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Los compuestos orgánicos en las aguas residuales domésticas y las aguas residuales industriales son una rica fuente potencial de energía, bioplásticos e incluso proteínas para la alimentación animal, pero sin un método de extracción eficiente, las plantas de tratamiento los descartan como contaminantes. Ahora los investigadores han encontrado una solución rentable y ecológica.

Publicado en Fronteras en la investigación energética , Su estudio es el primero en mostrar que las bacterias fototróficas de color púrpura, que pueden almacenar energía de la luz, cuando se les suministra una corriente eléctrica pueden recuperar cerca del 100% del carbono de cualquier tipo de desechos orgánicos. mientras se genera gas hidrógeno para la producción de electricidad.

"Uno de los problemas más importantes de las plantas de tratamiento de aguas residuales actuales son las altas emisiones de carbono, "dice el coautor Dr. Daniel Puyol de la Universidad Rey Juan Carlos, España. "Nuestro proceso de biorrefinería basado en la luz podría proporcionar un medio para recolectar energía verde de las aguas residuales, con huella de carbono cero ".

Bacterias fotosintéticas moradas

Cuando se trata de fotosíntesis, el verde acapara la atención. Pero a medida que la clorofila se retira del follaje otoñal, deja atrás su amarillo, primos naranja y rojo. De hecho, Los pigmentos fotosintéticos vienen en todo tipo de colores y en todo tipo de organismos.

Cue bacterias fototróficas de color púrpura. Capturan energía de la luz solar utilizando una variedad de pigmentos, que les dan tonalidades anaranjadas, rojo o marrón, así como violeta. Pero es la versatilidad de su metabolismo, no su color, lo que los hace tan interesantes para los científicos.

"Las bacterias fototróficas púrpuras son una herramienta ideal para la recuperación de recursos a partir de desechos orgánicos, gracias a su metabolismo muy diverso, "explica Puyol.

Las bacterias pueden usar moléculas orgánicas y gas nitrógeno, en lugar de CO2 y H2O, para proporcionar carbono, electrones y nitrógeno para la fotosíntesis. Esto significa que crecen más rápido que las bacterias y algas fototróficas alternativas, y puede generar gas hidrógeno, proteínas o un tipo de poliéster biodegradable como subproductos del metabolismo.

Sintonización de la producción metabólica con electricidad

Qué producto metabólico predomina depende de las condiciones ambientales de las bacterias, como la intensidad de la luz, temperatura, y los tipos de sustancias orgánicas y nutrientes disponibles.

"Nuestro grupo manipula estas condiciones para ajustar el metabolismo de las bacterias púrpuras a diferentes aplicaciones, dependiendo de la fuente de residuos orgánicos y los requisitos del mercado, "dice el coautor el profesor Abraham Esteve-Núñez de la Universidad de Alcalá, España.

"Pero lo único de nuestro enfoque es el uso de una corriente eléctrica externa para optimizar la producción productiva de bacterias violetas".

Este concepto, conocido como "sistema bioelectroquímico", funciona porque las diversas vías metabólicas en las bacterias violetas están conectadas por una moneda común:los electrones. Por ejemplo, se requiere un suministro de electrones para capturar la energía luminosa, mientras que convertir el nitrógeno en amoníaco libera el exceso de electrones, que debe ser disipado. Optimizando el flujo de electrones dentro de las bacterias, una corriente eléctrica, proporcionada a través de electrodos positivos y negativos, como en una batería, puede delimitar estos procesos y maximizar la tasa de síntesis.

Máximo biocombustible, huella de carbono mínima

En su último estudio, el grupo analizó las condiciones óptimas para maximizar la producción de hidrógeno mediante una mezcla de especies de bacterias fototróficas de color púrpura. También probaron el efecto de una corriente negativa, es decir, electrones suministrados por electrodos metálicos en el medio de crecimiento:sobre el comportamiento metabólico de las bacterias.

Su primer hallazgo clave fue que la mezcla de nutrientes que alimentaba la tasa más alta de producción de hidrógeno también minimizaba la producción de CO2.

"Esto demuestra que las bacterias púrpuras se pueden utilizar para recuperar biocombustibles valiosos de los orgánicos que se encuentran típicamente en las aguas residuales (ácido málico y glutamato de sodio) con una huella de carbono baja, "informa Esteve-Núñez.

Aún más sorprendentes fueron los resultados utilizando electrodos, que demostró por primera vez que las bacterias púrpuras son capaces de utilizar electrones de un electrodo negativo o "cátodo" para capturar CO2 a través de la fotosíntesis.

"Las grabaciones de nuestro sistema bioelectroquímico mostraron una clara interacción entre las bacterias púrpuras y los electrodos:la polarización negativa del electrodo provocó un consumo detectable de electrones, asociado con una reducción en la producción de dióxido de carbono.

"Esto indica que las bacterias púrpuras estaban usando electrones del cátodo para capturar más carbono de los compuestos orgánicos a través de la fotosíntesis, por lo que se libera menos como CO2 ".

Hacia sistemas bioelectroquímicos para la producción de hidrógeno

Según los autores, Este fue el primer uso informado de cultivos mixtos de bacterias violetas en un sistema bioelectroquímico, y la primera demostración de cualquier metabolismo de cambio de fotótrofos debido a la interacción con un cátodo.

Capturar el exceso de CO2 producido por las bacterias violetas podría ser útil no solo para reducir las emisiones de carbono, sino también para refinar biogás a partir de residuos orgánicos para su uso como combustible.

Sin embargo, Puyol admite que el verdadero objetivo del grupo está más adelante.

"Uno de los objetivos originales del estudio era aumentar la producción de biohidrógeno mediante la donación de electrones del cátodo al metabolismo de las bacterias púrpuras. Sin embargo, parece que las bacterias PPB prefieren usar estos electrones para fijar CO2 en lugar de crear H2.

"Recientemente obtuvimos fondos para perseguir este objetivo con más investigación, y trabajará en esto durante los próximos años. Estén atentos para más ajustes metabólicos ".