INTRODUCCIÓN

El metano es considerado una forma de energía renovable que se produce utilizando sistemas de bioingeniería a partir de la degradación de una amplia cantidad de sustratos orgánicos como aguas residuales, estiércol animal y residuos sólidos municipales e industriales. La recuperación de energía en forma de metano ocurre bajo condiciones libres de oxígeno a través del proceso de digestión anaerobia realizado por diferentes comunidades microbianas. Comparada con la digestión aerobia, la digestión anaerobia presenta diferentes ventajas como baja producción de sólidos y en consecuencia bajos requerimientos de nutrientes, opera con altas cargas orgánicas y permite la recuperación de energía en forma de biogás. Durante la última década se han estudiado e incluso aplicado diferentes estrategias para mejorar cada una de las etapas de la digestión anaerobia con el propósito de incrementar los rendimientos de metano (^{Kato et al., 2012}; ^{Liu et al., 2012}; ^{Zhao et al., 2015}; ^{Xu et al., 2020}). Una de las estrategias más estudiadas es el uso de materiales conductores de electrones, que permiten mejorar las relaciones sintróficas entre bacterias fermentativas y arqueas metanogénicas durante la producción de metano. La adición de materiales conductores abióticos, como los materiales a base de carbón y materiales metálicos, facilita la transferencia de electrones, lo cual permite un aumento en la producción de metano. Varios estudios han demostrado que facilitar la transferencia directa de electrones entre especies (DIET por sus siglas en ingles) en la digestión anaerobia puede mejorar significativamente la cinética de la metanogénesis, por lo que aumenta las tasas de producción de metano (^{Liu et al., 2012a}; ^{Dang et al., 2016}; ^{Zhao et al., 2015}; ^{Chen et al., 2014}; ^{Rotaru et al., 2014}), en comparación con los digestores convencionales (^{Zhao et al., 2015}; ^{Dang et al., 2016}).

PRODUCCIÓN DE METANO MEDIANTE DIGESTIÓN ANAEROBIA

Etapas de la digestión anaerobia

La digestión anaerobia de materia orgánica es un proceso bioquímico con reacciones en serie y paralelo, que ocurre por grupos de bacterias fermentativas e hidrolíticas (1), bacterias acetogénicas productoras de hidrógeno (2), bacterias acetogénicas consumidoras de hidrógeno (3), reductores de dióxido de carbono (4) y metanógenos acetoclásticos (5) (Figura 1). ^{Van Lier et al. (2008)} describen el proceso de digestión anaerobia que se divide en las siguientes cuatro etapas:

• Hidrólisis: es realizada por exoenzimas provenientes de bacterias fermentativas que son responsables de convertir materiales complejos (proteínas, carbohidratos y lípidos) en compuestos solubles de menor peso molecular, que pueden ser capaces de atravesar membranas bacterianas.

• Acidogénesis: los compuestos provenientes de la etapa hidrolítica son convertidos en compuestos más simples como ácidos grasos volátiles, alcoholes, ácido láctico, CO₂, H₂, NH₃ y H₂S.

• Acetogénesis: algunos de los productos intermediarios de la etapa anterior se convierten en acetato, hidrógeno y CO₂, con la producción de nuevas células.

• Metanogénesis: su producto principal es el metano a partir de la conversión de acetato, bicarbonato, ácido fórmico o metanol.

Fuente: adaptada de ^{Gujer y Zehnder, 1983}.

Figura 1 Proceso global de la digestión anaerobia de sustratos orgánicos para producción última de metano. Los números indican el grupo de bacterias involucrado: 1) bacterias hidrolíticas y fermentativas, 2) bacterias acetogénicas, 3) bacterias homoacetogénicas, 4) metanógenos hidrogenotróficos y 5) metanógenos acetoclásticos. 

