Metanogénesis
La metanogénesis es un conjunto de vías metabólicas que producen metano en algunos microorganismos , denominados metanógenos . Se han identificado tales microorganismos que dentro del dominio de Archaea , un grupo de procariotas distintos de las bacterias y eucariotas una vista filogenética , aunque muchas arqueas viven estrechamente asociadas con bacterias anaerobias . La producción de metano es una manifestación importante y generalizada del metabolismo microbiano. A menudo es el último paso en la descomposición de la biomasa , participando así en el proceso más general de metanización .
Algunos estudios realizados a principios del siglo XXI indicarían que las hojas de las plantas vivas también producirían metano, mientras que otras investigaciones preferirían establecer que las plantas liberarían metano a través de las hojas que se absorbía a nivel de las raíces. Es posible que procesos desconocidos produzcan metano en las plantas, pero esto no está probado de ninguna manera.
Bioquímica de la metanogénesis
La metanogénesis microbiana es una forma de respiración anaeróbica , siendo el oxígeno un inhibidor del crecimiento en los metanógenos . En respiración aeróbica , O 2es el aceptor final de electrones y formas de agua ; en el caso de los metanógenos, el aceptor final de electrones es el carbono de pequeñas moléculas orgánicas.
Los organismos metanogénicos se pueden dividir en tres clases según su sustrato: hidrogenótrofos, metilótrofos y acetótrofos.
| Reacciones globales para la metanogénesis | ΔG ° ' [kJ / mol CH 4 ] | Organización |
| Hidrogenotrofo | ||
| CO 2+ 4 H 2→ CH 4+ 2 H 2 O | −135 | la mayoría de los metanógenos |
| 4 HCOOH → CH 4+ 3 CO 2+ 2 H 2 O | −130 | muchos metanógenos hidrogenotróficos |
| CO 2+ 4 CH 3 CHOHCH 3→ CH 4+ 4 CH 3 COCH 3+ 2 H 2 O | −37 | algunos metanógenos hidrogenotróficos |
| 4 CO + 2 H 2 O→ CH 4+ 3 CO 2 | −196 | Methanothermobacter y Methanosarcina |
| Metilotrofo | ||
| 4 CH 3 OH→ 3 CH 4+ CO 2+ 2 H 2 O | −105 | Methanosarcina y otros metanógenos metilotróficos |
| CH 3 OH+ H 2→ CH 4+ H 2 O | −113 | Methanimicrococcus blatticola y Methanosphaera |
| 2 (CH 3 ) 2 S+ 2 H 2 O→ 3 CH 4+ CO 2+ 2 H 2 S | −49 | algunos metanógenos metilotrofos |
| 4 CH 3 NH 2+ 2 H 2 O→ 3 CH 4+ CO 2+ 4 NH 3 | −75 | algunos metanógenos metilotrofos |
| 2 (CH 3 ) 2 NH+ 2 H 2 O→ 3 CH 4+ CO 2+ 2 NH 3 | −73 | algunos metanógenos metilotrofos |
| 4 (CH 3 ) 3 N+ 6 H 2 O→ 9 CH 4+ 3 CO 2+ 4 NH 3 | −74 | algunos metanógenos metilotrofos |
| 4 CH 3 NH 3 Cl+ 2 H 2 O→ 3 CH 4+ CO 2+ 4 NH 4 Cl | −74 | algunos metanógenos metilotrofos |
| Acetotrofo | ||
| CH 3 COOH→ CH 4+ CO 2 | −33 | Methanosarcina y Methanosaeta |
Reducción de dióxido de carbono
La reducción de una molécula de dióxido de carbono en metano se escribe de forma global:
CO 2+ 4 H 2→ CH 4+ 2 H 2 OEsta ruta sintética implica sucesivamente varias enzimas , coenzimas y cofactores en siete pasos principales utilizando hidrógeno como principal donante de electrones, la mayoría de los metanógenos hidrogenotróficos también pueden utilizar el formato como donante de electrones.
- La deshidrogenasa formilmetanofurano ( EC ) cataliza la unión de una molécula de dióxido de carbono CO 2en su cofactor de metanofurano para dar formilmetanofurano . Esta enzima también utiliza el cofactor de molibdeno que contiene molibdeno y molibdopterina . La fuente de electrones es el dihidrógeno que provoca la reducción de la coenzima F 420..
