Inspirado en un proceso natural que se encuentra en ciertas bacterias, un equipo de investigadores de Caltech se está acercando cada vez más a un nuevo método para producir fertilizantes que algún día podría ser beneficioso para los agricultores, particularmente en el mundo en desarrollo, al tiempo que arroja luz sobre un misterio biológico.

Los fertilizantes son fuentes químicas de nutrientes que, de otro modo, faltan en el suelo. Más comúnmente, los fertilizantes aportan el elemento nitrógeno, que es esencial para todos los seres vivos, ya que es un componente fundamental del ADN, ARN, y proteínas. El gas nitrógeno es muy abundante en la Tierra, que constituyen el 78 por ciento de nuestra atmósfera. Sin embargo, la mayoría de los organismos no pueden utilizar nitrógeno en su forma gaseosa.

Para hacer utilizable el nitrógeno, debe ser "fijo", convertido en una forma que pueda entrar en la cadena alimentaria como un nutriente. Hay dos formas principales en las que puede suceder, uno natural y otro sintético.

La fijación de nitrógeno ocurre naturalmente debido a la acción de microbios que viven en nódulos en las raíces de las plantas. Estos organismos convierten el nitrógeno en amoníaco a través de enzimas especializadas llamadas nitrogenasas. El amoníaco que crean estos organismos fijadores de nitrógeno fertiliza las plantas que luego pueden ser consumidas por los animales. incluidos los humanos. En un artículo de 2008 que aparece en la revista Naturaleza Geociencia , Un equipo de investigadores estimó que el nitrógeno fijado de forma natural proporciona alimento a aproximadamente la mitad de las personas que viven en el planeta.

La otra mitad del suministro mundial de alimentos se sustenta mediante la fijación artificial de nitrógeno y el método principal para hacerlo es el proceso Haber-Bosch, una reacción a escala industrial desarrollada en Alemania hace más de 100 años. En el proceso, los gases de hidrógeno y nitrógeno se combinan en grandes recipientes de reacción, bajo presión y calor intensos en presencia de un catalizador de hierro en estado sólido, para formar amoniaco.

"Los gases se presurizan hasta varios cientos de atmósferas y se calientan hasta varios cientos de grados Celsius, "dice Ben Matson de Caltech, un estudiante de posgrado en el laboratorio de Jonas C. Peters, Bren Professor of Chemistry y director del Resnick Sustainability Institute. "Con el catalizador de hierro utilizado en el proceso industrial, estas condiciones extremas son necesarias para producir amoniaco a tasas adecuadas ".

En un artículo reciente que aparece en Ciencia Central ACS , Matson, Peters, y sus colegas describen una nueva forma de fijar nitrógeno que se inspira en cómo lo hacen los microbios.

Las nitrogenasas constan de siete átomos de hierro rodeados por un esqueleto proteico. La estructura de una de estas enzimas nitrogenasas fue resuelta por primera vez por Douglas Rees de Caltech, el profesor de química Roscoe Gilkey Dickinson. Los investigadores del laboratorio de Peters han desarrollado algo similar a una nitrogenasa bacteriana, aunque mucho más simple:un andamiaje molecular que rodea un solo átomo de hierro.

El andamio molecular se desarrolló por primera vez en 2013 y, aunque el diseño inicial se mostró prometedor en la fijación de nitrógeno, era inestable e ineficaz. Los investigadores han mejorado su eficiencia y estabilidad ajustando el baño químico en el que se produce la reacción de fijación. y enfriándolo a aproximadamente la temperatura del hielo seco (-78 grados Celsius). Bajo estas condiciones, la reacción convierte el 72 por ciento del material de partida en amoníaco, una gran mejora con respecto al método inicial, que solo convirtió el 40 por ciento del material de partida en amoníaco y requirió más entrada de energía para hacerlo.

Matson, Peters, y sus colegas dicen que su trabajo tiene el potencial de generar dos beneficios importantes:

Facilidad de producción:

Debido a que la tecnología que se está desarrollando no requiere altas temperaturas o presiones, no hay necesidad de la infraestructura industrial a gran escala requerida para el proceso Haber-Bosch. Esto significa que algún día podría ser posible fijar nitrógeno en instalaciones más pequeñas ubicadas más cerca de donde se cultivan los cultivos.

"Nuestro trabajo podría ayudar a inspirar nuevas tecnologías para la producción de fertilizantes, "dice Trevor del Castillo, estudiante de posgrado de Caltech y coautor del artículo. "Si bien es poco probable que este tipo de tecnología desplace el proceso de Haber-Bosch en el futuro previsible, podría tener un gran impacto en lugares que no tienen una red de energía muy estable, pero tienen acceso a abundante energía renovable, como el mundo en desarrollo. Definitivamente hay espacio para el desarrollo de nuevas tecnologías aquí, una especie de energía solar 'bajo demanda', hidroeléctrico-, o proceso de energía eólica ".

Comprender la fijación natural de nitrógeno:

La enzima nitrogenasa es complicada y delicada, no funciona si las condiciones ambientales no son las adecuadas, lo que dificulta el estudio. El nuevo catalizador, por otra parte, es relativamente simple. El equipo cree que su catalizador está realizando la fijación de una manera conceptualmente similar a la enzima, y que su relativa simplicidad permitirá estudiar las reacciones de fijación en el laboratorio utilizando técnicas espectroscópicas modernas.

"Una cosa fascinante es que realmente no sabemos, a nivel molecular, cómo la enzima nitrogenasa de estas bacterias convierte realmente el nitrógeno en amoníaco. Es una gran pregunta sin respuesta "dice el estudiante graduado Matthew Chalkley, también coautor del artículo.

Peters dice que su investigación sobre este catalizador ya les ha dado una comprensión más profunda de lo que está sucediendo durante una reacción de fijación de nitrógeno.

"Una ventaja de nuestro sistema de nitrogenasa de hierro sintético es que podemos estudiarlo con gran detalle, ", dice." De hecho, además de mejorar significativamente la eficiencia de este nuevo catalizador para la fijación de nitrógeno, hemos avanzado mucho en la comprensión, a nivel atómico, los pasos críticos de ruptura de enlaces y creación que conducen a la síntesis de amoníaco a partir del nitrógeno ".

Si los procesos de este tipo pueden perfeccionarse y aumentar su eficiencia, Peters agrega, también pueden tener aplicaciones fuera de la producción de fertilizantes.

"Si esto se puede lograr, La síntesis de amoníaco distribuida alimentada por energía solar puede convertirse en una realidad. Y no solo como fuente de fertilizante, pero también como alternativa, sostenible, y combustible químico almacenable, " él dice.