Uso de una columna de Winogradsky para la generación de potencial eléctrico a través de comunidades microbianas - Fernández Rendón, Carlos Leopoldo (Universidad Autónoma Metropolitana, 2022)
Sediment microbial fuel cells (SMFC) are bioelectrochemical systems that generate electricity from the chemical energy of compounds that are used by microorganisms. The voltage is generated by the potential difference between an electrode buried in the sediment and the other suspended in the water. Some researchers have studied the microbial community present in the SMFC and have related the presence of sulfate-reducing bacteria with the power generation. These bacteria and the sulfur cycle have been studied in microbial ecology through a model called "Winogradsky column". This model consists of a cylinder with sediment and nutrientenriched water. The Winogradsky column can be operated as a SMFC by incorporating an electrical circuit and a pair of electrodes that connect the sediment layer with the water layer. In systems with sediment, the microbial community can change based on the availability of nutrients. Sulfate concentration in the sediment could modify the abundance of sulfatereducing bacteria and improve voltage generation by changing the anode potential. The carbon/sulfate ratio can modify the microbial community and improve voltage generation in SMFC. Therefore, the objective of this research was to analyze the voltage generation in the Winogradsky column from the growth of different microbial communities obtained by modifying the carbon source and the carbon/sulfate ratio of the culture medium. Winogradsky columns enriched with sulfate and kraft paper were prepared to obtain the microbial consortium from the Tecolutla estuary sediment, in Veracruz. The developed consortium was inoculated in the systems for voltage generation with a carbon/sulfate mass ratio of 1.14. The microbial cells used consisted of cylindrical glass containers (46 mm in diameter and 120 mm high) with 2 graphite electrodes (one in the lower zone and the other in the upper zone) connected to voltage sensors and a data acquisition system with Arduino boards. The composition of the culture medium was modified to enrich the devices and determine their effect on voltage generation. A factorial design was applied with nine treatments in triplicate with different carbon/sulfate mass ratios: 0.04 (T1), 0.14 (T2 and T4), 0.57 (T3, T5 and T7), 2.29 (T6 and T8) and 9.16 (T9). Three carbon sources (lactate, cellulose and paper) were used and the generated voltage was recorded for 45 days. The results were analyzed with the response surface model and the conditions proposed by the model to increase the voltage generation were tested. The most contrasting conditions, in terms of voltage generation, were selected to analyze the bacterial community and associate the groups of bacteria with the nutrient conditions. The selected treatments were T5 and T6 with lactate (LT5 and LT6) and with paper (PT5 and PT6). Columns were made in quintuplicate and samples were taken from the top, bottom and mix of the column on day 19. DNA extraction and identification of the bacterial community was performed by massive sequencing (Illumina MiniSeq) V3 region of the 16S rRNA gene. Two conditions (LT5 and PT5) were also selected to study the kinetics and the gradient of conditions in the Winogradsky column over a period of 31 days. Physicochemical parameters were measured in these cells and the concentration of sulfates, sulfides, sulfur, total carbohydrates, chlorophyll and biomass were determined. A microbial consortium was obtained on the Winogradsky column that was used to inoculate the devices for voltage generation. In the first condition with a carbon/sulfate mass ratio of 1.14, a variable voltage was generated that reached values close to 200 mV. Different voltages were obtained by changing the carbon source and carbon/sulfate mass ratio in the 9 factorial design treatments. With lactate, some peaks of voltage production were recorded, with a maximum value of 286 mV; however, the voltage generation over time was not very constant and no pattern was observed when modifying the carbon/sulfate ratio in the different treatments. In contrast, when using cellulose or paper as substrate, an effect of the carbon/sulfate ratio on voltage generation was observed. In the T9 treatment the voltage generation was almost completely inhibited. In treatments T1 and T7, a stable voltage close to 140 mV was recorded for several days. In the T5 treatment, a variable voltage between 200 and 300 mV was generated for 40 days when using cellulose and up to 380 mV when using paper. The analysis of the results of the factorial design was carried out with the response surface model. The graph of the effect of the factors showed that the voltage decreases with increasing concentration of carbon (cellulose or paper) and the voltage increases with increasing concentration of sulfate. When testing the