TRANSFERENCIA DE ELECTRONES EN LA DIGESTIÓN ANAEROBIA

Los microorganismos son capaces de intercambiar electrones vía H₂ o formiato, entre células donadoras y aceptoras de electrones. El H⁺ es el principal aceptor de electrones de la digestión anaerobia, pero es de bajo potencial redox (E_H+/_H2 = -414 mV, pH = 7.0), lo que indica que es difícil oxidar la mayoría de los sustratos, incluyendo importantes intermediarios (E_NaD+/_NaDH = -320 mV, E_FADH/_FADH2 = -220 mV, E_Fd-ox/_Fd-red = -398 mV, pH = 7.0) (^{Buckel y Thauer, 2013}; ^{Kracke, Vassilev y Kromer, 2015}). Esta condición puede ocasionar lentitud en el metabolismo anaerobio y permitir la acumulación de H⁺ e intermediarios como ácidos grasos volátiles, lo que promueve un descenso del pH. Esta es una de las principales causas que ocasiona las bajas tasas de producción observadas durante la digestión anaerobia de compuestos orgánicos complejos (^{Yang et al., 2017}). La estrategia más conocida de transferencia de electrones entre bacterias fermentativas y arqueas metanogénicas es la transferencia de H₂ entre especies. Este proceso es frágil debido a que las arqueas metanogénicas hidrogenotróficas no son las especies dominantes, además de que la difusión de H₂ entre productores y metanógenos es baja (^{Stams et al., 2006}). Una ligera interrupción en el consumo de H₂ puede romper el balance del metabolismo sintrófico. Durante la digestión anaerobia de materia orgánica, especialmente para compuestos complejos, se requiere una adecuada transferencia de electrones para acelerar la digestión y favorecer su conversión eficiente hasta metano. La DIET es un proceso sintrófico que promueve de manera efectiva la transferencia de electrones. Este proceso sintrófico que ocurre en diferentes comunidades anaerobias, incluyendo las metanogénicas, en donde los microorganismos son capaces de ceder y aceptar electrones de forma directa entre especies, incrementando la productividad de metano (^{Rotaru et al., 2014}).

MECANISMOS DE LA DIET

La DIET es un proceso sintrófico que ocurre en comunidades microbianas anaerobias, en donde los electrones que son generados por microorganismos exoelectrogénicos son transferidos directamente hacia otros microorganismos vía 1) estructuras bióticas como proteínas de transporte localizadas en la membrana y pili conductivos, o 2) abióticamente mediante el uso de materiales conductores (Figura 2).

Fuente: modificado de ^{Lovley (2017, p. 645)}.

Figura 2 Mecanismos de transferencia de electrones entre especies de microorganismos (púrpura = donador de electrones, verde = aceptor de electrones) mediante el proceso DIET. a) Transferencia de electrones a través de pili eléctricamente conductivos (azul), b) transferencia de electrones entre proteínas de transporte (círculos y cuadros en azul), c) transferencia de electrones utilizando materiales conductores (cuadro naranja). 

MATERIALES CONDUCTORES A BASE DE CARBÓN

Los materiales conductores a base de carbón se han utilizado ampliamente para estimular el proceso DIET para la producción de metano (Tabla 1). Entre los más utilizados se encuentran el carbón activado granular (CAG), carbón activado en polvo (CAP), biocarbón, tela de carbón, nanotubos de carbón de pared múltiple o simple, grafeno y grafito (^{Park et al., 2018}). Sin embargo, los mecanismos específicos de transferencia de electrones en los cuales intervienen los materiales conductores aún no están claramente definidos (^{Zhao et al., 2017}). La conductividad eléctrica, área superficial, capacidad para formación de biopelícula, resistencia contra la corrosión y capacidad de adsorción de sustancias potencialmente tóxicas, son algunas características de los materiales a base de carbón que se asocian a la producción de metano (^{Watanabe, 2008}; ^{Pham, Aelterman y Verstraete, 2009}). En la Figura 3 se muestran los procesos en los que intervine el uso de materiales a base de carbón en la digestión anaerobia. La adición de 25 g/L de CAG y etanol como sustrato a un co-cultivo de Geobacter metallireducens y Methanosarcina barkeri, incrementó el metabolismo metanogénico, evidenciado el aumento de siete veces la concentración de metano producido, encontrando la adhesión de los microorganimos en la superficie del material (^{Liu et al., 2012}). Posteriormente, otros estudios también documentaron que la adición CAG (^{Rotaru et al., 2014}), biocarbón (^{Chen et al., 2014}) y tela de carbón (^{Chen et al., 2014}) aceleran el metabolismo del etanol a metano a través de DIET en co-cultivos con G. metallireducens y M. barkeri.

Fuente: elaboración propia.

Figura 3 Ejemplo de procesos en los que participan y favorecen los materiales conductores durante la digestión anaerobia y su impacto en la productividad de metano y otros productos. 

