Biotecnología algal y de la fijación biológica del nitrógeno

Resumen

La fijación biológica del nitrógeno (FBN) consiste en la biosíntesis de amonio a partir del nitrógeno del aire y es llevada a cabo solamente por un grupo relativamente reducido de bacterias y arqueas. La FBN es una de las alternativas más interesantes para contribuir en la reducción de la producción y uso de fertilizantes nitrogenados de síntesis convencional. Mientras que en los países que cuentan con agriculturas más desarrolladas el uso en exceso y/o incorrecto origina una serie de deterioros ambientales de distinta gravedad, la falta de aplicación de los mismos por cuestiones económicas justamente en aquellas regiones del mundo donde la producción de alimentos sigue siendo deficitaria, conspira críticamente sobre la seguridad alimentaria y el paleamiento de la pobreza estructural. Durante los últimos años nuestro laboratorio viene desarrollando estrategias a corto, mediano y largo plazo para el aprovechamiento de la FBN en la agricultura convencional y de microalgas. Los enfoques a largo y mediano plazo consisten en la ingeniería metabólica de plantas y bacterias diazotróficas, respectivamente. La estrategia a corto implica el cultivo masivo de cianobacterias fijadoras de nitrógeno, procesamiento de la biomasa y aplicación directa como fertilizante orgánico y acondicionador de suelo.

Por otro lado, existe un creciente interés en el desarrollo de la biotecnología algal como alternativa complementaria a la agricultura para la producción de alimentos y biocombustibles. En nuestro grupo desarrollamos estudios de biotecnología algal, más concretamente en el desarrollo de biorefinerías de biomasa multitróficas según principios de economía circular, con reciclado de nutrientes e insumos y aprovechamiento del N2 del aire. También realizamos estudios de ingeniería metabólica de cianobacterias para la optimización de su biomasa como materia prima para la fermentación alcohólica. Más recientemente comenzamos proyectos a escala demostrativa a nivel de granja para el desarrollo de tecnologías 3R para el manejo sustentable y valorización de efluentes de la producción animal y su reciclado para la producción de biogás/energía eléctrica bioenergía y biomasa algal como suplemento nutricional para los animales de cría. Asimismo se comenzarán estudios del rendimiento ambiental de los diferentes bioprocesos planteados por medio de análisis de ciclo de vida (LCA).

Biorefinería de biomasa multitrófica de microorganismos fotosintéticos

Este bioproceso permitiría obtener alimento para producción animal y biocombustibles (bio diesel, bioetanol, biometano, etc.) principalmente a partir del aire y la luz del sol. Las cianobacterias utilizadas presentan una capacidad notable para convertir el N2 del aire en N-orgánico, luego la biomasa de las cianobacterias es convenientemente procesada y convertida en biomasa de microalgas seleccionadas por su gran capacidad de producción de aceites o hidratos de carbono que constituyen la materia prima para la producción de biocombustibles (Do Nascimento et al 2015). Los hidratos de carbono son convertidos en bioetanol luego de la fermentación con levaduras de gran valor nutricional (Sanchez Rizza et al 2017).

Figura 1:

Figura 2:

Ingeniería metabólica de bacterias fijadoras del nitrógeno del aire para la optimización de bioinoculantes como alternativa complementaria a los fertilizantes nitrogenados convencionales

Inoculación de dos cepas de Azotobacter vinelandii

Figura 3:

Proyectos en curso

Biorrefinerías de microalgas para el aprovechamiento integral de la biomasa con posibles aplicaciones en bioenergía y producción animal. Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica. PICT2015 – 3559.

NF Cereals-Engineering N2 Fixation in Mitochondria – Phase II. Sub-subsidio del proyecto internacional Grant Nº OPP1042444 de la Fundación Bill & Melinda Gates. Sub-subsidio otorgado por la Universidad Politécnica de Madrid. 2016-2018. Curatti L, IR del sub-subsidio, Rubio LM, IR del subsidio.

Biorrefinerías de microalgas como alternativa complementaria para el desarrollo sustentable. Ciclo de charlas del Centro de estudiantes de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales – Universidad Nacional del Mar del Plata, Mar del Plata, BA. Argentina.

