Resumen Geobacter SPP [PDF]

Zitiervorschau

Facultad de Ciencias Agropecuarias Escuela Profesional de Ingeniería Ambiental

RESUMEN: Geobacter spp. CURSO: Microbiología Ambiental

DOCENTE: Dr. César Julio Cáceda Quiroz

INTEGRANTES: CUTIPA CALISAYA, Nancy Maribel

Tacna – Perú 2019

2016 – 178035

Geobacter spp. Desde hace algunos años se ha visto una crisis global por el uso excesivo de combustibles fósiles, tomando importancia las fuentes renovables por sus beneficios medioambientales y la independencia energética que proveen, para obtener nuevas fuentes de energía renovable con el mínimo impacto sobre el medio ambiente.

Estas fuentes de energía renovables son aquellas energías cuyos recursos son considerados como inagotables, ya que son capaces de regenerarse por medios naturales. Como los son los provenientes del sol en energía solar, del viento en energía eólica, del agua en energía hidráulica, el calor de la tierra en energía geotérmica y los residuos de la materia orgánica en biomasa.

Geobacter spp.

(Lovley, 1991) Con su equipo de investigadores demostraron que las bacterias de la especie Geobacter spp., juegan un papel importante como digestores de aguas residuales degradando la materia orgánica y con capacidad de transferir electrones a diferentes áreas a través de nanocables microbianos.

(Buchholz & Straub, 2001) Afirma que el Geobacter spp, pertenece al género Geobacteraceae, domino de las bacterias, mientras que (Lovley, 1991) coincide con este y añade que la Geobacter spp se puede encontrar en sedimentos de agua dulce, sedimentos marinos anóxicos, sedimentos de sal de pantano, ambientes subterráneos, y acuíferos, ambientes que se caracterizan principalmente por ser ricos en nitratos y sulfatos.

Tabla 01. Características Fisiológicas de la bacteria Geobacter spp Longitud: 1.2 a 2.0 µm

Dimensiones

Diámetro: 0.5 a 0.6 µm

Temperatura óptima de crecimiento pH óptimo de crecimiento Nutrición

30 °C 7,2 a 7,5 aunque puede vivir en un pH entre 6,5 a 8,5 Heterótrofa

Fuente: (BERGEY'S, 1984)

Una de las características especiales que presenta la bacteria Geobacter spp es la existencia de unos filamentos delgados llamados Pili, los cuales tienen la función de cables conductores de electrones, lo que evita el empleo de transportadores de electrones entre la bacteria y su medio, dichos cables conductores o biocables tienen una longitud de 10 a 20 μm y un diámetro aproximado de 3 a 5 nm, (20 mil veces más delgados que un cabello).

Metabolismo

(BERGEY'S, 1984) Señala en su manual sistemático bacteriológico que la bacteria Geobacter spp

tiene un metabolismo Heterótrofo, entonces

podemos decir que es anaerobia quimiorganótrofa ya que se sabe que vive en sedimentos de aguas y se alimenta de compuestos orgánicos y estos vendrían a ser su fuente de energía y de carbono para su crecimiento y desarrollo.

(Muktak, 2009) Añade que para la obtención de electrones el Geobacter utiliza la respiración e internamente aplica el ciclo Krebs, una sucesión de reacciones químicas que oxidan completamente la materia orgánica hasta producir CO2, agua, energía en forma utilizable (electrones) y ATP.

Además, posee una red de Citocromos tipo C multihemo una proteína que funciona como mecanismo de transporte electrónico y vincula entre si la membrana interna, el Periplasma y la membrana externa, con el fin de transferir los electrones desde una sustancia que es oxidada a otra que se reduce.

Crecimiento y reproducción

(Richter, Cartthy, Nevi, Rotello, & Lovley, 2008)Señalan que l proceso reproductivo de esta bacteria de da mediante Fisión binaria, reproducción asexual, donde las células individuales se duplican, dando lugar a dos células hijas. El tiempo que requiere una célula de Geobacter spp en duplicarse es aproximadamente 19 ± 3,6 h en laboratorio.

