Un acercamiento a las bacterias fototróficas púrpura

Tratamiento de aguas y economía circular

Desde la década de los 60 ha aumentado la preocupación por el medio ambiente debido a la degradación de la biosfera y sus efectos sobre el ser humano. El agua engloba una de las principales preocupaciones tanto por su escasez y la desigualdad de acceso como por la pérdida de su calidad 1. Anualmente, más de 1.000 millones de toneladas de aguas residuales son vertidas a ríos, lagos, océanos y aguas subterráneas provocando su contaminación con sólidos en suspensión, materia orgánica biodegradable, sustancias refractarias, sólidos inorgánicos, metales pesados, patógenos y otros productos químicos, entre otros.

Habitualmente, los tratamientos de depuración de aguas son diseñados en función de las características físico-químicas, la composición y los caudales del agua a tratar buscando reducir los valores de contaminación hasta alcanzar las exigencias de calidad de efluentes por parte de la legislación. En los últimos años se ha extendido la idea de la llamada economía circular, concepto que mezcla la economía y la sostenibilidad y que pretende obtener el máximo valor posible de los recursos, materiales y procesos, reduciendo al mínimo la producción de desechos/contaminación 2. Desde el punto de vista del agua, este concepto se lleva a la práctica en la posibilidad de regenerar el agua para ser utilizada de nuevo. Hay que tener en cuenta que la economía circular en el agua pretende no solo reducir al máximo la contaminación presente en las aguas residuales, sino que también recuperar los recursos valiosos presentes en ella 3. El tratamiento biológico de aguas residuales es el que se muestra más efectivo para llevar a cabo esta labor 4. Entre los recursos que se pueden extraer del agua residual podemos encontrar energía (biogás en el tratamiento de fangos y aguas residuales, calor, bioelectroquímica), fertilizantes (compost, estruvita) y otros productos como los bioplásticos, o la biorrefinería de algas 5,6.

Bacterias fototróficas púrpura

Las bacterias fototróficas púrpura (Purple Phototrophic bacteria, PPB) son un grupo de microorganismos fotosintéticos anaerobios que habitan en ambientes acuáticos y terrestres. Su nombre proviene de la presencia en su interior de bacterioclorofilas y carotenoides que le dotan una coloración púrpura-rojiza. Estas bacterias son procariotas gramnegativos fotosintéticos capaces de convertir la energía luminosa en energía química mediante el proceso de fotosíntesis en ausencia de oxígeno 7. Estos organismos utilizan pigmentos de bacterioclorofila para obtener energía a partir de longitudes de onda diferentes a las que utilizan los organismos fotosintéticos oxigenados, pudiendo ser competitivamente superiores en ambientes anoxigénicos.

jpara ser utilizadas en periodos desfavorables como fuente de energía y carbono 8. Esta capacidad de acumular reservas intracelulares, junto con la adaptación exitosa de las bacterias a condiciones exigentes, hacen a las bacterias fototróficas púrpura como una solución al problema al creciente volumen de corriente de desechos. Los bioproductos típicos que se obtienen de PPB incluyen hidrógeno, proteínas unicelulares, fertilizantes y otros productos de alto valor agregado como polihidroxialcanoatos (PHA), coenzima Q10 y ácido 5-aminolevulínico 9. Sin embargo, el escalado de la tecnología sigue siendo un campo sin explotar, lo que dificulta su despliegue industrial 10.

