BIO-FÁBRICAS, ENFOQUE ECOTECNOLÓGICO PARA EL CONTROL DE LA CONTAMINACIÓN AMBIENTAL, RECUPERACIÓN Y REUSO DE RECURSOS

CHRISTIAN STEPHANO JIMÉNEZLILIANA YANETH MENA

UNIVERSIDAD DEL VALLE

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERIA DE LOS RECURSOS NATURALES Y DEL AMBIENTE

SANTIAGO DE CALI

2016

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BIO-FÁBRICAS, ENFOQUE ECOTECNOLÓGICO PARA EL CONTROL DE LA CONTAMINACIÓN AMBIENTAL, RECUPERACIÓN Y REUSO DE RECURSOS

CHRISTIAN STEPHANO JIMÉNEZLILIANA YANETH MENA

Informe del trabajo final en la materia Ecotecnología

Presentado a:

PhD. JULIA ROSA CAICEDO

UNIVERSIDAD DEL VALLE

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERIA DE LOS RECURSOS NATURALES Y DEL AMBIENTE

SANTIAGO DE CALI

2016

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TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCIÓN..................................................................................................................51. LAS NUEVAS BIO-FÁBRICAS....................................................................................62. BIO-FÁBRICAS............................................................................................................10

2.1 Clases de producciones de las Biofábricas.............................................................122.2 Fermentacion..........................................................................................................13

3. Biotecnología aplicada a la producción vegetal............................................................133.1 Producción de inoculantes bacterianos. El uso de inoculantes a base de microorganismos bacterianos y los beneficios para la agricultura sostenible...................14

3.1.1 Tipos de inoculantes:....................................................................................15

3.1.2 Inoculantes con bacterias promotoras del crecimiento vegetal................15

3.1.3 Producción de inoculantes bacterianos.......................................................16

3.1.4 Mecanismos de acción...................................................................................16

4. Biocombustibles transgénicos. Hacia un desarrollo sustentable...................................184.1 Más cerca del biopetróleo.......................................................................................194.2 Las biofábricas de petróleo “in situ”......................................................................20

BIBLIOGRAFÍA..................................................................................................................21

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INTRODUCCIÓN

Durante el siglo XX, la creciente sensibilización respecto al impacto de las actividades humanas en el medio ambiente y la salud pública, ha dado lugar al desarrollo y la utilización de diferentes métodos y tecnologías para reducir los efectos de la contaminación. En este sentido, los gobiernos han adoptado medidas de carácter normativo y político para minimizar los efectos negativos y garantizar el cumplimiento de las normas sobre calidad ambiental y de esta manera también incentivar el uso de las nuevas tecnologías para el apropiado desarrollo de nuevos procesos.

La rápida industrialización ha dado lugar a innumerables accidentes que han contaminado los recursos terrestres, atmosféricos y acuáticos con materiales tóxicos y otros contaminantes, amenazando a las personas y los ecosistemas con graves riesgos para la salud. El uso cada vez más generalizado e intensivo de materiales y energía ha originado una creciente presión en la calidad de los ecosistemas locales, regionales y mundiales.

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1. LAS NUEVAS BIO-FÁBRICAS

Los seres humanos han estado modificando los sistemas biológicos para nuestro propio beneficio económico durante milenios. Mejoras en el rendimiento de los cultivos y la productividad de la agricultura en general han venido de una alteración permanente de la composición genética - a través de la selección y cría - de las plantas y animales en los que nos apoyamos. Ahora nos encontramos en los albores de una nueva era de la modificación genética directa. Mientras que el término "forma de vida artificial" evoca imágenes de cyborgs u otras creaciones de la ciencia ficción, las primeras criaturas tan "artificiales" serán realmente microorganismos unicelulares. A pesar de que estas formas de vida humanas de ingeniería serán extremadamente sencillas, tendrán un enorme impacto en nuestro mundo. Su mayor potencial: la creación de biocombustibles y biomateriales, que tienen la promesa de transformar toda nuestra economía.

Figura 1. Cultivo de microalgas a nivel de Laboratorio

Los primeros organismos explícitamente artificiales salieron de la tecnología del ADN recombinante a mediados de la década de 1970; esta tecnología se comercializó demasiado rápido. A partir de 2006, los medicamentos biotecnológicos representaron alrededor de $65 mil millones de dólares en ventas en todo el mundo. Sólo un medicamento, Epogen, ha generado $10 mil millones de dólares en ingresos desde su creación. Un biólogo molecular tendría que concluir que las formas de vida que se convierten en "artificial", simplemente por la adición de un gen pueden ser muy comercialmente significativas.

