informe de Bacteria productora de electricidad

1. UNIVERSIDAD NACIONAL DE MOQUEGUA Escuela profesional de ingeniería ambiental 2020 INFORME DE MAQUETA DE BACTERIA PRODUCTORA DE ELECTRICIDAD ESTUDIANTE: CKEYSI JHOEIS YULI VALDEZ VELASQUEZ DOCENTE: HEBERT SOTO GONZALES CURSO: BIOTECNOLOGIA ILO – MOQUEGUA - 2020

2. CKEYSI VALDEZ VELASQUEZ 7MO CICLO Tabla de contenido I. INTRODUCCION ........................................................................................................... 2 II. OBJETIVOS ................................................................................................................ 2 III. MATERIALES USADO EN LA MAQUETA ............................................................ 3 IV. EXPLICACION DE LA MAQUETA ......................................................................... 1 V.¿COMO LA BACTERIA GENERA ELECTRICIDAD? .............................................. 1 VI. ¿QUE TIPO DE BACTERIAS PUEDEN GENERAR ELECTRICIDAD? .............. 3 VII. USOS EN EL MEDIO AMBIENTE ........................................................................... 4 VIII. CONCLUSIONES ................................................................................................... 7 IX. BIBLIOGRAFIA ......................................................................................................... 9 X.ANEXOS ....................................................................................................................... 10 Ilustración 1. Maqueta concluida de la Bacteria productora de electricidad.................... 1 Ilustración 2. Estructura externa y Pili de una célula del genero Geobacter. ................... 2 Ilustración 3. Representación del Geobacter y sus aplicaciones ..................................... 4 Ilustración 4. Estructura externa y Pili de una célula del genero Geobacter .................. 10 Ilustración 5. Funcionamiento de una celda microbiana de sedimento ......................... 10 Ilustración 6. Modelo metabólico de una célula del genero Geobacter. ........................ 10 [NOMBRE DEL AUTOR] 1

3. CKEYSI VALDEZ VELASQUEZ 7MO CICLO TITULO: INFORME DE MAQUETA DE LA BACTERIA PRODUCTORA DE ELECTRICIDAD I. INTRODUCCION El uso incontrolado de los combustibles fósiles ha disparado una crisis energética global, despertando el interés por obtener fuentes de energía renovables con el mínimo impacto sobre el medio ambiente. Hasta ahora el compromiso energético de la microbiología ambiental se había dirigido a optimizar la producción de hidrógeno, aprovechar el metano generado en los tratamientos de aguas residuales, o generar biocombustibles como el etanol o el biodiesel. Sin embargo, el reciente descubrimiento de bacterias capaces de convertir la energía química en eléctrica sugiere la aparición de una nueva forma de energía verde, cuya explotación supondrá un importante reto biotecnológico en los próximos años. (Nuñez, 2008) Es por ello que en el presente informe se explicara cómo se desarrolló una maqueta representando el tema y las múltiples funciones en las que se aplique esta bacteria. II. OBJETIVOS A.OBJETIVO GENERAL -Realizar una maqueta con materiales reciclados B.OBJETIVO ESPECIFICOS - Realizar y explicar el proceso de armado de la maqueta. - Explicar cómo se desarrolla la bacteria sus funciones en distintos ámbitos. [NOMBRE DEL AUTOR] 2

4. CKEYSI VALDEZ VELASQUEZ 7MO CICLO III. MATERIALES USADO EN LA MAQUETA A.MATERIALES A USAR - - Tecnopor Pinturas de distintos colores - - Cables Botella - - Algodón Hojas - - Maya Goma - - Foco Plumones - - Pinceles Alfileres B.PROCEDIMIENTO APLICADO - Lo primero a hacer es pintar la plancha de tecnopor del color de nuestra preferencia, y lo dejaremos secar. - Mientras tanto haremos nuestra bacteria; cortaremos una botella a la mitad, le pegaremos algodón encima, hasta darle una forma ovalada cubriendo la parte externa de la botella, pondremos la maya encima y lo bañaremos en goma para que al secarse tenga una consistencia más sólida para no tener dificultad al pintarla. Al secarse totalmente procederemos a pintarlo, en mi caso lo hice de color amarillo, y lo dejaremos secar. - Cortaremos lana en pedazos muy pequeños y lo pegaremos con pintura, es decir, le daremos una pasada con pintura y estando fresco pondremos la lana encima y la dejaremos secar. - Pasaremos a pintar dos cuadrados de tecnopor los cuales uniremos y lo usaremos como base para colocar el foco. - Pondremos los cables, un extremo que se encuentre debajo de donde posicionaremos la bacteria y el otro lo pondremos donde vaya el foco. Lo pondremos bien sujetos en la base con alfileres doblados, para evitar su movimiento. - Pondremos la bacteria en su posición, colocaremos los cuadrados de tecnopor sobre lo cables y sobre ello colocaremos el foco. [NOMBRE DEL AUTOR] 3

