Biohidrógeno

El biohidrógeno es H₂ producido biológicamente. ^{[ 1 ]} Existe un gran interés en esta tecnología porque el H₂ _{es un} combustible limpio y puede producirse fácilmente a partir de ciertos tipos de biomasa , ^{[ 2 ]} incluyendo desechos biológicos. ^{[ 3 ]} Además, algunos microorganismos fotosintéticos son capaces de producir H₂ _directamente a partir de la disociación del agua utilizando la luz como fuente de energía. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Además de las prometedoras posibilidades de la producción biológica de hidrógeno, esta tecnología presenta numerosos desafíos. Entre ellos, destacan los inherentes al H₂ _, como el almacenamiento y el transporte de un gas explosivo no condensable. Asimismo, los organismos productores de hidrógeno se envenenan con O₂ _y los rendimientos de H₂ _suelen ser bajos.

Las principales reacciones que impulsan la formación de hidrógeno implican la oxidación de sustratos para obtener electrones. Posteriormente, estos electrones se transfieren a protones libres para formar hidrógeno molecular. Esta reacción de reducción de protones normalmente la lleva a cabo una familia de enzimas conocidas como hidrogenasas .

En los organismos heterótrofos, los electrones se producen durante la fermentación de azúcares. El hidrógeno gaseoso se produce en muchos tipos de fermentación como una forma de regenerar NAD ⁺ a partir de NADH . ^{[ 6 ]} Los electrones se transfieren a la ferredoxina o pueden ser aceptados directamente del NADH por una hidrogenasa , produciendo H2 _. Debido a esto, la mayoría de las reacciones comienzan con glucosa , que se convierte en ácido acético . ^{[ 7 ]}

${\displaystyle {\ce {C6H12O6 + 2 H2O -> 2 CH3COOH + 2 CO2 + 4 H2}}}$

Una reacción relacionada produce formato en lugar de dióxido de carbono :

${\displaystyle {\ce {C6H12O6 + 2 H2O -> 2 CH3COOH + 2 HCOOH + 2 H2}}}$

Estas reacciones son exergónicas en 216 y 209 kcal/mol, respectivamente.

Se ha estimado que el 99% de todos los organismos utilizan o producen dihidrógeno (H₂ ₎ . La mayoría de estas especies son microbios y su capacidad para utilizar o producir H₂ _como metabolito surge de la expresión de metaloenzimas de _H₂ conocidas como hidrogenasas. ^{[ 8 ]} Las enzimas dentro de esta familia tan diversa se subclasifican comúnmente en tres tipos diferentes según el contenido de metal en el sitio activo: hidrogenasas [FeFe] (hierro-hierro), hidrogenasas [NiFe] (níquel-hierro) e hidrogenasas [Fe] (solo hierro). ^{[ 9 ]} Muchos organismos expresan estas enzimas. Ejemplos notables incluyen miembros de los géneros Clostridium , Desulfovibrio , Ralstonia o el patógeno Helicobacter , que son en su mayoría anaerobios estrictos o microorganismos facultativos. Otros microorganismos, como las algas verdes , también expresan hidrogenasas altamente activas, como es el caso de los miembros del género Chlamydomonas .

Debido a la extrema diversidad de enzimas hidrogenasas, los esfuerzos actuales se centran en la búsqueda de nuevas enzimas con características mejoradas, ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} así como en la ingeniería de hidrogenasas ya caracterizadas para conferirles características más deseables. ^{[ 13 ]}

La producción biológica de hidrógeno con algas es un método de división fotobiológica del agua que se lleva a cabo en un fotobiorreactor cerrado basado en la producción de hidrógeno como combustible solar por parte de las algas . ^{[ 14 ] [ 15 ]} Las algas producen hidrógeno bajo ciertas condiciones. En 2000 se descubrió que si las algas C. reinhardtii se ven privadas de azufre , cambian de la producción de oxígeno , como en la fotosíntesis normal , a la producción de hidrógeno. ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}

Las algas verdes expresan hidrogenasas [FeFe], algunas de las cuales se consideran las hidrogenasas más eficientes con tasas de recambio superiores a 10 ⁴ s ⁻¹ . Esta notable eficiencia catalítica se ve, sin embargo, ensombrecida por su extrema sensibilidad al oxígeno, siendo inactivada irreversiblemente por O ₂ ^{[ 13 ]} _. Cuando las células se ven privadas de azufre, la evolución de oxígeno se detiene debido al fotodaño del fotosistema II ; en este estado, las células comienzan a consumir O ₂ y proporcionan el entorno anaeróbico ideal para que las hidrogenasas [FeFe] nativas catalicen la producción de H ₂ .

