microorganismos marinos en la producción de corriente eléctrica. … · 2020. 6. 25. ·...
TRANSCRIPT
FACULTAD DE CIENCIAS
GRADO EN CIENCIAS DEL MAR
TRABAJO DE FIN DE GRADO
CURSO ACADEMICO 2019-2020
TÍTULO:
Microorganismos marinos en la producción de corriente
eléctrica. Celdas de combustible y posibles aplicaciones en
generadores de corriente.
AUTOR:
Cristina Atiénzar Fernández
RESUMEN
Las celdas de combustible microbianas (CCM) o Microbial Fuel Cells (MFC) brindan
interesantes opciones para la producción sostenible de energía eléctrica a partir de la
introducción de cultivos de microorganismos que se encargan de llevar a cabo la oxidación de
los sustratos, convirtiendo la energía bioquímica en energía eléctrica. Las bacterias
electroquímicamente activas parecen ser abundantes en los ecosistemas marinos y el principal
objetivo de este trabajo es describir las aplicaciones e innovaciones sobre las celdas de
combustibles bacterianas y de otros microorganismos capaces de generar electricidad,
presentes en estos ecosistemas marinos. Se realizó una búsqueda bibliográfica a través de
palabras claves en las bases de datos PubMed, Biblioteca en línea Cochrane, SciELo,
ScienceDirect y Google Scholar, y se obtuvo inicialmente un total de 258 artículos de los cuales,
se eligieron a través de criterios de selección los 12 artículos más relevantes para ser incluidos
en esta revisión. Se encontró que las proteobacterias alfa y gamma son las familias
predominantes de microorganismos usados para las celdas de combustible microbianas
marinas. Los autores han identificado el potencial eléctrico de los géneros y especies presentes
en la biopelícula de las celdas de combustible microbianas y se destacan los beneficios de
formación de las biopelículas, así como las características y condiciones que modifican el
funcionamiento de las celdas de combustible microbianas en ambientes marinos. Por último, se
evidencian las aplicaciones y los avances y prototipos de las MFC marinas diseñadas en los
últimos años.
PALABRAS CLAVE:
microorganismos marinos, bacterias, celdas de combustible microbianas, electricidad.
ABSTRACT
Microbial fuel cells (CCM) or Microbial Fuel Cells (MFC) offer interesting options for the
sustainable production of electrical energy from the introduction of cultures of microorganisms
that are responsible for carrying out the oxidation of the substrates, converting the energy
biochemistry in electrical energy. Electrochemically active bacteria seem to be abundant in
marine ecosystems and the main objective of this work is to describe the applications and
innovations on cells of bacterial fuels and other microorganisms capable of generating
electricity, present in these marine ecosystems. A bibliographic search was performed using
keywords in the PubMed, Cochrane Online Library, SciELo, ScienceDirect and Google Scholar
databases, and a total of 258 articles were initially obtained, of which, they were chosen through
selection criteria the 12 most relevant articles to be included in this review. Alpha and gamma
proteobacteria were found to be the predominant families of microorganisms used for marine
microbial fuel cells. The authors have identified the electrical potential of the genera and species
present in the biofilm of microbial fuel cells and highlight the benefits of biofilm formation, as
well as the characteristics and conditions that modify the operation of microbial fuel cells in
marine environments. Finally, the applications and advances and prototypes of marine MFCs
designed in recent years are evident.
KEY WORDS:
marine microorganisms, bacteria, Microbial fuel cells, electricity.
Índice
Resumen ........................................................................................................................ 2
Abstract ......................................................................................................................... 3
1.Introducción ................................................................................................................ 8
1.1. Celdas de combustible microbianas .............................................................................. 8
1.1.1. Funcionamiento de las celdas ............................................................................... 8
1.2. Microorganismos generadores de electricidad ........................................................... 11
1.2.1. Biofilms ................................................................................................................ 11
1.2.2. Bacterias marinas ................................................................................................ 11
1.2.2.1. Shewanella. ...................................................................................................... 11
1.2.2.2. Geobacter. ....................................................................................................... 12
1.2.2.3. Otros microorganismos menos predominantes. ............................................. 12
1.2.3. Mecanismos de transferencia extracelular de electrones .................................. 13
1.2.3.1. Transferencia desde el microorganismo al ánodo .......................................... 13
1.2.3.2. Transferencia desde el cátodo al microorganismo ......................................... 14
2. Metodología ............................................................................................................. 15
2.1. Objetivos ...................................................................................................................... 15
2.1.1. Objetivo general .................................................................................................. 15
2.1.2. Objetivos específicos ........................................................................................... 15
2.2. Tipo de estudio ............................................................................................................ 16
2.3. Procedimiento de búsqueda ....................................................................................... 16
2.3.1. Estrategia de búsqueda ....................................................................................... 16
2.3.2. Elegibilidad de los artículos ................................................................................. 17
3. Resultados................................................................................................................ 18
4.Discusión ................................................................................................................... 26
4.1. Microorganismos identificados. .................................................................................. 26
4.2. Beneficios de la generación de biopelículas en los electrodos de las celdas. ............ 28
4.3. Características y condiciones de la MFC ..................................................................... 29
4.3.1. Oxigeno ............................................................................................................... 29
4.3.2. pH ........................................................................................................................ 30
4.3.3. Temperaturas ...................................................................................................... 30
4.3.4. Superficies del ánodo y del cátodo ..................................................................... 31
4.3.5. Otras variables externas ..................................................................................... 32
4.4. Avances y aplicaciones ................................................................................................ 32
5.Conclusiones ............................................................................................................. 34
6.Bibliografía ................................................................................................................ 36
7. ANEXO ..................................................................................................................... 39
7.1. Cronograma ................................................................................................................ 39
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 Esquema de la Celda de combustible microbiana. Las bacterias crecen en el ánodo,
oxidando materia orgánica y liberando electrones al ánodo y protones a la solución................. 9
Figura 2. Mecanismos de transferencia de electrones desde el microorganismo al ánodo. . 14
Figura 3. Mecanismo de transferencia de electrones desde el electrodo al microorganismo.
..................................................................................................................................................... 15
Figura 4. Flujograma de búsqueda seguido............................................................................ 18
Figura 5. Número de artículos de la revisión publicados por año .......................................... 19
Figura 6. Países de las publicaciones incluidas en la revisión ................................................ 19
Figura 7. Celda de combustible microbiana de micro fluidos... ............................................. 33
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1.Microorganismos reportados con la propiedad de transferencia de electrones
extracelular. ................................................................................................................................. 13
Tabla 2. Tabla síntesis de los artículos incluidos en la revisión .............................................. 20
8
1. INTRODUCCIÓN
1.1. Celdas de combustible microbianas
Una de las aplicaciones más importantes de la electroquímica es la conversión de energía
química en corriente eléctrica. Los dispositivos que realizan la conversión directa de energía
química a energía eléctrica se conocen como baterías y en ellos están incluidos los componentes
químicos que van a provocar las reacciones de oxidación-reducción. Cuando el dispositivo
funciona de forma que el reactivo se suministra desde una fuente externa para su oxidación y
generación de corriente eléctrica, se denomina celda o pila de combustible (Rajesh Arora, 2012).
Las celdas de combustible microbianas (CCM) o Microbial Fuel Cells (MFC) proporcionan una
opción para la producción sostenible de energía eléctrica a partir de compuestos biodegradables
y reducidos (Rabaey y Verstraete, 2005). Las MFC funcionan mediante la introducción de materia
orgánica y el cultivo de microorganismos que se encargan de llevar a cabo la oxidación de los
sustratos, de modo que una MFC convierte la energía bioquímica en energía eléctrica (Sharma
y Kundu, 2010).
Los microorganismos empleados pueden actuar como biocatalizadores y algunas especies
tienen la capacidad de transferir electrones fuera de la célula, lo que se conoce como
transferencia de electrones extracelular (TEE) (Aguilar-González, Buitrón, Shimada-Miyasaka, y
Mora-Izaguirre, 2016). Los microorganismos capaces de generar energía eléctrica son referidos
como exoeléctricos por su capacidad de transferir electrones fuera de la célula (Aguilar-González
et al., 2016).
