La actual práctica agrícola de cultivar productos para la producción animal y la alimentación humana constituye una importante amenaza para la sostenibilidad del planeta en lo que respecta a la contaminación por nitrógeno reactivo. La proteína microbiana se considera una solución importante para salvaguardar el suministro de alimentos y piensos.
El proceso de Haber Bosch es uno de los mayores inventos del siglo XX. Condujo a la producción de fertilizantes sintéticos e incrementó la producción agrícola de forma intensiva. Mientras que el propio proceso Haber Bosch está optimizado y está alcanzando eficiencias de proceso casi termodinámicas, el uso posterior del nitrógeno de Haber Bosch en la agricultura sufre muchas pérdidas. Entre ellas, la lixiviación, la escorrentía y la volatilización, que dan lugar a una gran ineficiencia y a un conjunto de impactos ambientales perjudiciales indirectos. El llamado efecto de cascada del nitrógeno se relaciona particularmente con la producción de plantas destinadas a alimentar al ganado, dedicándose una gran fracción de las tierras de cultivo a la producción de alimentos para animales ricos en proteínas, como la soja y los cereales. Si se utilizan 100 unidades de nitrógeno reactivo en el sistema de producción agrícola, sólo entre el 4 y el 14% terminan como proteína consumible, lo que ilustra la ineficiencia de las cadenas de producción de proteínas basadas en la agricultura convencional y la necesidad de un camino más sostenible y eficiente.
Eficiencia de la producción de proteínas microbianas
Una alternativa a las proteínas vegetales y animales es la producción aeróbica de proteínas microbianas (MP) por parte de bacterias, hongos, levaduras y algas. Típicamente, este modo de producción implica el suministro de nitrógeno, un donante de electrones, una fuente de carbono (puede ser el donante) y un aceptador de electrones (por ejemplo, oxígeno) a un sistema de reactor que permite una producción y recolección altamente eficiente de la proteína, véase la Figura 1.
Figura 1 – El proceso de Haber Bosch produjo nitrógeno para la producción de proteína microbiana en reactores.
El concepto de MP no es nuevo. La producción de MP bacteriano a base de metanol se logró a escala industrial en el decenio de 1970, pero una combinación de bajos precios de la soja y la harina de pescado, el aumento de los precios del petróleo, el estado subdesarrollado de la tecnología de fermentación y la limitada atención prestada a la eficiencia del nitrógeno dieron lugar a la interrupción del proceso de producción. El aumento de los precios de la soja y la harina de pescado en los últimos años, junto con los enormes progresos realizados en las tecnologías de fermentación industrial, justifica que se vuelva a examinar el potencial de la MP como fuente de proteína nutritiva utilizable.
La producción de MP puede tener lugar en biorreactores totalmente controlados, cerrados y automatizados, similares a los ampliamente utilizados en los procesos de fermentación por la industria alimentaria. Como los microbios pueden convertir el nitrógeno de Haber Bosch en proteína celular con una eficiencia inigualable cercana al 100% en esos sistemas de reactores, la eficiencia global del nitrógeno de toda la cadena de alimentación humana y animal sería sustancialmente mayor que las rutas convencionales de suministro de proteínas. En comparación con los hongos, las algas y las levaduras, las bacterias tienen la ventaja de no sólo crecer rápidamente en sustratos orgánicos sino también en gases, como el metano, el hidrógeno y el gas de síntesis (es decir, una mezcla de CO + H2). Cuando se suministra a las bacterias uno de estos sustratos, pueden producir proteínas celulares altamente concentradas hasta el 75 % en peso de la biomasa microbiana seca a tasas de producción de proteínas alcanzables de 2 a 4 kg por m3 de volumen de reactor por hora. Estas últimas tasas de producción de proteínas, utilizando microorganismos disponibles naturalmente, son varios órdenes de magnitud superiores a la producción de proteínas de origen vegetal. El hecho de que las bacterias puedan utilizar hidrógeno (en combinación con el dióxido de carbono), gas metano o gas de síntesis como fuente de energía abre la oportunidad única de reducir completamente la producción de piensos y alimentos basada en la agricultura, lo que permite una producción de MP prácticamente libre de tierras.
