Revalorización de ácidos grasos volátiles y/o hidrógeno y CO2 en la producción de bioplásticos usando bacterias fotosintéticas purpuras (PPB)

Abstract

La producción de plásticos biodegradables en forma de polihidroxialcanoatos (PHA), especialmente a partir de efluentes líquidos o gaseosos procedentes de desechos orgánicos como sustratos renovables está ganando interés. El presente trabajo tiene como objetivo principal investigar la posibilidad de la acumulación de PHA en cultivos de Bacterias Fotótroficas Púrpuras(PPBs) concretamente PHB (Poli-3-hidroxibutirato) y PHV (Poli-3-hidroxivalerato) a partir de ácidos grasos volátiles (crecimiento heterótrofo) e hidrogeno (H2) y dióxido de carbono (CO2, crecimiento autótrofo), así como la influencia de su producción cuando hay una limitación de nutrientes de nitrógeno y magnesio. Los resultados indicaron una buena degradación de sustrato para las condiciones de heterótrofas y tasa de eliminación H2 para condición autótrofos con rendimientos de eliminación de 80% (g DQOConsumido g-1 DQOInicial) y 75% (g DQOH2consumido g-1 DQOH2 Inicial) respectivamente. La producción de PHA en condiciones heterotróficas fue de 14.15% g PHB g⁻¹ biomasa superior a un 50% a las condiciones autótrofas. En este escenario,dentro de la composición fraccionada de PHA se mostró que el PHB (98%) se formaba en mayor concentración en comparación con PHV (2%). Las condiciones limitantes de nitrógeno exhibieron la mayor acumulación de PHA, logrando una concentración máxima de 25% g PHB g⁻¹ biomasa bajo condiciones heterótrofas y en condición autotróficas de 18% g PHB g⁻¹ biomasa, logrando una eficiente conversión del carbono en PHA frente al control. En cuanto la limitación de Mg2+ se registró un efecto positivo para la condición autotrófica frente a la condición heterotrófica llegando alcanzar una producción máxima de 21% g PHB g⁻¹ biomasa de PHB un aumento de 3 veces a la condición de control y y un efecto negativo en las condiciones heterotróficas decayendo la producción de PHA en 6% g PHB g⁻¹ biomasa. Estos hallazgos proporcionan información sobre nuevas estrategias para una efectiva conversión a partir de diferentes fuentes de carbono en bioplásticos y muestra resultados prometedores para una implementación a mayor escala de una fotobiorrefinería basada en PPB, que podría valorizar los desechos orgánicos urbanos para producir diferentes productos de alto valor agregado en el contexto de la bioeconomía circular.

The production of biodegradable plastics in the form of polyhydroxyalkanoates (PHA), especially from liquid or gaseous effluents originating from organic waste as renewable substrates is gaining interest. The main objective of this work is to investigate the possibility of PHA accumulation in Purple Phototrophic Bacteria (PPB) cultures, specifically PHB (Poly-3-hydroxybutyrate) and PHV (Poly-3-hydroxyvalerate) from volatile fatty acids (heterotrophic growth) and hydrogen (H2) and carbon dioxide (CO2, autotrophic growth), as well as the influence of their production when there is a limitation of nitrogen and magnesium nutrients. The results indicated a good substrate degradation for heterotrophic conditions and H2 removal rate for autotrophic condition with removal efficiencies of 80% (g COD Consumed g-1 Initial COD) and 75% (g CODConsumed g-1 CODInicial) respectively. PHA production under heterotrophic conditions was 14.15% g PHB g⁻¹ biomass, which was 50% higher than under autotrophic conditions. In this scenario, within the fractionated composition of PHA, it was shown that PHB (98%) was formed in a higher concentration compared to PHV (2%). Nitrogen-limiting conditions exhibited the highest accumulation of PHA, reaching a maximum concentration of 25% g PHB g⁻¹ biomass under heterotrophic conditions and 18% g PHB g⁻¹ biomass under autotrophic conditions, achieving an efficient conversion of carbon into PHA compared to the control. Regarding Mg2+ limitation, a positive effect was recorded for the autotrophic condition compared to the heterotrophic condition, reaching a maximum production of 21% g PHB g⁻¹ PHB biomass, a 3-fold increase over the control condition, and a negative effect in heterotrophic conditions, decreasing PHA production by 6% g PHB g⁻¹ biomass. These findings provide information on new strategies for an effective conversion from different carbon sources into bioplastics and show promising results for a larger-scale implementation of a PPB-based photobiorefinery, which could valorize urban organic waste to produce different high value-added products in the context of the circular bioeconomy.