conditions calculated by the response surface model, an increase in voltage generation was obtained, reaching 400 mV with cellulose and a maximum of 600 mV with paper. The bacterial community where voltage generation was favored (PT5 treatment) was compared with the rest of the treatments (LT5, LT6 and PT6) in which the voltage was lower. In the LT5, LT6 and PT6 treatments, anaerobic genera were present in the lower and upper zones of the column. In LT6 the most abundant genera were Desulfomicrobium and Clostridium. In LT5, other genera such as Chlorobaculum, Proteiniclasticum, Pelobacter, Mangroviflexus and Acidaminobacter were also present. In PT6, Chlorobaculum was abundant in the upper zone. In contrast, in the PT5 treatment (condition with higher voltage generation), anaerobic bacteria were present in the lower zone, and facultative bacteria (Draconibacterium, Novosphingobium and Muricauda) and aerobic bacteria (Kordiimonas, Loktanella, Luteolibacter and diatoms) were present in the upper zone. The microbial kinetics in the sediment columns allowed knowing the gradient of conditions of the LT5 (with low voltage generation) and PT5 (with higher voltage production) treatments. Sulfate concentrations decreased in the lower and upper zones of both treatments due to the activity of sulfate-reducing bacteria. In the LT5 treatment, reducing conditions were obtained (negative redox potential, anaerobic conditions and high concentration of sulfides) throughout the entire column. In contrast, in the PT5 treatment, reducing conditions were found in the lower zone and oxidizing conditions in the upper zone. The change in the redox potential implied a change in the potential of the electrodes, which allowed the generation of voltage in the PT5 treatment. The use of a different carbon source and a different carbon/sulfate mass ratio in Winogradsky column equipped with an electrical circuit generated a different bacterial community and a change in voltage generation. Sulfate favored the development of sulfatereducing bacteria associated with an anaerobic condition in the lower zone and cellulose (a slow-degrading carbon source) allowed the development of an aerobic community in the upper zone. Based on the results obtained in this research, it is possible to propose a suitable enrichment to increase the generation of electrical energy in SMFC.; Las celdas de combustible microbianas de sedimento (CCMS) son sistemas bioelectroquímicos que generan electricidad a partir de la energía química de compuestos que son utilizados por los microorganismos. El voltaje se genera por la diferencia de potencial entre un electrodo enterrado en el sedimento y el otro suspendido en el agua. Algunos investigadores han estudiado la comunidad microbiana presente en las CCMS y han relacionado la presencia de bacterias sulfato-reductoras con la generación de electricidad. Estas bacterias y el ciclo del azufre se han estudiado en ecología microbiana con un modelo denominado “columna de Winogradsky”. Este modelo consiste en un cilindro con sedimento y agua, enriquecido con nutrientes. La columna de Winogradsky puede ser operada como un CCMS al incorporar un circuito eléctrico y un par de electrodos que conectan la capa del sedimento con la capa de agua. En los sistemas con sedimento la comunidad microbiana puede cambiar a partir de la disponibilidad de nutrientes. La concentración de sulfato en el sedimento podría modificar la abundancia de bacterias sulfato-reductoras y mejorar la generación de voltaje al cambiar el potencial de ánodo. La razón carbono/sulfato puede modificar la comunidad microbiana y mejorar la generación de voltaje en las CCMS. Por lo tanto, el objetivo de esta investigación fue analizar la generación de voltaje en la columna de Winogradsky a partir del crecimiento de diferentes comunidades microbianas obtenidas al modificar la fuente de carbono y la razón carbono/sulfato del medio de cultivo. Se realizaron columnas de Winogradsky enriquecidas con sulfato y papel kraft para obtener el conocimiento microbiano a partir de sedimento del estuario de Tecolutla, Veracruz. El consorcio desarrollado se inoculó en los sistemas para la generación de voltaje con una razón másica carbono/sulfato de 1.14. Las celdas microbianas empleadas consistieron en recipientes de vidrio cilíndrico (46 mm de diámetro y 120 mm de alto) con 2 electrodos de grafito (uno en la zona inferior y otro en la zona superior) conectados a sensores de voltaje y un sistema de adquisición de datos con placas Arduino. Se modificó la composición del medio de cultivo para enriquecer los dispositivos y determinar su efecto en la generación de voltaje. Se aplicó un diseño factorial con nueve tratamientos por triplicado con distinta razón másica carbono/sulfato: 0.04 (T1), 0.14 (T2 y T4), 0.57 (T3, T5 y T7), 2.29 (T6 y T8) y 9.16 (T9) , se usaron tres fuentes de carbono (lactato, celulosa y papel) y se registró el voltaje generado durante 45 días. Se analizaron los resultados con el