M. en C. Alan Cornejo Martell, Dr. José Alberto Hernández Eligio y Dra. Katy Juárez López

El M. en C. Alan Cornejo Martell es estudiante de doctorado en Ciencias Bioquímicas. El Dr. José Alberto Hernández Eligio es investigador Cátedra CONACyT y la Dra. Katy Juárez López es investigadora Departamental y dirige el Laboratorio de Biorremediación y bacterias productoras de bioelectricidad, adscrito al Departamento de Ingeniería Celular y Biocatálisis del IBt.

La revolución industrial permitió un gran avance de la h u m a n i d a d pero trajo consigo muchos problemas ambientales que necesitamos resolver para salvar a nuestro planeta Tierra. Transcurría el año de 1952 en la Ciudad de Londres, cuando el 5 de diciembre un fuerte frío empezó a atacar a la ciudad londinense. Para combatir el frío, los habitantes encendieron chimeneas y calentadores, haciendo uso de los combustibles de origen fósil (carbón, petróleo y gas). Debido a que el clima extremo duró 5 días, la gente quemó en forma excesiva los combustibles, sin conocer las consecuencias que se generarían. ¿Qué sucedió? Una gran nube tóxica cubrió la ciudad como producto de la mezcla del frío y de los gases liberados por la quema de los combustibles fósiles. Algunos reportes mencionan que el cielo se oscureció y que hasta en lugares cerrados había muy poca visibilidad. Al dispersase la nube tóxica, ésta dejó un rastro de más de 12,000 personas muertas y más de 10,000 con enfermedades severas. Hoy día, dicho evento se considera como el peor caso de contaminación del aire en la historia europea, y como consecuencia de ello, el Parlamento del Reino Unido aprobó en 1956 la llamada “Acta del Aire Limpio”. En todo el mundo, la sociedad tomó conciencia de que tal situación no debería repetirse, por lo que se comenzó a establecer leyes que controlaran las descargas de los contaminantes que las industrias generaban. Por desgracia, el aumento de la población y la demanda de energía ha llevado a la liberación constante de contaminantes de toda clase al medio ambiente, afectando los diversos ecosistemas del planeta.

Los acontecimientos descritos, han generado dos grandes retos para la humanidad. El primero es desarrollar tecnologías que ayuden a limpiar los lugares contaminados, así como la adecuada disposición de los desechos contaminantes. El segundo gran reto es el suministro de energía a escala global. Para la generación de energía, el ser humano ha creado una dependencia total de los combustibles de origen fósil; desafortunadamente, estos recursos no son renovables y se calcula que en menos de 50 años se agotarán. Esta situación ha propiciado que muchos investigadores enfoquen sus esfuerzos en la obtención de energía a partir de tecnologías renovables, como la energía eólica, hidráulica, geotérmica, solar y de origen biológico.

En la actualidad, los científicos han desarrollado una nueva tecnología que ayuda a eliminar los contaminantes liberados al medio ambiente, a la vez que se puede generar energía eléctrica. Esta tecnología, usa dispositivos bioelectroquímicos o baterías microbianas, las cuales emplean microorganismos que tienen la capacidad de generar electricidad, a la vez que degradan o transforman los contaminantes. Pero, ¿cómo pueden estos pequeños seres vivos degradar compuestos que son contaminantes ambientales? Para conocer esta respuesta recordemos que todo ser vivo necesita alimento para sobrevivir; por ejemplo, el alimento que ingerimos es transformado dentro de las células, generando energía. En este proceso, hay un flujo de electrones (partículas de los átomos que tienen una carga eléctrica negativa) que provienen del alimento que ingerimos, los cuales son recibidos por el oxígeno (aceptor de electrones) que respiramos. Los microorganismos usados en las baterías microbianas (a través de millones de años de evolución), idearon mecanismos que les permitieran sobrevivir en condiciones adversas donde no había oxígeno (por ejemplo, en el subsuelo), pero sí otros elementos como óxidos metálicos, usándolos como aceptores de electrones (proceso conocido como transferencia extracelular de electrones). Gracias a esta característica, se empezaron a utilizar estos microorganismos para eliminar compuestos contaminantes y generar energía. En las baterías microbianas se aprovecha esta cualidad, ya que, en vez de usar metales como aceptor de electrones, se usa un electrodo (elemento conductor que permite que los electrones viajen a través de él) que funge como aceptor de electrones.

