En México muchos investigadores han estudiado la producción de biogás y mencionan que generarlo es una de las mejores maneras de obtener energía sin hacerle daño al planeta. Además la producción de biogás en México es la más importante en América Latina. Su producción se realiza mediante biodigestores (contenedores cerrados que actúan como reactores herméticos e impermeables) tipo bolsa, que utilizan como materia prima estiércol de granjas bovinas y porcinas (Lozanovski et al., 2014; Börjesson et al., 2015) (Fig. 1). Además, cuando hacemos biogás, también se obtiene un residuo que es como un biofertilizante natural para las plantas, sin necesidad de usar productos químicos dañinos (Nkoa, 2014).
El biogás es un tipo de gas rico en metano (gas invisible e inodoro que se presenta de manera natural y está compuesto por carbono e hidrógeno), es como una súper pila de energía creada a partir de cosas como restos de comida o residuos orgánicos, sin necesidad de oxígeno. La naturaleza produce oxígeno, pero también podemos producirlo para tener energía en casa o en la industria. Esto es porque ofrece soluciones de energía flexibles y respetuosas con el ambiente, especialmente en lugares donde no hay muchas opciones avanzadas (Lozanovski et al., 2014).
A diferencia de otros métodos para hacer metano, la generación de biogás resulta en una mayor producción de metano. Para crearlo, la forma más común es mediante algo llamado “digestión anaeróbica”, que es como un proceso de cocina natural, pero con microorganismos que ayudan a hacer el gas (Lan et al., 2015). El biogás no es solo un gas: es una alternativa como energía renovable. Puede reemplazar a los combustibles que dañan el planeta para hacer electricidad y calor; también puede reemplazar al gas natural en hacer cosas útiles como productos químicos (Vanholme et al., 2013).
Para producir biogás se debe llevar a cabo la digestión anaeróbica de materia orgánica, que es un proceso microbiológico que implica la colaboración de diferentes grupos de microorganismos, como bacterias y arqueas, así como la posible participación de hongos. Juntos, forman una comunidad microbiana que convierte grandes moléculas orgánicas en componentes más pequeños y, finalmente, en metano, el componente principal del biogás.
Este proceso se divide en cuatro etapas esenciales: hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis (Fig. 2). En las primeras etapas, los polímeros (lípidos, proteínas, carbohidratos, etcétera.) se descomponen en monómeros solubles, que luego son convertidos en ácidos grasos, alcoholes, hidrógeno y dióxido de carbono a través de reacciones de fermentación. En el siguiente paso, estos productos se descomponen aún más, generando hidrógeno, dióxido de carbono y acetato, mediante oxidación anaeróbica gracias a los acetógenos sintróficos (bacterias) reductores de protones. Finalmente, estos compuestos son utilizados por los metanógenos (bacterias o arqueas) para producir biogás.
En las etapas de hidrólisis y acidogénesis (1), los desechos orgánicos complejos se descomponen en partes más simples. La hidrólisis, como un proceso clave, implica la acción de enzimas (celulasas, amilasas, proteasas y lipasas) que transforman los compuestos complejos en moléculas más pequeñas. Este paso, a menudo lento, es especialmente desafiante cuando se utilizan materiales vegetales resistentes o lodos de plantas de tratamiento de aguas residuales.
La degradación de la lignocelulosa (materia seca vegetal), que comprende lignina, celulosa y hemicelulosa, es un desafío adicional debido a su estructura resistente a la degradación microbiana. Aquí, los microorganismos descomponen estos polímeros utilizando sistemas enzimáticos, como los celulosomas, que son complejos enzimáticos especializados en la degradación de la lignocelulosa. Dentro de estos complejos, enzimas como celulasas (endo y exoglucanasas), β-glucosidasas y xilasas catalizan la hidrólisis de la celulosa y hemicelulosa, mientras que lacasas y peroxidasas ligninolíticas participan en la degradación de la lignina (Azam et al., 2015). Durante estas etapas, los productos resultantes se descomponen aún más mediante reacciones de fermentación, produciendo ácidos grasos, alcoholes, hidrógeno y dióxido de carbono. Estos compuestos son utilizados en las etapas posteriores para producir biogás, principalmente metano. Los aminoácidos provenientes de proteínas se degradan mediante varias vías, liberando amoníaco y resultando en productos finales como acetato y dióxido de carbono. Además, los triglicéridos, presentes en grasas y aceites, se descomponen en glicerol y ácidos grasos de cadena larga, que se degradan aun más formando acetato e hidrógeno.
