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Base on the concept of METland®, Microbial Electrochemical Wetland, this experiment has incorporated a novel device to increase the electron sink. Therefore, the efficiency of the wastewater treatment process improved.Wastewater treatment is based on biological degradation of the sewage through oxidative reactions where microbes generate electrons. These treatments are usually limited by the availability of electron acceptors, such as oxygen. Microbes operating at METs, the so‐called electroactive bacteria (EAB), break down organic compounds while forming a biofilm on an electroconductive material. EAB are able of giving electrons extracellularly directly to the bed material. All those electrons are finally consumed by soluble electron acceptors present in the water. The presence of the conductive material has been proved to accelerate the biodegradation rate of bacteria through Direct Interspecies Electron Transfer (DIET).In order to reduce the bottleneck that involves the electrons transport from the electroconductive bed to the last electron acceptor, electrons sink was designed. E-sinks were buried in the electroconductive bed, thus the concentration of electron acceptor in the system was increased. This allowed the degradation reactions of organic matter to be much faster throughout the electroconductive biofilter depth.To evaluate the effect of these devices, three laboratory-scale electrogenic biofilters have been implemented each one with a different bed material coke, biochar and gravel. The systems were fed with urban wastewater and the efficiency was evaluated. For this purpose, different physical-chemical parameters have been measured, such as COD, BOD5, NH4+, NO3-, pH and conductivity. In addition, Electric Potential (EP) profiles were analyze in order to evaluate the electrons flow, depending on the electron acceptors available in the system.

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.

En este trabajo de fin de máster se aborda un estudio sobre el impacto de la crisis sanitaria del Sars-CoV-2 sobre el agua, analizado a través de las noticias publicadas en la versión digital del diario panameño La Prensa. Se han establecido tres objetivos específicos: a) cuantificar el número de noticias referentes al agua y covid-19; b) revisar y analizar los temas de las noticias; c) analizar el impacto del binomio agua-covid19 en dichas noticias. Se analizaron un total de 21 noticias del diario elegido y se utilizó la metodología de análisis de contenido. Para el análisis de contenido se ha diseñado un protocolo de recogida de datos adecuado al nivel de conocimiento del autor. Se utilizaron 11 variables a través de las cuales, se recogen los temas abordados , así como la interpretación y valoración del tono en cada noticia. El paradigma científico de este estudio se apoya en dos teorías fundamentales a la hora de estudiar la representación mediática: i) la mediación de los medios de comunicación y ii) la teoría del framing o encuadre. Entre las conclusiones más relevantes del estudio, se ha podido observar la poca importancia y presencia de noticias publicadas acerca del agua durante la crisis sanitaria. En este sentido, la mayoría de las noticias recopiladas hacen referencia al agua en relación con problemas de distribución, mantenimiento y reparaciones de infraestructuras para el consumo humano. Pese a la relevancia internacional que supuso la monitorización del Sars-CoV-2 en agua residual a través de métodos moleculares (PCR), ninguno de los artículos analizados en La Prensa se hizo eco de ello durante la pandemia, poniendo de manifiesto el retraso técnico para realizar este tipo de análisis., Máster Universitario en Hidrología y Gestión de Recursos Hídricos (M173)

La agricultura es un pilar para la economía de cualquier país y en los últimos años se ha visto un aumento en la demanda de alimentos debido al crecimiento exponencial que esta experimentado la población mundial en los últimos años. Por ello, muchas de las industrias se han especializado en la creación de fertilizantes naturales sin aditivos químicos ayudando a reducir los contaminantes que se infiltran en los suelos. Una de las líneas abiertas en investigación es la obtención de fertilizantes a partir de la orina separada en origen con la finalidad de recuperar y reutilizar elementos importantes como el nitrógeno y el fósforo. En este proyecto hemos querido utilizar la tecnología METland®, una tecnología prometedora en la eliminación de contaminantes nitrogenados, pero con el objetivo de recuperar el nitrógeno almacenado en la orina en forma de nitrato. Al no tener registros previos del uso de esta tecnología en estas condiciones que se nos presenta la orina nos encontramos con algunas dificultades que podrían ser de interés para futuros diseños e investigaciones., Agriculture is a pillar for the economy of any country and in recent years there has been an increase in the demand for food due to the exponential growth that the world population has experienced in recent years. For this reason, many of the industries have specialized in the creation of natural fertilizers without chemical additives, helping to reduce the contaminants that infiltrate the soil. One of the open lines of research is obtaining fertilizers from urine separated at source in order to recover and reuse important elements such as nitrogen and phosphorus. In this project we wanted to use the METland® technology, a promising technology in the elimination of nitrogenous pollutants, but with the aim of recovering the nitrogen stored in the urine in the form of nitrate. As we do not have previous records of the use of this technology in these conditions that urine presents us with, we encounter some difficulties that could be of interest for future designs and research., Máster Universitario en Hidrología y Gestión de Recursos Hídricos (M173)

