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Qué te llevarías a un planeta desierto?

“The planet Mars took me home, and I never came back”.

(Ray Bradbury: “NEA Big Read”, 2008)

La llegada del hombre a Marte es algo que si nada se tuerce contemplaremos en los 2030’s. Al menos ese es el objetivo fijado por la NASA. Las tecnologías que harán posible el transporte, comunicaciones y fuentes de energía están en diferentes fases de desarrollo. La duración estimada de la misión será de unos 1.100 días.

El rover “Sojourner”, de la misión Pathfinder, aterrizó en Marte en 1996 y estuvo operativo unos 9 meses. Fuente: NASA

La topografía de Marte ya ha sido mapeada con precisión, así como el agua helada bajo la superficie e incluso posibles cursos estacionales de agua salada. Los vehículos motorizados (rovers) enviados por la NASA desde hace 20 años (SojournerSpirit) y los que aún trabajan en el planeta Rojo (Curiosity, Opportunity), han medido la radiación a la que estarán expuestos los astronautas durante el viaje y su estancia en Marte, tomando datos esenciales para que la nave tripulada descienda y aterrice con seguridad.

China y Canadá planean enviar rovers a Marte en los próximos años. Y en 2018 el “Insight” (NASA) y en 2020 el “Exomars” (ESA) continuarán los estudios geológicos y químicos. En concreto la misión de la ESA tendrá como objetivo rastrear la existencia de vida microbiana en la superficie o el subsuelo.

Sin embargo, para que la exploración espacial y nuestra supervivencia en un ambiente extremo no sean una quimera, necesitamos un hábitat sostenible ecológicamente controlado.

Y para ello serán imprescindibles las plantas superiores y las algas…

Matt Damon cultivando patatas en “The Martian” (2015). Si quieren saber más de la ciencia (real y ficción) de esta película visiten Hipertextual

Necesitamos recrear un ecosistema lo más autosuficiente posible, que absorba las fuentes de energía y nutrientes disponibles, reciclando al máximo los desechos, y produciendo alimentos, moléculas y compuestos útiles para los primeros residentes del cuarto planeta del Sistema Solar.

La película “The Martian” planteaba lo importantes que pueden llegar a ser unas patatas, y lo que es cierto para tubérculos y legumbres también lo es para las algas…

En la Estación Espacial Internacional (ISS) se llevan a cabo investigaciones relacionadas con la misión a Marte: sistemas de soporte vital, puesta a punto de tecnologías para reducir la dependencia de la Tierra y estudios sobre los efectos de la microgravedad en la salud y el comportamiento humano, así como en el crecimiento de plantas y algas.

Pero antes de hablarles de esto…¿qué es la microgravedad?

Podríamos pensar que en la ISS no hay gravedad y que por eso flotan los astronautas y los objetos que les rodean. Pero en realidad la fuerza de la gravedad mantiene en órbita a la ISS: a 400 km de altitud hay 0.88 g (88% respecto a la superficie del planeta, 1 g). Tanto la ISS como lo que hay en ella están en caída libre alrededor de la Tierra, “navegando” a 28.000 km/h. Así que los objetos y astronautas se encuentran en “gravedad cero” o microgravedad (0,000001 g).

Arabidopsis thaliana. Autor: D. Skalec. Fuente: Wikimedia commons

Plantas y algas pueden sobrevivir en microgravedad. Seedling Growth es un proyecto patrocinado por la ESA cuyo investigador principal es Francisco J. Medina del CIB-CSIC (Madrid), que investiga los efectos combinados de luz y microgravedad en el ciclo celular y el crecimiento de Arabidopsis thaliana, una planta “modelo” para estudios sobre vegetales.

El pasado 13 de junio arrancó en la ISS la plantación del tercer experimento (Seedling Growth-3), tal como explicaba el propio investigador en la emisión Entre Paréntesis” (19-VI-2017) de Radio 5.