1.1.1. Funcionamiento de las celdas
Las celdas presentan dos cámaras separadas, físicamente o mediante una membrana
semipermeable. En una de las cámaras se aloja un electrodo, el ánodo, que puede contar con
un mediador, mientras que en la otra cámara se aloja un segundo electrodo, el cátodo. El ánodo
y el cátodo están conectados a través de un circuito externo y los electrones fluyen desde el
ánodo hasta el cátodo (Sharma y Kundu, 2010).
Las MFC convencionales consisten en ánodos biológicos y cátodos abióticos, que
normalmente corresponden a catalizadores o mediadores en la transferencia de electrones
9
utilizados para alcanzar elevadas tasas de transferencia (Berchmans, Palaniappan, y
Karthikeyan, 2012).
Una cámara anaeróbica contiene sustratos orgánicos que, al oxidarse por acción de los
microorganismos, generan electrones, protones y CO2, los electrones liberados en la cámara
anaeróbica son captados por el ánodo (Revelo, Hurtado, y Ruiz, 2013).
Los electrones fluyen por el circuito externo hacia el cátodo como resultado de la diferencia
de potencial electroquímico entre la enzima respiratoria y un receptor de electrones en el
cátodo (Logan y Regan, 2006). Mientras que de manera simultánea los protones que se generan
en la cámara anaeróbica fluyen hacia la cámara catódica a través del separador donde se
combinan con el oxígeno para producir agua al reducirse con los electrones captados (Revelo et
al., 2013). La transferencia de los electrones desde el ánodo al cátodo debe coincidir con un
número igual de protones que se mueven entre estos electrodos para conservar la
electroneutralidad (Logan y Regan, 2006).
La corriente eléctrica se produce cuando el oxígeno u otras moléculas aceptoras, como
nitratos o sulfatos están presentes en la cámara catódica, si no están presentes la generación
eléctrica no es espontanea (Aguilar-González et al., 2016).
La Figura 1. Esquematiza los componentes de la MFC.
Figura 1 Esquema de la Celda de combustible microbiana. Las bacterias crecen en el ánodo, oxidando materia orgánica y liberando electrones al ánodo y protones a la solución (Extraído
de Sharma y Kundu, 2010)
10
El separador es un componente importante del sistema, ya que es una membrana que debe
permitir el paso a los protones desde la cámara anódica a la catódica e impedir el paso de las
sales que forman el electrolito y otras moléculas que puedan estar presentes en el medio. Esta
membrana puede ser de varios tipos y entre las más comunes están: las membranas de
intercambio de cationes, las membranas de intercambio de aniones, las membranas bipolares,
las membranas de microfiltración, el puente salino y la fibra de vidrio porosa (Revelo et al.,
2013).
Casi todas las celdas de combustible microbianas reportadas emplean bacterias como
catalizador, también conocidas como biocatalizadores. Los biocatalizadores son microrganismos
que pueden vivir en la superficie de los electrodos o en el electrólito. Hamelers et al. (2010)
indican que los microorganismos pueden ser utilizados en el ánodo, catalizando las reacciones
de oxidación y transfiriendo los electrones al electrodo, así como también pueden estar en el
cátodo para catalizar las reacciones de reducción. Es decir, puede haber microorganismos al
mismo tiempo en los dos electrodos.
Los biocatalizadores se pueden utilizar para aceptar electrones en el cátodo y así reemplazar
el uso de costosos catalizadores químicos.
Estos catalizadores químicos pueden ser de dos tipos (Revelo et al., 2013):
• Biocátodos aeróbicos. Utilizan el oxígeno como oxidante y microorganismos que asisten
a la oxidación de compuestos metálicos de transición, tales como Mn (II) o Fe (II), que
ceden electrones al oxígeno (Revelo et al., 2013).
• Biocátodos anaeróbicos. Algunas especies de microorganismos han desarrollado la
capacidad de transferir electrones al ánodo de la celda de combustible produciendo la
oxidación de la materia orgánica en medios anaeróbicos y en ausencia de dióxido de
carbono (CO2). Como aceptores terminales de electrones se utilizan diferentes
compuestos, como el nitrato, sulfato, Mn (IV), Fe (III), selenato o arsenato entre otros
(Rajesh Arora, 2012).
11
1.2. Microorganismos generadores de electricidad
1.2.1. Biofilms
Los biofilms o biopelículas son organizaciones microbianas compuestas por microorganismos
que se adhieren a una superficie gracias a la secreción de un exopolímero y presentan
características como heterogeneidad, diversidad de microambientes, resistencia a
antimicrobianos y capacidad de comunicación intercelular (Betancourth, Botero, y Rivera, 2004).
Se han encontrado muchos microorganismos anaerobios, como Gebacteraceae y
Shewanella, que pueden forman biopelículas anaeróbicas en los electrodos, sin embargo, hay
menos estudios sobre biopelículas aeróbicas que puedan trasferir electrones a los electrodos,
como en el estudio de Xu, Duan, y Hou, (2010). La microbiología de una biopelícula en la MFC y
las implicaciones de la ecología microbiana sobre el funcionamiento del sistema ha sido poco
estudiada.
1.2.2. Bacterias marinas
Las comunidades bacterianas que se desarrollan en los sistemas marinos muestran una gran
diversidad, que abarca principalmente desde las Proteobacterias δ, las cuales predominan en
las MFC de sedimentos hasta comunidades de Proteobacteriasα, β, γ o δ (Logan y Regan, 2006).
Las bacterias electroquímicamente activas parecen ser abundantes en una variedad de
muestras utilizadas para inocular las MFC, incluidas aguas residuales, lodos y sedimentos
fluviales y marinos (Logan y Regan, 2006). Una comparación de sedimentos marinos, agua
marina y aguas dulces reveló el predomino de las proteobacterias en estas muestras, siendo las
más predominantes g-Proteobacteria, Citophagales y Firmicutesen (Holmes et al., 2004).
1.2.2.1. Shewanella.
El primer genero reportado como productor de corriente en cultivo puro fue el género
Shewanella, el cual posee la capacidad de reducir metales a distancia sin necesidad de tener
contacto con un aceptor de electrones (Borole et al., 2011). La especie Shewanella putrefaciens,
es una bacteria Gram negativa marina, anaerobia facultativa capaz de reducir hierro y
manganeso, usándolos como aceptores finales de electrones en la cadena respiratoria (Sharma
y Kundu, 2010). Por otro lado, se ha reportado que otras especies de este género como S.
oneidensis también pueden transferir electrones al ánodo a través de la producción de
12
compuestos orgánicos reducibles reversiblemente o metabolitos secundarios con una densidad
de potencia de 3000 mW/m2 (Rabaey y Verstraete, 2005).
1.2.2.2. Geobacter.
Por medio de secuenciación del gen 16S rRNA se ha caracterizado la diversidad microbiana
de las biopelículas formadas en la superficie de los electrodos que se colocaron en ambientes
marinos. Se observó que miembros de la familia Geobacteraceae representan la mayoría de las
secuencias obtenidas (Holmes et al., 2004).
Geobacter metallireducens fue una de las primeras bacterias aisladas TEE y es una de las
estudiadas en este campo. G. metallireducens tiene la capacidad de transferir electrones a los
iones Fe (III) y Mn (IV), óxido de nitrógeno y sustancias de alto peso molecular, y permite la
transferencia de forma directa a los electrodos, generando pequeñas corrientes eléctricas
(Childers, Ciufo, y Lovley, 2002).
1.2.2.3. Otros microorganismos menos predominantes.
Se han identificado otros miembros de las δ-proteobacterias, como Cycloclasticus tipo I, que
predominan en los cátodos de sedimentos marinos, mientras que las alfa proteobacterias como
Rhodobactereaceae representan la mayoría de las bacterias presentes en los electrodos
ubicados en sedimentos de marismas (Holmes et al., 2004).
Kumar, Singh, Wahid, y Din (2015) muestran en su revisión los microorganismos más
relevantes y estudiados con propiedades TEE y en la Tabla 1 se indica la densidad de potencia
en mili watts por metro cuadrado o por metro cubico.
En la Tabla 1, a efectos de comparación, se debe tener en cuenta que muchas de las especies
que se indican producen energía eléctrica en condiciones diferentes.
