Dark Fermentative Biohydrogen Production from Fructose-rich Resources by the Photosynthetic Purple Bacterium Rhodospirillum rubrum
Questo studio dimostra che il batterio fotosintetico *Rhodospirillum rubrum* può produrre efficientemente bioidrogeno da residui agroindustriali ricchi di fruttosio in condizioni di oscurità e limitazione di ossigeno, raggiungendo la sua massima produttività in bioreattori anaerobici utilizzando melasse idrolizzate.
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Per decenni, gli scienziati hanno guardato alla natura per trovare modi per produrre combustibile pulito senza bruciare combustibili fossili. Una via promettente prevede l'uso di minuscoli organismi unicellulari in grado di trasformare la luce solare e la materia organica in idrogeno gassoso, una fonte di energia a combustione pulita. Questi organismi, noti come batteri porpora fotosintetici, sono camaleonti metabolici; possono passare tra diversi modi di mangiare e respirare a seconda di ciò che è disponibile nel loro ambiente. Di solito, i ricercatori hanno cercato di coltivarli in grandi vasche riempite di luce, sperando di innescare un processo chiamato fotofermentazione. Tuttavia, questo approccio si scontra con un duro limite: man mano che i batteri si moltiplicano e il liquido nella vasca diventa denso, la luce non riesce a penetrare abbastanza in profondità da raggiungere le cellule al centro. Questa limitazione ha impedito alla tecnologia di diventare un'industria pratica su larga scala.
Esiste una strada diversa, che si basa sulla capacità dei batteri di produrre idrogeno anche al buio, a condizione che l'aria sia controllata con cura. Questo metodo, noto come fermentazione oscura, non richiede costosi sistemi di illuminazione e consente colture di batteri molto più dense. La sfida è stata trovare le condizioni giuste per innescare questa produzione al buio senza uccidere le cellule o sprecare energia. Un team di ricercatori presso l'Università di Scienze Applicate di Biberach, in Germania, si è posto l'obiettivo di testare se un tipo specifico di batterio porpora, Rhodospirillum rubrum, potesse essere indotto a produrre idrogeno in modo efficiente al buio, utilizzando scarti del settore alimentare come nutrimento.
I ricercatori si sono concentrati su un ceppo unico di Rhodospirillum rubrum che possiede un trucco speciale: può costruire il proprio macchinario interno per la raccolta della luce anche quando viene mantenuto al buio, purché il livello di ossigeno sia mantenuto basso ma non completamente assente. Questo stato, che gli scienziati chiamano semiaerobico, permette ai batteri di respirare ossigeno mentre si preparano contemporaneamente a fermentare gli zuccheri. Il team ha coltivato questi batteri in grandi serbatoi di acciaio inossidabile, partendo da una ricetta definita di laboratorio e passando poi a prodotti di scarto del mondo reale. Hanno testato due tipi specifici di scarti: il succo spremuto dalle bucce e dai semi rimasti dopo la produzione di vino bianco, noto come succo di vinaccia, e uno sciroppo denso e zuccherino derivante dalla raffinazione della canna da zucchero, chiamato melassa. Prima di utilizzare la melassa, l'hanno trattata con un enzima per scomporre lo zucchero complesso in forme più semplici che i batteri potessero consumare.
Gli esperimenti hanno rivelato che i batteri prosperavano in questi ambienti bui e controllati l'ossigeno. Quando i ricercatori hanno spostato le vasche dal contenere un po' di ossigeno al non averne affatto, i batteri hanno iniziato a rilasciare idrogeno gassoso. Ciò è accaduto sia con il semplice cibo di laboratorio che con i complessi succhi di scarto. Il processo ha funzionato perché i batteri hanno scomposto il fruttosio, un tipo di zucchero presente sia nel succo d'uva che nella melassa, in molecole più piccole, rilasciando idrogeno come sottoprodotto. I ricercatori hanno scoperto che i batteri producevano una miscela di altri acidi organici durante questo processo, il che è una parte normale di come queste cellule bilanciano la loro energia quando non possono usare la luce.
I risultati hanno mostrato una chiara differenza tra le due condizioni principali testate. Quando le vasche sono state mantenute completamente prive di ossigeno, i batteri hanno prodotto idrogeno molto più velocemente e in quantità maggiori rispetto a quando veniva permesso un piccolo quantitò di ossigeno. La prestazione migliore è derivata dalla melassa idrolizzata. Nel serbatoio alimentato con questo sciroppo ricco di zucchero, i batteri hanno raggiunto un tasso di produzione di 1,12 millimoli di idrogeno per litro di liquido ogni ora. Questo valore era significativamente superiore a quello ottenuto con il comune cibo di laboratorio o con il succo d'uva. Il succo d'uva, pur essendo stato efficace, richiedeva la diluizione per evitare che l'alta concentrazione di zucchero danneggiasse i batteri, e produceva idrogeno a un ritmo più lento.
Lo studio ha anche chiarito come i batteri stessero producendo il gas. Sebbene questi organismi siano famosi per l'uso di un enzima alimentato dalla luce per produrre idrogeno, i ricercatori hanno scoperto che al buio subentra un set diverso di enzimi. Questi enzimi lavorano convertendo una molecola chiamata formiato in idrogeno e anidride carbonica. Il team ha confermato che i batteri non stavano facendo affidamento sul loro macchinario alimentato dalla luce per produrre il gas; stavano invece utilizzando una via fermentativa che viene innescata quando l'ossigeno è scarso. Interessantemente, i batteri avevano bisogno di un costante apporto di anidride carbonica, aggiunto sotto forma di un composto simile al bicarbonato, per mantenere il processo in corso in modo efficiente. Senza questa aggiunta, la produzione di idrogeno rallentava o si fermava.
Quando i ricercatori hanno confrontato le loro scoperte con altri studi, hanno notato che, sebbene i loro tassi di produzione non fossero i più alti mai registrati nell'intero campo della scienza, erano impressionanti per un processo che non utilizzava la luce e non coinvolgeva batteri geneticamente modificati. Altri studi spesso si affidano a un'illuminazione intensa o a ceppi mutanti specializzati per ottenere numeri elevati, ma questo lavoro ha dimostrato che un batterio naturale, di tipo selvatico, può produrre idrogeno efficacemente in un normale serbatoio industriale utilizzando scarti economici e rinnovabili. La capacità di utilizzare grandi serbatoi bui significa che il processo può essere scalato molto più facilmente rispetto ai metodi dipendenti dalla luce, che lottano con la fisica della penetrazione della luce.
I ricercatori hanno concluso che questo approccio offre una via percorribile per trasformare gli scarti agricoli in energia pulita. Utilizzando le capacità di fermentazione oscura di Rhodosphillum rubrum, le industrie potrebbero potenzialmente processare i loro sottoprodotti zuccherini, come la melassa e la vinaccia, per generare idrogeno producendo al contempo una preziosa biomassa che potrebbe essere utilizzata come fertilizzante o mangime per animali. Lo studio ha fornito dati concreti su quanto velocemente i batteri possano produrre gas e su quanto possano renderlo, stabilendo un nuovo punto di riferimento per il lavoro futuro. Sebbene ci sia ancora spazio per migliorare l'efficienza, il lavoro dimostra che la tecnologia è fattibile e che i batteri sono pronti per essere testati su una scala ancora più ampia.
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