{"id":132135,"date":"2015-03-25T11:06:33","date_gmt":"2015-03-25T10:06:33","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/remtavares\/?p=132135"},"modified":"2015-03-25T11:06:33","modified_gmt":"2015-03-25T10:06:33","slug":"tecnologias-electroquimicas-microbianas-un-cambio-de-paradigma-en-el-tratamiento-de-aguas-residuales","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/remtavares\/2015\/03\/25\/132135","title":{"rendered":"Tecnolog\u00edas electroqu\u00edmicas microbianas: un cambio de paradigma en el tratamiento de aguas residuales"},"content":{"rendered":"

Buena parte de los residuos que los consumidores producimos a diario se canalizan a trav\u00e9s de grandes vol\u00famenes de agua residual que debe ser tratada de forma adecuada.\u00a0 Desde hace m\u00e1s de cien a\u00f1os, con el descubrimiento de la tecnolog\u00eda 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<\/sub>, N2<\/sub>, etc.).<\/p>\n

Dr. Abraham Esteve N\u00fa\u00f1ez, Grupo de Bioelectrog\u00e9nesis, Universidad de Alcal\u00e1<\/p>\n

<\/p>\n

Para depurar el agua se emplea uno de los principios m\u00e1s b\u00e1sicos de la biolog\u00eda: la obtenci\u00f3n de energ\u00eda a trav\u00e9s de la oxidaci\u00f3n de un donador de electrones (contaminantes). Para estimular la biodegradaci\u00f3n (oxidaci\u00f3n) de estos contaminantes se suele recurrir al aporte de \u00a0ox\u00edgeno con el objetivo de aceptar los electrones generados en el metabolismo microbiano aerobio. El alto potencial redox del ox\u00edgeno presenta ventajas termodin\u00e1micas que permiten una tasa alta de biodegradaci\u00f3n pero, en cambio, tambi\u00e9n un alto rendimiento celular y, por tanto, un excesivo volumen de fango que debe ser gestionado. La alternativa es renunciar al suministro de ox\u00edgeno y esperar a que las propias substancias presentes en el agua se encarguen de aceptar esos electrones, a trav\u00e9s de metabolismos como las fermentaciones, la respiraci\u00f3n o la metanog\u00e9nesis. Estas reacciones se utilizan en los tratamientos anaerobios de aguas residuales y logran abaratar el coste del tratamiento y disminuir el volumen de fangos.<\/p>\n

Frente al extenso patr\u00f3n de sustratos que una bacteria puede biodegradar (oxidaciones) sorprende el limitado n\u00famero de aceptores de electrones que los microorganismos parecen utilizar (reducciones) o al menos que han sido identificados y descritos en la literatura cient\u00edfica. Hasta finales de la d\u00e9cada de los a\u00f1os 80, los \u00fanicos aceptores descritos eran compuestos solubles (ox\u00edgeno, nitrato, sulfato, di\u00f3xido de carbono), que deb\u00edan entrar dentro del microorganismo antes de ser transformados. Sin embargo, el paradigma debi\u00f3 ser revisado tras el descubrimiento de bacterias del g\u00e9nero Geobacter, por su capacidad para acoplar la oxidaci\u00f3n de acetato a la reducci\u00f3n de \u00f3xidos de hierro insoluble y la generaci\u00f3n 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 trav\u00e9s de mecanismos nuevos no descritos hasta ese momento en biolog\u00eda. La investigaci\u00f3n, que se realiz\u00f3 en el contexto de un ambiente natural, como el de un sedimento fluvial, pronto encontr\u00f3 una vertiente aplicada para dicho mecanismo con la sustituci\u00f3n de \u00f3xidos insolubles por electrodos y la consiguiente producci\u00f3n de electricidad a partir del metabolismo intracelular. Hab\u00edan nacido las tecnolog\u00edas electroqu\u00edmicas microbianas (MET, por sus siglas en ingles), cuyo m\u00e1ximo efecto tractor ha sido su incorporaci\u00f3n a los tratamientos de aguas residuales (Logan and Rabaey, 2012). Si bien la obtenci\u00f3n de energ\u00eda el\u00e9ctrica acoplada la depuraci\u00f3n capt\u00f3 el inter\u00e9s inicial, ha sido la aplicaci\u00f3n de las MET en el dise\u00f1o de biofiltros electrog\u00e9nicos, en la eliminaci\u00f3n de nutrientes, en la transformaci\u00f3n de metales o en la desalaci\u00f3n sostenible las que han ofrecido mejores resultados. (www.bioelectrogenesis.com)<\/p>\n

