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«Baterías» de bacterias moradas convierten las aguas residuales en energía limpia


Has tirado algo valioso en el inodoro hoy. 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 ecológica y rentable.


Publicado en Frontiers in Energy Research , su estudio es el primero en demostrar que las bacterias fototróficas púrpuras, que pueden almacenar energía de la luz, cuando se suministran con una corriente eléctrica pueden recuperar cerca del 100% del carbono de cualquier tipo de residuo orgánico , mientras generan hidrógeno. Gas para la 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 basado en la luz podría proporcionar un medio para recolectar energía verde de las aguas residuales, con una huella de carbono cero».

Bacterias fotosintéticas moradas

Cuando se trata de la fotosíntesis, el verde acapara la atención. Pero a medida que la clorofila se retira del follaje otoñal, 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 moradas. Captan la energía de la luz solar mediante una variedad de pigmentos, que les dan un tono naranja, rojo o marrón, así como púrpura. 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 de desechos orgánicos, gracias a su metabolismo muy diverso», explica Puyol.

Las bacterias pueden utilizar 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 otras bacterias fototróficas y algas, y pueden generar gas hidrógeno , proteínas o un tipo de poliéster biodegradable como subproductos del metabolismo.

Tuning de salida metabólica con electricidad.

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

«Pero lo que es único de nuestro enfoque es el uso de una corriente eléctrica externa para optimizar la producción productiva de bacterias púrpura».

Este concepto, conocido como «sistema bioelectroquímico», funciona porque las diversas vías metabólicas en las bacterias púrpuras están conectadas por una moneda común: los electrones. Por ejemplo, se requiere un suministro de electrones para capturar la energía de la luz, mientras que convertir el nitrógeno en amoníaco libera el exceso de electrones, que deben disiparse. Al optimizar el flujo de electrones dentro de las bacterias, una corriente eléctrica, provista 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 púrpuras. 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 descubrimiento clave fue que la mezcla de nutrientes que alimentaba la mayor tasa de producción de hidrógeno también minimizaba la producción de CO2.

«Esto demuestra que las bacterias púrpuras se pueden usar para recuperar biocombustibles valiosos de sustancias orgánicas que normalmente se encuentran en las aguas residuales (ácido málico y glutamato de sodio) con una baja huella de carbono «, informa Esteve-Núñez.

Aún más llamativos fueron los resultados con electrodos, que demostraron por primera vez que las bacterias púrpuras son capaces de usar 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 de color 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 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 púrpuras en un sistema bioelectroquímico y la primera demostración de cualquier metabolismo de cambio de fotótrofo debido a la interacción con un cátodo.

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

Sin embargo, Puyol admite que la verdadera meta del grupo se encuentra más adelante.

«Uno de los objetivos originales del estudio fue 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 el CO2 en lugar de crear H2.

«Recientemente obtuvimos fondos para perseguir este objetivo con más investigación, y trabajaremos en esto durante los próximos años. Estén atentos para más sintonización metabólica».

FUENTE: techxplore.com

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