Microbios que funcionan con electricidad
Cómo las bacterias utilizan la electricidad y el dióxido de carbono para producir sustancias químicas útiles
En la electrosíntesis microbiana, los microorganismos utilizanCO2 y electricidad para producir alcohol, por ejemplo. Sin embargo, hasta ahora sólo se había especulado sobre el funcionamiento biológico de este proceso. Los investigadores del Instituto Leibniz de Investigación de Productos Naturales y Biología de las Infecciones (Leibniz-HKI) han podido confirmar experimentalmente por primera vez que las bacterias utilizan electrones del hidrógeno y pueden producir más sustancias químicas de las que se conocían hasta ahora.
n pequeños biorreactores, los investigadores pueden controlar con precisión las condiciones de la electrosíntesis microbiana.
Ronja Münch/Leibniz-HKI
Representación esquemática del montaje experimental: El cultivo bacteriano crece en uno de los contenedores, se suministra electricidad y CO2. Un segundo recipiente se utiliza para la contrarreacción electroquímica; aquí se produce oxígeno.
Santiago Boto/Leibniz-HKI
La electrosíntesis microbiana es una tecnología prometedora en el contexto del cambio climático y la transición energética: puede fijar el dióxido de carbono, producir etanol y otros compuestos orgánicos que pueden utilizarse como combustible, y almacenar así el exceso de electricidad. Sin embargo, la tecnología, conocida desde hace más de una década, no ha logrado hasta ahora ningún avance significativo hacia su comercialización.
Según Miriam Rosenbaum, responsable de la Planta Piloto Bio de Leibniz-HKI, esto se debe principalmente a que "la biología que subyace al proceso se ha considerado hasta ahora una especie de caja negra". La bioquímica, titular de la Cátedra de Biotecnología Sintética de la Universidad Friedrich Schiller de Jena, lleva mucho tiempo dedicada a la cuestión de qué ocurre exactamente durante la electrosíntesis microbiana (MES).
Su equipo ha logrado ahora un gran avance precisamente en este campo: Los investigadores han podido demostrar que las bacterias no absorben directamente los electrones suministrados por la corriente eléctrica, sino que utilizan hidrógeno para transferirlos. Esto se sospechaba desde hacía tiempo, pero hasta ahora nadie había aportado pruebas experimentales. También descubrieron que el método podía producir sustancias químicas aún más útiles de lo que se pensaba y optimizaron el proceso para obtener los mayores rendimientos posibles.
Condiciones controladas
En la MES, se aplica electricidad a una solución nutritiva acuosa que contiene microorganismos y se añade dióxido de carbono al mismo tiempo. Los microorganismos utilizan la electricidad y el carbono para producir compuestos orgánicos como etanol o acetato. Para ello, utilizan los electrones suministrados, pero hasta ahora no estaba claro cómo.
"Había un estudio que suponía que los microbios utilizaban los electrones directamente", explica Rosenbaum. Sin embargo, esta hipótesis no se demostró. Rosenbaum pensó que era más probable que los microbios utilizaran hidrógeno para su biosíntesis. Esto se debe a que cuando se aplica electricidad y dióxido de carbono, lo que ocurre es lo mismo que en la electrólisis clásica: El agua se divide en hidrógeno y oxígeno.
"Hasta ahora, nadie había medido realmente el hidrógeno directamente en el sistema", explica Santiago Boto, autor principal del estudio. Por eso creó el reactor MES, que le permite controlar con precisión todos los parámetros. Para ello, utiliza un cultivo puro con la bacteria Clostridium ljungdahlii en diferentes concentraciones. Además, puede controlar el flujo de corriente eléctrica y medir el hidrógeno producido en el electrodo y el hidrógeno que escapa del líquido utilizando microsensores.
"Con nuestro diseño pudimos reunir varias pruebas de que las bacterias utilizaban hidrógeno", explica Boto. Cuando la concentración de bacterias en el medio nutriente era tal que formaban una biopelícula en el cátodo y se podía medir poco hidrógeno en el entorno del electrodo, la actividad de las bacterias se reducía significativamente. Esto también ocurría cuando el voltaje no era lo suficientemente alto para la electrólisis. Las bacterias planctónicas, es decir, las que nadan libremente, sólo mostraban una actividad elevada cuando el hidrógeno estaba libremente disponible en el electrodo.
Se descubren nuevas vías biosintéticas
De este modo, el equipo de investigación pudo optimizar el voltaje y la concentración bacteriana para obtener los mayores rendimientos posibles de acetato. "Obtuvimos los valores de acetato más altos logrados hasta la fecha para un cultivo puro de bacterias", afirmó Boto. Como resultado secundario, también descubrió que se formaban compuestos aminados que las bacterias no producen normalmente. En colaboración con Falk Harnisch, del Centro de Investigación Medioambiental de Leipzig, el trabajo también demostró que se producen reacciones entre el medio nutriente y el cátodo, que tampoco se habían descrito antes, lo que aparentemente acelera el proceso de síntesis.
El equipo quiere ahora optimizar aún más los procesos y explorar específicamente los hallazgos anteriores. "Los aminocompuestos son muy interesantes para la industria química, y las bacterias que utilizamos también tienen ya un uso industrial. Por tanto, es posible que hayamos descubierto un nuevo método de producción de estas sustancias químicas", afirma Boto. En general, los resultados deberían ayudar a hacer comercialmente viable la MES. "Espero que veamos un fuerte auge de esta tecnología en los próximos años, cuando por fin nos centremos también en la biología", afirmó Rosenbaum. La Bio Pilot Plant está colaborando en ello y asociándose con ingenieros de procesos para desarrollar reactores más grandes para la MES.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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