1. Introducción
Este texto, es producto del desarrollo la investigación titulada "La calidad de la educación superior en Colombia en el nuevo orden mundial", aprobada por el CIDC (Centro de Investigación y Desarrollo Científico) de la Universidad Distrital, el cual se enmarca dentro de los proyectos desarrollados por el grupo de investigación GIDETCI (Grupo de Investigación en Educación Tecnológica por Ciclos), clasificado por COLCIENCIAS.
Es de aclarar que aunque la temática aparentemente no tiene que ver con la calidad de la educación superior en Colombia, el tema toma total relevancia cuando se afrontan los retos de la universidad, entre ellos la investigación, específicamente la exigencia mundial por la búsqueda de nuevas fuentes de energía.
En la actualidad se utiliza combustible fósil - carbón, petróleo y gas - para generar energía eléctrica, lo que altera lenta pero irremediablemente nuestro clima, emitiendo grandes cantidades de dióxido de carbono que retienen el calor del sol que llega a la Tierra, produciendo lo que se conoce como efecto invernadero. Un aumento en uno o dos grados Celsius en la temperatura media mundial puede ser catastrófico y tener consecuencias como: deshielo en los polos geográficos y los glaciares, aumento desmesurado en los niveles pluviométricos en algunas zonas del planeta, sequia en otras, inundaciones costeras, desbordamientos de ríos, aumento en el nivel del mar, cambios irreversibles en los ecosistemas, pérdida de cosechas, hambrunas, entre otras. Por otra parte, se puede producir degradación de los recursos naturales en tierras áridas que crean condiciones desérticas, vientos más fuertes, tormentas, huracanes, derrumbes, caídas y flujo de materiales no consolidados, etc.
La forma en que se utilizan los combustibles destruye el paisaje, ocasiona vertidos de petróleo, produce polución en nuestras aguas, causa lluvia ácida y contaminación urbana; lo que acaba con los bosques, asfixia las ciudades y acorta la vida humana. Sin dejar de lado que en los procesos de explotación y producción energética utilizado hasta el día de hoy, impactan significativamente el medio ambiente. Ante tal problema, es imprescindible obtener nuevas fuentes de energía eléctrica que causen un mínimo impacto en el medio ambiente y no dependan de los combustibles fósiles.
El término "bacteria" es asociado a infecciones, enfermedades y descomposición. Sin embargo, por la respiración interna, un fundamento de la actividad metabólica, hay microorganismos de la especie Geobacter que el ser humano ha empleado como aliado en la investigación de múltiples aplicaciones favorables. El género de bacterias denominada Geobacter de la familia Geobacteraceae de la cual sobresalen dos especies, el metallireducens y el sulfurreducens [1], poseen características sobresalientes que bien administradas, pueden contribuir en múltiples trabajos a la humanidad.
La bacteria del género Geobacter tiene la capacidad de transferir electrones a moléculas como el Fe (III) y Mn (IV) [2], óxidos de nitrógeno [3], sustancias de alto peso molecular formadas por la degradación química y biológica de restos de plantas y de animales [4]. Además permite la transferencia de electrones de forma directa a los electrodos, generando pequeñas corrientes eléctricas [5], esta característica le permite a la especie Geobacter jugar un papel importante en el ciclo natural de la materia orgánica y de los metales en los sedimentos acuáticos y subsuelos [6], en la biorremediación de compuestos orgánicos y en el metal contaminante presente en ambientes subterráneos [7].
La capacidad de las especies Geobacter para transferir electrones desde y hacia electrodos permite obtener electricidad a partir de materia orgánica [8], o el uso de electrodos como donador de electrones para la reducción de contaminantes tales como; nitrato, uranio y disolventes clorados [9] - [11]. Además estas bacterias son capaces de fabricar Pili, que pueden ser útiles en el desarrollo de dispositivos en la industria de microelectrónica [12].
2. Características
2.1 Origen y Evolución
El Geobacter fue descubierto en 1987 en el sedimento de agua dulce del río Potomac en Washington D.C, por el Dr. Derek Lovley y un equipo de investigadores de la Universidad de Massachusetts Amherst [13]. Las primeras bacterias, se les asignó el nombre de Geobacter metallireducens (GS 15) [1].