Uno de los principales retos del sector de tecnologías de tratamiento de aguas residuales es la mejora de los sistemas actuales de tratamiento o el desarrollo de nuevos sistemas capaces de ser más sostenibles y eficaces en la obtención de una agua depurada que sea apta para su reutilización o devolución a los medios naturales con un impacto ambiental cero en una sociedad creciente y con consumos de sustancias cada vez más complejas en la vida diaria. Actualmente, existen listas de sustancias peligrosas prioritarias así como de vigilancia que han despertado una preocupación más reciente para proteger el medio acuático. Estas sustancias son el principal foco de atención en el desarrollo de tecnologías efectivas y sostenibles para su eliminación. Asimismo, los fangos generados en los diferentes procesos de depuración de aguas residuales, requieren nuevas estrategias de gestión y tratamiento que minimicen su envío como residuo a vertedero y potencien su transformación en bioproductos de valor añadido en un marco de bioeconomía circular.

La escasez de los recursos hídricos sumada a los crecientes problemas derivados de la contaminación, han hecho aumentar los esfuerzos por lograr el buen estado de las masas de agua. Para ello, es imprescindible realizar una depuración adecuada que elimine contaminantes como los compuestos nitrogenados. En las pequeñas poblaciones, las soluciones basadas en la naturaleza, como la tecnología METland (aplicación de tecnologías electroquímicas microbianas a los humedales construidos), se han postulado como una alternativa viable para la depuración. En este estudio se ha integrado esta tecnología con la aplicación de sustancias húmicas (humus de lombriz), con capacidades catalíticas aplicables en el tratamiento de aguas residuales. Se construyeron seis reactores con dos materiales electroconductores (coque y biochar) y un material inerte (grava), en combinación con el humus. Los reactores fueron alimentados en flujo vertical (VF), con el fin de conocer que combinación y bajo que condiciones se logran los mejores rendimientos de nitrificación y desnitrificación. Además se realiza un estudio sobre la influencia de estos materiales en la producción de gases y en la colmatación de los lechos. En el presente trabajo se ha comprobado como la presencia de sustancias húmicas optimiza los procesos de nitrificación y desnitrificación llevados a cabo por los microorganismos en materiales conductores de la electricidad. Otro efecto positivo es que se ralentizan (gracias a su metabolismo) los procesos de colmatación, como los que se da en los humedales construidos. En base a las conclusiones obtenidas se puede avanzar en desarrollo del escalado de estos sistemas., The scarcity of water resources, added to the growing problems derived from contamination, have increased efforts to achieve the good state of water bodies.Therefore, it is essential to carry out adequate treatment to eliminate contaminants such as nitrogenous compounds. In small towns, nature-based solutions, such as METland technology (application of microbial electrochemical technologies to constructed wetlands), have been postulated as a viable alternative for wáter treatment. In this study, METl and technology has been integrated with the application of humic substances (earthworm humus), with catalytic capacities applicable in wastewater treatment. Six reactors were built with two electroconductive materials (Coke and Biochar) and an inert material (Gravel), in combination with humus. The reactors were fed in vertical flow (VF), in order to know what combination and under what conditions the best results in nitrification and denitrification. In addition, this experiment is carried out on the influence of these materials on the production of gases and on the clogging of the beds. In the present work it has been verified how the presence of humic substances optimizes the nitrification and denitrification processes carried out by microorganisms in electrically conductive materials. Another positive effect is that the clogging processes are slowed down (in order to its metabolism), such as those that occur in constructed wetlands. The conclusions obtained, establised bases for escale-up of reactors., Máster Universitario en Hidrología y Gestión de Recursos Hídricos (M173)

