Dr. Francisco J. Cervantes

El doctor Francisco J. Cervantes trabaja en el Laboratorio de Investigación en Procesos Avanzados de Tratamiento de Aguas (LIPATA), de la Unidad Académica Juriquilla del Instituto de Ingeniería de la UNAM.

La biotecnología ambiental aprovecha la capacidad metabólica de los microorganismos, aplicados en sistemas de ingeniería, para resolver problemas ambientales, como el tratamiento de aguas residuales, remediación de acuíferos y suelos contaminados por hidrocarburos, metales pesados o plaguicidas, así como para la generación de energías renovables a partir de desechos industriales.

A través de la historia, los microorganismos han jugado un papel importantísimo en el medio ambiente. Por ejemplo, desde hace más de un siglo, los sistemas biológicos de tratamiento de aguas residuales forman parte fundamental de las plantas depuradoras que eliminan los contaminantes de efluentes vertidos por las poblaciones humanas y por las industrias. Los primeros sistemas biológicos, desarrollados a principios del siglo XX, fueron los sistemas aerobios, los cuales requieren del oxígeno presente en el aire para que los microorganismos degraden los contaminantes presentes en las aguas residuales. Posteriormente, los sistemas operados sin aireación (que no requieren de oxígeno para desarrollarse, anaerobios) surgieron como alternativa de tratamiento de aguas residuales a mediados del siglo pasado, aunque su auge ocurrió a principios de la década de los 70’s. El desarrollo de los sistemas anaerobios de tratamiento de aguas residuales permitió que la depuración de efluentes industriales pudiera lograrse de una forma más económica, ya que estos sistemas demandan menos energía para ser operados. De hecho, actualmente existen sistemas de tratamiento de aguas residuales anaerobios que tratan efluentes industriales y que generan una cantidad importante de metano, el cual puede ser utilizado como fuente de energía renovable. La producción de metano también se ha extendido mediante la aplicación de procesos anaerobios para tratar desechos sólidos, como lodos de plantas de tratamiento de aguas residuales, desechos orgánicos presentes en rellenos sanitarios, excretas porcinas, entre otros residuos.

Para lograr procesos más sustentables, en los últimos años se ha cambiado el paradigma de considerar a los sistemas biológicos de tratamiento de aguas residuales como simples sistemas de depuración de efluentes, tornando la visión hacia la recuperación de recursos, dentro del concepto llamado “biorefinería”. Una biorefinería integra procesos biológicos y químicos que permitan la recuperación de recursos de valor agregado a partir de desechos industriales. En este contexto, el recurso primordial a recuperar es el agua tratada, la cual podrá cubrir múltiples necesidades, mediante su reutilización en sanitarios, lavado de instalaciones y en procesos industriales en los que no se requiere de agua potable; por ejemplo, en la producción de textiles y papel.

Adicionalmente, en los sistemas de tratamiento anaerobios, es posible obtener una cantidad importante de biogás, no sola – mente para satisfacer las demandas energéticas durante la operación de la planta de tratamiento de aguas residuales (PTAR), sino también, para ser considerada para otros fines. Por ejemplo, el mega proyecto de la PTAR Atotonilco, diseñada para tratar el 60% de las aguas residuales que se generan en la Ciudad de México, está concebido para cubrir el 80% del consumo energético de la misma PTAR mediante la utilización del biogás que se genera durante la digestión de los lodos que se producen en la planta de tratamiento. Pero no sólo se puede obtener agua limpia y energía de procesos biotecnológicos para tratar aguas residuales, también es posible obtener subproductos de valor agregado. Un ejemplo importante es la recuperación de nutrientes, principalmente nitrógeno y fósforo, de efluentes que los presentan en alta concentración, como los descargados de granjas porcinas o procesadoras de pescado. Al respecto, se han desarrollado procesos químicos que, combinados con los sistemas biológicos de tratamiento de aguas residuales, permiten recuperar estos nutrientes para ser aplicados en la agricultura. Estas son parte de las estrategias que se buscan dentro de la economía circular emergente. Además, muchos efluentes industriales, como los derivados de actividades mineras y metalúrgicas, contienen una alta concentración de metales preciosos y afortunadamente diversos procesos biotecnológicos están emergiendo con el fin de recuperarlos para su aplicación en procesos industriales que hemos estudiado en nuestro laboratorio (1).

Nuevas capacidades metabólicas

Desde hace ya varias décadas, se reconoce que los microorganismos cuentan con los procesos enzimáticos para degradar contaminantes, como los plaguicidas, o aquellos derivados del petróleo, detergentes, entre otros, en procesos aeróbicos y anaeróbicos. Además, estas capacidades metabólicas se han extendido. Sabemos que los microorganismos pueden utilizar una amplia gama de aceptores finales de electrones en su cadena respiratoria (diferentes del oxígeno). Estos aceptores de electrones incluyen formas oxidadas de diferentes metales y metaloides, como Fe(III), Mn(IV), U(VI), As(V), entre otros. Además, pueden respirar también empleando solventes polihalogenados, como el percloroetileno, el cual es cancerígeno y ampliamente usado solvente desengrasante en procesos industriales, así como colorantes “azo” (que contienen un enlace químico del tipo azo: -R-N=N-R), que también son cancerígenos y son ampliamente utilizados en el sector textil para teñir telas. Durante los últimos años los investigadores han mostrado evidencias de que microorganismos presentes en la PTAR también pueden degradar contaminantes emergentes, como fármacos, plaguicidas, desinfectantes, entre muchos otros, que son descargados en efluentes municipales e industriales.

Consumo de gases de efecto invernadero

Los efectos del cambio climático son cada día más dramáticos, como lo muestra la publicación de que el 2018 ha sido el año más caluroso desde la época preindustrial, por lo que la generación de gases de efecto invernadero, que contribuyen a este calentamiento global, es cada vez más preocupante. Uno de los gases con mayor contribución al calentamiento global es el metano, el cual es emitido por actividades antropogénicas, como el empleo del “fracking” (ruptura de yacimientos) para extraer gas natural o bien por la ganadería intensiva. Sin embargo, también existen fuentes naturales de metano, como los pantanos, humedales y sedimentos marinos. Afortunadamente, existen microorganismos que consumen el metano (microorganismos metanotróficos) y que juegan un papel importantísimo para mitigar estas emanaciones naturales. Por ejemplo, se sabe que el 90% del metano que se genera en ambientes marinos es consumido por microorganismos metanotróficos antes de que sea liberado a la atmósfera. La oxidación del metano por este tipo de microorganismos ocurre tanto en condiciones aerobias, como anaerobias. Como lo hemos demostrado en algunos de nuestros trabajos (2), en condiciones anaerobias, el metano puede ser oxidado por microorganismos utilizando aceptores de electrones como sulfato, hierro férrico y sustancias húmicas (compuestos químicos producidos a partir de los residuos vegetales y animales a través de reacciones químicas). Además, nuestro grupo de investigación comunicó recientemente que las sustancias húmicas, no sólo propician la oxidación del metano, sino que también contribuye a que el CO2 que se genera del proceso de metanotrofía, sea secuestrado en forma de distintos minerales en los sedimentos de humedales donde ocurren estos procesos (3). Por todas estas razones, es importante enfatizar la labor colosal que llevan a cabo los microorganismos para evitar que gases de efecto invernadero sean emitidos a la atmósfera y sobre todo trabajar por la preservación de las condiciones en las que los microorganismos pueden hacer el trabajo que favorece a los habitantes del planeta.

Fuente: Revista Biotecnología en Movimiento