Energía bacteriana

La aplicación de energías renovables como una alternativa sustentable ya es una realidad. Las investigaciones apuntan a una nueva opción de bajo costo que podría revolucionar al sector energético.

“Si lográramos mejorar la conductividad de la matriz, podríamos obtener cuatro veces más corriente con la misma población bacteriana”.

Por Antonia Tapia.

La microbiología es un campo de estudio que, en las últimas décadas, debido al gran impacto de los combustibles fósiles en el ambiente, ha dirigido su interés a encontrar y estudiar nuevas fuentes de energía renovables.

A principios de este siglo, un equipo de investigadores estadunidenses descubrió que ciertas clases de bacterias son capaces de producir electricidad.

Este nuevo tipo de energía ha llamado la atención de algunos países que se encuentran investigando sus alcances; entre algunos de éstos se puede mencionar a Argentina.

En ese sentido, desde 2006, investigadores del laboratorio de Bio-Electroquímica del Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales, de este país sudamericano, se encuentran desarrollando un proyecto que tiene como objetivo entender las formas en que las bacterias electroactivas producen la electricidad, qué limita su capacidad de producirla y de qué forma esta habilidad se puede utilizar en beneficio del hombre.

Además, este equipo de investigadores, en colaboración con sus pares europeos, se encuentra avanzando en el desarrollo de una celda de combustible que utiliza estas bacterias como facilitador, para obtener energía eléctrica a partir de aguas residuales.

En entrevista con Constructor Eléctrico, Juan Pablo Busalmen, doctor en Ciencias Biológicas e investigador a cargo de este proyecto, comenta que esta iniciativa consiste en desarrollar bacterias electroactivas en el laboratorio, medir la corriente que producen a partir de la degradación de la materia orgánica con las que las alimentan y analizar distintos parámetros biológicos y fisiológicos que permiten dar una idea de cómo producen la corriente.

Un gran potencial
Actualmente, los científicos argentinos se encuentran investigando la bacteria Geobacter Sulfurreducens, la cual se origina en lodos sumergidos, en los que no hay oxígeno, de manera que ésta se adapta a absorber el aire de otro tipo de compuestos.

“La bacteria Geobacter Sulfurreducens respira óxidos de hierro y manganeso, que, a diferencia del oxígeno, los sulfatos o los nitratos son compuestos insolubles que no pueden entrar a la célula para ser metabolizados. El proceso de respiración no es otra cosa que una transferencia de electrones y, para poder respirar compuestos externos, estas bacterias tienen una serie de moléculas transportadoras que atraviesan sus membranas celulares y llegan a los óxidos que hay en los sedimentos: así respiran.

“Lo más notable y curioso es que si cambiamos los óxidos por un electrodo y le aplicamos un potencial adecuado pueden respirar el electrodo, generando una corriente eléctrica”, explica el investigador.

Las moléculas transportadoras de electrones se estudian con métodos bioquímicos y de biología molecular para determinar su composición, su peso y su estructura. Sin embargo, el equipo de investigadores está analizando su función biológica, lo cual quiere decir la manera en que transportan los electrones, para lo cual se usan técnicas espectroscópicas.

Estas técnicas se basan en iluminar las moléculas con una luz determinada y recoger el espectro de absorción de energía que presentan.

“Su espectro de absorción es diferente según estén oxidadas o reducidas, es decir vacías o cargadas de electrones. De esta forma, podemos jugar con el potencial que le aplicamos al electrodo, con la cantidad de materia orgánica que les damos de comer y con otras variables, y ver cómo responden los transportadores de electrones a cada cambio. En función de los resultados, podemos conocer el estado fisiológico (respiratorio) de la población mientras producen la corriente”, indica el doctor.

El trabajo con espectroscopia infrarroja, por ejemplo, les permitió a los investigadores demostrar que la conexión entre las bacterias y el electrodo se establece mediante citocromos del tipo C.

Estas moléculas, que se encuentran en el exterior de las células, son muy importantes, subraya Busalmen, ya que permite pensar de qué manera se puede mejorar la conexión y la producción de corriente.

“Usando espectroscopia raman para estudiar los biofilms de estas bacterias [se llama así a la población que forman asociada al electrodo], pudimos definir que solamente 1/5 de la población participa en la producción de la electricidad, porque la conducción electrónica de la matriz que mantiene asociada a las células del biofilm no es lo suficientemente conductora, y, entonces, las que están en los otros 4/5, lejos del electrodo, no pueden utilizarlo en la respiración, lo que impide contribuir con sus electrones a la corriente.

“Esto significa que si lográramos mejorar la conductividad de la matriz, podríamos obtener cuatro veces más corriente con la misma población bacteriana. Eso ubicaría a la tecnología de celdas de combustible microbianas (MFC, del inglés microbial fuel cells) por encima del límite de la sustentabilidad”, puntualiza Busalmen.

A futuro
El alcance de este tipo de tecnología es muy amplio. En principio, se podría usar para recuperar la energía química contenida en aguas residuales en forma de electricidad, a la vez que se limpian esas aguas.

También se puede utilizar para desarrollar sensores electroquímicos. Con tan sólo sumergir un sensor con Geobacter y medir la corriente que producen, se podría detectar la presencia de materia orgánica, herbicidas o de cualquier compuesto tóxico que afecte a la respiración.

Otra línea de investigación, expresó el científico, consiste en darles corriente a las bacterias, y así impulsar la síntesis de compuestos de interés. Finalmente, también pueden ayudar a producir hidrógeno por hidrólisis con una inversión menor de energía.

Aunque, por el momento, esta fuente de energía presenta una capacidad limitada, las celdas de combustible microbianas o sus parientes cercanos, las celdas de combustible sedimentarias, a futuro, podrían alimentar equipos de bajo consumo en lugares remotos, donde es difícil llegar con tendidos eléctricos.

Para ello, es necesario disponer de una electrónica apropiada que permita convertir el bajo potencial que ofrecen (aproximadamente 0.5 V) en energía utilizable, así lo indica el doctor. “Aún con baja potencia, la energía que producen estas bacterias es barata, y, si se hacen las cosas bien, sería inagotable”.

Hasta el momento, se ha confirmado que con este tipo de bacterias se pueden alimentar sensores, boyas meteorológicas, equipos de transmisión inalámbrica, robots autómatas y en general equipos de bajo consumo.

En ambientes contaminados se ha demostrado que se las puede utilizar para remover uranio de suelos afectados.

Este tipo de bacterias, en sistemas de laboratorio, se acuerdan en un límite de 1 kW/m3 de agua tratada. Busalmen explica que se ha superado ese límite en condiciones particulares, pero nada que pueda generalizarse todavía.

Por otro lado, en sistemas reales, las eficiencias de conversión energética (química a x) son aún muy bajas.

“Por el momento, debemos conformarnos con que estas bacterias limpien nuestros residuos por un salario muy bajo y nos den además una cantidad de energía que podemos acumular. Las expectativas son que la energía que se obtiene del efluente alcance para abastecer el propio sistema de tratamiento, lo que no es poco”.

Para finalizar, el doctor Bulsamen afirma que son varios los desafíos a futuro; uno de ellos es mejorar la eficiencia del proceso biológico de producción de corriente para llevarlo al máximo metabólico.

“También es necesario desarrollar dispositivos que permitan aprovechar esta particular habilidad bacteriana en su totalidad, permitiendo que la uxztilicemos para limpiar nuestros efluentes, para proveernos de energía limpia y, por qué no, para originar compuestos que de otra forma son muy caros o difíciles de producir”, concluye el investigador.
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