modelo de superficie de respuesta y se probaron las condiciones propuestas por el modelo para incrementar la generación de voltaje. Se seleccionan las condiciones más contrastantes, en cuanto a la generación de voltaje, para analizar la comunidad bacteriana y asociar los grupos de bacterias con las condiciones de nutrientes. Los tratamientos seleccionados fueron T5 y T6 con lactato (LT5 y LT6) y con papel (PT5 y PT6). Se hicieron las columnas por quintuplicado y se tomaron muestras de la zona superior, inferior y mezcla de la columna en el día 19. Se realizó la extracción de ADN y la identificación de la comunidad bacteriana por secuenciación masiva (MiniSeq de Illumina) de la región V3 del gen 16S ARNr. También se seleccionan dos condiciones (LT5 y PT5) para estudiar la cinética y el gradiente de condiciones en la columna de Winogradsky en un período de 31 días. En estas celdas se midieron parámetros fisicoquímicos y se determinaron la concentración de sulfatos, sulfuros, azufre, carbohidratos totales, clorofila y biomasa. Se logró obtener un consorcio microbiano en la columna de Winogradsky que se usó para inocular los dispositivos para la generación de voltaje. En la primera condición con una razón másica carbono/sulfato de 1.14 se generó un voltaje variable que alcanzó valores cercanos a los 200 mV. Se obtuvieron diferentes voltajes al cambiar la fuente de carbono y la razón másica carbono/sulfato en los 9 tratamientos del diseño factorial. Al utilizar el lactato se registraron algunos picos de producción de voltaje, con un valor máximo de 286 mV; Sin embargo, la generación de voltaje en el tiempo fue poco constante y no se supervisa un patrón para modificar la razón carbono/sulfato en los diferentes tratamientos. En contraste, al utilizar celulosa o papel como sustrato, se observará un efecto de la razón carbono/sulfato en la generación de voltaje. En el tratamiento T9 la generación de voltaje se inhibió casi por completo. En los tratamientos T1 y T7, se registró un voltaje estable cercano a los 140 mV por varios días. En el tratamiento T5 se generó un voltaje variable entre los 200 y 300 mV durante 40 días al usar celulosa y hasta 380 mV al usar papel. El análisis de los resultados del diseño factorial se realizó con el modelo de superficie de respuesta. La gráfica de efecto de los factores mostró que el voltaje disminuye al aumentar la concentración de carbono (en forma de celulosa o papel) y el voltaje aumenta al aumentar la concentración de sulfato. Al probar las condiciones calculadas por el modelo de superficie de respuesta se obtuvo un incremento en la generación de voltaje que alcanzó 400 mV con celulosa y un máximo de 600 mV con papel. Se comparó la comunidad bacteriana donde se favoreció la generación de voltaje (tratamiento PT5) con el resto de los tratamientos (LT5, LT6 y PT6) en los que el voltaje era menor. En los tratamientos LT5, LT6 y PT6 se presentan géneros anaerobios en la zona inferior y superior de la columna. En LT6 los géneros más abundantes fueron Desulfomicrobium y Clostridium. En LT5, se presentó además otros géneros como Chlorobaculum, Proteiniclasticum, Pelobacter, Mangroviflexus y Acidaminobacter. En PT6, Chlorobaculum fue abundante en la zona superior. En cambio, en el tratamiento PT5 (condición con mayor generación de voltaje), se presentaron bacterias anaerobias en la zona inferior, y en la zona superior se presentaron bacterias facultativas (Draconibacterium, Novosphingobium y Muricauda) y bacterias aerobias (Kordimonas, Loktanella, Luteolibacter). y diatomeas). La cinética microbiana en las columnas de sedimento permitió conocer el gradiente de condiciones de los tratamientos LT5 (con baja generación de voltaje) y PT5 (con mayor producción de voltaje). Las concentraciones del sulfato disminuyeron en la zona inferior y superior de ambos tratamientos por la actividad de las bacterias sulfato-reductoras. En el tratamiento LT5 se obtuvieron condiciones reductoras (potencial redox negativo, condiciones anaeróbicas y alta concentración de sulfuros) a lo largo de toda la columna. En contraste, en el tratamiento PT5 se encontraron condiciones reductoras en la zona inferior y oxidantes en la zona superior. El cambio en el potencial redox implicó un cambio en el potencial de los electrodos, lo que permitió la generación de voltaje en el tratamiento PT5. El uso de una fuente de carbono diferente y distinta razón másica carbono/sulfato en la columna de Winogradsky equipada con un circuito eléctrico generó una comunidad bacteriana diferente y un cambio en la generación de voltaje. El sulfato favoreció el desarrollo de bacterias sulfato-reductoras asociadas a una condición anaerobia en la zona inferior y la celulosa (una fuente de carbono de lenta degradación) permitió el desarrollo de una comunidad aerobia en la zona superior. A partir de los resultados obtenidos en esta investigación es posible proponer un enriquecimiento adecuado para incrementar la generación de electricidad en las CCMS.