Especies de bacterias Geobacter spp.

a. Geobacter bemidjiensis

(Nevin, Woodard, Hinlein, Ostendorf, & Lovley, 2005) Estudian a la especie de Geobacter y la aislaron a partir de sedimentos de acuíferos contaminados con petróleo, sabemos que este organismo pertenece a la familia de los Geobacteraceae, gracias a que se aislaron de los sedimentos del subsuelo, se empleado en la biorremediación de suelos. Esta especie tiene la capacidad de acoplar la reducción de metales a la oxidación del acetato como también la capacidad de oxidar una variedad de otros sustratos, incluidos los compuestos aromáticos.

b. Geobacter metallireducens

(Phillips & Lovley, 1988) Estudiaron y Analizaron

por primera vez de

sedimentos de agua dulce, esta bacteria puede ganar energía a través de la reducción de hierro, manganeso, uranio y otros metales, también puede oxidar varios ácidos grasos de cadena corta, alcoholes y compuestos aromáticos que incluyen tolueno y fenol con hierro como único aceptor de

electrones, siendo empleado por sus características como posible agente para la biorremediación.

c. Geobacter sulfurreducens

(Mart, 2016) Informo que se aislaron en una muestra del suelo de Oklahoma contaminado por hidrocarburos. Entre las ventajas que presentaron

la

Geobacter

sulfurreducens

sobre

otro

tipo

de

microorganismos encontraron:

-

Transfiere directamente electrones a electrodos

-

Es un microorganismo que puede ser cultivado

-

En condiciones de laboratorio, con un adecuado sustrato y aceptor de electrones, el tiempo de duplicación es de 45 minutos.

Celdas de combustible Microbiano (CCM) (Mangwani, 2010) Explica que la CCM es un sistema bioelectroquímico en el cual, las bacterias a través de su metabolismo generan pequeñas cantidades de energía. Su diseño consiste en un ánodo y cátodo, separados por una membrana de intercambio protónico y conectado por circuitos externos, (Logan & Regan, 2006 ) coinciden con este ya que dicen que las Celdas de Combustible Microbiano (CCM) es un reactor biolectroquimico que utiliza microorganismos (bacterias electrogénicas) para convertir la energía química presente en un sustrato o combustible en energía eléctrica.

(Hernandez, Salar, & Ortis, 2015) Nos dice que en la CCM, la energía química contenida dentro de las moléculas orgánicas solubles tales como: carbohidratos y ácidos grasos volátiles (AGV’s) pueden ser directamente recuperados como energía eléctrica. Esto se consigue bajo condiciones anaerobias, cuando algunos microorganismos transfieren los electrones producidos en su actividad metabólica desde un donador, tal como la

glucosa y (AGV´s) hacia un electrodo (ánodo) en lugar de un aceptor natural de electrones, como el oxígeno o nitrato.

Figura 01. Esquema básico de una Celda de Combustible Microbiana (CCM) Fuente: (Romero Mejía & Vásquez, 2012)

Entre sus ventajas tenemos que nos genera energía a partir de materia orgánica, no necesita energía para su aireación siempre que el cátodo se encuentre en aire libre y genera una menor cantidad de lodo en comparación con los sistemas convencionales El material con el que debe ser elaborado debe ser inerte como el vidrio, policarbonato o plexiglás; el ánodo es de un material conductor tales como carbón, barras o gránulos; el cátodo generalmente es de material de grafito filtro de grafito, papel carbón o carbón vítreo reticulado. En cuanto al sustrato de la bacteria se utiliza el acetato debido a la alta generación de electricidad que se produce al utilizarla. Durante los años 2003 hasta 2009 se ha visto la mejora de la producción de electricidad esto gracias al tipo de electrodo que se fue utilizando, siendo el material del tipo tela de grafito con el que se obtenía mayor corriente.

