contaminantes que se generan en cada prenda que usamos… la lista puede ser demasiado larga.

Ana, ¿qué te resulta más difícil?: ¿Contar tu proyecto a científicos en una conferencia internacional o al gran público en un evento divulgativo?
Son cosas muy distintas. Te van a juzgar de manera muy diferente y esperan cosas diferentes, pero para mí tiene más satisfacción personal que alguien que nunca haya oído hablar de células de combustible microbianas acabe entendiendo cómo funcionan y lo importantes que son como fuente de energía limpia.

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La energía del futuro es cosa de bacterias

Por Ana Sotres Fernández.

Ante la alerta de una crisis energética global por el uso incontrolado de combustibles fósiles, son muchos los grupos de investigación alrededor de todo el mundo que se han adentrado en la búsqueda de fuentes de energía renovables, con el mínimo impacto posible sobre el medio ambiente.

www.geobacter.org

Desde hace ya varios años, existen una serie de tecnologías bien implantadas, entre las que se incluyen las estrategias de procesamiento biológico para producir bioenergía, mientras a su vez, se puede tratar aguas residuales procedentes de la industria o de la agricultura. Estas estrategias están centradas en la producción biológica de hidrógeno, de bioetanol y de metano. Sin embargo, en los últimos años, el descubrimiento de bacterias productoras de electricidad, nos ha situado ante una nueva forma de energía verde. La conversión de energía química en eléctrica es posible gracias a unos dispositivos llamados celdas de combustible microbianas, o Microbial Fuel Cells (MFC).

¿Qué son las celdas de combustible microbianas?

Las celdas de combustible microbianas, son un tipo de sistemas bioelectroquímicos que,  mediante la actividad metabólica de los microorganismos, convierten la energía química de la materia orgánica biodegradable en electricidad. Los microorganismos funcionan en este caso como catalizadores de la reacción, para convertir energía química en electricidad mediante procesos de oxidación de la materia orgánica. Existen muchos tipos de configuraciones de celdas microbianas, pero el modelo convencional, es el de doble cámara. Este está compuesto por una cámara anódica y una cámara catódica, separados por una membrana de intercambio iónica. Podría decirse que el funcionamiento de estos sistemas es parecido al de una pila convencional.

Fuente: TRENDS in Biotechnology
Fuente: TRENDS in Biotechnology

Los microorganismos son capaces de oxidar la materia orgánica biodegradable en el ánodo. En este proceso de oxidación de la materia orgánica se generan electrones, y algunos microorganismos son capaces de transferir estos electrones liberados durante la oxidación, hacia un aceptor de electrones (el electrodo), y a través de un circuito externo, se dirigen al cátodo, donde son consumidos durante la reducción de oxígeno. El balance de cargas entre los dos compartimentos, se mantiene debido a un transporte de iones entre ellos a través de la membrana de intercambio iónica. Al final del proceso, el flujo de electrones generado puede ser aprovechado en forma de corriente eléctrica.

Bacterias productoras de electricidad

El principio tecnológico de las MFCs, se basa en que los microorganismos son capaces de generar electricidad transfiriendo electrones desde un donador de electrones (bajo potencial) a un aceptor de electrones (alto potencial), debido a la diferencia de potencial electroquímico generado entre ellos. El hecho de que los microorganismos puedan tener la capacidad de intentar maximizar su ganancia energética seleccionando el aceptor de electrones con el mayor potencial disponible, como es un ánodo en condiciones anóxicas ,conectado a un cátodo, donde si hay un oxidante fuerte, cambiando el curso normal de electrones, es lo que hace que las celdas de combustible microbianas puedan generar electricidad a través de la oxidación de sustancias orgánicas.

Existen muchos estudios que hablan de los diferentes mecanismos de transferencia de electrones al electrodo. Además de la transferencia de electrones, otro de los puntos clave y todavía con muchas incógnitas por resolver, es acerca de las comunidades y la ecología microbianas dentro de las MFCs. Hay una vertiente dentro de la comunidad científica a creer que el incremento de la generación de electricidad por una comunidad bacteriana se debe también a la actividad sinérgica de bacterias, que probablemente no juegan un papel directo en la transferencia de electrones al electrodo, pero sí tienen un papel clave en el consorcio microbiano.

Hay pues tres clases de sistemas vivos: organismos, partes de organismos y comunidades de organismos; todos ellos totalidades integradas cuyas propiedades esenciales surgen de las interacciones e interdependencia de sus partes.    Fritjof Capra, 1996. La trama de la vida.

                                                                                           

Los análisis de las comunidades microbianas asociadas al ánodo de las MFC muestran una gran diversidad de géneros bacterianos, dependiendo de la naturaleza del inóculo, del residuo a tratar, y del tipo de MFC utilizada.

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El microorganismo modelo hasta ahora para estudiar estos sistemas, ha sido Geobacter sp. En la foto se muestra este microorganismo y los apéndices, llamados nanowires, los cuales utiliza a modo de cables conductores para la transferencia de electrones al electrodo.

Aplicaciones de las celdas de combustible microbianas

Como se ha comentado anteriormente, las MFCs son reactores en los cuales, mediante la acción de microorganismos, se puede degradar la materia orgánica en la cámara anódica, y producir bioelectricidad en el proceso. La eliminación de nutrientes, como carbono, nitrógeno, fósforo y sulfuro de las aguas residuales, normalmente sirve para recuperar potencialmente recursos minerales útiles, y recuperación de agua, pero por otra parte requiere grandes cantidades de energía. Por lo tanto, el desarrollo de tecnologías, como las MFCs, podría significar un gran avance, al llevar a cabo la recuperación simultánea de energía, agua y nutrientes desde las aguas residuales, tanto agrícolas como industriales.

 No basta saber, se debe también aplicar. No es suficiente querer, se debe también hacer. Johan Wolfgang von Goethe

En el siguiente vídeo, el profesor Bruce E. Logan, pionero en el campo de las MFC, explica los aspectos básicos del funcionamiento de una microbial fuel cell, y cómo servin estos sistemas para su utilización en el tratamiento de aguas residuales.

No cabe duda de que es una tecnología prometedora, pero todavía son muchos los cuellos de botella que existen, y aunque actualmente se encuentra más en fase de laboratorio que implantada a escala real, algunos grupos de investigación ya han dado los primeros pasos. Este es el caso de un grupo de científicos de la University of West of England, los cuales instalaron unos urinarios públicos en un festival de Glastonbury, para producir electricidad a partir de la orina.

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