Los sensores electroquímicos microbianos son dispositivos basados en las tecnologías electroquímicas microbianas (METs) y pueden ser utilizados para detectar contaminantes en tiempo real. La monitorización es necesaria para prevenir la propagación de vertidos de hidrocarburos en aguas subterráneas y proteger el medio ambiente y la salud humana. Este trabajo se centra en el control de la contaminación por benceno en aguas subterráneas mediante estos biosensores electroquímicos. La detección se lleva a cabo analizando la corriente generada por la actividad metabólica de las bacterias electroactivas presentes en el biosensor. Para ello, se han utilizado celdas de electrólisis microbiana (MECs) que funcionaron como biosensores a escala microcosmos y mesocosmos. Durante el transcurso del experimento, las celdas se han polarizado a 0,6 V y se han hecho vertidos a distintas concentraciones de benceno en condiciones anóxicas. Primero, se llevó a cabo la aclimatación del consorcio microbiano en los electrodos, para obtener un biofilm electroactivo y especializado en la degradación de benceno. Luego, se realizaron vertidos de benceno de 1 y 10 ppm en microcosmos, y de 40, 25 y 3 ppm en mesocosmos. Se estudió la variación de la corriente y de la concentración del contaminante en función del tiempo, caracterizando la señal bioelectroquímica de detección. Se encontró como límite de detección 3 ppm de benceno a escala mesocosmos, generando una señal de 0,134 ± 0,001 μA/día 1 día después del vertido. Se necesitan más estudios para definir si se puede detectar benceno a menor concentración y estudiar su aplicación a escala real., Microbial electrochemical sensors are one of the applications of microbial electrochemical technologies (METs) and can be used to detect contaminants on real time. Monitoring is necessary to prevent the spread of hydrocarbon spills into groundwater and to protect the environment and human health. This work focuses on the control of benzene contamination in groundwater using microbial electrochemical sensors. The detection is carried out by analysing the current generated by the metabolic activity of the electroactive bacteria present in the biosensor. For this, microbial electrolysis cells (MECs) have been used, which functioned as biosensors at a microcosm and mesocosm scale. During the course of the experiment, the cells were polarized at 0.6 V and exposed to different benzene concentrations under anoxic conditions. First, the acclimatization of the microbial consortium in the electrodes was carried out to obtain an electroactive biofilm specialized in benzene degradation. Then, benzene spills of 1 and 10 ppm were performed in microcosms, and 40, 25 and 3 ppm in mesocosm systems. The current variations and the concentration of the contaminant were studied, characterizing the bioelectrochemical detection signal. The detection limit was found to be 3 ppm of benzene at mesocosm scale, generating a signal of 0.134 ± 0.001 μA/day, 1 day after the spill. More studies would have to be done to define if benzene can be detected at lower concentrations and prove its application on a real scale., Máster Universitario en Hidrología y Gestión de Recursos Hídricos (M173)

In recent decades increasing pressures on natural resources has drastically altered demographic dynamics and climate change. Currently, different lines of action are being pursued for the sustainable management and conservation of global water resources. In the field of wastewater treatment, the problem lies in small population centers where the scarcity of technical and economic resources compromises the effectiveness of conventional treatment methods. METland® technology emerges from the integration of Microbial Electrochemical Technologies (METs) into constructed wetlands. Integration improves treatment efficiency by replacing an inert material (gravel) with a biocompatible and electro-conductive material (ec-biochar or coke). Such designs maximize the transfer of electrons between ec�materials and electroactive bacteria. This makes full-scale METlands ® a valid, sustainable, efficient, and robust wastewater treatment solution, with low operation and maintenance costs, for small and remote population centers. In this thesis, new strategies have been explored to improve the design and operation of full-scale METland® systems. A Life Cycle Analysis (LCA) was performed, evaluating the impacts of different operational modes on each environmental category. To explore the geospatial application of METlands, a process to evaluate optimal locations for their implementation was developed. The proposed methodology can be used to help decision�makers employ METland® worldwide using multi-criteria evaluation (MCE) techniques applied to Geographic Information Systems (GIS) with a final sensitivity analysis (SA) to optimize and validate the model