Originalmente el Geobacter fue asociado con la capacidad de producir magnetita (imán natural) en los ambientes sedimentarios terrestres, prosiguió el descubrimiento con: la facultad de respirar uranio nocivo para el medio ambiente y convertirlo en un elemento neutro; la biodegradación anaerobia de compuestos aromáticos derivados del petróleo; la respiración de ácidos húmicos en ambientes naturales; la capacidad de generar electricidad empleando materia orgánica y la identificación de nanocables conductores "Pili" [2].
Desde el hallazgo hasta nuestros días, Derek Lovley y sus colegas han encontrado más de 20 especies de la familia Geobacter, precisando nuevas habilidades, como la capacidad de moverse hacia sustancias metálicas y los indicios de actividad metabólica aeróbica, lo que indica que el Geobacter puede sobrevivir a la exposición de oxígeno [13], [14].
2.2 Descripción general
El género de bacterias "Geobacter" se encuentra clasificado en el grupo Deltaproteobacteria de la familia Geobacteracea, son Gram-negativas, se caracteriza en general por poseer una forma recta o ligeramente curvada, su tamaño puede variar de 1,2-2,0 !m de longitud por 0,5-0,6 !m de diámetro, además se caracteriza en general por poseer dos tipos de apéndices celulares, flagelos y Pili [15] - [17], ver Fig. 1.
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El factor integrante es ekt . Se multiplica ambos lados de la ecuación y al integrar se obtiene la Ec. (2).
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Por tanto, si se reemplazan las condiciones iniciales se obtiene la ecuación de crecimiento de un ultivo de bacterias en función del tiempo con condiciones y nutrientes óptimos, ver ecuación Ec. (3).
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Si se toma P 0 = 1 y como el tiempo de crecimiento fue igual a 18 días equivalente 432 horas, entonces la Fig. 4 Representa el crecimiento de la población de bacterias en función del tiempo.
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El oro se puede utilizar como material para fabricar el ánodo, debido a su alta conductividad eléctrica, maleabilidad, y resistencia a la oxidación. Sin embargo, en unos experimentos que se realizaron con ánodos de oro [18], [40], [41], la corriente que se obtuvo es menor al compararla con con electrodos de grafito, bajo condiciones similares.
Cátodo: Los materiales con los que se deben construir los cátodos deben ser conductivos, biocompatibles y químicamente estables para soportar la interfaz donde se reduce el oxigeno puro con los protones y electrones, para formar agua, ver Ec. (5).
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La elección del material afecta de manera importante el desempeño de la MFC ya que limita la generación de corriente debido a que la reducción de oxigeno se puede producir a un ritmo lento y la densidad de corriente disminuye. Los materiales comúnmente utilizados son electrodos de grafito, filtro de grafito, papel carbón, tela de carbono, carbón vítreo reticulado [8], [42].
Membrana de intercambio de protones (proton exchange membrane (PEM)): Los materiales con los que se deben construir las membranas deben tener, alta selectividad de protones, estabilidad y frmeza, para obtener el mejor funcionamiento en una MFC. La PEM ayuda a canalizar los protones en una sola dirección desde el ánodo hacia el cátodo, y la PEM más utilizada es el Nafon® 117 que tiene una alta puntuación para la selectividad de protones pero tiene una estabilidad muy baja. Otra opción utilizada como PEM es el Ultrex que tiene una baja puntuación para la selectividad de protones pero tiene una estabilidad muy alta. La diferencia entre las dos opciones tiene que ver directamente con la eficiencia energética y el costo [43].
3.3 Celda de combustible microbiana de sedimento (Microbial Fuel Cell Sediment, MFCs)
Las MFCs, se caracterizan por emplear las bacterias de la familia Geobacter directamente en el hábitat natural como: lodos activados, lodos anaeróbicos, aguas residuales industriales, sedimentos marinos ó sedimentos acuáticos, ricos en materia orgánica, ver la Fig. 6.
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Para obtener la potencia eléctrica P =V x I se tiene en cuenta la corriente de 10 mA que provee cada MFC, por lo tanto cada sección puede aportar una potencia de 0.12 W
Con el fin de producir la potencia requerida es necesario conectar 833 secciones en paralelo de tal manera que la suma de las potencias alcancen los 100 W como en la Ec. (7).
