Generación de materia orgánica acoplada a la eliminación de CO2 por Anabaena sp. ATCC 33047 y su utilización para la remoción de cadmio

Abstract

El incremento del nivel atmosférico de dióxido de carbono, gas de efecto invernadero, y la necesidad de reducir el mismo constituye un problema global de ingentes proporciones. Una aproximación a este problema consiste en la utilización de microorganismos fotosintéticos para la retirada del CO2. Microalgas y cianobacterias se encuentran entre los más efectivos fijadores de CO2 del planeta, con rendimientos considerablemente superiores a los de los cultivos agrícolas más productivos. En este trabajo se evalua y desarrolla una nueva tecnología para la eliminación de CO2 en gases de escape, empleando Anabaena sp. ATCC 33047 (en adelante, Anabaena). Esta estirpe marina de cianobacteria fijadora de nitrógeno, filamentosa con heterocistos, posee elevada capacidad fotosintética y excreta al medio como polímeros orgánicos (exopolisacárido, EPS) parte del carbono fijado.

La primera parte de este trabajo consiste en optimizar las condiciones de cultivo de Anabaena sp. para obtener la máxima producción de materia orgánica. Los cultivos en laboratorio se realizan en reactores tipo columna de burbujeo de 2l de capacidad operados en régimen continuo, provisto de elementos de medida y control de pH, agitación-aireación, temperatura y suministro de medio nutritivo. La suspensión celular se ilumina con irradiancia controlada siguiendo ciclos circadianos, cada uno de estos parámetros se estudia secuencialmente. Las condiciones establecidas como óptimas para los parámetros determinantes de la productividad de cultivos de Anabaena sp. ATCC 33047 en régimen continuo en fotoquimiostato, en un medio igualmente optimizado, son: velocidad de dilución, 0,056 h-1; 35 oC de temperatura; pH, 9; agitación mediante burbujeo de aire, 40 l aire l-1 h-1; irradiancia, 2800 μE m-2 s-1 de luz blanca. En estas condiciones, se obtienen productividades de 0,6 g biomasa l-1 d-1 y 0,2 g exopolisacárido (EPS) l-1 d-1, siendo la tasa de fijación de CO2 1 g l-1 d-1. Los principales factores que condicionan la eficiencia de los cultivos continuos, en fotoquimiostato, de Anabaena sp. ATCC 33047 son temperatura e irradiancia. Los modelos de comportamiento generados frente a estos parámetros indican que la productividad de biomasa y la tasa de fijación de CO2 podrían llegar a 1 g biomasa l-1 d-1 y 1,5 g CO2 l-1 d-1, si la irradiancia incidente y la velocidad de dilución del cultivo alcanzasen los 3800 μE m-2 s-1 y 0,08 h-1, respectivamente.Una vez conocidas las condiciones que favorecen la productividad de Anabaena, se seleccionará el sistema de cultivo a la intemperie más apropiado de entre las opciones siguientes: estanque de 1 m2 de superficie con 10 cm de profundidad (volumen de suspensión, 100 l), reactor bolsa de 350 l de capacidad y 0,25 m2 de superficie y reactor tubular cerrado de 55 l de capacidad y 2,2 m2 de superficie. Los cultivos son operados durante periodos anuales tanto en reactores atemperados como carentes de control de temperatura, con un marcado efecto de la irradiancia incidente sobre su productividad. Para optimizar el aprovechamiento de esta irradiancia, los cultivos son operardos con diluciones diarias hasta un determinado valor de densidad celular mínima que varía para cada diseño de reactor y cada época del año. La temperatura es el principal factor limitante de la productividad en estanques abiertos de forma que el mantenimiento de los cultivos no es sostenible cuando la temperatura ambiente baja de 15 oC. Los valores medios de productividad obtenidos son 0,034 g biomasa l-1 d-1 que corresponde a una tasa de fijación de CO2 de 0,061 g l-1 d-1. Los reactores con control de temperatura (plano vertical y tubular) permiten obtener mejores rendimientos que los estanques abiertos. La mayor productividad por unidad de volumen (hasta 0,55 g biomasa l-1 d-1, con tasa de fijación de CO2 de 1 g l-1 d-1) se registra en el reactor tubular operado a una densidad celular mínima de 1 g l-1 a elevada irradiancia. El reactor plano vertical es un sistema idóneo para el cultivo a la intemperie de Anabaena sp. por su elevada productividad por unidad de superficie, moderado coste y posibilidad de escalado. En condiciones óptimas de operación alcanza productividades de 0,17 g biomasa l-1 d-1 y tasas de fijación de CO2 de 0,25 g l-1 d-1, con valores medios anuales de 0,11 g biomasa l-1 d-1 y 0,17 g CO2 l-1 d-1. Expresado por área ocupada por el reactor, supone 15 g biomasa m-2 d-1 y 24 g CO2 m-2 d-1, superiores a los demás sistemas de cultivo estudiados

La biomasa de Anabaena rica en proteínas (49 %) y carbohidratos (19 %), se puede recuperar del medio facilmente por sedimentación debido a su capacidad de autofloculación, que permite separar biomasa y medio de cultivo por sedimentación en 30 minutos sin adición de agentes floculantes. Esta capacidad es de gran interés biotecnológico al reducir el costo de la recogida de la biomasa, facilitar la reutilización de medio y permitir la aplicación de esta materia orgánica en diversos procesos industriales.

Con el objetivo de establecer otros usos para la biomasa de Anabaena, se estudia la capacidad de remoción de cadmio de la biomasa inmovilizada en esponjas de poliuretano. La inmovilización de Anabaena es un proceso efectivo, sencillo y de bajo coste, que permite retener hasta 0,6 mg biomasa cm-2, en las condiciones establecidas como óptimas para favorecer la inmovilización. La retención de cadmio por la biomasa inmovilizada de Anabaena es un proceso pasivo, que se fundamenta en la velocidad de adsorción y en la elevada capacidad de carga de la biomasa y que se ajusta a un modelo de adsorción monocapa, indicando que la superficie de Anabaena contiene un número limitado de sitios de unión idénticos y que las partículas unidas a la superficie no interaccionan entre si. Del modelo se deriva una capacidad máxima de retención de 162 mg Cd+2 g-1 biomasa, superior a los valores descritos para otros tipos de biomasa representando una alternativa al tratamiento físico-químico de vertidos contaminados con cadmio.

El uso de Anabaena para la eliminación de CO2 de gases de escape se presenta como una alternativa prometedora debido a la capacidad de fijación de CO2 en cultivos a la intemperie, la facilidad de recuperación de la biomasa por sedimentación, el elevado calor de combustión de la misma y sus posibles usos alternativos como la remoción de cadmio.