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Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 10236 (2022) Citar este artículo

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Lograr la neutralidad de carbono requiere una variedad de enfoques tecnológicos. En el presente estudio, confirmamos la aplicabilidad de un sistema del ciclo del carbono en varios campos industriales utilizando bacterias oxidantes de azufre. Este sistema produce un fertilizante nitrogenado que reduce las emisiones de carbono reciclando los contaminantes H2S y NH3 vertidos a la atmósfera o a las aguas residuales. Debería considerarse en los ámbitos industriales como una estrategia de reducción de carbono.

La reducción de los gases de efecto invernadero es sin duda una tarea que todos deberían emprender en esta era para el avance continuo de la humanidad. Numerosos estudios han investigado formas de lograr un ciclo virtuoso del carbono reciclando CO2, el gas de efecto invernadero con mayor emisión, para reemplazar los productos convencionales a base de petróleo. Estas tecnologías de conversión de CO2 se dividen en términos generales en conversión química y biológica, incluida la conversión catalítica térmica, electroquímica y fotoquímica, según el método de producción de energía; esta última implica principalmente el uso de luz, hidrógeno y electricidad como fuente de energía1. Estos métodos se basan principalmente en el desarrollo tecnológico bajo la condición de suministro de energía renovable para aprovechar la energía de la luz solar, el viento y el calor geotérmico. Sin embargo, en regiones con un nivel insuficiente de energía renovable, existe un límite al uso de dichas tecnologías para reducir las emisiones de CO2.

Para superar este problema, se propuso un sistema novedoso para el ciclo virtuoso del carbono, mediante el cual la energía química de los recursos residuales se utiliza para reducir el CO2 y producir sulfato de amonio ecológico. El sistema se basa en una tecnología central que aplica bacterias oxidantes de azufre (SOB), quimiolitotrofos que fijan CO2 a través de la vía cbb utilizando azufre reducido como fuente de energía. Entre los tres tipos conocidos (acidófilos, neutrófilos y alcalófilos), el género más estudiado es Acidithiobacillus, que se aplica en el campo de la biominería2.

Acidithiobacillus puede sobrevivir a un pH de 0,5 para permitir el suministro directo de CO2 a partir de los gases de combustión como fuente de carbono. Las pruebas a escala de laboratorio mostraron un beneficio adicional al eliminar los óxidos de azufre (SOx) y una pequeña cantidad de óxidos de nitrógeno (NOx) a través del biorreactor (Figura 1 complementaria). El crecimiento microbiano es activo incluso en una concentración alta (14-15%) de solución de amoníaco y se utiliza como regulador del pH, lo que la hace adecuada para la producción de sulfato de amonio biológico (BAS). En un sistema de cultivo de reactor de tanque agitado continuo optimizado (Fig. 1a, b), el uso de bioazufre como fuente de energía conduce a una tasa de conversión de CO2 de 8,8 a 10,4 g/L/D y una producción de sulfato de amonio de 28 a 65 g. /L. La tasa de conversión de CO2 fue ligeramente menor (5,6–6,3 g/L/D) cuando se utilizó azufre químico como fuente de energía, posiblemente porque el azufre químico tiene partículas grandes e hidrofóbicas que son relativamente difíciles de absorber por las bacterias. Por el contrario, las partículas de bioazufre son pequeñas e hidrófilas. El SOB utilizado en este estudio fue la cepa AZ11 aislada del suelo para la eliminación de H2S por Lee et al.3 El análisis de secuencia de ADN cromosómico mostró que AZ11 es una nueva especie con menos del 82% de homología con especies conocidas de Acidithiobacillus (Figura complementaria 2). . La tasa de conversión de CO2 utilizando esta nueva especie fue de seis a siete veces mayor que la de las cianobacterias más conocidas, lo que indica una tasa más rápida que cualquier otra cepa reportada en el sistema biológico continuo de conversión de CO24.

Conversión directa de CO2 por bacterias oxidantes de azufre y su aplicación en diferentes industrias. (a) Condiciones de cultivo optimizadas a escala de laboratorio. (b) Tasa de conversión de CO2 de bacterias oxidantes de azufre (SOB) en un reactor de tanque agitado continuo (CSTR). (c) Un sistema de ciclo del carbono propuesto en la industria petroquímica y (d) en la industria de la digestión anaeróbica. Las flechas negras indican el sistema convencional y las flechas punteadas verdes indican los nuevos procesos.

Se espera que el ciclo virtuoso del carbono que utiliza SOB resulte útil en todas las industrias que descargan CO2, azufre reducido o nitrógeno reducido. Por ejemplo, puede aplicarse en la industria petrolera y en la digestión anaeróbica biológica de recursos residuales (alimentos, estiércol, subproductos agrícolas y lodos de aguas residuales) (Fig. 1c, d).

