Os cupins geralmente não despertam muito amor. Mas, surpreendentemente, este inseto comedor de madeira pode ser a chave para transformar o carvão - uma grande parte poluente do suprimento global de energia - em energia mais limpa para o mundo, de acordo com pesquisadores da University of Delaware.

No jornal American Chemical Society Energia e Combustíveis , O professor Prasad Dhurjati da UD e sua equipe de pesquisa descrevem em detalhes como uma comunidade de micróbios intestinais de cupins converte carvão em metano, o principal ingrediente do gás natural. O estudo, que produziu modelos de computador do processo bioquímico passo a passo, foi uma colaboração com a ARCTECH, uma empresa com sede em Centerville, Virgínia, que tem trabalhado com esses micróbios nos últimos 30 anos. A ARCTECH forneceu à equipe UD os dados experimentais que foram usados ​​para validar os modelos.

"Pode parecer loucura à primeira vista - micróbios do intestino de cupins comendo carvão - mas pense no que é carvão. Basicamente, é madeira que foi cozida por 300 milhões de anos, "disse Dhurjati, que faz parte do corpo docente do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular da UD.

Eons atrás, árvores e outras plantas das enormes florestas que antes cobriam a Terra morreram e caíram nos pântanos. Camadas e mais camadas desta vegetação foram submetidas a alta pressão e temperatura de forças geológicas, formando camadas de carvão. Antracite é o mais difícil, carvão queimando mais limpo, seguido por betuminoso, carvão sub-betuminoso e linhito.

Agora, considere o cupim (dos quais existem cerca de 3, 000 espécies diferentes em todo o mundo). De acordo com a National Pest Management Association, cupins causam mais de US $ 5 bilhões em danos materiais a cada ano. Eles podem comer madeira e extrair energia dela, graças a alguns milhares de micróbios que vivem dentro de seus intestinos. Essa densa comunidade de organismos microscópicos trabalha em conjunto para digerir a celulose e a lignina que dão rigidez às paredes celulares das plantas.

Esses mesmos micróbios podem digerir carvão, liberando metano e produzindo matéria húmica, um fertilizante orgânico benéfico, como um subproduto. Cada micróbio contribui para uma ou mais etapas neste intrincado processo de digestão, em que existem centenas de etapas, e onde o produto de um micróbio pode servir de alimento para o próximo.

"Esses micróbios fazem milhões de cortes cirúrgicos no carvão, usando enzimas derivadas de uma vasta gama de genes, "Dhurjati disse.

Várias empresas tentaram comercializar nesta decomposição microbiana do carvão, mas falharam devido à complexidade envolvida em fazer uma comunidade de micróbios trabalhar em conjunto. Contudo, A ARCTECH conseguiu fazer com que os micróbios convertessem carvão em gás metano, bem como produtos húmicos orgânicos úteis para a agricultura, limpeza da água e reciclagem de resíduos.

"Nossos modelos de computador agora tornam possível projetar com sucesso, operar e controlar processos em escala comercial, " ele disse.

Modelos de computador quebram processos complexos

Durante a última década, Dhurjati e uma dúzia de estudantes de pesquisa da UD analisaram meticulosamente todas as etapas da conversão de carvão em gás natural pelos micróbios cupins. Eles desenvolveram modelos de computador, conhecido tecnicamente como um "modelo matemático cinético concentrado" e um "modelo de conectividade de reação, "descrevendo cada reação bioquímica à medida que a comunidade microbiana dos cupins transforma o carvão em um combustível mais limpo. Quimicamente falando, os micróbios - uma mistura de bactérias, protistas e fungos - primeiro converta o carvão em grandes hidrocarbonetos poliaromáticos, que são posteriormente degradados em ácidos graxos de cadeia média, em seguida em ácidos orgânicos, finalmente produzindo metano.

O modelo cinético simplifica e "agrupa" as centenas de etapas em algumas etapas intermediárias importantes. Esses intermediários bioquímicos são então incorporados a um modelo matemático que pode ser usado para identificar onde o processo falha e como fazê-lo funcionar novamente.

Os micróbios precisam de mais comida? A temperatura está ótima? Os modelos servem como uma ferramenta quantitativa, fornecer informações críticas para atender às necessidades nutricionais dos micróbios e solucionar gargalos metabólicos e pontos de estrangulamento. Os modelos também podem ser usados ​​para simular as condições da mina de carvão, um ambiente muito diferente do intestino do cupim.

