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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 un medio ambiente ysolución rentable
Publicado en Fronteras en la investigación energética , su estudio es el primero en mostrar que las bacterias fototróficas púrpuras, que pueden almacenar energía de la luz, cuando se les suministra una corriente eléctrica pueden recuperar cerca del 100% de carbono de cualquier tipo de desecho orgánico, mientras generan gas hidrógeno parala producción de electricidad.
"Uno de los problemas más importantes de las actuales plantas de tratamiento de aguas residuales son las altas emisiones de carbono", dice el coautor Dr. Daniel Puyol, de la Universidad Rey Juan Carlos, España. "Nuestro proceso de biorrefinería a base de luz podría proporcionar un medio para cosechar energía verde"de aguas residuales, con cero huella de carbono "
Bacterias fotosintéticas púrpuras
Cuando se trata de la fotosíntesis, el verde se convierte en el centro de atención. Pero a medida que la clorofila se retira del follaje de otoño, deja atrás a sus primos amarillos, naranjas y rojos. De hecho, los pigmentos fotosintéticos vienen en todo tipo de colores y todo tipo de organismos..
Cue las bacterias fototróficas púrpuras. Capturan la energía de la luz solar usando una variedad de pigmentos, que los convierten en tonos de naranja, rojo o marrón, así como morado. Pero es la versatilidad de su metabolismo, no su color, lo que hace quetan interesantes para los científicos.
"Las bacterias fototróficas púrpuras son una herramienta ideal para la recuperación de recursos de los desechos orgánicos, gracias a su metabolismo altamente diverso", explica Puyol.
La bacteria puede usar moléculas orgánicas y gas nitrógeno, en lugar de CO 2 y H 2 O - para proporcionar carbono, electrones y nitrógeno para la fotosíntesis. Esto significa que crecen más rápido que las bacterias y algas fototróficas alternativas, y pueden generar gas hidrógeno, proteínas o un tipo de poliéster biodegradable como subproductos del metabolismo.
Ajuste de la producción metabólica con electricidad
El producto metabólico predominante depende de las condiciones ambientales de la bacteria, como la intensidad de la luz, la temperatura y los tipos de compuestos orgánicos y nutrientes disponibles.
"Nuestro grupo manipula estas condiciones para ajustar el metabolismo de la bacteria púrpura a diferentes aplicaciones, dependiendo de la fuente de desechos orgánicos y los requisitos del mercado", dice el coautor Profesor Abraham Esteve-Núñez de la Universidad de Alcalá, España.
"Pero lo que es único acerca de nuestro enfoque es el uso de una corriente eléctrica externa para optimizar la producción productiva de las bacterias moradas".
Este concepto, conocido como "sistema bioelectroquímico", funciona porque las diversas vías metabólicas en las bacterias moradas están conectadas por una moneda común: los electrones. Por ejemplo, se requiere un suministro de electrones para capturar la energía de la luz, mientras se convierte el nitrógeno en amoníacolibera electrones en exceso, que deben ser disipados. Al optimizar 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 velocidad de síntesis.
Biocombustible máximo, 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 la bacteria.
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 CO 2 .
"Esto demuestra que las bacterias moradas pueden usarse para recuperar biocombustibles valiosos de compuestos orgánicos que se encuentran típicamente en las aguas residuales - ácido málico y glutamato de sodio - con una baja huella de carbono", informa Esteve-Núñez.
Aún más sorprendentes fueron los resultados usando electrodos, que demostraron por primera vez que las bacterias moradas son capaces de usar electrones de un electrodo negativo o "cátodo" para capturar CO 2 a través de la fotosíntesis
"Las grabaciones de nuestro sistema bioelectroquímico mostraron una clara interacción entre la bacteria púrpura y los electrodos: la polarización negativa del electrodo causó un consumo detectable de electrones, asociado con una reducción en la producción de dióxido de carbono".
"Esto indica que la bacteria púrpura estaba usando electrones del cátodo para capturar más carbono de los compuestos orgánicos a través de la fotosíntesis, por lo que se libera menos como CO 2 . "
Hacia sistemas bioelectroquímicos para la producción de hidrógeno
Según los autores, este fue el primer uso informado de cultivos mixtos de bacterias moradas en un sistema bioelectroquímico, y la primera demostración de cualquier metabolismo de cambio de fotótrofos debido a la interacción con un cátodo.
captura de exceso de CO 2 producido por la bacteria púrpura podría ser útil no solo para reducir las emisiones de carbono, sino también para refinar el biogás a partir de desechos orgánicos para su uso como combustible.
Sin embargo, Puyol admite que el verdadero objetivo del grupo se encuentra 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 moradas. Sin embargo, parece que las bacterias PPB prefieren usar estos electrones para fijar el CO 2 en lugar de crear H 2 .
"Recientemente obtuvimos fondos para perseguir este objetivo con más investigación, y trabajaremos en esto durante los años siguientes. Estén atentos para una mayor afinación metabólica".
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