Bacterias, energía y cerveza

Una de las estrategias más prometedoras de la biotecnología para la producción de energía, es la digestión anaerobia de aguas residuales. Este proceso convierte material orgánico en metano (que puede usarse como combustible) mediante el tratamiento en bioreactores, que contienen comunidades bacterianas no definidas en su interior; aunque se conocen los organismos más abundantes de estas comunidades, no se entiende como la estructura de dicha comunidad se relaciona con la eficiencia del bioreactor, lo cual motivó el estudio de Werner et al. (2010), que parece indicar que la clave para una buena eficiencia del bioreactor está en la resiliencia de las comunidades que en él se encuentran.

A pesar de nuestra ignorancia, la digestión anaerobia es, en la actualidad, la tecnología de bioenergía más exitosa. Modelos matemáticos han sugerido que procesos caóticos controlan el funcionamiento de los bioreactores, mientras que experimentos en pequeña escala han dado resultados contradictorios, detectando tanto la presencia de comunidades estables, como inestables, así como de procesos caóticos.

Los investigadores tomaron muestras mensualmente de 9 bioreactores durante un año, y realizaron diversas mediciones de parámetros sobre el funcionamiento y la eficiencia del proceso. Utilizando un método estadístico, llamado análisis de componentes principales, se encontró que cada instalación tiene una estructura característica y claramente identificable. Además mediante la aplicación del aprendizaje automático, que es una técnica computacional que permite a un programa identificar patrones en sistemas complejos, se identificaron 145 organismos (de los cerca de 5 mil detectados), que pueden ser usados para distinguir entre los bioreactores.

A la izquierda se muestra como las muestras provenienetes de diferentes reactores son claramente distintas, mientras que a la derecha se muestran las frequencias de los 145 organismos (en las columnas) identificados mediante aprendizaje automático.

También se analizaron las comunidades bacterianas a lo largo del tiempo. En términos generales, la dinámica de una comunidad puede clasificarse en: resistencia (si las frecuencias no cambian en el tiempo), resiliencia (cuando la comunidad se recupera después de una perturbación), y redundancia (cuando una población es reemplazada por otra que cumple la misma función después de una perturbación). Lo que se observa en la siguiente figura (paneles A y B), es que la comunidad se recupera después de dos perturbaciones importantes, estas perturbaciones parecen ser causadas por disminuciones drásticas en la tasa con la que se añade material orgánico al bioreactor (panel C).

Se observa la resiliencia de la comunidad bacteriana, aunque las frecuencias cambian después una perturbación, el reactor recupera su comunidad original.

Por último, los científicos demostraron que la equitatividad de la comunidad también es importante. La equitatividad mide que tanta variación hay entre las frecuencias de diferentes especies; una comunidad más equitativa, es aquélla en que todas las especies son igual de abundantes, y esta propiedad suele asociarse con mayor estabilidad. Esto parece ser cierto en el sistema estudiado, pues existe una clara correlación entre mayor equitatividad, y mayor producción de metano.

Correlación entre la equitatividad de la comunidad bacteriana y la producción de los bioreactores.

La digestión anaerobia es un ejemplo de que no es necesario conocer todos los detalles de un sistema para obtener alguna aplicación práctica; sin embargo, también es un ejemplo de las limitaciones de este enfoque. Muchos de los reactores estudiados tuvieron una eficiencia inestable a lo largo del tiempo, por lo que este trabajo aporta las bases para un perfeccionamiento del diseño y operación de estos sistemas.

¿Y la cerveza? bueno pues resulta que las nueve instalaciones estudiadas trabajan acopladas a cervecerías, por lo que la materia que es digerida es el desecho que viene de los fermentadores donde se prepara la cerveza, lo cuál otorga una nueva utilidad a esta bebida.

Referencias:

• Werner et al. “Bacterial community structures are unique and resilient in full-scale bioenerg systems” (2010). Proceedings of the National Academy of Sciences Vol. 108, No. 10, pp. 4158-4163.