Los ingresos de ‘cosas’ modificadas genéticamente ahora superan el 1 por ciento del PIB de los Estados Unidos y se generan en tres áreas: las drogas, la agricultura y los productos industriales como las enzimas y los plásticos. Estas áreas están creciendo entre un 10 a 20 por ciento anual, y juntos están haciendo una contribución importante y cada vez mayor para la economía.

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El sector de la biotecnología es también extremadamente productivo. Entre 2000 y 2007, los ingresos de biotecnología añaden más de $100 millones de dólares a la economía, lo que representa 2.5 por ciento de crecimiento del PIB de los Estados Unidos. Esto se logró mediante una fuerza de trabajo de biotecnología de sólo alrededor de 250.000 personas, menos de una sexta parte de un uno por ciento de la fuerza laboral nacional.

Aún así, la tecnología subyacente es inmadura en comparación con la de otros sectores de la economía. La mayoría de los productos biotecnológicos que han llegado al mercado son el resultado de sólo un puñado de modificaciones genéticas e inserciones. La importancia comercial del sector de la biotecnología crecerá tanto como su capacidad para diseñar nuevos sistemas biológicos se logre expandir.

Hasta hace poco, la complejidad de estos sistemas fue limitada en gran parte por el coste de desarrollo. La mano de obra necesaria para construir y probar un circuito genético complejo estaba prohibido. Pero desde mediados de la década de 1990, la productividad en la lectura y escritura de los genes ha ido mejorando de manera exponencial, mientras que los costes se han desplomado. Ahora relativamente grandes fragmentos de ADN se pueden diseñar electrónicamente, enviado a un gen "fundición", construyen, y podrán remitirse por correo urgente en tan sólo unas semanas. Ya es técnicamente posible construir tramos de ADN, siempre y cuando sean los de pequeños genomas bacterianos (alrededor de 400 genes).

Sin embargo, este no es el camino más rápido para los organismos comercialmente significativos. Esto es porque entre más simple es la tarea de ingeniería, mayor impacto económico a corto plazo tendrá. Por ejemplo, los ingenieros aeronáuticos no intentan construir nuevos aviones a la complejidad de un halcón, un colibrí, o incluso una polilla. En su lugar, tienen éxito al reducir la complejidad. Incluso la célula más simple contiene mucho más campanas y silbatos de lo que actualmente podemos entender. En consecuencia, ningún ingeniero biológico tendrá éxito en la construcción de un sistema desde cero hasta que la mayor parte de esa complejidad sea eliminada por completo, dejando sólo lo esencial. El verdadero progreso vendrá añadiendo a los organismos existentes a pocos nuevos genes - probablemente no más de 15.

Existen empresas que ya están haciendo un progreso sustancial. Por ejemplo, Amyris Biotechnologies ha modificado la levadura para transformar el azúcar en compuestos útiles, incluyendo medicamentos contra la malaria y biocombustibles que puedan sustituir a la actual turbosina, diesel y gasolina. La compañía comenzó en el 2013 la producción de estos combustibles en plantas de fermentación del etanol convertidos en Brasil.

A medida que la tecnología biotecnológica logra desarrollarse, los biocombustibles y bioplásticos producidos de esta manera serán más fáciles y más baratos de hacer que el etanol o plástico tradicionales e incluso funcionarán mejor que los productos derivados del petróleo. Su fabricación y uso también reducirán las emisiones de carbono que causan el cambio climático.

Tales formas de vida artificiales cambiarán fundamentalmente la forma en que suministramos energía a la economía, dando lugar a un cambio de los combustibles fósiles

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a las materias primas biológicas como el azúcar, el almidón y la celulosa. Las biofabricas son menos probables de que sean centralizadas, como las refinerías de petróleo y plantas de etanol, y en su lugar se distribuye de manera más uniforme, como las fábricas de cerveza.

Los carros en realidad de por sí, se podrían convertir en los productores de los mismos combustibles que consumen. En la primavera de 2007, los investigadores informaron de la construcción exitosa de una ruta sintética que consta de 13 enzimas de diferentes organismos que pueden convertir el almidón en hidrógeno. Esto sugiere un futuro en el que de azúcar o almidón - sustancias disponibles en cualquier tienda de comestibles - entrarán en nuestros tanques de combustible en lugar de gasolina. Una célula de combustible utilizará el hidrógeno producido por microbios modificados en el tanque para proporcionar energía eléctrica para el carro. Tal automóvil se convertiría entonces en una especie de cyborg, apoyándose en los organismos vivos para proporcionar energía a una cáscara inorgánica. Como un ejecutivo de petróleo observó en una reunión reciente de la industria petrolera, en este modelo "el carro es la refinería".

