El documento describe las características y aplicaciones de la bacteria Geobacter. Geobacter es una bacteria anaerobia que puede producir energía eléctrica a través de la oxidación de compuestos orgánicos. Puede usarse en celdas de combustible microbianas para generar electricidad a pequeña escala o en biorremediación para degradar contaminantes ambientales.

1. Ingeniería Ambiental
*

2. Bacterias, fuente de
energía para el futuro

El género de bacterias “Geobacter” se encuentra
clasificado en el grupo Deltaproteobacteria de la
familia Geobacteracea, son Gram-negativas, se
caracteriza en general por tener una forma recta o
ligeramente curvada, su tamaño puede variar de 1,22,0 _m de longitud por 0,5-0,6 _m de diámetro,
además, se caracteriza en general por poseer dos tipos
de apéndices celulares, flagelos y Pili.

3. Características
El Geobacter fue descubierto en 1987 en el sedimento de agua dulce del río
Potomac en Washington.
 Su Habitad
Estos ambientes se caracterizan principalmente por ser ricos en nitratos y
sulfatos, pero al mismo tiempo deben ser espacios libres de oxígeno puro.
Sedimentos de agua dulce
Sedimentos marinos anóxicos
Sedimentos de sal de pantano
Ambientes subterráneos y acuíferos
Sedimentos procedentes de las rocas o suelos, que se encuentran en la cuenca de
los ríos donde el agua y el viento son los agentes de erosión y transporte.
 Su Metabolismo
En general es degradar los contaminantes, depende de la forma de obtención de
energía de estos:
Los que utilizan luz, se denominan fotótrofos
Los que utilizan compuestos orgánicos, se denominan quimioorganótrofos;
Los compuestos inorgánicos, se denominan quimiolitótrofos.
En particular el metabolismo celular de la especie Geobacter es
quimioorganótrofo anaerobio, es decir, utilizan compuestos orgánicos como
fuente de energía y de carbono para su crecimiento y desarrollo.
 Crecimiento y reproducción
El crecimiento ocurre a medida que los nutrientes son procesados e incorporados
como nuevo material de célula.


4. Procedimiento aplicado por el Geobacter para producir energía eléctrica
El Geobacter es capaz de transformar internamente energía química en energía eléctrica,
transfiriendo los electrones derivados de la oxidación de compuestos orgánicos (acetato) a
electrodos y así constituir una celda de combustible microbiana (Microbial Fuel Cell, MFC)
Celda de combustible microbiana (Microbial Fuel Cell, MFC)
Una MFC es un reactor bio-electroquímico capaz de convertir la energía química en energía
eléctrica a través de reacciones químicas catalizadas por el Geobacter en condiciones anóxicas,
ausencia de oxígeno puro 2 O , pero con presencia de sustancias
tales como nitratos o sulfatos como agentes de oxidación cuando se descompone la materia
orgánica.
La MFC consiste básicamente en dos compartimentos, anódico y catódico, que están separados
por una membrana permeable de intercambio de protones. El compartimiento anódico se debe
conservar en condiciones anaeróbicas donde una biopelícula del Geobacter sobrepuesto en el
ánodo oxida la materia orgánica y genera dióxido de carbono, protones y electrones. Los
electrones viajan a través de una resistencia que conecta el ánodo y el cátodo originando una
pequeña corriente que puede ser medida y utilizada para realizar trabajo.
Los protones son transferidos por medio de la membrana permeable al compartimiento
catódico que se encuentra normalmente en condiciones aeróbicas, en esta cámara se combinan
los protones, los electrones y el oxígeno con el fin de generar agua.
Celda de combustible microbiana de sedimento (Microbial Fuel Cell Sediment,
MFCs)
Las MFCs se caracterizan por emplear las bacterias de la familia Geobacter directamente en el
hábitat natural

