Energía renovable

Estados Unidos produce más de 70 millones de toneladas de residuos orgánicos cada año. Si bien la reducción en origen y la alimentación de los hambrientos son prioridades necesarias para reducir el desperdicio innecesario de alimentos, los residuos orgánicos son numerosos y se extienden a fuentes no comestibles, como el estiércol del ganado, los residuos agrícolas, las aguas residuales y los residuos de alimentos no comestibles. Cuando estos residuos se gestionan de forma inadecuada, suponen un riesgo importante para el medio ambiente y la salud pública. Los patógenos, los productos químicos, los antibióticos y los nutrientes presentes en los residuos pueden contaminar las aguas superficiales y subterráneas a través de la escorrentía o la lixiviación en los suelos. El exceso de nutrientes provoca la proliferación de algas, daña la vida silvestre e infecta el agua potable. El agua potable con altos niveles de nitratos está relacionada con el hipertiroidismo y el síndrome del bebé azul. Las empresas municipales de suministro de agua tratan el agua potable para eliminar los nitratos, pero es costoso hacerlo.

Los residuos orgánicos también generan grandes cantidades de metano al descomponerse. El metano es un potente gas de efecto invernadero que atrapa el calor en la atmósfera con más eficacia que el dióxido de carbono. A igualdad de cantidades de metano y dióxido de carbono, el metano absorberá 86 veces más calor en 20 años que el dióxido de carbono. Para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y el riesgo de contaminación de los cursos de agua, se pueden eliminar los residuos orgánicos y utilizarlos para producir biogás, una fuente de energía renovable. Al desplazar a los combustibles fósiles, el biogás genera una mayor reducción de las emisiones, lo que a veces da lugar a sistemas de carbono negativo. A pesar de los numerosos beneficios potenciales de la utilización de residuos orgánicos, como la protección del medio ambiente, la inversión y la creación de empleo, en Estados Unidos sólo hay actualmente 2.200 sistemas de biogás en funcionamiento, lo que representa menos del 20% del potencial total.

Bacterias productoras de metano

Las arqueas metanogénicas utilizan sofisticados sistemas enzimáticos para vivir en entornos anóxicos de energía limitada. Un mecanismo clave para ahorrar energía es la bifurcación de electrones, una reacción que “divide” la energía de un par de electrones, haciendo que uno se reduzca más a expensas del otro. Investigadores de los Institutos Max Planck de Microbiología Terrestre (Marburgo) y de Biofísica (Fráncfort del Meno) han descubierto un enorme complejo enzimático de una arquea metanogénica que transfiere directamente los electrones de la reacción de bifurcación de electrones a la reducción y fijación del CO2. Sus conocimientos detallados sobre estos eficientes procesos de transformación de energía pueden abrir nuevas posibilidades para el desarrollo biotecnológico sostenible.

Se calcula que cada año los microorganismos anaeróbicos llamados arqueas metanogénicas producen mil millones de toneladas de metano. Como el metano es un potente gas de efecto invernadero, el aumento de las concentraciones atmosféricas de metano amenaza la vida y los medios de subsistencia. Por otro lado, la captura del metano producido biológicamente por la digestión anaeróbica de residuos y aguas residuales puede representar una fuente renovable de combustible. Por lo tanto, la comprensión de los mecanismos de formación de metano microbiano tiene el potencial de estimular y apoyar los esfuerzos de conservación del medio ambiente.

Metanogenes

ResumenDadas nuestras vastas reservas de metano y la dificultad de transportarlo sin que se produzcan fugas importantes, la conversión del metano directamente en electricidad sería beneficiosa. Las pilas de combustible microbianas aprovechan la energía eléctrica de una amplia variedad de sustratos por medios biológicos; sin embargo, el gas de efecto invernadero metano no se ha utilizado con mucho éxito anteriormente como sustrato en las pilas de combustible microbianas para generar corriente eléctrica. Aquí construimos un consorcio sintético formado por: (i) una cepa arquea modificada para producir metil-coenzima M reductasa a partir de metanótrofos anaerobios no cultivables para capturar metano y secretar acetato; (ii) microorganismos de lodos aclimatados con metano (incluyendo Paracoccus denitrificans) para facilitar la transferencia de electrones proporcionando lanzaderas de electrones (confirmado por la sustitución de los lodos con ácidos húmicos), y (iii) Geobacter sulfurreducens para producir electrones a partir de acetato, para crear una célula de combustible microbiana que convierte el metano directamente en una corriente eléctrica significativa. En particular, esta pila de combustible microbiana de metano funciona con una alta eficiencia culombiana.

Cómo obtienen los metanógenos los nutrientes

Los investigadores de ambos campus están criando colonias de microorganismos, llamados metanógenos, que tienen la notable capacidad de convertir la energía eléctrica en metano puro, el ingrediente clave del gas natural. El objetivo de los científicos es crear grandes fábricas microbianas que transformen la electricidad limpia procedente de la energía solar, eólica o nuclear en combustible renovable de metano y otros compuestos químicos valiosos para la industria.

Aunque el metano en sí mismo es un formidable gas de efecto invernadero, 20 veces más potente que el CO2, el metano microbiano se capturaría y almacenaría de forma segura, minimizando así las fugas a la atmósfera, dijo Spormann.

“Todo el proceso microbiano es neutro en carbono”, explicó. “Todo el CO2 que se libera durante la combustión procede de la atmósfera, y toda la energía eléctrica proviene de energías renovables o nucleares, que también están libres de CO2”.

Los microbios productores de metano, añadió, podrían ayudar a resolver uno de los mayores retos de las energías renovables a gran escala: Qué hacer con el excedente de electricidad generado por las centrales fotovoltaicas y los parques eólicos.