Si esta innovación llega a pasar, un mercado muy diferente es probable que surja. La infraestructura para el transporte y la refinación de petróleo supervisada por aquel mismo ejecutivo podría ser menos relevante en un nuevo mundo de la biotecnología. Por otra parte, si el procesamiento biológico distribuido de materias primas simples puede competir en mercados de bajo margen como combustibles para el transporte de líquidos, entonces será también podrá hacer incursiones significativas con productos de mayor margen, como fibras, plásticos, aromas y fragancias.

Pronto será posible diseñar enzimas y organismos que "comen" una amplia gama de materias primas. Un buen ejemplo son las aguas residuales municipales. Ahora tratados y eliminados como residuos, este recurso inicialmente se utilizará mayormente para cultivar algas sin modificar. Las algas, a su vez es alimentada a los sistemas sintéticos – piense en ellos como "vacas artificiales", una fusión de robot y la biología que está incluso más allá del carro "cyborg" - diseñado para hacer que los materiales y combustibles. Finalmente, las algas de por sí serán diseñadas para convertir directamente las aguas residuales en productos. E inevitablemente, estas vacas artificiales se trasladarán a los campos, más cerca de la agricultura a gran volumen. Los equipos de recolección moderna ya a menudo son impulsados por sistemas de control autónomos, guiadas por satélite. Imagínese cosechadoras robóticas equipadas con módulos de bioprocesamiento paseando lentamente por tierras de cultivo, el consumo de una variedad de materias primas, el procesamiento de ese material en productos de mayor valor, como los combustibles y plásticos, y la entrega a los centros de distribución. Estos híbridos de "cibervacas" de este modo se convertirían en plataformas de biofabricación distribuidas y autónomas, diseñados para abastecernos de los combustibles y materiales que necesitamos.

Muy pocos organismos en nuestro planeta son más grandes que alrededor de un metro de ancho. La mayor parte de la producción de biomasa, y por lo tanto mayor parte del procesamiento biológica, se produce a escalas de micras a centímetros. Mientras que los organismos producidos por la naturaleza enfrentan diferentes limitaciones que las diseñadas por los seres humanos, podemos encontrar cada vez más la inspiración en los microbios,

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insectos, y las vacas para nuestra futura infraestructura de producción. Apenas se está comenzando a aprovechar la promesa de la biotecnología.

2. BIO-FÁBRICAS

Para entender qué es una bio-fábrica pondremos un ejemplo puntual: Si hablamos de fertilizantes tenemos en cuenta productos como el fosfito, caldo sulfocálcico, etc, que son inorgánicos, son productos químicos muy accesibles que se mezclan de una forma determinada, y normalmente  se les aplica calor para culminar el proceso. Pero luego se pueden almacenar y no requieren de ninguna condición especial.

Sin embargo, otros productos requieren fermentaciones ya que hay microorganismos, como el biol o el SMN (semillas de microorganismos nativos). En estos casos la temperatura de trabajo es conveniente que ronde los 15 ºC al menos, y debe durar un tiempo suficiente. Un mes para hacer SMN y hay que añadir entre uno y dos meses mas para producir biol a partir del SMN que se ha obtenido previamente. Por debajo de los 15ºC también se puede trabajar pero el proceso se ralentiza y puede no salir bien. Es deseable que esta etapa se realice en un lugar cerrado y templado.

Estas técnicas se ven mayormente en Centro y Sudamérica donde los climas sin principalmente cálidos, pero esto es un problema en otros lugares del mundo en donde el clima no es regular. Por esta razón, estos lugares se necesita un espacio donde “fabricar” y almacenar estos productos, un lugar en la finca próximo al taller y que tenga una temperatura lo mas templada posible, pero resguardado del sol directo. Este lugar es una biofábrica. Una biofábrica puede ser muy muy pequeña, o muy grande, de escala industrial.