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Finalmente el módulo debe ser construido con un total de 33333 celdas que ocuparían un volumen aproximado de 0.8 m3 , ver Fig. 8.
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6.1.3 Energía Térmica no renovable
Es la energía que se produce mediante la combustión de (carbón, petróleo o gas natural). El calor generado al quemar el combustible se emplea para calentar agua en una caldera y convertirla en vapor, que es inducido a través de unos conductos hacia las paletas de una turbina para hacerla girar sobre su eje. La turbina se encuentra unida por el eje a un generador eléctrico que es el encargado de producir energía eléctrica. En el mundo las centrales térmicas generan el 41% de energía eléctrica con carbón térmico, y están distribuidas de acuerdo con la Fig. 11.
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6.2 Fuentes de energías no convencionales
6.2.1 Energía eólica
Es una fuente de energía renovable y se obtiene a través de dos fuentes: el sol y el viento. El calentamiento desigual de la superficie terrestre por acción de la radiación solar, es el principal causante de las diferencias de presión que da origen a los vientos. La cantidad de energía que contiene el viento antes de pasar por un rotor en movimiento depende de tres parámetros: La velocidad del viento incidente, la densidad del aire y el área barrida por el rotor [53]. La central eólica es una instalación en donde la energía cinética del viento se puede transformar en energía mecánica de rotación. Para ello se instala una torre en cuya parte superior existe un rotor con múltiples paletas, orientadas en la dirección del viento. Las paletas o hélices giran alrededor de un eje horizontal que actúa sobre un generador eléctrico que es el encargado de producir energía eléctrica, Aerogenerador. Las centrales de energía Eólica se pueden adaptar en la tierra o en el mar, aunque por condiciones estos proyectos se han ubicado en las zonas costeras y las cumbres de las montañas porque son las más favorables y mejor dotadas para el aprovechamiento del viento con fnes energéticos [54].
En Colombia hay una central de generación de energía eólica, el parque Jepirachí, fue desarrollado por la empresa Pública de Medellín (EPM) con la asistencia de la agencia técnica alemana de la cooperación (GTZ). El proyecto ubicado en la alta Guajira comenzó a operar en abril de 2004, con 15 aerogeneradores de 60 metros de alto que aportan una capacidad de 19,5 MW al Sistema Interconectado Nacional [54], [55].
En el año 2010 a nivel mundial las centrales de energía eólica alcanzaron una capacidad instalada de 194,4 GW, con un crecimiento del 22,5 % equivalente a una capacidad de 35,8 GW durante este año [56].
El país de la republica popular China tiene una capacidad instalada de 42,3 GW en centrales de energía eólica siendo el primero en el mundo, superando a los Estados Unidos de América, como en la Fig. 12.
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6.2.2 Energía solar fotovoltaica
Es una fuente de energía renovable, consiste en el aprovechamiento de la energía del sol (radiación electromagnética) para producir electricidad. La transformación se realiza por medio de módulos o paneles solares fotovoltaicos [57]. Los módulos o paneles son placas rectangulares formadas por un conjunto de celdas fotovoltaicas protegidas por un marco de vidrio y aluminio anodizado, que tiene la función principal de soportar mecánicamente a las celdas fotovoltaicas y de protegerlas de los efectos degradantes de la intemperie, por ejemplo: humedad y polvo. Una celda fotovoltaica es el componente que capta la energía contenida en la radiación solar y la transforma en una corriente eléctrica, basado en el efecto fotovoltaico que produce una corriente eléctrica cuando la luz incide sobre algunos materiales. Las celdas fotovoltaicas son hechas principalmente con materiales semiconductores, de los cuales el silicio, es el más usado. Una celda fotovoltaica tiene un tamaño de 10 x 10 centímetros y produce alrededor de un vatio a plena luz del día. La mayoría de los paneles fotovoltaicos consta de 36 celdas fotovoltaicas, con una capacidad promedio de 75 W con más o menos un 10 % de tolerancia [58]. Para aprovechar esta fuente de energía en necesario un sistema donde los módulos fotovoltaicos convierten en corriente eléctrica directa la energía solar que recibe durante el día; esta energía se transporta hasta un controlador de carga, la energía es almacenada en bacterias para abastecer las cargas durante la noche, en días de baja insolación o cuando el arreglo fotovoltaico no suple la demanda por sí solo. Si las cargas a alimentar son de corriente directa, esto puede hacerse directamente desde el arreglo fotovoltaico o desde la batería; si, en cambio, las cargas son de corriente alterna, la energía es enviada a un inversor.