Gravedad y luz suelen ser estímulos opuestos pero en el espacio esta lógica desaparece así como los conceptos arriba o abajo.

Los resultados de experiencias anteriores (Vandenbrink y col. 2014) indican que la microgravedad es un factor de estrés que afecta al ciclo celular en los tejidos meristemáticos, con células totipotentes responsables del crecimiento y diferenciación en vegetales. Las consecuencias podrían ser letales pero por motivos aún desconocidos la luz, en concreto la longitud de onda roja, parece contrarrestar dicho estrés permitiendo que las plantas sobrevivan y se desarrollen de manera casi normal.

En cuanto a las microalgas, su mayor eficiencia fotosintética respecto a las plantas superiores las hace más adecuadas para absorber CO2 y producir oxígeno. En estudios realizados sobre algas verdes del género Chlorella (C. pyrenoidosa y C. vulgaris) se han observado que las tasas de fotosíntesis y consumo de CO2 no se ven afectadas por la microgravedad. Pero su crecimiento es menor y uno de dichos trabajos (Gross, 2013) calculaba que harían falta 2314 litros de Chlorella vulgaris para producir el oxígeno necesario para mantener a un astronauta!!

En los estudios sobre cianobacterias hay resultados para todos los gustos: en la especie tóxica Microcystis aeruginosa se ha observado que la microgravedad reduce el crecimiento y aumenta la producción de microcistinas, mientras que en otro trabajo la microgravedad favorecía el crecimiento de una cepa de Nostoc sp. (Wang y col. 2004).

Placas para experimentos biológicos, incluyendo las cepas CCCryo, en el exterior de la ISS. Autor: ESA/ROSCOSMOS. Fuente: Sciencedaily

Los rayos cósmicos y la radiación UV pueden también aniquilar cualquier atisbo de vida en el espacio. No obstante, si eres un alga adaptada a ambientes extremos puede que consigas sobrevivir en el espacio.

Un experimento de 2014-2015 del proyecto BIOMEX (Biology and Mars Experiment), demostró la supervivencia durante 16 meses de dos cepas en el exterior de la ISS, en condiciones de vacío, sequedad y con temperaturas desde -20ºC a 50ºC.

Ambas cepas pertenecían a CCCryo (la colección de cultivos de algas criófilas del grupo de investigación en extremófilos del IZI-BB, Alemania), en concreto el alga verde Sphaerocystis sp. (CCCryo 101-99, aislada en Svalbard, Noruega) y la cianobacteria Nostoc sp. (CCCryo 213-06, de la Antártida).

El ecosistema lagunar de MELISSA. Fuente: ESA

Queda mucho por investigar para conseguir soportes de vida controlados en el espacio y en ello trabajan, entre otros, los investigadores del consorcio MELISSA (Micro-Ecological Life Support System Alternative), que agrupa a más de 40 instituciones de 13 países, gestionado por la ESA.

Todo comenzó en 1987 tras comprobar que dos cepas microbianas (imagino que cianobacterias), sobrevivieron 5 días en el espacio a bordo de una cápsula china.

30 años después el concepto sobre el que trabaja MELISSA está basado en el ecosistema de un lago, donde los productos de desecho son aprovechados por el metabolismo de plantas y algas, que a su vez proporcionan alimento, oxigenan el aire y purifican el agua. En el compartimento fotosintético existen dos componentes…

El primero son cianobacterias: Arthrospira platensis, muy útil y conocida porque de ella se obtiene la Spirulina, un suplemento dietético de alto valor nutricional que no tiene nada que ver con las cianobacterias del género Spirulina.

La coincidencia de nombres podría venir de que Arthrospira platensis se describió originalmente en el género Spirulina (Spirulina jenneri var. platensis), pero nada más.

Y el segundo componente son las plantas superiores.

