Modelo Nernst-ping-pong: Cinética de Bioánodos en MEC

Modelo de Nernst-ping-pong para evaluar los efectos de la
concentración del sustrato y el año potencial en las
características cinéticas del bioanodo.
Graphic abstract
Un nuevo modelo cinético, el modelo de Nernst-ping-pong, para describir la cinética
del bioanodo en una célula de electrólisis microbiana se desarrolla considerando los
mecanismos de transferencia de electrones intracelulares. Este modelo proporciona
una nueva visión de los procesos bioquímicos del bioanodo y, por primera vez, la
inhibición del sustrato del bioanodo está bien descrita por este modelo.
Abstract
Comprender el mecanismo de transferencia de electrones y las
características cinéticas de los bioanodos es enormemente significativo
para mejorar las eficiencias de generación de electrones en los sistemas
bioeléctricos (BES). Aquí se propone un modelo de Nernsteng-pong para
investigar la cinética y los procesos bioquímicos de los bioanodos en una
célula de electrólisis microbiana. Este modelo puede describir con
precisión los efectos del sustrato (incluida la inhibición del sustrato) y el
potencial del ánodo en la corriente de los bioanodos. Los resultados
muestran que el potencial de media onda se desplaza positivamente a
medida que aumenta la concentración del sustrato, lo que indica que los
pasos determinantes de la velocidad de los procesos anódicos cambian
de la oxidación del sustrato a la reacción de transporte de electrones
intracelular. El potencial del ánodo tiene efectos insignificantes en la
catálisis enzimática de los microbios anódicos en el rango de +0.25 V a
+0.1 V frente a un electrodo de calomel saturado. Resulta que para reducir
la pérdida de energía anódica causada por un potencial excesivo, se
prefieren concentraciones de sustrato más altas, si el sustrato no afecta
de manera significativa y adversa a la corriente de salida.
Introduction.
Los sistemas bioelectroquímicos (BES), como las celdas de combustible microbiano
(Logan et al., 2006; Lovley, 2006) y la celda de electrólisis microbiana (MEC) (Liu et
al., 2005; Rozendal et al., 2006) son energía y medio ambiente prometedores.
tecnologías BES debe contener un bioanodo que contenga una gran cantidad de
bacterias que respiran el ánodo (BRA). ARB puede oxidar la materia orgánica y
transferir electrones intracelulares al electrodo insoluble para catalizar la
semirreación anódica. Un tema clave en la investigación de BES es comprender los
diversos fenómenos bioquímicos y electroquímicos que impulsan la media reacción
en el bioanodo.
En el proceso bioquímico bioanodo, los microbios electroquímicamente activos
primero convierten anaeróbicamente el material orgánico en dióxido de carbono,
protones y electrones en la matriz citoplásmica. La tasa de conversión está
determinada por reacciones enzimáticas y puede describirse generalmente
utilizando la cinética de Michaelis-Menten. Posteriormente, los electrones se
transportan a coenzimas como NAD + y luego a los citocromos en el periplasma a
través de la cadena de respiración extracelular en la membrana citoplasmática
(Firer-Sherwood et al., 2008; Kim, 2009).
Los citocromos reducidos en el periplasma luego transfieren los electrones a los
citocromos unidos a la membrana externa, como los citocromos de tipo c (Richter
et al., 2009). Sin embargo, la transferencia electrónica de ARB al electrodo se basa
en componentes redox como mediadores solubles (von Canstein et al., 2007),
citocromos de tipo c (Busalmen et al., 2008), o incluso pili conductor (Lovley, 2008;
Reguera et al., 2006).
Los electrones se transfieren al ánodo a través de la oxidación de los componentes
reducibles en la superficie del electrodo; la velocidad de transferencia se puede
describir utilizando cinéticas de transferencia de electrones como las ecuaciones de
Nernst o Butler-Volmer (Hamelers et al., 2011; Marcus et al., 2007; Strycharz et al.,
2011).