5. CKEYSI VALDEZ VELASQUEZ 7MO CICLO - Tomaremos unas hojas de color o blancas y escribiremos los nombres de todo lo que colocamos en nuestra base. Ilustración 1. Maqueta concluida de la Bacteria productora de electricidad IV. EXPLICACION DE LA MAQUETA De acuerdo a lo que se trató de graficar en la maqueta, es la bacteria productora de electricidad de la familia Geobacter, el cual está unido a dos cables que representa a los aniones y cationes, es decir, la carga positiva y negativa, que gracias a su ayuda los electrones pasaran conduciendo la electricidad generada, llegando asi al foco conectado, de esta manera el foco prendera y nos generara luz. V. ¿COMO LA BACTERIA GENERA ELECTRICIDAD? El Geobacter fue descubierto en 1987 en el sedimento de agua dulce del río Potomac en Washington D.C, por el Dr. Derek Lovley y un equipo de investigadores de la Universidad de Massachusetts Amherst. El género de bacterias “Geobacter” se encuentra clasificado en el grupo Deltaproteobacteria de la familia Geobacteracea, son Gram-negativas, se caracteriza en [NOMBRE DEL AUTOR] 1

6. CKEYSI VALDEZ VELASQUEZ 7MO CICLO general por poseer una forma recta o ligeramente curvada, su tamaño puede variar de 1,2- 2,0 µm de longitud por 0,5-0,6 µm de diámetro, además se caracteriza en general por poseer dos tipos de apéndices celulares, agelos y Pili. (Esteve-Núñez A, 2005) Ilustración 2. Estructura externa y Pili de una célula del genero Geobacter. Tomada de: http://blogs.nature.com/from_the_lab_bench/2011/06/13/computers- andelectrifying-bacteria La familia Geobacter tiene la capacidad de producir energía eléctrica como fuente renovable en una celda de combustible microbiana. Estas bacterias pueden oxidar totalmente compuestos orgánicos empleando diferentes elementos o sustancias como aceptores de electrones generando pequeñas corrientes eléctricas. La capacidad de la especie para transferir electrones desde y hacia electrodos permite obtener electricidad a partir de materia orgánica, o el uso de electrodos como donador de electrones para la reducción de contaminantes. La conversión de energía química en electricidad, es posible en ciertos dispositivos electroquímicos denominados células o pilas de combustible, donde la electricidad se obtiene a partir de una fuente externa de combustible químico que suele ser hidrogeno o etanol. (Regan, 2006) Las bacterias que producen electricidad lo hacen generando electrones dentro de sus células, y luego transfiriendo esos electrones a través de sus membranas celulares a través de pequeños canales formados por proteínas de superficie, en un proceso conocido como transferencia de electrones extracelular o EET. Los científicos e ingenieros están explorando formas de aprovechar estas plantas de energía microbiana para hacer funcionar las celdas de combustible y purificar el agua [NOMBRE DEL AUTOR] 2

