Bioelectrogénesis

La bioelectrogénesis es la generación de electricidad por organismos vivos, un fenómeno estudiado por la ciencia de la electrofisiología. En las células biológicas, los canales de ion de la transmembrana electroquímicamente activa de y las proteínas transportadoras, como la bomba de sodio-potasio, hacen posible la generación de electricidad al mantener un desequilibrio de voltaje de una diferencia de potencial eléctrico entre el espacio intracelular y extracelular. La bomba de sodio-potasio libera simultáneamente tres iones Na e influye en dos iones K hacia el espacio intracelular. Esto genera un gradiente de potencial eléctrico a partir de la separación de carga desigual creada. El proceso consume energía metabólica en forma del compuesto químico ATP. [1][2]

La anguila eléctrica utiliza descargas eléctricas tanto para cazar como para defenderse.

Bioelectrogénesis en peces

El término generalmente se refiere a la capacidad de generación de electricidad en algunas criaturas acuáticas, como la anguila eléctrica, el bagre eléctrico, dos géneros de Uranoscopidae, rayas eléctricas y, en menor medida, la morena negra. Los peces que exhiben dicha bioelectrogénesis a menudo también poseen capacidades electroreceptivas (que están más extendidas) como parte de un sistema eléctrico integrado.[3] La electrogénesis se puede utilizar para la electrolocalización, defensa personal, electrocomunicación y, a veces, para aturdir a las presas.[4]

Bioelectrogénesis en la vida microbiana

Los primeros ejemplos de vida microbiana bioelectrogénica fueron identificados en la levadura de cerveza (Saccharomyces cerevisiae) por M. C. Potter en 1911, utilizando una iteración temprana de una celda de combustible microbiana. Se encontró que la acción química en la descomposición del carbono, como la fermentación y la descomposición del carbono en la levadura, está vinculada a la producción de electricidad. [5]

La descomposición del carbono orgánico o inorgánico por bacterias se combina con la liberación de electrones extracelularmente hacia los electrodos, que generan corrientes eléctricas. Los electrones liberados por el microbio son transferidos por enzimas biocatalíticas o compuestos reducción-oxidación activos de la célula al ánodo en presencia de una fuente de carbono viable. Esto crea una corriente eléctrica a medida que los electrones se mueven del ánodo a un cátodo físicamente separado. [6][7]

Existen varios mecanismos para el transporte extracelular de electrones. Algunas bacterias usan nanocables en biopelículas para transferir electrones hacia el ánodo. Los nanocables están hechos de pili que actúan como un conducto para que los electrones pasen hacia el ánodo. [8][9]

Otros peces eléctricos
Raya eléctrica
Pez gato eléctrico
Astroscopus guttatus

Las lanzaderas electrónicas en forma de compuestos reducción-oxidación activos como la flavina, que es un cofactor, también pueden transportar electrones. Estos cofactores son secretados por el microbio y reducidos por enzimas participantes reducción-oxidación como el Citocromo C incrustado en la superficie celular del microbio. Los cofactores reducidos luego transfieren electrones al ánodo y se oxidan. [10]

En algunos casos, la transferencia de electrones está mediada por la propia enzima participante reducción-oxidación incrustada en la membrana celular. El citocromo C en la superficie celular del microbio interactúa directamente con el ánodo para transferir electrones. [11][12]

El salto de electrones de una bacteria a otra en biopelícula hacia un ánodo a través de los citocromos de su membrana externa también es otro mecanismo de transporte de electrones. [13]

Estas bacterias que transfieren electrones en el ambiente exterior del microbio se llaman exoelectrógenos. [14]

Las bacterias electrogénicas están presentes en todos los ecosistemas y ambientes. Esto incluye entornos en condiciones extremas, como respiraderos hidrotermales y ecosistemas altamente ácidos, así como entornos naturales comunes como el suelo y los lagos. Estos microbios electrogénicos se observan a través de la identificación de microbios que residen en biopelículas electroquímicamente activas formadas en electrodos de celdas de combustible microbianas como Pseudomonas aeruginosa. [15][16]