Para empezar vemos un sólo bidón de Biol en proceso de fermentación. La botella de 2 litros y el tubo sirven para evacuar los gases sin que pueda penetrar el aire al interior. Este bidón es válido para una finca que ronde la hectárea. Asi que podemos calificar ya esto como “biofábrica”:

Figura 2. Bidon utilizado en cultivos

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Pero en el caso de una finca más grande necesitaremos más bidones, aquí tenemos un ejemplo:

Figura 3. Bidones para una finca de mayor tamaño

Y por último, en una finca de gran tamaño, podemos encontrar instalaciones enormes como esta:

Figura 4. Instalaciones de Gran Escala

2.1 Clases de producciones de las Biofábricas

La Biotecnología es “una técnica que usa organismos vivos o sustancias de estos organismos para: hacer o modificar un producto, mejorar plantas o animales o desarrollar microorganismos para usos específicos". Esta definición de biotecnología abarca herramientas y técnicas desde los procesos de biotecnología clásicos hasta las modernas técnicas de ADN recombinante y la Biotecnología clásica describe el desarrollo de la fermentación desde tiempos antiguos hasta el presente incluyendo diversos productos obtenidos como cerveza, quesos, vinos, alcoholes, ácidos, pan, etc. Las producciones a

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escala que se obtienen en las biofábricas pueden ser agrupadas en función del organismo o el derivado utilizado como materia prima para la obtención de un producto de aplicación directa. Así tenemos:

Bacterias: sus aplicaciones van desde la investigación básica hasta la producción industrial de enzimas, proteínas terapéuticas, industria de la leche, inoculantes, agentes de control biológico (Bacillus subtilis), etc..

Plantas: producción de proteínas industriales y biofármacos, enzimas, componentes sanguíneos, factores de crecimiento, hormonas, anticuerpos, albúmina del suero, plantas transgénicas. cultivo in vitro de tejidos vegetales, etc.

Hongos: producción de proteínas, fermentación (levaduras) , alimentos (panificación), hongos comestibles, micorrizas, agentes de control biológico (Trichoderma).

Insectos: baculovirus, promotores de vacunas. Animales transgénicos: producción de proteínas recombinantes en animales vivos

conejos, cabras, vacas y cerdos y ovejas (hemoglobina y hormonas de crecimiento) y en glándulas mamarias.

2.2 Fermentacion

Desde el punto de vista bioquímico, se denomina fermentación a un proceso que genera energía por la descomposición de sustancias orgánicas por la acción de microorganismos. Desde el punto de vista de proceso, la fermentación permite, obtener del medio de cultivo fermentado distintos productos, según el objetivo que se haya dado al mismo, que puede ser: biomasa microbiana propiamente dicha (bacterias, hongos filamentosos, levaduras, etc), inoculantes para agricultura, productos para control de plagas o biorremediación, levadura de panificación, vacunas microbianas, starters (cultivos iniciadores) para la industria láctea, etc. (ver Figura 5.)

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Figura 5. Esquema de un bioreactor

3. Biotecnología aplicada a la producción vegetal

El Nitrógeno y el Fósforo, son los macronutrientes que en mayor medida limitan el rendimiento de los cultivos. Intervienen en numerosos procesos bioquímicos a nivel celular y se los considera esenciales para las plantas. El uso indiscriminado de fertilizantes sintéticos en la agricultura ocasiona graves problemas de contaminación. No todo el fertilizante que se aplica es aprovechado por la planta sino que en una cantidad importante acaba en lagos y lagunas. Se estiman que, alrededor del 50 % de los fertilizantes nitrogenados aplicados a los cultivos es absorbido por las plantas, el otro 50 % o más es almacenado en el suelo para la nutrición de los cultivos subsiguientes; pero una gran parte es transformado por los microorganismos volviendo a la atmosfera y otra gran parte es lixiviado a capas inferiores donde contaminan las aguas subterráneas y el manto freático. Además, la producción de fertilizantes nitrogenados no solamente interviene en el agotamiento de la energía natural y el combustible fósil, sino también genera grandes cantidades de CO2 en su producción y contribuye sustancialmente al calentamiento global potencial. La actual producción agrícola depende fundamente de diversas alternativas: de la aplicación de fertilizantes químicos nitrogenados o fosforados, etc. del empleo de compost, de abonos verdes combinada con la labranza cero, de la inoculación de la semilla en la siembra con microorganismos benéficos o bien con alguna mezcla de las alternativas señaladas. El uso de microorganismos benéficos de los cultivos para la optimización y/o reducción de la aplicación de fertilizantes químicos en la producción agrícola es una alternativa antigua aplicada actualmente cada vez con mayor aceptación y consiste en aplicar al momento de la siembra en la semilla microorganismos benéficos de plantas que

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inducen una germinación rápida, mejoran la absorción radical e incrementan o mantienen el rendimiento del cultivo vegetal.

Figura 6. Cultivos de plantas con inoculantes

3.1 Producción de inoculantes bacterianos. El uso de inoculantes a base de microorganismos bacterianos y los beneficios para la agricultura sostenible.

