SEMINARIO EN ENERGÍA DE BIOMASA
Investigación:
BIOFOTOLISIS
Maestra:
I. Q. VERÓNICA ÁVILA VÁZQUEZ
Alumno:
JONATHAN ALBA MORENO
jueves 19/ julio/ 2012
¿QUE ES LA FOTOLISIS?La fotólisis es la ruptura de enlaces químicos por causa de energía radiante. Se llama fotólisis o fotolisis, fotodisociación, o fotodescomposición a la disociación de moléculas orgánicas complejas por efecto de la luz, y se define como la interacción de uno o más fotones con una molécula objetivo. Es el proceso en el que se basa la fotosíntesis.
¿QUE ES LA BIOFOTOLISIS?La biofotolisis consiste en la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno mediante la acción combinada de la luz solar y la capacidad fotosintética de plantas verdes, ciertas bacterias y algas azules.
La investigación del proceso de biofotolisis ha conocido grandes progresos en la última década, en cuanto a la caracterización bioquímica de las algas que son capaces de hacerlo y las condiciones necesarias para que la producción de hidrógeno ocurra, pero falta un largo camino que recorrer para la obtención del alga superproductora y diseño de los adecuados fotobioreactores que permitan alcanzar la realización de un proceso tecnológicamente práctico para que la producción de hidrógeno a partir de luz, agua, dióxido de carbono y algas verdes, se convierta en la mayor fuente biológica de energía renovable, sin emisión de gases con efecto invernadero ni contaminación medio ambiental.
Biofotólisis del Agua
Esquema de la Biofotólisis
La biofotólisis es la foto disociación del agua por microorganismos vivos; es decir, la disociación de agua en hidrógeno y oxígeno utilizando la energía solar y microorganismos fotosintéticos (microalgas verdes y cianobacterias); la reacción global es:
H2O + 2H+ —> H2 + 1/2(O2) + 2H+;G° = 238 kJ/mol.
Los microrganismos capturan la energía de la luz a través de sus clorofilas y pigmentos fotosintéticos. Estos últimos, son los encargados de absorber los fotones (partículas de luz) y generar el poder oxidante (gradiente de protones) capaz de descomponer el agua en protones (H+) y electrones (e-) y oxígeno gaseoso (O2) en el proceso iluminado de biofotólisis directa.
Los electrones producidos generan un gradiente que favorece la reducción de la ferredoxina (Fd) y de otros intermediarios energéticos en la fotosíntesis. Ese poder reductor es utilizado para reducir el CO2 hasta la formación de carbohidratos (almidón en microalgas y glicógeno en cianobacterias) y lípidos (usados para crecimiento celular y como reserva energética y de sustrato); como parte del metabolismocelular de los microrganismos. A partir de estos sustratos metabólicos (metabolitos) los diferentes microrganismos pueden producir hidrógeno (H2) por biofotólisis indirecta.
Los microrganismos generan hidrógeno por dos razones:
1. Para eliminar el exceso de equivalentes reducidos,
2. Como bioproducto de la fijación del nitrógeno.
La producción de H2 mediante biofotólisis (directa o indirecta) depende de la presencia o ausencia de luz. La biofotólisis directa se lleva a cabo bajo una radiación luminosa; en tanto que la indirecta, en la oscuridad.
Biofotólisis Directa
En la biofotólisis directa se eleva el nivel energético de los electrones del agua y enseguida ocurre de manera simultánea, la desintegración del líquido y la transferencia de electrones a la Fd, produciéndose de manera continua H2; no obstante, este no es utilizable como fuente de hidrógeno, ya que, sirve como almacén de una parte de la energía proveniente de la luz. Las cianobacterias filamentosas utilizan la enzimanitrogenasa para realizar la biofotólisis directa, mientras que, las microalgas unicelulares utilizan la enzimahidrogenasa reversible para realizar el mismo bioproceso. Se generan 2 moles de H2 por cada mol de O2 liberado, siendo las microalgas unicelulares las mejores productoras de H2 por esta vía (Brentner et al., 2010)
Biofotólisis Indirecta
Bajo condiciones especiales de oscuridad y ausencia de oxígeno (anoxigenia) la ferredoxina puede ser utilizada por las enzimas hidrogenasa y/o nitrogenasa para reducir protones y generar hidrógeno molecular: 2H+ + 2〖Fd〗- ↔ H2 + 2Fd. La biofotólisis indirecta consiste en la primera etapa de fotosíntesis útil para la acumulación de carbohidratos; los cuales son utilizados en una segunda etapa de fermentación oscura; en la que, se produce hidrógeno, a partir de estos (carbohidratos).
Producción de Hidrógeno por Biofotólisis Indirecta
Una cepa de un microrganismo marino de fijación de nitrógeno Cyanothece 51142 ha demostrado ser la forma más eficiente de producción de bio-hidrógeno hasta la fecha. Cyanothece 51142 es capaz de producir hidrógeno aeróbicamente ya que, controla sus procesos metabólicos por un reloj circadiano interno. Fotosintetiza durante el día y almacena carbono (CO2) como glucógeno; pero por la noche, realiza la fijación de nitrógeno mediante el glucógeno obtenido como fuente de energía y utilizando la nitrogenasa para convertir N2 a NH3 con H2 como subproducto. Aun cuando, el oxígeno esté presente, las altas tasas de respiración de Cyanothece son capaces de crear un ambiente anaerobio dentro de las células que permiten a la nitrogenasa poder funcionar. Biotecnológicamente se ha encontrado que para optimizar la producción de hidrógeno, las cianobacterias producen más si se cultivan en presencia de fuentes de carbono adicionales; siendo el glicerol, la más efectiva; con la enorme ventaja de que también es un producto de desecho de la producción industrial de biodiésel.
DATO:
El genoma de Cyanothece 51142, una cianobacteria unicelular en diazotróficas importante del ciclo del nitrógeno del mar