13
Tabla 1.Microorganismos reportados con la propiedad de transferencia de electrones extracelular. Extraido de: Kumar et al. (2015)
Microorganismos Densidad de
potencia
Geobacter sulfurreducens Bacteria 3147 mA/m2
Geobacter metallireducens Bacteria 40 mW/m2
Shewanella oneidensis Bacteria 3000 mW/m2
Shewanella putrefaciens Bacteria 4.92 W/m3
Pseudomona saeruginosa Bacteria 4310 mW/m2
Rhodopseudomona spalustris Bacteria 2720 mW/m2
Ochrobactrum sp. Bacteria 2625 mW/m3
Chlorella vulgaris Alga 2485 mW/m3
Coriolus versicolor Alga 320 mW/m3
Arthrospira maxima Cianobacteria 10 mW/m3
Scenedesmus sp. Alga 1926 mW/m2
Cyanobacteria sp. Cianobacteria 114 mW/m2
Lysinibacillus sphaericus Bacteria 85 mW/m2
Thermincola ferriacetica Bacteria 12000 mA/m2
Desulfovibrio desulfuricans Bacteria 233 mA/m2
Klebsiella pneumonia Bacteria 199 mA/m2
Escherichia coli. Bacteria 3390 mA/m2
Saccharomy cescerevisiae Levadura 282 mA/m2
Citrobacter sp. Bacteria 205 mA/m2
1.2.3. Mecanismos de transferencia extracelular de electrones
En la MFC la transferencia de electrones ocurre principalmente en dos direcciones: en el
ánodo, de los microorganismos exoelectrógenos al electrodo y en el cátodo, del electrodo a los
microorganismos exoelectrógenos (Kumar et al., 2015).
1.2.3.1. Transferencia desde el microorganismo al ánodo
Se pueden transferir electrones directamente a un electrodo a través de tres mecanismos: la
transferencia de electrones de corto alcance a través de proteínas activas redox tales como
citocromos presentes en la superficie externa de la membrana celular bacteriana, la
14
transferencia de electrones por medio de mediadores redox o transportadores solubles de
electrones, y transferencia de electrones de largo alcance a través de pili conductivo, que es el
tipo de transferencia que se da cuando existen biopelículas en el ánodo (Figura 2) (Kumar et al.,
2015).
Figura 2. Mecanismos de transferencia de electrones desde el microorganismo al ánodo. Extraído de Kumar et al. (2015).
En los bioánodos se encuentran las bacterias electroquímicamente activas, que transfieren
los electrones directamente al ánodo a través de proteínas de membrana como los citocromos
tipo C, o de conductos proteicos denominados pili que sirven como nanoconductores. Otras
bacterias que no pueden hacerlo debido a la naturaleza no conductiva de su membrana celular
requieren de mediadores de electrones exógenos o endógenos, estos mediadores pueden
atravesar la membrana celular fácilmente, tomar electrones a partir de la cadena
transportadora, poseer una alta velocidad de reacción con el electrodo o tener buena solubilidad
(Revelo et al., 2013).
1.2.3.2. Transferencia desde el cátodo al microorganismo
Los mecanismos de transferencia de electrones a los biocátodos son similares a los del
bioánodo, en este proceso los microorganismos pueden llevar a cabo reacciones de
transferencia directa con participación importante de citocromos Tipo C e hidrogénasas y
15
reacciones indirectas con mediadores redox naturales como la pirroloquinolinaquinona (PQ)
(Revelo et al., 2013).
Aunque muchos exoelectrógenos ya han sido utilizados como biocátodos, los mecanismos
de transporte de electrones desde los electrodos a los microorganismos se han estudiado
relativamente poco y solo se dispone de una información limitada sobre ellos (Figura 3) (Kumar
et al., 2015).
Figura 3. Mecanismo de transferencia de electrones desde el electrodo al microorganismo. Extraído de Kumar et al. (2015).
2. METODOLOGÍA
2.1. Objetivos
2.1.1. Objetivo general
Describir las aplicaciones, e innovaciones sobre las celdas de combustibles bacterianas y
otros microorganismos generadores de electricidad presentes en ecosistemas marinos.
2.1.2. Objetivos específicos
A partir del objetivo general establecido se pretende cumplir con los siguientes objetivos
específicos que abarca este trabajo:
16
• Recopilar evidencias científicas de investigación en el desarrollo y aplicación de las
propiedades eléctricas de los microorganismos marinos como catalizadores en las celdas
eléctricas.
• Recopilar las familias, géneros o especies de microrganismos formadores de biopelículas
en los electrodos de las celdas de combustible microbiales marinas.
• Resaltar los beneficios de las celdas de combustibles microbiales en medios salinos /
agua de mar.
• Identificar las características y condiciones que modifican el funcionamiento de las MFC
en ambientes marinos.
• Evidenciar las aplicaciones y los avances y prototipos de las MFC marinas diseñadas en
los últimos años.
2.2. Tipo de estudio
El tipo de estudio realizado en este trabajo es una revisión bibliográfica y los artículos
resultantes de la búsqueda han sido analizados para sintetizar la información que nos interesa.
Se ha tratado de que los artículos de investigación incluyan los últimos estudios y avances
publicados sobre los microorganismos marinos con propiedades eléctricas y sus aplicaciones en
las celdas de combustible bacterianas.
2.3. Procedimiento de búsqueda
Para la identificación de los artículos seleccionados en la búsqueda bibliográfica se han
utilizado las siguientes fuentes bibliográficas electrónicas: la base de datos de PubMed de la
NBCI (National Bioinformatic Center Information), la base de datos de la Biblioteca en línea
Cochrane, SciELo, ScienceDirect, Scifinder, Google Scholar.
2.3.1. Estrategia de búsqueda
La búsqueda de artículos en estas bases de datos se realizó a través de las siguientes palabras
claves. Se realizaron dos búsquedas, la primera haciendo uso de las palabras claves en español
e inglés.
• Microorganismos marinos
• Celdas de combustible microbianas
17
• Agua de mar
• Electricidad
En inglés:
• Marine microorganism
• Microbial fuel cell
• Seawater
• Electricity
2.3.2. Elegibilidad de los artículos
Para el procedimiento de elección de los artículos, se procedió a realizar la lectura de los
títulos encontrados en las bases de datos. A partir de esto, se realizó una primera selección en
base a si el título aportaba información relevante sobre el tema seleccionado.
La elección de los artículos y referencias estuvo acotada por los principales filtros:
- Año de publicación: Artículos publicados los últimos 10 años (desde el 2009 hasta
2019)
- Idioma de publicación: Artículos en español o inglés.
- Tipo de publicación: Artículos de investigación, revisiones bibliográficas
sistemáticas, metaanálisis y reportes de casos.
- Disponibilidad: Se limitaron los resultados únicamente a los artículos que se
publicaron a texto completo.
De los artículos seleccionados por título, se eliminaron los repetidos o duplicados en las bases
de datos. De los artículos restantes se procedió a realizar la lectura del resumen presentado y
para la selección final se usaron los siguientes criterios de inclusión y exclusión:
Criterios de inclusión:
• Artículos que incluyan microorganismos (bacterias, cianobacterias y plancton como
catalizadores de ánodo o cátodo, y bacterias, cianobacterias y plancton en las celdas de
combustible).
• Artículos que se basen en celdas de combustibles con agua de mar, corrientes marinas,
o bentónicas o sedimentos.
18
Criterios de exclusión:
• Artículos con otros tipos de celdas de combustibles
• Artículos con otro tipo de organismos.
3. RESULTADOS
Se encontraron un total de 258 artículos en tres de las bases de datos utilizadas, de los cuales
fueron eliminados 221, puesto que el titulo no brindaba la información suficiente acerca del
tema o el enfoque de la investigación era diferente al que se había planteado por nuestra parte.
De los 37 artículos que quedaron se eliminaron los duplicados y los restantes fueron incluidos
para la lectura del resumen y posterior aplicación de los criterios de exclusión e inclusión,
quedando al final un total de 9 artículos. De fuentes bibliográficas de los artículos seleccionados,
se tomaron 3 artículos para ser incluidos en la revisión. Finalmente se seleccionaron 12 artículos
que cumplían con los filtros y criterios establecidos. A continuación, en la Figura 4, se presenta
el flujograma de la búsqueda bibliográfica seguido.