En los sistemas suelo-planta existen tres grupos principales de microorganismos beneficiosos, que son fundamentales en el contexto de la sostenibilidad de los mismos. Ellos son:

Los hongos formadores de micorrizas. Las bacteria Fijadoras de N2 atmosférico (libres y simbióticas) (Rhizobium,

Bradyrhizobium, Azospirillum). Las rizobacterias promotoras del crecimiento o PGPR que estimulan el crecimiento

de las plantas, el proceso de micorrización e inhiben algunos fitopatógenos, por la producción de antibióticos y otras sustancias. (Pseudomonas, Azospirillum).

La utilización de inoculantes microbianos en calidad de fertilizantes o estimuladores del crecimiento de las plantas es una práctica que permite beneficiar los cultivos sin ocasionar un gran daño al medio ambiente. Por otro lado, el costo de estos tratamientos biológicos debe ser competitivo en relación con el tratamiento tradicionalmente empleado con productos químicos.

Los procesos naturales de fijación biológica del N2 (FBN) juegan un importante rol en la activación de los sistemas agrícolas sustentables por su beneficio ambiental. Este proceso depende básicamente de la acción de los microorganismos en conjunto con las plantas. Un

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inoculante es un producto comercial formulado a base de microorganismos (hongos y/o bacterias) específicos, que aplicado convenientemente, mejora el desarrollo del cultivo facilitando el crecimiento vegetal y aumentando o manteniendo su rendimiento, con una dosis reducida o sin fertilizante químicos. Su empleo es una práctica agronómica reconocida en el mundo por sus beneficios productivos y económicos (principalmente en gramíneas y fabáceas). Está constituido por el inoculo (microorganismo específico) y el soporte (líquido o sólido). Las bacterias se cultivan en el laboratorio y se combinan con un soporte adecuado como la turba, compost, vermiculita, para preparar el inoculante. El proceso por el que se agrega este inoculante a la semilla se llama inoculación.

3.1.1 Tipos de inoculantes:

Podemos considerar dos tipos: para aplicar a las semillas y para aplicar al suelo.

1.- Inoculantes para inoculación de semillas: Los tipos de inoculantes corrientemente disponibles son:

En turba, compost, carbón, vermiculita y otros soporte sólidos finamente molidos y húmedos.

Caldos o cultivos líquidos. Formulaciones liofilizadas o congeladas. Caldos concentrados congelados. Formulaciones desecadas en aceites sobre talco o vermiculita. Rizobios incluidos en poliacrilamidas, alginatos o xantinas.

2.- Inoculantes para inoculación del suelo: Los inoculantes para el suelo son los diseñados para ser aplicados directamente al suelo en lugar de a la semilla. Los diferentes tipos son: líquidos o congelados concentrados.

La tecnología aplicada a la producción y desarrollo de inoculantes ponen en el mercado formulados a base de turba (sólidos), inoculantes acuosos (líquidos), inoculantes acuosos “premium” con bioinductores o moléculas señal para estimular una nodulación temprana, con micronutrientes o inoculantes combinados permitiendo una coinoculación ya que adicionan al formulado con rizobios bacterias estimuladoras del crecimiento vegetal (PGPR) como Azospirillum y/o Pseudomonas. La preinoculación de la semilla permite mediante el uso de un inoculante de calidad y aditivos, inocular con anticipación de hasta 30 días antes de la siembra; y más recientemente se desarrollo la “semilla lista para sembrar” que combina inoculante larga vida, terápicos que protegen contra hongos e insectos y un polímero de cobertura.

3.1.2 Inoculantes con bacterias promotoras del crecimiento vegetal.

El uso de inoculantes en la agricultura se comenzó a difundir y generalizar en las diversas áreas de cultivo debido al impacto que producen, a saber:

Contribuyen a preservar el medio ambiente, no contaminando aguas ni aire. El uso de inoculantes es económico, pues permite ahorrar inversiones en

equipamiento y mano de obra.

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Una correcta inoculación proporciona un elevado retorno por peso invertido. Los inoculantes mayormente utilizados son formulados de bacterias, tales como Rhizobium, Azospirillum y Azotobacter.

