| Tesis Doctorales de la Universidad de Alcalá |
| ELECTROMICROBIAL STRATEGIES FOR A SUSTAINABLE GROWTH OF PURPLE PHOTOTROPHIC BACTERIA | | Autor/a | Manchón Vállegas, Carlos | | Departamento | Química Analítica, Química Física e Ingeniería Química | | Director/a | Esteve Núñez, Abraham | | Fecha de defensa | 14-04-2023 | | Calificación | Sobresaliente cum laude | | Programa | Hidrología y Gestión de los Recursos Hídricos (RD 99/2011) | | Mención internacional | No | | Resumen | El impacto de la actividad humana en el medio ambiente ha llevado al planeta a una situación de emergencia climática. La concentración de gases de efecto invernadero en la atmósfera junto con la contaminación de ambientes naturales tiene enormes consecuencias como las intensas sequías, escasez de agua, incendios, incremento del nivel del mar, tormentas catastróficas y reducción de la biodiversidad.
Esta situación requiere un cambio drástico en el modelo de consumo y producción. El sector alimentario es responsable de aproximadamente un 25% de las emisiones de gases de efecto invernadero. Los hábitos de consumo están cambiando, según Boston Consulting Group (BCG), los modelos de predicción señalan que las fuentes alternativas de proteínas representarán entre el 11% y el 22% del consumo de éstas en 2035. Por lo tanto, la búsqueda de nuevas fuentes de proteína es crucial.
Las bacterias fotótrofas rojas, los microorganismos más versátiles de la tierra, se han propuesto como posible fuente alternativa de proteína. Su principal limitación en el mercado es el precio de los compuestos químicos como sustratos utilizados para su cultivo, que representan un alto porcentaje del precio de venta del producto. Por lo tanto, el uso de sustratos alternativos permitiría su implantación en el mercado.
En esta tesis se han explorado dos sustratos alternativos en los que los electrodos son protagonistas: la corriente eléctrica y el agua residual. En el uso de corriente eléctrica como sustrato investigamos como un electrodo actúa como donador de electrones para el cultivo de un consorcio bacteriano dominado por bacterias fotótrofas rojas (Capítulo 2). El uso del segundo sustrato, agua residual de la industria cervecera, se hará en combinación con electrodos como herramienta de control metabólico de las bacterias fotótrofas rojas (Capítulo 3 y 4).
La memoria de esta tesis se organiza en cinco capítulos. En el Capítulo 1 se resume el estado del arte de la electromicrobiolgía, con especial atención a la biología de las bacterias fotótrofas rojas y su interacción con electrodos. Los capítulos del 2 al 4 recogen los resultados de investigación. Finalmente, en el capítulo 5 se discuten los resultados y se comparan con los estudios previos.
Estos microorganismos pueden utilizar electrodos como donador de electrones de la misma forma que utilizan minerales insolubles como el hierro (Capítulo 2). La fijación de carbono asociada a los electrones procedentes un electrodo permite utilizar la electricidad y el dióxido de carbono como sustrato para cultivar bacterias fotótrofas rojas. El electrodo, actuando como cátodo (-0.6 V vs. Ag/AgCl) sirve para cultivar un consorcio bacteriano dominado por estos microorganismos. Los análisis electroquímicos y el estudio de la comunidad microbiana apuntan a que el género Rhodopseudomonas, una bacteria fotótrofa roja, es el actor principal en la interacción con el electrodo, mediando entre éste y el resto de la comunidad de microorganismos.
Utilizar el agua residual como sustrato es más un servicio que un gasto, ya que muchas industrias necesitan tratar sus efluentes para ajustarse a la legislación. Además, utilizar un residuo como son las aguas contaminadas por la industria para generar un producto tiene un impacto ambiental muy positivo. Aunque el agua residual se ha utilizado como sustrato para cultivar bacterias fotótrofas rojas, la composición del agua determina el comportamiento metabólico de los microorganismos. El electrodo, tanto actuando como donador como aceptor de electrones, puede ayudar a controlar el metabolismo bacteriano, “domesticando” las bacterias fotótrofas rojas.
Las bacterias fotótrofas rojas cultivadas con polarización anódica duplican la eficacia del tratamiento de agua residual de la industria cervecera con respecto al tratamiento sin polarización. Además, la producción de biomasa se triplica con respecto al tratamiento con microorganismos no fotosintéticos (Capítulo 3). El electrodo minimiza o elimina completamente la producción de metano en el reactor. En cuanto a la ecología microbiana, los géneros de bacterias fotótrofas rojas electroactivas Rhodopseudomonas y Rhodobacter predominan cuando se utiliza de forma simultanea polarización e iluminación.
El electrodo actuando como cátodo, sirve como fuente adicional de electrones en el cultivo de bacterias fotótrofas rojas (Capítulo 4), lo cuál activa las rutas “sumideros de electrones”, en concreto la fijación de carbono y, en consecuencia, se maximiza la producción de biomasa. De hecho el rendimiento celular de las PPB se vio incrementado entre tres y siete veces durante el tratamiento de agua residual de la industria cervecera en presencia de polarización catódica.
Finalmente, el Capítulo 5 recoge la discusión de los resultados experimentales de esta tesis, poniendo sus implicaciones en contexto. Además, se presentan algunas ideas para acercar la tecnología al mercado. |
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