Hasta el momento, solo algunos modelos cinéticos (Hamelers et al., 2011; Lee et
al., 2009; Marcus et al., 2007; Pinto et al., 2011; Pinto et al., 2010; Strycharz et al.,
2011 ; Torres et al., 2008) se han propuesto para describir las características
cinéticas de los bioanodos. Estos modelos se centran principalmente en investigar
los efectos del potencial del ánodo en la corriente del ánodo (Hamelers et al., 2011;
Lee et al., 2009; Marcus et al., 2007; Strycharz et al., 2011; Torres et al. , 2008).
El modelo Nernst-Monod propuesto por Marcus et al. (Marcus et al., 2007) es
eficiente en la descripción del rendimiento del bioanodo en términos del efecto del
potencial del ánodo. Sin embargo, este modelo se deriva del modelo de Monod
multiplicativo para los aceptadores de doble donante cuando ambos sustratos son
solubles y se consideró el ánodo sólido como aceptores de electrones al conectar
la concentración mediante la ecuación de Nernst.
Hamelers et al. (Hameler s et al., 2011) desarrollaron el modelo de Butler-VolmerMonod, que combina la cinética de transferencia de electrones enzimática y ButlerVolmer, para casos tanto de reacción bioquímica como de reacción electroquímica
de transferencia de electrones. el paso de determinación de velocidad (RDS),
particularmente a bajo sobrepotencial. Al suponer que los componentes redox
actúan como aceptadores de electrones para la oxidación de sustratos y como
donantes de electrones en la transferencia de electrones al electrodo, el modelo de
Butler-Volmer-Monod predice con éxito la dependencia potencial de la constante de
Monod aparente (K0m). Sin embargo, los componentes redox para la oxidación de
sustratos, particularmente las enzimas que respiran anaeróbicamente ubicadas en
la célula, son diferentes de los transbordadores de electrones para las reacciones
electroquímicas.
Strycharz et al. (Strycharz et al., 2011) distinguieron claramente la lanzadera de
electrones de la oxidasa de sustrato y propusieron un modelo de cinco pasos que
involucra una reacción redox directa entre el microbio y la lanzadera de electrones.
Sin embargo, el proceso bioquímico intracelular, es decir, la reacción de transporte
de electrones entre la oxidasa de sustrato y la lanzadera de electrones, no se ha
discutido completamente hasta la fecha.
En general, la respiración intracelular de un microorganismo implica dos tipos de
reacciones, a saber, la oxidación del sustrato y la reacción de transporte de
electrones, las cuales siguen cinéticas enzimáticas como la de Michaelis-Menten
(Creevey et al., 2008; Durand et al., 2011 ; Meschi et al., 2010).
El mecanismo de reacción enzimática de dos substratos (bisubstrate, Bi-Bi)
(Marangoni, 2003), una reacción catalizada por una enzima en la que participan dos
substratos y dos productos, puede aplicarse para comprender mejor la transferencia
de electrones entre la oxidasa del substrato. y las lanzaderas de electrones.
Además, el mecanismo de ping-pong se utiliza como una herramienta general para
analizar esta reacción Bi-Bi.
El mecanismo de ping-pong se ilustró experimentalmente con éxito en el estudio del
electrodo modificado con enzimas (Casero et al., 2005; Limoges et al., 2006, 2002;
Savéant, 2006), otro tipo de bioelectrodo que es similar al Bioanodo en BES en
términos de procesos de reacción bioelectroquímica. Este mecanismo también es
adecuado para analizar las reacciones durante la inhibición del sustrato (Durand et
al., 2011), que probablemente esté presente en el proceso de bioanodo.
En este estudio, se propuso un modelo de Nernst-ping-pong para evaluar los efectos
del sustrato y el potencial del ánodo en el rendimiento de un bioanodo en un MEC.
