Este artículo muestra las directrices para lograr el éxito en la producción microbiológica de hidrógeno (a microescala) como experiencia en un laboratorio de educación secundaria obligatoria y las repercusiones sociales como fuente de energía renovable

López Pérez, José Pedro

Revista eureka sobre enseñanza y divulgación de las ciencias

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Repositorio de Objetos de Docencia e Investigación de la Universidad de Cádiz

Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias 8 (2), 201-204, 2011                                          CIENCIA RECREATIVAMicrobiología de la producción de hidrógenoJosé Pedro López PérezIES “Ortega y Rubio”. 30170. Mula. Murcia. España.josepedro.lopez@murciaeduca.es[Recibido en septiembre de 2010, aceptado en marzo de 2011]Este  artículo  muestra  las  directrices  para  lograr  el  éxito  en  la  producción  microbiológica  de  hidrógeno  (a  microescala) como experiencia en un laboratorio de educación secundaria obligatoria y las repercusiones sociales  como fuente de energía renovable.Palabras claves: microbiología; producción de hidrógeno; educación secundaria; coliformes; Escherichia coli.Microbiology of the hydrogen productionThis communication shows the indications to achieve the success in the hydrogen microbiological production (to  microscale) as an experience in the compulsory secondary education laboratory and the social repercussions as a  renewable energy source.Keywords: microbiology; hydrogen production; secondary education; coliform; Escherichia coli.La sociedad creada tras la Revolución Industrial decimonónica demanda, día tras día, enormes cantidades de energía. Petróleo, derivados y carbón son las principales fuentes energéticas que proporcionan el avance social tan esperado desde hacía décadas pero, en cambio, provocan un importante impacto ambiental en nuestro planeta, contaminando la atmósfera con gases de efecto invernadero (CO2, CH4...), tras su combustión.El uso indiscriminado de estas fuentes energéticas va a suponer su agotamiento a corto y medio plazo, haciéndose necesario la búsqueda de nuevos recursos que suplan a los primeros y que cumplan tres premisas: baratos, limpios y renovables. Desde hace siglos, la humanidad  ha utilizado la energía eólica para movilizar las piedras pesadas de los molinos de viento. En la actualidad, se utiliza una versión mejorada para el aprovechamiento más óptimo de la misma, los aerogeneradores. Otras, como la energía fotovoltaica, la procedente de la combustión de la biomasa, la incipiente energía mareomotriz... son algunas de las energías renovables que entran en juego por competir como alternativa frente al petróleo y carbón.El hidrógeno, gas más abundante en el universo, se empieza a considerar como una fuente  renovable de energía, tanto o más eficiente que el petróleo en cuanto a poder calorífico e incapaz de causar fuertes impactos ambientales, ya que no emite dióxido de carbono a  la atmósfera. No obstante, esta consideración no es del todo cierta ya que, en la actualidad, un  elevado porcentaje del hidrógeno utilizado en el mundo se extrae del gas natural que, durante su procesado, libera grandes cantidades de CO2 a la atmósfera (Calvo et al., 2007).Alternativas a esta fuente de producción de hidrógeno sería la electrolisis de la molécula de  agua. Sin embargo, la pregunta inmediata que surte tras este enunciado sería de dónde resulta la energía necesaria para llevar a cabo la ruptura de la molécula. Como respuesta indiscutible,  el  procedimiento  sería  recurrir  a  energías  no renovables.  No obstante,  si  buscamos en el  mundo microbiano, un grupo de bacterias entéricas, los coliformes, son capaces de producir enormes  cantidades  de  este  “gas  milagroso”  como  resultado  final  de  su  metabolismo fermentativo.Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las CienciasUniversidad de Cádiz. APAC-Eureka. ISSN: 1697-011XDOI: 10498/10854   http://hdl.handle.net/10498/10854http://reuredc.uca.es JOSÉ PEDRO LÓPEZ PÉREZ                                                                                                             MICROBIOLOGÍA DE LA PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENOLa fermentación de azúcares por el grupo de las bacterias entéricas tiene lugar mediante la ruta de Embden-Meyerhof  (glucólisis)  que  concluye en la  producción de ácido pirúvico (Figura 1). El piruvato puede seguir diferentes  caminos  de carboxilaciones  y  reacciones  de óxido-reducción  dando  lugar  a cuatro  ácidos  generales  de fermentación: el lactato, el succinato, el  acetato  y  el  formiato.  La descomposición  del  ácido  fórmico es  la  responsable  de  la  producción de  hidrógeno.  Las  bacterias pertenecientes  a  los  géneros Escherichia,  Salmonella,  Shigella, Proteus,  Yersinia,  Vibrio  y Photobacterium presentan el enzima formicohidrogenilasa  que  rompe  la molécula de ácido en de dióxido de carbono e hidrógeno (Madigan et al., 2004, pág. 375-377).En el laboratorio de Educación Secundaria podemos constatar de forma sencilla la producción de ácido y gas por parte de este grupo microbiano empleando un caldo de cultivo rico en un azúcar fermentable, la lactosa (disacárido constituido por glucosa y galactosa), y un artilugio  que ponga de manifiesto la producción de gas por acumulación del mismo en su interior, la campana de Durham (construida tras la modificación de una pipeta de vidrio Pasteur en la llama de un mechero Bunsen).Para lograrlo, en un matraz de un litro de capacidad disponemos los siguientes ingredientes  para confeccionar un caldo nutritivo para el cultivo de microorganismos: 1 litro de agua del  grifo, 20 g de triptona (que puede ser sustituida por una pastilla de concentrado de extracto de  carne), 2.75 g de K2HPO4, 2.75 g de KH2PO4, 5 g de cloruro de sodio y 0.1 g de lauril sulfato de sodio (que puede ser sustituido por detergente de lavavajillas). El pH final de medio de  cultivo oscilará alrededor de 6.8± 0.2.El lauril sulfato de sodio es un detergente aniónico que ejerce la función de agente selectivo en nuestra  experiencia.  Los  coliformes  (bacterias  gramnegativas1)  serán  capaces  de  resistir  la acción desnaturalizante del detergente sobre las membranas lipídicas celulares.Se verterán 9 ml de este caldo de cultivo y unas gotas de indicador de pH (solución 1% de azul de  bromotimol)  en  el  interior  de  un  tubo  de  ensayo  (10x150  mm)  provisto  de  un  vial invertido, la campana de Durham (Figura 2A). Para que el medio de cultivo invada el interior  del vial será necesario calentar con cuidado el tubo de ensayo y llevar a ebullición el caldo.  Tras su lento enfriamiento, podrá comprobarse como éste invade el interior de la campana.La muestra a análisis portadora de coliformes va a consistir en un agua de albañal o efluente  de depuradora. Tomando las medidas oportunas de prevención de cualquier contagio por el 1 Grupo microbiano procariota que arquitectura su superficie celular más externa en tres capas: (1) membrana externa, (2) fina pared de péptido-glicano o mureína y (3) membrana plasmática.202 H3C C COOHOH3C CH COOHOHH2CH2C COOHCOHOCO2COH3C S CoA+CoA-SHHCOOHCO2H2CoA-SHCOOHH3CCoA-SHH2C OHH3CGLUCOSARuta de Embden-Meyerhof+4H+2HÁcido láctico Ácido succínicoÁcido pirúvicoÁcido fórmico Dióxido de carbonoHidrógeno molecularAcetil-CoAÁcido acéticoEtanol+4HFigura 1. Ruta bioquímica de formación de los ácidos (negrita) y otros productos finales de una fermentación ácido mixta a partir de ácido pirúvico (según Madigan et al., 2004; pág. 376).Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias 8 (2), 201-204, 2011                                                 CIENCIA RECREATIVAcontacto directo con este tipo de agua (López Pérez  et al., 2010), mediante la ayuda de una pipeta y de un succionador se inoculará 1 ml de muestra  en el tubo de ensayo que contiene  del caldo de cultivo. La incubación se llevará a temperatura ambiente (si bien la temperatura óptima es de  37 ºC) durante 24 y 48 horas.Figura 2. Aspecto del tubo de fermentación al inicio de la práctica, previa a la incubación con la muestra de agua de  albañal  (A)  y  posterior  a  la  incubación durante  48 horas,  a  temperatura  de  37 ºC,  48 horas  (B).  