Microorganismos electroactivos en el agua residual de beneficiado de café (procesos redox de hierro)
DOI:
https://doi.org/10.22458/urj.v16i1.4806Palabras clave:
Celdas combustibles microbianas, electrogénico, bacteria, aguas residuales, reducción hierroResumen
Introducción: Las aguas residuales a menudo son una buena fuente de bacterias electrogénicas, esenciales para las Celdas Microbianas de Combustible (CMC). Los electrones que liberan al metabolizar la materia orgánica son evidencia de su capacidad electrogénica. Objetivo: Evaluar la capacidad de reducción de hierro de las bacterias aisladas de las aguas residuales del café. Métodos: Aislamos del electrodo del ánodo de las CMC bacterias facultativas morfológicamente diferentes, utilizando agua residual de un beneficio de café como sustrato. A estas bacterias les realizamos una identificación preliminar por el sistema Biolog GEN III (Biolog Inc. Hayward, CA, EE. UU.). Determinamos el porcentaje de conversión de a por parte de las bacterias aisladas en citrato de hierro (III), cloruro de hierro (III) y óxido de hierro (III); empleamos Shewanella oneidensis como control positivo en los ensayos. Resultados: Obtuvimos ocho aislamientos bacterianos con predominancia de morfología de bacilos Gram positivos no esporulados. Hubo actividad reductiva en los compuestos de hierro, con mejores porcentajes de conversión de a en el óxido de hierro (III). El aislamiento coincidente con el género Citrobacter (SB), único bacilo Gram negativo, tuvo porcentajes de conversión de hierro superiores a 1,0% en los tres compuestos de hierro (máximo 4,3%). Conclusión: En el agua residual del proceso de café, existen bacterias con capacidad electrogénica que podrían utilizarse en Celdas Microbianas de Combustible.
Citas
Arbianti, R., Utami, T. S., Hermansyah, H., Novitasari, D., Kristin, E., & Trisnawati, I. (2013). Performance Optimization of Microbial Fuel Cell (MFC) Using Lactobacillus bulgaricus. MAKARA Journal of Technology, 17(1), 32–38. https://doi.org/10.7454/mst.v17i1.1925
Banerjee, S., Paul, S., Nguyen, L. T., Chu, B. C. H., & Vogel, H. J. (2016). FecB, a periplasmic ferric-citrate transporter from E. coli, can bind different forms of ferric-citrate as well as a wide variety of metal-free and metal-loaded tricarboxylic acids. Metallomics, 8(1), 125–133. https://doi.org/10.1039/C5MT00218D
Beblawy, S., Bursac, T., Paquete, C., Louro, R., Clarke, T. A., & Gescher, J. (2018). Extracellular reduction of solid electron acceptors by Shewanella oneidensis. Molecular Microbiology, 109(5), 571–583. https://doi.org/10.1111/mmi.14067
Bennett, B. D., Brutinel, E. D., & Gralnick, J. A. (2015). A Ferrous Iron Exporter Mediates Iron Resistance in Shewanella oneidensis MR-1. Applied and Environmental Microbiology, 81(22), 7938–7944. https://doi.org/10.1128/AEM.02835-15
Breuer, M., Rosso, K. M., Blumberger, J., & Butt, J. N. (2015). Multi-haem cytochromes in Shewanella oneidensis MR-1: structures, functions and opportunities. Journal of The Royal Society Interface, 12(102), 20141117. https://doi.org/10.1098/rsif.2014.1117
Cárdenas, D., Villegas, J. R., Solís, C., Sanabria-Chinchilla, J., Uribe, L., & Fuentes-Schweizer, P. (2022). Evaluación del desempeño de una celda de combustible microbiana con electrodo de grafito modificado para el tratamiento de agua residula del procesamiento de café. Revista Colombiana de Química 51(1), 40–47. https://doi.org/10.15446/rev.colomb.quim.v51n1.101185
Castro, J. (2019). Búsqueda de bacterias electrogénicas en celdas de combustible microbiano a partir de miel de café. [Tesis de Licenciatura, Universidad de Costa Rica]. http://repositorio.sibdi.ucr.ac.cr:8080/xmlui/handle/123456789/6438
Coursolle, D., & Gralnick, J. A. (2010). Modularity of the Mtr respiratory pathway of Shewanella oneidensis strain MR-1. Molecular Microbiology, 77(4), 995-1008. https://doi.org/10.1111/j.1365-2958.2010.07266.x
Darmawan, M. D., Hawa, L. C., & Argo, B. D. (2018). Performance of microbial fuel cell double chamber using mozzarella cheese whey substrate. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 131, 012047. https://doi.org/10.1088/1755-1315/131/1/012047
Feng, Y., Wang, X., Logan, B. E., & Lee, H. (2008). Brewery wastewater treatment using air-cathode microbial fuel cells. Applied Microbiology and Biotechnology, 78(5), 873–880. https://doi.org/10.1007/s00253-008-1360-2
Fennessey, C. M., Jones, M. E., Taillefert, M., & DiChristina, T. J. (2010). Siderophores Are Not Involved in Fe(III) Solubilization during Anaerobic Fe(III) Respiration by Shewanella oneidensis MR-1. Applied and Environmental Microbiology, 76(8), 2425–2432. https://doi.org/10.1128/AEM.03066-09