- El formilmetanofurano: tetrahidrometanopterina N-formiltransferasa ( EC ) transfiere el grupo formilo sobre el nitrógeno n o 5 de su coenzima , la tetrahidrometanopterina para formar la formyltétrahidromethanoptérine :
- El grupo formilo luego se condensa dentro de la molécula para dar metenil-THM + .
- El metenil-THM + luego se reduce a metileno-THMPT por metilentetrahidrometanopterina deshidrogenasa ( EC ) con coenzima F420 como fuente de electrones:
- El metilen-THM se convierte luego en metil-THM mediante una metilentetrahidrometanopterina reductasa ( EC ) con la coenzima F420 como fuente de electrones:
- El metil-THM transfiere su metilo a la coenzima M bajo la acción de la tetrahidrometanopterina S-metiltransferasa ( EC ) para regenerar la tetrahidrometanopterina formando metil-coenzima M :
- La metil-coenzima M finalmente reacciona con la coenzima B para dar un heterodisulfuro liberando el metano por la acción de la metil-coenzima M reductasa ( EC )
A continuación, se reduce el compuesto disulfuro usando coenzima F420 para regenerar los dos tioles.
Reducción de ácido acético
La reducción de una molécula de ácido acético en metano se escribe de forma global:
CH 3 COOH→ CH 4+ CO 2.Esta ruta sintética implica sucesivamente varias enzimas , coenzimas y cofactores en cuatro pasos principales.
- Un grupo acetilo se transfiere a la coenzima A a partir de una molécula de etilo para formar la acetil-coenzima A . Esto se puede hacer de dos maneras:
- La acetil-coenzima A sintasa ( EC ) transfiere un grupo metilo de acetil-coenzima A en tetrahidrometanopterina para dar metil THM liberando una molécula de monóxido de carbono que se oxida a dióxido de carbono .
- Metil THM transfiere su metilo a coenzima M bajo la acción de la tetrahidrometanopterina S-metiltransferasa ( EC ) para la regeneración del tetrahidrometanopterina la formación de la metil-coenzima M .
- La metil-coenzima M finalmente reacciona con la coenzima B para dar un heterodisulfuro liberando el metano por la acción de la metil-coenzima M reductasa ( EC ).
A continuación, el compuesto de disulfuro se reduce usando coenzima F420 para regenerar los dos tioles .
Riesgos de inhibir la metanogénesis
Una temperatura demasiado baja o demasiado alta puede inhibir este proceso.
Los microbios responsables de la metanogénesis también son vulnerables a ciertos inhibidores, entre ellos: ciertos antibióticos o biocidas, cationes, metales pesados, sulfatos, amoníaco y ácidos grasos volátiles (cuyos efectos, sin embargo, siguen siendo controvertidos: algunos autores (Aguilar et al., 1995) )) estiman que se necesitarían 10 g / L de cada ácido para tener una inhibición significativa pero según otros como Yuen et al. (1995) estiman que a partir de 3 g / L de AGV se puede inhibir la metanogénesis. de monitorear este parámetro durante la degradación anaeróbica para la estabilidad del proceso (Bolzonella et al., 2003) y en el hecho de que en caso de inhibición de la digestión anaeróbica, se acumulan AGV.
Recuperación industrial
La metanización que busca en particular " convertir " catalíticamente el CO 2 antropogénico en metano explotable está demostrando ser más complejo de lo que se pensaba anteriormente, pero está progresando.
Al mismo tiempo, la I + D universitaria e industrial está explorando más vías biotecnológicas , conocidas como “catálisis microbiana” o biometanización . De forma más o menos biomimética , la biometanización industrial busca inspirarse en procesos habituales en determinados entornos naturales donde determinadas arqueas (grupo de procariotas hoy distinto al de las bacterias) utilizan dióxido de carbono y dihidrógeno abundante en su entorno para producir metano (es una metanogénesis natural, cuyo primer paso es reducir el CO 2). La mayor parte del metano terrestre se produce de esta forma.