El modelo implica la introducción del mecanismo de ping-pong para describir el
proceso bioquímico de ARB. A través de la transformación matemática, se obtuvo
una solución analítica que produce una expresión del potencial de media onda. La
dependencia potencial de la constante de Monod aparente se puede predecir con
esta solución analítica. Además, se utilizó el modelo Nernst-ping-pong para
investigar y discutir los efectos de la concentración de sustrato en el control cinético
y la inhibición del sustrato.
Methods.
2.1. Descripción del modelo.
En un BES, el ARB electroquímicamente activo funciona como un biocatalizador
que oxida el sustrato orgánico y luego transfiere los electrones generados al ánodo.
Se propusieron dos tipos de mecanismos para la transferencia de electrones
extracelular anódica, a saber, la transferencia de electrones indirecta (IET) y la
transferencia de electrones directa (DET) (Kim et al., 1999; Liu et al., 2010a, b;
Marsili et al. , 2008; Wrighton et al., 2011).
En estos dos mecanismos, los componentes redox se oxidan en el ánodo (en
algunos casos, en los nanocables conductores de metal). La diferencia entre IET y
DET es que los componentes redox en IET son mediadores solubles que se
desplazan entre el ánodo y la célula. Por otro lado, los citocromos unidos en la
superficie celular externa desempeñan un papel clave en la DET. Por lo tanto, la
reacción de bioanodo puede considerarse como un proceso de tres pasos. En el
primer paso, el sustrato es catalizado por una oxidasa de respiración anaeróbica
para generar electrones y productos (Paso 1). Luego, los electrones se transfieren
a componentes redox oxidados, como algunas coenzimas o citocromos, para formar
el componente redox reducido y regenerar la oxidasa (Paso 2). Finalmente, el
componente redox reducido se oxida en la reacción de oxidación anódica, y los
electrones se transfieren al electrodo (Paso 3). El paso 3 sigue la ecuación de
Nernst (Lee et al., 2009; Marcus et al., 2007; Tor reset al., 2008) porque el bioanodo
generalmente funciona con más potenciales positivos que el potencial de equilibrio
formal del componente redox en condiciones normales de operación.
Para desarrollar un esquema simplificado en el análisis de las características
cinéticas del proceso de bioanodo, se puede usar el mecanismo clásico de pingpong para describir las dos primeras reacciones bioquímicas (Pasos 1 y 2), que se
combinan para formar una reacción Bi-Bi. Como se presenta en el Esquema 1, los
Pasos 1 y 2 ocurren dentro del ARB, mientras que la transferencia de electrones
heterogénea (Paso 3) ocurre en la superficie del electrodo.
Primero, el sustrato (S) se combina con el sustrato oxidado oxidasa (EO) para
generar una enzima EOS de estado intermedio, que produce productos (P) y una
oxidasa reducida (ER). ER luego se une al componente redox oxidado (O), como la
coenzima NAD +, para formar un ERO intermedio y regenerar la oxidasa EO en
estado oxidado.
Finalmente, el componente redox reducido (R) se oxida en la superficie del
electrodo, lo que conduce a la transferencia de electrones heterogénea. El par redox
O / R, que funciona como una lanzadera de electrones, se ubica en la membrana
celular externa para participar en DET o en la fase en masa para transferir
electrones a través de IET. Varias coenzimas, citocromos y enzimas pueden
participar en la cadena de transporte de electrones desde el sustrato oxidasa hasta
el electrodo (Kim, 2009).
Sin embargo, en este estudio, el modelo Nponst-ping -pong no hace una suposición
mecanicista explícita sobre cómo se produce la transferencia de electrones desde
la coenzima, como NADH, al componente redox (R) final, que transfiere el electrón
al ánodo. Se supone que el componente redox O / R actúa como el lanzador de
electrones entre la oxidasa del sustrato y el ánodo.
