ES2315176A1 - Electrodo bacteriano aerobico para anodo de una pila de combustible sin mediadores redox ni membrana intercambiadora de protones. - Google Patents

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Abstract

Electrodo bacteriano aeróbico para ánodo de una pila de combustible sin mediadores redox ni membrana intercambiadora de protones. La presente invención proporciona nuevos electrodos biológicos para pilas de combustible microbianas que no requieran membrana transportadora de protones para separar el cátodo del ánodo, ni el uso de mediadores redox en disolución para asegurar la comunicación electrónica eficaz entre células bacterianas y el ánodo. En la presente invención se describe por primera vez la adsorción de células bacterianas del género Acidiphilium spp. sobre un electrodo de un material conductor de electricidad. Las células adsorbidas son capaces de oxidar compuestos orgánicos cediendo directamente los electrones de la reacción al electrodo sin necesidad del uso de mediadores redox en disolución y no viéndose afectado el proceso por la presencia de oxígeno molecular en el medio.

Description

Electrodo bacteriano aeróbico para ánodo de una pila de combustible sin mediadores redox ni membrana intercambiadora de protones.
Campo técnico
La presente invención se relaciona con electrodos microbianos para pilas de combustible en las cuales el combustible es materia orgánica. Por tanto, se relaciona con la biotecnología y más concretamente con el uso de células bacterianas como biocatalizadores y más en particular como biocatalizadores redox y más en particular con la biotecnología de la producción directa de energía eléctrica a partir de biomasa.
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Antecedentes de la invención
La actual situación energética hace necesaria una apuesta clara por la implantación de las Pilas de Combustible como uno de los medios más seguros, limpios y eficaces de convertir la energía contenida en diversos combustibles en electricidad (M.S. Dreseselhaus and I.L. Thomas, Alternative energy technologies. Nature, 414, 332- 337, 2001). En este contexto cabe resaltar el hecho de que en los últimos años se ha asistido a una intensa investigación en Biopilas de Combustible llamadas así porque en los electrodos de la pila interviene elementos biológicos, enzimas redox o células microbianas en ánodos y en cátodos (G. Tayhas, R. Palmore, and G.M. Whitesides, Microbial and Enzymatic Biofuel Cells in Enzymatic conversion of biomass for fuel production, M.E. Himmel, J.O. Baker and R.P. Overend, eds., American Chemical Society Symposium series, n° 566, ACS, Washington, DC., 271-290, 1994). La utilización de células microbianas como biocatalizadores permite utilizar como combustible de la pila materia orgánica (glucosa, lactato, etanol, sucrosa, celulosa, etc.), por tanto es posible obtener energía eléctrica a partir de biomasa procedente de aguas residuales, deshechos agrícolas o deshechos industriales. De este modo, la pila no solo serviría para generar energía eléctrica sino también para eliminación de residuos (F. Scholz and U. Schroder, Bacterial Batteries. Nat. Biotechnol., 21, 1151-1152, 2003; L. T. Angenent, K. Karim, M. H. Al-Dahhan, B. A. Wrenn and R. Domínguez-Espinosa, Production of bioenergy and biochemicals from industrial and agricultural wastewater. Trends Biotechnol., 22, 477-485, 2004). Generalmente, el uso de biocatalizadores microbianos en pilas de combustible requiere la presencia de mediadores redox en disolución para conseguir la comunicación electrónica entre el microorganismo y el electrodo (A. K. Shukla, P. Suresh, S. Berchmans and A. Rajendran, Biological fuel cells and their applications. Curr. Sci., 87, 455-468, 2004), pero en los últimos años se ha descubierto que algunas bacterias reductoras de metales son capaces de ceder electrones directamente al electrodo (H. J. Kim, H. S. Park, M. S. Jun, I. S. Chang, M. Kim, B. H. Kim, A mediator-less microbial fuel cell using a metal reducing bacterium, Shewanella putrefaciens. Enzyme Microbiol. Technol., 30, 145-152, 2002; D. R. Bond, D. R. Lovley, Electricity production by Geobacter sulfurreducens attached to electrodes. Appl. Environ. Microbiol., 69, 1548-1555, 2003; S. Chaudhuri, D. R. Lovley, Electricity generation by direct oxidation of glucose in mediatorless microbial fuel cells. Nat. Biotechnol., 21, 1229-1232, 2003). En todos los casos descritos en la literatura estos microorganismos solo funcionan en condiciones estrictamente anaeróbicas, por lo tanto su utilización en ánodos de biopilas de combustible obliga a emplear una membrana intercambiadora de protones que separe ánodo y cátodo (Patentes WO0104061, WO2005001981, DE10315792, US2004241528 y JP10233226). Esto tiene el inconveniente de que estas membranas intercambiadoras de protones son caras y pueden limitar cinéticamente el funcionamiento de la pila de combustible (B. Min, S. Cheng, B. E. Logan, Electricity generation using membrane and salt bridge microbial fuel cells, Water Res. 39, 1675-1686, 2005; J. L. Cohen, D. A. Westly, A. Pechenik, H. D. Abruña, Fabrication and preliminary testing of a planar membraneless microchannel fuel cell, J. Power Sources 139, 96-105, 2005). Muy recientemente, se ha publicado una patente de una pila de combustible microbiana sin mediadores redox y sin membrana intercambiadora de protones pero sigue requiriendo condiciones anaeróbicas para el funcionamiento de las bacterias que actúan como biocatalizadores, por lo cual las aguas residuales que proporcionan el combustible deben tratarse anaeróbicamente y el compartimiento catódico debe estar separado del compartimiento anódico por lana de vidrio y cuentas de vidrio para evitar la difusión de O_{2} desde el compartimiento catódico (patente US2005208343).