7. CKEYSI VALDEZ VELASQUEZ 7MO CICLO residual, entre otros usos. Pero precisar las propiedades eléctricas de un microbio ha sido un desafío durante muchos años: las células son mucho más pequeñas que las células de mamíferos y extremadamente difíciles de cultivar en condiciones de laboratorio. VI. ¿QUE TIPO DE BACTERIAS PUEDEN GENERAR ELECTRICIDAD? Como suele ocurrir con muchas cuestiones científicas que hoy nos parecen novedosas, las primeras observaciones tuvieron lugar mucho tiempo atrás. Así, el primer ejemplo de actividad eléctrica con microorganismos fue mostrado por Potter en 1910; en sus experimentos recurrió a cultivos de E. coli y electrodos de platino para generar corrientes eléctricas que por su pequeña magnitud pasaron desapercibidas para la comunidad científica. Este tipo de procesos no despertó el interés hasta la década de los años ochenta, con la utilización de mediadores redox solubles que aumentaban la producción de corriente y la potencia de estos sistemas. Los mediadores redox son compuestos solubles que actúan transportando los electrones desde la bacteria hasta el eléctrodo, reoxidándose y quedando disponibles de nuevo para ser reducidos por los microorganismos. (Du Z, 2007) Podemos distinguir dos tipos de bacterias electrogénicas, aquellas que producen sus propios mediadores redox, que son secretados al medio y reaccionan con el electrodo, y aquellas que interaccionan de forma directa con el eléctrodo sin mediador soluble alguno. Aunque se ha probado la existencia de una cepa de Pseudomonas aeruginosa electrogénica productora de fenazinas como mediadores redox, el principal repre- sentante de este grupo corresponde a las bacterias reductoras de Fe (III) del género Shewanella. Un reciente estudio publicado en los Proceedings of the National Academy of Sciences parece haber resuelto el enigma de la actividad electrogénica de Shewanella, al identificar a las riboflavinas secretadas por los biofilm como los mediadores redox que establecen la comunicación entre bacteria y electrodo. (Marsili E, 2008) Otras bacterias con probada actividad electrogénica son Rhodoferax ferrireducens, Aeromonas hydrophila, Clostridium butyricum y Enterococcus gallinarum, si bien no existe información sobre la forma en que transfieren los electrones al electrodo. Por último, estarían aquellas bacterias capaces de transferir los electrones por contacto directo con el ánodo, siendo el género Geobacter el modelo mejor estudiado dada la [NOMBRE DEL AUTOR] 3

8. CKEYSI VALDEZ VELASQUEZ 7MO CICLO disponibilidad de cultivos puros y su dominancia dentro de las comunidades microbianas electrogénicas. (Logan BE, 2006) Lo que hace especial a Geobacter es la presencia de una red de citocromos C multihemo (algunos de ellos albergan hasta 27 grupos hemo) que, distribuidos entre la membrana interna, periplasma y membrana externa, permitirían transferir electrones desde el citoplasma hasta el exterior de la célula para respirar sustratos extracelulares como el Fe (III). O al menos éste ha sido tradicionalmente el papel otorgado a estas abundantes proteínas en Geobacter. (Marsili E, 2008) VII. USOS EN EL MEDIO AMBIENTE Este subtema se plantea mediante una imagen: Ilustración 3. Representación del Geobacter y sus aplicaciones En esta imagen podemos observar a la bacteria Geobarter, siendo relacionado en muchos ámbitos por sus distintas aplicaciones mencionadas posteriormente: [NOMBRE DEL AUTOR] 4

9. CKEYSI VALDEZ VELASQUEZ 7MO CICLO A.BIORREMEDIACION La biorremediación le da una ayuda al medio ambiente en la mejora de los ecosistemas dañados, acelerando dichos procesos naturales. Lo que hacen las bacterias es degradar los desechos en productos que no alteren el medio ambiente, además de concentrar e inmovilizar sustancias tóxicas, metales pesados; minimizar desechos industriales y rehabilitar áreas afectadas con diversos contaminantes. Para lograr estos beneficios es necesario suministrar a los microorganismos ciertas condiciones ambientales tales como: humedad, cantidad de oxígeno apropiado, pH y temperatura adecuada, estas condiciones permiten el desarrollo y multiplicación de las bacterias. De acuerdo con los factores descritos, el proceso se puede llevar a cabo mediante dos procedimientos: - Biorremediación in situ consiste de tratar las aguas, suelos o arenas contaminadas, sin sacarlas del lugar en el que se encuentran, está relacionado con tratamientos que no requieren excavación del sitio contaminado. - Biorremediación ex situ, son los procesos de tratamiento realizados tras excavar el suelo o el material contaminado, se realiza en un lugar diferente al lugar en que se encuentra el residuo, se maneja en un sistema controlado con un tipo de biorreactor o celda de combustible microbiana, consiste en la reducción de la concentración de contaminantes derivados del petróleo de suelos excavados mediante el uso de la biodegradación, las ventajas de estos procedimientos frente a los primeros, reside en la posibilidad de optimizar mejor los parámetros microbiológicos, así como el control del proceso a contraprestación de un precio superior. El Geobacter puede degradar con relativa facilidad petróleo y sus derivados; benceno, tolueno, acetona, pesticidas, herbicidas, éteres, alcoholes simples, entre otros. Los metales pesados como uranio, cadmio y mercurio no son biodegradables, pero estas bacterias pueden concentrarlos de tal manera que precipita los metales para que sean eliminados fácilmente. La especie Geobacter ha sido utilizada para promover la biorremediación in situ de agua subterránea contaminada con uranio. (Busalmen JP, 2008) [NOMBRE DEL AUTOR] 5