Referencias
  1. Baptista, V. "Starting Physiology: Bioelectrogenesis." Advances in Physiology Education, vol. 39, no. 4, 2015, pp. 397-404. doi 10.1152/advan.00051.2015
  2. Schoffeniels, E.; Margineanu, D. (1990). «Cell Membranes and Bioelectrogenesis». Molecular Basis and Thermodynamics of Bioelectrogenesis. Topics in Molecular Organization and Engineering 5. pp. 30-53. ISBN 978-94-010-7464-3. doi:10.1007/978-94-009-2143-6_2.
  3. Bullock, T. H.; Hopkins, C. D.; Ropper, A. N.; Fay, R. R. (2005). From Electrogenesis to Electroreception: An Overview. Springer. ISBN 978-0-387-23192-1.
  4. Castello, M. E.; A. Rodriguez-Cattaneo; P. A. Aguilera; L. Iribarne; A. C. Pereira; A. A. Caputi (2009). «Waveform generation in the weakly electric fish Gymnotus coropinae (Hoedeman): the electric organ and the electric organ discharge». Journal of Experimental Biology 212 (9): 1351-1364. PMID 19376956. doi:10.1242/jeb.022566.
  5. Potter, M. C. (1911). Electrical effects accompanying the decomposition of organic compounds. Proceedings of the Royal Society of London. Series B, Containing Papers of a Biological Character, 84(571), 260-276.
  6. Raghavulu, SV, et al. "Relative Effect of Bioaugmentation with Electrochemically Active and Non-Active Bacteria on Bioelectrogenesis in Microbial Fuel Cell." Bioresource Technology, vol. 146, 2013, pp. 696-703.
  7. Velvizhi, G., and S. Venkata Mohan. "Electrogenic Activity and Electron Losses Under Increasing Organic Load of Recalcitrant Pharmaceutical Wastewater." International Journal of Hydrogen Energy, vol. 37, no. 7, 2012, pp. 5969-5978.
  8. Malvankar, Nikhil S.; Lovley, Derek R. (2012). «Microbial Nanowires: A New Paradigm for Biological Electron Transfer and Bioelectronics». ChemSusChem 5 (6): 1039-1046. PMID 22614997. doi:10.1002/cssc.201100733.
  9. Gorby, Yuri A., et al. "Electrically Conductive Bacterial Nanowires Produced by Shewanella Oneidensis Strain MR-1 and Other Microorganisms." Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 103, no. 30, 2006, pp. 11358-11363. PMC 1544091
  10. Kotloski, NJ, and JA Gralnick. "Flavin Electron Shuttles Dominate Extracellular Electron Transfer by Shewanella Oneidensis." Mbio, vol. 4, no. 1, 2013, pp. e00553-12-e00553-12. doi 10.1128/mBio.00553-12
  11. Bond, Daniel R., and Derek R. Lovley. "Electricity Production by Geobacter Sulfurreducens Attached to Electrodes." Applied and Environmental Microbiology, vol. 69, no. 3, 2003, pp. 1548-1555. doi 10.1128/AEM.69.3.1548-1555.2003
  12. Inoue, Kengo; Leang, Ching; Franks, Ashley E.; Woodard, Trevor L.; Nevin, Kelly P.; Lovley, Derek R. (2011). «Specific localization of the c-type cytochrome OmcZ at the anode surface in current-producing biofilms of Geobacter sulfurreducens». Environmental Microbiology Reports 3 (2): 211-217. PMID 23761253. doi:10.1111/j.1758-2229.2010.00210.x.
  13. Bonanni, PS, D. Massazza, and JP Busalmen. "Stepping Stones in the Electron Transport from Cells to Electrodes in Geobacter Sulfurreducens Biofilms." Physical Chemistry Chemical Physics, vol. 15, no. 25, 2013, pp. 10300-10306. doi 10.1039/C3CP50411E
  14. Kumar, Ravinder; Singh, Lakhveer; Wahid, Zularisam A.; Din, Mohd Fadhil Md. (2015). «Exoelectrogens in microbial fuel cells toward bioelectricity generation: A review». International Journal of Energy Research 39 (8): 1048-1067. doi:10.1002/er.3305.
  15. Chabert, N., Amin Ali, O., & Achouak, W. (2015). All ecosystems potentially host electrogenic bacteria. Bioelectrochemistry (Amsterdam, Netherlands), 106(Pt A), 88. doi 10.1016/j.bioelechem.2015.07.004
  16. Garcia-Munoz, J., et al. "Electricity Generation by Microorganisms in the Sediment-Water Interface of an Extreme Acidic Microcosm." International Microbiology, vol. 14, no. 2, 2011, pp. 73-81.

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