En los últimos años hemos visto un aumento exponencial en la demanda de energía eléctrica, así como una disminución en el agua potable que tenemos a nuestro alcance. Alguna vez te has preguntado ¿existirá alguna manera de remediar ambas problemáticas a la vez?

Pues bien, las celdas de combustible microbianas (CCMS) son una propuesta que une la biorremediación de los cuerpos de agua y a su vez genera un producto con valor agregado, la electricidad.

Las CCMS son sistemas bioelectroquímicos que permiten captar energía eléctrica derivada del proceso de oxidación y reducción que realizan cierto tipo de bacterias principalmente del genero Geobacter, Shewanella y Clostridium sobre la materia orgánica contenida en aguas residuales.

¿Cómo funcionan las Celdas de Combustible Microbianas?

Una de las configuraciones más estudiadas se compone de dos cámaras, como se muestra en la siguiente figura:

Los microorganismos de la cámara anaeróbica (con ausencia de oxígeno) son capaces de oxidar moléculas orgánicas, liberando protones y electrones, así como otros subproductos. Por un lado, los electrones viajan a través de un circuito externo originando un flujo de corriente mientras que los protones (H⁺) pasan a través de una membrana (o puente salino); la cámara aeróbica se alimenta con oxígeno (O₂) y al oxidarse reacciona para formar agua (H₂O).

Los principios que rigen el funcionamiento de las celdas de combustible de origen microbiano son electroquímicos, por lo que es indispensable contar con la cámara anaeróbica en la cual encontramos el ánodo (donde ocurre la reacción de reducción) y por otra parte la cámara aeróbica donde se encuentra el cátodo (para producir la reacción de oxidación).

¿De qué están hechas las CCMS?

Las cámaras generalmente se fabrican en acrílico o en vidrio, ya que es un material que no afecta el rendimiento de la celda. Por su parte, los electrodos deben ser conductores para permitir el flujo de electrones, por ende, se puede usar cobre, platino o grafito.

La membrana que separa las dos cámaras es muy importante, ya que impide el paso de electrones de la cámara anódica hacia la catódica, pero si permite el flujo de protones, pueden ser membrana de intercambio de cationes (PEM), membrana bipolar, membrana de microfiltración, puente salino o fibra de vidrio.

¿Qué microorganismos se utilizan?

Su principal característica radica en su capacidad para transferir electrones al ánodo, una de los más usados es el género Geobacter, se encuentra en ambientes anaerobios como sedimentos en lagos o ríos y son capaces de respirar minerales del subsuelo terrestre.

No obstante, se ha demostrado un impacto positivo al utilizar una combinación de comunidades microbianas ya que generan altos potenciales, su manejo es más económico y menos exigente.

¿Cómo viajan los electrones?

Uno de los factores más importantes en la eficiencia de una celda electroquímica es la velocidad en que los electrones viajan hasta llegar a la superficie del electrodo donde posteriormente se mueven a lo largo de un circuito; entre los pasos para recorrer este camino tenemos al mecanismo (explica como los microorganismos liberan los electrones al electrodo), y por otra parte tenemos a la transferencia (el viaje que recorren los electrones) que puede ocurrir principalmente de tres maneras:

Transferencia directa

Es empleado por los microorganismos electrógenos (llamados así porque generan energía eléctrica), los cuales crecen a partir de la oxidación de compuestos orgánicos a dióxido de carbono (CO₂ ) y con la transferencia directa de electrones al ánodo. Esto se relaciona con la presencia de citocromos tipo C. Entre los organismos más estudiados, se encuentran Geobacter y Rhodoferax.  

Transferencia con ayuda de mediadores externos

Existen organismos que necesitan ayuda para transferir los electrones, es por eso que existen compuestos que pueden entrar al microorganismo a través de su membrana en un estado oxidado, cuando se encuentra dentro se reduce (acepta electrones), luego sale y libera los electrones.

Así pues, estos compuestos son conocidos como mediadores y juegan un papel importante pues este proceso cíclico, acelera la velocidad de transferencia de electrones y aumenta la potencia de salida en las celdas de combustible.

Un buen mediador debería poseer las siguientes características: atravesar la membrana celular fácilmente, tomar los electrones a partir de la cadena transportadora, alta velocidad de reacción con el electrodo, buena solubilidad en el analito, no ser biodegradables ni tóxicos para los microorganismos, ser de bajo costo y que tengan un potencial de reducción lo más cercano al del componente biológico, para mantener una adecuada transferencia de electrones.

Transferencia por medio de los pili

Se refiere a la formación de nanocables bacterianos o pili, que entran en contacto con el electrodo, a través del cual se transfieren los electrones. En estudios recientes, estos pilis se han identificado en diferentes tipos de bacterias como: G. sulfurreducens, Shewanella oneidensis y una cianobacteria fototrópica Synechocystis.

Consideremos ahora que una biopelícula es aquella capa que se forma cuando se recubre el electrodo de bacterias, por lo tanto los nanocables son los responsables del mantenimiento de esa biopelícula mediante la coordinación de una comunidad electrónica cooperativa, agregando e interconectando las células en una red capaz de distribuir eficazmente los electrones además permiten la participación activa de las células situadas no sólo en la superficie del electrodo, sino que también en los límites exteriores de la biopelícula.

Así pues, los pilis son los encargados de realizar la conexión eléctrica entre la célula y el electrodo y deben estar en contacto directo con el ánodo o formando una red entre las células para facilitar la transferencia de electrones a través de la biopelícula lo mejor posible.

¿Cuáles son las principales aplicaciones?

Es importante reconocer el impacto que tienen las celdas microbianas tanto en la industria como en la vida cotidiana. Dentro de sus principales ventajas se encuentran:

• Operan eficientemente a temperatura ambiente o bajas temperaturas
• Producen pocas emisiones de CO₂
• Existen modelos donde no se necesita el aporte de energía
• Es una alternativa para producir energía limpia a partir de residuos orgánicos presentes en las aguas residuales

Sin embargo, cuenta con desventajas como las pérdidas de potencia debido a la resistencia interna de las celdas, aunque es relevante mencionar que se siguen investigando sobre la modificación genética de microorganismos, combinaciones eficientes de los mismos y las variaciones en los sustratos para aumentar la potencia, así como los rendimientos.