Publicaciones seleccionadas

Cyanobacterial biological nitrogen-fixation as a sustainable source of nitrogen fertilizer for the production of microalgal oil. Do Nascimento M, Sanchez Rizza L, Arruebarrena Di Palma A, Dublan MA, Salerno G, Rubio LM, Curatti L. 2015. Algal Research: Biomass, Biofuels and Bioproducts 12, 142-148

Plant-adapted Escherichia coli show increased lettuce colonizing ability, resistance to oxidative stress and chemotactic response. Dublan MA, Ortiz-Marquez JCF, Lett L, Curatti L. 2014. Plos One DOI: 10.1371/journal.pone.0110416

Challenges to develop nitrogen-fixing cereals by direct nif-gene transfer. Curatti L, Rubio LM. 2014. Plant Science 225, 130-137

Metabolic engineering of ammonium release for nitrogen-fixing multispecies microbial cell-factories. Ortiz-Márquez JCF, Do Nascimento M, Curatti L. 2014. Metabolic Engineering 23, 154-164

High lipid productivity of an Ankistrodesmus–Rhizobium artificial consortium. Do Nascimento M, Dublan MA, Ortiz-Márquez JCF, Curatti L. 2013. Bioresource Technology 146, 400–407

Genetic engineering of multi-species microbial cell-factories as an alternative for bioenergy production. Ortiz-Márquez JCF, Do Nascimento M, Zehr JP, Curatti L. 2013. Trends in Biotechnology 31(9), 521–529

Bioprospecting for fast growing and biomass characterization of oleaginous microalgae from south-eastern Buenos Aires, Argentina. Do Nascimento M., Ortiz-Márquez JCF, Sanchez-Rizza L., Echarte M, Curatti L. 2012. Bioresource Technology 125, 283-290

Association with an ammonium-excreting bacterium allows diazotrophic culture of oil-rich eukaryotic microalgae. Ortiz-Márquez JCF, Do Nascimento M, Dublan MA, Curatti L. 2012. Applied and Environmental Microbiology 78(7), 2345-2352

*Seleccionado como “key scientific articles” por Renewable Energy Global Innovations (http://reginnovations.com/key-scientific-articles/association-with-an-ammonium-excreting-bacterium-allows-diazotrophic-culture-of-oil-rich-eukaryotic-microalgae/).
*Comentado en Faculty of 1000 Prime : Hill R: F1000Prime Recommendation of [Ortiz-Marquez JC et al., Appl Environ Microbiol 2012, 78(7):2345

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Araceli Bader, Lara Sanchez Rizza, Fabiana Consolo, Leonardo Curatti, (2023) Bioprospecting for fungal enzymes for applications in microalgal biomass biorefineries. Applied Microbiology and Biotechnology: Published: 20 January 2023. DOI: https://doi.org/10.1007/s00253-022-12328-9

Rafael Ambrosio, Leonardo Curatti, (2021) Deferred control of ammonium cross-feeding in a N2-fixing bacterium-microalga artificial consortium. Environmental biotechnology: Published: 09 March 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s00253-021-11210-4

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Lara Sanchez Rizza, Camila Denise Coronel, Maria Eugenia Sanz Smachetti, Mauro Do Nascimento, Leonardo Curatti, (2019) A semi-closed loop microalgal biomass production-platform for ethanol from renewable sources of nitrogen and phosphorous. Journal of Cleaner Production: Volume 219, 10 May 2019, Pages 217-224. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.01.311

Camila Denise Coronel, Mauro Do Nascimento, Leonardo Curatti, (2019) Effect of matching microalgal strains origin and regional weather condition on biomass productivity in environmental photobioreactors. Bioresource Technology Reports: Volume 5, February 2019, p. 104-112. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biteb.2018.12.006

Maria Eugenia Sanz Smachetti, Macarena Pérez-Cenci, Graciela Salerno, Leonardo Curatti, (2019) Ethanol and protein production from minimally processed biomass of a genetically-modified cyanobacterium over-accumulating sucrose. Bioresource Technology Reports: Volume 5, February 2019, Pages 230-237. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biteb.2019.01.019

Mauro Do Nascimento, Marina Battaglia, Lara Sanchez Rizza, Rafael Ambrosio, Andrés Arruebarrena Di Palma, Leonardo Curatti, (2019) Prospects of using biomass of N2-fixing cyanobacteria as an organic fertilizer and soil conditioner. Algal Research: Volume 43, November 2019, 101652. DOI: https://doi.org/10.1016/j.algal.2019.101652

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