Tecnologías electroquímicas microbianas: un cambio de paradigma en el tratamiento de aguas residuales

Buena parte de los residuos que los consumidores producimos a diario se canalizan a través de grandes volúmenes de agua residual que debe ser tratada de forma adecuada.  Desde hace más de cien años, con el descubrimiento de la tecnología de los fangos activados, hemos recurrido a la propia naturaleza para depurar el agua residual. En estos tratamientos se utilizan microorganismos naturales para biodegradar los contaminantes y convertirlos en especies gaseosas (CO2, N2, etc.).

Dr. Abraham Esteve Núñez, Grupo de Bioelectrogénesis, Universidad de Alcalá

Para depurar el agua se emplea uno de los principios más básicos de la biología: la obtención de energía a través de la oxidación de un donador de electrones (contaminantes). Para estimular la biodegradación (oxidación) de estos contaminantes se suele recurrir al aporte de  oxígeno con el objetivo de aceptar los electrones generados en el metabolismo microbiano aerobio. El alto potencial redox del oxígeno presenta ventajas termodinámicas que permiten una tasa alta de biodegradación pero, en cambio, también un alto rendimiento celular y, por tanto, un excesivo volumen de fango que debe ser gestionado. La alternativa es renunciar al suministro de oxígeno y esperar a que las propias substancias presentes en el agua se encarguen de aceptar esos electrones, a través de metabolismos como las fermentaciones, la respiración o la metanogénesis. Estas reacciones se utilizan en los tratamientos anaerobios de aguas residuales y logran abaratar el coste del tratamiento y disminuir el volumen de fangos.

Frente al extenso patrón de sustratos que una bacteria puede biodegradar (oxidaciones) sorprende el limitado número de aceptores de electrones que los microorganismos parecen utilizar (reducciones) o al menos que han sido identificados y descritos en la literatura científica. Hasta finales de la década de los años 80, los únicos aceptores descritos eran compuestos solubles (oxígeno, nitrato, sulfato, dióxido de carbono), que debían entrar dentro del microorganismo antes de ser transformados. Sin embargo, el paradigma debió ser revisado tras el descubrimiento de bacterias del género Geobacter, por su capacidad para acoplar la oxidación de acetato a la reducción de óxidos de hierro insoluble y la generación de magnetita (Lovley et al., 2011). Estos compuestos no pueden atravesar la membrana celular por lo que las bacterias deben transferir electrones al ambiente extracelular a través de mecanismos nuevos no descritos hasta ese momento en biología. La investigación, que se realizó en el contexto de un ambiente natural, como el de un sedimento fluvial, pronto encontró una vertiente aplicada para dicho mecanismo con la sustitución de óxidos insolubles por electrodos y la consiguiente producción de electricidad a partir del metabolismo intracelular. Habían nacido las tecnologías electroquímicas microbianas (MET, por sus siglas en ingles), cuyo máximo efecto tractor ha sido su incorporación a los tratamientos de aguas residuales (Logan and Rabaey, 2012). Si bien la obtención de energía eléctrica acoplada la depuración captó el interés inicial, ha sido la aplicación de las MET en el diseño de biofiltros electrogénicos, en la eliminación de nutrientes, en la transformación de metales o en la desalación sostenible las que han ofrecido mejores resultados. (www.bioelectrogenesis.com)

La aceptación de la existencia de microorganismos electroactivos, capaces de donar o aceptar electrones elementos conductores a través de unas proteínas denominadas citocromos C (Estévez-Canales et al., 2015), sugirió explorar nuevas reacciones entre las bacterias y su entorno más próximo, dando lugar a un concepto fascinante como la transferencia directa de electrones entre especies (Direct Interspecies Electron Transfer, DIET por sus siglas en inglés). De la misma manera que ocurrió con Geobacter, el descubrimiento del DIET tuvo su origen en un estudio de la ecología microbiana de un sedimento (Larsen et al., 2015). La DIET propone que los microorganismos son capaces de ceder y aceptar electrones, de forma directa, entre poblaciones, de  forma similar a la que utilizan las bacterias electroactivas con los electrodos en las MET.

Los estudios más recientes sitúan al fenómeno DIET dentro de los gránulos de los digestores anaerobios utilizados en tratamientos de agua. Además, recientemente se ha descrito que los microorganismos metanogénicos son capaces  aceptar electrones directamente  de otras bacterias,  y no sólo de H2 , para producir metano (Rotaru et al., 2014).

Asistimos a un cambio de ciclo en la forma de interpretar la microbiología de nuestros ambientes naturales, pero también a la forma de explotar tecnologías aplicadas como las utilizadas en nuestras depuradoras. Todo apunta a que allá donde operen comunidades microbianas complejas tendremos que contar con esta nueva, y al mismo tiempo antigua, forma de metabolismo. El electrón desnudo, como sustrato de intercambio entre especies ofrece un nuevo reto científico y tecnológico, cuyo control posiblemente contribuya a mejorar la sostenibilidad de nuestros tratamientos de aguas.

Referencias

Estévez-Canales, M. Kuzume, A., Borjas, Z., Füeg, M., Lovley, D.R., Thomas Wandlowski, T. and Esteve-Núñez, A. (2015) A severe reduction in the Cytochrome C content of Geobacter sulfurreducens eliminates its capacity for extracellular electron transfer. Environmental Microbiology Reports. 2 (7):219-226.

Larsen S, Nielsen LP, Schramm A. 2015. Cable bacteria associated with long-distance electron transport in New England salt marsh sediment. Environ Microbiol Rep. 2015 Apr;7(2):175-9.

Logan BE, Rabaey K. 2012. Conversion of wastes into bioelectricity and chemicals by using microbial electrochemical technologies. Science. 337(6095):686-90.

Lovley DR, Ueki T, Zhang T, Malvankar NS, Shrestha PM, Flanagan KA, Aklujkar M, Butler JE, Giloteaux L, Rotaru AE, et al. 2011. Geobacter: the microbe electric’s physiology, ecology, and practical applications.

Adv Microb Physiol. 59:1-100.

Rotaru AE, Shrestha PM, Liu F, Markovaite B, Chen S, Nevin KP, Lovley DR 2014. Direct interspecies electron transfer between Geobacter metallireducens and Methanosarcina barkeri. Appl Environ Microbiol. 80(15):4599-605.

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