5. Producción de electricidad empleando celdas de combustible
Microbiana
Se evaluó la influencia de la separación de electrodos sobre la
producción de electricidad y la eliminación de materia orgánica en
celdas de combustible microbianas usando agua residual. Para ello se
construyeron tres celdas de geometría semejante pero con diferente
volumen. La bacteria por medio de su metabolismo adquiere
electrones del combustible
y los transfiere en un buen porcentaje hacia un electrodo, durante
este proceso no requiere ningún tipo de mediador gracias a los
nanocables “Pili” que se conectan directamente sobre el electrodo. Sin
embargo, se observó que la potencia volumétrica disminuyó a medida
que aumentó la separación entre los electrodos
La electricidad que se obtiene en una celda de combustible
microbiana por medio de bacterias es pequeña en comparación con
otras fuentes de energía

6. Sistema para producir energía eléctrica empleando celdas de
combustible Microbiana
Es necesario tener un conjunto de elementos para promover energía eléctrica, los elementos
básicos son: un elemento que transforme energía química de la materia orgánica en energía
eléctrica, se conoce como celda de combustible microbiana; un elemento adicional que proteja la
celda de procesos inadecuados de carga y descarga, se conoce como regulador o controlador de
carga; y un elemento que pueda transformar corriente directa en corriente alterna, se conoce
como inversor. Los elementos deben ir conectados
Módulo de celda de combustible microbiana
Para realizar el módulo es necesario tener en cuenta el estudio que se hizo en una celda de un
dispositivo en el cual la energía química de un compuesto, típicamente glucosa, acetato u otras
formas de materia orgánica disuelta, es convertida a energía eléctrica mediante la
acción bacteriana. Geobacter sulfurreducens es una de las bacterias más utilizadas en el
estudio de celdas de combustible biológicas, por su alta eficiencia de conversión energética.
Entre las aplicaciones posibles para estas celdas se encuentra el tratamiento de efluentes con
alto contenido de materia orgánica y la generación de corriente eléctrica en sedimentos
marinos..
Regulador o controlador de carga
Dispositivo encargado de proteger a la batería frente a sobrecargas y sobredescargas
profundas.
El regulador de tensión controla constantemente el estado de carga de las baterías y regula la
intensidad de carga de las mismas para alargar su vida útil, es necesario para lograr el
funcionamiento de algunos aparatos eléctricos (lámparas, radios, televisores)

7. Fuentes de Energía Eléctrica
Las fuentes de energía eléctrica, una forma de energía fácilmente utilizable, pueden utilizarse varias
formas, basadas en energías primarias. Un paradigma es utilizar energía de la naturaleza. En el
transcurso de la historia, la humanidad ha logrado diversos progresos en el control, la producción y el
almacenamiento de tipos o formas de energía cada vez más complejos y de mayor eficacia y que son
fundamentales para el desarrollo de las actividades económicas.
Las fuentes de energía provienen de la naturaleza y, según su origen y cómo son utilizadas, se clasifican
en las convencionales y las no convencionales.
Fuentes convencionales de energía, son las más utilizadas en el mundo para producir energía eléctrica
útil de forma habitual con una buena eficiencia, pero recientemente debido al agotamiento de la materia
prima empleada, costos, espacio para la infraestructura y alteración del medio ambiente dejaron de ser
viables, aunque desde las primeras centrales de energía hasta las actuales se ha establecido que estas
fuentes han mejorado en su rendimiento, eficiencia, automatización y regulación, conservando el
principio de funcionamiento, motivo por el cual se utilizan en gran porcentaje en todos los países.
Las fuentes no convencionales que más se aprovechan provienen de energía eólica, energía biomasa,
energía geotérmica, energía solar, entre otras. Las fuentes de energías convencionales y no
convencionales se pueden clasificar en energías Fuentes de energía renovables sin intervención humana.
Son los recursos naturales de composición orgánica – tanto vegetales como humanos-, que pueden ser
renovados y acrecentados por la acción natural. Tal es el caso de biomasa, que es la cantidad de materia
orgánica que constituye a los seres vivos, el metano emitido por ciertos residuos animales; por ejemplo,
la biomasa que forma un bosque puede ser renovada mediante la reforestación.
Fuentes de energía no renovables. Son recursos naturales y de composición orgánica que se formaron en
procesos naturales complejos y largos (durante 2 o 5 millones de años). Los más conocidos son los
combustibles fósiles, como el carbón vegetal y los hidrocarburos (petróleo y gas), y otros minerales, como
el uranio (que se utiliza en la producción de energía nuclear), la oxidación de ciertos metales, procesos
químicos,... Se consideran no renovables porque, a medida que se utilizan, disminuye su volumen (suele
denominarse stock) y no es posible restablecerlo con la acción humana o en procesos naturales que duren
menos que los tiempos geológicos para que puedan ser utilizados por las personas renovables y no
renovables.