Fukushima, T., Sia, A. K., Allred, B. E., Nichiporuk, R., Zhou, Z., Andersen, U. N., & Raymond, K. N. (2012). Bacillus cereus iron uptake protein fishes out an unstable ferric citrate trimer. Proceedings of the National Academy of Sciences, 109(42), 16829–16834. https://doi.org/10.1073/pnas.1210131109
Ganzorig, B., Zayabaatar, E., Pham, M. T., Marito, S., Huang, C.-M., & Lee, Y.-H. (2023). Lactobacillus plantarum Generate Electricity through Flavin Mononucleotide-Mediated Extracellular Electron Transfer to Upregulate Epithelial Type I Collagen Expression and Thereby Promote Microbial Adhesion to Intestine. Biomedicines, 11(3), 677. https://doi.org/10.3390/biomedicines11030677
Gautier-Luneau, I., Merle, C., Phanon, D., Lebrun, C., Biaso, F., Serratrice, G., & Pierre, J.-L. (2005). New Trends in the Chemistry of Iron(III) Citrate Complexes: Correlations between X-ray Structures and Solution Species Probed by Electrospray Mass Spectrometry and Kinetics of Iron Uptake from Citrate by Iron Chelators. Chemistry - A European Journal, 11(7), 2207–2219. https://doi.org/10.1002/chem.200401087
Gildemyn, S., Rozendal, R. A., & Rabaey, K. (2017). A Gibbs Free Energy-Based Assessment of Microbial Electrocatalysis. Trends in Biotechnology, 35(5), 393–406. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2017.02.005
Gu, J.-D. (2003). Microbiological deterioration and degradation of synthetic polymeric materials: recent research advances. International Biodeterioration & Biodegradation, 52(2), 69–91. https://doi.org/10.1016/S0964-8305(02)00177-4
Gude, V. G. (2016). Wastewater treatment in microbial fuel cells - An overview. Journal of Cleaner Production, 122, 287–307. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2016.02.022
Ha, P. T., Lee, T. K., Rittmann, B. E., Park, J., & Chang, I. S. (2012). Treatment of alcohol distillery wastewater using a bacteroidetes-dominant thermophilic microbial fuel cell. Environmental Science and Technology, 46(5), 3022–3030. https://doi.org/10.1021/es203861v
Hong, Y.-G., & Gu, J.-D. (2010). Physiology and biochemistry of reduction of azo compounds by Shewanella strains relevant to electron transport chain. Applied Microbiology and Biotechnology, 88(3), 637–643. https://doi.org/10.1007/s00253-010-2820-z
Kirchhofer, N. D., Rengert, Z. D., Dahlquist, F. W., Nguyen, T. Q., & Bazan, G. C. (2017). A Ferrocene-Based Conjugated Oligoelectrolyte Catalyzes Bacterial Electrode Respiration. Chem, 2(2), 240–257. https://doi.org/10.1016/j.chempr.2017.01.001
Liu, T., Luo, X., Wu, Y., Reinfelder, J. R., Yuan, X., Li, X., Chen, D., & Li, F. (2020). Extracellular electron shuttling eediated by soluble c -Type Cytochromes produced by Shewanella oneidensis MR-1. Environmental Science & Technology, 54(17), 10577–10587. https://doi.org/10.1021/acs.est.9b06868
Liu, X., Shi, L., & Gu, J-D. (2018). Microbial electrocatalysis: Redox mediators responsible for extracellular electron transfer. Biotechnology Advances, 36(7), 1815–1827. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2018.07.001
Nastro, R. A., Falcucci, G., Toscanesi, M., Minutillo, M., Pasquale, V., Trifuoggi, M., Dumontet, S., & Jannelli, E. (2015). Performances and microbiology of a microbial fuel cell (MFC) fed with the organic fraction of municipal solid waste (OFMSW). Proceedings of the 6th European Fuel Cell - Piero Lunghi Conference, EFC 2015, November.
Obileke, K., Onyeaka, H., Meyer, E. L., & Nwokolo, N. (2021). Microbial fuel cells, a renewable energy technology for bio-electricity generation: A mini-review. Electrochemistry Communications, 125, 107003. https://doi.org/10.1016/j.elecom.2021.107003
Pankratova, G., Hederstedt, L., & Gorton, L. (2019). Extracellular electron transfer features of Gram-positive bacteria. Analytica Chimica Acta, 1076, 32–47. https://doi.org/10.1016/j.aca.2019.05.007
Patil, S. A., Surakasi, V. P., Koul, S., Ijmulwar, S., Vivek, A., Shouche, Y. S., & Kapadnis, B. P. (2009). Electricity generation using chocolate industry wastewater and its treatment in activated sludge based microbial fuel cell and analysis of developed microbial community in the anode chamber. Bioresource Technology, 100(21), 5132–5139. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2009.05.041
Persson, I. (2018). Ferric Chloride Complexes in Aqueous Solution: An EXAFS Study. Journal of Solution Chemistry, 47(5), 797–805. https://doi.org/10.1007/s10953-018-0756-6
Rosenbaum, M. A., & Henrich, A. W. (2014). Engineering microbial electrocatalysis for chemical and fuel production. Current Opinion in Biotechnology, 29, 93–98. https://doi.org/10.1016/j.copbio.2014.03.003
Sánchez-Santillán, P., & Cobos-Peralta, M. A. (2016). Producción in vitro de ácidos grasos volátiles de bacterias celulolíticas reactivadas y bacterias ruminales totales en sustratos celulósicos. Agrociencia, 50(5), 565–574. http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1405-31952016000500565&lng=es&tlng=es.