A tecnologia à base de micróbios já foi implementada em grandes tanques chamados de biodigestores acima do solo, e Dhurjati agora está procurando colaboradores para testar a tecnologia no subsolo, em uma mina de carvão profunda.

“Esta biotecnologia inovadora tem o potencial de transformar 'carvão sujo' em 'carvão limpo, "Ele disse." Isso seria uma grande vitória para o meio ambiente e para a economia. "

Em busca de 'carvão limpo'

O carvão atualmente é responsável por quase 30 por cento do fornecimento mundial de energia e cerca de 40 por cento de sua geração de eletricidade, de acordo com o Comitê de Recursos Terrestres das Academias Nacionais de Ciências, Engenharia e Medicina.

Embora o carvão continue a ser vital para o fornecimento global de energia, também tem a reputação de ser sujo, perigoso para os trabalhadores, e prejudiciais à saúde humana e ao meio ambiente. A queima de carvão libera poluentes tóxicos no ar, como mercúrio, dióxido de enxofre, óxidos de nitrogênio e fuligem, contribuindo para doenças respiratórias. O carvão também é conhecido por gerar mais emissões de gases de efeito estufa quando queimado do que o petróleo ou o gás natural. Ele gera quase duas vezes mais dióxido de carbono por unidade de energia do que o gás natural.

Em vez de queimar carvão, Dhurjati quer usar micróbios intestinais de cupins para digeri-lo, liberando gás natural.

"Isso tornaria a energia baseada no carvão muito, muito mais limpo até que o mundo tenha tempo de mudar completamente para as energias renováveis, como a eólica e a solar, " ele disse.

O mundo tem cerca de 1,1 trilhão de toneladas de carvão - são reservas que podem ser exploradas com a tecnologia existente, de acordo com a Administração de Informações de Energia dos EUA. Estima-se que essa quantidade dure cerca de outros 150 anos sob as taxas de produção atuais, a Associação Mundial do Carvão disse. China e Índia são os maiores consumidores de carvão, e os Estados Unidos têm as maiores reservas comprovadas de carvão.

No entanto, menos de 5% do carvão mundial é considerado "lavrável". De acordo com a Administração de Informação de Energia dos EUA, 90,7 por cento de todos os combustíveis fósseis em todo o mundo estão nas profundezas, camadas de carvão não exploráveis, seguido por carvão lavrável em 4,8 por cento, gás natural a 2,3 por cento, e óleo em 2,2 por cento.

A grande maioria do carvão está presa no subsolo nas fendas 1, 000 pés ou mais de profundidade - equivalente a três Estátuas da Liberdade empilhadas umas sobre as outras e mais algumas.

Em um processo chamado extração de metano em leito de carvão, que tem sido apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA desde os anos 1980, buracos ou "poços" são perfurados da superfície até camadas de carvão subterrâneas para acessar o metano preso há muito tempo, quando o carvão foi formado. Vários estados dos EUA, bem como Austrália e Índia, use este método.

Dhurjati disse que espera implantar mineradores de micróbios em um desses locais para se alimentar de carvão e produzir um fluxo constante de gás natural, canalizado para a superfície.

"A ARCTECH tem micróbios e tecnologia, e nossos modelos de computador nos ajudaram a descobrir os principais fatores e limitações que impediam a comercialização da tecnologia no subsolo, "disse ele." A tecnologia está pronta para funcionar. "

Um 'recurso de oportunidades iguais'

Dhurjati considera o carvão "um recurso de oportunidades iguais". Embora os Estados Unidos tenham o maior suprimento do mundo, mais de 70 países têm recursos de carvão.

"Nosso objetivo é ajudar os países a usar o carvão de forma segura, maneira limpa, enquanto o mundo continua fazendo a transição para a energia renovável, "Disse Dhurjati." Este é um dos projetos mais importantes em que já estive envolvido, e tem o potencial de ser uma verdadeira virada de jogo. "

Abhilash Sharma, um UD sênior com especialização em engenharia de Marietta, Geórgia, e o primeiro autor do artigo, se ofereceu para fazer pesquisas sobre a equipe de Dhurjati quando ele estava no segundo ano e tem continuado desde então porque disse que acredita profundamente no trabalho.

"O carvão é tão abundante que seria errado ignorá-lo, "Disse Sharma." Estamos avançando em direção a uma nova mentalidade em que, em vez de mandar as pessoas para a clandestinidade, vamos enviar micróbios para o subsolo e deixar que as pessoas de cima lidem com o que os micróbios trazem para fora. Ao fazer isso, daríamos às pessoas muito mais habilidades para empregos futuros também. "