A microbiological approach to improve the performance of single-chamber bioelectrochemical systems

La necesidad de energia renovable y la constante amenaza del calentamiento global han motivado el desarrollo de nuevas tecnologias mas sostenibles que las actuales, como los sistemas bioelectroquimicos, tambien conocidos con el nombre de celdas electroquimicas microbianas (Microbial Electrochemical Cells, MXCs), que combinan la electroquimica con el metabolismo de un grupo particular de microorganismos llamados exoelectrogenos o ARB (Anode Respiring Bacteria). Entender la actividad metabolica de los ARB y sus condiciones optimas de crecimiento es de gran importancia para garantizar el maximo rendimiento de las MXCs. Por este motivo, la presente tesis estudia los sistemas bioelectroquimicos y tiene como objetivo desarrollar, estudiar y mejorar la comunidad microbiana de las MXCs para aumentar su rendimiento. Se han aplicado tecnicas moleculares avanzadas cuales el estudio metagenomico del gen 16S ribosomal y la PCR en tiempo real (qPCR). Se han disenado diferentes montajes experimentales para estudiar las condiciones de operacion que favorecen a los ARB frente a otros microorganismos que disminuyen la eficiencia de las MXCs, como son los metanogenos o las bacterias homoacetogenas. El enriquecimiento de ARB bajo diferentes resistencias externas en celdas de combustible microbianas (Microbial Fuel Cells, MFC) ha demostrado que el anodo inoculado en una MFC bajo una resistencia externa baja (12 Ω) tiene un mejor rendimiento cuando es trasladado a una celda de electrolisis microbiana (Microbial Electrolysis Cell, MEC); es decir, proporciona mayor intensidad y mayor tasa de produccion de H2 que otras MFC inoculadas con resistencias externas superiores (220 y 1000 Ω). Los analisis de qPCR han confirmado que el uso de una resistencia externa baja en MFC comporta la formacion de una biopelicula anodica con mayor contenido de Geobacter. Un estudio se ha llevado a cabo en dos etapas para conocer las limitaciones del uso a largo plazo del inhibidor de la metanogenesis 2-bromoetanosulfonato (BES). En MFCs alimentadas con acetato, se ha observado como el BES se demostraba ineficaz (hasta 200 mM) a largo plazo, ya que no puede evitar el crecimiento de Archaea (concretamente del genero que usa hidrogeno como donador de electrones, Methanobrevibacter), lo que parece indicar el desarrollo de resistencia al BES. A concentracion 200 mM de BES la actividad metanogenica disminuye, pero resulta en un incremento de la recirculacion de hidrogeno por homoacetogenesis. Ademas, se ha demostrado la degradacion de BES en MFC. Se ha obtenido una alta intensidad de corriente (hasta 10 A·m-2) en una MEC inoculada con un cultivo puro de Geoalkalibacter ferrihydriticus a pH basico (9.3). Estos resultados sugieren la posibilidad de que las condiciones alcalinas puedan mejorar el rendimiento de las MXCs mediante la creacion de un entorno mas selectivo para los ARB. Tambien se ha seleccionado, a partir de lodos anaerobios, una comunidad capaz de trabajar en condiciones de pH basico utilizando medio alcalino y un control del pH en linea. Se han obtenido unos rendimientos muy elevados en MFC y MEC. El estudio de las poblaciones existentes muestra un elevado contenido en el genero Alkalibacter en una MFC alcalina (37% de la comunidad bacteriana). El genero Geoalkalibacter se ha confirmado a pH alto, particularmente en MEC (43%). Finalmente, se ha desarrollado una estrategia con el proposito de obtener un cultivo sintrofico entre fermentadores y ARB capaz de usar el suero de leche como donador de electrones. Este es fermentado principalmente a acetato por bacterias del acido lactico (Enterococcus sp. comprendia el 22% de la comunidad bacteriana). La actividad exoelectrogenica se ha demostrado con la presencia de Geobacter sp. (37%), que consume el acetato como donador de electrones. Esta comunidad microbiana ha sido capaz de degradar el suero para producir directamente energia o H2 (0.6 LH2·L-1REACTOR·d-1).