Flujo de electrones en biofilms electrogénicos

GERMÁN DAVID SCHROTT; PABLO SEBASTIÁN BONANNI; LUCIANA ROBUSCHI; ABRAHAM ESTEVE NUÑEZ; JUAN PABLO BUSALMEN

Taller; II Taller Interdisciplinario sobre “Biofilms” en el marco del XII Congreso Argentino de Microbiología; 2010

Introducción: Recientemente se han descripto microorganismos capaces de crecer en biofilms utilizando electrodos polarizados como único aceptor final de electrones para su cadena respiratoria. Dicha capacidad, plantea grandes interrogantes acerca de su fisiología tanto a nivel individual como de comunidad. Así mismo se ha propuesto que éstos microorganismos podrían utilizar la inusitada cantidad de citocromos que poseen localizados en su membrana interna, periplasma, membrana externa y exterior celular como un sistema de almacenamiento de electrones que les permitiría respirar aún en ausencia de un aceptor electrónico externo. Los llamados “pulmones de hierro”, se analizan en este trabajo con herramientas electroquímicas emulándolos a un capacitor eléctrico para estudiar sus propiedades y funcionamiento. Objetivo: Ampliar el entendimiento de la fisiología respiratoria en bacterias electrogénicas, focalizándose en la capacidad de almacenar carga eléctrica  en los citocromos. Materiales y Métodos: Se creció Geobacter sulfurreducens en cultivo anaeróbico continuo a 30º C, en una celda electroquímica de dos compartimientos separados por una membrana semipermeable (Nafion N117). El biofilm se desarrolló sobre un ánodo de grafito granular polarizado a 0,2 V vs. Calomel Sat (E= 0,244 vs. SHE). El contraelectrodo ubicado en la otra cámara se construyó con fieltro de grafito de gran área. Se utilizó medio de cultivo estándar para anaerobios y acetato como única fuente de carbono. No se agregó aceptor electrónico. Por el cátodo circuló una solución de buffer fosfato pH 7,2 constantemente aireada por burbujeo. Resultados: El crecimiento del biofilm se determinó a través del monitoreo de la corriente generada por el mismo. La corriente obtenida siguió una cinética de tipo Monod alcanzando un valor estable luego de 13 días. El análisis voltamétrico reveló picos de oxidación y reducción situados a -0,1 V y -0,27V respectivamente, confirmando el desarrollo de Geobacter sobre el ánodo. Mediante cronopotenciometrías a tiempos crecientes de circuito abierto se pudo determinar que el potencial del biofilm disminuía hasta los -0,42 V, sugiriendo un aumento de las especies reducidas en el entorno del electrodo. Mediante cronoamperometría se pudo observar la recuperación de la carga acumulada en forma de corriente, que demostró ser además proporcional al tiempo que el sistema estuvo a circuito abierto. Notablemente, el valor de potencial alcanzado a circuito abierto por biofilms de distinto tamaño fue el mismo, pero la carga acumulada y la velocidad de descarga fueron dependientes de este. Finalmente, la presencia de un biofilm bien desarrollado se confirmó mediante observación al microscopio electrónico de barrido. Conclusiones: Los biofilms de Geobacter son capaces de acumular carga. Dicha carga es obtenida de la fuente de carbono y acumulada en las moléculas redox que forman parte de la cadena de transporte de electrones, incluyendo los citocromos externos. La carga y la descarga de los biofilms pueden ser controladas externamente con un potenciostato. La cantidad de carga acumulada y la resistencia a la descarga aumenta proporcionalmente con el tamaño del biofilm.