¿Podrían las bacterias resolver nuestra crisis energética?

La bioelectricidad es la electricidad producida por bacterias electroquímicamente activas como resultado de sus actividades metabólicas; Aprovechar la bioelectricidad es una forma limpia de obtener energía.

La crisis climática es un tema candente, como nos recuerdan Greta Thunberg y los eventos meteorológicos extremos semanales. La población mundial está aumentando y, con ella, las demandas de la gente. La terrible situación de la Tierra es un tema cotidiano en todo el mundo. El consenso común es que codicia y combustible fósil el consumo son los factores impulsores.

La necesidad del momento son formas más limpias y sostenibles de producir la energía que necesitamos. Quiero decir, claro, los enfoques alternativos están en alza, como la energía solar, eólica, hidroeléctrica y geotérmica, pero tienen sus limitaciones, ya que son específicos del sitio. Una represa hidroeléctrica necesita agua en movimiento rápido, los paneles solares necesitan luz solar intensa y los molinos de viento necesitan tierra plana y abierta.

¿Y si hubiera una forma de generar electricidad independiente del sitio? De manera similar a como se quema el carbón para producir electricidad, ¿podríamos usar nuestros desechos para generar electricidad? ¿Si es así, cómo? ¡Simplemente ponga bacterias productoras de electricidad en el trabajo!

¿Qué es la bioelectricidad?

La bioelectricidad es la electricidad producida por organismos vivos como bacterias, algas u hongos. Cuando se les da una fuente de alimento sabroso, desde alimentos desperdiciados hasta madera, para alimentarse, producirán pequeñas cantidades de electricidad como resultado de sus actividades metabólicas.

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El término bioelectricidad no es nuevo. Fue utilizado por primera vez en la década de 1780 por Luigi Galvani, cuando electrocutó a una pobre rana con un rayo para ver si sus músculos se contraían, lo que hicieron. Desde entonces, los biólogos han estado fascinados por cómo la vida crea y utiliza la electricidad. Puedes leer la fascinante historia completa detrás de eso aquí.

Sin embargo, recientemente, la bioelectricidad se ha empleado con más frecuencia para describir la electricidad que producen las formas de vida más pequeñas, como las bacterias, y que podemos darle un uso productivo.

Podemos generar esta energía por nosotros mismos poniendo las bacterias en baterías. Las reacciones bioquímicas que generan bioelectricidad ocurren en una configuración particular dentro de la batería que contiene dos electrodos, la materia orgánica (el sustrato) y los microorganismos. Esta configuración se llama Pila de combustible microbiana (MFC).

¿Qué son los MFC?

Un MFC es una especie de pila de combustible, similar a la que se utiliza para alimentar a Arnold Schwarzenegger en Terminator 3.

Un MFC funciona de manera similar a una batería convencional. Ambos tienen una sección positiva con un electrodo positivo (ánodo) y una sección negativa con un electrodo negativo (cátodo). Los electrones generados en la sección positiva se recogen en el ánodo y su viaje a través del cátodo genera la corriente eléctrica.

La diferencia entre un MFC y una pila de combustible es que las pilas de combustible producen electricidad a través de una reacción química, mientras que un MFC produce electricidad a través de un proceso biológico.

Pila de combustible microbiana

Un esquema de un MFC. (Crédito de la foto: Bretschger O / Wikimedia Commons)

Las bacterias están presentes en el ánodo (positivo). Cuando se les suministra alimentos de manera saludable, liberan electrones, que son recogidos por el ánodo. Ahora, hay más electrones en el ánodo que en el cátodo, por lo que los electrones se desplazarán hacia el cátodo. El oxígeno, los protones y los electrones reaccionan en el cátodo (negativo). Este flujo de protones y electrones crea una diferencia de potencial entre los dos electrodos, lo que conduce a la generación de bioelectricidad.

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La ecuación que muestra cómo se descompone la sacarosa para liberar protones y electrones.

¿Qué tipo de microorganismos se utilizan en los MFC?

El nombre científico de la bacteria es microorganismos electroquímicamente activos (EAM). Lo que esto significa es que pueden convertir la energía química, la energía de los alimentos, en energía eléctrica, la energía de los electrones en una batería. Para que hagan funcionar su magia de químico a eléctrico, necesitan un ambiente libre de oxígeno (anaeróbico), ya que el oxígeno seguirá arrebatando los electrones.

No todos los EAM son buenos empleados bacterianos. Algunas especies son más adecuadas, ya que producen proteínas que facilitan la transferencia de electrones. Las especies de bacterias Geobacter y Shewanella se utilizan comúnmente en los MFC.

