El proceso metabólico produce metano, que es a la vez un biocombustible
Un equipo de investigación de la Universidad de Nebraska-Lincoln ha identificado nuevos actores microscópicos en el ciclo global del carbono, un descubrimiento que pinta un panorama más claro del flujo de carbono a través del medio ambiente y proporciona información clave para el desarrollo sostenible de fuentes de bioenergía.
La reciente publicación del equipo es uno de los primeros estudios que muestra que los metanógenos (microorganismos omnipresentes en entornos con poco oxígeno como lagos, humedales, acuíferos, hábitats de agua dulce, una variedad de suelos e incluso permafrost) pueden impulsar su crecimiento consumiendo hidrógeno y disolviendo carbonato de calcio, uno de los minerales más abundantes de la Tierra.
Este proceso metabólico produce metano, que es a la vez un biocombustible y un potente gas de efecto invernadero.
"Esta es una de las primeras demostraciones de disolución microbiana de carbonato de calcio a un pH más alto", dijo Karrie Weber, profesora de ciencias biológicas y ciencias de la Tierra y la atmósfera.
Weber y Nicole Fiore, profesora y exestudiante de posgrado en ciencias biológicas, dirigieron el equipo. El artículo culmina más de una década de trabajo en la universidad, que incluye contribuciones de muchos estudiantes de posgrado y de grado, e investigadores posdoctorales.
Imagen: Nicole Fiore (al frente), profesora y ex estudiante de posgrado en ciencias biológicas, y Karrie Weber, profesora de ciencias biológicas y ciencias de la Tierra y la atmósfera, observan un cultivo de microorganismos en el laboratorio de Weber en la Universidad de Nebraska-Lincoln. Crédito: Jordan Opp / Universidad de Nebraska-Lincoln
Al identificar los microorganismos que disuelven carbonato, el equipo ha desafiado la creencia predominante de que los minerales de carbonato (que contienen aproximadamente el 80% del carbono de la Tierra) son estables a elevados niveles de pH. Esta potencial inestabilidad significa que en ciertos lugares —donde hay carbono subterráneo secuestrado en forma de carbonatos y condiciones que favorecen la vida microbiana— el carbono secuestrado puede convertirse en metano, especialmente en depósitos subterráneos de energía de hidrógeno.
"Algo a tener en cuenta, al analizar este tipo de estrategias, es si hay metanógenos presentes y en qué medida podrían deshacer lo que estamos haciendo con el secuestro de minerales", dijo Fiore.
El trabajo comenzó con una muestra de lodo del suelo alcalino salino de un humedal en Lincoln. Los investigadores ya sabían que cualquier metanógeno presente en la muestra consumiría hidrógeno, pero no sabían si los microbios podían disolver el carbonato de calcio para generar metano. Para responder a esta pregunta, crearon condiciones de cultivo especiales que incluían hidrógeno y carbonato de calcio, un entorno diseñado para eliminar los microorganismos no capaces de utilizar el carbonato.
Una pequeña comunidad de microorganismos sobrevivió al proceso de cultivo, cuyos genomas los investigadores construyeron utilizando una técnica llamada metagenómica de resolución genómica. La comunidad no solo contenía metanógenos, sino también cinco tipos de bacterias. El equipo pudo visualizar estos microbios utilizando el microscopio CARS (dispersión Raman coherente anti-Stokes) de Nebraska, parte del Laboratorio de Nanoingeniería Asistida por Láser. El trabajo demostró que los microbios estaban adheridos a la superficie del mineral de carbonato.
Imagen: Microscopía de dispersión Raman anti-Stokes coherente (CARS) y de fluorescencia de excitación de dos fotones (TPEF) de matriz microbiana-mineral.
A diferencia de otros estudios que exploran esta cuestión, el equipo controló estrictamente el nivel de pH (acidez o basicidad) del cultivo, ya que los minerales carbonatados cambian de estado cuando fluctúan los niveles de pH. Al mantener el pH estable, el equipo aseguró que la disolución mineral pudiera atribuirse de manera más definitiva al metabolismo de los microorganismos en lugar de a la química cambiante del cultivo.
El metabolismo de los metanógenos tiene consecuencias en el ámbito de la bioenergía. Los investigadores están cada vez más interesados en utilizar el hidrógeno natural como combustible limpio; de hecho, en Nebraska se encuentra el primer pozo perforado en Estados Unidos para encontrar hidrógeno de origen natural.
Weber dijo que es importante determinar en qué medida los procesos microbianos pueden afectar los depósitos de hidrógeno del subsuelo. Otra vía para explorar es si el metano que producen los metanógenos se puede aprovechar como gas natural alternativo, además del hidrógeno del subsuelo.
El siguiente paso, dijo Weber, es determinar qué otros materiales carbonatados son capaces de disolver los metanógenos y buscar biofirmas que confirmen que el proceso de disolución está ocurriendo en el medio ambiente, no sólo en el laboratorio. El equipo cree que es probable que esto ocurra en todo el mundo, ya que tanto los carbonatos como el mismo tipo de metanógenos se encuentran en muchos lugares del mundo.
"Se trata de una investigación local con importancia global", afirmó Weber.
El estudio se ha publicado en Communications Earth & Environment: Microbial methane production from calcium carbonate at moderately alkaline pH
