La biometanización de gas de síntesis, proceso que convierte monóxido de carbono, dióxido de carbono e hidrógeno en metano renovable, depende de interacciones microbianas cuidadosamente equilibradas. Un nuevo estudio demuestra que un exceso de hidrógeno altera este equilibrio, reduciendo significativamente la eficiencia de la metanogénesis y desencadenando importantes cambios en el metabolismo microbiano y la dinámica viral dentro del microbioma. Estos hallazgos proporcionan información molecular crítica para optimizar la producción industrial de metano renovable a partir de gas de síntesis derivado de biomasa.
Investigadores de la Universidad de Padua detallaron su estudio en una investigación de acceso anticipado de 2025 publicada en Environmental Science and Ecotechnology (DOI: 10.1016/j.ese.2025.100637). Utilizando metagenómica resuelta a nivel genómico, metatranscriptómica y perfilado del viroma, el equipo monitoreó microbiomas anaeróbicos termófilos mientras la composición del gas de síntesis cambiaba de proporciones óptimas a condiciones ricas en hidrógeno. El trabajo contó con el apoyo del programa LIFE+ de la Unión Europea y del programa de investigación e innovación Horizonte 2020.
Bajo proporciones de gas casi óptimas, el rendimiento de metano mejoró y el metanógeno dominante, Methanothermobacter thermautotrophicus, mantuvo una expresión génica estable. Sin embargo, cuando el suministro de hidrógeno excedió la demanda estequiométrica, la producción de metano disminuyó. El análisis del transcriptoma reveló una fuerte represión metabólica, con genes clave de la metanogénesis—incluyendo mcr, hdr, mvh y enzimas de la vía de reducción de CO₂ a CH₄—significativamente desregulados.
Simultáneamente, M. thermautotrophicus activó sistemas de defensa antiviral, sobre regulando CRISPR-Cas, genes de restricción-modificación y marcadores de estrés como ftsZ. El mapeo del viroma identificó 190 especies virales, incluyendo fagos asociados a principales metanógenos y acetógenos. Algunos virus mostraron actividad reducida, sugiriendo supresión impulsada por defensas, mientras que otros exhibieron patrones de replicación activa. Esto resalta una dimensión ecológica previamente pasada por alto en la eficiencia de la biometanización.
En contraste, varios taxones acetogénicos, incluyendo Tepidanaerobacteraceae, mejoraron la expresión de genes de la vía Wood-Ljungdahl (cdh, acs, cooF, cooS) para aumentar la fijación de monóxido de carbono y dióxido de carbono, actuando como sumideros alternativos de electrones. Esta reprogramación metabólica indica un cambio de la metanogénesis a un metabolismo dominado por la fijación de carbono bajo exceso de hidrógeno.
Los autores enfatizan que el exceso de hidrógeno crea un cuello de botella regulatorio, empujando a las metanógenas hacia un modo de estrés mientras permite a las acetógenas asumir el metabolismo del carbono. Señalan que las interacciones virales juegan un papel importante en la configuración de la estabilidad comunitaria, con la activación de CRISPR-Cas y la supresión de fagos indicando un estado defensivo que debe considerarse en el diseño de biorreactores.
Esta investigación proporciona evidencia molecular de que el exceso de hidrógeno puede desestabilizar la producción de metano, subrayando la necesidad de un control preciso de las proporciones de gas en reactores industriales. Comprender cómo las poblaciones microbianas se reprograman bajo estrés puede guiar la ingeniería de sistemas de biometanización más resilientes, permitiendo rendimientos consistentes de biometano incluso con materias primas variables. La información sobre las interacciones fago-microbio sugiere además el potencial para estrategias de gestión de reactores conscientes del viroma, incluyendo diseño de comunidades microbianas, monitoreo de fagos o intervenciones antivirales. Estos hallazgos respaldan el desarrollo futuro de tecnologías de conversión de gas a energía neutras en carbono y plataformas escalables de residuos a recursos, avanzando en la transición hacia sistemas energéticos circulares.