La energía solar fotovoltaica se utiliza generalmente, en aquellos lugares donde no existe acceso a la red eléctrica convencional. La energía solar se encuentra disponible en todo el mundo.
El mayor crecimiento del sector se produjo el año 2010 en Alemania (con una capacidad fotovoltaica acumulada de 9,8 GW) país líder mundial por capacidad instalada, seguido por España, Japón, Estados unidos, Italia, República Checa y Bélgica, ver la Fig. 13.
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6.3 Energía geotérmica
Es una fuentes de energía renovable tiene su origen en la diferencia de altas temperaturas que existen en el interior de la Tierra y que van desde los 15 °C de la superfcie hasta los 4.000 °C que rigen el núcleo. La energía geotérmica utilizada para producir electricidad es la proveniente del calor resultante de un gradiente térmico de las altas temperaturas desde el centro de la tierra hasta la superficie terrestre. Las fuentes de calor que pueden intervenir son: rocas calientes que recubren un foco calorífco, sectores con actividad volcánica o zonas que producen gradientes térmicos debido a la fricción de las placas tectónicas. Un gradiente geotérmico es el aumento gradual de temperatura a medida que aumenta el descenso con respecto a la superf cie terrestre, en promedio por cada 33 metros de profundidad el aumento es de 1 ºC, en zonas volcánicas por cada 100 metros, el aumento de temperatura es de 20-30 ºC [59].
Con el fin de aprovechar esta fuente de calor se realizan perforaciones para inyectar agua a temperatura ambiente, la cual convertida en vapor producto de las altas temperaturas, por presión genera el movimiento de turbinas. Estas turbinas se encuentran unidas por el eje a un generador eléctrico, que es fnalmente el encargado de producir energía eléctrica [60], [61].
En el mundo la capacidad instalada con esta fuente de energía primaria es aproximadamente de 44 GW. El país de la republica popular China tiene una capacidad instalada de 8,7 GW en centrales de energía Geotérmica siendo el primero en el mundo, superando a los Estados Unidos de América, ver Fig. 14.
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Un buen sistema para generar energía eléctrica debe incluir como mínimo las ventajas expuestas en la Tabla 4 y enfocarse en producción de energía por demanda con gran capacidad y disponibilidad.
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Un buen sistema para generar energía eléctrica debe evitar como mínimo las desventajas expuestas en la Tabla 5.
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De acuerdo con los datos de la Tabla 6, un buen sistema para generar electricidad debe incluir ciertos aspectos para favorecer el aspecto ambiental y el aspecto social en aquellas regiones donde se implemente el sistema para la generación de energía eléctrica.
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7. Aplicaciones básicas del Geobacte
De acuerdo con las características internas de las bacterias de la familia Geobacter, los científicos han determinado una serie de oficios donde la bacteria puede y será de gran utilidad, como en Fig. 15.
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7.1 Biodegradación y biorremediación
El término biodegradación significa "descomponer" materiales ambientalmente peligrosos mediante la acción de organismos vivos (bacterias). Por lo tanto antes que el proceso pueda ocurrir, debe existir una acumulación de sustancias químicas tóxicas o potencialmente tóxicas que necesitan ser reducidas o eliminadas.