En el consorcio MELISSA se ha experimentado con 32 cultivos diferentes, incluyendo trigo, tomate, patatas, soja, cebolla, lechuga, espinacas, arroz, etc…

Planta piloto de MELISSA, en la Universidad Autónoma de Barcelona. Fuente: ESA

Pero no se confundan: el terreno de Marte no es apto para crecer plantas terrestres y los cultivos que se plantean son hidropónicos, nada que ver con las patatas en “The Martian” !!

Referencias:

-Gross M. Development and optimization of algal cultivation systems. Graduate Theses and Dissertations. Paper 13138 (2013)
-Mills WR & Pierson DL. Growth and Metabolism of the Green Alga, Chlorella Pyrenoidosa, in Simulated Microgravity.  NASA/ASEE Summer Faculty Fellowship Program, Johnson Space Center. 14 pp (2000)
-NASA’s journey to Mars. 36 pp (2015). https://www.nasa.gov/topics/journeytomars/index.html
-Vandenbrink JP y col. Light and gravity signals synergize in modulating plant development. Frontiers in Plant Sci. 5:563 (2014)
-Wang GH y col. Real-time studies on microalgae under microgravity. Acta Astronaut. 55:131-137 (2004)
-Xiao Y. y col. Simulated microgravity alters growth and microcystin production in Microcystis aeruginosa (cyanophyta). Toxicon 56:1-7 (2010)

 

 

Son las algas el biocombustible del futuro?

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Bill Gates. Fuente: Forbes.

Durante la Conferencia Internacional sobre el Cambio Climático en París (2015), Bill Gates anunció la creación de una coalición de inversores para impulsar nuevas tecnologías que nos lleven a un futuro (casi) sin emisiones de gases “invernadero”.

La lista de fundadores aparece en la web Breakthrough Energy Coallition, con Richard Branson (Virgin), Jeff Bezos (Amazon), Mark Zuckerberg (Facebook) y Meg Whitman (Hewlett-Packard) entre otros mecenas (George Soros o el príncipe saudí Alwaleed bin Talal).

Mr. Gates y sus colegas filántropos quieren financiar ideas nuevas y arriesgadas, pero ojo!, apoyadas por iniciativas públicas de ciencia. Tanto es así que sus inversiones irán a gobiernos “visionarios” comprometidos a incrementar su investigación dentro del consorcio Mission Innovation creado también en París. Son 20 países; busquen el suyo en la gráfica y enhorabuena si lo encuentran (el mío no está).

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En azul (y a la izquierda con nombre y banderita) están los países participantes en Mission Innovation, incluyendo a Suecia, Emiratos Árabes Unidos, Reino Unido y EEUU.

Breakthrough Energy Coallition invertirá en sectores como la generación de electricidad, transporte, industria, agricultura y eficiencia de los sistemas de energía. Entre las tecnologías que más les interesan está la fotosíntesis artificial para obtener hidrógeno a partir del agua. También financiarán el desarrollo de sistemas de almacenamiento y transmisión de la energía.

Pero un artículo reciente de Biofuels Digest (30-XII-2015) se lamenta de que no les interesen los biocombustibles. Las biorrefinerías no gozan de entusiasmo por parte de las petroleras y apenas hay incentivos para proyectos a escala comercial.

En los últimos años ha cobrado mayor interés la investigación sobre biocombustibles a partir de algas, pero ¿es rentable a nivel comercial? ¿pueden servir para combatir el cambio climático? la respuesta es no y su posible impacto en el futuro será limitado. Para ilustrar el problema les propongo esta imagen.

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Bateas en la ría de Pontevedra. Autor: el mismo del blog.

Cultivar mejillón sale a cuenta. Engordan en el medio natural con alimento gratuito y abundante. No necesitan procesado, sólo una estancia en la depuradora, y las instalaciones ya ven como son. Bajo el agua puede haber unas 500 cuerdas y 10.000 mejillones en cada una. La parte negativa son las biotoxinas, pero a pesar de las pérdidas (a veces cuantiosas) y costes de explotación, el sector genera beneficios y puestos de trabajo importantes para la región en la que vivo.

