| Tesis Doctorales de la Universidad de Alcalá |
| NOVEL STRATEGIES FOR SOLVING ENVIRONMENTAL PROBLEMS THROUGH MICROBIAL ELECTROCHEMISTRY | | Autor/a | Wardman, Colin | | Departamento | Química Analítica, Química Física e Ingeniería Química | | Director/a | Esteve Núñez, Abraham | | Fecha de depósito | 26-05-2025 | | Periodo de exposición pública | 27 de mayo a 9 de junio de 2025 | | Fecha de defensa | Sin especificar | | Programa | Hidrología y Gestión de los Recursos Hídricos (RD 99/2011) | | Mención internacional | No | | Resumen | Las tecnologías electroquímicas microbianas (MET) han demostrado ser versátiles y muy aplicables en las ciencias ambientales. Estas tecnologías se basan en la capacidad de las bacterias electroactivas (EAB) para donar electrones a nivel extracelular. Esta capacidad permite a las EAB donar electrones a materiales electroconductores insolubles. Las primeras aplicaciones de las MET fueron generar electricidad a partir de materia orgánica pero, en las últimas décadas, se han desarrollado avances en el cambo de los biosensores, la bioelectrosíntesis, la desalinización sostenible y el tratamiento de aguas residuales (WW).
La tesis actual explora como las MET pueden mejorar la capacidad de monitorear procesos biológicos, tratar WW recalcitrantes y adaptar microorganismos para aplicaciones bioelectroquímicas específicas. Esta tesis contiene material introductorio para contextualizar los 4 capítulos de investigación original, seguido de una discusión general y unas conclusiones finales.
Entender los procesos metabólicos en entornos subterráneos es vital para comprender los procesos geoquímicos. Es conocido que las respiraciones microbianas en el subsuelo tienen cierta correlación con la concentración de hidrógeno producido, si bien las tasas metabólicas son difíciles de estimar. Se ha demostrado que las celdas de combustible microbianas responden a la oxidación de compuestos metabólicamente esenciales como el acetato. En el Capítulo 2, esta tesis demuestra que las celdas de combustible microbianas (MFC) pueden determinar la tasa de oxidación de acetato en sedimentos anegados. Dada la naturaleza integral del acetato como intermediario central en la fermentación anaeróbica, este biosensor MFC puede determinar las tasas metabólicas de los microoorganismos del sedimento independientemente del proceso terminal de aceptación de electrones.
Durante décadas, los ingenieros de aguas ha utilizado digestores anaerobios para tratar muchos efluentes de residuos, desde aguas residuales urbanas hasta residuos de la industria alimentaria. Si bien estos sistemas pueden tratar varios corrientes de residuos y producir biogás como energía renovable, necesitan un monitoreo constante para mantener la estabilidad de los biorreactores. Los indicadores comunes sobre el estado de salud reactor requieren mucho tiempo de análisis y no resultan apropiados para proteger a los microorganismos de tóxicos presentes en los efluentes.. En el Capítulo 3, se utilizó un biosensor de celda de electrólisis microbiana (MEC) de tres electrodos para monitorear la salud de un digestor anaerobio de flujo ascendente y para detectar biocidas para proteger de posibles daños en su bioamasa.
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Los humedales construidos electroactivos, o METlands, han tratado con éxito muchos tipos de aguas residuales. Se ha demostrado que tratan aguas residuales urbanas e industriales, e incluso productos farmacéuticos recalcitrantes para otros tratamientos. El concepto METland también es en realidad un tipo de biofitro de lecho fijo. El Capítulo 4 muestra cómo un biofiltro electroactivo puede tratar un medio de aguas residuales de hidrocarburos (HC) recalcitrantes que simulan aguas residuales de refinerías de petróleo. Los biofiltros utilizan lechos aerobios y anaeróbicos alternados para seleccionar comunidades microbianas que podrían tratar de manera eficiente las aguas residuales de HC.
A lo largo de los años, la investigación en METs se ha centrado fundamentalmente, en el diseño físico del reactor y en la ciencia de los materiales de los electrodos, si bien los microbioorganismos son también claves para el funcionamiento y la eficiencia de las aplicaciones bioelectroquímicas. El desarrollo de comunidades microbianas maduras que funcionen bien en dispositivos electroquímicos como las celdas de desalinización microbiana puede llevar semanas o meses. La capacidad de producir comunidades microbianas personalizadas para procesos específicos podría aumentar en gran medida el tiempo de puesta en marcha y la eficiencia. En el Capítulo 5, se combina una novedosa combinación de una celda de electroquímica microbiana de tres electrodos con un dispositivo de cultivo continuo llamado gradostato. El gradostato se utilizó para adaptar Geobacter sulfurreducens a concentraciones salinas que cambián de forma dinámica. Además, las celdas de desalinización microbianas integradas permiten el estudio de la capacidad de G. sulfurreducens para respirar un electrodo de grafito a varias salinidades y los efectos sobre las células planctónicas.
La sección final de esta tesis tiene una discusión general, unas conclusiones principales y sugerencias para investigaciónes futura en el marco de la temática investigada. |
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