10. CKEYSI VALDEZ VELASQUEZ 7MO CICLO B.REDUCCIÓN DE CONTAMINANTES El Geobacter puede degradar con relativa facilidad petróleo y sus derivados; benceno, tolueno, acetona, pesticidas, herbicidas, éteres, alcoholes simples, entre otros. Los metales pesados como uranio, cadmio y mercurio no son biodegradables, pero estas bacterias pueden concentrarlos de tal manera que precipita los metales para que sean eliminados fácilmente.(A. K. Shukla, 2004) C.NANOTECNOLOGIA El desarrollo de esta tecnología tal vez permita en un futuro no muy lejano solucionar problemas de toda índole como: almacenamiento, producción y conversión de energía eléctrica; armamento y sistemas de defensa; producción agrícola; tratamiento y remediación de aguas y de la contaminación atmosférica; diagnóstico y tratamiento de enfermedades, monitorización de la salud, reconstrucción celular, implantes cerebrales; sistemas de administración de fármacos; procesamiento de alimentos; fabricación y construcción de edificios e infraestructuras; detección y control de plagas; control de desnutrición en lugares pobres; informática; alimentos transgénicos; etc. (D. Holmes, 2006) Para obtener estos beneficios es necesario cables ultra finos y muy pequeños, a menudo llamados nanocables que normalmente se pueden hacer de materiales como metales, silicio y carbono; pero su construcción es difícil y de muy alto costo. Sin embargo, el Geobacter produce sobre un costado de su célula unos nanocables denominados Pili que se pueden extraer y utilizar como conductores en diferentes dispositivos, por tanto, se podría cultivar miles de millones de células de Geobacter en un laboratorio para producir los nanocables microbianos. (G. Reguera, 2005) D.GENERA ENERGIA Fuentes convencionales de energía, son las más utilizadas en el mundo para producir energía eléctrica útil de forma habitual con una buena e ciencia, pero recientemente debido al agotamiento de la materia prima empleada, costos, espacio para la infraestructura y alteración del medio ambiente dejaron de ser viables, aunque desde las primeras centrales de energía hasta las actuales se ha establecido que estas fuentes han [NOMBRE DEL AUTOR] 6

11. CKEYSI VALDEZ VELASQUEZ 7MO CICLO mejorado en su rendimiento, ciencia, automatización y regulación, conservando el principio de funcionamiento, motivo por el cual se utilizan en gran porcentaje en todos los países. Las fuentes convencionales que más se aprovechan provienen de: energía hidráulica, energía térmica, energía nuclear. Fuentes no convencionales de energía, aquellas con mínima participación en la generación de energía eléctrica en el mundo, debido a que son poco eficientes al transformar la fuente primaria en energía eléctrica, los gastos elevados de extracción y producción, no tiene mucho avance tecnológico por falta de investigación y la energía útil que se puede aprovechar es limitada, ya que no es muy eficiente la transformación de la fuente primaria a energía eléctrica. Las fuentes no convencionales que más se aprovechan provienen de energía eólica, energía biomasa, energía geotérmica, energía solar, entre otras. (Z. He and L. Angenent, 2006) El Geobacter es capaz de transformar internamente energía química en energía eléctrica, transfiriendo los electrones derivados de la oxidación de compuestos orgánicos (acetato) a electrodos y así constituir una celda de combustible microbiana (H. Yia, 2009) VIII.CONCLUSIONES El género Geobacter tiene características que se pueden controlar fácilmente en celdas de combustible microbiana para su crecimiento, desarrollo y producción de electricidad, por lo tanto si se puede controlar la producción de bacterias controlamos la fuente energética, lo que nos permite evitar el uso de combustibles fósiles y nucleares y sus consecuencias en los aspectos ambientales y sociales. Aunque se debe resaltar que el desarrollo de esta tecnología está en sus inicios por lo que los diseños deben de ser estudiados y optimizados para ofrecer resultados competitivos. (D. R. Lovley, 2008) Los nanocables “Pili” que hacen parte del Geobacter pueden revolucionar abruptamente la Electrónica, abriendo un horizonte propicio para disminuir considerablemente el tamaño de instrumentos y maquinarias que pueden solucionar problemas de toda índole a la humanidad. Es un hecho que la forma de producción actual puede llevar a la especie humana a su desaparición, lo que implica que se deben desarrollar nuevas tecnologías que permitan mitigar el impacto de los avances cientícos, tecnológicos y técnicos del ser humano, lo que se quiere decir que se deben reemplazar artefactos como el motor a base [NOMBRE DEL AUTOR] 7