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Descripción de la invención
La presente invención proporciona nuevos electrodos biológicos para pilas de combustible microbianas que no requieran membrana transportadora de protones para separar el cátodo del ánodo, ni el uso de mediadores rédox en disolución para asegurar la comunicación electrónica eficaz entre células bacterianas y el ánodo. En la presente invención se describe por primera vez la adsorción de células bacterianas del género Acidiphilium spp. sobre un electrodo de un material conductor de electricidad. Las células adsorbidas son capaces de oxidar compuestos orgánicos cediendo directamente los electrones de la reacción al electrodo sin necesidad del uso de mediadores redox en disolución y no viéndose afectado el proceso por la presencia de oxígeno molecular en el medio.
Por lo tanto, un primer aspecto de la presente invención lo constituye un electrodo biológico, en adelante electrodo biológico de la presente invención, basado en la utilización de células del género bacteriano Acidiphilium spp. adsorbidas sobre un electrodo conductor para producción de electricidad a partir de materia orgánica de diferentes orígenes, al menos en condiciones aeróbicas, donde las células del género Acidiphilium se caracterizan porque presentan una región homologa al polinucleótido que se muestra en la figura 8 (SEQ ID N° 1), correspondiente a la región 16S de su RNA ribosómico nuclear, de al menos un 80% de identidad, preferentemente de al menos un 90% de identidad más preferentemente de al menos un 95% de identidad y, en una realización aún más preferente de la invención, de al menos un 99% de identidad con el polinucleótido mostrado en dicha figura (SEQ ID N° 1)
La información que se proporciona en esta memoria, es suficiente para permitir a un taxónomo molecular identificar a otras cepas que estén dentro de este género.
El género Acidiphilium fue descrito por Harrison en 1981 (Harrison 1981, Int. J. Syst. Bacteriol., 1981, 31, 327-332.). empleando Acidiphilium cryptum Harrison 1981 como especie tipo. Posteriormente se han añadido otras especies al género, un total de 9.
Acidiphilium acidophilum (Harrison 1983) Hiraishi et al. 1998.
Acidiphilium aminilyticum corrig. Kishimoto et al. 1994, actualmente.
Acidocella aminolytica (Kishimoto et al. 1994) Kishimoto et al. 1996.
Acidiphilium angustum Wichlacz et al. 1986.
Acidiphilium facile corrig. Wichlacz et al. 1986.
Acidiphilium multivorum Wakao et al. 1995.
Acidiphilium organovorum Lobos et al. 1986.
Acidiphilium rubrum Wichlacz et al. 1986.
Acidiphilium symbioticum Battacharyya et al. 1991.
De estas 9 especies, una ha surgido como una nueva combinación de Thiobacillus acidophilus (ex Guay and Silver 1975) Harrison 1983, y dos de ella han sido transferidas posteriormente a un nuevo género, Acidocella, como Acidocella aminolytica (Kishimoto et al. 1994) Kishimoto et al. 1996 y Acidocella facilis (Wichlacz et al. 1986) Kishimoto et al. 1996.
Por las especiales características de estos organismos, que aún no se han estudiado en profundidad, y por las dificultades que supone su descripción, esta será más fácil y fiable si su delimitación taxonómica se basa en métodos de biología molecular (filogenia molecular).
Tanto Acidiphilium como Acidocella pertenecen al Phylum Proteobacteria, a la Clase Alphaproteobacterias del orden Rhodospirillales, de la Familia Acetobacteraceae. El género representante de la Familia es Acetobacter Beijerinck 1898, siendo el tipo del género Acetobacter aceti (Pasteur 1864) Beijerinck 1898.
Los otros géneros de la Familia, y sus respectivos tipos, de acuerdo a los criterios taxonómicos del GenBank,
son:
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(Tabla pasa a página siguiente)
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Con el fin de definir, a efectos de esta memoria, el género Acidiphylium se realizó un análisis filogenético de las especies tipo de los distintos géneros pertenecientes a la Familia Acetobacteraceae. Como outgroup (grupo externo de comparación) se incluyeron otras especies de la clase Alphaproteobacteria:
De la Familia Rhodobacteraceae
Rhodobacter Imhoff et al. 1984 - Tipo Rhodobacter capsulatis (Molisch 1907) Imhoff et al. 1984.
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De la Familia Rhodospirillaceae:
Rhodospirillum Molisch 1907 -Tipo Rhodospirillum rubrum (Esmarch 1887) Molisch 1907.