En la industria petrolera, entre el 0,3% y el 5% del nitrógeno contenido en el petróleo crudo se convierte en NH3 durante el proceso de refinación (Fig. 1c), seguido de su alimentación a la planta de recuperación de azufre mediante extracción en la unidad de tratamiento de aguas ácidas. El NH3 se oxida principalmente a N2 en la cámara de combustión, pero también se generan entre 50 y 70 ppm de NOx seco con O2 al 3%. Recientemente se ha informado que es más viable económicamente aplicar NH3 como materia prima en fertilizantes de amoníaco aislándolo del gas de extracción de agua agria mediante una extracción de doble etapa5. Así, DuPont produce fertilizantes de sulfato de amonio combinando el NH3 recuperado y el ácido sulfúrico producido con gases de azufre6. Si SOB puede producir ácido sulfúrico mientras se aplica NH3 recuperado como regulador de pH en el cultivo, se puede lograr un proceso ecológico que pueda capturar CO2 directamente con la producción de BAS.

El ámbito de aplicación puede ampliarse al proceso de digestión anaeróbica para obtener biogás a partir de recursos biológicos o al sistema de fermentación anaeróbica para producir gas de vertedero (Fig. 1d). El C, el N y el S de la alimentación se convierten en CH4 y CO2, aguas residuales NH4-N y H2S, respectivamente, mediante bacterias anaeróbicas facultativas y estrictamente anaeróbicas. El gas H2S se produce en el rango de 100 a 3000 ppm y se elimina mediante el proceso de desulfuración seca a base de ferris o el proceso húmedo a base de sodio, mientras que estas conocidas instalaciones comerciales no plantean problemas técnicos. Sin embargo, la desulfuración seca genera costos de vertedero para el tratamiento de residuos de agentes desulfurantes usados, y la desulfuración húmeda genera costos de tratamiento de aguas residuales. El proceso de desulfuración de Thiopaq permite recolectar recursos de azufre para su reutilización como pesticidas y, a pesar del alto costo, existe una ventaja considerable de extraer valores adicionales de los productos de bioazufre7. El nivel de nitrógeno total producido en el efluente de la digestión anaeróbica es de aproximadamente 3000 mg/L, y debido a la relación C/N extremadamente baja de 1,7 a 3,9, surge un problema en el suministro de carbono orgánico adicional en el proceso de lodos activados para la desnitrificación. Ciertamente es posible recuperar amoníaco mediante extracción, o se puede considerar la producción de carbonato de amonio mediante reacción de CO2 dependiendo de las demandas del producto y la viabilidad económica general8. En general, el proceso convencional se centra únicamente en la recuperación de recursos de carbono para permitir el tratamiento de residuos de nitrógeno y azufre en el proceso más barato que satisfaga los criterios legales. Supongamos que se selecciona un proceso que maximiza el ciclo de los recursos conectando el CO2 y la energía química desperdiciada; en ese caso, se podrá establecer el sistema del círculo virtuoso, mediante el cual el nitrógeno y el azufre obtenidos de la naturaleza pueden convertirse en productos fertilizantes nitrogenados de alto valor agregado para finalmente regresar a la naturaleza a través de la agricultura.

Las fuentes de carbono en la Tierra incluyen C, H, O, N y S, lo que lleva a la formación de CO2, NH3, NOx, H2S o SOx en el proceso de producción de energía por parte de los humanos. Si bien el CO2 puede liberarse directamente a la atmósfera, las sustancias (H2S/SOx y NH3/NOx) requieren instalaciones medioambientales que controlen su vertido según criterios de seguridad en materia de toxicidad. Entre ellas, las formas oxidadas (SOx y NOx) se consideran sustancias estables con bajos niveles de energía, pero las formas reducidas (H2S y NH3) tienen potencial oxidante, y dicha energía química podría usarse como energía para la conversión de CO2 basada en SOB. en lugar de ser tratados como residuos que requieren energía adicional. Por lo tanto, se puede ahorrar energía para el tratamiento de H2S y NH3 y se puede lograr la máxima utilización de recursos simultáneamente.

El reciclaje de recursos que conecta el SOB y los productos de desecho de C, N y S aún se encuentra en la etapa de prueba de concepto; por lo tanto, más estudios deberían desarrollar formas de mejorar la tasa de conversión de CO2 a un nivel mucho mayor. Si la tasa de crecimiento y la concentración de SOB se aumentaran a 2,0/día y 20 g/L, respectivamente, mediante ingeniería genética u optimización del cultivo presurizado, la reducción anual prevista de CO2 sería de aproximadamente 10.000 toneladas por año, con una producción de 64.000 toneladas. de BAS, que es un volumen similar al reactor comercial de producción de etanol de Lanzatech (500 m3) (Tabla complementaria 1). Además, un estudio metabolómico realizado por Martínez et al. demostraron que las especies de Acidithiobacillus también podrían conducir a la producción de sustancias beneficiosas, incluidos el glutatión y el ácido aspártico9.