3.1.3 Producción de inoculantes bacterianos.

En forma general, la elaboración de un inoculante tiene tres fases: la primera es la selección y prueba de cepas de las especies de rizobios; la segunda se relaciona con la elaboración propiamente dicha, la cual incluye la producción de caldos de rizobios y la selección y preparación de excipientes; la tercera comprende los procedimientos de control del producto elaborado. Etapas: 1. Cepas: selección, identificación, conservación 2. Propagación: cultivo líquido con alto número de bacterias/ml 3. Soporte: selección, acondicionamiento e impregnación con el cultivo de bacterias obtenido 4. Control de calidad del inoculante

El primer paso consiste en el desarrollo de la bacteria en pequeñas escala, para posteriormente inocular el fermentador1. Preparación del material: medio de cultivo para mantener la cepa viable. 2. Selección de cepas 3. Siembra del cultivo4. Controlar la viabilidad y pureza 5. Siembra en el fermentador

Deben elegirse cepas infectivas, especificas y efectivas además deben competir con las nativas o naturalizadas además seleccionadas para las condiciones climáticas de la zona en que desarrollaran las plantas. Para inocular un fermentador se necesita utilizar un precultivo que representa el 2% del volumen a inocular, ej. 500 ml para un fermentador de 25 L de un volumen útil.

3.1.4 Mecanismos de acción.

Las principales ventajas de la inoculación de los cultivos extensivos o intensivos son:

Rizobios Asegura una temprana formación de nódulos que garantizan un adecuado

abastecimiento de nitrógeno para el cultivo durante todo su ciclo de crecimiento. Aporte a la leguminosa más del 70 % del nitrógeno necesario; el resto lo

proporcionan el suelo y el fertilizante complementario. Aumento de los rendimientos. Mejora la calidad de la cosecha. A través de la Fijación Biológica del Nitrógeno, enriquece el suelo en nitrógeno que

queda en raíces y restos de cosecha, que se incorpora en el laboreo para su

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descomposición. Asegura un excelente abono orgánico que aumenta la fertilidad del suelo y los

rendimientos de los cultivos siguientes.

Azospirillum. Productor de fitohormonas y sideróforos. Mayor masa radical y por ello mayor volumen de suelo explorado que deriva en la

posibilidad de captación de agua, cationes, nutrientes en general, capacidad de FBN protección contra patógenos mejor nutrición mineral mejor aprovechamiento del fertilizante asociación con otros microorganismos de la rizosfera y efecto sinérgico benéfico.

Micorrizas mineralización. de la materia orgánica en formas que pueden ser asimiladas por las

plantas, Degradan moléculas complejas como la celulosa, hemicelulosa, pectina, lignina. Constituyen un depósito de nutrientes ya que forman la mayor parte de la biomasa

microbiana. contribuyen a la formación de agregados estables para mantener la estructura y la

calidad del suelo. En las plantas se produce: incremento en el tamaño, modificaciones anatómicas y

morfológicas, cambios en la relación raíz/parte aérea, variación de la estructura de los tejidos radicales y aumenta la longevidad de raíces cortas

Aumenta la absorción y la disponibilidad de nutrientes, especialmente fósforo. nitrógeno y potasio

Mejora la capacidad de la planta para resistir la sequía al facilitar la absorción de agua.

Controla los patógenos y elementos tóxicos para la planta que estén presentes en el suelo; así interaccionan con diversos microorganismos de la micorrizosfera estableciendo provechosas cooperaciones con unos y compitiendo con otros generalmente de tipo patógeno, e incluso interactuando con la microfauna de la rizosfera

En medios ácidos aumenta la resistencia de la planta; Aumenta considerablemente el radio de la rizosfera. producen una precocidad en la floración, y fructificación, número de semillas y en

la supervivencia. en fitorremediación de suelo contaminados con metales pesados, se ha comprobado

que las plantas micorrizadas tienen un efecto beneficioso, Xenobióticos y pesticidas: Ciertos hongos degradan herbicidas, como la atrazina y

el ácido 2-4 dicloro fenoxiacético. En suelos deficientes en fósforo, son potencialmente importantes para el

funcionamiento adecuado de la fijación simbiótica de nitrógeno por Rhizobium sp, Pseudomonas

Solubilización de fosfatos en el suelo poniéndolo a disponibilidad de la planta. promueven el crecimiento vegetal, mediante la supresión de microorganismos

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patógenos más o menos importantes. agente de biocontrol efectos promotores del crecimiento indirectos, estimulando la acción beneficiosa de

otros microorganismos asociados a las raíces, como las micorrizas.

4. Biocombustibles transgénicos. Hacia un desarrollo sustentable

La “ingeniería genética” surge tras años de investigación del genoma humano a nivel molecular. Mucho debieron trabajar los investigadores de todo el mundo para aprender a "cortar y pegar" secuencias de ADN, de modo de poder transferir material genético responsable de ciertas propiedades deseables, para obtener un producto a medida. Se necesitó, entre otras investigaciones, el descubrimiento de los plásmidos, pequeños elementos de ADN utilizables como vectores para trasportar genes.

