Biogas biodesulfurization and simultaneous valorization into high–value bioproducts by Rhodopseudomonas telluris

El biogás es un combustible renovable creado cuando las bacterias descomponen los desechos orgánicos, como restos de comida o estiércol, en ausencia de oxígeno. Es una fuente de energía prometedora porque captura el metano, un potente gas de efecto invernadero, y lo convierte en algo útil. Sin embargo, el gas bruto producido por este proceso suele contener una cantidad significativa de sulfuro de hidrógeno, un gas tóxico y corrosivo que huele a huevos podridos. Esta impureza es peligrosa para la salud humana, daña las tuberías metálicas y los motores utilizados para quemar el combustible, y arruina la calidad de la energía. Tradicionalmente, eliminar este azufre requiere productos químicos agresivos o filtros costosos que generan sus propios problemas de residuos. Los científicos han buscado durante mucho tiempo una forma biológica más suave de limpiar este gas, con la esperanza de encontrar un microorganismo que pueda comerse el veneno y convertirlo en algo inofensivo o incluso valioso.

En un estudio reciente, los investigadores exploraron si un tipo específico de bacteria púrpura, conocida como Rhodopseudomonas telluris, podría realizar esta doble tarea. Estas bacterias se encuentran naturalmente en entornos como lagunas de aguas residuales y poseen la capacidad única de utilizar la luz para obtener energía mientras consumen compuestos de azufre. El equipo se propuso ver si podían entrenar a este microbio para purificar el sulfuro de hidrógeno del biogás y, en el proceso, producir materiales biológicos útiles. En lugar de solo limpiar el gas, el objetivo era ver si las bacterias podían transformar el azufre residual en productos de alto valor, como pigmentos y plásticos biodegradables, convirtiendo efectivamente un contaminante en un recurso.

Los investigadores comenzaron aislando una cepa de la bacteria y cultivándola en un entorno de laboratorio. Colocaron los microbios en contenedores llenos de un líquido rico en nutrientes y luego introdujeron pulsos pequeños y controlados de biogás que contenía sulfuro de hidrógeno. El experimento duró casi dos semanas, durante las cuales el equipo monitoreó cuidadosamente los niveles de gas, la acidez del líquido y la salud del cultivo bacteriano. Encontraron que las bacterias eran, de hecho, capaces de consumir el sulfuro de hidrógeno. A lo largo del experimento, el cultivo eliminó un total de aproximadamente 2,917 partes por millón del gas. Esto no fue una cantidad trivial; representaba alrededor del 35 por ciento del azufre total suministrado, demostrando que las bacterias estaban metabolizando activamente la toxina en lugar de que esta simplemente desapareciera o se adhiriera a las paredes del contenedor.

A medida que las bacterias consumían el azufre, no solo lo destruían; lo transformaban. El estudio detectó una acumulación significativa de sulfato en el líquido, lo que indica que las bacterias habían oxidado completamente el sulfuro de hidrógeno. Este proceso es crucial porque el sulfato es una forma de azufre estable y no tóxica que no corroe los equipos ni daña el medio ambiente. Las bacterias prosperaron mejor cuando el líquido se mantuvo ligeramente ácido o neutro, específicamente entre un pH de 6.0 y 7.0. Cuando el ambiente se volvió demasiado ácido, cayendo por debajo de un pH de 5.5, las bacterias ralentizaron su actividad y eventualmente dejaron de crecer, lo que sugiere que mantener el equilibrio químico adecuado es clave para que el proceso funcione eficientemente.

Mientras limpiaban el gas, las bacterias también trabajaron en la construcción de estructuras internas valiosas. El cultivo adquirió un color rojizo profundo, una señal visual de que los microbios estaban produciendo carotenoides y bacterioclorofilas. Estos son pigmentos naturales que ayudan a las bacterias a capturar la energía lumínica y a protegerse de los daños. Los investigadores midieron estos pigmentos y encontraron que se acumulaban en cantidades significativas, con los carotenoides alcanzando niveles de aproximadamente 1.06 miligramos por gramo de biomasa. Esto es notable porque estos pigmentos suelen recolectarse para su uso en colorantes alimentarios, cosméticos y suplementos de salud. Las bacterias también produjeron polihidroxibutirato, un tipo de plástico biodegradable que las células almacenan como reserva de energía. Esta sustancia alcanzó una concentración de más de 200 miligramos por litro, demostrando que el proceso podría generar un material capaz de reemplazar a los plásticos derivados del petróleo.

El estudio también examinó de cerca la velocidad y los límites de esta limpieza biológica. Las bacterias crecieron a un ritmo constante, alcanzando una tasa de crecimiento máxima de 0.2 por hora. Los investigadores determinaron que las bacterias pueden manejar concentraciones de sulfuro de hidrógeno de hasta aproximadamente 4,600 partes por millón antes de que el gas mismo se vuelva tóxico para las células. Curiosamente, la acumulación de sulfato no pareció envenenar a las bacterias, incluso cuando los niveles ascendieron a casi 337 miligramos por litro. Esto sugiere que el principal desafío para el proceso no es el producto de desecho, sino la acidez que acompaña al gas de azufre. El equipo utilizó modelos matemáticos para describir cómo crecían las bacterias y consumían el gas, encontrando que sus predicciones coincidían muy de cerca con los resultados del mundo real, lo que brinda confianza en la fiabilidad de los datos.

En última instancia, la investigación destaca un camino potencial hacia la producción de biogás que se alinea con el concepto de una economía circular, donde los desechos se reutilizan continuamente. Mediante el uso de Rhodopseudomonas telluris, es posible eliminar un contaminante peligroso de un combustible renovable mientras se generan simultáneamente pigmentos y bioplásticos. El estudio confirma que esta bacteria específica es una fuerte candidata para tal sistema, siempre que el entorno se mantenga dentro de los límites químicos adecuados. Si bien el proceso mostró un declive en la eficiencia a medida que avanzaba el experimento debido al aumento de la acidez, los resultados demuestran que el mecanismo biológico funciona. Las bacterias convirtieron con éxito un gas tóxico en sulfato inofensivo y productos biológicos valiosos, ofreciendo un vistazo de cómo las propias herramientas de la naturaleza podrían algún día resolver algunos de nuestros problemas industriales más persistentes.