Embed Size (px)
Citation preview
n la actualidad la población ve cómo se acabanlentamente las fuentes de petróleo, el mayorgenerador de energía, y también puede palparel declive ecológico que las sociedades moder-
nas han ocasionado. Esto genera temor, pero tambiéndespierta nuestra conciencia ambiental.¿Cual será el futuro? La búsqueda de fuentes alter-
nas de energía ha vuelto a tomar vigor en los últimosaños. Algunas fuentes ya olvidadas, como el bioetanolo el biodiesel, comienzan a tomar fuerza después decien años de abandono. Pero, sobre todo, nuestrademanda energética exige fuentes de energía alternasque no compitan con la demanda alimentaria y que noutilicen extensiones territoriales destinadas a la agri-cultura. Asimismo, la reciente conciencia ecológicarequiere de fuentes de energía que no causen estragosambientales en el futuro, como la emisión de gases deefecto invernadero. Una solución en un futuro cerca-no es el hidrógeno, gas que cuando es producido a par-tir de un sistema biológico se denomina biohidrógeno.El hidrógeno es el compuesto más abundante en el
Universo. Cuando interactúa con el oxígeno para for-mar agua, libera una gran cantidad de energía. El pro-ducto resultante de esta reacción es agua pura, quepuede ser reutilizada para volver a producir hidrógenoy oxígeno. Para lograr esto se requiere de un sistemaque permita romper la molécula de agua para obtenerestos gases, al igual que un sistema que permita utilizarlos iones de hidrógeno (H+) para producir gas hidróge-no (H2).
Existen diversos métodos para su obtención, inclu-yendo procesos de alta presión con electrólisis de agua,procesos fotoelectroquímicos y procesos termoquímicos(los cuales se asocian frecuentemente con el enfria-miento de reactores nucleares), pero uno de los másinteresantes es el uso de organismos que realicen elproceso de forma natural.En realidad este proceso lo realizan diariamente las
plantas y algas utilizando la energía solar y los sistemasenzimáticos de sus células, donde el agua y el dióxidode carbono se combinan gracias a la energía solar pa-ra producir azúcares. En los sistemas de bioetanol seemplean estos azúcares para producir alcoholes; en los sistemas de biodiesel se requiere de un mayor pro-cesamiento bioquímico para que las plantas generenaceites que puedan utilizarse posteriormente para pro-ducir diesel.Es claro que cada proceso involucra una pérdida de
energía. Por ello, la eficiencia resultante del procesodecae con el número de conversiones moleculares. Lamayor eficiencia claramente recae sobre el proceso primario. Algunas algas, como las cianobacterias, sehan utilizado durante los últimos años para lograr laproducción de hidrógeno. Las cianobacterias son ungrupo grande y diverso de organismos procariontes queen muchos casos tienen la habilidad de producir hidró-geno. Por lo menos 14 géneros de cianobacterias pro-ducen este gas bajo diversas condiciones de cultivo.Entre éstas destacan la cianobacteria Gloeocapsa alpico-la, que bajo deficiencias de azufre muestra un incremento
80 ciencia • julio-septiembre 2012
E
Ánge la Ku Gonzá lez y Enr ique Castaño de l a Serna
El
del futurola fuente de energíaBIOHIDRÓGENO:
Comunicac iones l ib res
82 ciencia • julio-septiembre 2012
en la producción de hidrógeno; Arthrospira (Spirulina pla-tensis) puede producir hidrógeno en la oscuridad y encondiciones anaeróbicas; y la cianobacteria Anabaenacylindrica produce hidrógeno y oxígeno simultánea-mente en una atmósfera de argón por 30 días, con luzlimitada. Las cianobacterias simbióticas con las raícesde Cycas revolute y Zamia furfuracea muestran una grancantidad de producción de hidrógeno. Entre ellas des-taca Anabaena cylindrica, que produce la mayor can-tidad de hidrógeno (30 mililitros de H2 por litro decultivo por hora).La conversión de agua en hidrógeno y oxígeno re-
quiere de enzimas; en particular, nitrogenasas o hidro-genasas. Las nitrogenasas se encuentran en los quistesfilamentosos de las cianobacterias cuando crecen encondiciones limitantes de nitrógeno. El hidrógeno esproducido como un subproducto en la fijación denitrógeno a amoniaco. La reacción consume ATP (tri-fosfato de adenosina), molécula que almacena energíaquímica, que en forma general sigue esta ecuación:
16ATP + 16H2O + N2 + 10H+ + 8e- →
→ Nitrogenasa → 16ADP +16Pi + 2NH4+ + H2
Las hidrogenasas existen en dos tipos diferentes de cia-nobacterias. Una de ellas tiene la habilidad de oxidarel hidrógeno (gracias a una enzima codificada por elgen hupSL) y la otra posee una hidrogenasa bidi-reccional (codificada por el gen hoxFUYH) que pue-de consumir o producir hidrógeno. Las hidrogenasasque consumen hidrógeno se encuentran en los tilacoi-
des membranales (sacos aplanados o vesículas) de losquistes formados por cianobacterias filamentosas. Esahí donde se transfieren los electrones procedentes delhidrógeno para reducir el oxígeno por la vía respirato-ria, y la reacción es conocida como oxihidrogenacióno reacción de Knallgas.