A principios de 1973, Stanley N. Cohen y Annie C.Y. Chang de la Universidad de Stanford y Herbert W. Boyer y Robert H. Helling de la Universidad de San Francisco realizaron el primer experimento de ingeniería genética utilizando una técnica conocida como ADN recombinante. Insertaron en bacterias, plásmidos conteniendo genes resistentes a los antibióticos tetraciclina y kanamicina. Luego, sometieron a las bacterias en placas de cultivo a la acción de los antibióticos. Como era de esperar, la mayoría murieron. Sólo sobrevivieron aquellas modificadas mediante ingeniería genética para resistir a los antibióticos. Había nacido la ingeniería genética y con ella la biotecnología moderna. Hoy se acepta que el mapa genético humano consta de 25.000 genes. A partir de su conocimiento se desató una carrera para descifrar el código genético de distintas especies animales y vegetales. En menos de 10 años el conocimiento de genes de los sistemas vivientes trepó de 25.000 a 60 millones de genes!

En la vía de producción fotobioquímica de biocombustibles resalta la utilización de microalgas  transformadoras del dióxido de carbono ambiental en aceite para la producción de biodiésel. Las microalgas crecen con extraordinaria rapidez constituyéndose como una fuente de biomasa para la producción de biocombustibles a nivel de sustitución global de la demanda actual de combustibles fósiles. También ofrecen, a través de su cultivo en piletones o tanques, la posibilidad de generarlo en aquellas zonas geográficas marginales con escasos recursos naturales.

La materia prima fundamental para el crecimiento de las microalgas es el dióxido de carbono, el agua y ciertos nutrientes minerales. Están en su etapa final proyectos integrados en los cuales el agua se recicla, los nutrientes minerales, tantos nitratos como fosfatos se obtienen agregando en el agua un 2% de orina humana y el dióxido de carbono se lo obtiene de las chimeneas de las grandes compañías tales como cementeras o generadoras de electricidad.La posibilidad de producir biocombustibles alternativos a gran escala presenta variados inconvenientes pero si se lograra mediante ingeniería genética se las pudiera modificar para que en un sólo paso generaran biodiesel o incluso octano (nafta), en tierras no aptas para cultivos (desiertos) y consumiendo grandes cantidades de dióxido de carbono estaríamos frente a un sistema que perfectamente podría reemplazar ventajosamente al actual en forma

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renovable y manteniendo el equilibrio ambiental.

Un pionero el la materia fue John R. Coleman del Department of Botany, University of Toronto, Canada . En 1999 publica conjuntamente con Ming-De Deng el trabajo Ethanol Synthesis by Genetic Engineering in Cyanobacteria.La cyanobacteria es una microalga azul verdosa. Ellos le incorporaron, mediante ingeniería genética, los genes productores de piruvato decarboxilasa y alcohol dehidrogenasa extraídos de la bacteria Zymomonas mobilis. El resultado es que la microalga mientras crece y se reproduce genera directamente etanol. Esto en la actualidad dio origen, patente mediante, a Algenol Biofuels, empresa que produce bioetanol utilizando la citada tecnología. Recientemente Algenol Biofuels se asoció con Dow Chemical para construir y operar una planta piloto que consistirá en 3.100 biorreactores horizontales con capacidad para 4.000 litros.

En el año 2006 a partir de un trabajo de investigación “Microdiesel: Escherichia coli engineered for fuel production publicado en la revista Microbiology , Rainer Kalscheuer, Torsten Stölting y AlexanderSteinbüchel del Institut für Molekulare Mikrobiologie und Biotechnologie de Alemania, le insertaron a la bacteria E. Coli los genes productores de la piruvato decarboxilasa y el de la alcohol dehidrogenasa extraídos de la bacteria Zymomonas mobilis , pero le agregaron el gen de la bacteria Acinetobacter baylyi que produce una acyltransferasa. El resultado es sorprendente. Se obtiene directamente biodiésel en un solo paso. Este desarrollo se prosigue posteriormente en el JBEI -Joint BioEnergy Institute- de los EEUU constituyéndose en uno de los tres proyectos financiados por el Departamento de Energía de los Estados Unidos. En la actualidad la empresa Amyris, destacada como séptima entre las 10 empresas biotecnológicas más innovadoras del año 2009, planea comenzar su producción de biodiésel a gran escala en el año 2011.