La aceptaci\u00f3n de la existencia de microorganismos electroactivos, capaces de donar o aceptar electrones elementos conductores a trav\u00e9s de unas prote\u00ednas denominadas citocromos C (Est\u00e9vez-Canales et al., 2015), sugiri\u00f3 explorar nuevas reacciones entre las bacterias y su entorno m\u00e1s pr\u00f3ximo, dando lugar a un concepto fascinante como la transferencia directa de electrones entre especies (Direct Interspecies Electron Transfer<\/em>, DIET por sus siglas en ingl\u00e9s). De la misma manera que ocurri\u00f3 con Geobacter<\/em>, el descubrimiento del DIET tuvo su origen en un estudio de la ecolog\u00eda 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 \u00a0forma similar a la que utilizan las bacterias electroactivas con los electrodos en las MET.<\/p>\n

Los estudios m\u00e1s recientes sit\u00faan al fen\u00f3meno DIET dentro de los gr\u00e1nulos de los digestores anaerobios utilizados en tratamientos de agua. Adem\u00e1s, recientemente se ha descrito que los microorganismos metanog\u00e9nicos son capaces\u00a0 aceptar electrones directamente\u00a0 de otras bacterias, \u00a0y no s\u00f3lo de H2 , <\/sub>para producir metano (Rotaru et al., 2014).<\/p>\n

Asistimos a un cambio de ciclo en la forma de interpretar la microbiolog\u00eda de nuestros ambientes naturales, pero tambi\u00e9n a la forma de explotar tecnolog\u00edas aplicadas como las utilizadas en nuestras depuradoras. Todo apunta a que all\u00e1 donde operen comunidades microbianas complejas tendremos que contar con esta nueva, y al mismo tiempo antigua, forma de metabolismo. El electr\u00f3n desnudo, como sustrato de intercambio entre especies ofrece un nuevo reto cient\u00edfico y tecnol\u00f3gico, cuyo control posiblemente contribuya a mejorar la sostenibilidad de nuestros tratamientos de aguas.<\/p>\n

Referencias<\/p>\n

Est\u00e9vez-Canales, M. Kuzume, A., Borjas, Z., F\u00fceg, M., Lovley, D.R., Thomas Wandlowski, T. and Esteve-N\u00fa\u00f1ez, A. (2015) A severe reduction in the Cytochrome C content of Geobacter sulfurreducens <\/em>eliminates its capacity for extracellular electron transfer. Environmental Microbiology Reports.<\/strong> 2 (7):219-226. <\/a><\/p>\n

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

Logan BE, Rabaey K. 2012. Conversion of wastes into bioelectricity and chemicals by using microbial<\/strong> electrochemical<\/strong> technologies<\/strong>.<\/a> Science<\/em>. 337(6095):686-90.<\/p>\n

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.<\/p>\n

Adv Microb Physiol. 59:1-100.<\/p>\n

Rotaru AE, Shrestha PM, Liu F, Markovaite B, Chen S, Nevin KP, Lovley<\/strong> DR 2014. Direct interspecies electron transfer between Geobacter metallireducens and Methanosarcina barkeri.<\/a> Appl Environ Microbiol. 80(15):4599-605.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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