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De la Familia Hyphomicrobiaceae:
Rhodomicrobium Duchow & Douglas 1949- Tipo Rhodomicrobium vannielii Duchow & Douglas 1949.
Blastochloris Hiraishi 1997 - Tipo Blastocholris viridis (Drews & Giesbrecht 1966) Hiraishi 1997.
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De la Familia Erythrobacteracceae:
Erythrobacter Shiba and Simidu 1982 - Tipo Erythrobacter longus Shiba and Simidu 1982.
Para el análisis arriba mencionado se emplearon polinucleótidos homólogos al que se muestra en la Figura 8 (SEQ ID N°1) y que pertenece al microorganismo empleado para realizar el ejemplo 1 de la presente invención. Estos polinucleótidos homólogos se localizan en la región 16S ribosómico nuclear del material genético de estos microorganismos y fueron obtenidos del GenBank.
El alineamiento de estos nucleótidos se hizo mediante el software SAM (Hughey & Krogh, 1996), obteniendo una matriz de 75 taxones y 923 pares de bases. La matriz resultante fue analizada usando la metodología Bayesian Markov Chain Monte Carlo (B/MCMC) tal y como se recoge en Larget y Simon, 1999; y Huelsenbeck et al., 2000. El análisis Bayesiano se llevó a cabo usando MrBayes v3.03b (Huelsenbeck & Ronquist, 2001). La probabilidad posterior (pp) de cada rama se aproximó por muestreo de los árboles filogenéticos por el método Markov Chain Monte Carlo (MCMC). Se empleó el programa MrBayes (Huelsenbeck & Ronquist, 2001) para muestrear los árboles, y el análisis se realizó asumiendo el modelo general time reversible (Rodriguez et al., 1990) incluyendo la estimación de los sitios invariantes y asumiendo una distribución discreta gamma y con seis categorías (GTR+I+G). No se asumió reloj molecular. Se analizaron 2000000 de generaciones, comenzando con un árbol al azar, y empleando 6 cadenas simultaneas. Cada 100 generaciones el árbol resultante se guardó. Se eliminaron los árboles resultantes de las 200000 primeras generaciones, obteniendo el árbol consenso de los últimos 18000 árboles, que ya habían alcanzado el estado estacionario. Los clados con probabilidad igual o superior al 95% se consideraron soportados
significativamente.
La Figura 7 muestra el análisis filogenético que incluye las especies tipo de la Familia Acetobacteracceae, de acuerdo a los criterios taxonómicos del GenBank, así como todas las especies de Acidiphilium y Acidocella cuyo polinucleótido homólogo al de la Figura 8 (SEQ ID N°1) se encuentra depositado en el GenBank. Se consideraría que un experto en la materia a la luz de lo descrito anteriormente podría determinar si las células de un determinado microorganismo pertenecen al género Acidiphilium mediante un análisis filogenético igual o similar.
Adicionalmente, en la identificación de un microorganismo como perteneciente al género Acidiphilium son aplicables los parámetros siguientes, sea aisladamente o en combinación con los anteriores. Dado que las cepas de Acidiphilium son afines en cuanto a su evolución, puede esperarse que la homología global de los genomas al nivel de los nucleótidos, y más concretamente a nivel de la región 16 S del RNA ribosómico nuclear, y más concretamente al polinucleótido de la región 16S del RNA ribosómico nuclear que se recoge en la Figura 8 (SEQ ID N°1), sea de un 80% o mayor, y más preferiblemente de un 90% o mayor. La correspondencia entre la secuencia genómica de la(s) cepa(s) de Acidiphilium putativa(s) y la secuencia de otro microorganismo se puede determinar por métodos conocidos en la técnica. Por ejemplo, aquéllas se pueden determinar por una comparación directa de la información de secuencia del polinucleótido procedente de Acidiphilium putativo, y la secuencia del polinucleótido que se muestra en la Figura 8 de esta memoria. Por ejemplo, también, aquéllas se pueden determinar por hibridación de los polinucleótidos en condiciones que forman dúplex estables entre regiones homólogas, seguido por digestión con nucleasa(s) específica(s)
monocatenaria(s), seguido por determinación del tamaño de los fragmentos digeridos.
El porcentaje de homología se ha determinado midiendo la identidad entre el polinucleótido que se muestra en la Figura 8 (SEQ ID N°1) (perteneciente a la cepa del género acidiphillium utilizada para llevar a cabo el ejemplo 1 de la presente invención) y todos los polinucleótidos homólogos del género Acidiphylium que se encontraban recogidos en el momento de escritura de esta memoria, en el GenBank. Para ello, se realizó un alineamiento de los polinucleótidos con el programa Clustal X (Thompson et al. 1997). Se obtuvo una matriz de 34 taxones y 1045 pares de bases. Se calcularon las distancias genéticas entre el polinucleótidos de la cepa de acidiphillium utilizada en el ejemplo 1 con la secuencia consenso SEQ ID N° 1 y los restantes polinucleótidos, y se calculó la identidad entre los polinucleótidos que presentaron la mayor distancia genética con él. La identidad que presentaron fue de un 89%. La identidad entre los polinucleótidos que presentaron una mayor distancia genética fue de un 86%. Por tanto, cabe pensar que un organismo que pertenezca al género Acidiphilium tendrá un polinucleótido homólogo al de la Figura 8 (SEQ ID N°1), perteneciente a la región 16S de su RNA ribosómico nuclear, que presente, al menos, una identidad del 80% con
éste.