La acetogénesis (2) es un proceso realizado por diversos tipos de bacterias (acetógenos) que reduce el dióxido de carbono a la fracción acetilo de la acetil-coenzima A (CoA) a través de la vía del acetil-CoA, también conocida como vía de Wood-Ljungdahl. Estos acetógenos son versátiles, utilizando diversas fuentes de carbono y aceptores de electrones para su crecimiento, ya sea como autótrofos o heterótrofos. En condiciones heterótrofas, los azúcares se convierten en piruvato (compuesto químico crucial en el proceso de obtención de energía en las células), y a través de varias reacciones, genera dióxido de carbono y electrones.
Estos electrones y el dióxido de carbono se incorporan a la ruta Wood-Ljungdahl (Drake et al., 2008). La ruta de Wood-Ljungdahl es un camino químico que algunas bacterias emplean para convertir el dióxido de carbono (CO2) en compuestos orgánicos, como ácidos grasos o carbohidratos. Es como una fábrica dentro de estas bacterias que les permite crear alimentos a partir del CO2, contribuyendo al ciclo del carbono en la naturaleza. Es un proceso importante en la biología y la ecología microbiana. En términos más sencillos, en la acetogénesis, los microorganismos utilizan diversas fuentes de carbono para producir acetato, que puede servir como fuente de energía o como material para la síntesis de otras moléculas celulares. Este proceso se relaciona con ciclos biogeoquímicos y la producción de metano en ambientes sin oxígeno. La acetogénesis es crucial en la producción de biogás, ya que es responsable de la formación de acetato e hidrógeno, que son utilizados por los metanógenos en etapas posteriores para producir metano.
Un aspecto relevante es la sintrofia, una colaboración simbiótica entre acetógenos (microorganismo que genera acetato como producto final de la respiración anaeróbica o fermentación) y metanógenos (microorganismos que viven en ambientes sin oxígeno y producen metano (CH₄) como parte de su metabolismo) (Morris et al., 2013). En este proceso, los acetógenos generan compuestos como hidrógeno o formiato, a través de la enzima hidrogenasa, que son consumidos por los metanógenos en condiciones termodinámicas desfavorables (por ejemplo, cuando hay muy poco hidrógeno). La eficiencia de esta simbiosis depende de la concentración de sustratos y productos, así como de la proximidad entre las bacterias y los metanógenos. La transferencia de hidrógeno y otros compuestos entre especies, es clave para esta colaboración, y diversos mecanismos, como la transferencia directa de electrones, contribuyen a la eficacia del proceso.
En la metanogénesis (3) los metanógenos o microorganismos metanogénicos son los protagonistas finales en la producción de biogás, completando la cadena alimentaria anaeróbica al convertir productos de etapas anteriores, como hidrógeno y acetato, en metano, el componente principal del biogás (Costa & Leigh., 2014).
Estos microorganismos mantienen bajas concentraciones de productos como hidrógeno y acetato, dirigiendo fermentaciones hacia la formación de hidrógeno, dióxido de carbono y acetato. Se dividen en dos grupos principales: los hidrogenótrofos, que utilizan hidrógeno como fuente de energía, y los metilotrofos, más versátiles, que pueden utilizar diversos sustratos, incluyendo hidrógeno y dióxido de carbono, acetato, metanol y metilaminas, para la producción de metano. Durante la metanogénesis, los metanógenos realizan una serie de reacciones únicas, reduciendo CO2 a metano a través de varios intermediarios, como formilo y metenil-H4MPT. Este proceso es clave para la obtención de energía en ciertos microorganismos (Archaea como Methanosarcina sp.). Aunque su metabolismo único implica enzimas (Acetil-CoA sintetasa, Metiltransferasa, Metil-coenzima M reductasa) y coenzimas especiales (coenzima M (HS-CoM) y B (HS-CoB), los metanógenos generan energía principalmente mediante fuerzas motrices de protones o sodio, ya que no utilizan la fosforilación a nivel de sustrato para la producción de ATP (adenosín trifosfato) (Costa & Leigh, 2014).