Figura 4. Flujograma de búsqueda seguido
19
En la tabla 2. Se establece una síntesis de los artículos incluidos para esta revisión.
Se encontró que la mayoría de los artículos incluidos se publicaron en el año 2010, durante
el año 2012 al2016, se intuye que la investigación sobre este campo fue limitada, volviendo a
ser tendencia en el año 2017 (Figura 5).
En cuanto a los países de publicación, el país con mayor número de publicaciones fue Estados
Unidos con el 34% de los artículos de esta revisión, seguido de Italia con 25% y Francia con el
17%, también se seleccionaron publicaciones provenientes de Bélgica, Omán y China (Figura 6).
Figura 5. Número de artículos de la revisión publicados por año
Figura 6. Países de las publicaciones incluidas en la revisión
20
Tabla 2. Tabla síntesis de los artículos incluidos en la revisión
Autor (Año) País Objetivo Metodología aplicada Principales resultados
(Al-Mamun,
Baawain, Dhar, y
Kim, 2017)
Omán
Explorar el potencial de la
aplicación de biopelículas
marinas aerobias
electroquímicamente activas
en el electrodo cátodo
Se utilizaron celdas de combustible
microbianas con cátodos osmóticos que
fueron operadas con dos condiciones
diferentes de oxígeno, uno regulado a
través de tubos convencionales y otro
regulado a través del uso de un difusor
de oxígeno de microporos
Tiempo: 26 días
Microrganismos: Proteobacteria α y
Proteobacteria γ
La celda con biocatalizadores aeróbicos
marinos en el cátodo aumentó de manera
exponencial la generación de voltaje tras 3 días
de inoculación. Después de 26 días, el potencial
alcanzado fue de 241 4 mV en la celda con
oxigenación convencional y 46 mV en las celdas
sin biopelículas marinas aerobias.
La tasa especifica de generación de energía
con suministro de aire convencional fue de 9.5
mV y con micro-difusor es de 20.2 mV.
(Babauta et al.,
2014) Estados Unidos
Cuantificar los cambios en
la concentración de oxígeno y
el pH en las superficies de
cátodos aclimatados y no
aclimatados que operan en la
MFC
La MFC trabaja con sedimentos y
agua de mar recolectada 165 días antes
de las mediciones. Se cuantifico el
oxígeno y los valores de pH junto con las
respuestas electroquímicas de los
cátodos aclimatados (microorganismos
pueblan la superficie del electrodo) y no
aclimatados (electrodo de carbón
desnudo)
Microrganismos: No establecido.
Los cátodos aclimatados con una corriente
limitada de 150 mV y de 400 mV sostienen la
generación de energía y producen ondas
catalíticas que sugieren reacciones catódicas
que influyen en el rendimiento catódico.
En los cátodos no aclimatados la corriente
solo fluye cuando el cátodo esta polarizado
debajo de -200 mV vs. Ag/AgCl no pudiendo
sostener la generación de energía.
Se encontró una concentración de oxígeno
superficial de aproximadamente 50% en los
cátodos aclimatados y un cambio de pH de 0.1.
En los no aclimatados no se encontró
21
concentración de oxígeno y un cambio de pH
de 0.7
(Erable et al.,
2013) Francia
Diseñar una MFC Marina
flotante
Se diseñó una MFC Marina flotante
con distancia entre electrodos constante.
Se utilizaron biocátodos marinos
aeróbicos, también se implementaron
ánodos microbiales. Las biopelículas
anódicas electroactivas se recolectaron
de una superficie inerte que fueron
formadas a partir de un inoculo de
sedimentos marinos.
Microrganismos: Geobacter
sulfurreducens
Este diseño permite la generación de
corriente estable para aplicaciones en entornos
donde la columna de agua es grande o están
sujetos a fluctuaciones como los efectos de las
mareas.
Se encontró una gran resistencia interna en
el diseño propuesto del sistema flotante. Esta
alta resistencia interna se explica
principalmente por un mal posicionamiento de
la membrana que separa el compartimento
anódico del agua de mar abierta.
(Hidalgo, Sacco,
Hernández, y
Tommasi, 2015)
Italia
Comparar el
comportamiento
electroquímico en continuo de
una población microbiana
mixta presente de forma
natural en agua de mar como
biopelícula anódica de dos
MFC utilizando fieltro de
carbono o carbono 3D
Una población microbiana mixta
presente de forma natural en el agua de
mar se utilizó como biopelícula anódica
activa de dos MFC, utilizando dos tipos de
electrodos ánodos:
• C-FELT: Fieltro de carbono (2D)
• C-SADDLES: Soportes
recubiertos de carbono (3D)
Se utilizó un inoculo de agua fresca
marina, enriquecido bajo condiciones
anaeróbicas.
Microrganismos: No se establece.
Cultivo mixto de mar
Se confirmó una transferencia de carga
mejorada en el electrodo 3D, debido a su gran
área de superficie de contacto, que indujo un
aumento en el crecimiento de bacterias,
produciendo una mayor densidad de potencia
22
(Li, Zhang, LeDuc,
y Gregory, 2011) Estados Unidos
Diseñar una MFC a µ-
escala, para la a generación de
electricidad por micro fluidos
Se utilizaron microelectrodos de
cromo y oro con 4 pulgadas de diámetro.
Se realizaron microcanales para el
sistema de micro fluido
Microrganismos: Geobacter
sulfurreducens, Shewanella oneidensis.
Cultivos puros en condiciones
anaeróbicas
G. sulfurreducens: 18.40 mAm-2
S. oneidensis: 25.4 mAm-2
Ambas especies pueden producir energía
eléctrica.
La celda de combustible biológica a escala µ
introduce el tamaño pequeño y la flexibilidad
de combustible necesarios para aplicaciones de
sensores in vivo e in situ que pueden
implementarse de forma remota y
autoalimentarse.
(Margaria et al.,
2017) Italia
Caracterizar la adaptación
de la comunidad microbiana a
los posibles cambios del pH
ambiental y definir los límites
extremos de pH más allá de los
cuales no trabajan
correctamente las MFC.
Se realizaron pruebas por triplicado
utilizando diferentes valores de pH de
alimentación (alimentación de pH
entre 3 y 13)
Microrganismos: Clostridium,
Geobacter, Shewanella y Metanógenos
Las condiciones con valores de pH entre 8 y
10 correspondieron a la formación de una
biopelícula más densa junto con el mejor
rendimiento en términos de densidad de
potencia máxima.
Se encontró que a valores inferiores a 5,5 o
superiores a 10, se producía una fuerte caída
en el rendimiento de MFC
(Schilirò et al.,
2016) Italia
Identificar las bacterias
planctónicas presentes en la
producción de electricidad en
una MFC y establecer la
relación con los diferentes
materiales anódicos a base de
carbono
Se evaluó la distribución de bacterias
entres materiales anódicos de las MFC:
• C-FELT (Fieltro)
• C-PANI (Polianilina)
• C-SADDLES (soportes
recubiertos de carbono)
Se observaron diferencias para las bacterias
totales, Geobacter y Shewanella.
El C-PANI demostró la máxima densidad de
potencia de 28,5 W/m3 en comparación con el
C-FELT (4,7 W/m3) y los C-SADDLES (4,6 W/m3)
23
Microrganismos: Clostridium,
Geobacter, Shewanella, Saccharomyces. El mayor número de microbios planctónicos
electroquímicamente activos fue observado en
el C-FELT, mientras que la MFC C-PANI tenía el
material óptimo del ánodo a base de carbono.
(Vandecandelaer
e et al., 2010) Bélgica
Investigar la composición
microbiana de una biopelícula
marina formada en una
superficie catódicamente
polarizada en electrodos de
acero inoxidable
Se colocó en agua de mar un
electrodo catódicamente polarizado. Se
aislaron las biopelículas y se identificaron
las especies presentes mediante un
enfoque taxonómico polifásico destinado
a integrar diferentes tipos de
información.
Se usaron tres tipos de cultivos
diferentes:
• MA: Agar Marino
• R2A:
• TSA: Trypticase agar de soja
Se obtuvieron trescientos cincuenta y seis
aislamientos. Los resultados mostraron que los
aislados representaban diferentes grupos
filogenéticos, incluidos los miembros de las
bacterias Alpha y Gamma proteobacteria, el
filo Firmicutes,la familia Flavobacteriacae y el
filo Actinobacteria.