Puede comprobarse  una  variación en la  coloración del  indicador de  pH (verde,  pH 6.8  → amarillo,  pH 3.2)  y  la  producción de gas en los tubos de fermentación.Transcurrido este período de tiempo se podrá comprobar un viraje de coloración en el tubo de ensayo: verde-azulado (pH cercano a la neutralidad) hacia el amarillo (pH ácido), y una visualización de gas acumulado en el interior del vial dentro del tubo de ensayo, así como un burbujeo tras agitar con suavidad el tubo de fermentación (Figura 2B). Los gases consisten en concentraciones  equimoleculares  de  hidrógeno  y  dióxido  de  carbono  procedentes  de  la ruptura de la molécula de ácido fórmico por aquellas bacterias que porten en su maquinaria  enzimática el formicohidrogenilasa (Figura 1). El cambio de coloración será consecuencia de una modificación en la estructura molecular del indicador de pH, azul de bromotimol (Figura 3 en López Pérez, 2000), bajo condiciones variables de concentración de hidrogeniones (pH ácido / básico) en el medio de cultivo.La  importancia  de  esta  experiencia  radica  en  el  hecho  sustancial  de  que  mediante  una rudimentaria  tecnología  de  laboratorio  se  puede  poner  de  manifiesto  –a  microescala–  el  funcionamiento de un fermentador industrial para la producción de un recurso energético de envergadura internacional. Sin ir más lejos, algunas publicaciones recientes van dirigidas a la mejora genética de algunas especies de Escherichia coli portadoras de esta enzima para producir cantidades considerables del gas hidrógeno (Waks y Silver, 2009; Yoshida et al., 2007).203 JOSÉ PEDRO LÓPEZ PÉREZ                                                                                                             MICROBIOLOGÍA DE LA PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENOFigura 3. Estructura química del indicador de pH azul de bromotimol en medio ácido y básico (López Pérez, 2000).El tiempo estimado para la realización y explicación de esta experiencia es de 55 minutos (1  clase). Con ayuda de un asa de Kolle pueden tomarse alícuotas del tubo de fermentación (tras  la incubación durante 48 horas a 37 ºC) y realizar observaciones de los microorganismos al  microscopio óptico de campo claro (previa tinción) o de contraste de fase.ReferenciasCalvo D., Molina M.T.; Salvachúa J. (2007). Ciencias de la Tierra y medioambientales. Bachillerato. 4ª Edición. Editorial McGraw Hill/Interamericana. Barcelona.López  Pérez  J.P.  (2000).  Microbiología  de  las  aguas  potables  de  redes  de  distribución  urbana  y  caracterización  de  una bacteria  típica  de  red.  Tesis  de licenciatura.  Premio trabajo fin  de carrera. Departamento de Genética y Microbiología. Universidad de Murcia. Inédito.López  Pérez  J.P.,  Jiménez  J.J.,  Fabregat  A.  y  Gutiérrez  J.A.  2010.  Microbiología  de  la producción  controlada  de  sulfuro  de  hidrógeno.  Una  experiencia  de  trabajo  en  el laboratorio de educación secundaria. Rev. Eureka Enseñ. Divul. Cien. 7 (2), 573-578. En línea en: http://reuredc.uca.esMadigan M.T., Martinko J.M. y Parker J. (2004). Brock: Biología de los microorganismos. 10ª edición. Prentice Hall.Waks  Z.  y  Silver  P.A.  2009.  Engineering  a  synthetic  dual  organism system for  hydrogen production. Appl. Environ. Microbiol. 75 (7): 1867-1875.Yoshida A., Nishimura T., Kawaguchi H., Inui M. y Yukawa H. (2007). Efficient induction of formate  hydrogen  lyase  of  aerobically  grown  Escherichia  coli  in  a  three-step biohydrogen production process. Appl. Microbiol. Biotechnol. 74 (4): 754-760.204

Microbiology of the hydrogen production

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