Debido al aumento en los niveles de vida se ha incrementado el uso de los recursos naturales, generando un agotamiento del recurso hídrico, lo que ha con llevado a muchos sitios a tomar la desalinización del agua como una alternativa para cubrir las necesidades de la población. Las tecnologías actuales para desalinizar hoy en día requieren de un alto consumo de energía (3.5 kWh/m3 para la tecnología convencional de Ósmosis inversa). Lo cual el objetivo de este estudio fue demostrar conceptualmente como la MDC realiza desalinización simultáneamente con el tratamiento de agua residual sin aporte externo de energía. En una primera fase (ciclo start-up), se realizó la inoculación de Geobacter sulfurreducens con FWM en el anolito y Chlorella vulgaris con BBM en el cátolito en el sistema, para la creación de las biopelículas y estabilizar el sistema antes del ciclo de desalinización. En una segunda fase, (ciclo de desalinización) se renovaron los medios, fueron puesto 2 L en el tanto en el anolito (FWM) como el catolito (BBM) de sus respectivos medios, con 2 g/L de NaCl en el tanque salino. Se tomaron medidas de pH, conductividad y DQO durante el experimento, así en el catolito se midió el oxígeno producido por las algas in situ. Desde el punto de vista electroquímico, se tomaron los valores de los potenciales del ánodo y cátodo. Se realizaron cálculos de SR el cual se obtuvo un 73%, NDR el cual se obtuvo 0,63 L/m2h, una EC del 9%, una remoción de DQO del 32%, una SEP de 0,11 kWh/m3 y una carga total circulada por el sistema de 849,35 C. Se obtuvo una Densidad de Corriente máxima de 0,12 mA/cm2 y una eficiencia de corriente de 60,15%. Se encontró también una estrecha relación entre el oxígeno disuelto y la producción del voltaje. En conclusión, este estudio demostró conceptualmente una tecnología innovadora como lo es las Celdas de Desalinización Microbiana (MDC) con biocátodo fotosintético para la realización de la desalinización de aguas salobres, tratamiento de agua residual y generación de energía simultáneamente, demostrando que la MDC es una prometedora tecnología para el ahorro de los costos de energía. Esta tecnología podría ser de gran interés para el pretratamiento en las plantas de tratamiento de aguas residuales o en las plantas desalinizadoras., Máster Universitario en Hidrología y Gestión de Recursos Hídricos (M173)

La calidad de las aguas ha sido una preocupación social desde la antigüedad. Actualmente existen diversas normativas y leyes que dictaminan los parámetros necesarios que debe tener el agua tanto para su consumo, como para su vertido. La ley diferencia dos tipos de aguas residuales, las urbanas y las industriales, estas últimas requieren de un tratamiento previo antes de ser vertidas a la red de saneamiento público. En 2017 los vertidos de aguas residuales industriales procedentes de la acuicultura supusieron un 14,08%. Tratándose de una industria cuya necesidad prioritaria es el abastecimiento de agua, optimizar su depuración y posible reutilización se convierte en un objetivo prioritario. Pensando en este objetivo, se enfoca este trabajo, y se propone el uso de los METland® (Microbial Electrochemical Technologies -land (wetland)) como alternativa a los tratamientos de aguas residuales convencionales utilizados. Estos sistemas funcionan en torno a las tecnologías MET (Microbial Electrochemical Technologies), basadas en la transferencia extracelular de electrones desde microorganismos electrogénicos (Geobacter sulfurreducens) hasta materiales conductores u otros microorganismos similares. Además, se comprobó la eficiencia de depuración de un lecho formado por materiales conductores frente a materiales no conductores, como podría ser la Grava. Para ello se construyeron cuatro biofiltros en forma de columna, que simularan a escala de laboratorio un humedal bioelectrogénico construido, cada uno de ellos compuesto por materiales de lecho distintos (conductores y no conductores). Se trabajó con dos tipos de aguas distintas, un agua residual convencional y un agua sintética, que simuló las propiedades de un agua residual procedente de una piscifactoría. Mientras se trabajó con el agua convencional, se confirmó la mayor eficiencia de depuración que tienen los materiales conductores empleados como lecho de estos humedales. En el caso del agua sintética de piscifactoría se observó el mismo comportamiento empleando un TRH (tiempo de retención hidráulico) de 24h, en cambio, con un TRH de 12h se pudo ver la ventaja de emplear materiales conductores frente a la Grava, pero no frente al otro material no conductor., Máster Universitario en Hidrología y Gestión de Recursos Hídricos