Pero… ¿qué es una batería microbiana? Es un sistema constituido por dos cámaras, una sin oxígeno y otra con oxígeno (anódica y catódica, respectivamente), separadas por una membrana selectiva y en cada cámara se coloca un electrodo (1). Cada electrodo se conecta mediante cables para realizar un circuito eléctrico, similar al que se usan en las casas para las conexiones eléctricas. En la cámara anódica, se adiciona el contaminante y los microorganismos, que degradan el contaminante liberando electrones al electrodo; los electrones, a su vez, viajan por el circuito eléctrico, generando así electricidad. Además, los microorganismos liberan al mismo tiempo protones (partículas de los átomos que tienen una carga eléctrica positiva), que migran de la cámara anódica a la cámara catódica, pasando a través de la membrana selectiva. Finalmente, en la cámara catódica, los electrones, protones y el oxígeno se combinan para formar agua. ¿Cuánta energía se puede cosechar con este tipo de dispositivos? Aunque la energía eléctrica que producen actualmente las baterías microbianas no es muy potente como para encender una televisión o un radio, si se puede usar para monitorear las zonas contaminadas. ¿Como es posible esto? Los microorganismos presentes en las baterías microbianas sólo generan la electricidad activando un sensor si está presente un alimento que puedan usar. Esto significa que, si hay un contaminante en las baterías microbianas, los microorganismos comenzarán a generar una señal eléctrica, y cuando se termine el contaminante, la dejaran de producir, esto indicaría que los microorganismos han degradado el contaminante.

Las baterías microbianas también se usan para remover los metales pesados de aguas residuales. Algunos metales son altamente tóxicos en cierto estado de oxidación o estado químico; sin embargo, si se adicionan en la cámara catódica (como reemplazo del oxígeno), reciben los electrones que viajaron por el circuito hasta cambiar su estado de oxidación y sus características fisicoquímicas. De esta manera, en la cámara catódica se puede recuperar el metal, mientras que en la anódica se degrada el contaminante, ¡fascinante! ¿Verdad? ¡Pero aún hay más!, también se pueden usar las baterías microbianas para la producción de biogás. Si en la cámara catódica sólo dejamos el electrodo, mientras que en la cámara anódica adicionamos microorganismos y el contaminante, y le aplicamos un poco de energía eléctrica, el resultado sería la obtención del biogás hidrógeno (H2 ). ¿Cómo sucede esto? Debido a que la cámara catódica es el destino final de los electrones y protones, y a que estos no tienen un aceptor final, con la energía que se aplica, se unen para formar el biogás hidrógeno, que se puede usar como combustible.

En nuestro laboratorio estamos interesados en estudiar las baterías microbianas desde dos perspectivas. Por un lado, utilizando bacterias aisladas que se especializan en degradar compuestos que para otras bacterias son desechos y, que además son muy eficientes en transferir electrones al electrodo. Para esto, utilizamos a la bacteria Geobacter sulfureducens, que fue la primera usada en estos dispositivos y que tiene numerosas características interesantes para la biorremediación. Debido a que no se conoce completamente cómo esta bacteria puede hacer la transferencia extracelular de electrones, nosotros investigamos en su material genético, cuáles genes son importantes para este proceso, lo que nos ayudará a generar superbacterias con sus capacidades optimizadas y así mejorar la producción de electricidad (2,3). Por otro lado, estamos aislando consorcios bacterianos (asociaciones naturales de más de dos diferentes especies de bacterias) de ríos contaminados con petróleo en México, seleccionando aquellos que puedan degradar los contaminantes y a la vez puedan producir electricidad usando baterías microbianas, lo cual podría resultar ventajoso, ¿por qué? Debido a que en ocasiones un sólo microorganismo no tiene la capacidad completa para degradar un compuesto contaminante; sin embargo, cuando hay más de una especie bacteriana en las baterías microbianas, mientras una bacteria elimina parcialmente un contaminante, otra especie toma ese producto y termina de degradarlo, ¡El trabajo en equipo es mejor!

Actualmente, los investigadores están generando y diseñando nuevos materiales que permitan que las baterías microbianas trabajen mejor en la producción de electricidad. Asimismo, cada día se aislan nuevas especies bacterianas que poseen características sobresalientes en la degradación de contaminantes emergentes y transferencia de electrones en baterías microbianas. Aunque estas tecnologías siguen desarrollándose en el laboratorio y hay pocos casos exitosos a escalas mayores, seguimos trabajando para que, en un futuro cercano, tengamos una tecnología sustentable que nos ayude a eliminar los contaminantes recalcitrantes como el petróleo y tal vez, muy pronto, con los desperdicios de nuestros hogares, podamos generar energía limpia para cubrir todas nuestras necesidades.

Fuente: Revista Biotecnología en Movimiento