Ua bacteria oceánica produce hidrógeno de forma natural

CyanotheceUna cianobacteria emite hidrógeno como subproducto de los procesos cotidianos.

Un microbio oceánico aparentemente poco destacable, resulta ser multitarea – no sólo puede hacer la fotosíntesis, sino que también puede producir grandes cantidades de hidrógeno, abriendo un camino potencial para abaratar el gas como combustible.

La cianobacteria unicelular Cyanothece 51142 puede crear hidrógeno, según informan Himadri Pakrasi de la Universidad de Washington en St. Louis, Missouri, y sus colegas en Nature Communications1. Hasta el momento, los únicos organismos conocidos que fabrican hidrógeno sólo podían producirlo en un entorno sin oxígeno – haciendo que el proceso fuese potencialmente caro al escalarlo.

Cyanothece 51142 se descubrió en 1993, en la costa de Texas, por parte de Louis Sherman de la Universidad de Purdue en West Lafayette, Indiana, coautor del estudio. Pakrasi descubrió más tarde que la bacteria tenía un ciclo diario de dos etapas. Durante el día, hace la fotosíntesis, usando la luz solar y el dióxido de carbono para crear oxígeno y crear cadenas de moléculas de glucosa conocidas como glicógeno- Cuando el Sol se retira, la enzima nitrogenasa del microbio entra en acción, usando la energía almacenada en el glicógeno para fijar el nitrógeno del aire en amoniaco. El hidrógeno se genera como subproducto.

Los dos mecanismos son distintos ya que la fotosíntesis es un proceso aeróbico  – requiere oxígeno – mientras que la fijación del oxígeno, y, por consiguiente, la producción de hidrógeno, sólo pueden tener lugar anaeróbicamente, debido a que el contacto del oxígeno destruye la enzima nitrogenasa. Pero la Cyanothece 51142 logra fijar el nitrógeno incluso en presencia del oxígeno atmosférico, quemando el oxígeno celular para producir energía. Debido a que no está teniendo lugar la fotosíntesis, la bacteria usa su oxígeno celular de forma que la enzima nitrogenasa está de forma efectiva en un entorno mayormente libre de oxígeno.

Reacciones rítmicas

La Cyanothece 51142 tiene un ritmo circadiano natural que le permite ser ‘entrenada’ para producir aún más hidrógeno.

Tras un único ciclo de 12 horas de día y 12 de noche, Pakrasi y su equipo mantuvieron las luces encendidas durante 48 horas consecutivas. Durante este tiempo, los microbios siguieron con su fijación de nitrógeno ‘nocturna’ y la producción de hidrógeno en el periodo que normalmente habría sido oscuro, pero crearon más combustible para el proceso mediante la fotosíntesis. Los investigadores encontraron que, bajo estas condiciones, los microbios ajustaban su capacidad fotosintética para maximizar la fijación del nitrógeno.

La cantidad de hidrógeno producida de esta forma – 150 micro moles por miligramo de clorofila por hora — es el más alto registrado jamás en cianobacterias naturales en condiciones atmosféricas normales, comenta Pakrasi. Si las bacterias se comportasen de la misma forma en un medio de cultivo de un litro, que en el medio de 25 mililitros usado en el experimento, crearían algo más de 900 ml de hidrógeno en 48 horas — el tiempo de duración del experimento.

Ritmo natural alto

“Este es el sistema más efectivo publicado hasta el momento para la producción de hidrógeno”, dice Oliver Lenz de la Universidad Humboldt en Berlín, que trabaja con la enzima hidrogenasa. En su trabajo, Lenz ha injertado directamente la hidrogenasa en un fotosistema I, una unidad proteica necesaria para la fotosíntesis. Las bacterias naturales no pueden competir con tales sistemas, con el ritmo de producción de hidrógeno en el sistema de Lenz alcanzando volúmenes mayores – 3000 micro moles de hidrógeno por miligramo de clorofila por hora, según Lenz — pero el sistema sigue sin probarse en una configuración natural, y esta es la ventaja del descubrimiento de Pakrasi. “Nunca esperé unos ritmos tan altos para un organismo natural”, añade Lenz. Las aproximaciones sintéticas tales como las de Lenz tienen una vida corta, comenta Pakrasi, a menudo agotando el germen en horas, mientras que las cianobacterias “pueden seguir funcionando durante días”.

Otros organismos aparte de las cianobacterias, tales como el alga Chlamydomonas reinhardtii, también producen hidrógeno a ritmos similares, dice Olaf Kruse de la Universidad Bielefeld en Alemania, que trabaja con la especie. Pero estos otros microbios necesitan unas estrictas condiciones anaeróbicas para su funcionamiento. Kruse está impaciente por ver un escalado del experimento de Pakrasi para comprobar si Cyanothece 51142 funciona igual de bien cuando se cultiva en grandes volúmenes. Pakrasi dice que su equipo está empezando este trabajo, y ya han movido el cultivo de 25 ml a otro de 200 ml con similares resultados.