En comparación con la lanzadera de electrones (O / R), la oxidasa de sustrato
dentro de la matriz citoplásmica está relativamente inmovilizada. Por lo tanto, la
corriente de salida consta de dos términos, uno relacionado con la difusión del
componente redox O / R (corriente de difusión, idif) y el otro es la corriente catalítica
(icat) (Savéant, 2006). Aquí, icat es independiente de idif. Además, se hicieron los
siguientes supuestos para lograr una solución analítica simple del modelo de estado
estable en este estudio:
1. La aproximación de estado estable relativa a la enzima es válida.
2. El mecanismo de ping-pong con una enzima inmovilizada y el componente
redox en solución se utilizan para describir la cinética del bionodo (Savéant,
2006);
3. la concentración del sustrato permanece constante hacia el tiempo y el
espacio.
4. la biomasa y la cantidad de enzimas en el microbio están en equilibrio para
el bioanodo en un estado operativo MEC estable;
5. La reacción electroquímica no limita la velocidad y la ecuación de Nernst es
aplicable (Marcus et al., 2007; Pinto et al., 2010; Richter et al., 2009)
Por lo tanto, las concentraciones de cada forma del sustrato oxidasa obedecen
a las siguientes ecuaciones:
La conservación de la concentración total de enzimas [ET] en los
microorganismos conduce a la siguiente ecuación:
De acuerdo con la ecuación de para la corriente catalítica
icat= nFk3[-E0S]
y combinando linealmente Eq, 1-6 , se obtiene la siguiente ecuación:
Así,
es función del sobrepotencial (ƞ) , así como de la concentración
total del componente redox [M].
2.2. Preparación MEC.
Se usó una MEC sin membrana con una única cámara, con los bioanodos, en
una disposición de apilamiento, para realizar los experimentos de características
cinéticas. La celda contiene un trozo de tela de carbono cátodo (6 cm2) recubierto
con 0,5 mg /cm2 de platino y dos trozos cuadrados de ánodos de fieltro de grafito
(longitud: 35 mm; ancho: 25 mm; espesor: 5 mm).
Los bioanodos se aclimataron completamente para generar corriente en un
cátodo de aire MFC, que se inoculó con aguas residuales domésticas, como se
informó anteriormente (Liang et al., 2011).
Antes de realizar las pruebas electroquímicas, el MEC había sido operado de
manera constante durante más de un mes bajo un voltaje aplicado de 1.0 V en
el modo por lotes. En cada lote, el MEC se alimentó con una solución de medio
fresco de 45 ml.
Este medio (fosfato / bicarbonato: 20/80 mM, pH 8.1) contenía lo siguiente en
agua desionizada (1 L): KCl (0.26 g), NaH2PO4 - 2H2O (1.1088 g), Na2HPO4 12H2O (4.615 g) NH4Cl (0,155 g), NaHCO3 (6,7208 g); sales minerales (12,5 ml)
y solución de vitaminas (25 μL) como se informó anteriormente (Lovley y Phillips,
1988). El acetato de sodio (NaAc) se alimentó como sustrato a una
concentración de 12.2 a 24.4 mmol /L.
2.3. Análisis electroquímico.
La solución de medio utilizada en el análisis electroquímico se mantuvo igual
que la utilizada en el cultivo por lotes, excepto por la concentración de NaAc.
Todos los programas de potenciostato y el escaneo voltamétrico se realizaron
con un analizador electroquímico CHI 660C (CH Instruments, Chenhua Co.,
China), con un electrodo de calomel saturado (SCE, Shanghai Ruosull
Technology Co., Ltd., China) colocado cerca del ánodo como el electrodo de
referencia. El medio se purgó constantemente con N2 a lo largo de las pruebas
electroquímicas. Todos los experimentos electroquímicos se realizaron a
temperatura ambiente (aproximadamente 25 ° C).