El término "Género", tal y como se utiliza en esta memoria, hace referencia a la categoría de la clasificación biológica (categoría taxonómica) que comprende una o más especies relacionadas filogenéticamente y morfológicamente similares. También se espera que compartan características químicas y metabólicas similares.
En el contexto de esta memoria, la expresión "árbol filogenético" o "árbol evolutivo" hace referencia a la estructura matemática usada para modelizar la historia evolutiva real de un conjunto de unidades taxonómicas (secuencias, individuos, especies, etcétera).
Por "categoría taxonómica" se entiende el nivel de jerarquía utilizado para la clasificación de los organismos.
Tal y como se utiliza en esta memoria, un "ciado" hace referencia a un grupo monofilético, siendo un "grupo monofilético" un grupo que incluye todos los taxones descendientes de un taxón ancestral.
El término "polinucleotido", tal como se utiliza en esta memoria, se refiere a una forma polímera de nucleótidos de cualquier longitud, sean ribonucleótidos o desoxirribonucleótidos. Este término se refiere exclusivamente a la estructura primaria de la molécula.
El término "filogenia" como aquí se usa se refiere a la relación histórica verdadera entre un conjunto de taxones.
El término "homología", tal y como se utiliza en esta memoria, hace referencia a la semejanza entre do estructuras debida a una ascendencia evolutiva común, y más concretamente, a la semejanza entre los nucleótidos de dos o más polinucleótidos.
El término "identidad", tal y como se utiliza en esta memoria, hace referencia a la proporción de nucleótidos idénticos entre dos polinucleótidos que se comparan.
Por "norma de reacción" se entiende el conjunto de fenotipos a que da origen un mismo genotipo cuando se desarrolla en distintos ambientes.
El término "genotipo", tal como se utiliza en esta memoria, hace referencia a la constitución hereditaria o genética de un individuo; todo el material genético contenido en una célula, al que, por lo general, se denomina material nuclear.
El término "fenotipo", tal como se utiliza en esta memoria, se refiere a la suma total de las propiedades estructurales y funcionales observables de un organismo; producto de la interacción entre el genotipo y el medio ambiente.
El término "especie tipo" hace referencia a la especie designada como el tipo de un género o un subgénero, siendo el "tipo" bajo el punto de vista taxonómico, el elemento simple de un taxón al cual se le asigna permanentemente el nombre y sobre el que están basadas las características descriptivas que satisfacen las condiciones de disponibilidad o de publicación válidas.
Las bacterias del género acidophilium se caracterizan porque pueden reducir ión férrico utilizando compuestos orgánicos como donadores de electrones. Una propiedad sobresaliente de este tipo de bacterias es su capacidad de utilizar el hierro férrico como aceptor final de electrones en condiciones anaerobias, microaerobias y en elevadas concentraciones de oxígeno. Para llevar a cabo la presente invención se aislaron cepas de Acidiphilium spp. de diferentes zonas del río Tinto caracterizadas por sus elevadas concentraciones de hierro, tanto ión ferroso como férrico. El aislamiento se hizo a partir de medio sólido con glucosa como fuente de energía y luego se procedió a comprobar la pureza de las cepas de Acidiphilium durante su crecimiento en medio liquido a pH 2,5 mediante hibridación in situ con sondas especificas.
Por tanto, una realización preferida de la invención lo constituye el electrodo biológico de la invención en el que las células del género bacteriano Acidiphilium spp. se aíslan del Río Tinto (Huelva).
Estas células bacterianas pueden ser manipuladas genéticamente por las técnicas convencionales actuales de biología molecular para cambiar sus propiedades.
Por lo tanto, otra realización preferida de la invención lo constituye el electrodo biológico de la invención en el que las células del género bacteriano Acidiphilium spp. se han modificado mediante ingeniería genética para mejorar sus propiedades.
Las células bacterianas de Acidiphilium spp. se pueden modificar genéticamente para promover la secreción de hexopolisacáridos dopados con iones de Fe para favorecer su adherencia a la superficie del electrodo y su conectividad eléctrica.
Por lo tanto, una realización más preferida de la invención lo constituye el electrodo biológico de la invención en el que las células del género bacteriano Acidiphilium spp. se han modificado mediante ingeniería genética para mejorar su adherencia a la superficie del electrodo y su conectividad eléctrica.
Por ingeniería genética puede también modificarse las propiedades metabólicas de las células de Acidiphilium spp. para aumentar el tipo de compuestos orgánicos que son capaces de utilizar para generar electricidad.
Por lo tanto, otra realización aún más preferida de la invención lo constituye el electrodo biológico de la invención en el que las células del género Acidiphilium sp se han modificado mediante ingeniería genética para ampliar sus propiedades metabólicas con compuestos orgánicos diversos.