La fracción microbiana cultivable de una
biopelícula electroactiva marina es muy diversa
filogenéticamente.
(Xu et al., 2010) China
Investigar la transferencia
de electrones entre
biopelículas aeróbicas marinas
y electrodos de grafito
utilizando una serie de
métodos electroquímicos
Se utilizaron electrodos de grafito, las
biopelículas se formaron sobre estos
electrodos en agua de mar durante 20
días, se retiraron asépticamente del
sistema y se enjuagaron suavemente con
agua para eliminar las células no unidas.
Microorganismos: Alpha y Gamma
proteobacteria, el filo firmicutes, la
género flavobacteriacae y el filo
actinobacteria.
Los resultados preliminares indicaron la
existencia de transferencia de electrones
entre biopelículas aeróbicas y electrodos de
grafito.
Algunas especies de citocromos en
biopelículas bacterianas puede desempeñar un
papel clave en el proceso de transferencia de
electrones
24
(Erable et al.,
2010) Francia
• Reconstruir biopelículas
electroquímicamente
activas (EA) en condiciones
de laboratorio fáciles de
manejar, es decir, en
recipientes electroquímicos
cerrados.
• Avanzar en la comprensión
de los mecanismos de
catálisis microbiana
mediante la identificación y
el aislamiento de cepas
microbianas que formaban
las biopelículas de agua de
mar.
Las biopelículas se formaron en agua
de mar natural sobre electrodos de
acero inoxidable, se sumergieron
durante unos días para polarizarse a -200
mV vs. Ag/AgCl. Estas biopelículas
salvajes, electroquímicamente activas
(EA) fueron raspadas, suspendidas en
agua de mar y utilizadas como inóculo
Para el aislamiento se retiró la
biopelícula (con ultrasonidos) y se
usaron Agar marino y el medio Broth
marino para el cultivo.
Se demostró que la baja disponibilidad de
nutrientes es una limitación importante.
La utilización de un reactor abierto
alimentado continuamente con agua de mar
filtrada multiplicó la densidad de corriente por
un factor de alrededor de 20, hasta 60 μA /cm2.
Se identificaron más de 30 especies
diferentes. Winogradskyella poriferorum y
Acinetobacter johsonii dieron densidades de
corriente de respectivamente 7% y 3% de la
corriente obtenida con la biopelícula silvestre
utilizada como inóculo
(Huang et al.,
2012) Estados Unidos
Diseñar una celda de
combustible microbiana
flotante (FMFC) y se evaluó su
rendimiento para
153 días
Se diseñó una MFC flotadora. Se
retiró la biopelícula y se realizó la
extracción de DNA, y PCR, además del
análisis
Microorganismos: proteobacterias
beta y gamma, y las pseudoalteromonas
Este sistema MFC puede ser instalado en
una boya y no está limitado por la profundidad
del océano. La MFC flotadora diseñada tiene el
potencial de suministrar electricidad a
dispositivos electrónicos de bajo consumo en
ubicaciones remotas
(Nevin, Zhang,
Franks, Woodard, y
Lovley, 2011)
Estados Unidos
Determinar si se podría
producir energía en una MFC
de G. sulfurreducens
Se diseñó un sistema que análogo al
observado en los sedimentos acuáticos.
En la que se colocó un donante de
electrones en el ánodo para que este se
La cámara y el acetato como fuente de
combustible externa, producen corriente igual
de bien en condiciones aeróbicas.
25
suspendida en agua de mar
aeróbica.
difundiera a través del material de
grafito poroso proporcionando una zona
anaeróbica natural dentro de la
biopelícula (donde las células de la
superficie externas estarían expuestas al
oxígeno disuelto, consumirían el oxígeno
dejando una zona interna anaeróbica en
donde se consume el acetato con la
trasferencia de electrones al ánodo)
Microorganismo: Geobacter
sulfurreducens
Los sistemas aeróbicos en los que se
proporcionó acetato en el medio externo
produjeron un declive en la actividad de
corriente de la MFC en 48 h.
La capacidad de generar corriente con un
ánodo en condiciones aeróbicas aumenta el
potencial de las aplicaciones y opciones de
diseño para pilas de combustible microbianas
26
4. DISCUSIÓN
4.1. Microorganismos identificados.
Al-Mamun et al. (2017) realizó un estudio exhaustivo sobre estas comunidades bacterianas
mediante secuencias de genes 16S rRNA y se clasificaron en 7 filamentos diferentes, incluyendo
α-proteobacterias, β-proteobacterias, ƴ-proteobacterias, bacteroidetes, firmicutes,
actinobacterias y verrucomicrobia.
La proporción de α-proteobacterias aumentó del 12%, a las 3 horas de muestreo, al 41% tras
40 horas. Se identificaron cinco clones diferentes de alfa-proteobacterias, Auranti-monas,
Bradyrhizobium, Loktanella, Pelagibacter, Methylobacterium. En cuanto a las ƴ-proteobacterias,
fue la comunidad más grande en las 3 primeras horas, ocupando el 53% del cultivo. Sin embargo,
su proporción disminuyo a 29% a las 40 horas (Al-Mamun et al., 2017).
Los análisis realizados por Erable et al. (2013) en la biopelícula formada sobre el cátodo en
mar abierto revelaron la presencia de alfa y Gamma-proteobacteria, Firmicutes, Bacteroidetes
(género Flavobacteriaceae) o Actinobacterias. Las biopelículas se formaron directamente en
aguas abiertas sobre los cátodos de acero inoxidable, los electrodos fueron polarizados en el
agua de mar circuncidante, en la capa más oxigenada de la columna de agua de mar y tuvieron
un mes de exposición al agua de mar.
Un estudio enfocado en la identificación de las especies presentes en las biopelículas
demostró que los aislados representaban diferentes grupos filogenéticos coincidiendo con los
resultados antes mencionados, incluidos los miembros de las bacterias Alpha y Gamma
proteobacteria, el filo firmicutes, el género flavobacteriacae y el filo actinobacteria,
demostrando que la fracción microbiana cultivable de una biopelícula electroactiva marina es
muy diversa filogenéticamente, con un predominio de las gamma y alfa proteobacterias en una
biopelícula electroquímicamente activa. Todos los aislamientos exhibieron alta eficiencia hacia
la catálisis de reducción de oxígeno, de modo que se puede afirmar que estas bacterias están
involucradas en la electroactividad (Vandecandelaere et al., 2010).
27
En concordancia con los antecedentes para el diseño de nuevos prototipos de MFC, autores
como Li et al., (2011) optan por utilizar cepas bacterianas conocidas con capacidad respiratoria
en las MFC, como Geobacter sulfurreducens y Shewanella oneidensis.
La corriente producida por Geobacter sulfurreducens se da aproximadamente 3 días después
de la inoculación y aumenta constantemente durante varios días, indicando la adaptación a la
respiración anódica y al crecimiento de la biopelícula sobre el electrodo. La densidad de
corriente comenzó a disminuir a partir del día 6 y el día 8 se produjo el cese por completo de la
actividad eléctrica. Por otro lado S. Oneidensis a diferencia de G. sulfurreducens puede crecer
aeróbicamente y exhibir claramente un mecanismo alternativo para externalizar electrones a la
superficie de los electrodos, por lo que esta especie produce el intercambio que permite que la
MFC mantenga la corriente después de las 36 horas de la inoculación y 24 horas antes que G.
Sulfurreducens, alcanzando una corriente máxima mayor que G. sulfurreducens (Li et al., 2011).
El resultado es que ambas lograron producir electricidad, pero con distintos mecanismos de
transferencia de electrones al ánodo y distinta tolerancia para el oxígeno. Esto brinda la
oportunidad de adaptar el diseño de las celdas a las condiciones ambientales y características
del microorganismo (Li et al., 2011).