Fotosíntesis

Biorreactores basados ​​en células de algas que pueden producir hidrógeno ^{[ 19 ]}

La fotosíntesis en cianobacterias y algas verdes divide el agua en iones de hidrógeno y electrones. Los electrones se transportan a través de ferredoxinas . ^{[ 20 ]} Las Fe-Fe-hidrogenasas (enzimas) los combinan para formar hidrógeno gaseoso. En Chlamydomonas reinhardtii, el fotosistema II produce, mediante la conversión directa de la luz solar, el 80% de los electrones que terminan en el hidrógeno gaseoso. ^{[ 21 ]}

En 2020, los científicos informaron sobre el desarrollo de una microemulsión a base de células de algas para reactores microbianos esferoidales multicelulares capaces de producir hidrógeno junto con oxígeno o CO₂ _mediante fotosíntesis a la luz del día en presencia de aire. Se demostró que encerrar los microrreactores con bacterias sinérgicas aumentaba los niveles de producción de hidrógeno mediante la reducción de las concentraciones de _O₂ . ^{[ 22 ] [ 19 ]}

La producción biológica de hidrógeno también se observa en cianobacterias fijadoras de nitrógeno . Estos microorganismos pueden crecer formando filamentos. En condiciones de limitación de nitrógeno, algunas células pueden especializarse y formar heterocistos , lo que garantiza un espacio intracelular anaeróbico que facilita la fijación de N₂ _mediante la enzima nitrogenasa, que también se expresa en su interior.

En condiciones de fijación de nitrógeno, la enzima nitrogenasa acepta electrones y consume ATP para romper el triple enlace dinitrógeno y reducirlo a amoníaco. ^{[ 26 ]} Durante el ciclo catalítico de la enzima nitrogenasa, también se produce hidrógeno molecular.

${\displaystyle {\ce {N2 + 8 H+ + 8NAD(P)H + 16 ATP-> 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi + 8 NAD(P)+}}}$

Sin embargo, dado que la producción de H₂ _representa una importante pérdida de energía para las células, la mayoría de las cianobacterias fijadoras de nitrógeno también poseen al menos una hidrogenasa de captación. ^{[ 27 ]} Las hidrogenasas de captación presentan una tendencia catalítica hacia la oxidación del oxígeno, por lo que pueden asimilar el H₂ producido _como una forma de recuperar parte de la energía invertida durante el proceso de fijación de nitrógeno.

En 1933, Marjory Stephenson y su estudiante Stickland informaron que las suspensiones celulares catalizaban la reducción del azul de metileno con H₂ _. Seis años después, Hans Gaffron observó que el alga fotosintética verde Chlamydomonas reinhardtii a veces producía hidrógeno. ^{[ 28 ]} A finales de la década de 1990, Anastasios Melis descubrió que la privación de azufre induce al alga a cambiar de la producción de oxígeno (fotosíntesis normal) a la producción de hidrógeno. Descubrió que la enzima responsable de esta reacción es la hidrogenasa , pero que la hidrogenasa perdía esta función en presencia de oxígeno. Melis también descubrió que agotar la cantidad de azufre disponible para las algas interrumpía su flujo interno de oxígeno, lo que permitía a la hidrogenasa un entorno en el que podía reaccionar, provocando que las algas produjeran hidrógeno. ^{[ 29 ]} Chlamydomonas moewusii también es una cepa prometedora para la producción de hidrógeno. ^{[ 30 ] [ 31 ]}

En la industria del biohidrógeno, al menos para aplicaciones comerciales, compiten numerosos procesos industriales consolidados. El reformado con vapor de gas natural —a veces denominado reformado con vapor de metano (SMR)— es el método más común para producir hidrógeno a granel, representando aproximadamente el 95 % de la producción mundial. ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]}

${\displaystyle {\ce {CH4 + H2O <-> CO + 3 H2}}}$

• Algacultura – Acuicultura que implica el cultivo de algas 
• Producción de hidrógeno – Producción industrial de hidrógeno molecular 
• Hidrogenasa : clase de enzimas que catalizan la oxidación reversible del hidrógeno molecular. 
• Fotohidrógeno : hidrógeno producido mediante luz. 
• Cronología de las tecnologías del hidrógeno

• Departamento de Energía - Un panorama para la producción biológica de hidrógeno
• FAO
• Maximización de la eficiencia de utilización de la luz y la producción de hidrógeno en cultivos de microalgas. Archivado el 19/10/2013 en Wayback Machine.
• Biorreactor de algas/hidrógeno casero 2004
• PRODUCCIÓN DE H2 POR ALGAS FOTOBIOLÓGICAS EERE-CÍCLICAS