BIOTECNOLOGÍA AGROAMBIENTAL

Saludos apreciados amigos, me permito presentarles el texto de nuestra ponencia en el marco del tercer seminario de agroecología organizado por la Universidad Santo Tomas en la ciudad de Villavicencio. Esperamos sea el punto de partida sobre el enriquecimiento científico y social de la biotecnología agroambiental. Un abrazo.

MICROBIOLOGIA APLICADA A LA GENERACION DE ENERGIAS ALTERNATIVAS


William Eduardo Jaime Acosta (agrólogo, Director Ejecutivo Fundación GE@)
Martha Andrea Borja Gutiérrez (Ingeniera Agrónoma, Directora Planta de Biotecnología, Fundacion GE@)


Resumen

Los microorganismos presentes en el medio ambiente, responsables de los procesos vitales para nuestra existencia y permanencia, se están estudiando de tal forma que han permitido realizar investigaciones que despertaron interés biotecnológico en la producción de los biocombustibles como aporte no sólo económico y energético, sino ambiental. La agricultura, ganadería e incluso la salud humana están estrechamente relacionadas con la dinámica de los microorganismos que procuran favorecer los procesos de generación de energía. Hoy día, la investigación y el desarrollo tecnológico han permitido que a través de la biotecnología y específicamente de la microbiotecnología se optimice el papel que cumplen los microorganismos nativos o recombinantes en la generación de energía alternativa.


Introducción

En esta disertación se abordará la temática de la microbiología aplicada a la generación de energías alternativas, con el marco conceptual mencionando los conceptos básicos que permitirán entender la importancia de los microorganismos en los procesos de obtención de energía, resaltando las cualidades que debe tener cada microorganismo para tener éxito en cada uno de los procesos. Posteriormente mencionamos algunos de los microorganismos utilizados en la producción de energía alternativa para los cultivos, mencionando su aporte. Además se destaca la importancia de los microorganismos como actores en la generación de energía para el hombre y animales. Luego se hace referencia a los microorganismos utilizados para obtención de bioetanol y biodiesel, resaltando algunas investigación realizadas para optimizar estos procesos.


Marco conceptual

Recordando, la microbiología puede ser definida etimológicamente como el estudio de los seres vivos diminutos, no perceptibles a simple vista como las bacterias, hongos, protozoos, virus y algas entre otros.

La Biotecnología es considerada un enfoque multidisciplinario tecnológico de la biología, apoyada en otras ciencias como la química, virología, genética, ingeniería, agronomía, física y medicinas humana y animal entre otras.

Como energía alternativa, o mejor, como fuentes de energía alternativa, se conoce a aquellas fuentes que pueden remplazar las fuentes actuales masivas como las de origen fósil, por otras de carácter renovable, de bajo impacto ambiental nocivo y económicamente viables.

Así las cosas, se podría hablar de la microbiotecnología como parte de la biotecnología en donde se emplean microorganismos nativos y/o recombinantes (obtenidos de manipulación genética) con un fin específico, que bien podría ser la generación de fuentes de energía alternativas como los biocombustibles.


1. Microorganismos como Fuente de Generación de Energía Alternativa para Cultivos

La importancia que tienen los microorganismos en la generación de fuentes de energía alternativa no inicia en la agroindustria, es decir, en los lugares de procesamiento de sustratos, sino en la producción de buena parte de ellos (cultivos de: palma, caña, maíz, yuca, caña, papa, cereales, etc.).

La revolución verde, obligó al uso excesivo de productos químicos para la producción de los cultivos, lo que ha causado detrimento ambiental y productivo. Con este enfoque se rompió el equilibrio edáfico entre la solución nutritiva del suelo y la población nativa de microorganismos. Las deficiencias nutricionales en los cultivos se trataban única y exclusivamente con fuentes inorgánicas, exceptuando claro el empleo de materia orgánica que para la fecha no era de buena calidad y se convirtió en el nicho de patógenos como nemátodos, bacterias y hongos nocivos para las plantas.

Hoy día puede observarse, como se emplean inóculos para remplazar o disminuir el uso de compuestos químicos tanto en la fertilización (biofertilizantes) como en el manejo de plagas y enfermedades (biocontroladores). Estos inóculos buscan restablecer el equilibrio entre suelo, microorganismos y plantas de tal forma que se crea una dinámica de mutuo beneficio entre ellos. Podría decirse entonces que las primeras usuarias o beneficiarias de la microbiotecnología son las plantas mismas, pues reciben alimento (energía) de su vinculo (asimbiótico o simbiótico) con los microorganismos nativos e inoculados por el hombre, como fuente alternativa de energía, diferente a la convencional o de origen químico. Se ha demostrado que el uso de microorganismos en la agricultura favorece el desarrollo de los cultivos, disminuye los impactos nocivos del manejo de los cultivos, constituye una fuente renovable de energía para los mismos y son más baratos.

Algunos de los microorganismos más utilizados en la actualidad como biofertilizantes se observan en la tabla 1, donde se mencionan sus aportes, conocidos, en la nutrición de las plantas.