Extracellular electron transfer (EET) is a process in which microorganisms due to cellular structures such cytochromes, trans-membrane proteins or outer membrane proteins are able to transfer electrons to a conductive surface of an insoluble electron acceptor. From the combination between electrochemistry and microbiology, microbial electrochemistry techniques (METs) appear. These techniques have been applied in wastewater treatment, energy production and water desalination. In spite of positive results, this field is in constant optimization in order to improve the efficiency. Furthermore, one of the novel applications is the biofuel production and high-value products generation in microbial electrochemical reactors. Even though it is in its infancy, it might have great potential owing to the low implementation cost. Purple bacteria are gram-negative bacteria, they inhabit anoxygenic aquatic environments, extreme habitats in temperature alkalinity, acidity and high salt concentrations, and in different types of wastewater such brewery wastewater. This wide ecosystem range is the result of the metabolic diversity in purple bacteria, being one of the most extended group in all Earth. These microorganisms perform anoxygenic photosynthesis and CO2 fixation, which makes them potentially useful when it comes to produce biofuel, volatile fatty acids or functional membrane proteins. The combination of purple phototrophic bacteria and METs allow us to take advantage of their adaptive qualities in order to improve the reactors. This could open new research field due to the possibilities of their metabolism, not only in biofuel production, but also in pesticide degradation, ground decontamination, toxic metals removal and nitrogen fixation. Moreover, working with purple photobacteria would allow reducing energy waste in high-value products generation process because of the working condition would not be as restrictive as other microorganisms. These conditions would be standard temperature and using a non-specific growth culture being the wastewater itself. In this project, purple photobacteria enrichment from brewery wastewater was done. The objective of this work is to study electroactive capacities of purple photobacteria and its bio-electrosynthesis potential. The microorganisms grew under infra-red and dark conditions plus three different carbon sources with different oxidative values in order to study the influence of these carbon sources in carotenoid and bacteriochlorophyll production. Spectrophotometric measurements were performed in order to characterize microbial growth under the effect of three different electron donors. The high valued products generation and carbon source consumption was measured by high performance liquid chromatography. Besides, the different communities and their variations in the mixed culture were studied by 16S sequencing being Bosea spp the most predominant genus. To conclude with, an electrochemical reactor was optimized and inoculated with the purple phototrophic bacteria previously grown on acetate and polarized at -0,5 V. Cyclic voltametries showed that purple phototrophic bacteria are able to modify electrode surface and they might also take electrons from an insoluble donor, therefore, more experiments are needed in order to confirm bio-electrosynthesis.

En el presente estudio se muestra el impacto de la mineralogía en la aplicación de las MERC para la eliminación de suelos contaminados por lindano. Esto se llevó a cabo mediante la medición de corriente eléctrica generada en las diferentes muestras que se prepararon. De igual manera, se detecta una variación de la efectividad del sistema MERC dependiendo de la lámina de agua asociada que cubre el cátodo. Los resultados del trabajo muestran que el gel de sílice junto a Geobacter Sulfurreducens mejora la degradación de lindano en suelo, consiguiendo una eliminación del 69% del mismo. Estos resultados, obtenidos en un plazo de 14 días, se sitúan en contraste con las muestras de suelo control, el cual no presenta degradación. También, se demuestra la influencia positiva del espesor de la lámina de agua en el funcionamiento de las MERC., Máster Universitario en Hidrología y Gestión de Recursos Hídricos

