Microalgas: productoras y remediadoras de combustibles
Las microalgas podrían ser la clave para un futuro energético más sostenible; no solo producen oxígeno y carbono orgánico, sino que también son excelentes para limpiar el medio ambiente.
Por José Lázaro Francés Mesa y Nayeris Brito Espinosa, estudiantes de la Facultad de Biología de la Universidad de La Habana
La acumulación de gases de efecto invernadero en los últimos años por la utilización de combustibles convencionales ha provocado efectos nocivos en el presente, como el aumento de las temperaturas y del nivel del mar, y continuará en el futuro cercano. Según la encuesta del IPCC (Panel Intergubernamental del Cambio Climático), el uso de combustibles fósiles en la generación de calor y electricidad y también para la transferencia representa el 14 por ciento y el 25 por ciento de todas las emisiones de gases de efecto invernadero (Ahamed & Anwar, 2022).
La demanda global de energía está experimentando una aceleración notable. En la actualidad, el consumo energético mundial humano se cifra en torno a los 15 teravatios (TW) y se proyecta que alcance los 23,4 TW para el año 2030. La preponderancia de esta demanda se satisface mediante el uso de combustibles fósiles, cuyas reservas están disminuyendo a un ritmo alarmante.
Esta situación no solo representa una amenaza para la viabilidad de las fuentes de energía sostenibles, sino que también conlleva consecuencias negativas para el medio ambiente y la economía a nivel mundial. Específicamente, la quema de combustibles fósiles resulta en la emisión de gases de efecto invernadero, y la elevada cotización de estos combustibles está teniendo un impacto adverso en la economía global (Chaudhari, 2016).
El uso de diversos microorganismos para producir fuentes renovables de energía a partir de biomasa y desechos biológicos puede disminuir esta amenazante preocupación.
Un grupo microbiano de interés por las múltiples ventajas que ofrece son las microalgas, también conocidas como cianobacterias o algas verdeazuladas, organismos unicelulares o multicelulares que crecen gracias a la fotosíntesis, proceso en el cual se combinan agua (H2O) y dióxido de carbono (CO2) para formar carbohidratos (azúcares) y dioxígeno (O2). Estas contribuyen a la mitad de la actividad fotosintética global, la cual comprende la producción del oxígeno que respiramos. Este grupo de microorganismos es atractivo porque se pueden obtener diversos productos a partir de ellos, como biocombustibles, aditivos alimentarios y productos farmacéuticos.
Cada año, la fotosíntesis en algas produce ~ 52 mil millones de toneladas de carbono orgánico. La capacidad de producir compuestos de carbono ricos en energía empleando la energía solar convierte a las microalgas en una fuente prometedora de energía renovable. Además, los biocombustibles derivados de hidrocarburos son más factibles en cuanto a su capacidad de integrarse en las infraestructuras petroleras existentes actualmente.
Las microalgas son potenciales fuentes de energía y químicos de valor agregado, por lo que se han clasificado dentro de la categoría de ‘biocombustibles de tercera generación’. Presentan una serie de ventajas significativas en comparación con las fuentes convencionales de biocombustibles, tales como su diminuto tamaño, su capacidad para proliferar rápidamente y su elevada productividad. Tienen la habilidad de desarrollarse en terrenos que no son aptos para la agricultura y su genoma puede ser modificado con relativa facilidad. Estas características posicionan a las microalgas como una alternativa prometedora frente a los biocombustibles tradicionales. En términos de producción, las microalgas son capaces de generar una diversidad de compuestos de carbono con alta densidad energética, incluyendo bioetanol, lípidos, hidrocarburos, biohidrógeno y biometano (Ennaceria et al., 2023).
Las microalgas ofrecen ventajas en cuanto a biocombustibles y bioprocesos, incluyendo (1) su capacidad de reducir y mitigar las emisiones de CO2, y (2) su adaptabilidad para cultivarse en tierras áridas o desérticas.
Desde otro punto de vista, en los últimos años varios estudios han demostrado la eficacia de estas en la eliminación de metales pesados de las aguas residuales. Los diversos mecanismos involucrados en este proceso de biorremediación de metales pesados mediante microalgas han sido bien documentados en revisiones recientes (Akubude et al., 2022).
Las técnicas de biorremediación se usan para degradar sustancias químicas peligrosas, metales pesados, desechos industriales y otros contaminantes ambientales. Se ha informado sobre el uso de consorcios microbianos para tratar pesticidas en suelos y su ampliación a biorreactores. Los metales pesados de las curtiembres (proceso de preservación de las pieles de los animales mediante tratamiento químico) pueden causar problemas de salud y daños a los ecosistemas acuáticos, pero pueden remediarse mediante tecnología de biorremediación. Asimismo, los derrames de petróleo en el agua pueden ser tratados utilizando microorganismos a través de dichas técnicas (Patil et al., 2019).
