Advancing towards practical application of exoelectrogenic biofilms = Avanzando hacia la aplicación práctica de las biopelículas exoelectrógenas

Abstract

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. = Exoelectrogenic biofilms are consortia of microorganisms that can transfer the electrons resulting from its metabolism to external electron acceptors, including solid elements. This metabolic particularity, which is widespread in nature, has been technologically exploited in bioelectrochemical systems which use exoelectrogenic biofilms as catalysts in reduction/oxidation reactions in electrochemical cells. This biocatalysed electrochemical cells are finding multiple applications in energy production and waste management fields, activating new synergies between them since these devices could be envisaged as a nexus between electric and chemical energy.

The main objective of this thesis is to advance towards the application of exoelectrogenic biofilms involved in bioelectrochemical oxidative processes, specifically in bioelectrochemical enhancement of anaerobic digestion and organics degradation.

The first focus of application was the improvement of anaerobic digestion, trying to make it more resilient to the accumulation of volatile fatty acids (propionic) and to increase methane production. In this regard, the utilization of the bioelectrochemical enhancement proved to improve methane production and ameliorate propionate accumulation. The use of exoelectrogenic biofilms in technologies such as anaerobic digestion led to the conclusion that these biofilms will often work in conditions where dissolved oxygen could be present. This idea was developed in a specific chapter which concluded that the proliferation and biocatalytic activity of Geobacter based biofilms depends on the anaerobic microenvironment provided by aerobic microorganisms.

The second application focus of the thesis was the 2-mercaptobenzothiazole (MBT) degradation, where the biotoxicity of MBT-contaminated streams was reduced in a biocatalytic oxidation process in a microbial electrolysis cell. This application showed the benefits of electrodeposited graphene oxide enhanced electrodes, a materials modification process that was previously developed in a separate chapter. The graphene oxide modified electrodes revealed an accelerated start-up process, a robust biofilm formation and a selective enrichment in the exoelectrogenous genus Geobacter. The success in the application of graphene oxide modified electrodes prompted the search for materials with new properties for exoelectrogenic biofilms development, which led to the investigation of polylactic acid/graphene electrodes, which have a performance comparable to materials conventionally used in microbial electrochemical technologies and it can be constructed in complex shapes through additive manufacturing.