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

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

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

A long way to the electrode: how do Geobacter cells transport their electrons?

The mechanism of electron transport in Geobacter sulfurreducensbiofilms is a topic under intense study and debate. Although some proteins were found to be essential for current production, the specific role that each one plays in electron transport to the electrode remains to be elucidated and a consensus on the mechanism of electron transport has not been reached. In the present paper, to understand the state of the art in the topic, electron transport from inside of the cell to the electrode in Geobacter sulfurreducens biofilms is analysed, reviewing genetic studies, biofilm conductivity assays and electrochemical and spectro- electrochemical experiments. Furthermore, crucial data still required to achieve a deeper understanding are highlighted.Fil: 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: 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: 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

Physiological stratification in electricity-producing biofilms of Geobacter sulfurreducens

The elucidation of mechanisms and limitations in electrode respiration by electroactive biofilms is significant for the development of rapidly emerging clean energy production and wastewater treatment technologies. InGeobacter sulfurreducensbiofilms, the controlling steps in current production are thought to be the metabolic activity of cells, but still remain to be determined. By quantifying the DNA, RNA, and protein content during the long-term growth of biofilms on polarized graphite electrodes, we show in this work that current production becomes independent of DNA accumulation immediately after a maximal current is achieved. Indeed, the mean respiratory rate of biofilms rapidly decreases after this point, which indicates the progressive accumulation of cells that do not contribute to current production or contribute to a negligible extent. These results support the occurrence of physiological stratification within biofilms as a consequence of respiratory limitations imposed by limited biofilm conductivity 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: 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: Robuschi, Luciana. 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

Charge accumulation and electron transfer kinetics in Geobacter sulfurreducens biofilms

Electroactive bacteria can use a polarized electrode as final electron acceptor, allowing the use of electrochemical techniques for a very accurate quantification of its respiration rate. Biofilm cell respiration has been recently demonstrated to continue after the interruption of electrode polarization since these bacteria can store electrons in the haem groups of exocytoplasmic cytochromes. Interestingly, it has been shown that when the electrode is connected again, stored electrons can be recovered as a current superimposed to the basal steady state current produced by biofilm respiration. This work presents a model for the biofilm-catalysed electron transfer mechanism that reproduces the current profile obtained upon electrode reconnection. The model allows the estimation of kinetic parameters for internalization of the reduced substrate by the cells and the subsequent reduction of cell internal cytochromes, the electron transfer to mediators in the exterior of the cell, charge transport across the biofilm matrix to the electrode through fixed mediators and, finally, the oxidation of cytochromes at the biofilm/electrode interface. Based on these estimates, the distribution of stored charge within the biofilm can also be calculated. The results indicate that the processes involved in electron transfer from acetate to internal cytochromes represent the main limitation to current production, showing that both electron transport through the matrix of cytochromes and interfacial electron transfer are orders of magnitude faster than this process. Stored charge, on the other hand, is an order of magnitude higher inside the cells compared with that in the conductive matrix, suggesting that internal cytochromes are approximately ten times more abundant inside the cells than in the conductive matrix.Fil: 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: 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: Robuschi, Luciana. 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

Electrochemical insight into the mechanism of electron transport in biofilms of Geobacter sulfurreducens

Electroactive bacterial biofilms can be produced on a polarized electrode by forcing its use as the final electron acceptor for bacterial respiration. This strategy offers the researcher the unique possibility to control the respiration process with extreme precision. The production of current, the accumulation of charge and the conducting properties of electroactive biofilms has been interrogated in this work through very basic electrochemical techniques including chronopotentiometry, chronoamperometry and cyclic voltammetry. Presented results indicate that charge can be accumulated in the biofilm conductive network, that network conductivity does not represent a limit for current production and that both the steady state current and the amount of accumulated charge depend on the redox state of cytochromes wiring the cells to the electrode. A model of biofilm conduction is presented as well.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 Ingeniería; ArgentinaFil: 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 Ingeniería; ArgentinaFil: 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 Ingeniería; ArgentinaFil: Esteve Nuñez, Abraham. Universidad de Alcala; EspañaFil: 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