Después de los primeros hallazgos que demostraron el efecto del CAG sobre la producción de metano, también se encontró que la adicción de CAG a reactores anaerobios incrementa la tolerancia a altas cargas orgánicas (^{Xu et al., 2015}; ^{Dang et al., 2016}; ^{Lee et al., 2016}), aumenta la tasa de producción de metano (^{Lee et al., 2016}) y la tasa de consumo de ácidos orgánicos intermediarios (^{Peng et al., 2017}). Además del CAG, el efecto de materiales como fieltro de carbón, tela de carbón y grafito fue evaluado en la producción de metano utilizando comida para perro comercial (^{Dang et al., 2016}). Los resultados indican que en el reactor sin material la tasa conversión a metano disminuyó 43% y los ácidos grasos volátiles se acumularon ocasionando descenso en el pH <6.0. En contraste, los reactores adicionados con los materiales tuvieron un desempeño estable y eficiente, sin acumulación de ácidos orgánicos y tasas de conversión a metano superiores al 85%. El establecimiento de comunidades microbianas en los reactores correspondientes a los géneros Sporanaerobacter y Metanosarcina sobre la superficie de los materiales indica su capacidad para participar en el proceso DIET (^{Dang et al., 2016}).

La evidencia indica que la estrategia de introducir materiales a base de carbón en digestores anaerobios ayuda a fortalecer las asociaciones sintróficas entre bacterias y metanógenos y, por lo tanto, a mejorar la eficiencia del digestor (^{Zhao et al., 2015}). ^{Xu et al. (2015)} llevaron a cabo un estudio donde comparan diferentes tamaños de partícula de CAG (0.84-2.0 mm) y CAP (75-177 μm) para el tratamiento de agua residual sintética de cervecería, enriquecida con etanol y glucosa en reactores anaerobios de flujo ascendente (UASB por sus siglas en inglés) adicionando 5 g/L de cada material conductor. El control sin materiales tuvo una brusca disminución de pH de 7.8 a 5.5 debido a la acumulación de ácidos orgánicos, causando inhibición en la producción de biogás, mientras que los reactores con CAG y CAP permitieron amortiguar el pH con valores de 7.0 a 7.8. La producción de biogás en los reactores con CA aumentó simultáneamente con la carga orgánica, alcanzando una eficiencia de consumo superior al 90%. Una diferencia significativa entre ambos materiales fue el contenido promedio de metano en el biogás producido, para CAG fue de 64.1%, mientras que para CAP fue de 70.4% bajo la operación estable, lo que indica que la tasa de conversión de sustrato en metano fue ligeramente mayor con PAC, lo que podría ser el resultado de una cooperación sintrófica más eficiente. Sin embargo, el autor menciona que esta hipótesis necesita ser probada por investigaciones adicionales.

El biocarbón (BC) se produce a partir de biomasa derivada de plantas que se somete a tratamiento térmico en ausencia parcial o total de oxígeno (^{Qadeer y Hanif, 1994}). Se ha reportado que el BC mejora el proceso de digestión anaerobia al reducir significativamente la fase lag (^{Luo y Lu, 2014}; ^{Fagbohungbe et al., 2016}; ^{Lü et al., 2016}; ^{Jang, Choi y Kan, 2018}; ^{Wang et al., 2018}) y aumenta la producción de metano (^{Mumme et al., 2014}; ^{Zhao et al., 2015}; ^{Wang et al., 2018}). Un estudio realizado por ^{Fagbohungbe et al. (2016)} fue el primero en utilizar como sustrato los residuos de cáscara de cítricos, que han mostrado tener un efecto inhibitorio sobre la digestión anaerobia. El estudio incluyó diferentes tipos de BC encontrándose una disminución en la duración de la fase lag y una mayor producción de metano (11.5%), en relación con las incubaciones de residuos de cáscaras de cítricos sin materiales. El BC mitiga la inhibición del amonio (N-NH₄⁺) sobre la metanogénesis (^{Mumme et al., 2014}; ^{Lü et al., 2016}) y permite ofrecer superficies que pueden ser colonizadas por microorganismos (^{Kato, Hashimoto y Watanabe, 2012}). ^{Chen et al. (2014)} adicionaron BC a co-cultivos de G. metallireducens y G. sulfurreducens en un medio con etanol como donador de electrones y fumarato como aceptor de electrones, lo que estimuló el metabolismo sintrófico del etanol con la reducción de fumarato a succinato en dos días. En contraste, el co-cultivo control sin BC requirió 30 días para adaptarse al metabolismo del etanol. Las tasas de pérdida de etanol y producción de succinato con un extracto soluble en agua del biochar fueron solo ligeramente más rápidas que el control sin BC. Por tal motivo sugiere que la fracción de partículas del BC fue la principal responsable de estimular el metabolismo del cocultivo, debido a que las células se unieron al BC, lo que sugiere que los electrones probablemente se condujeron a través del BC, en lugar de las conexiones eléctricas biológicas. Dicho hallazgo indica que BC puede estimular la DIET y puede ayudar a explicar por qué el BC puede mejorar la producción de metano a partir de desechos orgánicos en condiciones anaerobias.

