La riduzione delle emissioni di carbonio per prevenire il cambiamento climatico richiede lo sviluppo di nuove tecnologie per la produzione di biocarburanti sostenibile e rinnovabile. L'idrogeno molecolare è considerato uno dei vettori energetici più promettenti grazie alla sua elevata densità di energia e alla pulizia, uso senza carbonio. Un gruppo di ricerca dell'Università di Turku, Finlandia, ha scoperto un modo efficiente per trasformare l'energia solare nell'energia chimica del bioidrogeno attraverso la fotosintesi delle alghe verdi che funzionano come fabbriche di cellule.

Durante la fotosintesi, le alghe verdi utilizzano l'energia solare raccolta per dividere l'acqua, rilasciare ossigeno nell'atmosfera e produrre biomassa che funge da eccellente materia prima nella bioraffineria blu.

Le alghe verdi sono anche biocatalizzatori efficienti e possono trasformare l'energia solare e l'anidride carbonica direttamente in diversi composti preziosi, come vitamine, antiossidanti, polimeri, e carboidrati.

"Quando le cellule algali vengono prima incubate in condizioni anaerobiche al buio e poi esposte alla luce, iniziano a produrre idrogeno in modo efficiente, ma purtroppo solo per pochi secondi, " dice il capo del gruppo di ricerca, Yagut Allahverdiyeva-Rinne, Professore Associato di Biologia Molecolare Vegetale presso l'Università di Turku.

I ricercatori hanno già creduto per decenni che il principale ostacolo alla produzione di idrogeno a lungo termine nelle alghe alla luce sia la distruzione dell'enzima idrogenasi, un elemento chiave in questo processo, che è causato dall'ossigeno.

"Poiché le alghe rilasciano costantemente ossigeno durante la loro fotosintesi che avviene contemporaneamente alla produzione di idrogeno, il mantenimento delle condizioni anaerobiche nelle colture illuminate è stato particolarmente problematico, " afferma il ricercatore senior Sergey Kosourov, un membro del gruppo di ricerca.

Metodo nuovo ed ecologicamente sostenibile per produrre bioidrogeno

I ricercatori dell'Università di Turku hanno deciso di applicare le conoscenze ricavate dalla ricerca di base sulla fotosintesi delle alghe e hanno stabilito un nuovo metodo per produrre idrogeno che non espone le alghe verdi a ulteriori carenze nutrizionali e, così, senza applicare alcuno stress significativo alle cellule.

I ricercatori hanno dimostrato che la produzione di idrogeno potrebbe essere notevolmente estesa semplicemente esponendo le colture di alghe anaerobiche a un treno di impulsi luminosi forti ma brevi, che sono interrotti da periodi bui più lunghi.

"A queste condizioni, le colture di alghe esposte alla luce solare non accumulano ossigeno nel mezzo. Inoltre, le alghe guidano gli elettroni risultanti dalla decomposizione dell'acqua e caricati dalla luce solare nella produzione di idrogeno invece dell'accumulo di biomassa. Il processo dura per, almeno, diversi giorni e il tasso massimo di produzione di idrogeno si verifica durante le prime otto ore, " dice Kosourov.

La ricerca ha indicato chiaramente che uno dei principali ostacoli alla produzione efficiente di idrogeno non è l'ossigeno, ma una forte competizione tra due vie metaboliche:la fissazione dell'anidride carbonica che porta all'accumulo di biomassa e l'enzima idrogenasi che catalizza la fotoproduzione dell'idrogeno.

"Lo studio apre nuove possibilità per la costruzione di efficienti fabbriche di cellule viventi per la produzione di biocarburanti e diverse sostanze chimiche direttamente dalla luce solare, anidride carbonica e acqua. La ricerca fornisce importanti informazioni su come evitare di "sprecare" energia solare nella produzione di biomassa e su come utilizzare questa energia direttamente per la produzione di bioprodotti utili, " dice Allahverdiyeva-Rinne.

Il nuovo metodo sviluppato dai ricercatori è prezioso sia per la ricerca di base della fotosintesi delle alghe sia per il lavoro di ricerca e sviluppo del settore industriale nella produzione di nuove tecnologie per la produzione su larga scala di biocarburanti carbon neutral.