Los electrones producidos por la oxidación del hidrógeno no son lo suficientemente energéticos como para reducir espontáneamente el CO 2., Pero durante la evolución algunos grupos de arqueas aprendieron a utilizar metalloenzymatic complejos ( Metil-coenzima M reductasa y la coenzima B ) para producir com-SS-COB y metano por la activación de un medio de los electrones derivados de H 2(en detrimento de la otra mitad).
Wagner y col. mostró (en 2017 en el Journal Science) cómo en algunas arqueas los electrones reciben la oleada de energía necesaria: gracias a la estructura cristalina del complejo metaloenzimático que contiene una cadena de transferencia de electrones en forma de T, que divide el flujo de electrones de un solo donante a dos aceptores (un aceptor debe unirse a un par de nuevos grupos hierro - azufre para reducirse).
Para usos locales, en los países en desarrollo en particular, se intenta producir biorreactores rústicos de diseño y mantenimiento sencillos. Un prototipo reciente combina dos biorreactores sólidos montados en serie unidos por un sistema de suministro y recirculación. Fue capaz de producir hasta 6,35 l de metano por litro de reactor (para un caudal de hidrógeno de 25,2 l / l de reactor), con una fuente simple de nutrientes (residuos orgánicos líquidos), y aceptando un medio de cultivo simple ( vermiculita y granos de perlita en el experimento); la tasa de conversión de hidrógeno fue del 100%, pero el funcionamiento de este tipo de reactor sigue siendo inestable y debe mejorarse.
El principio del lecho fluidizado también se probó (en Alemania en 2015-2017) para un cultivo anaeróbico de arqueas termófilas con el fin de obtener un reactor de biometanización de alto rendimiento no presurizado. El prototipo (con una capacidad de 58,1 litros) fue capaz de producir 5,4 m 3 de CH 4/ (m 3 d) con más del 98% de conversión a CH 4. También mostró la importancia de controlar el pH y los nutrientes para la estabilidad de la producción. En este caso el inóculo original era mesófilo, y rápidamente se adaptó a las condiciones termofílicas del llamado ATBR (por “reactor anaeróbico de lecho percolador ” ). Se demostró que el funcionamiento del reactor es sensible al fenómeno de dilución por el agua metabólica producida por la comunidad microbiana. Este tipo de reactor se puede sembrar (inocular) simplemente con lodos digeridos: su biodiversidad intrínseca los hace capaces de proporcionar una población microbiana que se adaptará bien y rápidamente a las condiciones termofílicas del reactor. En este caso, los autores nunca observaron una biopelícula macroscópica en condiciones termofílicas (incluso después de 313 días de operación). Concluyen que esta tecnología es "muy eficiente" y tiene "un alto potencial de uso como medio de conversión y almacenamiento de energía" .
Recientemente (publicación 2017) también se creó un prototipo y se probó un nuevo tipo de reactor de flujo continuo: contiene una biopelícula microbiana anaeróbica mesófila mixta. El tiempo de residencia es lento pero el sistema es simple. Dentro de los 82 días posteriores al inicio de las pruebas, los rendimientos de conversión (de CO 2en CH 4) de 99% y 90% para caudales de gas totales que fueron respectivamente 100 y 150 v / v / d. Para un caudal de entrada de gas de 230 V / V / D, las tasas de evolución de metano alcanzaron los 40 V / V / D (récord hasta la fecha para "una biometanización por biopelícula fija" , con pocas fuentes de gas. Consumo de energía "parásita" gracias a un nuevo concepto de flujo por tapones alternando fases líquidas (con nutrientes), sólidas (crecimiento de biopelículas) y gaseosas (absorción de CO 2 )) muy diferente del reactor CSTR que también requiere un enfriamiento constante y significativo).
Este trabajo también fue una oportunidad para inventar un tipo de reactor que podría tener otros usos biotecnológicos relacionados.
En 2017, se están realizando esfuerzos para mejorar aún más la eficiencia energética de estas nuevas rutas de biometanización, que podrían, por ejemplo, integrarse en el proceso de tratamiento de aguas residuales.
Notas y referencias
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Ver también
Artículos relacionados
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Bibliografía
- Strübing, D., Huber, B., Lebuhn, M., Drewes, JE y Koch, K. (2017). Metanización biológica de alto rendimiento en un reactor anaeróbico termofílico de lecho percolador. Tecnología de fuentes biológicas, 245, 1176-1183 | resumen .