Tabla 02. Resultados de los estudios realizados en CCM con Geobacter spp Año

Volumen MFC ( ml)

Área Ánodo (cm2)

del

Potencial

Corriente

Densidad de corriente

Tipo

eléctrico (v)

(mA)

(A/m2)

electrodo

de

Grafito Solido

2003

450

61.2

0.2

0.4

0.065

2006

14

6.45

0.3

0.9

0.7

2006

14

0.8

0.3

0.7

4.6

2006

14

0.8

0.3

0.7

3.1

Grafito solido

2008

6.4

7.8

0.3

2

3.1

Oro

2009

24

0.071

0.3

10

7.6

Tela de grafito

Fibra

de

Carbono Fibra

de

Carbono

Fuente. (Vásquez, 2012)

Las ventajas de utilizar las bacterias Geobacter spp, como fuente de energía, emplean productos de desecho que alteran el medio ambiente como combustible como alternativa renovable y limpia para la generación de energía eléctrica, otra ventaja es que no requieren de un catalizador, no genera gases de efecto invernadero, operan de manera silenciosa. Dentro de sus desventajas tenemos que son muy costoso debido a que están en etapa de investigación, los resultados obtenidos de la generación de corriente que realizan no son competitivos para generar energía a gran escala. Celda de combustible microbiano de sedimento Las CCMs, se caracterizan por emplear las bacterias de la familia Geobacter spp. Directamente en el hábitat natural como: lodos activados, lodos anaeróbicos, aguas residuales industriales, sedimentos marinos o sedimentos acuáticos, ricos en materia

Aplicaciones y usos actuales a. Celdas de combustible microbiano En los últimos años el Dr. Loyley presentó estudios como la modificación de la Geobacter sulfurreducens para producir cepas que generan biopeliculas con mayor densidad de pilis aumentando la conductividad y efectividad.

El CO2 producido por la oxidación bacteriana de los residuos orgánicos podría utilizarse para cultivar algas en cámaras aisladas, obteniendo oxígeno molecular como subproducto. Las algas podrían usarse también para alimentar la célula de combustible, produciendo más electricidad. b. Producción de Hidrogeno. El objetivo de esta obtención de hidrógeno es para ser empleado como energético, ya que no existen fuentes naturales de este gas. En las CCM los microbios pueden romper compuestos orgánicos y generar electricidad directamente. Si los electrones que portan la carga eléctrica se combinan con los protones que los microbios producen en el proceso se podría pensar en la producción de hidrógeno gaseoso en una “electrolisis microbiana”.

Figura 02. Funcionamiento de una CCM para producir hidrógeno gaseoso. Fuente. Google Imágenes

c. Tratamiento de aguas residuales. La Geobacter spp puede atacar casi a cualquier contaminante de las aguas residuales y descomponerlo al 90% y a la vez recuperar casi todos los electrones. d. Biorremediación Las bacterias electrogénicas como el Geobacter spp pueden restaurar el ambiente ya que degrada contaminante derivados del petróleo por oxidaciones de estos compuestos a CO2 y también puede eliminar contaminantes

de

metales

radioactivos,

biorremediar

suelos

contaminados por metales pesados que son reducidos y se vuelven menos tóxicos.

Un caso de biorremediación se dio en el rio Rifle, en Colorado, Estados Unidos, que estuvo dañado por material radioactivo de Uranio VI se trabajó con pozos de inyección de acetato y se redujo el uranio a IV. e. Bioelectrónica La conductividad de las películas de la bacteria Geobacter spp resulta de una red de nanocables microbianos, son delgados filamentos de proteína que conducen electrones a lo largo de su longitud. Por lo tanto, la bacteria Geobacter spp ofrece la posibilidad de hacer sensores electrónicos y otros dispositivos, que funcionan bajo el agua. En la actualidad la producción de energía es de 350 mV por metro cuadrado con un voltaje de 0,5 volts. f. Enfoque sistémico de ambientes microbiológicos Geobacter spp ha demostrado ser un excelente modelo para el desarrollo de análisis del genoma de ambientes naturales a gran escala, biorremediación y aplicaciones de bioenergía. Este enfoque ha incluido el diagnóstico sofisticado del estado fisiológico de la comunidad microbiana del subsuelo durante la biorremediación.

BIBLIOGRAFIA: BERGEY'S, D. H. (1984). Bergey’s manual of systematic bacteriology. Williams & Wilkins. Buchholz, & Straub. (2001). Geobacter bremensis sp. nov. y Geobacter pelophilus sp. Noviembre, dos bacterias reductoras de hierro férrico disimilatorias. Microbiology Society. Hernandez, Salar, & Ortis. (21 de mayo de 2015). Recent progress and perspectives in microbial fuel bioenergy generation and wastewater treatment

.