En la prueba de cronoamperometría (CA), la concentración de NaAc se
incrementó de 2.7 a 117.5 mmol L? 1, mientras que el potencial de bioanodo se
mantuvo secuencialmente en -0.25, -0.2, -0.15 y -0.1 V vs. SCE durante 200 s
obtener una corriente de estado estable. Antes de cambiar el potencial cada vez,
el bioanodo se mantenía a -0,52 V frente a SCE (cerca del potencial de circuito
abierto, OCP) durante al menos un minuto para que el bioanodo casi vuelva al
estado OCP. La corriente de estado estable bajo cada potencial contenía tanto
idif como icat. No se agregó ningún componente redox exógeno en el experimento;
por lo tanto, idif es significativamente menor que icat. La corriente de estado
estable es aproximadamente igual a icat.
El experimento de voltametría cíclica (CV) se realizó utilizando la solución
tampón de fosfato / bicarbonato con varias concentraciones de NaAc (0 a 137.7
mmol/L) bajo un potencial de ánodo que oscila entre -0.55 V a 0.55 V vs. SCE,
exploración Velocidad a 15 mV /s. Las pruebas de CV se realizaron durante tres
ciclos cada vez para lograr la estabilidad y los datos recopilados en el último
ciclo se utilizaron para el ajuste del modelo. Las curvas de corriente catalítica
bajo diferentes concentraciones de sustrato se obtuvieron al restar los
voltamogramas anódicos (las corrientes generadas mediante el escaneo directo
en CV) en ausencia del sustrato (Limoges et al., 2002).
Resultados y discusión.
Los voltamorfos anódicos del bioanodo se muestran en la Fig. 1. Los resultados
muestran que las corrientes de meseta de los voltamogramas anódicos en CV
aumentan primero a medida que aumenta la concentración del sustrato, luego
pasan a través de un máximo antes de disminuir a medida que aumenta la
concentración del sustrato. Estos resultados indican que se produjo alguna
inhibición bajo concentraciones más altas de NaAc.
3.1. Modelo de Nernst-ping-pong que ajusta las curvas de corriente catalítica
en bajas concentraciones de sustrato.
En este estudio, la inhibición es despreciable cuando la concentración del
sustrato es baja, y la relación icat/icat,p es expresada como:
Al aplicar el mecanismo de ping-pong, se puede usar el modelo de Nernst-pingpong para obtener la fórmula específica para E *, que es una función de la
concentración del sustrato. Como implica el ping-pong mecanismo de ping-pong
modelo la concentración del sustrato comienza desde cero, el paso 1 sería el
RDS. Al aumentar gradualmente la concentración del sustrato, E * se
desplazaría hacia el potencial positivo porque el control cinético de reacción
media anódica pasa del Paso 1 al Paso 2 (Limoges et al., 2002).
En este estudio, esta tendencia cambiante de los potenciales de media onda con
la concentración de sustrato se verifica mediante los resultados experimentales
normalizados de las curvas icat. Las curvas icat se obtienen al excluir la corriente
de carga y la corriente de difusión de los voltammogramas anódicos en CV como
se describe en la sección de análisis electroquímico. Luego, las curvas en forma
de S (icat / icat, p) se derivan de la normalización de icat contra icat,p, como se ilustra
en la Fig. 2.
Teóricamente, al comenzar con bajas concentraciones de sustrato, el potencial
de media onda E * tiene una relación lineal con el logaritmo de la concentración
de sustrato (Savéant, 2006). En este estudio, bajo bajas concentraciones de
sustrato, la ec. 9 también se puede derivar en tal relación y expresión como:
El inserto en la Fig. 2 muestra que la medida d E * aumenta linealmente con el
logaritmo de la concentración del sustrato cuando la concentración es inferior a
21.8 mmol /L, con una pendiente de ajuste de 0.058 ± 0.002 V, que es
consistente con lo teórico valor de 0.059 V (T = 298.15 K, R = 8.314 J/K mol, F
= 96485 C/mol). Por lo tanto, la expresión de E * derivada del modelo Nernstping-pong puede ajustarse bien a los datos experimentales del potencial de
media onda. Confirma que hay dos casos limitantes de reacciones bioquímicas
intracelulares, dependiendo de si la reacción que involucra el componente redox
o el sustrato es el RDS.