Las prácticas de biorremediación consisten en una biotecnología que usa bacterias para eliminar sustancias contaminantes que pueden ser de naturaleza física, biológica o química y pueden aparecer en todos los estados físicos (sólido, líquido o gaseoso) en un determinado lugar, sea este suelo, sedimento, fango o mar. La biorremediación le da una ayuda al medio ambiente en la mejora de los ecosistemas dañados, acelerando dichos procesos naturales. Lo que hacen las bacterias es degradar los desechos en productos que no alteren el medio ambiente, además de concentrar e inmovilizar sustancias tóxicas, metales pesados; minimizar desechos industriales y rehabilitar áreas afectadas con diversos contaminantes. Para lograr estos benefcios es necesario suministrar a los microorganismos ciertas condiciones ambientales tales como: humedad, cantidad de oxígeno apropiado, pH y temperatura adecuada, estas condiciones permiten el desarrollo y multiplicación de las bacterias. De acuerdo con los factores descritos, el proceso se puede llevar a cabo mediante dos procedimientos: biorremediación in situ consiste de tratar las aguas, suelos o arenas contaminadas, sin sacarlas del lugar en el que se encuentran, está relacionado con tratamientos que no requieren excavación del sitio contaminado; biorremediación ex situ, son los procesos de tratamiento realizados tras excavar el suelo o el material contaminado, se realiza en un lugar diferente al lugar en que se encuentra el residuo, se maneja en un sistema controlado con un tipo de biorreactor o celda de combustible microbiana, consiste en la reducción de la concentración de contaminantes derivados del petróleo de suelos excavados mediante el uso de la biodegradación, las ventajas de estos procedimientos frente a los primeros, reside en la posibilidad de optimizar mejor los parámetros microbiológicos, así como el control del proceso a contraprestación de un precio superior.
El Geobacter puede degradar con relativa facilidad petróleo y sus derivados; benceno, tolueno, acetona, pesticidas, herbicidas, éteres, alcoholes simples, entre otros. Los metales pesados como uranio, cadmio y mercurio no son biodegradables, pero estas bacterias pueden concentrarlos de tal manera que precipita los metales para que sean eliminados fácilmente. La especie Geobacter ha sido utilizada para promover la biorremediación in situ de agua subterránea contaminada con uranio [62], [63].
En el Departamento de Energía de los Estados Unidos, han utilizado bacterias del genero Geobacter y hongos, para la remediación del rio Rife Mill en Western Colorado de los Estados Unidos, que en tiempo pasado se encontraba con altos índices de contaminación de material radiactivo "uranio VI", mineral utilizado para fabricar armas nucleares. En el proceso los microorganismos que se emplearon han logrado reducir el material contaminante a uno menos tóxico, el uranio IV que es soluble en el agua, por tanto fácil de aislar. En el transcurso de 5 años se logro recuperar cerca de 80% del rio. En la actualidad los estudios recientes sugieren que el Geobacter puede en 50 días, reducir en un 70 por ciento el uranio radiactivo insoluble en un material neutro, un acuífero subterráneo contaminado [64], [65].
7.2 Nanotecnología
La nanotecnología es el estudio, diseño, elaboración, manipulación y aplicación de materiales; aparatos y sistemas funcionales a través de la explotación de fenómenos, propiedades y control de la materia en una escala tan pequeña como un nanómetro. El desarrollo de esta tecnología tal vez permita en un futuro no muy lejano solucionar problemas de toda índole como: almacenamiento, producción y conversión de energía eléctrica; armamento y sistemas de defensa; producción agrícola; tratamiento y remediación de aguas y de la contaminación atmosférica; diagnóstico y tratamiento de enfermedades, monitorización de la salud, reconstrucción celular, implantes cerebrales; sistemas de administración de fármacos; procesamiento de alimentos; fabricación y construcción de edificios e infraestructuras; detección y control de plagas; control de desnutrición en lugares pobres; informática; alimentos transgénicos; etc. Para obtener estos benefcios es necesario cables ultra finos y muy pequeños, a menudo llamados nanocables que normalmente se pueden hacer de materiales como metales, silicio y carbono; pero su construcción es difícil y de muy alto costo. Sin embargo el Geobacter produce sobre un costado de su célula unos nanocables denominados Pili que se pueden extraer y utilizar como conductores en diferentes dispositivos, por tanto se podría cultivar miles de millones de células de Geobacter en un laboratorio para producir los nanocables microbianos. Más aún, alterando la secuencia de ADN de las bacterias se pueden nanocables con diferentes propiedades y funciones [43], [66], con el fin de disminuir costos para los dispositivos creados con nanotecnología.