En el estudio de Margaria et al. (2017), donde se realizan ensayos a distintos pH, ácidos y
básicos, en la composición de los inóculos de las comunidades marinas se encontró la presencia
de Clostridium, Geobacter, Shewanella y Metanógenos. En mayor proporción encontraron
bacterias reductoras de sulfato total (SRB) y bacterias oxidantes de sulfato total (SOB), mientras
que Shewanella y Clostridium se presentaron en bajos porcentajes. La presencia limitada de las
Proteobacterias puede explicar los bajos rendimientos generales de los dispositivos
presentados, independientemente de la variación del pH. Las MFC ácidas presentaron un menor
número de bacterias totales y específicamente una disminución del número de SRB, SOB y
Shewanella (Margaria et al., 2017)
Se demostró que las poblaciones bacterianas que se encuentran en el compartimento
anódico eran distintas en comparación con los inóculos, lo que sugiere que las estructuras de la
población microbiana cambian durante la operación FMFC. El análisis filogenético demostraba
que las secuencias bacterianas obtenidas tanto de los inóculos como del ánodo pertenecían a
las proteobacterias beta y gamma, mientras que las pseudoalteromonas eran exclusivas de la
comunidad anódica (Huang et al., 2012).
28
4.2. Beneficios de la generación de biopelículas en los electrodos de las
celdas.
Se ha encontrado que el poder eléctrico de las MFC depende de la colonización microbiana
del ánodo, la disponibilidad y la concentración del donante de electrones (Li et al., 2011)
Al-Mamun et al. (2017) usaron las bacteriasα-proteobacterias y β-proteobacterias, como
biocatalizadores para reducir el oxígeno en la superficie del cátodo mediante la recuperación de
electrones, se encontró que durante los primeros dos días de inoculación el sistema generó una
cantidad muy insignificante de potencial celular. A partir del tercer día el potencial celular
comenzó a aumentar exponencialmente seguido de un aumento gradual, indicando el
crecimiento de la biopelícula en el electrodo anódico, donde las biopelículas EA producían
electrones a partir del proceso de degradación orgánica.
Se realizó un ensayo para verificar la importancia de la presencia de los biocatalizadores
utilizando circulación de agua de mar esterilizada sin microbios de siembra, dando como
resultado un potencial 5,3 veces menor que en el ensayo en donde se usaron estos
biocatalizadores. Estos resultados demostraron que el biocatalizador marino en la MFC
Osmótica es una alternativa más segura y sostenible para aplicaciones a gran escala en relación
al coste y los beneficios ambientales (Al-Mamun et al., 2017).
Otra investigación demostró que las densidades obtenidas en el electrodo cuyo inoculo parte
de cultivos puros fueron más bajas que las obtenidas con biofilms silvestres (Erable et al., 2010).
Del cultivo que los autores emplean solo dos cepas reportadas exhiben propiedades eléctricas,
de manera intuitiva se podría pensar que cultivos puros de una misma cepa, tendría resultados
favorables, sin embargo, se encontró una eficiencia menor en las biopelículas surgidas de estos
cultivos puros, por lo que los autores establecen que de estos resultados se pueden aplicar dos
supuestos que pueden ser tratados como diferentes o complementarios. Por un lado, se puede
pensar que la alta eficiencia de las biopelículas mixtas naturales se debe a interacciones
sinérgicas entre diferentes cepas (con o sin actividad eléctrica) que potencian las propiedades
de una. Otra de las asunciones es que la mayoría de las cepas salvajes pierden las propiedades
de actividad eléctrica durante el cultivo intermedio (Erable et al., 2010)
29
4.3. Características y condiciones de la MFC
4.3.1. Oxigeno
El resultado encontrado por Al-Mamun et al. (2017) demostró que el uso de difusores de aire
de microporo para el suministro de oxígeno catódico aumenta en gran medida la capacidad
bioeléctrica de la MFC. Se encontró que la tasa especifica de generación de energía fue mayor
con el micro difusor en un 112%. Los autores establecen que la micro difracción de aire produce
una mayor concentración de oxígeno disuelto en la cámara del cátodo, lo cual mejora la
recuperación de una mayor cantidad de electrones. Los electrones recuperados redujeron las
moléculas de oxígeno en el agua y se utilizaron como fuente de energía metabólica para las
biopelículas catódicas, enriqueciendo su crecimiento (Al-Mamun et al., 2017).
En el trabajo de Babauta et al. (2014) se combinaron mediciones de oxígeno con análisis
electroquímicos de cátodos de la MFC de sedimentos de agua de mar para identificar los
mecanismos de la reacción catódica de la aclimatación y la colonización, siendo la aclimatación
el proceso por el cual los microbios pueblan la superficie del electrodo bajo un sobre potencial
aplicado. Se encontró que en los cátodos no climatizados la corriente solo comenzó a fluir si el
electrodo estaba polarizado por debajo de 200 mV vs. Ag/AgCl, no sosteniendo la generación de
energía. Por otro lado, el cátodo aclimatado generó una corriente de electrodo de más de 450
mV, por lo que es posible que el reactivo catódico para el cátodo aclimatado podría no ser
oxigeno sino otro reactivo catódico alternativo (Babauta et al., 2014).
Otro aspecto importante, es que la muerte de la biopelícula puede ocurrir cuando se
proporcionan tanto acetato como oxígeno en el medio externo a causa de la producción de
radicales libres que producen estrés oxidativo. A medida que las células de la superficie externa
mueren debido al estrés oxidativo habrá altos niveles de acetato y oxigeno disponibles en niveles
sucesivamente mas bajos de la biopelícula, lo que resultará en la muerte de toda la biopelícula
(Nevin et al. 2011).
Contrariamente cuando se proporciona acetato desde el propio ánodo, se espera que las
concentraciones de acetato y, por lo tanto, las tasas de metabolismo sean más altas en la
profundidad de la biopelícula, que permanece anaeróbica. Las tasas más bajas de metabolismo
en la superficie externa, debido a la baja disponibilidad de acetato, pueden ser suficientes para
consumir oxígeno, sin una producción excesiva de radicales, reduciendo el nivel de estrés
oxidativo. Luego los electrones liberados en las biopelículas, principalmente cerca de la fuente
30
de acetato con ánodos alimentados internamente, pueden ser dirigidos no solo al ánodo, sino
también a la superficie exterior de la biopelícula donde hay oxígeno disponible (Nevin et al.
2011)
4.3.2. pH
Margaria et al. (2017) investigaron sobre la adaptación de las comunidades microbianas
marinas, frente a los posibles cambios ambientales de pH para definir los limites extremos en
los que la MFC pueda trabajar correctamente. Encontraron que tan pronto como el pH del ánodo
se desviaba de la neutralidad, afectaba el rendimiento de la MFC. Un aspecto relevante es que
una vez que el sistema era llevado de nuevo a la neutralidad, sobrevivía a las condiciones
extremas y reiniciaba el trabajo de manera efectiva, por lo que se observa una alta capacidad de
adaptación y recuperación en la biopelícula formada a partir de comunidades microbianas
marinas, incluso en condiciones extremas.
Una aplicación de esto pueden ser las bacterias heterotróficas marinas que poseen límites
máximos de tolerancia acida y básica de 6.5 y 9.5. Por otro lado, bajo pH de 5 y 11 también
intervienen los mecanismos de amortiguación de las biopelículas, como las sustancias
exopoliméricas (EPS) secretadas y la capacidad de liberación de protones cuando el pH aumenta
y la capacidad de unión de protones cuando el pH disminuye (Margaria et al., 2017).
El sistema MFC, con pH neutros y básicos (7 y 11) no muestra diferencia en el rendimiento,
sin embargo, en el caso de las MFC con un pH acido de 5, se produce un efecto ligeramente
negativo sobre el rendimiento y la reducción de corriente y densidad de potencia máxima,
principalmente porque determinan una condición inadecuada para la supervivencia y
crecimiento de los microorganismos que forman la biopelícula del electrodo (Margaria et al.,
2017).
4.3.3. Temperaturas
En un sistema MFC flotador se encontró una disminución del potencial eléctrico cuando se
observaba una disminución de temperatura, lo que posiblemente se debe a la reducción de las
actividades microbianas en el ánodo y por lo tanto al crecimiento del potencial de reposo (Huang
et al., 2012). Es posible que la disminución de la temperatura del agua debido al cambio
estacional afecte a las reacciones anódicas.