8. Fuentes de energías convencionales
Energía hidráulica
Es una fuente de energía renovable (no se agotan con su uso) aquella que se obtiene del
aprovechamiento de las energías cinética y potencial de la corriente del agua, saltos de agua o
mareas. Es un tipo de energía verde cuando su impacto ambiental es mínimo y usa la fuerza
hídrica sin represarla
La energía hidráulica se basa en aprovechar la caída del agua desde cierta altura. La energía
potencial, durante la caída, se convierte en cinética. El agua pasa por las turbinas a gran velocidad,
provocando un movimiento de rotación que finalmente, se transforma en energía eléctrica por
medio de los generadores. Es un recurso natural disponible en las zonas que presentan suficiente
cantidad de agua, y una vez utilizada, es devuelta río abajo
Energía nuclear
La energía nuclear es la energía que se obtiene al manipular la estructura interna de los átomos.
Generalmente, esta energía (que se obtiene en forma de calor) se aprovecha para generar energía
eléctrica en las centrales nucleares, aunque se puede utilizar en muchas aplicaciones. La energía
nuclear es aquella que se libera como resultado de una reacción nuclear. Se puede obtener por el
proceso de Fisión Nuclear (división de núcleos atómicos pesados) o bien por Fusión Nuclear (unión
de núcleos atómicos muy livianos). En las reacciones nucleares se libera una gran cantidad de
energía debido a que parte de la masa de las partículas involucradas en el proceso, se transforma
directamente en energía. Con relación a la liberación de energía, una reacción nuclear es un millar
de veces más energética que una reacción química, por ejemplo la generada por la combustión del
combustible fósil del metano

9. Energía térmica no renovable
La energía no renovable, por lo tanto, es el tipo de energía que se obtiene de un recurso
natural limitado, por lo que una vez que éste se agote, no podrá sustituirse. Como no
existe un sistema de producción o de extracción viable, cuando se agoten las reservas de
los recursos que permiten generar una energía no renovable, la misma dejará de existir.
Las energías no renovables proceden de combustibles fósiles o combustibles nucleares.
En el primer grupo podemos encontrar al petróleo, el carbón y el gas natural. Estos
combustibles son fáciles de extraer, pero sus reservas pueden agotarse en el corto o
medio plazo. Una vez que no existan más reservas de petróleo, por ejemplo, el ser
humano no estará en condiciones de crear nuevas.
Fuentes de energías no convencionales
Energía eólica
Energía eólica es la energía obtenida del viento, es decir, la energía cinética generada
por efecto de las corrientes de aire, y que es transmutada en otras formas útiles de
energía para las actividades humanas.
En la actualidad, la energía eólica es utilizada principalmente para producir energía
eléctrica mediante aerogeneradores
La energía eólica es un recurso abundante, renovable, limpio y ayuda a disminuir las
emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar termoeléctricas a base de
combustibles fósiles, lo que la convierte en un tipo de energía verde. Su principal
inconveniente es la intermitencia del viento.
La energía del viento está relacionada con el movimiento de las masas de aire que se
desplazan de áreas de alta presión atmosférica hacia áreas adyacentes de baja presión,
con velocidades proporcionales al gradiente de presión

