La bioelettricità microbica: l’energia del futuro?

La continua e crescente domanda di energia pulita, economica e sostenibile ha recentemente indotto i principali paesi industrializzati ad investire ingenti risorse nella ricerca di energie alternative. Si prevede infatti che l'UE voglia portare al 20% la quota di energie rinnovabili entro il 2020 e ciò significa che entro questa data la produzione di tali fonti energetiche dovrà essere quasi triplicato. Uno dei temi che si sta evolvendo più rapidamente nel campo delle energie rinnovabili è sicuramente quello dello sfruttamento delle biomasse come fonte di energia alternativa ai combustibili fossili. Grande rilievo stanno perciò avendo le cosiddette colture energetiche per la produzione di bioenergie, principalmente per la produzione di bio-carburanti (biofuel, bioetanolo, ecc.), attraverso processi fermentativi a partire da biomasse. Tuttavia tali processi comportano prodotti di scarto non utilizzati che dovranno essere smaltiti a parte, con ulteriori costi e problemi di sostenibilità ambientale. Grandi potenzialità, ma quasi del tutto trascurate (soprattutto in Italia), possono offrire invece le cosiddette risorse microbiche per la produzione di energia elettrica diretta, a partire da biomasse, senza alcuna fase fermentativa intermedia. Infatti recentemente sono stati scoperti i cosiddetti batteri “elettrogenici”, ovvero capaci di produrre energia elettrica attraverso il trasferimento diretto di elettroni da una matrice organica ad un qualsiasi accettore di elettroni.

Forse non tutti sanno che i batteri sono gli organismi viventi più diffusi sul nostro pianeta e riescono a crescere in qualsiasi tipo di ambiente naturale o antropico, anche in condizioni ritenute estreme. Le loro differenti capacità metaboliche sono in grado di regolare numerosi processi biologici, compresi molti noti processi utili per l’industria agroalimentare o biotecnologica. Tuttavia assai meno note erano le loro capacità di produrre energia elettrica. Tali potenzialità sono state osservate per la prima volta alcuni anni fa dal gruppo di ricerca guidato dal Prof. Lovley (University of Massachusetts, Amherst.) che scoprì le proprietà e le caratteristiche di microrganismi “elettrogenici”. Questo fenomeno avviene grazie alle peculiari capacità di alcuni batteri che vivono nel suolo e nei sedimenti marini e che riescono a trasferire gli elettroni attraverso accettori extracellulari in un ambiente preferibilmente anaerobico. Le particolari capacità di questi batteri hanno recentemente consentito lo sviluppo e la messa a punto di vere e proprie batterie biologiche, dette Microbial Fuel Cells (MFC) (Logan et al., 2008). Tale tecnologia è ancora in fase sperimentale e lontana dall’essere competitiva sul mercato come alternativa ai combustibili fossili o altre fonti di energia. I principali limiti delle MFC sono di natura tecnica (ottimizzazione della configurazione del sistema, scelta dei materiali, ecc.) ma soprattutto biologica. Infatti, mentre da un punto di vista elettrochimico le MFC sono state perlopiù ottimizzate, i maggiori ostacoli al loro sviluppo sono di carattere microbiologico e il motivo risiede nel fatto che si conosce ben poco dei processi molecolari e genetici che stanno alla base dell’elettrogenicità. Inoltre una cosa è sviluppare una MFC che utilizzi un substrato semplice come sorgente di energia (es. glucosio, acetato, ecc.), un’altra è quella di utilizzare biomasse di scarto dalla composizione assai complessa ed eterogenea. I primi studi avevano l’obiettivo di riuscire ad individuare ed utilizzare l’organismo che utilizzasse il substrato organico in modo più efficiente possibile, in modo da poterlo applicarlo in grande scala per produrre elettricità.

I primi organismi dotati di tali capacità ad essere individuati e studiati appartenevano al genere Geobacter, batteri capaci di crescere in ambiente strettamente anaerobico (nei sedimenti marini o lacustri) (Bond et al., 2002). Pertanto tale batterio è stato utilizzato come modello per lo studio dei meccanismi genetici che stanno alla base del fenomeno elettrogenico (www.geobacter.org). Numerosi studi hanno dimostrato che il processo di trasferimento elettronico varia tra specie batteriche diverse ma generalmente avviene prevalentemente in ambiente anaerobico attraverso due modalità: la prima è diretta, ovvero attraverso la formazione di biofilm di batteri elettrogenici sulla superficie dell’elettrodo e la formazione e l’utilizzo di micropili che fungono da veri e propri cavi elettrici microscopici (detti “nanowires”) che collegano le cellule batteriche tra di loro e all’elettrodo. La seconda modalità non richiede il contatto fisico con l’elettrodo né la formazione dei micropili ma prevede l’utilizzo di mediatori chimici (detti “shuttle”) come mezzo di trasporto per gli elettroni.

