Bacterias electrogénicas: de los sedimentos a las celdas de combustible microbianas

En momentos en los que la utilización de fuentes no renovables de energía está alcanzando niveles excesivos e insospechados, surge la necesidad de encontrar alternativas energéticas que permitan reducir el impacto de la actividad humana sobre el medioambiente. La preocupante generación de residuos tóxicos y de gases con efecto invernadero requiere ser disminuida en forma drástica a fin de preservar el equilibrio natural de nuestro planeta y nuestras propias condiciones de vida. En tal sentido la búsqueda de nuevas fuentes de energía es incesante y ofrece cada vez más posibilidades de consolidar un conjunto de tecnologías que resuelva definitivamente el problema. Entre las alternativas actualmente conocidas para la generación no contaminante de energía eléctrica, aquellas que dependen de la actividad de catalizadores biológicos son una opción que resulta de interés por su absoluta inocuidad para con el entorno y por su bajo costo. Las celdas microbianas de combustible son un ejemplo cuyas posibilidades han sido exploradas durante décadas, aunque sin mayores progresos. Sin embargo, el interés en esta tecnología se ha incrementado notablemente durante los últimos 5 años a partir del descubrimiento de microorganismos electrogénicos. Originarios de distintos sedimentos anaeróbicos los microorganismos electrogénicos son capaces de intercambiar electrones con superficies conductoras (electrodos) y producir una corriente eléctrica a partir de la degradación de la materia orgánica presente, constituyendo así un catalizador ideal para la limpieza de aguas residuales o de sitios contaminados con hidrocarburos, con el beneficio adicional de la recuperación de energía. En este artículo se introducen los principios de funcionamiento de las celdas de combustible microbianas, se presentan los microorganismos electrogénicos y se avanza hasta la frontera actual del conocimiento sobre los mecanismos de transporte de electrones que les posibilitan la generación de energía eléctrica.Fil: Busalmen, Juan Pablo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Mar del Plata. Instituto de Investigación en Ciencia y Tecnología de Materiales (i); Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería; Argentin

The relay network of Geobacter biofilms

While actual models explaining electron conduction in electricity producing biofilms have evolved separately to apparent irreconcilable conceptual positions, finding cytochrome complexes in the external matrix of Geobacter biofilms supports the proposal of a new functional model, that takes fundamental elements from confronting theories. In this model electrons expelled by cells are conducted to the collecting electrode along a network of supramolecular cytochrome arrangements interconnected by semiconducting pilus fibres that provide equipotential conditions within physically distant points. This arrangement resembles, from our point of view, a relay network for Geobacter biofilm, which allows a concerted physiological response of the entire population to any local redox change.Fil: Ordoñez, Maria Victoria. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Schrott, Germán David. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Massazza, Diego Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Busalmen, Juan Pablo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; Argentin

Unravelling anaerobic metabolisms in hypersaline sediment

The knowledge on the microbial diversity inhabiting hypersaline sediments is still limited. In particular, existing data about anaerobic hypersaline archaea and bacteria are scarce and refer to a limited number of genera. The approach to obtain existing information has been almost exclusively attempting to grow every organism in axenic culture on the selected electron acceptor with a variety of electron donors. Here, a different approach has been used to interrogate the microbial community of submerged hypersaline sediment of Salitral Negro, Argentina, aiming at enriching consortia performing anaerobic respiration of different electron acceptor compounds, in which ecological associations can maximize the possibilities of successful growth. Growth of consortia was demonstrated on all offered electron acceptors, including fumarate, nitrate, sulfate, thiosulfate, dimethyl sulfoxide, and a polarized electrode. Halorubrum and Haloarcula representatives are here shown for the first time growing on lactate, using fumarate or a polarized electrode as the electron acceptor; in addition, they are shown also growing in sulfate-reducing consortia. Halorubrum representatives are for the first time shown to be growing in nitrate-reducing consortia, probably thanks to reduction of N2O produced by other consortium members. Fumarate respiration is indeed shown for the first time supporting growth of Halanaeroarchaeum and Halorhabdus belonging to the archaea, as well as growth of Halanaerobium, Halanaerobaculum, Sporohalobacter, and Acetohalobium belonging to the bacteria. Finally, evidence is presented suggesting growth of nanohaloarchaea in anaerobic conditions.Fil: Solchaga, Juan Ignacio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; ArgentinaFil: Busalmen, Juan Pablo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Nercessian, Debora. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones Biológicas. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas; Argentin

Open circuit potentiometry reports on internal redox states of cells in G. Sulfurreducens biofilms

