Advancing towards practical application of exoelectrogenic biofilms

Resumen

Las biopelículas exoelectrogénicas son consorcios de microorganismos que pueden transferir los electrones resultantes de su metabolismo a aceptores de electrones externos, incluyendo elementos sólidos. Esta particularidad metabólica, muy extendida en la naturaleza, se ha explotado tecnológicamente en los sistemas bioelectroquímicos que utilizan estas biopelículas como catalizadores en reacciones de reducción/oxidación en celdas electroquímicas. Las celdas electroquímicas biocatalizadas están encontrando múltiples aplicaciones en los campos de producción de energía y gestión de residuos, ya que podrían activar nuevas sinergias entre ellos dado su papel como nexo entre la energía eléctrica y la química. El objetivo principal de esta tesis es avanzar en la aplicación de las biopelículas exoelectrogénicas implicadas en procesos oxidativos bioelectroquímicos, concretamente en mejora de la digestión anaerobia y la degradación de compuestos orgánicos. La primera aplicación contemplada fue la mejora de la digestión anaerobia, buscando un comportamiento más robusto frente a la acumulación de ácidos grasos volátiles (propiónico) y un aumento de la producción de metano. En este sentido, la utilización del sistema bioelectroquímica demostró mejorar la producción de metano y retardó la acumulación de propionato. El uso de biopelículas exoelectrogénicas en tecnologías como la digestión anaeróbica llevó a la conclusión de que estas biopelículas podrían sufrir condiciones de presencia de oxígeno disuelto. Esta idea se desarrolló en un capítulo específico en el que se concluyó que la proliferación y la actividad biocatalítica de las biopelículas con alta presencia de Geobacter depende del microambiente anaeróbico proporcionado por ciertos microorganismos aerobios. La segunda aplicación en la que se centró la tesis fue la degradación del 2- mercaptobenzotiazol (MBT), donde se redujo la biotoxicidad de efluente con MBT en un proceso de oxidación biocatalítica en una célula de electrólisis microbiana. Esta aplicación mostró los beneficios de los electrodos mejorados con óxido de grafeno electrodepositado, un proceso de modificación de materiales que se desarrolló previamente en un capítulo independiente. Estos xvi electrodos revelaron un proceso de arranque acelerado, la formación de una biopelícula robusta y un enriquecimiento selectivo en el género exoelectrogénico Geobacter. El éxito en la aplicación de los electrodos modificados con óxido de grafeno impulsó la búsqueda de materiales con nuevas propiedades para el desarrollo de biopelículas exoelectrogénicas, lo que condujo a la investigación de electrodos de ácido poliláctico/grafeno, que resultaron proporcionar un rendimiento comparable al de los materiales utilizados convencionalmente en las tecnologías electroquímicas microbianas y que pueden construirse con formas complejas mediante la fabricación aditiva.