El electrodo conductor que forma parte del electrodo biológico de la invención puede ser, a modo de ejemplo y sin que limite el alcance de la invención, de un material de tipo carbonáceo, el cual tenga gran área específica que permita un alto recubrimiento del electrodo con células bacterianas, y por tanto de lugar a altas densidades de intensidad de corriente en el electrodo biológico de la invención.
Así, otro aspecto de la presente invención lo constituye el electrodo biológico de la invención en el que el electrodo conductor es de un material carbonáceo.
Una realización preferida de la presente invención lo constituye el electrodo biológico de la invención en el que el material carbonáceo del electrodo conductor es grafito, hilo de carbón o tela de carbón.
El material carbonáceo que constituye el electrodo puede ser dopado con iones metálicos para favorecer la conectividad eléctrica entre las células bacterianas adsorbidas y el electrodo (D. H. Park, J. G. Zeikus, Improved fuel cell and electrode designs for producing electricity from microbial degradation, Biotechnol. Bioeng. 81, 348-355, 2003). Asimismo, con el fin de favorecer la adhesión de las células bacterianas a la superficie del electrodo por interacciones electroestáticas la superficie del electrodo puede ser modificada con diferentes grupos funcionales por los métodos descritos por Saveant y colaboradores mediante la reducción electroquímica de sales de aril diazonio adecuadas (M. Delamar, R. Hitmi, J. Pinson, J. M. Saveant, Covalent modification of carbon surfaces by grafting of functionalized aryl radicals produced from electrochemical reduction of diazonium salts, J. Am. Chem. Soc. 114, 5853-5854, 1992; P. Allongue, M. Delamar, B. Desbat, O. Fagebaume, R. Hitmi, J. Pinson, J. M. Saveant, Covalent modification of carbon surfaces by aryl radicals generated from the electrochemical reduction of diazonium salts, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 201-207).
Así, una realización más preferida de la presente invención lo constituye el electrodo biológico de la invención en el que el material del electrodo conductor está modificado con iones metálicos o con grupos funcionales en su superficie.
En un aspecto preferente de la invención y con el fin de lograr la adsorción de las células bacterianas sobre el electrodo conductor se inocula un cultivo de bacteria Acidiphilium spp. en una celda estéril electroquímica que contiene una disolución acuosa aeróbica con pH ácido, un compuesto orgánico como nutriente, y en presencia de un soporte de material conductor que actúa como electrodo de trabajo. Además se colocan un electrodo de referencia y un contraelectrodo en la celda. La comunicación eléctrica entre células bacterianas y el electrodo de trabajo se evalúa por la técnica de voltametría cíclica. Tras un periodo de tiempo de incubación (por ejemplo 6 días) se comprueba que ha aumentado el número de células de la bacteria en el medio, que hay células adsorbidas sobre la tela de carbón y que las bacterias adsorbidas son capaces de ceder los electrones procedentes de la oxidación del compuesto orgánico al electrodo en condiciones aeróbicas sin que requiera la adición de mediadores redox en disolución (ver Ejemplo 1).
Por tanto, otro aspecto de la presente invención lo constituye un procedimiento de obtención del electrodo biológico de la invención, en adelante el procedimiento de obtención del electrodo biológico de la invención, basado en el crecimiento de células bacterianas del género Acidiphilium spp. en disolución aeróbica y de pH ácido en presencia de un electrodo conductor y un compuesto orgánico que actúa como nutriente.
Para un crecimiento adecuado de las células bacterianas de Acidiphilium spp es aconsejable que el pH de tampón sea entre 2,0 y 4,0. Así mismo, la glucosa es un nutriente eficaz para este fin. La utilización de un material carbonáceo de gran área específica como electrodo conductor favorece la adhesión de un gran número de células bacterianas a esta superficie (ver Figura 2).
Así, una realización preferida de la presente invención lo constituye el procedimiento de obtención del electrodo biológico de la invención en el que el pH de la disolución aeróbica es entre 2,0 y 4,0.
Otra realización preferida de la presente invención lo constituye el procedimiento de obtención del electrodo biológico de la invención en el que el nutriente es glucosa.
Aún otra realización particular de la presente invención lo constituye el procedimiento de obtención del electrodo biológico de la invención en el que el material del electrodo conductor es un material carbonáceo.
El crecimiento de las células bacterianas de Acidiphilium spp. mejora cuando se añade en el medio de cultivo otros compuestos aparte del nutriente. A modo de ejemplo y sin que limite el alcance de la invención: 2 g/l de (NH_{4})_{2}SO_{4}, 0,1 g/l de KCl, 0,25 g/l de K_{2}HPO_{4}, 0,25 g/l de MgSO_{4}\cdot7H_{2}O, 0,01 g/l Ca(NO_{3})_{2}. El pH óptimo de crecimiento de éstas células es 2,5. Además, el soporte de material carbonáceo sobre el que se adsorben las células bacterianas y que va actuar como electrodo conductor del electrodo biológico de la invención puede ser un disco de tela de carbono.