Materiales a base de carbón que no han sido ampliamente estudiados, como el grafeno, han demostrado ser una buena opción para el aumento en la producción de metano. ^{Lin et al. (2017)} evaluaron la oxidación de etanol al adicionar grafeno (1 g/L), dando como resultado un aumento del 25% del rendimiento de metano (695.0 ± 9.1 mL/g) y 19.5% más en la tasa de producción (95.7 ± 7.6 mL/g día). El análisis microbiano comprobó que especies electrogénicas de los géneros Geobacter y Pseudomonas junto con arqueas Methanobacterium y Methanospirillum podrían participar en la transferencia directa de electrones entre especies, indicando que el grafeno puede sostener un flujo de transferencia de electrones mucho mayor que la transferencia de hidrógeno convencional. Otro estudio reveló que las partículas de nanografeno tiene efectos significativamente positivos sobre la metanogénesis en la digestión anaerobia, ya que la tasa de producción de metano mostró aumentos desde 17.0% hasta valores por arriba de 50% con respecto al control (^{Tian et al., 2017}).

MATERIALES CONDUCTORES DE ORIGEN METÁLICO

La magnetita (Fe₃O₄) es un óxido de hierro bien conocido (contiene Fe [II] y Fe [III] en una proporción de 1:2) que tiene propiedades electroquímicas distintas dependiendo de sus estructuras cristalinas con una eficacia para promover la DIET (^{Sharma, Mahajan y Goel, 2019}). Distintas publicaciones destacan el papel de la magnetita (y otros materiales) como material conductor para promover la transferencia de electrones en asociaciones sintróficas con consorcios microbianos definidos y mixtos, diferentes sustratos, diferentes concentraciones y tamaño de partícula (Tabla 2). Una de las primeras investigaciones con materiales conductores de origen metálico fue llevada a cabo por ^{Kato et al. (2012)}, quienes utilizaron nanopartículas de óxido de hierro con diámetro de 10-50 nm y suelo de un cultivo de arroz como inóculo para enriquecer la comunidad microbiana. Fueron utilizados tres óxidos de hierro: magnetita, hematita y ferrihidrita, con una concentración final de 20 mM con respecto al Fe. Los experimentos se dividieron en dos etapas de enriquecimiento, la primera etapa fue enriquecido con acetato o etanol (20 mM). Cuando la metanogénesis alcanzó la fase estacionaria, una parte del cultivo de enriquecimiento se transfirió a una botella que contenía medio fresco (segunda etapa). Los resultados mostraron que la adición de nanopartículas de hematita y magnetita estimulaba significativamente la metanogénesis durante la oxidación de acetato y etanol, evidenciado por la disminución en la fase lag y aumento en la tasa de producción en comparación con el control sin los materiales. Dicha investigación abrió paso al estudio del mecanismo de la DIET en presencia de materiales conductores de origen metálico. ^{Zhuang et al. (2015)} utilizaron también suelo de un arrozal enriquecido con óxidos de hierro y benzoato como sustrato, obteniendo incrementos en la producción de metano con hematita de 4.1% y magnetita de 7.6% con respecto al control. Por otro lado, la metanogénesis no cambió en presencia de ferrihidrita.

La magnetita es un mineral abundante que podría desempeñar un papel crucial en los ciclos biogeoquímicos. Las partículas de magnetita han sido ampliamente utilizadas para el estudio de la DIET con diferentes matrices y sustratos, obteniendo resultados significativamente positivos. En un estudio utilizando propionato, lodo anaerobio y con una suspensión de partículas de magnetita (0.35 g Fe/L), permitió la degradación del propionato, con una fase lag ligeramente más corta (seis días frente a 16 días) y continuó hasta su finalización más rápidamente (48 días frente a 55 días) en comparación con el control no suplementado con magnetita. En presencia de partículas conductoras la tasa de producción de metano mejoró un 33%, comparado con control no modificado, a partir del propionato, un intermediario clave de la digestión anaerobia de materia orgánica y un sustrato modelo para estudiar comunidades sintróficas de energía. Los resultados sugieren que probablemente se debió al establecimiento de la DIET, basándose en que las partículas de magnetita sirven como conductores de electrones entre los acetógenos oxidantes de propionato y los metanógenos reductores de CO₂ (^{Cruz Viggi et al., 2014}). Además de sustratos modelo se han utilizado aguas residuales para evaluar el efecto de materiales metálicos. En un estudio realizado por ^{Baek et al. (2015)} utilizaron tres reactores anaerobios de 2 L para tratar aguas residuales de industria láctea operados en modo discontinuo por 30 días. Para estimular la producción de metano fueron adicionados con oxihidróxido férrico y magnetita. El consumo de DQO después de 30 días fue de 31.9%, 59.3% y 82.5% en los reactores control, con oxihidróxido férrico y magnetita, respectivamente. La DQO consumida se recuperó casi por completo como biogás con oxihidróxido férrico y magnetita, mientras que solo el 79% se recuperó en el control.