Las corrientes de estado estable bajo diferentes potenciales de ánodo en los
experimentos de cronoamperometría se muestran en la Fig. 3. Estos resultados
indican que cuando la concentración de NaAc es baja, la característica cinética
del bioanodo sigue la cinética de Monod. Además, el Km y el imax aparentes están
relacionados positivamente con los potenciales de ánodo. Hamelers et al.
(Hamelers et al., 2011) también predijeron la posible dependencia de la K m
aparente y también encontraron esta verdad de manera experimental.
Suponiendo que el paso bioquímico, en lugar del paso electroquímico, es el
RDS, el icat en este estudio puede expresarse según la ecuación. 7 como:
del sobrepotencial ; por lo tanto, K´m y i´max aumentan a medida que η aumenta.
Por lo tanto, al considerar el transporte de electrones intracelular del sustrato
oxidasa al componente redox, el modelo Nernst-ping-pong también demuestra
que K´m y i´max se correlacionan positivamente con el potencial del ánodo como
Butler-Volmer-Monod modelo hizo. Sin embargo, el modelo de Nernst-ping-pong
proporciona una nueva visión de los procesos bioquímicos y electroquímicos del
bioanodo.
3.2. Inhibición del sustrato.
La Fig. 3 muestra que bajo todos los potenciales de ánodo probados, la corriente
catalítica aparentemente disminuye después de alcanzar una meseta, lo que
indica la inhibición del proceso de generación de electrones en el bioanodo. Por
lo tanto, el modelo de ping-pong de Nernst debe modificarse para analizar el
mecanismo de la reducción de la corriente de salida. Dadas las fluctuaciones
insignificantes en la temperatura y el pH durante las pruebas, la actividad
enzimática del bioanodo probablemente sería inhibida por el sustrato. El modelo
Nernst-ping -pong se modificó aplicando el principio de inhibición del sustrato
reversible clásico e introduciendo un factor de inhibición (a) (Durand et al., 2011;
Wang et al., 1999). La corriente catalítica general puede entonces expresarse
como:
donde un exhibe diferentes iones expresos debido a la inhibición de diferentes
formas de enzima o componente redox.
Como se muestra en la Fig. 3, el modelo modificado de Nernst-ping -pong puede
ajustarse bien a los datos experimentales en todo el rango probado de
concentraciones de sustrato. Los valores P del modelo se calcularon en menos
de 0.01, como se muestra en la Tabla 1, lo que indica que el modelo es
significativo. En este estudio, los parámetros cinéticos separados como, K m1.;
Km2; Imax, son difíciles de identificar. Sin embargo, los parámetros complejos
Km1/imax,/
/imax y α/imax se pueden estimar ajustando los datos en la Fig. 3
con la ecuación. 12 (como se indica en la Tabla 1). Km1 / imax se puede utilizar
para evaluar la capacidad exoelectrógena potencial del bioanodo, que se
determina por la cantidad de sustrato oxidasa, la eficacia catalítica enzimática y
la afinidad de la enzima por el sustrato.
Para diferentes sistemas de bioanodos, el menor de Km1/imax representa la mejor
capacidad exoelectrogénica potencial del bioanodo. Los resultados de ajuste
muestran que Km1/imax permanece casi constante alrededor de 0.23-0.26, lo que
indica que Km1/imax es independiente del potencial del ánodo. Por lo tanto, la
variación en el potencial del ánodo no afectaría la catálisis enzimática para la
oxidación del sustrato. En este modelo,
representa los efectos del
sobrepotencial del ánodo, la concentración de componentes redox y la eficiencia
de transferencia de electrones intracelular de la oxidasa de sustrato reducido en
la cinética del bioanodo. Se puede encontrar que la corriente catalítica puede
mejorarse eficazmente aumentando el potencial del ánodo o la concentración de
componentes redox, lo que conduce a una disminución de
.