La estrella de los biocombustibles genéticos es Synthetic Genomics, fundada por el prestigioso Dr. J. Craig Venter, en la actualidad está realizando investigaciones para modificar, mediante ingeniería genética, microalgas destinadas a producir directamente tanto octano (nafta) cómo biodiesel. La Exxon Móbil se asoció en el desarrollo y aportó 600 millones de dólares para acelerar el proyecto. Toda una apuesta al futuro. Synthetic Genomics fue destacada como la segunda empresa biotecnológica más innovadoras del año 2009El auxilio de la ingeniería genética para la producción de combustibles en un solo paso pareciera inclinar la balanza hacia el lado de los biocombustibles en desmedro de los autos eléctricos. El mercado de los autos eléctricos cubrirá un pequeño porcentaje del mercado destinado para vehículos debido a las limitaciones como recursos no renovables de los materiales para hacer las baterías (níquel, litio).

Los biocombustibles genéticos tienen enormes posibilidades en el contexto de la bioeconomía. Si la modificación genética se realiza sobre microalgas, estás no necesitan tierras aptas para cultivo, se siembran en piletones o bioreactores pudiéndose utilizar tierras desérticas y agua salada. Necesitan para su desarrollo grandes cantidades de dióxido de carbono lo que permite establecer un equilibrio entre el producido debido a la utilización del biocombustible y su elevada demanda para el cultivo de las microalgas. A todos estos beneficios hay que sumarle la obtención del biocombustible en forma directa, en un solo paso, lo que evita instalaciones complejas y disminuye significativamente su costo.

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4.1 Más cerca del biopetróleo.Sembramos microalgas, las cosechamos, las sometemos a pirólisis y en sólo 14 días obtenemos un biopetróleo liviano capaz de darnos por destilación nafta y diesel. Este proceso lo hacen, con distintas particularidades, la empresa española BFS y la de EEUU SapphireEnergy. Los combustibles obtenidos cumplen con las normas ASTM,  respetan el medio ambiente y constituyen una alternativa ecológica, rentable y escalable.La novedad es la alianza entre Sapphire Energy y el grupo Linde  para el desarrollo de la primera planta comercial. El acuerdo abarcará un mínimo de cinco años. Los proyectos importantes requieren alianzas  para financiar el desarrollo de las nuevas tecnologías y tener disponibilidad de los recursos de ingeniería necesarios para realizarlos. En este aspecto Linde pareciera ser el socio perfecto para ayudar a Sapphire a  lograr su objetivo por ser, entre otras cosas, el primer proveedor comercial de CO2 en los Estados Unidos.Un paso orientado a la conversión de microalgas en petróleo crudo para sustituir los más de 90 millones de barriles de petróleo fósil utilizados por día e introducir  la producción de combustible, para los mil millones de vehículos existentes, dentro del ciclo de la fotosíntesis.

Figura 7. Bioreactores para el cultivo de algas.

4.2 Las biofábricas de petróleo “in situ”.En San Vicente de Raispeig, cerca de Alicante, España, desarrolla su actividad la primera biofábrica de petróleo: BFS (Bio Fuel Systems). Una planta industrial con 400 tubos de 8 metros de alto en los que crecen millones de microalgas fotosintéticas alimentadas fundamentalmente por el dióxido de carbono provisto por una cementera vecina.En los 5 años de desarrollo del proceso se seleccionaron varias decenas de cepas microalgas pertenecientes a la familia de las clorofíceas. En los tubos se reproducen con rapidez, luego diariamente una parte de este líquido repleto de microalgas se extrae y filtra. La biomasa obtenida mediante tratamientos tipo pirólisis produce un líquido capaz de sustituir en un 100% el petróleo tradicional.En una superficie de 1 hectárea se obtienen 5 barriles de petróleo por día. La producción necesaria de 90 millones de barriles diarios podría lograrse dentro 5 a 10 años en una superficie próxima a unos 100.000 kilómetros cuadrados con plantas distribuidas por todo el mundo, cerca de los centros de consumo, sin necesidad de costosos fletes y generando

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trabajo "in situ". Un biopetróleo renovable, obtenido por fotosíntesis, consumiendo grandes cantidades de dióxido de carbono y destinado a mantener el equilibrio necesario para el desarrollo sustentable. Un nuevo aporte a  la bioeconomía.

BIBLIOGRAFÍA

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3. http://www.synthesis.cc/cgi-bin/mt/mt search.cgi?IncludeBlogs=1&tag=biofactories&limit=20 (Consultado el 02/01/2016)

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