Ventajas/desafíos de la producción de MP
La producción de MP podría contribuir a disminuir las futuras presiones sobre las tierras fértiles en beneficio de los ecosistemas naturales. Además, la agricultura requiere grandes insumos de agua dulce, con ~70% de las extracciones mundiales de agua dulce utilizadas para el riego. La producción de MP basada en reactores requiere cantidades muy limitadas de agua (~5 m3/tonelada MP frente a 2364 m3/tonelada para la soja), que pueden reducirse aún más si se recicla el agua o se utiliza agua reciclada. Además, la producción de MP no requiere el uso de productos químicos para controlar las malas hierbas o las plagas de insectos.
La producción a gran escala de MP, sin embargo, conlleva ciertos retos en cuanto al cultivo de los cultivos, el procesamiento de las células hasta el producto y la garantía de la calidad del producto final. El primer desafío clave es el desarrollo de cultivos microbianos, ya sea como cultivo puro, como combinación de cultivos puros o como microbioma. En los dos últimos enfoques están presentes microorganismos cooperantes que se complementan entre sí para utilizar plenamente formas de carbono de bajo valor (por ejemplo, CO, CO2, carbohidratos, metano derivado de la digestión anaeróbica y aceites). Esos cultivos cooperativos mixtos, que por selección natural evolucionan hasta convertirse en biocatalizadores altamente eficientes, se denominan actualmente microbiomas. Se puede seguir un enfoque de dos puntos para los sistemas de cultivo no puros. Los microbiomas se han enriquecido con éxito a partir de muestras naturales para lograr un alto contenido de proteínas. El segundo reto es escalar estos microbiomas de reactor a una escala relevante y mantener la estabilidad, así como garantizar la seguridad microbiana y química del producto resultante. A partir de los microbiomas se pueden obtener nuevos organismos que complementan los cultivos puros ya existentes que permiten la producción de proteínas. El trabajo con cultivos puros y mezclas de cultivos puros da lugar a algunos nuevos desafíos, pero puede conducir a un alto nivel de control de la calidad del producto. Sobre la base del sustrato, se podrían adaptar diferentes alimentos y piensos para un uso final diverso, al tiempo que se maximiza el uso del sustrato. El tercer desafío es entonces ocuparse de esta biomasa microbiana unicelular rica en proteínas y transformarla en un producto que tenga funcionalidades (por ejemplo, sabor y olor específicos) que permitan a la MP competir en el contexto de la calidad de los alimentos y los piensos con las proteínas de la leche, el huevo o la carne ampliamente utilizadas.
Al tener una composición de aminoácidos parecida a la de la harina de pescado, MP podrá sustituir principalmente la porción de proteínas de la cesta de alimentos, mientras que las posibilidades de sustituir otros componentes de los alimentos (por ejemplo, las calorías y las fibras) son limitadas. Sin embargo, la demanda de proteínas de los sistemas agrícolas intensivos, como la producción porcina o avícola, es tan grande que Europa o China, entre otros, no pueden satisfacer esta demanda a nivel nacional, sino que tienen que importar grandes cantidades de alimentos proteínicos para animales de América Latina y América del Norte. El hecho de que el MP pueda producirse localmente a escala industrial ofrece a los importadores de proteínas, como Europa y China, la posibilidad de llegar a ser autosuficientes en materia de proteínas e independientes de las importaciones de soja.
*Este artículo se basa en la investigación «Los microbios y la próxima revolución del nitrógeno» publicada en Environmental Science & Technology. El documento fue redactado conjuntamente por Silvio Matassa, Korneel Rabaey y Willy Verstraete, de la Universidad de Gante (Bélgica), Benjamin Leon Bodirsky y Alexander Popp, del Instituto de Potsdam o de Investigación sobre el Impacto Climático (Alemania) y Mario Herrero, de la Organización de Investigación Científica e Industrial del Commonwealth (Australia).