Cultivar microalgas para biocombustibles es justo lo contrario. Costes elevados por culpa de instalaciones complejas para mantener en tierra lo que vive en el mar o en agua dulce. Las algas deben ser procesadas para extraer los compuestos de interés. El mercado no entiende de energías limpias sólo de rentabilidad y hoy por hoy los biocombustibles de algas no lo son. Por ello muchas empresas han mudado su interés a la nutracéutica (“nutrición” + “farmacéutico”) buscando una salida más rentable.

Aún así, el interés en obtener biocombustibles a partir de las algas sigue ahí…

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Realizado por estudiantes del Smithtown HS East (St. James, NY, EEUU). Fuente: Energy.gov

Las microalgas poseen altas tasas de crecimiento y convierten energía solar en energía química con una eficiencia 10-50 veces mayor que las plantas terrestres.

Acumulan grandes cantidades de lípidos y azúcares que pueden servir para la producción de biodiésel y bioetanol. Evitan el dilema de “comida o combustible” que plantean los cultivos terrestres (maíz, trigo, cebada, etc), además de ocupar menor superficie que éstos. Entre las especies más prometedoras destacan Botryococcus braunii, Chlorella protothecoides y Chlorella vulgaris.

Luego están los beneficios ambientales: bio-mitigación del CO2, por ejemplo. Podríamos cultivarlas con aguas residuales y aire contaminado rico en CO2 de actividades industriales.

El biodiésel es biodegradable y produce también menores emisiones de gases invernadero que los combustibles de origen fósil. Todo sea dicho de paso, el petróleo y el gas natural proceden en su mayoría del plancton (vegetal y animal).

Botryococcus

Botryococcus brauni. Fuente: http://protist.i.hosei.ac.jp/

La demanda energética mundial es enorme y los biocombustibles de algas tendrían un impacto ambiental positivo pero muy limitado.

La AIE (Agencia Internacional de la Energía) estima que el 1.3% de la energía consumida en el mundo procede de biocombustibles como el etanol, metanol y biodiésel. Para satisfacer el 1.5% de la demanda mundial tendríamos que producir 34.000 millones de litros !!! y conseguir la biomasa de algas necesaria consumiría ∼5 millones de toneladas de fosfatos y otras tantas de amonio. Una barbaridad.

Para que se hagan una idea: la producción mundial de fosfatos es de 60 millones de toneladas y 180 la de amonio. La industria química productora de fertilizantes consume grandes cantidades de energía y en EEUU la mayor fuente de emisiones de CO2 industrial procede de la producción de amonio. Así que desnudamos a un santo para vestir a otro…

Hay que desarrollar métodos sostenibles a largo plazo para la producción masiva de algas. Las aguas residuales son uno de ellos: no sirven para los cultivos terrestres ya que filtran al suelo provocando contaminación y eutrofización por su alta concentración de nutrientes. El problema es que son una fuente de bacterias y virus y no podemos controlar los nutrientes. El reciclado de nutrientes es imprescindible para reducir costos y aumentar la eficiencia en el cultivo intensivo de microalgas.

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Sistema abierto tipo “Raceway” (Chennai, India). Fuente: Aban

El tipo de instalaciones para cultivarlas es importante: ¿sistemas abiertos ó cerrados? los abiertos son los más utilizados. Consumen menos energía pero sufren mayor contaminación tanto biológica como por deposición de partículas que pueden reducir la producción, por no hablar del problema de la evaporación.

Los sistemas cerrados, tubos verticales con aireación, controlan mejor el crecimiento de los cultivos y la producción de biomasa pero pueden consumir hasta un 350% más de energía que los sistemas abiertos. Por eso se trabaja en nuevos diseños que rebajen esos costes. Aún así, la energía que consume la instalación procede de combustibles fósiles a no ser que la acoplemos a industrias cercanas para aprovechar las emisiones de gases, paneles solares, energía eólica ó biomasa terrestre…

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La mayor biorrefinería de Europa está en Porto Santo (Madeira, Portugal). La explotan una empresa española, Buggypower, en colaboración con Electricidade da Madeira. Fuente: Buggypower

Se vende la idea de que el cultivo de microalgas puede ser neutral en términos de carbono dado que su cultivo consume CO2. Los géneros Chlorella, Scenedesmus y Botryococcus braunii están entre los más prometedores para la bio-mitigación de emisiones de CO2.