Los diferentes sustratos permiten tener diferencias marcadas en la producción de metano utilizando magnetita como conductor de electrones, ya que se reportan incrementos desde 7.3% (^{Peng et al., 2017}), 15.4% (^{Yin et al., 2018}), 16.1% (^{Zhang, Li y Wang, 2019}) hasta valores que van de 50% (^{Zhao et al., 2017}; ^{Wang et al., 2018}) a 90% [46]. Estas diferencias significativas también están relacionadas con las propiedades de la magnética tales como su cristalinidad y conductividad, así como también la concentración y tamaño de partícula. El uso de nanomateriales naturales o artificiales como conductores de electrones para acelerar la producción sintrófica de metano puede ayudar a los microorganismos a ahorrar energía para la biosíntesis de las conexiones extracelulares, biológicas y eléctricas (^{Zhang y Lu, 2016}). Recientes estudios confirmaron que la adición de nanomagnetita mejoró la interacción entre microorganismos sintróficos y aceleró la producción de metano a partir de diferentes sustratos, como etanol, acetato, propionato y butirato (^{Martins et al., 2018}). En un estudio llevado a cabo por ^{Ren et al. (2019)}, utilizaron partículas de nanomagnetita por primera vez en un proceso de electrometanogénesis con aguas residuales de una granja lechera, mejorando la tasa de producción de metano 2.3 veces mayor que en el proceso de metanogénesis convencional y una fase lag casi nula. La conductividad de la nanomagnetita disminuyó efectivamente la resistencia de la biopelícula y facilitó la transferencia de electrones y la transferencia de masa durante la vía electroquímica de la metanogénesis, incluso cuando los metanógenos no estaban cerca de la superficie del electrodo.

En una investigación reciente se muestra el uso de materiales conductores como la magnetita aplicada a la etapa acidogénica y con CAG aplicado a la etapa acidogénica, utilizando agua residual sintética de la industria de lácteos como sustrato (^{Zhao et al., 2017}). Los resultados indican que el reactor con magnetita tenía una ventaja considerable en la degradación de compuestos orgánicos complejos, con producción significativa de hidrógeno que permitió enriquecer la comunidad metanogénica hidrogenotrófica. Por otro lado, el reactor con CAG permitió la conversión sintrófica de los productos de la fermentación a metano vía DIET, obteniendo tasas de producción de metano superiores.

CONCLUSIÓN

El conocimiento fundamental y los avances tecnológicos de los procesos de digestión anaerobia han evolucionado significativamente en las últimas décadas. Por tal motivo, es necesario documentar los avances científicos y tecnológicos por medio de la revisión bibliográfica, que permite tener trabajos con datos actualizados que formen parte del conocimiento universal, que es el objetivo del presente documento. El metano es una fuente de energía renovable que se puede producir en sistemas controlados de bioingeniería a partir de una amplia gama de sustratos orgánicos, incluyendo residuos agroindustriales. El tipo de material conductor, el sustrato y el modo de operación de los sistemas de digestión anaerobia son los que definirán la producción de metano. Los mecanismos de producción de metano involucrados con el uso de materiales conductores no han sido completamente elucidados; sin embargo, algunas características como la conductividad eléctrica, potencial redox, área específica, capacidad de transferencia de electrones y la rugosidad de los materiales parecen ser factores importantes. El uso de materiales conductores permite establecer comunidades microbianas que soporten el proceso DIET y que permitan mejorar la productividad de metano como la fase lag, tasa de producción, cantidad y calidad del metano, acoplado a altas eficiencias de degradación de la materia orgánica. Además, la combinación de materiales es una solución prometedora para incrementar la eficiencia de la digestión anaerobia y fomentar la industria del biogás, con el fin de cumplir con la demanda de energía actual y en el futuro.