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Electromicrobio

Electromicrobiología y procesos bioelectroquímicos sustentables

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Nuestro laboratorio aplica conceptos de electroquìmica al estudio de diferentes aspectos de la actividad bacteriana incluyendo la adherencia a superficies, la formación de biofilms y la producción de electricidad.

En cada caso exploramos aspectos fundamentales utilizando herramientas microbiológicas, fisicoquímicas y electroquímicas con el objetivo de comprender el comportamiento bacteriano y utilizar lo aprendido en diferentes aplicaciones.

El grupo desarrolla sus actividades en el Instituto de Investigación en Ciencia y Tecnología de Materiales (INTEMA) perteneciente al Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) y a la Universidad Nacional de Mar del Plata (UNMdP), Mar del Plata, Argentina.

Nuestro trabajo se originó estudiando lo que se conoce universalmente como corrosión microbiológica, que es un proceso por el cual el desarrollo de microorganismos sobre una superficie metálica puede acelerar la corrosión. La necesidad de comprender los mecanismos detrás de este fenómeno nos condujo a analizar los determinantes de la adherencia bacteriana a metales y el efecto de la aplicación de potencial sobre el desarrollo de bacterias y biofilms. Estos estudios constituyeron el inicio de nuestra investigación en electromicrobiología.

Actualmente, llevamos adelante diversas líneas de investigación, entre ellas el estudio de microorganismos electrogénicos y los mecanismos de transporte de electrones entre estos y los electrodos y el tratamiento electrogénico de efluentes, persiguiendo el doble objetivo de reducir la carga contaminante en un determinado desecho y recuperar a la vez la energía química contenida en el mismo en forma deelectricidad.

Bioelectroquímica:

La bioelectroquímica estudia los procesos biológicos a través de la aplicación de conceptos eléctricos y electroquímicos. La electroquìmica estudia procesos de transferencia electronica entre dos interfases aplicando tecnicas de medicion de corriente y potencial.

Bioenergía :

Entendemos como bio-energía a la que proviene de la actividad de algún organismo vivo. En los casos que nos ocupan la energía se origina en la actividad de microorganismos y la obtenemos en forma de electricidad. Para esto utilizamos celdas de combustible microbianas (CCM).
Una CCM es un dispositivo que acopla reacciones electroquímicas de oxidación y reducción que se producen en compartimientos separados por una membrana semipermeable, de manera que los electrones producidos en las oxidaciones circulen por un circuito externo para ser consumidos en las reducciones; lo que permite aprovechar la circulación de corriente.
A diferencia de las baterias, en las que una cierta cantidad de energía química almacenada se transforma en energía eléctrica hasta su agotamiento, en las celdas de combustible hay flujos permanentes de reactivos que alimentan las reacciones anódicas y catódicas y la generación continua de corriente.
En una CCM las reacciones redox son mediadas por microorganismos que funcionan como catalizadores biológicos. En el caso clásico las bacterias consumen (oxidan) la materia orgánica disuelta rindiendo CO2 y electrones. Los electrones se recuperan en forma de corriente eléctrica.

Microorganismos electrogénicos:

La producción de corriente eléctrica con CCM se basa en la habilidad que presentan algunos microorganismos de intercambiar electrones con una superficie polarizada (electrodo). Desde el punto de vista biológico esta transferencia es una variante del proceso de respiración celular que utiliza al electrodo como aceptor final de electrones, reemplazando a ·sus aceptores usuales (nitratos, sulfatos, hierro, oxígeno, otros). A estos microorganismos se los conoce como reductores de electrodo o simplemente como electrogénicos.

Biofilms electrogénicos:

Los biofilms son la forma de desarrollo preferida por los microorganismos en su ambiente natural. Son comunidades complejas que pueden estar compuestas por uno o varios tipos de microorganismos diferentes y que presentan heterogeneidad estructural, funcional y temporal. Los microorganismos electrogénicos son capaces de formar un biofilms sobre un electrodo polarizado y su desarrollo está directamente relacionado con la producción de corriente. Esto indica que de alguna manera los electrones de cada uno de los individuos que componen el biofilm son canalizados hacia el electrodo. Aunque se sabe que hay involucradas moléculas redox que pueden estar o no asociadas a las células, los mecanismos de transferencia de electrones célula-célula y célula-electrodo en los biofilms electrogénicos aún no han sido definidos completamente y son motivo de intenso estudio. Nuestro trabajo está orientado a comprender dichos mecanismos.

Producción de electricidad:

La electricidad no es otra cosa más que una circulación de electrones. En el caso de la producida por los microorganismos, los electrones provienen directamente del metabolismo central y llegan al electrodo a través de una cadena de transporte compuesta por múltiples proteínas redox que se conoce como cadena respiratoria. La cadena está ubicada en la membrana celular interna, por lo que en la mayoría de las células los electrones son transportados hacia un compuesto aceptor soluble, capaz de ingresar a la misma.



 


Principales Proyectos


“Biofilms halófilos electro-activos: Caracterización y aplicaciones en procesos

2014/2016. PICT2013 – 1787. “Biofilms halófilos electro-activos: Caracterización y aplicaciones en procesos de bioremediación y generación de bioenergía.
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Proyecto pre-semilla: Desarrollo de electrodos bio-hí­bridos nanoestructurados.

Fundación Argentina de Nanotecnologí­a (FAN). Programa de Inversión en Emprendimientos de Alto Contenido en Micro y Nanotecnología. Proyecto pre-semilla: Desarrollo de electrodos bio-híbridos nanoestructurados. Coordinador: Dr. Hernán Romeo.
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"Cableado bacteriano para conversión de energía y Remediar"

2009/2012. FP7 Collaborative Project: 229337, “Bacterial Wiring for energy conversion and Remediation”. Monto total:
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Biochemical Capacitance of Geobacter Sulfurreducens Biofilms.  Bueno P, Schrott G., Bonanni S., Simison S., Busalmen J. P. 2015. Chem. 1864. pp 2492-95.
New ceramic electrodes allow reaching the target current density in bioelectrochemical systems .  Massaza D., Parra R, Busalmen J. P., Romeo H 2015. Energy Environ. Sci.. 1039. pp 1.
Hyperhalophilicarchaeal biofilms: growth kinetics, structure and antagonic interaction in continuous culture.  Di meglio L., Busalmen J. P., Pastore J., Ballarín V., Nercessian D. 2014. Biofouling. 30. pp 237.