The outstanding capacity of Geobacter sulfurreducens cells to directly connect their inner electron transport chain to a polarized electrode have prompted the application of a wide arrange of electrochemical techniques to explore their metabolism and current production possibilities. In this work we use very basic electrochemical assays as open circuit potential, voltammetric and chronopotentiometric measurements to obtain fundamental information on bacterial electrochemical characteristics of importance to interpret bacterial functioning. Specifically, we obtained information on G. sulfurreducens biofilm capacity to store charge in three major molecular reservoirs bridging the gap between NADH and the electrode, demonstrating, at the same time, the value of OCP measurements as a reporter of internal redox state of cells.Fil: Schrott, Germán David. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Bonanni, Pablo Sebastian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; ArgentinaFil: Busalmen, Juan Pablo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; Argentin

Biochemical capacitance of geobacter sulfurreducens biofilms

An electrical model able to decouple the electron pathway from microbial cell machinery impedance terms is introduced. In this context, capacitance characteristics of the biofilm are clearly resolved. In other words, the model allows separating, according to the advantage of frequency and spectroscopic response approach, the different terms controlling the performance of the microbial biofilm respiratory process and thus the directly related electricity production process. The model can be accurately fitted to voltammetry measurements obtained under steady-state conditions and also to biofilm discharge amperometric measurements. The implications of biological aspects of the electrochemical or redox capacitance are discussed theoretically in the context of current knowledge with regard to structure and physiological activity of microbial Geobacter biofilms.Fil: Bueno, Paulo R.. Universidade Estadual Paulista. Institute of Chemistry; BrasilFil: Schrott, Germán David. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Mar del Plata. Instituto de Investigación En Ciencia y Tecnología de Materiales (i); Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería; ArgentinaFil: Bonanni, P. Sebastian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Mar del Plata. Instituto de Investigación En Ciencia y Tecnología de Materiales (i); Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería; ArgentinaFil: Simison, Silvia Noemi. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Mar del Plata. Instituto de Investigación En Ciencia y Tecnología de Materiales (i); Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería; ArgentinaFil: Busalmen, Juan Pablo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Mar del Plata. Instituto de Investigación En Ciencia y Tecnología de Materiales (i); Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería; Argentin

The draft genome of Andean Rhodopseudomonas sp. strain AZUL predicts genome plasticity and adaptation to chemical homeostasis

The genus Rhodopseudomonas comprises purple non-sulfur bacteria with extremely versatile metabolisms. Characterization of several strains revealed that each is a distinct ecotype highly adapted to its specific micro-habitat. Here we present the sequencing, genomic comparison and functional annotation of AZUL, a Rhodopseudomonas strain isolated from a high altitude Andean lagoon dominated by extreme conditions and fluctuating levels of chemicals. Average nucleotide identity (ANI) analysis of 39 strains of this genus showed that the genome of AZUL is 96.2% identical to that of strain AAP120, which suggests that they belong to the same species. ANI values also show clear separation at the species level with the rest of the strains, being more closely related to R. palustris. Pangenomic analyses revealed that the genus Rhodopseudomonas has an open pangenome and that its core genome represents roughly 5 to 12% of the total gene repertoire of the genus. Functional annotation showed that AZUL has genes that participate in conferring genome plasticity and that, in addition to sharing the basal metabolic complexity of the genus, it is also specialized in metal and multidrug resistance and in responding to nutrient limitation. Our results also indicate that AZUL might have evolved to use some of the mechanisms involved in resistance as redox reactions for bioenergetic purposes. Most of those features are shared with strain AAP120, and mainly involve the presence of additional orthologs responsible for the mentioned processes. Altogether, our results suggest that AZUL, one of the few bacteria from its habitat with a sequenced genome, is highly adapted to the extreme and changing conditions that constitute its niche.Fil: Guardia, Aisha E. Ingeniería de Interfases y Bioprocesos. Instituto de Tecnología de Materiales (INTEMA-CONICET-UNMdP); Argentina.Fil: Busalmen, Juan P. Ingeniería de Interfases y Bioprocesos. Instituto de Tecnología de Materiales (INTEMA-CONICET-UNMdP); Argentina.Fil: Wagner, Agustín. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Agrarias; Argentina.Fil: Di Capua, Cecilia Beatriz. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario (IBR-CONICET-UNR); Argentina.Fil: Cortez, Néstor. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario (IBR-CONICET-UNR); Argentina.Fil: Beligni, María V. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Biológicas (IIB-CONICET-UNMdP); Argentina

The open circuit potential of Geobacter sulfurreducens bioanodes depends on the electrochemical adaptation of the strain

