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

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

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

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

Proving Geobacter biofilm connectivity with confocal Raman microscopy

We report here an . in-vivo, non-invasive, depth profiling study on an electrically-active biofilm by Confocal Raman Microscopy. Films based on . Geobacter sulfurreducens bacteria were grown onto an indium tin oxide (ITO) conducting glass, where the ITO piece plays a double role: it acts as a supporting polarized electrode for the bacteria population but also as a transparent window that gives direct access to the biofilm body. A confocal Raman microscope was used to examine the biofilm redox state at increasing distances from the ITO surface, upon variable polarization and under the presence or not of a chemical electron donor or acceptor. Resonant Raman effect allowed to selectively probe the redox response of biofilm cytochromes to the applied potential and chemicals, revealing internal connectivity details of the bacterial population. Full methodological details for this application case are given, while the importance of confocal Raman for the analysis of biological or electrochemically active systems in non-invasive way is highlighted.Fil: 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: Tomba, 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: 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

Reduced depth stacked constructed wetlands for enhanced urban wastewater treatment

This work presents a new configuration for constructed wetlands (CW) for treating urban and domestic wastewater with enhanced chemical oxygen demand (COD) and nitrogen removal efficiencies. In the new configuration three stacked stages of shallow depth, operated under partial saturation replace a traditional single stage vertical down flow CW. A single pulse of wastewater produces sequential aeration steps on each stage, improving convective oxygen transfer and therefore boosting the aerobic degradation of COD and nitrogen removal via nitrification denitrification reactions. When a conductive filling was used in the systems, the treatment performance was further improved due to direct interspecies electron transfer (DIET) among bacteria in the bed. As a result, systems operated under a high organic load rate (75 g m−2 d−1), removed 92% of the COD, 80% of the ammonia nitrogen (NH4-N) and 55% of the total nitrogen (TN). Besides, under a higher loading rate of 126 g m−2 d−1, COD degradation reached 85%. Traditional single-stage conductive units showed a poorer performance, indicating that high oxygen input may be a requirement for achieving high nitrogen and COD degradation efficiencies in treatment wetlands filled with conductive materials.Fil: Cabred, Santiago. 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: Giunta Ramos, Sandra Valeria. 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 Emilio. 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; 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; Argentin

Spectroelectrochemical examination of the interaction between bacterial cells and gold electrodes

The interaction between bacterial cells of Pseudomonas fluorescens (ATCC 17552) and gold electrodes was analyzed by cyclic voltammetry (CV) and attenuated total reflection-surface-enhanced infrared absorption spectroscopy (ATR-SEIRAS). The voltammetric evaluation of cell adsorption showed a decrease in the double-layer capacitance of polyoriented single-crystal gold electrodes with cell adhesion. As followed by IR spectroscopy in the ATR configuration, the adsorption of bacterial cells onto thin-film gold electrodes was mainly indicated by the increase in intensity with time of amide I and amide II protein-related bands at 1664 and 1549 cm-1, respectively. Bands at 1448 and 2900 cm-1 corresponding to the scissoring and the stretching bands of CH2 were also detected, together with a minor peak at 1407 cm-1 due to the vs COO- stretching. Weak signals at 1237 cm-1 were due to amide III, and a broad band between 1100 and 1200cm-1 indicated the presence of alcohol groups. Bacteria were found to displace water molecules and anions coadsorbed on the surface in order to interact with the electrode intimately. This fact was evidenced in the SEIRAS spectra by the negative features appearing at 3450 and 3575 cm -1, corresponding to interfacial water directly interacting with the electrode and water associated with chloride ions adsorbed on the electrode, respectively. Experiments in deuterated water confirmed these assignments and allowed a better estimation of amide absorption bands. In CV experiments, an oxidation process was observed at potentials higher than 0.4 V that was dependent on the exposure time of electrodes in concentrated bacterial suspensions. Adsorbed bacterial cells were found to get closer to the gold surface during oxidation, as indicated by the concomitant increment in the main IR bacterial signals including amideI, a sharp band at 1240 cm-1, and a broad one at 1120 cm-1 related to phosphate groups in the bacterial membranes. It is proposed to be due to the oxidation of lipopolysaccharides on the outermost bacterial surface. © 2007 American Chemical Society.Fil: Busalmen, Juan Pablo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad de Alicante; EspañaFil: Berna, Antonio. Universidad de Alicante; EspañaFil: Feliu, Juan Miguel. Universidad de Alicante; Españ