In seguito alla scoperta che tali proprietà elettrogeniche non sono esclusive di poche specie batteriche ma molto più diffuse e variabili di quanto si pensasse (Aelterman et al., 2008), e che batteri diversi sono “specializzati” per l’utilizzo di substrati organici diversi, si è subito compresa la difficoltà di individuare i migliori organismi per utilizzare qualsiasi biomassa di scarto come fonte di energia. Infatti, matrici organiche complesse vengono ossidate ed utilizzate come nutriente da intere comunità microbiche costituite da numerosi batteri diversi, ognuno dei quali specializzato per una specifica funzione. Non esiste “il migliore” batterio elettrogenico per qualsiasi biomassa, bensì esistono batteri specializzati per determinate tipologie di sostanze organiche. L’obiettivo è quindi quello di individuare gli organismi più efficienti nell’utilizzo di specifici substrati e di ottimizzarne la loro resa elettrogenica.

In questo scenario il CRA - Centro di Ricerca per lo Studio delle Relazioni tra Pianta e Suolo (CRA-RPS) in collaborazione con l’Università degli Studi di Firenze (Dip. di Biologia Evoluzionistica “Leo Pardi”) e l’Università della Tuscia di Viterbo, ha presentato un progetto mirato alla ricerca di nuovi batteri elettrogenici sia nel suolo (la più grande risorsa di biodiversità del pianeta) che da ambienti estremi. L’obiettivo finale è duplice: individuare e caratterizzare nuovi batteri elettrogenici e cercare di far luce sulle relazioni esistenti tra comunità microbiche e composizione delle matrici organiche.

Dopo aver caratterizzato le matrici organiche di partenza mediante avanzati strumenti di indagine chimica, verranno utilizzate tecniche molecolari e genetiche per identificare i microrganismi coinvolti nel processo elettrogenico nei sistemi MFC. Verranno quindi selezionati dei mutanti ipo- o iper-elettrogenici al fine di testarne le potenzialità metaboliche, il ruolo di eventuali plasmidi e i geni coinvolti la nella produzione di energia elettrica. Alcuni dei ceppi più efficienti saranno selezionati per sequenziarne l’intero genoma. Al termine del progetto tutti i dati genetici e biologici ottenuti verranno elaborati e messi in relazione con la composizione delle matrici organiche e la produzione di energia elettrica al fine di elaborare le migliori strategie di miglioramento genetico per scopi applicativi.

Tale tecnologia è appena all’inizio, in piena fase di ricerca, ma non è difficile scorgerne le incredibili potenzialità. Non è un caso che molti paesi stanno investendo importanti risorse in questo settore e i progressi fatti in pochi anni hanno consentito di trasferire i sistemi MFC da semplice curiosità di laboratorio a veri e propri impianti pilota applicati su scala industriale: ad esempio in Australia il Queensland Government's Sustainable Energy Innovation Fund ha finanziato la costruzione del primo impianto-pilota MFC per il trattamento di acque reflue (www.uq.edu.au/news/index.html?article=11943 e www.microbialfuelcell.org). Inoltre la Lebônê Solutions, Inc. (www.lebone.org) a metà 2008 ha ricevuto un finanziamento di 200.000$ dalla Banca Mondiale per realizzare un progetto in Tanzania al fine di portare la corrente elettrica in centri abitati non raggiunti dalla rete elettrica (oltre il 70% della popolazione in Africa ne è priva!), riuscendo ad illuminare un intero villaggio con rudimentali MFC utilizzando semplicemente biomasse vegetali di scarto come “combustibile”. Una piccola luce oggi ma una grande speranza per il prossimo futuro! Pertanto, alla luce dei progressi effettuati negli ultimi anni dai ricercatori e alle nuove frontiere della biologia molecolare e della genomica, non è escluso che in pochi anni si possa produrre energia elettrica dai batteri in quantità significativa e vantaggiosa, utilizzando differenti biomasse di rifiuto come fonte nutritiva. In tal modo si potrebbe finalmente produrre energia pulita, a basso costo, rinnovabile a partire da qualsiasi biomassa di scarto. Un sogno o una possibilità reale?

© 2010. All rights reserved.
Progettazione e sviluppo web: RichDesign