Por lo tanto, otra realización preferida de la presente invención lo constituye un procedimiento de obtención del electrodo biológico en el que el pH de la disolución es 2,5 y contiene 2 g/l de (NH_{4})_{2}SO_{4}, 0,1 g/l de KCl, 0,25 g/l de K_{2}HPO_{4}, 0,25 g/l de MgSO_{4}\cdot7H_{2}O, 0,01 g/l Ca(NO_{3})_{2}, y el material del electrodo conductor es tela de carbón.
Para mejorar la estabilidad de las células bacterianas adsorbidas sobre el electrodo y evitar su desorción del electrodo hacia la disolución, estás se pueden recubrir con polímeros con grupos funcionales adecuados, ya sea para realizar reacciones de entrecruzamiento entre células bacterianas próximas o para establecer interacciones electroestáticas entre el polímero y las células bacterianas, formándose un aglomerado de las células bacterianas sobre el electrodo retenidas por el polímero.
Por tanto, otra realización aún más preferida de la presente invención lo constituye el procedimiento de obtención del electrodo biológico de la invención caracterizado porque se estabilizan las células bacterianas adsorbidas sobre el electrodo conductor por entrecruzamiento o encapsulación con polímeros funcionales.
El electrodo biológico de la invención utilizado como ánodo permite obtener energía eléctrica de compuestos orgánicos diversos formando parte de pilas de combustible. Estos compuestos orgánicos pueden provenir de aguas residuales de distinto origen y por tanto puede servir también para descontaminación.
Así, otra realización de la presente invención lo constituye el uso del electrodo biológico de la invención como ánodo de una pila de combustible que utilice materia orgánica de diferentes orígenes para producir electricidad.
Como la comunicación electrónica entre las células bacterianas y el electrodo conductor es directa no se requiere la adición de mediadores redox en disolución. Esta es una gran ventaja ya que estos mediadores redox suelen ser muy tóxicos y además su uso implica un mayor coste de la pila. La otra gran ventaja del electrodo biológico de la invención es que funciona en condiciones aeróbicas tan bien como en condiciones anaeróbicas (ver Ejemplo 1), por lo tanto no requiere la eliminación del oxígeno de la disolución acuosa que actúa como combustible ni la separación del compartimiento anódico del catódico (donde se reduce O_{2}) mediante una membrana intercambiadora de protones. Esto último es posible también por que no se utiliza un mediador rédox en disolución que pudiera reaccionar en el cátodo. La eliminación de la membrana intercambiadora de protones y de la necesidad de borbotear con N_{2} la disolución del combustible para hacerla anaerobia, así como la posible ausencia de mediadores redox, suponen una clara simplificación del diseño de la pila de combustible y en consecuencia una considerable reducción de costes.
Por lo tanto, otro aspecto de la presente invención lo constituye el uso del electrodo biológico de la invención como ánodo de una pila de combustible que no requiere condiciones anaeróbicas ni mediadores rédox en la disolución del compartimiento anódico, evitando la necesidad de una membrana intercambiadora de protones que la separe del compartimiento catódico.
El uso del electrodo biológico de la invención como ánodo en una pila de combustible es compatible con un cátodo de reducción de oxígeno convencional o con un cátodo basado en un catalizador biológico.
Por tanto, una realización preferida de la presente invención lo constituye el uso de una pila de combustible caracterizada porque comprende el electrodo biológico de la invención.
Descripción de las Figuras
Figura 1. Voltamogramas cíclicos que muestran las corrientes de oxidación de glucosa obtenidos con un electrodo microbiano de Acidiphilium spp. La curva continua corresponde al experimento control con glucosa 10 mM antes de añadir bacteria, en condiciones aeróbicas y a 30°C; la curva de trazos equivale a las mismas condiciones pero después de seis días de inoculación de bacteria; la curva de puntos corresponde al experimento anterior después de eliminar el oxígeno borboteando N_{2} durante 40 minutos. Velocidad de barrido 50 mV/s. Los potenciales redox son respecto a un electrodo de calomelanos.
Figura 2.- Imagen de microscopio de barrido de la superficie del electrodo microbiano. La imagen corresponde al electrodo de la Figura 1 después de seis días de crecer la bacteria Acidiphilium 3.2 sup 5.
Figura 3.- Efecto de un inhibidor de la bacteria en los voltamogramas cíclicos. La curva de línea continua corresponde al experimento control antes de añadir bacteria Acidiphilium 3.2 sup 5; la curva de trazos corresponde al electrodo bacteriano; la curva de puntos se obtiene 23 horas después de añadir fenol al 5%.
Figura 4. Voltamograma cíclico que muestran las corrientes de oxidación de glucosa obtenido con Acidiphilium Sup . La curva continua corresponde al experimento con glucosa justo al añadir la bacteria y la curva de trazos corresponde a las mismas condiciones después de 11 días.
Figura 5. Voltamograma cíclico que muestran las corrientes de oxidación de glucosa obtenido con Acidiphilium Musta . La curva continua corresponde al experimento con glucosa justo al añadir la bacteria y la curva de trazos corresponde a las mismas condiciones después de 15 días.
Figura 6. Voltamograma cíclico que muestran las corrientes de oxidación de glucosa obtenido con Acidiphilium AiRi. La curva continua corresponde al experimento con glucosa justo al añadir la bacteria y la curva de trazos corresponde a las mismas condiciones después de 15 días.