Polihidroxialcanoatos (PHA)

Desde mediados del siglo XX el plástico se ha convertido en un elemento indispensable en la vida cotidiana de las personas debido a su multitud de aplicaciones. Sin embargo, mientras que la descomposición de los residuos orgánicos es de tres semanas, los plásticos sintéticos pueden tardar más de 500 años. Una de las soluciones planteadas es su sustitución por polímeros de origen biológico. Los polihidroxialcanoatos (PHA) son biopolímeros lineales, formados por la acumulación de carbono, sintetizados por algunos microorganismos que, al extraerse de las células, presentan propiedades termo-mecánicas similares a la de los plásticos 11. La producción de PHA por parte de las bacterias fototróficas púrpura se realiza mediante reacciones de reducción consecutivas que involucran a la enzima PHA polimerasa 12. Esta acumulación en forma de material de reserva ocurre por el exceso de sustrato cuando el crecimiento es limitado por la falta de algún nutriente (nitrógeno, fosforo o azufre) 8,13. La acumulación de este polímero cesa cuando su contenido ocupa el 80% del peso celular seco. Es por esto que presentan una restricción física independiente a la disponibilidad de sustrato y a la actividad de la enzima PHA polimerasa 11. Los PHA tienen características físicas similares a los petroplásticos (polipropileno y polietileno) con la ventaja de que pueden ser degradados biológicamente y no causan efectos tóxicos 11. Sin embargo, el coste elevado de producir PHA en comparación con otros biopolímeros ha restringido su uso a aplicaciones de alto valor como puede ser en los sectores médicos y farmacéuticos. Para mejorar la rentabilidad del proceso global de producción de PHA se ha planteado la estrategia de usar bacterias fototróficas púrpura, en las que se obtiene hidrogeno como subproducto en la producción de polihidroxialcanoatos 12.

Bibliografía

1. Carrascal, O. N. Representación social del agua y de sus usos. Psicol. desde el Caribe Rev. del Programa Piscología la Univ. del Norte 222–236 (2004).
2. Cerdá, E. & Khalilova, A. Economía Circular, Estrategia y Competitividad Empresarial. Econ. Circ. 401 (2015).
3. Casiano Flores, C., Bressers, H., Gutierrez, C. & de Boer, C. Towards circular economy – a wastewater treatment perspective, the Presa Guadalupe case. Manag. Res. Rev. 41, 554–571 (2018).
4. Puyol, D., Barry, E. M., Hülsen, T. & Batstone, D. J. A mechanistic model for anaerobic phototrophs in domestic wastewater applications: Photo-anaerobic model (PAnM). Water Res. 116, 241–253 (2017).
5. Lema, J. M. & Suarez, S. Innovative Wastewater Treatment & Resource Recovery Technologies: Impacts on Energy, Economy and Environment. Water Intell. Online 16, 283–466 (2017).
6. Abma, W. R., Driessen, W., Haarhuis, R. & Van Loosdrecht, M. C. M. Upgrading of sewage treatment plant by sustainable and cost-effective separate treatment of industrial wastewater. Water Sci. Technol. 61, 1715–1722 (2010).
7. Madigan, M. T. & Jung, D. O. An Overview of Purple Bacteria: Systematics, Physiology, and Habitats. in 1–15 (Springer, Dordrecht, 2009). doi:10.1007/978-1-4020-8815-5_1.
8. Allegue, L. D., Puyol, D. & Melero, J. A. Novel approach for the treatment of the organic fraction of municipal solid waste: Coupling thermal hydrolysis with anaerobic digestion and photo-fermentation. Sci. Total Environ. 714, 136845 (2020).
9. Capson-Tojo, G. et al. Purple phototrophic bacteria for resource recovery: Challenges and opportunities. Biotechnology Advances vol. 43 107567 (2020).
10. Fradinho, J. et al. Up-scale challenges on biopolymer production from waste streams by Purple Phototrophic Bacteria mixed cultures: A critical review. Bioresource Technology vol. 327 124820 (2021).
11. García, Y. G. et al. Síntesis y biodegradación de polihidroxialcanoatos: Plásticos de origen microbiano. Rev. Introd. a la Contam. Ambient. 29, 77–115 (2013).
12. Almeida, J. R. et al. Polyhydroxyalkanoates production from fermented domestic wastewater using phototrophic mixed cultures. Water Res. 197, 117101 (2021).
13. Batstone, D. J., Hülsen, T., Mehta, C. M. & Keller, J. Platforms for energy and nutrient recovery from domestic wastewater: A review. Chemosphere 140, 2–11 (2015).