El tratamiento de aguas residuales en pequeñas poblaciones constituye actualmente uno de los principales retos para lograr el buen estado ecológico de las aguas superficiales establecido por la Directiva Marco del Agua. Las características especiales de las pequeñas poblaciones hacen que estas requieran tecnologías sostenibles y descentralizadas, con bajos costes energéticos. En este contexto, las tecnologías electroquímicas microbianas pueden proporcionar soluciones energéticamente eficientes.Las tecnologías electroquímicas microbianas, constituyen un conjunto de tecnologías enfocadas al estudio de aquellos procesos producto de la interacción entre microorganismos y materiales conductores de la electricidad, y que corresponde al campo emergente de la electromicrobiología. La ventaja de emplear comunidades electroactivas es que los materiales electroconductores pueden acelerar el metabolismo microbiano en aquellos sistemas anaerobios típicamente limitados en aceptores de electrones. Uno de los campos en los que estas tecnologías han sido más investigadas es el tratamiento de aguas residuales. Pero el principal desafío al que se enfrentan las MET es la aplicación de estos sistemas a escala real.En esta tesis se ha explorado la integración de esta tecnología emergente con humedales artificiales, ya que son una buena alternativa para el tratamiento de aguas residuales en pequeñas comunidades debido a su bajo coste de instalación y operación, no exenta de ciertos inconvenientes, principalmente la gran superficie requerida por habitante.El objetivo general de la investigación se centró en mejorar el tratamiento de contaminantes en los humedales artificiales mediante la incorporación de las tecnologías electroquímicas microbianas, con el propósito final de reducir su tamaño clásico, permitiendo la instalación de la tecnología en cualquier pequeña población, con un coste energético nulo.Las conclusiones de esta tesis se expresan a modo de pregunta-respuesta. Se discute el nuevo concepto de METland, como tecnología mixta de tratamiento de aguas residuales. La notable mejora en la eficiencia del tratamiento hace de los METland una tecnología prometedora para el tratamiento de aguas residuales en pequeñas poblaciones. El descubrimiento de que los procesos bioelectroquímicos pueden tener lugar en ambientes tanto anaerobios como aerobios, ha sentado las bases para el diseño los futuros METlands.

La electroquímica microbiana es una disciplina emergente basada en las interacciones entre microorganismos y materiales conductores de la electricidad. Todas las tecnologías fundamentadas en este principio se denominan "Tecnologías Electroquímicas Microbianas". Una de las aplicaciones de estos sistemas consiste en utilizar los electrodos como aceptores o donadores de electrones para eliminar contaminantes. Los sistemas diseñados con este propósito se denominan específicamente Celdas de Electro-Recuperación Microbiana y en esta tesis se han utilizado para superar la limitación de aceptores de electrones y maximizar la oxidación metabólica, mejorando así la biodegradación de contaminantes en el medio ambiente. En concreto se ha trabajado con 3 contaminantes y 3 matrices diferentes: dibenzotiofeno (hidrocarburo aromático policíclico) en un suelo de arrozal típicamente anegado, isoproturón (herbicida) en un suelo agrícola y sulfametazina (antibiótico) en purines ganaderos. Este proceso de suministrar electrodos para estimular el metabolismo oxidativo de las poblaciones microbianas ambientales se denomina “bioelectroventilación”. El uso de esta estrategia ha revelado a las Celdas de Electro-Recuperación Microbiana como una tecnología versátil, de fácil control y ambientalmente sostenible para limpiar ambientes contaminados, con un alto potencial para ser aplicada en procesos de biorrecuperación in situ.

La biodegradación electroquímicamente asistida supone una nueva herramienta en la degradación de compuestos contaminantes presentes en el suelo. Esta aplicación deriva del concepto de Celda de Combustible Microbiana Sedimentaria (CCMS), en donde el ánodo que se encuentra situado en un suelo bajo condiciones anaerobias se conecta al cátodo situado en una superficie de agua dando lugar a un circuito eléctrico entre ambos electrodos. La novedad de esta técnica recae en el carácter ilimitado que tiene el electrodo del suelo (ánodo) como aceptor final de electrones, lo que permite a los microorganismos llevar a cabo la oxidación metabólica independientemente de las condiciones naturales del suelo. El objetivo principal de este trabajo de tesis es evaluar a través de ensayos de laboratorio, la aplicación de las CCMS en sistemas con suelo, así como sus limitaciones para ser usadas como herramienta alternativa para la biodegradación. La tesis queda estructurada en 7 capítulos. El primero corresponde a la introducción y la descripción del estado de arte de la tecnología. El segundo capítulo marca los objetivos específicos del trabajo de tesis y define el marco global de la misma. La parte estrictamente experimental se desarrolla entre los capítulos 3 y 6 en donde se analiza: la influencia de la estructura de un suelo en la eficiencia de los sistemas aplicados, la aplicación de estos dispositivos en la biorrecuperación de suelos contaminados, así como el seguimiento del proceso de mineralización del contaminante inicial sometido a distintos tratamientos y diferentes configuración de electrodos, y el desarrollo de un nuevo diseño alejado de los convencionalismos que permite su aplicación en cualquier lugar remoto en ausencia de superficies de agua sobre suelos contaminados. El capítulo 7 presenta una discusión y unas conclusiones generales del trabajo de tesis, así como una serie de perspectivas de futuro. Las consideraciones generales se presentan a modo de pregunta-respuesta. El notable impacto de los electrodos en la biodegradación, sugiere un futuro prometedor para esta tecnología ambiental emergente. De este modo, este trabajo sostiene la idea de que esta nueva estrategia para la limpieza de suelos contaminados podría representar una buena alternativa respecto a las técnicas convencionales de biodegradación. Este novedoso campo de investigación muestra un amplio espectro de posibilidades para su futura aplicación en ambientes reales.