12. CKEYSI VALDEZ VELASQUEZ 7MO CICLO de combustible fósil y las energías convencionales, por lo tanto toma fuerza la propuesta de utilizar bacterias con fines energéticos. (Schoen, 2007) Utilizar microorganismos con fines energéticos debería convertirse en un desafío cientíco que bacterias, fuente de energía para el futuro re-creaciones muestre el compromiso de la ciencia en general, de la ingeniería y de la microbiología por implementar tecnologías que no afecten el medio ambiente, y logren suplir la demanda de energía eléctrica presente y futura, por tanto se requiere que los gobiernos de países industrializados y emergentes promuevan y financien este tipo de investigaciones, ya que posteriormente será un beneficio para toda la Humanidad. (Esteve-Núñez A J. S., 2008) Una tecnología basada en bacterias puede generar electricidad, depurar aguas residuales y a la vez producir hidrogeno lo que la hace bastante atractiva para tratamientos de biorremediación in situ, generación de energía eléctrica y combustibles. Además, esta tecnología es autóctona, no produce dióxido de carbono, no afecta directamente al ser humano y lo más importante la fuente primaria son por lo general desperdicios orgánicos producidos por los seres vivos, que habitualmente solo alteran el medio ambiente. (Mahadevan R, 2006) [NOMBRE DEL AUTOR] 8

13. CKEYSI VALDEZ VELASQUEZ 7MO CICLO IX. BIBLIOGRAFIA A. K. Shukla, P. S. (2004). “Biological fuel cells and. Current Science, vol.84. Busalmen JP, E.-N. A. (2008). . Electrochemical analysis of the exocellular electron-transfer to graphite elec- trodes in G. sulfurreducens. Environ Sci Technol. 42: 2445-2450. D. Holmes, e. a. (2006). “Microarray and genetic analysis of electron transfer to electrodes in Geobacter sulfurreducens”. Environmental Microbiology, vol. 8, no. 10. D. R. Lovley. (2008). “Extracellular electron transfer: wires, capacitors, iron lungs, and more". Geobiology, vol. 6, no. 3. Du Z, L. H. (2007). A state of the art review on microbial fuel cells: a promising technology for wastewater treatment and bionergy. . Biotechnol adv 25: 464-482. Esteve-Núñez A, J. S. (2008). Fluorescent properties of c-type cytochromes reveal their potential role as an extracytoplasmic electron sink in Geobacter sulfurreducens. Environ Microbiol 10: 497-505. Esteve-Núñez A, M. R. (2005). Growth of the iron-reducer Geobacter sulfurreducens under nutrient-limiting conditions in continuous culture. Environ Microbiol 7: 641-648. G. Reguera, K. D. (2005). “Extracellular electron transfer via microbial nanowires”. Nature, vol. 435. H. Yia, e. a. (2009). “Selection of a variant of Geobacter sulfurredecens with enhanced capacity for current production in microbial fuel cells". Biosensors and Bioelectronics,vol24. Logan BE, H. B. (2006). Microbial fuel cells: methodology and technology. . Environ Sci Technol 17: 5181-591. Mahadevan R, D. B.-N. (2006). Characterization of metabolism in the Fe (III)-reducing organism Geobacter sul- furreducens by constraint-based modeling. . Appl Environ Microbiol 72: 1558-1568. Marsili E, B. D. (2008). Shewanella secretes flavins that mediate extrace- llular electron transfer. Proc Natl Acad Sci. USA 105: 3968- 3973. Nuñez, A. E. (2008). Bacteria Productora de Electricidad. Madrid. Regan, L. B. (2006). Electricity-producing bacterial com- munities in microbial fuel cells. Trends in Microbiology . 14: 512- 518. Schoen, A. R. (2007). “Carbon Fiber Electrode as an Electron Acceptor for a Microbial Fuel Cell Using Geobacter”. Cantaurus McPherson College Division of Science and Technology, vol. 15, pp. 24–26. Z. He and L. Angenent. (2006). “Application of bacterial Biocathodes in Microbial Fuel Cells". Environmental and Chemical Engineering, vol.18. [NOMBRE DEL AUTOR] 9

14. CKEYSI VALDEZ VELASQUEZ 7MO CICLO X. ANEXOS Ilustración 4. Estructura externa y Pili de una célula del genero Geobacter Ilustración 6. Modelo metabólico de una célula del genero Geobacter. Ilustración 5. Funcionamiento de una celda microbiana de sedimento 1 0 [NOMBRE DEL AUTOR]