Por el momento, Cyanothece 51142 tiene pequeñas cantidades de hidrogenasa que consume parte del hidrógeno conforme se produce. Para que la Cyanothece 51142 trabaje mejor, Lenz sugiere modificar genéticamente la bacteria para que contenga una enzima hidrogenasa más eficiente, por lo que se perdería menos hidrógeno.

El trabajo demuestra de lo que es capaz una cianobacteria no modificada, dice Pakrasi. Hay al menos otras 10 cepas de Cyanothece, y Pakrasi espera que funcionen de forma similar. “Se puede – y debemos – aumentar el ritmo haciendo modificaciones genéticas en el sistema”, señala.


Referencias:
1. Bandyopadhyay, A., Stöckel, J., Min, H., Sherman, L. A. & Pakrasi, H. B. Nature Commun. doi:10.1039/ncomms1139 (2010).

Autor: Katharine Sanderson
Fecha Original: 14 de diciembre de 2010
Enlace Original

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Comments (12)

  1. Información Bitacoras.com…

    Valora en Bitacoras.com: Una cianobacteria emite hidrógeno como subproducto de los procesos cotidianos. Un microbio oceánico aparentemente poco destacable, resulta ser multitarea – no sólo puede hacer la fotosíntesis, sino que también puede producir …..

  2. [...] español: http://www.cienciakanija.com/2010/12/15/ua-bacteria-oceanica-produce-hidrogen La cianobacteria unicelular Cyanothece 51142 ha resultado ser multitarea: no sólo puede hacer la [...]

  3. OzzyBulla

    Suena hermoso, en especial cuando uno analiza la proporción de H2 por kilogramo de bacteria, la cual me parece que nos abre el camino para el sueño de tener un coche que por su escape emita solo vapor. 150 mol de hidrógeno cada 24 horas por kilogramo de bacterias me parece muy muy lejos de lo que se necesita. Corríjanme pero entiendo que 1 mol de H2 equivale a 2 gr. de hidrógeno, o sea, un Kg. de estas bacterias produce 300 gr. de hidrógeno, correcto? Absolutamente notable. Queda por ver si se mantiene el rendimiento a escalas industriales y no solo de laboratorio y el eterno problema de costos (por lo pronto, me da ña idea que se necesitarían granjas de enormes superficies)

    • jurl

      No xD (lo siento). Dice 150 μmol por mg de clorofila (o sea, 150 mmol por g) y por hora, es decir, para sintetizar un sólo mol de hidrógeno molecular (sí, 2 g), necesitarías sobre 670 g de clorofila, y para “acumular” 670 g de clorofila creo que necesitamos juntar muchas… bacterias (muchas, muchas) xD. 900 ml en esas condiciones deben ser algo así como 0,05 mol de hidrógeno.

      Pero vamos, esto es un notición. Si sólo nos da para reciclar la mierda que hacemos, bienvenido sea, que coches hay demasiados.

      • OzzyBulla

        Si, son micromol pero por milígramo, no por gramo. Estamos hablando de un rendimiento 1.000 veces el que dices. En lo que si se me fue la mano es que confundí peso de clorofila por peso de bacterias. La relación entre ambos no la encuentro.

  4. En todo este tipo de experimentos en que se realiza una transformación a gran escala (en este caso la extracción del hidrógeno), ¿se analizan adecuadamente el ciclo completo y su impacto en el equilibrio global?.

    Por ejemplo, el famoso tema de los CFC (aerosoles y demás) producía un ciclo “sin equilibrio” llevando a lo que (ahora) todos conocemos.

    ¿Se analiza concienzudamente (o todo lo que sea posible) que estas nuevas tecnologías son “estables”?, en este caso, ¿de que se alimentan esas bacterias?, ¿donde estarían confinadas?, ¿que pasaría si se “esparcieran” (fueran al “retrete”, etc…)?, ¿todos los subproductos están controlados?, …

    Siempre me asalta esta duda, porque no dejo de oir que tal o cual cosa sería fantástica para la naturaleza, pero nunca se aclara que realmente el ciclo es “correctamente y globalmente cerrado” (tal y como empezamos termina, no dejando “efectos colaterales”).