Los sistemas electroquímicos microbianos son aquellos en los que los microorganismos actúan, en combinación con electrodos, como catalizadores de reacciones redox. Estos sistemas permiten transformar la energía química en energía eléctrica mediante la acción de ciertos microorganismos (e.g. Geobacter sulfurreducens) que tienen la capacidad de oxidar compuestos orgánicos, acoplando dicha reacción a la reducción de un aceptor de electrones extracelular (e.g. electrodos). La fusión de dos campos tan diferentes como la microbiología y la electroquímica ha dado lugar a una disciplina nueva y versátil que requiere la sinergia de ambos. Esta tesis doctoral se compone de 5 capítulos, 3 de ellos experimentales, que exploran diferentes aspectos de los sistemas electroquímicos microbianos, utilizando como modelo de bacteria electroactiva a G. sulfurreducens. El objetivo principal de la investigación fue desarrollar nuevas estrategias para profundizar en la comprensión del proceso de transferencia de electrones extracelular (TEE), así como para explorar nuevas plataformas ioelectroquímicas. En vista de lo anterior, el Capítulo 1 explora el estado del arte sobre el uso de G. sulfurreducens en sistemas electroquímicos microbianos. Dicha bacteria posee la capacidad de establecer contacto electroquímico con aceptores extracelulares mediante a la presencia de una extensa red de citocromos de tipo c que conecta el citoplasma con el exterior celular. Con el fin de confirmar el papel de los citocromos de tipo c en la TEE se han realizado estudios de deleción génica para intentar obtener células incapaces de producir determinados citocromos tipo c. Sin embargo, las construcciones genética resultantes no mostraron el comportamiento (fenotipo) esperado por lo que, en esta tesis, nos planteamos un enfoque alternativo basado en el metabolismo asimilatorio del hierro y su efecto en la síntesis de grupos hemo. Desde un punto de vista microbiológico los sistemas clásicos que se emplean en el desarrollo de la electroquímica microbiana implican complejos montajes experimentales, largos períodos de acondicionamiento y costes sustanciales. En este sentido, la miniaturización de los dispositivos bioelectroquímicos puede suponer ventajas considerables, tales como respuestas en producción de corriente o la reducción de costes. Estas características serían especialmente deseables en sistemas electroanalíticos. Otro requisito para los sistemas electroquímicos microbianos es la formación de un biofilm bacteriano maduro, lo cual suele implicar largos períodos de tiempo. Este proceso podría simplificarse mediante la construcción artificial de un sistema bacteria-electrodo. De acuerdo con los retos identificados, el Capítulo 1 concluye describiendo los tres objetivos específicos que conforman esta tesis doctoral: i) Investigar el papel de los citocromos de Geobacter en la TEE, ii) Explorar los electrodos serigrafiados como instrumentos miniaturizados para una rápida evaluación electroquímica de microorganismos electroactivos, iii) Construir bioelectrodos artificiales basados en Geobacter Con el objetivo de confirmar el papel de los citocromos de tipo c en la TEE, el Capítulo 2 describe un método para el cultivo de células de G. sulfurreducens carentes de citocromos. Los análisis bioquímicos basados en la tinción específica del grupo hemo, junto a otros basados en espectrometría de masas y en espectroscopía Raman, demostraron que es factible modificar el contenido de citocromos en G. sulfurreducens limitando la disponibilidad de hierro en el medio de cultivo. Las células carentes de citocromos eran viables ya que pudieron reducir fumarato a succinato, una reacción a nivel de la membrana interna que no requiere citocromos, pero no fueron capaces de reducir hierro citrato (III) o de intercambiar electrones con un electrodo. Estos resultados confirmaron que los citocromos de tipo c son esenciales para la TEE en G. sulfurreducens. Teniendo en cuenta la necesidad de simplificar los aspectos electroquímicos, el Capítulo 3 investiga el uso de electrodos serigrafiados (SPEs) como una nueva plataforma de bajo coste para evaluar la actividad electroquímica microbiana a un nivel de microescala. Los SPEs resultaron ser válidos para identificar respuestas bioelectroquímicas, evitando complejos montajes. El sistema se validó mediante el estudio de la respuesta de G. sulfurreducens bajo diversos estados fisiológicos. Además, el uso de SPE y G. sulfurreducens reveló su potencial como biosensor para la cuantificación de acetato y para explorar muestras de naturaleza tan compleja como las aguas residuales urbanas. La identificación de consorcios electroactivos resultó ser otra de las aplicaciones de esta tecnología. Como aporte científico final, el Capítulo 4 explora una nueva estrategia para utilizar G. sulfurreducens en la de construcción bioelectrodos artificiales, mediante la inmovilización de las células en gel de sílice sobre electrodos de fieltro de carbono. El análisis de viabilidad confirmó que la mayoría de las células sobrevivieron al proceso de encapsulación y que la densidad celular no evolucionó, al menos, durante un período de 96 h. Esta doble encapsulación impide la liberación de bacterias del electrodo, pero permite la difusión de solutos, haciendo posible la caracterización electroquímica del sistema. Los bioelectrodos artificiales se evaluaron en sistemas de 3 electrodos durante varios días utilizando diversos donadores de electrones. El análisis voltamétrico de los bioelectrodos alimentados con acetato mostró una onda de oxidación catalítica sigmoidal desde el inicio, característica de biofilms más maduros. Además, se confirmó la presencia de G. sulfurreducens dentro de las fibras y del gel de sílice por microscopía electrónica de barrido y también se realizó un análisis transcriptómico para estudiar el efecto de la encapsulación a nivel intracelular. A partir de los resultados obtenidos, el Capítulo 5 presenta una discusión general, conclusiones y perspectivas de futuro. Este capítulo fue concebido con una estructura de preguntas y respuestas que confío ayude al lector a entender las razones que sustentaron tanto nuestra experimentación como la interpretación que hicimos de la misma. El valor fundamental de este trabajo es la naturaleza sencilla, rápida y económica de las herramientas proporcionadas que pueden ayudar a otros investigadores en el campo de la electroquímica microbiana.