En el mundo de las comunidades microbianas en la producción de biogás, observamos cambios dinámicos en la diversidad de especies a corto plazo, pero una estabilidad a largo plazo. Estos cambios están estrechamente ligados a factores operativos como el tipo de sustrato, la temperatura, el tiempo de retención y la carga orgánica.
Varios estudios han explorado las conexiones entre la composición microbiana y el rendimiento del digestor. Sin embargo, hasta ahora, no todos han establecido relaciones consistentes, especialmente en lo que respecta a la producción de metano. A veces se observan cambios significativos en las comunidades bacterianas sin impactar la función del digestor y viceversa. El análisis molecular ha permitido identificar microorganismos específicos relacionados con el rendimiento del digestor, como la producción de metano y la degradación de ácidos grasos. No obstante, en su estudio Rui et al. (2015) revelaron mediante el análisis de 43 biodigestores rurales en China, que este sistema es complejo. Concluyeron que existe una red de correlaciones entre microorganismos, sugiriendo interacciones mutuas y sinérgicas.
En términos generales, los filos Firmicutes (bacterias grampositivas que tienen forma de bacilo y a veces de coco) y Bacteroidetes (bacterias gramnegativas no formadoras de esporas, anaerobias o aeróbicas y con forma de bastoncillo) son dominantes en el proceso de biogás. También aparecen representantes de Proteobacteria (filo importante de bacterias gramnegativas, incluyen una gran variedad de patógenos, tales como Escherichia, Salmonella, Vibrio, Helicobacter) y Chloriflexi (un filo de bacterias filamentosas y grampositivo), aunque en menor cantidad. Otros filos, como Acidobacteria (filo de bacterias gramnegativas), Actinobacteria (filo y clase de bacterias grampositivas) y más, están presentes en niveles más bajos. La variación en estas comunidades está impulsada por la diversidad del sustrato y las condiciones operativas, como el tiempo de retención y la temperatura (Lebuhn et al., 2015; De Vrieze et al., 2015). El nivel de amoníaco (NH3) también afecta significativamente la estructura de la comunidad microbiana.
A pesar de la importancia crítica de los metanógenos en el proceso global de degradación, la literatura ha presentado resultados contradictorios en cuanto a la viabilidad de seguir específicamente este grupo como un indicador del rendimiento del proceso. No obstante, resulta evidente que existen ciertas tendencias generales en relación con su abundancia en reactores que operan en diversas condiciones. La estructura de la comunidad metanogénica, en contraste con la comunidad bacteriana, parece estar influenciada en mayor medida por parámetros operativos tales como la temperatura, el nivel de amoníaco, acetato, entre otros, más que por el tipo de sustrato empleado en la planta de biogás.
En conclusión, el biogás, una fuente de energía rica en metano, se produce mediante la digestión anaeróbica de residuos orgánicos, ofreciendo una alternativa sostenible para la generación de electricidad y calor. En México, la producción de biogás es destacada, utilizando biodigestores tipo bolsa con estiércol de granjas bovinas y porcinas, generando además un fertilizante natural sin productos químicos dañinos. A pesar de cambios a corto plazo en las comunidades microbianas, se observa una estabilidad a largo plazo, influida por factores operativos como el tipo de sustrato y la temperatura. Aunque persisten desafíos en la comprensión de las interacciones microbianas, el biogás emerge como una tecnología prometedora para una transición hacia fuentes de energía más sostenibles.
Referencias
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