Smirnov, P. R., & Grechin, O. V. (2019). Structure of the nearest surrounding of ions in aqueous solutions of iron(III) chloride by x-ray diffraction method. Journal of Molecular Liquids, 281, 385–388. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.02.099
Tahernia, M., Plotkin-Kaye, E., Mohammadifar, M., Gao, Y., Oefelein, M. R., Cook, L. C., & Choi, S. (2020). Characterization of Electrogenic Gut Bacteria. ACS Omega, 5(45), 29439–29446. https://doi.org/10.1021/acsomega.0c04362
Thapa, B. Sen, Kim, T., Pandit, S., Song, Y. E., Afsharian, Y. P., Rahimnejad, M., Kim, J. R., & Oh, S.-E. (2022). Overview of electroactive microorganisms and electron transfer mechanisms in microbial electrochemistry. Bioresource Technology, 347, 126579. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.126579
Vilas, J., Oliveira, V. B., Marcon, L. R. C., Simões, M., & Pinto, A. M. F. R. (2019). Optimization of a single chamber microbial fuel cell using Lactobacillus pentosus: Influence of design and operating parameters. Science of The Total Environment, 648, 263–270. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.08.061
Villegas, J. R. (2020). Uso de Celdas de Combustible Microbiano con cátodo al aire para el tratamiento del agua residual del procesamiento de café. [Tesis de Licenciatura, Universidad de Costa Rica]. http://repositorio.sibdi.ucr.ac.cr:8080/jspui/handle/123456789/17317
Viviano, F., Medina, L., Ramos, N., Amaíz, L., & Valbuena, O. (2011). Degradación de celulosa por bacterias de aguas termales de Las Trincheras, Venezuela. Revista Latinoamericana de Biotegnologia Ambiental y Algal, 2(1), 18–29. http://www.solabiaa.org/ojs3/index.php/RELBAA/article/view/25
Vukosav, P., Mlakar, M., & Tomišić, V. (2012). Revision of iron(III)–citrate speciation in aqueous solution. Voltammetric and spectrophotometric studies. Analytica Chimica Acta, 745, 85–91. https://doi.org/10.1016/j.aca.2012.07.036
Wen, Q., Wu, Y., Cao, D., Zhao, L., & Sun, Q. (2009). Electricity generation and modeling of microbial fuel cell from continuous beer brewery wastewater. Bioresource Technology, 100(18), 4171–4175. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2009.02.058
Yasri, N., Roberts, E. P. L., & Gunasekaran, S. (2019). The electrochemical perspective of bioelectrocatalytic activities in microbial electrolysis and microbial fuel cells. Energy Reports, 5, 1116–1136. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2019.08.007
Yin, Y., Liu, C., Zhao, G., & Chen, Y. (2022). Versatile mechanisms and enhanced strategies of pollutants removal mediated by Shewanella oneidensis: A review. Journal of Hazardous Materials, 440, 129703. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.129703
Publicado
Cómo citar
Número
Sección
Licencia
Derechos de autor 2023 Los autores conservan los derechos de autor y otorgan a la revista el derecho de primera publicación, con la obra simultáneamente licenciada bajo una Licencia de Atribución de Creative Commons.
Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución 4.0.
Nota: Este resumen contiene un copyright incorrecto debido a problemas técnicos. Los autores que publican en esta revista aceptan los siguientes términos: Los autores conservan los derechos de autor y otorgan a la revista el derecho de primera publicación, con la obra simultáneamente bajo una Licencia de Atribución de Creative Commons que permite a otros compartir la obra con el reconocimiento de la autoría y la publicación inicial en esta revista.
Los contenidos se pueden reproducir citando la fuente según la licencia de Acceso Abierto CC BY 4.0. El almacenamiento automático en repositorios está permitido para todas las versiones. Incentivamos a los autores a publicar los datos originales y bitácoras en repositorios públicos, y a incluir los enlaces en todos los borradores para que los revisores y lectores puedan consultarlos en cualquier momento.
La revista está financiada con fondos públicos a través de la Universidad Estatal a Distancia. La independencia editorial y el cumplimiento ético están garantizados por la Comisión de Editores y Directores de Revistas de la UNED. No publicamos pautas publicitarias pagadas ni recibimos financiamiento de la empresa privada.