Tabla 1. Ejemplo de Biofertilizantes Utilizados en Agricultura
Microorganismo Cultivos Función
Bacterias
Rhizobium: trifolii, Bradyrhizobium japonicum Leguminosas: soya, kudzú, trébol, caupí, etc. Fijación simbiótica de nitrógeno.
Azotobacter (psedomonal): chroococcum, vinelandii, irakense Varios Fijación no simbiótica de nitrógeno.
Azospirillum: brasilense, lipoferum Gramíneas: arroz, maíz, trigo, cebada, Fijación no simbiótica de nitrógeno.
Pesudomonas: fluorescens, P. Chlororaphis Varios Biocontrol (antibióticos), producen fitohormonas (auxinas, giberelinas, citoquininas), producen enzimas (fosfatasas, ácidos orgánicos (i.e. acido glucónico, cítrico) e inorgánicos (i.e. ácido sulfhídrico, nítrico, carbónico) que mejoran la disponibilidad del fósforo nativo edáfico o el incorporado en la fertilización.
Hongos
Micorrizas VA: Acaulospora, Entrophospora colombiana, Glomus, Varios Asociación mutualista para fijación de fósforo, incrementan área radicular (micelio) favorecen la disponibilidad de agua y nutrientes de baja movilidad como potasio, zinc. Protección contra patógenos.
Trichoderma: Harzianum, viride, lignorum Varios Control por antagonismo y precursor de crecimiento
Otros
Cianobacterias, azolla anabaena, algas verdeazules Varios Fijación no simbiótica de N, P y S
Actinomicetes Varios Algunos fijan N


2. Microorganismos como actores importantes en Generación de energía para animales y para el hombre

Pese a que en el sistema digestivo de animales y humanos, los microorganismos han estado siempre presentes, en los últimos años se ha dado especial importancia al desarrollo de productos que trabajan como inóculos que favorecen la asimilación de nutrientes (energía). Estos productos son conocidos como prebióticos y desempeñan un papel trascendental en el ahorro de energía que debe hace el cuerpo (animal o humano) para asimilar los nutrientes.

De acuerdo a la Organización Mundial para la Salud, la definición de Probiótico reza: "Son microorganismos vivos que cuando son suministrados en cantidades adecuadas promueven beneficios en la salud del organismo huésped" (wikipedia).

En el caso de los humanos y otros omnivoros su principal destino son los intestinos, mientras que para los rumiantes es el rumen.

La composición de un probiótico está dada principalmente por bacterias lácticas y Sacharomyces (boulardii, cerevisiae). Estos microorganismos deben ser bien seleccionados pues deben soportar las difíciles condiciones gastrointestinales.


3. Microorganismos en la producción de biocombustibles.

3.1 Bioetanol

Los microorganismos más utilizados para la producción de etanol por la vía fermentativa son las levaduras, debido a su alta productividad en la conversión de azúcares a bioetanol y a que se separan mejor después de la fermentación. Además, la producción de toxinas es muy inferior a la de otros microorganismos. Entre las especies más utilizadas están: Saccharomyces cerevisiae, S. ellipsoideus, S. anamensisi, Candida seudotropicalis, S. carlsbergensis, Kluyveromyces marxianus, Candida bytyrii, Pichia stipatis, Schizosaccharomyces pombe y Pichia membranaefaciens.

3.1.1 Caracteristicas de los microorganismos utilizados en la síntesis de bioetanol

Los microorganismos a utilizar deben cumplir con ciertas necesidades y características tales como:

 Tolerancia al alcohol

La tolerancia al etanol es un elemento importante en la selección de una cepa de levadura, pues de su capacidad de mantenerse activa en condiciones crecientes de concentración alcohólica en el medio dependerá el rendimiento del proceso.

 Tolerancia a la alta temperatura

Muchas levaduras son sensibles a la temperatura; si ésta se eleva, la productividad puede disminuir; los sistemas de enfriamiento son caros, por lo que hay una razón económica para desarrollar cepas termotolerantes, que trabajen a temperaturas por encima de 40ºC sin pérdidas en la eficiencia, y que a la vez mantengan la estabilidad genética.


 Tolerancia a la alta concentración de azúcares
Trabajar con altas concentraciones de azúcares produce mayor eficiencia y productividad del proceso fermentativo.

Según investigaciones de la Universidad Rafael Landívar de Guatemala la cepa T-17 de levadura Sacharomyces cerevisiae, aislada del jugo de caña, posee alta tolerancia a la concentración de azúcares y a la temperatura, con elevada producción de bioetanol. En condiciones industriales obtuvo mejores resultados en % alcohólico y eficiencia que la S. cerevisiae “Hualien”, que es la más ampliamente empleada en Taiwan.

3.1.2 Otros microorganismos utilizados en la producción de bioetanol.

 Uso de cultivos mixtos

Con relación al empleo de cultivos mixtos en la fermentación alcohólica la Universidad Rafael Landívar de Guatemala reportan algunos trabajos con levaduras. Con cultivos formados por dos levaduras: S.cerevisiae-S.carlsbergensis, en proporción 4:1 en el orden mencionado, se favoreció el incremento en la producción de alcohol, como resultado de la fermentación completa de la rafinosa por la segunda.