La electroquímica microbiana o electromicrobiología ha surgido como una nueva subdisciplina de la biotecnología basada en el estudio de las interacciones entre microorganismos y electrodos. Las propiedades catalíticas de estos microorganismos son muy versátiles y una diversidad de campos pueden beneficiarse de ellas a través del desarrollo de las tecnologías electroquímicas microbianas (MET). Los dispositivos empleados en estas tecnologías se han convertido en sistemas novedosos que reflejan perfectamente el nexo agua-energía a causa de sus aplicaciones atractivas en el tratamiento de aguas residuales y la desalinización del agua. Sin embargo, la aplicación de las METs a escala real depende de la resolución de desafíos microbiológicos, tecnológicos y económicos. Hasta el momento, las METs se han entendido como sistemas en los que la catálisis se encuentra localizada en la interfaz del electrodo debido a la necesidad de adhesión microbiana formando un biofilm sobre él. La optimización de esta interacción es el principal reto del campo, y se centra principalmente en la mejora del diseño del reactor y de los electrodos y de los mecanismos de transferencia de electrónica extracelulares. En esta tesis presentamos nuevos escenarios para el tratamiento de aguas residuales basados en el empleo de diseños de reactores clásicos fusionados con tecnologías electroquímicas microbianas. Creemos que, mediante el uso de este tipo de configuraciones, el proceso de escalado de las METs podría ser más sencillo y directo. Económicamente, permitiría operar prototipos fáciles de instalar a gran escala para evaluar tecnologías novedosas como las METs, que, de otro modo, estarían estancadas en escala laboratorio.