Estas especies microbianas se emplean para tratar diversos contaminantes tóxicos, ya sea en su forma original o genéticamente modificadas. Estos microbios pueden degradar por completo los contaminantes o ayudar a alterar su estructura química, lo que permite que el medio ambiente quede libre de dichos compuestos. En el caso del tratamiento de pesticidas, los microbios los utilizan como única fuente de carbono y nutrientes (Patel et al., 2022).
Además de su potencial natural, existen formas de amplificar la eficiencia de la biorremediación, como la biotecnología, en especial la ingeniería genética, para contribuir a la calidad de vida humana y de la biofera en general. Por ejemplo, para una eliminación eficaz y ecológica de los residuos de pesticidas en áreas contaminadas, es necesario introducir plásmidos (vehículos de información genética utilizados en biotecnología para transformar microorganismos) construidos con genes que confieran la capacidad de degradar pesticidas junto con microorganismos naturales o de cultivo (Patel et al., 2022).
Debido a que las algas obtienen su energía para la síntesis de la luz solar, no necesitan digerir sustancias orgánicas como lo hacen las bacterias y los hongos. Los componentes inorgánicos de los desechos, incluidos el amoníaco, el dióxido de carbono, el fosfato, el magnesio, el potasio, el hierro, el calcio, los sulfatos, el sodio y otros iones, son utilizados predominantemente por las algas para producir algunas de sus estructuras celulares.
Debido a que las algas y las bacterias no necesitan los mismos componentes de desecho, es posible que coexistan. Las bacterias descomponen los compuestos orgánicos de los residuos y liberan algunos de los componentes inorgánicos que necesitan las algas; esto ha favorecido que se empleen asociaciones o consorcios de algas y bacterias para optimizar los procesos de biorremediación y su eficiencia (Kaura et al., 2023).
Con el avance de la tecnología y la informática se han potenciado las técnicas y los estudios de biorremediación. La metagenómica es un nuevo campo de la genómica (estudio de toda la información genética de un organismo) que utiliza diversas técnicas para caracterizar los microbiomas, comunidades de microorganismos que existen en un entorno en particular, en muestras ambientales y descifrar los genomas de la biota microbiana no cultivada, dado que muchos de estos microbios son difíciles de aislar y cultivar. Así se revela la diversificación de grupos taxonómicos, genes relevantes y otros datos de interés para perfeccionar los métodos de biorremediación.
La metagenómica se muestra como una de las herramientas más eficaces para explorar la diversidad microbiana de un nicho (función que ejerce cada especie en un ecosistema determinado) en particular. No obstante, falta mucho por explorar dentro de este campo, desde la enorme variedad de microorganismos hasta las peculiaridades del proceso de biorremediación, los factores que influyen en él y la aplicación de los conocimientos más recientes a esta rama de la biología que nos ofrece la invaluable oportunidad de revertir un poco, o quizás más que eso, el daño que se le ha causado al planeta del que todos formamos parte.
Bibliografía
- Ahamed M. I., Anwar, N. (2022). Applications of Microbes in Fuel Generation. Inamuddin, M. I. Ahamed, R. Prasad (Eds). Application of Microbes in Environmental and Microbial Biotechnology (pp. 711-736). Environmental and Microbial Biotechnology.
- Akubude, V. C., Ajala, E. O., Nzediegwu, C. (2022). Co-functional Activity of Microalgae: Biological Wastewater Treatment and Bio-fuel Production. Environmental and Microbial Biotechnology, https://doi.org/10.1007/978-981-16-2225-0_13
- Chaudhari, S. (2016). Systematic metabolic characterization of hydrocarbon and exo-polysaccharide producing microalga Botryococcus braunii. [Doctoral dissertation, Bielefeld University]
- Ennaceria, H., et al. (2023). Progress of non-destructive hydrocarbon extraction technology of Botryococcus braunii. Algal Research, Vol.73.
- Kaura, S., Mathur, A., & Kalra, A. (2023). Bacteria and pollutants. En Modern Approaches in Waste Bioremediation (pp. 339–364). Springer International Publishing. https://doi.org/10.1007/978-3-031-24086-7_16
- Patel, N., Chaudhary, V. K., Patel A., Singh, A., Srivastav, A. L., Rai, D. (2022). Application of Microbes in Bioremediation of Pesticides. Environmental and Microbial Biotechnology, https://doi.org/10.1007/978-981-16-2225-0_19
- Patil, M. P., Jobanputra, A. H., Verma, D. K., Srivastaba, S., Dwividi, A., K. (2019). BIOREMEDIATION OF PESTICIDES: AN ECO-FRIENDLY APPROACH FOR A CLEAN ENVIRONMENT. MICROBIOLOGY OF AQUEOUS ENVIRONMENTS: INTERACTIONS, EFFECTS, AND HOMEOSTASIS. En Kumar Verma, D., MICROBIOLOGY FOR SUSTAINABLE AGRICULTURE, SOIL HEALTH, AND ENVIRONMENTAL PROTECTION (pp. 341-389). Apple Academic Press Inc.