La misma fuente plantea que hay una gran tendencia actual a utilizar bacterias; entre ellas se destaca la Zymomonas mobilis. Se reportan productividades tres veces mayores para la Z.mobilis en comparación con la S. cerevisiae usando concentraciones de glucosa de 150 g/L o mas bajas. La viabilidad de la Z. mobilis se mantiene durante la producción de etanol; se logran buenos rendimientos, así como el acortamiento del ciclo fermentativo respecto al que se obtiene con las levaduras.

Otras bacterias mesófilas han sido utilizadas en la producción de etanol por fermentación, tales como: Clostridium sporogenes, Cl. indolicus, Cl. sphnoides, Zimomonas mobilis, Erwinia amilovora, Spirocheta aurantia, Streptococus lactis, Spirocheta litorales y Spirocheta stenostrepta, con satisfactorios resultados de productividad. Se realizaron experimentos a escala de laboratorio con bacterias termófilas con rendimientos aceptables.

Se han investigado las características del Clostridium saccharobutyricum y su comportamiento en la fermentación, y se demostró que acelera la formación de alcohol durante la fermentación por levadura. Se encontró además que el mejor rendimiento en la producción de ron y en su aroma fue obtenido cuando la relación de levadura a bacteria era de 1: 5. Las bacterias son añadidas cuando la concentración de alcohol es de 3,5 a 4,5 (V/V) y el contenido de azúcares igual o menor a 6 g / 100 mL de batición.

Otras experiencias realizadas con Clostridium pasteurianum demostraron que producen ácido butírico principalmente y que el Clostridium butyricum A.T.C.C. 6015 produce ácidos volátiles.

La Universidad Rafael Landívar de Guatemala reporta estudios con cultivos mixtos o microorganismos trabajados genéticamente cuyo objetivo fundamental es lograr utilizar sustratos complejos de degradar, que incluso en algunos casos son residuos. Las bacterias Escherichia coli y Zymomonas mobilis y la levadura Saccharomyces cerevisiae han sido objeto de estudios desde el punto de vista genético para ser utilizados en la sacarificación y fermentación de la celulosa, la utilización de residuos agrícolas, sueros y almidones. La misma fuente reporta estudios de cultivos mixtos de hongos y levaduras como Trichoderma viride y Pachysolen tannphylus, Aspergillus ninger y Saccharomyces cerevisiae para lograr estos objetivos.


3.2 Biodiesel

La síntesis del biodiesel se realiza normalmente por medio de los procesos químicos de esterificación y transesterificación, pero hoy en día podemos hablar de un tipo de algas y de bacterias capaces de producir biodiesel de una forma mas sencilla, barata y ecológica.

3.2.1 Algas
Una empresa holandesa establecida en Roosendaal, Algaelink, ha inventado una tecnología basada en el mismo proceso que la Naturaleza lleva haciendo desde el comienzo de la vida. El fotobioreactor de Algaelink ha mejorado y acelerado la fotosíntesis natural, y puede fabricar algas que se duplican cada 24 horas. Su crecimiento es tan rápido que el gasto de energía para producirlas es comparativamente muy bajo para asi convertirse en biodiesel.

Las algas en su desarrollo absorben CO2, y también son alimento para los seres humanos y el ganado por su alto contenido en proteinas, minerales y vitaminas. Para crecer, las algas necesitan sólo agua y CO2. Por debajo de quince grados de temperatura el grado de crecimiento es bajo, así que necesitamos la temperatura ideal está entre 15 y 25 grados. Cada kilo de algas consume para su crecimiento entre 2 y 3 kilos de CO2 así que las algas son el mejor sistema de captura y almacenamiento de CO2 del mundo. fotobioreactor consiste en unos tubos transparentes tan largos como se quiera, con agua y luz en su interior.


3.2.2 Bacterias

Según estudios realizados por por Alexander Steinbüchel y sus colaboradores de la Universidad de Munster en Alemania , han creado por ingeniería genética una variedad de bacteria Escherichia coli mediante el añadido de genes de otras especies. Dos genes proceden de la bacteria Zymomonas mobilis y son los que controlan la producción alcohol a partir de glucosa. Un tercer gen procede de la bacteria Acinetobacter baylyi y permite a la nueva bacteria combinar el alcohol con el aceite y producir biodiesel. Esta bacteria es por tanto capaz de medrar en una mezcla de aceite y azúcar y producir biodiesel directamente. La meta final de este grupo de investigadores es la producción de biodiesel de este modo, pero a partir de desechos vegetales en lugar de los aceites, que son caros de producir.

Esta claro que las alternativas para la producción de energía en el mundo están dadas para la aplicación ya que contamos con las materias primas necesarias para llevar a cabo esta tecnología, además, en el país se cuenta con los recursos para la investigación de microorganismos nativos con alto potencial o modificados genéticamente que puedan transformar los diversos sustratos en energía alternativa.
En la región de la Orinoquia se debe hacer énfasis en la producción de energía a través de cascarilla de arroz, residuos de la cosecha de plátano y maíz utilizando los microorganismos eficientes para cada uno de estos sustratos