Hai buttato qualcosa di prezioso nel water oggi.

I composti organici nelle acque reflue domestiche e nelle acque reflue industriali sono una ricca fonte potenziale di energia, bioplastiche e persino proteine ​​per l'alimentazione animale, ma senza un metodo di estrazione efficiente, gli impianti di trattamento li scartano come contaminanti. Ora i ricercatori hanno trovato una soluzione ecologica e conveniente.

Pubblicato in Frontiere nella ricerca energetica , il loro studio è il primo a dimostrare che i batteri fototrofi viola, che possono immagazzinare energia dalla luce, quando alimentati con una corrente elettrica possono recuperare quasi il 100% di carbonio da qualsiasi tipo di rifiuto organico, mentre si genera gas idrogeno per la produzione di elettricità.

"Uno dei problemi più importanti degli attuali impianti di trattamento delle acque reflue sono le elevate emissioni di carbonio, " dice il co-autore Dr. Daniel Puyol della King Juan Carlos University, Spagna. "Il nostro processo di bioraffineria a base di luce potrebbe fornire un mezzo per raccogliere energia verde dalle acque reflue, a zero emissioni di carbonio".

Batteri fotosintetici viola

Quando si tratta di fotosintesi, i maiali verdi alla ribalta. Ma mentre la clorofilla si ritira dal fogliame autunnale, lascia il suo giallo, cugini arancioni e rossi. Infatti, i pigmenti fotosintetici sono disponibili in tutti i tipi di colori e in tutti i tipi di organismi.

Cue batteri fototrofi viola. Catturano l'energia dalla luce solare utilizzando una varietà di pigmenti, che le trasformano in sfumature d'arancio, rosso o marrone, oltre che viola. Ma è la versatilità del loro metabolismo, non il loro colore, che li rende così interessanti per gli scienziati.

"I batteri fototrofi viola sono uno strumento ideale per il recupero delle risorse dai rifiuti organici, grazie al loro metabolismo altamente diversificato, " spiega Puyol.

I batteri possono utilizzare molecole organiche e gas azoto, invece di CO2 e H2O, per fornire carbonio, elettroni e azoto per la fotosintesi. Ciò significa che crescono più velocemente dei batteri e delle alghe fototrofi alternativi, e può generare gas idrogeno, proteine ​​o un tipo di poliestere biodegradabile come sottoprodotti del metabolismo.

Sintonizzare la produzione metabolica con l'elettricità

Quale prodotto metabolico predomina dipende dalle condizioni ambientali dei batteri, come l'intensità della luce, temperatura, e i tipi di sostanze organiche e nutrienti disponibili.

"Il nostro gruppo manipola queste condizioni per adattare il metabolismo dei batteri viola a diverse applicazioni, a seconda della fonte dei rifiuti organici e delle esigenze del mercato, " afferma il co-autore Professor Abraham Esteve-Núñez dell'Università di Alcalá, Spagna.

"Ma ciò che rende unico il nostro approccio è l'uso di una corrente elettrica esterna per ottimizzare la produzione di batteri viola".

Questo concetto, noto come "sistema bioelettrochimico", funziona perché le diverse vie metaboliche nei batteri viola sono collegate da una valuta comune:gli elettroni. Per esempio, è necessaria una fornitura di elettroni per catturare l'energia luminosa, mentre trasformando l'azoto in ammoniaca si liberano gli elettroni in eccesso, che deve essere dissipato. Ottimizzando il flusso di elettroni all'interno dei batteri, una corrente elettrica, fornita tramite elettrodi positivi e negativi, come in una batteria, può delimitare questi processi e massimizzare la velocità di sintesi.

Biocarburante massimo, impronta di carbonio minima

Nel loro ultimo studio, il gruppo ha analizzato le condizioni ottimali per massimizzare la produzione di idrogeno da parte di una miscela di specie di batteri fototrofi viola. Hanno anche testato l'effetto di una corrente negativa, cioè elettroni forniti da elettrodi metallici nel mezzo di crescita, sul comportamento metabolico dei batteri.

La loro prima scoperta chiave è stata che la miscela di nutrienti che ha alimentato il più alto tasso di produzione di idrogeno ha anche ridotto al minimo la produzione di CO2.

"Ciò dimostra che i batteri viola possono essere utilizzati per recuperare prezioso biocarburante da sostanze organiche che si trovano tipicamente nelle acque reflue - acido malico e glutammato di sodio - con una bassa impronta di carbonio, " riferisce Esteve-Núñez.

Ancora più sorprendenti sono stati i risultati utilizzando gli elettrodi, che ha dimostrato per la prima volta che i batteri viola sono in grado di utilizzare gli elettroni di un elettrodo negativo o "catodo" per catturare la CO2 tramite la fotosintesi.

"Le registrazioni del nostro sistema bioelettrochimico hanno mostrato una chiara interazione tra i batteri viola e gli elettrodi:la polarizzazione negativa dell'elettrodo ha causato un consumo rilevabile di elettroni, associato a una riduzione della produzione di anidride carbonica.

"Questo indica che i batteri viola stavano usando gli elettroni del catodo per catturare più carbonio dai composti organici tramite la fotosintesi, quindi meno viene rilasciato come CO2."

Verso sistemi bioelettrochimici per la produzione di idrogeno

Secondo gli autori, questo è stato il primo uso segnalato di colture miste di batteri viola in un sistema bioelettrochimico e la prima dimostrazione di qualsiasi metabolismo di spostamento dei fototrofi a causa dell'interazione con un catodo.

Catturare la CO2 in eccesso prodotta dai batteri viola potrebbe essere utile non solo per ridurre le emissioni di carbonio, ma anche per la raffinazione del biogas da rifiuti organici da utilizzare come combustibile.

Però, Puyol ammette che il vero obiettivo del gruppo è più avanti.

"Uno degli obiettivi originali dello studio era aumentare la produzione di bioidrogeno donando elettroni dal catodo al metabolismo dei batteri viola. Tuttavia, sembra che i batteri PPB preferiscano utilizzare questi elettroni per fissare la CO2 invece di creare H2.

"Abbiamo recentemente ottenuto finanziamenti per perseguire questo obiettivo con ulteriori ricerche, e lavorerà su questo per gli anni successivi. Resta sintonizzato per una maggiore sintonizzazione metabolica."