Bioanodes for acetate oxidation were formed with pure cultures of Geobacter sulfurreducens under constant polarization potential. With the original commercial strain, the bioanodes formed at + 0.2 V/SCE exhibited open circuit potential (OCP) of 0.0 V/SCE, while the bioanodes formed at − 0.2 V/SCE had OCP around − 0.52 V/SCE. In contrast, the bioanodes formed with bacterial cells collected from a previous current-producing bioanode exhibited OCP of − 0.52 V/SCE whatever the polarization potential used to form them (+ 0.2 V/SCE or − 0.2 V/SCE). The "electrochemically-adapted strain" kept its electrochemical characteristics after successive cultures in solution. High steady-state currents were reached (16-19 A m- 2) in all cases without any dependence on strain adaptation or applied potential

DSA to grow electrochemically active biofilms of Geobacter sulfurreducens

Biofilms of Geobacter sulfurreducens were grown on graphite and on dimensionally stable anodes (DSA) in medium that did not contain any soluble electron acceptor. Several working electrodes were individually addressed and placed in the same reactor to compare their electrochemical behaviour in exactly the same biochemical conditions. Under constant polarization at 0.20Vversus Ag/AgCl, the electrodes were able progressively to oxidize acetate (5 mM), and average current densities around 5Am−2 and 8Am−2 were sustained for days on DSA and graphite, respectively. Removing the biofilm from the electrodes led the current to zero, while changing the medium by fresh one did not disturb the current when contact to air was avoided. This confirmed that the biofilm was fully responsible for the electro-catalysis of acetate oxidation and the current was not due to the accumulation of compounds in the bulk. Cyclic voltammetries performed during chronoamperometry indicated that the oxidation started above 0.05V versus Ag/AgCl. The difference in maximal current values obtained with DSA and graphite was not linked to the biofilm coverage ratios, which were of the same order of magnitude in the range of 62–78%. On the contrary, the difference in maximal current values matched the ratio of the average surface roughness of the materials, 5.6 m and 3.2 m for graphite and DSA, respectively

Limitations for current production in Geobacter sulfurreducens biofilms

Devices that exploit electricity produced by electroactive bacteria such as Geobacter sulfurreducens have not yet been demonstrated beyond the laboratory scale. The current densities are far from the maximum that the bacteria can produce because fundamental properties such as the mechanism of extracellular electron transport and factors limiting cell respiration remain unclear. In this work, a strategy for the investigation of electroactive biofilms is presented. Numerical modeling of the response of G. sulfurreducens biofilms cultured on a rotating disk electrode has allowed for the discrimination of different limiting steps in the process of current production within a biofilm. The model outputs reveal that extracellular electron transport limits the respiration rate of the cells furthest from the electrode to the extent that cell division is not possible. The mathematical model also demonstrates that recent findings such as the existence of a redox gradient in actively respiring biofilms can be explained by an electron hopping mechanism but not when considering metallic-like conductivities.Fil: Bonanni, Pablo Sebastian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Mar del Plata. Instituto de Investigación en Ciencia y Tecnología de Materiales (i); Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingenieria; ArgentinaFil: Bradley, Dan F.. University Of Liverpool. Chemistry Department; Reino Unido;Fil: Schrott, Germán David. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Mar del Plata. Instituto de Investigación en Ciencia y Tecnología de Materiales (i); Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingenieria; ArgentinaFil: Busalmen, Juan Pablo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Mar del Plata. Instituto de Investigación en Ciencia y Tecnología de Materiales (i); Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingenieria; Argentin

Spectroscopic slicing to reveals internal redox gradients in electricity- producing biofilms

Wired-up bacteria: Confocal Raman microscopy in combination with 3D structural analysis is used in the measurement of redox gradients in electricity-producing biofilms in vivo. The approach provides new relevant information for the understanding of electron conduction mechanisms in these systems.Fil: Robuschi, Luciana. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Mar del Plata. Instituto de Investigación en Ciencia y Tecnología de Materiales (i); Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingenieria; ArgentinaFil: Tomba, Juan Pablo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Mar del Plata. Instituto de Investigación en Ciencia y Tecnología de Materiales (i); Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingenieria; ArgentinaFil: Schrott, Germán David. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Mar del Plata. Instituto de Investigación en Ciencia y Tecnología de Materiales (i); Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingenieria; ArgentinaFil: Bonanni, P. Sebastian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Mar del Plata. Instituto de Investigación en Ciencia y Tecnología de Materiales (i); Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingenieria; ArgentinaFil: Desimone, Paula Mariela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Mar del Plata. Instituto de Investigación en Ciencia y Tecnología de Materiales (i); Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingenieria; ArgentinaFil: Busalmen, Juan Pablo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Mar del Plata. Instituto de Investigación en Ciencia y Tecnología de Materiales (i); Argentina. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingenieria; Argentin