Los microorganismos tienen una gran versatilidad de funciones, y pueden ser utilizados en procesos tecnológicos. Algunos de ellos, durante su metabolismo, son capaces de generar compuestos conocidos como «compuestos de poder reductor», porque tienen la capacidad de desprender unas partículas cargadas negativamente, llamadas electrones (e-). Estos electrones pueden ser transferidos al polo positivo de una pila (ánodo). El paso de estos electrones desde el polo positivo al negativo (cátodo) a través de un cable, se conoce como electricidad. Pero, antes de llegar al ánodo, ¿qué hacen los microorganismos?
Algunos microorganismos, mayoritariamente bacterias, son capaces de producir energía eléctrica a partir de materia orgánica del medio ambiente o de los residuos. Esto lo hacen lanzando al medio los electrones resultantes de sus reacciones metabólicas, y estos electrones son recogidos por el ánodo para que, una vez transferidos al cátodo, se genere electricidad.
No todos los cultivos bacterianos tienen la misma eficacia. La transferencia de los electrones puede ser directa o mediada. El medio que se utilice para el crecimiento y metabolismo de los microorganismos varía significativamente la eficacia de la biopila. Sin embargo, la eficacia en la obtención de electricidad desde las comunidades bacterianas también depende de la asimilación de energía de la propia comunidad. Si un conjunto de bacterias obtienen mucha energía, serán más eficaces la reproducción y la biopila.
Las bacterias suelen vivir en los biofilms, esto es, matrices bacterianas (medios en que viven las bacterias), compuestos por una serie de moléculas secretadas por las propias bacterias, y que las permiten, a las bacterias, vivir adheridas a las superficies de otros organismos. Estos biofilms pueden estar formados por un único tipo de bacterias o por múltiples tipos. Dependiendo de si forman estas matrices o no, y dependiendo del tipo de biofilm, la eficacia de la biopila puede cambiar. Las que forman biofilms de consorcios mixtos han mostrado ser las más eficaces.
La formación de biofilms se produce de manera secuencial. En primer lugar, los microbios se transportan hacia las superficies y, a continuación, se realiza el proceso de adhesión, que da lugar a la formación de microcolonias que, posteriormente, deben madurar. Este proceso se encuentra regulado por múltiples vías que dependen de: la bacteria que utilicemos, el material del electrodo, el medio en que viven las bacterias y las condiciones de funcionamiento. Puede producirse por múltiples estructuras o mecanismos que permiten a las bacterias comunicarse, así como orientar el comportamiento de manera grupal.
Como indican Kumar, R. et al., podemos saber que aquellas bacterias capaces de producir biofilms gruesos en el el polo positivo de la pila van a generar mayor corriente que aquellos que son finos. Lo mismo ocurre con aquellos biofilms de cultivos mixtos, al producir mayores cantidades de energía que los que pertenecen a cultivos puros. A su vez, los exoelectrógenos se van a adherir de manera más rápida a las superficies que repelen el agua, como el plástico, que aquellas que se ven atraídas por el agua, como pueden ser el vidrio o los metales. Sin embargo, si son utilizados en cultivos puros no son capaces de generar electricidad. Esta línea de investigación se encuentra en estudio actualmente.
Además, los biofilms con múltiples capas producen pilis, que son estructuras utilizadas como conductores para transferir los electrones.
