Evaluación comparativa de electrodos de óxido de grafeno y óxido de grafeno reducido como soportes en la formación de biopelículas electrogénicas de Shewanella oneidensis MR-1.
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Date
2025
Authors
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Publisher
Universidad de Concepción
Abstract
Climate change and water scarcity represent significant threats to environmental sustainability on a global scale. Bioelectrochemical systems (BES) are a promising and eco-friendly solution for both wastewater treatment and clean energy generation, and even for both in the same process. However, their adoption has been limited by high costs, long startup periods, and low energy efficiency. Over the past decade, optimizing electrode materials has emerged as a key strategy to improve the performance of BES. Graphene-based electrodes, particularly graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (rGO), have garnered significant interest due to their biocompatibility, high conductivity, and superior mechanical properties. Nevertheless, the literature presents conflicting results regarding the effect of graphene on bacteria; some studies suggest antibacterial properties, while others highlight increased biofilm adhesion and electron transfer in microorganisms cultivated on this material. To address this uncertainty, this research conducted a comparative study of GO and rGO electrodes using pure cultures of Shewanella oneidensis MR-1, focusing on the surface effect on biofilm formation. Biofilms of S. oneidensis MR-1 were cultivated under controlled anaerobic conditions, and their composition was characterized, evaluating the abundance of proteins, carbohydrates, and extracellular DNA, as well as viability through LIVE/DEAD BacLight staining. Furthermore, cyclic voltammetry (CV) was employed to explore the redox behavior of the biofilms and the differences in electron transfer mechanisms. The results showed that S. oneidensis MR-1 biofilms on GO electrodes exhibited higher cell viability compared to those developed on rGO. However, this difference tended to diminish over time, suggesting that the antibacterial effect of rGO is transient and weakens as the biofilm matures. A protein/carbohydrate (P/C) ratio of 1.01 ± 0.22 was recorded for the GO biofilms and 1.75 ± 0.20 for the rGO biofilms. Finally, the VC analysis revealed distinct redox behaviors between the two biofilms, indicated by differences in redox peaks. This may be attributed to the higher amount of oxygenated functionalities in GO compared to rGO. peces (p=0,985). Las cepas analizadas presentaron baja susceptibilidad a antibióticos betalactámicos, que podría estar asociada a la producción de betalactamasas. La diversidad de estas enzimas depende del género bacteriano y no de la especie hospedera, lo que sugiere una baja presión de selección ambiental en este ecosistema extremo.
El cambio climático y la escasez de agua representan amenazas significativas para la sostenibilidad ambiental a nivel mundial. Los sistemas bioelectroquímicos (BES) son una solución prometedora y ecológica tanto para el tratamiento de aguas residuales como para la generación de energía limpia, e incluso para ambas en un mismo proceso. Sin embargo, su adopción ha sido limitada por altos costos, largos periodos de puesta en marcha y baja eficiencia energética. En la última década, la optimización de los materiales de los electrodos ha surgido como una estrategia clave para mejorar el rendimiento de los BES. Los electrodos basados en grafeno, especialmente el óxido de grafeno (GO) y el óxido de grafeno reducido (rGO), han despertado un gran interés por su biocompatibilidad, alta conductividad y propiedades mecánicas superiores. Esta biocompatibilidad se debe a que el grafeno en general bien tolerado por organismos vivos, lo que lo convierte en un material prometedor para aplicaciones en biotecnología y medicina. No obstante, la literatura presenta resultados contradictorios respecto al efecto del grafeno sobre las bacterias; algunos estudios sugieren propiedades antibacterianas, mientras que otros destacan la mayor adhesión de biopelículas y transferencia de electrones en microorganismos cultivados sobre este material. Para abordar esta incertidumbre, esta investigación realizó un estudio comparativo de electrodos de GO y rGO utilizando cultivos puros de Shewanella oneidensis MR-1, enfocándose en el efecto de la superficie en la formación de biopelículas. Se cultivaron biopelículas de S. oneidensis MR-1 en condiciones anaeróbicas controladas y se caracterizó su composición, evaluando la abundancia de proteínas, carbohidratos y ADN extracelular, así como la viabilidad mediante tinción LIVE/DEAD BacLight. Además, se empleó voltamperometría cíclica (VC) para explorar el comportamiento redox de las biopelículas y las diferencias en los mecanismos de transferencia de electrones. Los resultados mostraron que las biopelículas de S. oneidensis MR-1 sobre electrodos de GO presentaron mayor viabilidad celular en comparación con las desarrolladas sobre rGO. No obstante, esta diferencia tendió a disminuir con el tiempo, lo que sugiere que el efecto antibacteriano del rGO es transitorio y se atenúa a medida que la biopelícula madura. Se registró una relación proteína/carbohidrato (P/C) de 1,01 ± 0,22 para las biopelículas de GO y 1,75 ± 0,20 para las de rGO. Finalmente, el análisis por VC reveló comportamientos redox distintos entre ambas biopelículas, evidenciados por diferencias en los picos de oxidoreducción. Esto puede deberse a la mayor cantidad de funcionalidades oxigenadas en el GO en comparación con el rGO.