El sulfato de amonio producido mostraría un flujo másico de material mucho más corto que el mostrado en el sistema de producción convencional, involucrando azufre fundido producido a través de la reacción de Claus en el proceso de refinación para ser suministrado al mercado comercial, después del cual se convierte en ácido sulfúrico por el fabricante de materia prima de fertilizantes y luego se utilizó para producir sulfato de amonio mediante la reacción con amoníaco producido en el proceso Haber-Bosch. Como es bien sabido, el proceso Haber-Bosch es uno de los mayores consumidores de energía y emisor de gases de efecto invernadero a nivel mundial, responsable del 1,2% de las emisiones antropogénicas globales de CO2; por lo tanto, actualmente se justifican métodos de producción alternativos10. Por lo tanto, el concepto de utilizar el abundante subproducto de azufre como energía y NH3, que se quema convencionalmente como residuo en plantas de refinación de petróleo, es muy atractivo, ya que se puede lograr simultáneamente la reducción de CO2 y la producción de fertilizantes nitrogenados que contienen sulfato de amonio.

Si se puede utilizar la ingeniería genética y el cultivo optimizado para mejorar la tasa de conversión de CO2, la reducción de los gases de efecto invernadero y los problemas relacionados con los fertilizantes pueden resolverse hasta cierto punto en las regiones donde el uso de energías renovables, como la luz solar y el viento, está prohibido. limitado. Por lo tanto, se prevé que la tecnología para mejorar la tasa de conversión de CO2 sirva como una solución realista y neutra en carbono en el futuro.

La cepa Acidithiobacillus AZ11 se obtuvo de la Colección Coreana de Cultivos Tipo (KCTC). Se inocularon células bacterianas de la placa de agar en 50 ml de medio basal que contenía 10 g/l de azufre (Bio-azufre, Ecobio, Corea; azufre químico, Samchun Chemicals, Corea), 3 g/l de KH2PO4, 1 g/l (NH4 )2SO4, 0,5 g/L de MgSO4, 0,25 g/L de CaCl2 y 0,01 g/L de FeSO4. Luego, el matraz se incubó a 30 °C durante aproximadamente 7 días en una incubadora de CO2 de 2000 ppm.

Los cultivos se realizaron en un reactor de tanque agitado (Sartorius AG, Alemania) con un impulsor radial de 6 palas sin deflector. El caldo de cultivo del matraz se inoculó en el recipiente (1,5 l de volumen de trabajo) con un inóculo al 3%. El medio de cultivo fue un medio basal que contenía 30 g/l de azufre, 8 g/l de KH2PO4, 0,5 g/l de MgSO4, 0,25 g/l de CaCl2 y 0,01 g/l de FeSO4. La aireación se realizó a través de un micro rociador a 0,3–0,6 vvm y la velocidad de agitación se fijó en 700–900 rpm dependiendo de la dispersión de azufre. La temperatura de cultivo fue de 37 °C y el pH se mantuvo en 3,5 añadiendo 14-15% de NH4OH para neutralizar el ácido sulfúrico producido. El caldo de cultivo se filtró a través de una fibra hueca (PES, tamaño de poro 0,2 μm, Repligen Corp., EE. UU.) cuando la concentración de sulfato alcanzó más de 40 g/l. Los productos se recogieron usando una bomba peristática y el volumen de cultivo se mantuvo mediante la adición de medio fresco. Las presiones parciales de oxígeno y dióxido de carbono fueron 0,4 bar.a y 0,06 bar.a, respectivamente.

Los productos recolectados se centrifugaron a 12227 rcf durante 20 minutos y el carbono orgánico de los sobrenadantes se analizó mediante un analizador de carbono orgánico total (Shimadzu Corp., Japón). Los precipitados se liofilizaron y los contenidos de carbono se analizaron mediante un analizador elemental (Thermo Fisher Scientific Inc., EE. UU.). La tasa de conversión de CO2 se calculó utilizando la siguiente ecuación:

donde V es la tasa de conversión de CO2 (g de CO2/L/día), C es el contenido de carbono total (g/L) y μ es la tasa de crecimiento específica [1/día].

La concentración celular se determinó utilizando un contador de células automatizado basado en imágenes (Logos Biosystems Inc., Corea). La concentración de sulfato se analizó mediante cromatografía líquida de alta resolución utilizando un sistema Waters que consta de un detector de índice de refracción y una columna Bio-Rad Aminex-HPX-87H (300 × 7,8 mm). La temperatura de la columna se ajustó a 60 °C y la celda de flujo del detector se mantuvo a 45 °C. La fase móvil fue ácido sulfúrico 0,005 M.

Los datos utilizados en este estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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La financiación fue proporcionada por el Instituto de Ciencia y Tecnología Ambientales, SK Innovation.

Centro de I+D medioambiental, Instituto de ciencia y tecnología medioambientales, SK Innovation, 325 Expo-ro, Yuseong-gu, Daejeon, 305-712, Corea del Sur

Yeon Hwa La, Ki-Sung Lee, Tae-Wan Kim y Jae Yang Song

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YHL escribió el texto del manuscrito y realizó cultivos microbianos. KSL realizó análisis de especies microbianas. TWK y JYS contribuyeron al análisis de los datos. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Yeon Hwa La.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

La, YH, Lee, KS., Kim, TW. et al. Un sistema de secuestro de carbono y reciclaje de residuos basado en bacterias. Informe científico 12, 10236 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-14239-1

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Recibido: 13 de septiembre de 2021

Aceptado: 03 de junio de 2022

Publicado: 28 de junio de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-14239-1

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