31
4.3.4. Superficies del ánodo y del cátodo
En el estudio realizado por Hidalgo et al. (2015) se destaca la importancia de los materiales y
formas usados para el ánodo y cátodo en la generación electica. El material del ánodo y la
biopelícula adjunta, son unos de los principales factores que influyen en este proceso. En su
experimento los soportes cubiertos de carbono (C- SADDLES) permitieron un área mayor para
el crecimiento de la biopelícula, lo que generaba una mayor cantidad de electricidad. Por el
contrario, en los C-FELT, fieltros de carbono, disminuye el potencial eléctrico a lo largo del
tiempo, mientras que en los C-SADDLES se mantiene constante, lo que confirma que se produce
una mejor transferencia de carga en los electrodos 3D debido a su amplia superficie de área de
contacto.
En el estudio realizado por Schilirò et al. (2016), contrariamente a lo establecido por Hidalgo
et al. (2015) se encontró que la cantidad de microorganismos siempre fue mayor en los C-FELT
que en los C-SADDLES. Esta diferencia se debió probablemente a la muestra directa del
componente planctónico en lugar de biopelícula anódica, porque como se estableció
anteriormente los sillines Berl proporcionan una mayor superficie para la adhesión. Por otro
lado, no se observaron diferencias significativas para Geobacter y Shewanella, que disminuyeron
en C-FELT y permanecieron constantes en C-SADDLES.
El C-FELT presenta menos fluctuaciones probablemente debido a la pobre adhesión
bacteriana al electrodo y con C-PANI se encuentran resultados más estables ya que se facilita la
transferencia de electrones de microorganismos al electrodo. Sin embargo, no se observaron
diferencias significativas entre C-FELT y C-PANI en cuanto al total de bacterias. En cuanto a las
especies encontradas Clostridium disminuyó en las C-FELT y se mantuvo constante en C-PANI,
en ambos casos el número de Geobacter aumentó mientras que el número de Saccharomyces
disminuyó, y Shewanella permaneció constante (Schilirò et al.,2016). En cuanto a la densidad de
potencia y corriente máxima, la celda de C-PANI tuvo valores más altos en un orden de
magnitud.
Otra de las investigaciones ofreció una alternativa al implementar los electrodos de grafito
en vez de acero inoxidable en agua de mar natural. Con estos electrodos se registraron
potenciales de circuito abierto durante la formación de biopelículas y esta investigación ha sido
la primera observación sobre un fenómeno similar para el grafito inerte como electrodo en agua
de mar natural (Vandecandelaere et al., 2010). Una de las características principales fue
observar que la corriente de reducción aumentó notablemente cuando el electrodo de grafito
se revistió con biopelículas en agua de mar en un entorno anaerobio. Eso indicó que existían
32
especies activas que son responsables del proceso de transferencia de electrones de biopelículas
marinas (Vandecandelaere et al., 2010).
4.3.5. Otras variables externas
Cuando las MFC son implementadas en entornos abiertos, como el mar, existen diversos
factores que pueden modular y perturbar la actividad del sistema. Uno de estos es el
ensuciamiento de los cátodos, lo que podría afectar el rendimiento. De hecho, se ha observado
una cobertura significativa por flora marina sobre la superficie del electrodo catódico después
de tres meses de funcionamiento. Sin embargo, aparentemente no fue un factor importante
que afectara el rendimiento de la MFC, ya que se demostró que la impedancia del cátodo no
había cambiado mucho con el tiempo (Huang et al., 2012).
4.4. Avances y aplicaciones
El estudio de Erable et al. (2013) demostró que el esquema clásico de la MFC bentónica
aplicado en mar abierto, no tiene interés cuando se utiliza una distancia ánodo-cátodo de más
de 1 metro. La idea de trabajar con una distancia constante mediante una MFC marina flotante
se ha mostrado válida, sin embargo, queda por delante la optimización del prototipo presentado
por los autores. Este estudio demostró densidades de potencia comparables a las bentónicas de
aproximadamente 20 W/m2.
Li et al., (2011) se basa en la tecnología MFC que se validó utilizando dos cepas bacterianas
diferentes con actividad eléctrica comprobada, Geobacter sulfurreducens y Shewanella
oneidensis, las cuales efectúan una colonización específica del ánodo por medio de cultivos
puros. Este enfoque representó la oportunidad para el diseño de un dispositivo generador de
energía a escala sub-µL que puede ser implementado para ciertos dispositivos electrónicos de
detección remota y biológica donde la tecnología de baterías convencionales no funcionaría. La
figura 7 describe la estructura y el funcionamiento de estas micro celdas.
33
Figura 7. Celda de combustible microbiana de micro fluidos. A) Estructura de las celdas. B)
Espectroscopia de la colonización bacteriana en el ánodo. C) mMFC con tinte azul en una entrada
que confirma la capacidad de establecer condiciones de flujo laminar. D) múltiples unidades
mMFC en una oblea de vidrio confirmando nuestra capacidad de multiplexar este sistema
utilizando técnicas litográficas. Extraído de: Li et al., (2011).
En su trabajo se operan las celdas de combustible durante 2 semanas y se demuestra su
capacidad para formar biopelículas estables. Sin embargo, es necesaria la optimización de las
condiciones de nutrientes y donantes del suministro de electrones, y para el control y
prevención del sobrecrecimiento de películas cuando los nutrientes están en gran abundancia
(Li et al., 2011).
Una ventaja significativa de las µMFC pre-colonizadas con G. sulfurreducens es que pueden
ser utilizadas para las detecciones de sensores clínicos y ambientales, su funcionamiento fue
probado aumentando y disminuyendo las concentraciones de acetato en el medio, encontrando
una respuesta aproximadamente lineal (Li et al., 2011).
El estudio en el que se emplea un sistema de MFC marino sin necesidad de estar en un
ambiente anaeróbico muestra el aumento de sus potenciales aplicaciones. Este enfoque
requiere que se proporcione un combustible dentro del interior del ánodo, lo que podría hacerlo
inapropiado para algunas aplicaciones, ya que el suministro de combustible de acetato durará
750 días, suponiendo un 50% de eficiencia de conversión del acetato a corriente. Por lo tanto,
estos resultados sugieren que el suministro de biopelículas anódicas con combustible desde el
interior del ánodo podría ofrecer una estrategia para la producción a largo plazo con materiales
no tóxicos y no explosivos de bajo coste
34
5. CONCLUSIÓN
El objetivo principal de esta revisión era describir las aplicaciones a nivel de laboratorio e
industrial de las investigaciones sobre las celdas de combustibles bacterianas y otros
microorganismos marinos generadores de electricidad.
• Se observa que los principales microorganismos marinos usados como biocatalizadores
y formadores de biopelículas en el electrodo de las celdas fueron los filamentos α-
proteobacterias, β-proteobacterias, ƴ-proteobacterias, bacteroidetes, firmicutes,
actinobacterias y verrucomicrobia. Especialmente las proteobacterias, especies como
Geobacter sulfurreducens y Shewanella oneidensis. Se encontró también Clostridium,
levaduras y pseudoalteromonas.
• Se establece que los inóculos y biofilms silvestres son más eficientes que los de cultivos
puros, en cuanto a la generación eléctrica y la constancia del potencial eléctrico.
• Se confirma el beneficio de las biopelículas marinas en los electrodos en el aumento del
potencial, que es hasta 5 veces mayor que en los ensayos con MFC marinas sin
biocatalizadores, siendo esta una aplicación segura y sostenible.
• Se evaluaron las características y condiciones óptimas para el funcionamiento de las
MFC marinas, como el suministro de oxígeno, los cambios de temperatura, el cambio de
pH, las superficies y materiales de los electrodos, y otras variables externas del medio
marino que modulan el rendimiento de las MFC.
• Se discuten los avances en diseños y prototipos de los estudios, como una MCF a escala
micro, la MFC flotadora y la MFC de ánodo en medios aeróbicos.
5.1. Conclusion
The main objective of this review was to describe the laboratory and industrial applications
of research on bacterial fuel cells and other electricity generating marine micro-organisms.
• It is observed that the main marine microorganisms used as biocatalysts and biofilm
formers in the cell electrode were the α-proteobacteria, β-proteobacteria, ƴ-
proteobacteria, bacteroidetes, firmicutes, actinobacteria and verrucomicrobia.
35
Especially the proteobacteria, species like Geobacter sulfurreducens and Shewanella
oneidensis. Clostridium, yeasts and pseudoalteromonas were also found.
• It is established that wild inocula and biofilms are more efficient than those of pure
cultures, in terms of electricity generation and constancy of electrical potential.
