La electromicrobiología: el nexo entre las reacciones óxido-reducción, los sistemas bioelectroquímicos y sus aplicaciones medioambientales

Autor: Dr. Alessandro A. Carmona-Martínez

País: España.

Coordinación de Sustentabilidad de la Red Global MX Capítulo España.

Los microorganismos en la naturaleza suelen intercambiar electrones con su medio ambiente de forma habitual. Por ejemplo, algunos microorganismos anaerobios, capaces de subsistir en ausencia de oxígeno, respiran metales. Es correcto, como lo leyeron. Respiran metales ante la incapacidad de utilizar el oxígeno para su respiración. La respiración de metales sucede gracias a la reducción de éstos debido a mecanismos de trasporte de electrones del metabolismo de los microorganismos hacia los metales. Dichos elementos muchas veces son insolubles y se encuentran presentes en ríos, lagunas o sistemas anaerobios en general. Esta curiosa propiedad ha sido llevada al laboratorio. Sólo que los metales insolubles han sido sustituidos por electrodos, materiales conductores de la electricidad, en sistemas bioelectroquímicos. Dichos sistemas son capaces de imitar lo que ocurre en la naturaleza con respecto a este tipo de microorganismos. Sin embargo, en un sistema electroquímicamente controlado el material final aceptor de electrones puede recibir electrones indefinidamente abriendo la puerta a un gran abanico de aplicaciones. El fenómeno de transferencia de electrones entre microorganismos y electrodos fue puesto en práctica por primera en 1911(ref.[MOU1] ). Desde entonces este fenómeno no había llamado la atención hasta aproximadamente el año 2005 cuando hay una serie de publicaciones sobresalientes que finalmente describen las bases de los mecanismos de transporte de electrones, establecen la posible configuración de los sistemas, hablan sobre los microorganismos responsables y muestran una producción de corriente eléctrica nada despreciable (ref.[MOU2] ). Desde entonces el interés en este tipo de sistemas y sus aplicaciones ha tenido un crecimiento exponencial. Cabe mencionar la versatilidad de configuraciones de este tipo de sistemas comúnmente compuestos por una cámara anódica donde se llevan a cabo reacciones de oxidación para la producción de electrones, una cámara catódica donde ocurren reacciones de reducción y una membrana separando ambos compartimentos. Dentro de los microorganismos inicialmente descritos en este tipo de sistemas encontramos a Geobacter sulfurreducens o Shewanella oneidensis.

Actualmente se han descrito muchos más (ref.[MOU3] ). Sin embargo, los ya mencionados son los más ampliamente estudiados por la cantidad de corriente eléctrica y por la dualidad de mecanismos de transferencia de electrones, respectivamente. La principal aplicación que se previó para este tipo de sistemas es el tratamiento de aguas residuales mediante la conversión de la materia orgánica en corriente eléctrica. A pesar de la cantidad de estudios dedicados a esta aplicación, las pequeñas corrientes eléctricas obtenidas no permiten considerar a los sistemas bioelectroquímicos como una alternativa energética competitiva. Una aplicación en principio más prometedora surge del lado de la cámara catódica. Ahí, los microorganismos con capaces de consumir electricidad y utilizarla para llevar a cabo reacciones de reducción. Algo muy interesante si consideramos que dichos microorganismos serían capaces de utilizarse no sólo para capturar CO2, sino utilizarlo para producir biomoléculas de interés industrial. Llevando a cabo una reacción como la anteriormente descrita atacamos dos problemas a la vez mientras (i) mitigamos la emisión de gases de efecto invernadero causantes del bien conocido calentamiento global y (ii) producimos por ejemplo los biocombustibles del futuro. Para aquellos interesados en esta última aplicación será de utilidad saber que científicamente se le conoce a este proceso como electrosíntesis microbiana (o “microbial electrosynthesis” del inglés) y se basa en la habilidad de ciertos microorganismos en utilizar electrones suministrados por un material conductor de la electricidad (ref.[MOU4] ). Una ventaja más de esta última aplicación es la posibilidad de utilizar energías renovables que suministren la electricidad requerida con lo cual los beneficios medioambientales aumentan. En conjunto, los sistemas bioelectroquímicos descritos en este artículo cubren un amplio abanico de oportunidades sobre todo para las ciencias ambientales gracias a la versatilidad de microorganismos considerados electroactivos capaces de producir o consumir electricidad. Las aplicaciones van desde el tratamiento de aguas residuales hasta la producción de biocombustibles, pasando por la bioremediación o la desalinización de agua de mar por mencionar algunas.


https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspb.1911.0073

 [MOU2]https://pubs.acs.org/doi/10.1021/es0605016

 [MOU3]https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/celc.201600079

 [MOU4]https://www.nature.com/articles/nrmicro2422

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