Sin embargo, la baja concentración de este gas en el aire y su pobre transferencia en agua hacen necesario bombear aire para que llegue a las algas. Esto aumenta costos, el gasto de energía y la emisión de CO2. El uso de gases industriales es una opción, ya que pueden contener 400 veces más CO2 y serviría para purificar el aire a la vez que producimos biocombustible. However, la presencia de ácidos y la temperatura de dichos gases son un problema para las algas…

Pongamos que todo va bien y crecen como locas. Cuando alcanzan la fase estacionaria de crecimiento hay que separarlas del agua y recuperar la biomasa para continuar el proceso. El cosechado es costoso y todo un reto debido a su pequeño tamaño. La electro-coagulación (aplicar cargas eléctricas para agregar y sedimentar las partículas; se usa en tratamiento de aguas residuales) es uno de los más prometedores según el NAABB (National Alliance for Advanced Biofuels and Bioproducts, EEUU).

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Comparación de la superficie necesaria para cultivos terrestres y microalgas. Fuente: Energy.gov

A diferencia de las plantas terrestres, las algas hay que secarlas porque la presencia de agua inhibe varios procesos necesarios para la extracción de lípidos de los que obtenemos el biodiésel. Secarlas al sol es lo más sencillo pero no siempre es posible y otros métodos tienen el problema (otra vez) del consumo de energía. Eso sí, existen alternativas que permiten procesar las algas sin secarlas, con nombres tan extraños como la licuefacción hidrotermal.

Vale, ya tenemos el biodiésel. Aunque para mejorar la rentabilidad es necesario conseguir otros compuestos con valor añadido, como el bioetanol, a partir de la biomasa restante tras extraer los lípidos. Las microalgas ofrecen una ventaja frente a las plantas terrestres: al no poseer lignina ni hemicelulosa para soporte de sus estructuras se evitan procesados químicos y enzimáticos que simplifican la producción de bioetanol.

En realidad, muchas empresas han mudado sus intereses de los biocombustibles a la nutracéutica (o una combinación de ambos) bucando mayor rentabilidad. Las algas poseen compuestos con interés nutricional y farmacéutico como ácidos grasos poliinsaturados (EPA, PUFA, DHA), vitaminas, aminoácidos esenciales, minerales, pigmentos (ficobilinas, carotenoides, etc). Son los famosos alimentos funcionales, un negocio presente y futuro…

En resumen: la producción de biocombustibles de algas por sí sola no es viable a escala comercial debido a los costes energéticos en comparación a los cultivos terrestres.

Aparte de los avances tecnológicos, el desarrollo de algas modificadas genéticamente para crecer en presencia de contaminantes (tanto en el agua como en el aire) y con un mayor rendimiento de lípidos, es una de las claves para que la producción de biocombustibles sea rentable en el futuro y un beneficio tanto para el medioambiente como las personas.

Volviendo al principio, citando a Bill Gates y sus amigos de Breakthrough Energy Coallition: “Technology will help solve our energy issues”.

Referencias:

-Biofuels Digest: Why Advanced Renewable Fuels Will Not Play A Significant Role In Meeting Climate Change Goals por Tim Sklar (30-XII-2015), Algae fuels, the Earth Room Problem, and Osmotic Shock Around the Clock por Jim Lane (26-VIII-2015), Where are we with algae biofuels? Parte I y II por Jim Lane (13 y 14-X-2014).
-Lam MK & Lee KT. Microalgae biofuels: A critical review of issues, problems and the way forward. Biotechnol. Adv. 30:673-690 (2012).