El cambio climático y la escasez de agua representan amenazas significativas para la sostenibilidad ambiental a nivel mundial. Los sistemas bioelectroquímicos (BES) son una solución prometedora y ecológica tanto para el tratamiento de aguas residuales como para la generación de energía limpia, e incluso para ambas en un mismo proceso. Sin embargo, su adopción ha sido limitada por altos costos, largos periodos de puesta en marcha y baja eficiencia energética. En la última década, la optimización de los materiales de los electrodos ha surgido como una estrategia clave para mejorar el rendimiento de los BES. Los electrodos basados en grafeno, especialmente el óxido de grafeno (GO) y el óxido de grafeno reducido (rGO), han despertado un gran interés por su biocompatibilidad, alta conductividad y propiedades mecánicas superiores. Esta biocompatibilidad se debe a que el grafeno en general bien tolerado por organismos vivos, lo que lo convierte en un material prometedor para aplicaciones en biotecnología y medicina. No obstante, la literatura presenta resultados contradictorios respecto al efecto del grafeno sobre las bacterias; algunos estudios sugieren propiedades antibacterianas, mientras que otros destacan la mayor adhesión de biopelículas y transferencia de electrones en microorganismos cultivados sobre este material. Para abordar esta incertidumbre, esta investigación realizó un estudio comparativo de electrodos de GO y rGO utilizando cultivos puros de Shewanella oneidensis MR-1, enfocándose en el efecto de la superficie en la formación de biopelículas. Se cultivaron biopelículas de S. oneidensis MR-1 en condiciones anaeróbicas controladas y se caracterizó su composición, evaluando la abundancia de proteínas, carbohidratos y ADN extracelular, así como la viabilidad mediante tinción LIVE/DEAD BacLight. Además, se empleó voltamperometría cíclica (VC) para explorar el comportamiento redox de las biopelículas y las diferencias en los mecanismos de transferencia de electrones. Los resultados mostraron que las biopelículas de S. oneidensis MR-1 sobre electrodos de GO presentaron mayor viabilidad celular en comparación con las desarrolladas sobre rGO. No obstante, esta diferencia tendió a disminuir con el tiempo, lo que sugiere que el efecto antibacteriano del rGO es transitorio y se atenúa a medida que la biopelícula madura. Se registró una relación proteína/carbohidrato (P/C) de 1,01 ± 0,22 para las biopelículas de GO y 1,75 ± 0,20 para las de rGO. Finalmente, el análisis por VC reveló comportamientos redox distintos entre ambas biopelículas, evidenciados por diferencias en los picos de oxidoreducción. Esto puede deberse a la mayor cantidad de funcionalidades oxigenadas en el GO en comparación con el rGO.
Description
Tesis presentada para optar al grado de Magíster en Ciencias, mención en Microbiología.
Keywords
Grafeno, Biofilms, Bioelectroquímica