.

Obtenido

de

Fuel

Processing

Technology

:

https:/doi.org/10.2016/j.fuproc.2015.05.022 Logan, & Regan. (2006 ). Microbial fuel cells and challenges and applications . Lovley, D. (1991). Dissimilatory Fe (III) and. microbiological reviews, 259-287. Mangwani. (2010). Recet developments in microbial fuel cells. Mart. (01 de 02 de 2016). Omicromo. Obtenido de El microbio de la semana: Geobacter sulfurreducens: https://omicrono.elespanol.com/2016/02/elmicrobio-de-la-semana-geobacter-sulfurreducens/ Muktak. (2009). "La secuencia del genoma de Geobacter metallireducens: características de metabolismo, fisiología y regulación.Común y diferente a Geobacter sulfurreducens ”. Laboratorio Nacional de Lawrence Berkeley. Nevin, K., Woodard, D. H., Hinlein, E., Ostendorf, D., & Lovley, D. (Noviembre de 2005). Geobacter bemidjiensis sp. Revista Internacional de Microbiología Sistemática y Evolutiva, , 55 (4): 1667-1674. Phillips, & Lovley. (1988). Genome Portal. Obtenido de Nuevo modo de metabolismo energético microbiano: oxidación de carbono orgánico acoplado a la reducción disimilatoria de hierro o manganeso.: https://genome.jgi.doe.gov/portal/geome/geome.home.html Richter, Cartthy, Nevi, Rotello, & Lovley. (2008). “Generación de electricidad por Geobacter Sulfurreducens unidos a electrodos de oro". 1-4.

Romero Mejía, A., & Vásquez, J. (2012). Bacterias, fuente de energía para el futuro.

Obtenido

de

Scielo.org.co:

http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0123921X2012000200011#fig3 Vásquez, J. A. (F de 2012). Bacterias, Fuente de energia para el futuro . 127.

BERGEY'S, D. H. (1984). Bergey’s manual of systematic bacteriology. Williams & Wilkins. Buchholz, & Straub. (2001). Geobacter bremensis sp. nov. y Geobacter pelophilus sp. Noviembre, dos bacterias reductoras de hierro férrico disimilatorias. Microbiology Society. Hernandez, Salar, & Ortis. (21 de mayo de 2015). Recent progress and perspectives in microbial fuel bioenergy generation and wastewater treatment

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Fuel

Processing

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https:/doi.org/10.2016/j.fuproc.2015.05.022 Logan, & Regan. (2006 ). Microbial fuel cells and challenges and applications . Lovley, D. (1991). Dissimilatory Fe (III) and. microbiological reviews, 259-287. Mangwani. (2010). Recet developments in microbial fuel cells. Mart. (01 de 02 de 2016). Omicromo. Obtenido de El microbio de la semana: Geobacter sulfurreducens: https://omicrono.elespanol.com/2016/02/elmicrobio-de-la-semana-geobacter-sulfurreducens/ Muktak. (2009). "La secuencia del genoma de Geobacter metallireducens: características de metabolismo, fisiología y regulación.Común y diferente a Geobacter sulfurreducens ”. Laboratorio Nacional de Lawrence Berkeley. Nevin, K., Woodard, D. H., Hinlein, E., Ostendorf, D., & Lovley, D. (Noviembre de 2005). Geobacter bemidjiensis sp. Revista Internacional de Microbiología Sistemática y Evolutiva, , 55 (4): 1667-1674.

Phillips, & Lovley. (1988). Genome Portal. Obtenido de Nuevo modo de metabolismo energético microbiano: oxidación de carbono orgánico acoplado a la reducción disimilatoria de hierro o manganeso.: https://genome.jgi.doe.gov/portal/geome/geome.home.html Richter, Cartthy, Nevi, Rotello, & Lovley. (2008). “Generación de electricidad por Geobacter Sulfurreducens unidos a electrodos de oro". 1-4. Romero Mejía, A., & Vásquez, J. (2012). Bacterias, fuente de energía para el futuro.

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