7.3 Producción de hidrogeno
El hidrógeno es un elemento químico básico, ligero, incoloro, inodoro y no tóxico, presente en todo el planeta, puede ser comprimido y almacenado en forma líquida o gaseosa por varios meses hasta que se requiera, es más ligero que el aire. Bajo nivel de contaminantes atmosféricos en especial por la ausencia de CO2, ya que su único producto luego de la combustión puede ser agua. El hidrógeno representa energía almacenada que se puede quemar como cualquier combustible para producir calor, directamente como combustible de motores o para la generación de energía eléctrica mediante turbinas de gas y ciclos combinados. El hidrógeno no es una energía primaria, no se consigue fácil en la naturaleza por lo tanto es preciso obtenerlo mediante la utilización de una celda de combustible microbiana. La MFC consiste básicamente en dos compartimentos, anódico y catódico, que están separados por una membrana permeable de intercambio de protones. El compartimiento anódico se debe conservar en condiciones anaeróbicas donde una biopelícula del Geobacter sobrepuesto en el ánodo oxida la materia orgánica y genera dióxido de carbono, protones y electrones. Los electrones viajan a través de una resistencia que conecta el ánodo y el cátodo, originando una pequeña corriente que puede ser medida y utilizada para realizar trabajo. Los protones son transferidos por medio de la membrana permeable al compartimiento catódico, en esta cámara se combinan los H + y los electrones, generando H2.
8. Conclusiones
El género Geobacter tiene características que se pueden controlar fácilmente en celdas de combustible microbiana para su crecimiento, desarrollo y producción de electricidad, por lo tanto si se puede controlar la producción de bacterias controlamos la fuente energética, lo que nos permite evitar el uso de combustibles fósiles y nucleares y sus consecuencias en los aspectos ambientales y sociales. Aunque se debe resaltar que el desarrollo de esta tecnología está en sus inicios por lo que los diseños deben de ser estudiados y optimizados para ofrecer resultados competitivos.
Con la estimación que se realizó sobre el sistema de celdas de combustible microbiana se determino que el potencial de producción es el requerido para proveer de energía necesaria a una vivienda, en consecuencia, esta forma de generar energía se convierte en una solución para las zonas no interconectadas a la red eléctrica en Colombia o cualquier otra región.
Los nanocables "Pili" que hacen parte del Geobacter pueden revolucionar abruptamente la Electrónica, abriendo un horizonte propicio para disminuir considerablemente el tamaño de instrumentos y maquinarias que pueden solucionar problemas de toda índole a la humanidad.
Es un hecho que la forma de producción actual puede llevar a la especie humana a su desaparición, lo que implica que se deben desarrollar nuevas tecnologías que permitan mitigar el impacto de los avances científicos, tecnológicos y técnicos del ser humano, lo que se quiere decir que se deben reemplazar artefactos como el motor a base de combustible fósil y las energías convencionales, por lo tanto toma fuerza la propuesta de utilizar bacterias con fnes energéticos
Utilizar microorganismos con fines energéticos debería convertirse en un desafío científico que muestre el compromiso de la ciencia en general, de la ingeniería y de la microbiología por implementar tecnologías que no afecten el medio ambiente, y logren suplir la demanda de energía eléctrica presente y futura, por tanto se requiere que los gobiernos de países industrializados y emergentes promuevan y financien este tipo de investigaciones, ya que posteriormente será un beneficio para toda la Humanidad.
Una tecnología basada en bacterias puede generar electricidad, depurar aguas residuales y a la vez producir hidrogeno lo que la hace bastante atractiva para tratamientos de biorremediación in situ, generación de energía eléctrica y combustibles.
Además esta tecnología es autóctona, no produce dióxido de carbono, no afecta directamente al ser humano y lo más importante la fuente primaria son por lo general desperdicios orgánicos producidos por los seres vivos, que habitualmente solo alteran el medio ambiente.
9. Reconocimiento
Bioquímico. Jesús Arnoldo Daza Figueredo M.Sc. Evaluador del artículo, por sus aportes al mismo.
Geóloga. Elsa Adriana Cárdenas Quiroga M.Sc. Por sus aportes en Geología.
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