• The benefit of marine biofilms on the electrodes in the increased potential is
confirmed, which is up to 5 times greater than in tests with marine MFCs without
biocatalysts, making this a safe and sustainable application.
• Optimal characteristics and conditions for the operation of marine CFMs were
evaluated, such as oxygen supply, temperature changes, pH change, electrode
surfaces and materials, and other external variables of the marine environment that
modulate the MFC performance.
• Discussion of advances in study designs and prototypes, such as micro-scale MCF,
float MFC, and anode MFC in aerobic environments.
36
6. BIBLIOGRAFÍA
Aguilar-González, M., Buitrón, G., Shimada-Miyasaka, A., y Mora-Izaguirre, O. (2016). Estado
actual de los sistemas biolectroquímicos: Factibilidad de su uso para aumentar la
producción ruminal de propionato. Agrociencia, 50, 149–166.
Al-Mamun, A., Baawain, M. S., Dhar, B. R., y Kim, I. S. (2017). Improved recovery of bioenergy
and osmotic water in an osmotic microbial fuel cell using micro-diffuser assisted marine
aerobic biofilm on cathode. Biochemical Engineering Journal, 128, 235–242.
https://doi.org/10.1016/j.bej.2017.09.020
Babauta, J. T., Hsu, L., Atci, E., Kagan, J., Chadwick, B., y Beyenal, H. (2014). Multiple cathodic
reaction mechanisms in seawater cathodic biofilms Operating in sediment microbial fuel
cells. ChemSusChem, 7(10), 2898–2906. https://doi.org/10.1002/cssc.201402377
Berchmans, S., Palaniappan, A., y Karthikeyan, R. (2012). Electrical Energy from Wineries—A
New Approach Using Microbial Fuel Cells. In Food Industry Wastes (pp. 237–247).
Academic Press.
Betancourth, M., Botero, J., y Rivera, P. (2004). Biopelículas: una comunidad microscÛpica en
desarrollo. Colomb Med, 35(1), 34–39.
Borole, A. P., Reguera, G., Ringeisen, B., Wang, Z. W., Feng, Y., y Kim, B. H. (2011, December 22).
Electroactive biofilms: Current status and future research needs. Energy and
Environmental Science. The Royal Society of Chemistry.
https://doi.org/10.1039/c1ee02511b
Childers, S. E., Ciufo, S., y Lovley, D. R. (2002). Geobacter metallireducens accesses insoluble
Fe(III) oxide by chemotaxis. Nature, 416(6882), 767–769.
https://doi.org/10.1038/416767a
Erable, B., Lacroix, R., Etcheverry, L., Féron, D., Delia, M., y Bergel, A. (2013). Marine floating
microbial fuel cell involving aerobic biofilm on stainless steel cathodes. Bioresource
Technology, 142, 510–516. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2013.05.063
Erable, B., Vandecandelaere, I., Faimali, M., Delia, M. L., Etcheverry, L., Vandamme, P., y Bergel,
A. (2010). Marine aerobic biofilm as biocathode catalyst. Bioelectrochemistry, 78(1), 51–
56. https://doi.org/10.1016/j.bioelechem.2009.06.006
37
Hamelers, H. V. M., Ter Heijne, A., Sleutels, T. H. J. A., Jeremiasse, A. W., Strik, D. P. B. T. B., y
Buisman, C. J. N. (2010, February). New applications and performance of
bioelectrochemical systems. Applied Microbiology and Biotechnology. Springer Verlag.
https://doi.org/10.1007/s00253-009-2357-1
Hidalgo, D., Sacco, A., Hernández, S., y Tommasi, T. (2015). Electrochemical and impedance
characterization of Microbial Fuel Cells based on 2D and 3D anodic electrodes working with
seawater microorganisms under continuous operation. Bioresource Technology, 195, 139–
146. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.06.127
Holmes, D. E., Bond, D. R., O’Neil, R. A., Reimers, C. E., Tender, L. R., y Lovley, D. R. (2004).
Microbial communities associated with electrodes harvesting electricity from a variety of
aquatic sediments. Microbial Ecology, 48(2), 178–190. https://doi.org/10.1007/s00248-
003-0004-4
Huang, Y., He, Z., Kan, J., Manohar, A. K., Nealson, K. H., y Mansfeld, F. (2012). Electricity
generation from a floating microbial fuel cell. Bioresource Technology, 114, 308–313.
https://doi.org/10.1016/j.biortech.2012.02.142
Kumar, R., Singh, L., Wahid, Z. A., y Din, M. F. M. (2015, June 25). Exoelectrogens in microbial
fuel cells toward bioelectricity generation: A review. International Journal of Energy
Research. John Wiley and Sons Ltd. https://doi.org/10.1002/er.3305
Li, Z., Zhang, Y., LeDuc, P. R., y Gregory, K. B. (2011). Microbial electricity generation via
microfluidic flow control. Biotechnology and Bioengineering, 108(9), 2061–2069.
https://doi.org/10.1002/bit.23156
Logan, B. E., y Regan, J. M. (2006, December 1). Electricity-producing bacterial communities in
microbial fuel cells. Trends in Microbiology. Elsevier Current Trends.
https://doi.org/10.1016/j.tim.2006.10.003
Margaria, V., Tommasi, T., Pentassuglia, S., Agostino, V., Sacco, A., Armato, C., … Quaglio, M.
(2017). Effects of pH variations on anodic marine consortia in a dual chamber microbial
fuel cell. International Journal of Hydrogen Energy, 42(3), 1820–1829.
https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.07.250
Nevin, K. P., Zhang, P., Franks, A. E., Woodard, T. L., y Lovley, D. R. (2011). Anaerobes unleashed:
Aerobic fuel cells of Geobacter sulfurreducens. Journal of Power Sources, 196(18), 7514–
38
7518. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2011.05.021
Rabaey, K., y Verstraete, W. (2005, June 1). Microbial fuel cells: Novel biotechnology for energy
generation. Trends in Biotechnology. Elsevier Current Trends.
https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2005.04.008
Rajesh Arora. (2012). Microbial Biotechnology: Energy and Environment . CAB International.
Retrieved from
https://books.google.es/books?hl=esylr=yid=zQOwOjeU55wCyoi=fndypg=PA58ydq=elect
rocytes+microorganismsyots=3oRUHFliYLysig=XUabaPyFhLWwrKUrMK0xnD6w8FUyredir
_esc=y#v=onepageyqyf=false
Revelo, D. M., Hurtado, N. H., y Ruiz, J. O. (2013). Celdas de combustible microbianas (CCMs):
Un reto para la remoción de materia orgánica y la generación de energía eléctrica.
Informacion Tecnologica, 24(6), 17–28. https://doi.org/10.4067/S0718-
07642013000600004
Schilirò, T., Tommasi, T., Armato, C., Hidalgo, D., Traversi, D., Bocchini, S., … Pirri, C. F. (2016).
The study of electrochemically active planktonic microbes in microbial fuel cells in relation
to different carbon-based anode materials. Energy, 106, 277–284.
https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.03.004
Sharma, V., y Kundu, P. P. (2010, October). Biocatalysts in microbial fuel cells. Enzyme and
Microbial Technology. https://doi.org/10.1016/j.enzmictec.2010.07.001
Vandecandelaere, I., Nercessian, O., Faimali, M., Segaert, E., Mollica, A., Achouak, W., …
Vandamme, P. (2010). Bacterial diversity of the cultivable fraction of a marine electroactive
biofilm. Bioelectrochemistry, 78(1), 62–66.
https://doi.org/10.1016/j.bioelechem.2009.07.004
Xu, F., Duan, J., y Hou, B. (2010). Electron transfer process from marine biofilms to graphite
electrodes in seawater. Bioelectrochemistry, 78(1), 92–95.
https://doi.org/10.1016/j.bioelechem.2009.09.010
39
7. ANEXO
7.1. Cronograma
Actividades
2017 2018
No
vie
mb
re
Dic
iem
bre
Ener
o
Feb
rero
Mar
zo
Ab
ril
May
o
Jun
io
Julio
Documentación
sobre el tema
Búsqueda
bibliográfica
Análisis de los
artículos
encontrados
Redacción de la
memoria
Preparación de
la exposición