Figura 7.- Árbol Filogenético que delimita el género Acidiphilium . Se ha obtenido del análisis bayesiano que incluye los poolinucleótidos homólogos al representado en la Figura 8 (SEQ ID N°1) de las especies tipo de los Géneros que integran la Familia Acetobaccteraceae, según el criterio taxonómico del GenBank, y que se encuentran depositados en el GenBank. En el análisis se han incluido todos los polinucleótidos homólogos al de la Figura 8 (SEQ ID N°1) que se han clasificado en el GenBank como pertenecientes al género Acidiphylium y Acidocella. Los clados que presentan líneas engrosadas presentan una probabilidad posterior (p/p) superior al 95% (p/p > 0.95).
Figura 7a.- ampliación de la zona superior (Género Acidocella).
Figura 7b.- ampliación de la zona inferior (Género Acidiphylium).
Figura 8.- Polinucleótido de la región 16 S del RNA ribosómico nuclear. Obtenido de la cepa de Acidiphilium sp. utilizada para llevar a cabo el ejemplo 1 de la presente invención y que corresponde con la SEQ ID N° 1.
Ejemplos de realización
Para llevar a cabo la presente invención se aislaron las células de Acidiphilium a partir de aguas del Río Tinto (Huelva) utilizando suporte sólidos cuya la composición es:
3
Se ajusta el pH a 4.5 mediante H_{2}SO_{4}, y se esteriliza en la autoclave a 120° a 0,5 atm durante 30 minutos para evitar la caramelización de glucosa.
Después de crecer en medio solidó se cogen la colonias y se siembran en medio liquido que tiene los mismos nutrientes que el suporte solidó menos el agar y el pH en este caso fue ajustado a 2.5
Se realizaron experimentos de voltametria cíclica para la caracterización electroquímica de Acidiphilium 3.2 en disolución cuya l a composición es 2 g/l de (NH_{4})_{2}SO_{4}, 0,1 g/l de KCl, 0,25 g/l de K_{2}HPO_{4}, 0,25 g/l de MgSO_{4}\cdot7H_{2}O, 0,01 g/l Ca(NO_{3})_{2}. a pH 2.5.
Los experimentos se llevaron a cabo a temperatura de 30°C que es la temperatura optima de crecimiento de esta bacteria, se aplicaron velocidades de barrido de 0.05 V/s.
Todas las bacterias utilizadas para llevar a cabo los ejemplos 2-4 pertenecen al género acidiphillium spp y tienen al menos un 80% de homología con la secuencia consenso mostrada en la figura 8 (SEQ ID N°1).
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Ejemplo 1
Electrodo basado en células de Acidiphilium ssp.
En una celda electroquímica estéril y termoestatizada a 30°C se colocan un electrodo de trabajo hecho de un disco de tela de carbono de 13 mm de diámetro, un electrodo de referencia de calomelanos y un contraelectrodo de platino. La celdilla electroquímica contiene una disolución a pH 2,5 de 2 g/l de (NH_{4})_{2}SO_{4}, 0,1 g/l de KCl, 0,25 g/l de K_{2}HPO_{4}, 0,25 g/l de MgSO_{4}\cdot7H_{2}O, 0,01 g/l Ca(NO_{3})_{2}. A continuación se añade glucosa 10 mM y se inocula un cultivo de la bacteria perteneciente al género Acidiphilium spp (Depósito realizado ante la CECT (Colección Española de Cultivos Tipo) con referencia de identificación: acidiphilium 3.2 sup5, n° de depósito: CECT 7285 y fecha de depósito: 23 de mayo de 2007) con la secuencia consenso mostrada en la figura 8 (SEQ ID N° 1) y obtenida del río Tinto. A los seis días de incubación se comprueba que ha aumentado el número de células de la bacteria en el medio por microscopía y recuento directo de las células teñidas con DAPI (4',6'-diaminofenilindol), alcanzándose 4 x 10^{9} células/ml. Por voltametría cíclica se comprueba el efecto catalítico de oxidación de glucosa con el electrodo biológico de la invención y se compara con el experimento control antes de inocular bacteria (Figura 1). El efecto catalítico de oxidación de glucosa en presencia de oxígeno, no varía en condiciones anaeróbicas (Figura 1). La Figura 2 muestra las imágenes obtenidas por microscopía electrónica de barrido del electrodo biológico de la invención, en las cuales se ven claramente las células bacterianas adsorbidas sobre los hilos de la tela de carbón. En la Figura 3 se muestran las voltametrías cíclicas realizadas con otro electrodo biológico preparado del mismo modo antes y después de añadir fenol en concentración del 5%. El fenol es un inhibidor potente de las células bacterianas y prácticamente suprime las propiedades catalíticas del electrodo biológico de la invención.
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Ejemplo 2
Electrodo basado en células de Acidiphilium sp. cepa Sup.
Se repite el experimento del ejemplo 1, manteniendo las mismas condiciones, pero construyendo el electrodo exclusivamente con células de Acidiphilium sp. cepa Sup. y sin medir el efecto inhibidor del fenol. El voltamograma cíclico se mide en el momento de inocular la bacteria y 11 días después de la inoculación. Los resultados se muestran en la Figura 4.