    • Carlus

      Parece ser que la bacteria realiza la fotosíntesis de día, y fija el nitrógeno del aire en amoníaco por la noche, dos procesos muy comunes en la naturaleza. El hidrogeno se genera como subproducto al fijar el nitrógeno. Los CFC reaccionan en las capas altas de la atmósfera en contacto con la radiación solar, generándose productos que catalizan la descomposición del Ozono. Es decir, poca cantidad de CFC destruye una gran cantidad del poco Ozono que hay. Es decir, un cúmulo de fatalidades. Lo del CO2 y el efecto hivernadero es cierto, pero hay mucho alarmismo, el vapor de H2O genera muchísimo mas efecto hivernadero. Con H2 barato, no solo tendríamos energía limpia, también naves aerostáticas, etc, etc… No hay que tener tanto pánico al progreso.

      • jurl

        El hidrógeno nunca será barato, y ni de coña a los precios que tiene ahora el petróleo, no siendo que finalmente se consiga la fusión nuclear o bien tenga razón Larin y haciendo un pozo de 50 km nos salga el hidrógeno a chorros, y sigamos montados en el despilfarro actual. Hay una cosa que no se acaba de entender, es que el hidrógeno es un paso intermedio de almacenamiento de energía, y los combustibles fósiles es simplemente saquear la naturaleza a precio de explotación (es una energía acumulada a lo largo de eones, literalmente, que la estamos fundiendo en chorradas).

        Sintetizar el hidrógeno molecular y después simplemente quemarlo, produce una pérdida de energía brutal, convirtiendo todo el proceso en muy desaconsejable. Es mejor usar la electricidad directamente si es posible, lo que pasa es que vehículos autónomos que no pueden volar ni acumulando electricidad ni desconectados de una red (p.ej. aviones) tendrán que volar con algún tipo de combustible químico. Por lo demás, otro mito muy avanzado es la sustitución. Simplemente, no tenemos tiempo material de sustituir todos los vehículos por este tipo de tecnología (la IAE ya reconoció, al fin, que el pico de Hubbert se alcanzó en 2006), por tanto, a corto y medio plazo tendremos que arreglarnos con una optimización y un brutal recorte del consumo de combustibles fósiles, al tiempo que habrá que quemar hasta carbón.

        El progreso es en gran parte un mito, y desde luego, un artefacto de 1,5 toneladas para moverse en distancias de pocos kilómetros 1-2 personas, eso no es progreso en ninguna definición que se le quiera dar.

        • Carlus

          Pico de Hubbert=(mas o menos)Punto a partir del cual extraer petróleo requiere mas energía que la obtenida con el crudo extraído.
          En un solo pozo está muy claro, a nivel mundial es mas confuso. El 2010 es una fecha teórica. Pero bueno, de acuerdo, algún día llegará.
          Los pesticidas y fertilizantes tienen al petróleo como ingrediente básico.
          (De momento, que todavía es relativamente barato). La maquinaria agrícola requiere petróleo. Una disminución del crudo puede revertir en una reducción de los suministros de alimentos y su encarecimiento.
          Tampoco es muy tranquilizador. Me dejé llevar por la euforia de la noticia sin leer detenidamente los cálculos.

          • jurl

            El informe es mundial, está en muchos blogs incluso en castellano (palabras clave, “oil crash”, “crisis energética”, etc.). En el mundo hay como unos 1.000 millones de vehículos terrestres a motor que funcionan con petróleo, todos ellos. Incluso con tasas de fabricación (en este caso, sustitución) digamos, del doble de las más altas que nunca hayan existido, nos ponemos en que sustituir el parque nos lleva tranquilamente mínimo 20 años, empezando ya (je), y no sólo cada vez se produce menos petróleo, es que los productores cada vez consumen más de su propio petróleo agudizando la curva de descenso (último caso: Indonesia abandona la OPEP porque se come casi todo lo que extrae, o el Reino Unido que cada vez traga más de su propio petróleo).

            La ciencia hace milagros, pero esto es demasié. Normalmente la ciencia puede con todo menos con nuestra estupidez :P Esto es otro debate, pero tiene que ir sabiéndose porque, como muy bien dices, entre tener calefacción en invierno o que la producción agrícola mundial se colapse al 50%, y tener cochecitos y despilfarrar en chorradas, creo que la elección es obvia.

  5. Quemar hidrogeno con el oxigeno atmosferico, ademas de producir energia limpia tiene un subproducto que es agua purisima, que problema ecologico puede causar??
    Digo yo, por que no producir hidrogeno por medio de la electrolisis, solo hace falta agua y electricidad, esta ultima se podria producir en grandes cantidades y sin mermar ningun recurso natural, por medio de turbinas eolicas.

    Tenemos una zona poco habitada y explotada, que se llama PATAGONIA, donde los vientos son mas constantes y de mayor magnitud, que en ningun otro lugar del mundo, por que inventar cosas tan complejas, habiendo mas simples realizables e interminables, como el viento…..

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