Por primera vez se ha podido confirmar experimentalmente que las bacterias usan electrones de hidrógeno y pueden producir más sustancias químicas de lo que se sabía anteriormente.
El hallazgo ha sido publicado en la revista Green Chemistry por científicos del Instituto Leibniz para la Investigación de Productos Naturales y Biología de Infecciones (Leibniz-HKI).
En la electrosíntesis microbiana, los microorganismos utilizan CO2 y electricidad para producir alcohol, por ejemplo. Sin embargo, hasta ahora solo se había especulado sobre cómo funciona este proceso biológicamente.
La electrosíntesis microbiana es una tecnología prometedora en el contexto del cambio climático y la transición energética: puede unir dióxido de carbono, producir etanol y otros compuestos orgánicos que pueden usarse como combustible y, por lo tanto, almacenar el exceso de electricidad. Sin embargo, la tecnología, que se conoce desde hace más de una década, hasta ahora no ha logrado ningún avance significativo hacia la comercialización.
Según Miriam Rosenbaum, jefa de la planta biopiloto de Leibniz-HKI, esto se debe principalmente a que "hasta ahora, la biología detrás del proceso ha sido considerada como una especie de caja negra". La bioquímics, que ocupa la Cátedra de Biotecnología Sintética en la Universidad Friedrich Schiller en Jena, se ha dedicado durante mucho tiempo a la cuestión de qué sucede exactamente durante la electrosíntesis microbiana (MES).
El equipo ahora ha hecho un gran avance precisamente en esta área. Los investigadores pudieron demostrar que las bacterias no absorben directamente los electrones suministrados por la corriente eléctrica, sino que utilizan hidrógeno para transferir los electrones. Esto se había sospechado durante mucho tiempo como una posibilidad, pero hasta ahora nadie había proporcionado pruebas experimentales. También descubrieron que el método podría producir productos químicos aún más útiles de lo que se pensaba anteriormente y optimizaron el proceso para obtener los mayores rendimientos posibles.
En MES, se aplica electricidad a una solución acuosa de nutrientes que contiene microorganismos y se agrega dióxido de carbono al mismo tiempo. Los microorganismos utilizan la electricidad y el carbono para producir compuestos orgánicos como etanol o acetato. Para hacer esto, usan los electrones suministrados, pero anteriormente no estaba claro cómo.
"Hubo un estudio que supuso que los microbios usaban los electrones directamente", dice Rosenbaum en un comunicado. Sin embargo, esta hipótesis no fue probada. Rosenbaum pensó que era más probable que los microbios estuvieran usando hidrógeno para su biosíntesis. Eso es porque cuando se aplica electricidad y dióxido de carbono, sucede lo mismo que en la electrólisis clásica: el agua se divide en hidrógeno y oxígeno.
"Hasta ahora, nadie ha medido realmente el hidrógeno directamente en el sistema", explica Santiago Boto, autor principal del estudio. Por lo tanto, configuró el reactor MES para poder controlar con precisión todos los parámetros. Para ello utiliza un cultivo puro con la bacteria Clostridium ljungdahlii en un rango de diferentes concentraciones. Además, puede controlar el flujo de corriente eléctrica y medir el hidrógeno producido en el electrodo y el hidrógeno que escapa del líquido mediante microsensores.
"Con nuestro diseño, pudimos reunir varias pruebas de que las bacterias estaban usando hidrógeno", dijo Boto. Cuando la concentración de bacterias en el medio nutritivo era tal que formaban una biopelícula en el cátodo y se podía medir poco hidrógeno en el entorno del electrodo, la actividad de las bacterias se reducía significativamente. Esto también sucedió cuando el voltaje no era lo suficientemente alto para la electrólisis. Solo cuando el hidrógeno estaba disponible libremente para el plancton, es decir, nadando libremente, las bacterias del electrodo mostraron una alta actividad.
De esta forma, el equipo de investigación pudo optimizar el voltaje y la concentración bacteriana para obtener los rendimientos de acetato más altos posibles. "Tuvimos los valores de acetato más altos logrados hasta la fecha para un cultivo puro de bacterias", dijo Boto.
Como resultado secundario, también descubrió que se formaban compuestos amino que las bacterias normalmente no producen. En cooperación con Falk Harnisch del Centro de Investigación Ambiental de Leipzig, el trabajo también mostró que ocurren reacciones entre el medio nutriente y el cátodo, que tampoco se habían descrito antes, aparentemente acelerando el proceso de síntesis.
El equipo ahora quiere optimizar los procesos aún más y explorar específicamente los hallazgos anteriores. "Los compuestos amino son muy interesantes para la industria química, y las bacterias que usamos también ya tienen un uso industrial. Por lo tanto, es posible que hayamos descubierto un nuevo método de producción para tales productos químicos", dijo Boto.
En general, los resultados deberían ayudar a que MES sea comercialmente viable. "Espero que veamos un fuerte aumento en esta tecnología en los próximos años cuando finalmente nos centremos también en la biología", dijo Rosenbaum. La Planta Bio Piloto está colaborando en esto y asociándose con ingenieros de procesos para desarrollar reactores más grandes para MES.