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Ejemplo 3
Electrodo basado en células de Acidiphilium sp. cepa Musta
Se repite el experimento del ejemplo 1, manteniendo las mismas condiciones, pero construyendo el electrodo exclusivamente con células de Acidiphilium sp. cepa Musta y sin medir el efecto inhibidor del fenol. La curva continua corresponde al experimento con glucosa justo al añadir la bacteria y la curva continua corresponde a las mismas condiciones después de 15 días. Los resultados se muestran en la Figura 5.
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Ejemplo 4
Electrodo basado en células de Acidiphilium sp. cepa AiRi
Se repite el experimento del ejemplo 1, manteniendo las mismas condiciones, pero construyendo el electrodo exclusivamente con células de Acidiphilium sp. cepa AiRi y sin medir el efecto inhibidor del fenol. Los resultados se muestran en la Figura 6.
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<110> Consejo Superior de Investigaciones científicas
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<120> Electrodo biológico aeróbico para ánodo de una pila de combustible sin mediadores redox ni membrana intercambiadora de protones
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<130> 1641
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<160> 1
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<170> PatentIn version 3.4
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<210> 1
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<211> 925
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<212> DNA
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<213> Acidiphillium 
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<220>
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<221> misc_feature
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<222> (1)..(925)
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<223> CDNA de la región 16S ribosómica nuclear de Acidiphylium 3.2sup5
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<400> 1
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Claims (16)

1. Electrodo biológico caracterizado porque comprende células del género bacteriano Acidiphilium sp. adsorbidas sobre la superficie de un electrodo conductor en condiciones aeróbicas, donde dichas células se caracterizan porque presentan una región homologa de al menos un 80% de identidad con el polinucleótido con SEQ ID N° 1.
2. Electrodo biológico según la reivindicación 1, donde las células del género Acidiphilium se caracterizan porque presentan una región homóloga, de al menos un 90% de identidad con el polinucleótido con SEQ ID N° 1, correspondiente a la región 16S de su RNA ribosómico nuclear.
3. Electrodo biológico según la reivindicación 1, donde las células del género Acidiphilium se caracterizan porque presentan una región homóloga de al menos un 95% de identidad con el polinucleótido con SEQ ID N° 1, correspondiente a la región 16S de su RNA ribosómico nuclear.
4. Electrodo biológico según la reivindicación 1, donde las células del género Acidiphilium se caracterizan porque presentan una región homologa de al menos un 99% de identidad con el polinucleótido con SEQ ID N° 1, correspondiente a la región 16S de su RNA ribosómico nuclear.
5. Electrodo biológico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 caracterizado porque las células del género bacteriano Acidiphilium sp. se han modificado genéticamente para mejorar su adherencia a electrodos y conectividad eléctrica.
6. Electrodo biológico según cualquiera de las reivindicaciones 1-8 caracterizado porque el electrodo conductor utilizado es de material carbonáceo.
7. Electrodo biológico según la reivindicación anterior caracterizado porque el material carbonáceo es grafito, tela de carbono o hilo de carbono.
8. Electrodo biológico según cualquiera de las reivindicaciones 1-7 caracterizado porque el material del electrodo conductor está modificado con iones metálicos o con grupos funcionales en su superficie.
9. Procedimiento de obtención del electrodo biológico según cualquiera de las reivindicaciones 1-5 que comprende el crecimiento de las células bacterianas del género Acidiphilium spp. en disolución aeróbica y a pH ácido, en presencia del electrodo conductor y de un nutriente.
10. Procedimiento de obtención del electrodo biológico según la reivindicación anterior caracterizado porque la disolución aeróbica está entre pH 2,0 y pH 4,0.
11. Procedimiento de obtención del electrodo biológico según cualquiera de las reivindicaciones 9 o 10 caracterizado porque el nutriente es glucosa.
12. Procedimiento de obtención del electrodo biológico según cualquiera de las reivindicaciones 9-11 caracterizado porque el material del electrodo conductor es carbonáceo.
13. Procedimiento de obtención del electrodo biológico según la reivindicación 9 caracterizado porque la disolución aeróbica está a pH 2,5 y contiene 2 g/l de (NH_{4})_{2}SO_{4}, 0,1 g/l de KCl, 0,25 g/l de K_{2}HPO_{4}, 0,25 g/l de MgSO_{4}\cdot7H_{2}O, 0,01 g/l Ca(NO_{3})_{2}, la temperatura es 30°C y el material del electrodo conductor es tela de carbón.
14. Procedimiento de obtención del electrodo biológico según cualquiera de las reivindicaciones 9-13, caracterizado porque las células bacterianas adsorbidas sobre el electrodo se estabilizan por entrecruzamiento o encapsulación con polímeros funcionales.
15. Uso del electrodo biológico según cualquiera de las reivindicaciones 1-8 como ánodo de una pila de combustible.
16. Pila de combustible caracterizada porque comprende un electrodo biológico según las reivindicaciones 1-8.
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