Cuando un residuo produce energía… incluso dos veces: el potencial de las bacterias púrpuras en las biorrefinerías del futuro
Emma Barahona Martín, BIO-GIQA.
Cada año se generan millones de toneladas de residuos agroalimentarios cuyo aprovechamiento sigue estando muy lejos de ser completo. Aunque una parte de estos residuos ya se destina a procesos de valorización, una gran cantidad de la energía y de los compuestos de interés que contienen continúa desaprovechándose. Frente a este modelo lineal, la bioeconomía propone una nueva forma de entender los residuos: no como un problema que gestionar, sino como una fuente de carbono y energía capaz de alimentar nuevos procesos biotecnológicos.
En este contexto, la producción biológica de hidrógeno se ha consolidado como una de las alternativas más prometedoras para obtener un combustible renovable sin recurrir a materias primas fósiles. A diferencia de los métodos convencionales, basados mayoritariamente en gas natural, los procesos biológicos permiten producir hidrógeno a partir de residuos orgánicos mediante la acción de microorganismos especializados, integrando la generación de energía con la valorización de corrientes residuales.
Las bacterias púrpuras: pequeñas factorías biológicas impulsadas por la luz
Entre estos microorganismos destacan las bacterias púrpuras no del azufre (Purple Non-Sulfur Bacteria, PNSB), un grupo con una extraordinaria versatilidad metabólica. Estos microorganismos pueden crecer utilizando la luz como fuente de energía y una amplia variedad de compuestos orgánicos como fuente de carbono, incluyendo ácidos grasos volátiles, glicerol, hidrolizados lignocelulósicos y numerosos efluentes industriales y agroalimentarios1. Esta capacidad convierte a las PNSB en excelentes candidatas para el desarrollo de biorrefinerías capaces de transformar residuos en productos de alto valor añadido.
Pero el verdadero potencial de estas bacterias va mucho más allá de su metabolismo natural. Durante los últimos años, los avances en biología sintética e ingeniería genética han comenzado a transformar especies como Rhodobacter capsulatus y Rhodopseudomonas palustris en plataformas biotecnológicas («engineering platforms»), sobre las que es posible introducir modificaciones dirigidas para redirigir rutas metabólicas, incrementar la producción de compuestos de interés o incluso incorporar nuevas funcionalidades2,3. Aunque todavía queda camino para alcanzar el grado de desarrollo de microorganismos modelo como Escherichia coli o Saccharomyces cerevisiae, la disponibilidad de herramientas como CRISPR y nuevos sistemas de expresión está acelerando enormemente el desarrollo de estas bacterias como factorías celulares de nueva generación.
Rhodobacter capsulatus: de bacteria fotosintética a plataforma biotecnológica
En los últimos años, el desarrollo de cepas modificadas de Rhodobacter capsulatus ha permitido incrementar significativamente la producción fotofermentativa de hidrógeno y ampliar el potencial de estas bacterias para la valorización de corrientes residuales. Mediante ingeniería genética se han eliminado rutas responsables del consumo del hidrógeno generado, consiguiendo aumentar de forma muy significativa la eficiencia del proceso fotofermentativo respecto a la cepa original. Estos resultados ponen de manifiesto cómo pequeñas modificaciones dirigidas sobre el metabolismo bacteriano pueden traducirse en mejoras sustanciales del rendimiento del bioproceso 4.
Sin embargo, aumentar la producción de hidrógeno no depende únicamente del microorganismo. Para que esta tecnología pueda llegar a implantarse a escala industrial es necesario demostrar que el proceso puede mantenerse de forma estable durante largos periodos de operación y utilizando sustratos reales. En este sentido, los trabajos desarrollados dentro de BIVALIA han demostrado la viabilidad de la producción continua de hidrógeno mediante fotofermentación utilizando una cepa modificada de R. capsulatus alimentada con aguas de proceso procedentes de la carbonización hidrotermal de residuos agroalimentarios. La combinación de ingeniería metabólica y operación en continuo representa un paso importante hacia el desarrollo de procesos biológicos más robustos, eficientes y escalables.
Biorrefinerías integradas: aprovechando el potencial de los residuos agroalimentarios
Una de las principales fortalezas de las PNSB reside precisamente en su capacidad para integrarse dentro del concepto de biorrefinería. En lugar de trabajar con materias primas purificadas, estas bacterias pueden utilizar como sustratos corrientes generadas en otras etapas del propio proceso de valorización. Un ejemplo especialmente prometedor es la integración con la digestión oscura. Durante esta primera etapa fermentativa se produce una fracción inicial de hidrógeno, pero también una mezcla de ácidos orgánicos (principalmente acetato y butirato) que todavía conservan una elevada cantidad de energía química. Lejos de convertirse en un residuo, estos compuestos representan el sustrato ideal para las PNSB, capaces de transformarlos mediante fotofermentación en una segunda etapa de producción de hidrógeno. De este modo, un mismo residuo puede utilizarse de manera secuencial para generar energía en dos etapas biológicas complementarias, incrementando notablemente el aprovechamiento global del carbono contenido en la biomasa.
Además del hidrógeno, las perspectivas futuras son aún más amplias. La literatura científica muestra un interés creciente por utilizar las PNSB como plataformas para la obtención de bioplásticos como PHB, carotenoides, coenzimas, biomasa microbiana y otros compuestos de alto valor añadido. Aunque el hidrógeno constituye actualmente la aplicación más desarrollada, la combinación entre ingeniería genética y valorización de residuos abre la puerta al desarrollo de auténticas biorrefinerías microbianas capaces de producir diferentes bioproductos a partir de una misma corriente residual, adaptándose a las necesidades de cada proceso industrial.
Más allá de la producción de hidrógeno, la posibilidad de rediseñar genéticamente estas bacterias abre la puerta al desarrollo de plataformas biotecnológicas versátiles capaces de transformar una misma corriente residual en distintos bioproductos de interés, adaptándose a las necesidades específicas de cada biorrefinería.
En este escenario, el proyecto BIVALIA apuesta por un enfoque integrador en el que la biotecnología, la ingeniería de procesos y la economía circular convergen para maximizar el aprovechamiento de los residuos agroalimentarios. El desarrollo de microorganismos más eficientes, capaces de transformar residuos complejos en energía y otros bioproductos de interés, representa un paso más hacia un modelo industrial donde los residuos dejan de ser el final del proceso para convertirse en el punto de partida de nuevas cadenas de valor.
Referencias
1 Capson-Tojo, G., Batstone, D.J., Grassino, M., Vlaeminck, S.E., Puyol, D., Verstraete, W., Kleerebezem, R., Oehmen, A., Ghimire, A., Pikaar, I., Lema, J.M., Hülsen, T., 2020. Purple phototrophic bacteria for resource recovery: Challenges and opportunities. Biotechnology Advances 43, 107567.
2 Bayon-Vicente, G., Toubeau, L., Gilson, M., Gégo, G., Landgey, N., Krings, S., Leroy, B., 2025. Metabolic pathways to sustainability: review of purple non-sulfur bacteria potential in agri-food waste valorization. Front. Bioeng. Biotechnol. 13.
3 Morrison, HM., and Bose, A., 2024. Purple non-sulfur bacteria for biotechnological applications. J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 53.
4 Barahona, E., Jiménez-Vicente, E., Rubio, L.M., 2016. Hydrogen overproducing nitrogenases obtained by random mutagenesis and high-throughput screening. Sci Rep 6.