Una cepa de Shewanella, S. oneidensis MR-1, es uno de los EAM más estudiados y analizados. Pueden vivir en presencia o ausencia de oxígeno, son fáciles de cultivar y tienen una secuencia genómica bien documentada; sin embargo, principalmente, su capacidad para transferir electrones fácilmente es la razón por la que son tan deseables en los MFC.

Las comunidades microbianas naturales en los desechos como las aguas residuales o las que se encuentran en el fondo de las aguas pantanosas también son buenas para generar bioelectricidad. Simplemente podemos aprovechar esa función natural para nuestras necesidades bioeléctricas.

Las microalgas son otros microorganismos eficientes que se utilizan para generar bioelectricidad a partir de aguas residuales.

¿Qué sustratos pueden utilizar las bacterias?

Los MFC matan dos pájaros de un tiro: generan electricidad mientras descomponen nuestros desechos. Producimos una enorme cantidad de todo tipo de desechos, que lamentablemente terminan siendo arrojados a vertederos o al mar, o se queman, liberando enormes columnas de gases nocivos en el aire. Aproximadamente entre el 7 y el 15% de las necesidades energéticas del mundo se pueden satisfacer utilizando biomasa, y ahora podemos dar un buen uso a todos esos residuos potenciales.

Las aguas residuales, los desechos de alimentos, el lodo, los desechos animales o cualquier tipo de desechos orgánicos son excelentes fuentes de nutrientes y energía que los microorganismos utilizan para generar bioelectricidad. Esto todavía nos deja con desechos plásticos, pero incluso puede haber bacterias que puedan resolver ese problema.

Montaña basura de alimentos orgánicos desperdiciados para el enfoque selectivo del vertedero de basura (Antonello Marangi) s

Un país pequeño como Japón genera 20 millones de toneladas de desperdicios de comida y cocina al año. (Crédito de la foto: Antonello Marangi / Shutterstock)

¿Es la bioelectricidad el futuro?

La producción de bioelectricidad por MFC es un proceso libre de contaminación. La materia orgánica es degradada anaeróbicamente por bacterias para generar bioelectricidad. No hay quema, producción de gases tóxicos ni generación de residuos peligrosos. Es un método verde y sostenible de producción de energía.

Sin embargo, la mayor limitación es la baja cantidad de energía generada. Actualmente, el MFC promedio suministra un voltaje de solo 0,5 V.Para ponerlo en perspectiva, una batería Duracell AA suministra un voltaje de 1,5 V.

A pesar de la pequeña cantidad de energía producida, los MFC todavía tienen sus usos. Un estudio utilizó MFC para alimentar pequeños sensores inalámbricos que monitorean sitios ecológicos. Como los MFC no necesitan recargarse, no había miedo de que los sensores fallaran debido a baterías agotadas.

Otro inconveniente es que no podemos utilizarlos a bajas temperaturas. En climas fríos, la actividad de las bacterias disminuye y su tasa metabólica disminuye. Hasta que descubramos cómo mantener las bacterias calientes, permitiéndoles mantener su eficiencia energética, lo siento Canadá, no participará en esta acción.

Se está dedicando una inmensa dedicación por parte de los científicos a mejorar la eficiencia de los MFC y a implementarlos a gran escala. Una investigadora inspirada en el estado indio de Gujarat, la Dra. Nasreen Munshi, estableció su propia mini planta de bioelectricidad, que consta únicamente de MFC. Ella y sus compañeros investigadores pudieron aprovechar continuamente pequeñas cantidades de electricidad durante algunas semanas.

El principal objetivo de los investigadores de hoy es instalar plantas de bioelectricidad en sitios de tratamiento de aguas residuales. Incluso si no se pueden generar continuamente cantidades utilizables de energía, cualquier bioelectricidad que se cree puede almacenarse en condensadores. Una vez que la cantidad de bioelectricidad alcanza un nivel suficiente, se puede descargar del condensador.

El uso de bioelectricidad de MFC es innovación en su máxima expresión. Mientras haya materia orgánica presente y las bacterias vivan en la tierra, los MFC podrían ser una fuente de energía sostenible a largo plazo. Sobre el papel, tales MFC son una solución ingeniosa que aborda tanto nuestro problema de energía como de desperdicio. Las bacterias saltarán de alegría (si pudieran sentir alegría o saltar) cuando se alimenten de nuestras inmensas cantidades de desechos orgánicos, y nosotros seremos increíblemente felices al recibir la energía resultante a cambio.

Imagínese que en un par de décadas, las casas o edificios de las personas tendrán MFC adjuntos. En lugar de tirar nuestros desechos en un cubo de basura, podríamos tirarlos en estas pequeñas celdas que los convertirán en la electricidad que alimenta nuestras luces. En otras palabras, ¡no más sacar la basura!