10. Energía solar fotovoltaica
La energía solar fotovoltaica es un tipo de electricidad renovable obtenida
directamente a partir de la radiación solar mediante un dispositivo
semiconductor denominado célula fotovoltaica, o una deposición de metales sobre
un sustrato llamado célula solar de película fina.
Este tipo de energía se usa para alimentar innumerables aparatos autónomos,
para abastecer refugios o casas aisladas de la red eléctrica y para
producir electricidad a gran escala a través de redes de distribución. Debido a la
creciente demanda de energías renovables, la fabricación de células solares e
instalaciones fotovoltaicas ha avanzado considerablemente en los últimos años
Energía geotérmica
Se llama energía geotémica a la que se encuentra en el interior de la tierra en
forma de calor, como resultado de:
La desintegración de elementos radiactivos.
El calor permanente que se originó en los primeros momentos de formación del
planeta.
Esta energía se manifiesta por medio de procesos geológicos como volcanes en sus
fases póstumas, los géiseres que expulsan agua caliente y las aguas termales.

11. Aplicaciones básicas del Geobacter
Geobacter es una bacteria Gram-negativa, anaerobia (aunque puede
funcionar en presencia de oxígeno) y que se desarrolla principalmente en
subsuelos y zonas de sedimentación fluvial. Famosa por su capacidad de
oxidar compuestos orgánicos y metales (hierro y magnesio), por respirar
metales radiactivos (uranio) y por la capacidad de biodegradación
anaerobia de derivados del petróleo, ha demostrado ser de gran interés en
técnicas de biorremediación
Biodegradación y biorremediación
El término biodegradación significa “descomponer “materiales
ambientalmente peligrosos mediante la acción de organismos vivos
(bacterias)
Las prácticas de biorremediación consisten en una biotecnología que usa
bacterias para eliminar sustancias contaminantes que pueden ser de
naturaleza física, biológica o química y pueden aparecer en todos los
estados físicos (sólido, líquido)

12. Nanotecnología
La nanotecnología avanzada, a veces también llamada fabricación molecular, es un
término dado al concepto de ingeniería de nanosistemas (máquinas a escala nanométrica)
operando a escala molecular. Se basa en que los productos manufacturados se realizan a
partir de átomos..
La nanotecnología es el estudio, diseño, elaboración, manipulación y aplicación de
materiales; aparatos y sistemas funcionales a través de la explotación de fenómenos,
propiedades y control de la materia en una escala tan pequeña como un nanómetro.
Producción de hidrógeno
La producción de hidrógeno se realiza mediante diversos métodos que requieren la
separación del hidrógeno de otros elementos químicos como el carbono (en los
combustibles fósiles) y el oxígeno (del agua).
El hidrógeno es un elemento químico básico, ligero, incoloro, inodoro y no tóxico, presente
en todo el planeta, puede ser comprimido y almacenado en forma líquida o gaseosa por
varios meses hasta que se requiera, es más ligero que el aire
El hidrógeno se extrae tradicionalmente de los combustibles
fósiles (habitualmente hidrocarburos) compuestos de carbono e hidrógeno por medio de
procesos químicos.
El hidrógeno también puede ser obtenido del agua por medio de producción biológica en
un biorreactor de algas, o usando electricidad (por electrólisis-electrolisis del agua)químicos (por reducción) o calor (por termólisis); estos métodos están menos
desarrollados en comparación con la generación de hidrógeno a partir de hidrocarburos
pero su crecimiento aumenta ya que, por sus bajas emisiones en dióxido de
carbono permiten reducir la contaminación y el efecto invernadero. El descubrimiento y
desarrollo de métodos más baratos de producción masiva de hidrógeno acelerara el
establecimiento de la denominada economía de hidrógeno