La tabla 1 muestra que
disminuye con el aumento del potencial
del ánodo, lo cual es consistente con los resultados predichos por el modelo
modificado de Nernst-ping-pong.
En el rango de potencial de -0.25 V a -0.15 V vs. SCE, α/imax disminuye bruscamente
junto con el aumento en el potencial del ánodo, lo que indica que el factor de
inhibición α es una función decreciente de η.
En general, hay cuatro casos de inhibición simples, a saber, la inhibición de E R, EO,
O y R. Sin embargo, en los casos de inhibición de EO, O y R, α puede derivarse
como una constante (no se muestran las desviaciones). Por lo tanto, es más
probable que la inhibición del ER haya ocurrido en este estudio. La unión del sustrato
a ER puede expresarse mediante la siguiente fórmula:
Por lo tanto, el factor de inhibición α es una función decreciente de η. Sin embargo,
la razón para el aumento de α/imax cuando el potencial del ánodo aumentó de -0.15
a -0.1 V vs. SCE aún es dudosa. Podría ser el resultado de una inhibición más
complicada ocurrida bajo potenciales de ánodo más altos. El mecanismo de
inhibición para el bioanodo merece un estudio adicional.
El modelo modificado de Nernst-ping -pong podría ajustarse bien a los datos
experimentales, especialmente cuando hay una inhibición del sustrato.
Se debe tener en cuenta que la transferencia de electrones intracelular de la oxidasa
ER del sustrato reducido a la lanzadera de electrones oxidada O se consideró en
este modelo. Según lo que los autores conocen, el modelo propuesto es el primer
modelo cinético en el que se considera el efecto de inhibición del sustrato en el
bioanodo.
Como se ilustra en la Fig. 4, el modelo modificado de Nernst-ping-pong también
puede ajustarse bien al icat,p´, que varía con las concentraciones de sustrato. La Fig.
4 muestra que después de alcanzar sus valores máximos, tanto E* como i cat,p´
comienza a disminuir cuando la concentración de NaAc fue superior a 27.1 mmol
/L. Como se prefiere para la salida de corriente en BES, se puede usar una
concentración de sustrato apropiada para obtener la máxima corriente catalítica. Sin
embargo, bajo dicha concentración de sustrato, también se puede alcanzar un E *
más alto, lo cual no es beneficioso para BES porque se produciría una mayor
pérdida de energía debido al sobrepotencial (Torres et al., 2008; Wang et al., 2010).
Este hallazgo es consistente con los resultados del estudio anterior, en el que una
mayor densidad de corriente se acompañó con un mayor potencial de media onda
(Liang et al., 2011). Para superar este problema, se podría usar una concentración
de sustrato relativamente mayor para reducir E* sin inhibir significativamente la
actividad enzimática. Esta estrategia es posible porque la reducción de icat,p´ es
menos grave que la de E * a medida que aumenta la concentración de sustrato. Sin
embargo, las características cinéticas del mecanismo de inhibición bajo altas
concentraciones de sustrato y la dinámica del proceso de bioanodo requieren un
estudio adicional.
Conclusión.
Se propuso el modelo Nernst-ping -pong para evaluar los efectos de la
concentración del sustrato y el potencial del ánodo en las características cinéticas
del bioanodo. El modelo describe que el potencial de media onda E * varía con las
concentraciones de sustrato, lo que indica el RDS de la media reacción anódica que
cambia de la oxidación del sustrato a la etapa de transporte de electrones
intracelular. El modelo modificado de Nernst-ping-pong podría encajar bien con los
datos del experimento, especialmente en situaciones de inhibición de sustrato para
la generación actual. Este estudio proporciona una nueva perspectiva de los
procesos bioquímicos del bioanodo y desarrolló un nuevo método de análisis para
el estudio de la cinética del bioanodo.