H2 → Hidrogenasa → 2H+ +2e–
El papel de las hidrogenasas bidireccionales es pococlaro, y se cree que mantiene el nivel iónico del orga-nismo. Por lo general se asocian a la membrana delcitoplasma, y es posible que tengan funciones similaresa las de aceptores de electrones, tanto de NADH comohidrógeno. Son enzimas que constan de cuatro o cincosubunidades proteicas, dependiendo de la especie; elgen hoxYH es el principal, y se requiere de proteínasauxiliares conocidas con el término hyp, producto delos genes hypA a F. Este tipo de hidrogenasas puede serde utilidad para la producción futura de hidrógeno.Uno de los problemas principales es que la produc-
ción de hidrógeno mediante nitrogenasas o hidrogena-sas puede darse sólo en condiciones anaeróbicas, debi-do a que son altamente sensibles al oxígeno. Puestoque el oxígeno es uno de los productos de la fotosínte-sis, los organismos han desarrollado un sistema espa-cial y temporal estratégico para proteger las enzimas deser inactivadas por oxígeno. Esto incluye: a) quistesque contienen cámaras separadas que evitan que eloxígeno producido afecte la actividad de las nitroge-nasas, utilizando membranas permeables al oxígeno; y
Figura 1.
Fermentaciónvegetal
Materialvegetal
Se adiciona una cargade 0.2 volts
Fuente de poderElectrones se
unen a iones yforman
hidrógeno
Gas dehidrógeno útilpara producir
energía
Membranade cambio
iónico
Bacterias consumendesechos (ácido
láctico) liberandoelectrones, protones
y CO2
Ánodo
Cátodo
La conversión de agua
en hidrógeno y oxígeno
requiere de enzimas;
en particular, nitrogenasas
o hidrogenasas
b) la realización del proceso en periodos diferentes deluz y oscuridad.En la actualidad se han tratado de reproducir cel-
das que mimeticen los procesos fotosintéticos para laproducción de hidrógeno a partir de agua. El prototi-po existente fue construido por Thomas Mallouk, de laUniversidad de Pensilvania. Denominado como cel-da Grätzel, utiliza la luz para liberar los electrones deuna molécula de colorante (pigmentos naturales), peroen lugar de ser utilizada para generar corriente, la cel-da Grätzel lleva los electrones hacia la catálisis de lareacción, que a partir del agua produce oxígeno e hi-drógeno en una reacción similar a la de la fotosíntesis.Sin embargo, el proceso para reproducir eficiente-
mente estas reacciones es difícil, ya que muchos de loscolorantes probados reaccionan fácilmente con susmoléculas antes de llevar a cabo la catálisis. Una vezgenerados los compuestos, se tendrá que generarmódulos a nivel de nanotecnología para acomodar demanera eficiente las moléculas de colorante y evitarcortocircuitos. Otro problema a solucionar es la com-posición química de la molécula de tinción, que por lo general está basada en rutenio u óxido de iridio, locual puede causar el problema. Se tendrá que probar sise puede recapitular el proceso utilizando compuestosde mayor abundancia, como lo hacen los sistemas bio-lógicos; sin embargo, estos sistemas ya tienen una efi-ciencia del uno por ciento de conversión energética.Es posible que con la optimización geométrica de lasmoléculas de iridio se pueda lograr un 10 por ciento deeficiencia; de ser así, se podrían utilizar estas celdaspara la producción masiva del hidrógeno usando luzsolar, convirtiéndola en una fuente de energía atracti-va y no contaminante.
Ángela Ku González es química industrial por la Universidad
Autónoma de Yucatán. Ha trabajado en el área de bioquímica y
biología molecular, y es especialista en microscopía electrónica de
barrido. Actualmente es estudiante de la maestría en energías
renovables del CICY. Su área de interés es la clonación de una
hidrogenasa tolerante al oxígeno.
Enrique Castaño de la Serna es biólogo egresado de la Uni-
versidad Autónoma de Baja California (UABC). Estudió la maestría
en Biofísica y el doctorado en Bioquímica y Biofísica en la Univer-
sidad de Rochester, Estados Unidos. Ha realizado dos posdocto-
rados en la Universidad de Harvard y en el Instituto Marie Curie.
Actualmente es investigador del Centro de Investigación Científi-
ca de Yucatán (CICY) y está interesado en entender el mecanismo
de regulación genética, al igual que los procesos bioenergéticos
para la producción de celdas bio-Grätzel mediante hidrogenasas.
E l b ioh idrógeno: l a fuente de energ ía de l futuro
julio-septiembre 2012 • ciencia 83
Figura 2.
4e–4e–
2H2O
H2O2 4H+
Ferrodoxinareducida Hidrogenasa
AgradecimientosLos autores agradecen al proyecto del Consejo Nacional deCiencia y Tecnología, registro 58636.
L e c t u r a s r e c o m e n d a d a sClauwaert, P., S. Mulenga, P. Aelterman y W. Verstraete(2009), “Litre-scale microbial fuel cells operated in a complete loop”, Appl. Microbiol. Biotechnol., 83(2):241-247.
Dinmarca, C. y R. Bakke (2009), “Apparent hydrogen con-sumption in acid reactors: observations and implica-tions”, Water Sci. Technol., 59 (7):1441-1447.
Doebbe, A., J. Rupprecht, J. Beckmann, J. H. Mussgnug, A.Hallmann, B. Hankamer y O. Kruse (2007), “Functio-nal integration of the HUP1 hexose symporter geneinto the genome of C. reinhardtii: impacts on biologi-cal H2 production”, O. J Biotechnol., 131(1):27-33.
Hankamer, B., F. Lehr, J. Rupprecht, J. H. Mussgnug, C.Posten y O. Kruse (2007), “Photosynthetic biomass andH2 production by green algae: from bioengineering tobioreactor scale-up”, Physiol. Plant., 131(1):10-21.
Peiris, B. R., P. G. Rathnasiri, J. E. Johansen, A. Kuhn y R.Bakke (2006), “ADM1 simulations of hydrogen pro-duction”, Water Sci. Technol., 53(8):129-137.
