Estudiantes de tres escuelas técnicas construyen pilas biológicas para calculadoras o sensores.

A orillas del Río de la Plata, estudiantes porteños de tres escuelas técnicas buscan barro para volcar en un recipiente, luego le agregan agua y con dos minas de lápiz negro conectadas por un cable eléctrico logran producir energía para abastecer una calculadora o un pequeño motor.

Forman parte del proyecto “Cosechando electricidad de las bacterias”, del que también participan el Instituto de Investigación en Ciencia y Tecnología de Materiales, de Mar del Plata, y la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la Universidad de Buenos Aires (FCEN-UBA).

“El objetivo es desarrollar celdas de combustible microbianas [pilas biológicas] a partir del lodo del Río de la Plata. Cosechamos parte de la electricidad que producen las bacterias al consumir la materia orgánica del lodo, para alimentar aparatos de baja potencia”, dice Eduardo Cortón, del Departamento de Química Biológica de FCEN-UBA, coordinador general de este proyecto.

El experimento comienza con un día de campaña en la ribera, una gaseosa y una palita para excavar unos diez centímetros hasta dar con lodo bien negro, en el que las bacterias trabajan a sus anchas. Una pequeña muestra de este barro se vuelca en el envase vacío de la bebida y se le agrega agua del río. Una mina de lápiz negro o grafito se entierra en el lodo y la otra se sumerge en el líquido. Ambas están conectadas a un cable eléctrico, que conduce la energía producida a un aparato que mide sus características eléctricas (tester o multímetro).

“En cuestión de horas se puede registrar en el tester el aumento de potencial eléctrico. Cuando los alumnos observan que la aguja del medidor se mueve, quedan impactados”, describe el investigador del Conicet desde el Laboratorio de Biosensores y Bioanálisis de la Ciudad Universitaria.

Los que generan energía son chicos de las escuelas de educación técnica N° 2 Osvaldo Magnasco, N° 3 M. Sánchez de Thompson y Nº 32 Gral. José de San Martín. El objetivo es hacer, probar, experimentar, y en especial “investigar una nueva tecnología con materiales que pueden conseguirse en nuestro país”, subraya el maestro Alejandro Rodríguez, impulsor de la iniciativa y coordinador del Club de Ciencias Cóndor, financiado por la Fundación YPF.

 

A producir energía

En el laboratorio, esta pila biológica puede abastecer de electricidad por unos meses, y cada tanto se debe renovar el lodo para que las bacterias tengan nueva materia orgánica para degradar. Esto no es necesario si el sistema se usa directamente en la naturaleza. “Se está ensayando -destaca- enterrar grafitos o electrodos en el lodo del mar, mientras que otros electrodos se encuentran en el agua, produciendo electricidad para alimentar sensores que miden propiedades del agua, datos que luego son trasmitidos Wi-Fi a los investigadores”.

Para otros usos estas celdas de combustible microbianas ya están funcionando en el mundo. “La Marina de Estados Unidos que incentiva estos estudios, los emplea para alimentar a sensores enterrados en el océano para detectar terremotos o submarinos”, ejemplifica el científico a la vez que señala: “También se puede usar para purificar desechos cloacales y producir electricidad. Cálculos realizados por Lars Angenent, profesor en el Departamento de Ingeniería Química, en Washington University, St. Louis, establecen que el tratamiento de toda el agua cloacal producida en Estados Unidos consume el 1,5% de la energía eléctrica de ese país; la utilización de celdas de combustible microbianas permitiría producir esa electricidad al mismo tiempo que se depuran los líquidos cloacales”, señala.

Volviendo a nuestro país, el proyecto no sólo cosecha electricidad del lodo sino también la obtienen al cultivar microorganismos, como levadura de panadería. “Estamos trabajando en una serie de diez celdas microbianas para tener más potencia que permita alimentar a pequeños ventiladores o luces de baja potencia”, indica y enseguida agrega: “En otra línea de investigación, queremos utilizar estos sistemas no tanto para producir energía, sino como sensores o detectores de la calidad del agua. Si las bacterias están en un medio contaminado, la producción de energía eléctrica es menor.”

El proyecto que llevará seis meses más de experimentación concluirá con la elaboración de un kit educativo para que la experiencia se multiplique en otras escuelas. “Se busca armar una caja que contenga un manual para el profesor, otro para el alumno, y los materiales que no son fáciles de conseguir en el mercado para realizar los experimentos. La idea es motivar y aunar contenidos que en general están muy dispersos. Cada profesor habla de su pedacito y no se suele integrar contenidos provenientes de las áreas de la biología, química, física, electrónica o computación”, concluye.

 

Microorganismos sorprendentes

Científicos de la UNAM estudian a la bacteria Geobacter sulfureducens, que se alimenta de compuestos orgánicos y “respira” metales. Al hacerlo, produce electricidad y ofrece un gran potencial en la biorremediación de ambientes contaminados con metales pesados como uranio, vanadio y cromo.

Por ello, la especialista del Instituto de Biotecnología (IBt), Katy Juárez López, usará, por primera vez en el país, la bioestimulación de ese microorganismo para recuperar un sitio contaminado por cromo: la Ex hacienda El Hospital, en el municipio de Cuautla, Morelos.

Al mismo tiempo, analiza la regulación de la expresión genética de los filamentos que poseen, llamados pili, una especie de “nanocables”, que tienen la importante función de conducir la electricidad.

Financiada por el Departamento de Energía de Estados Unidos, la científica ha iniciado el mapeo global de la expresión de todos los genes de Geobacter lo que, se espera, proporcionará valiosa información para conocer y aprovechar mejor a esos organismos.

“Se deben buscar fuentes alternas de energía renovable, pues no será una sola la que resuelva la falta de hidrocarburos que se avecina”, advirtió la bióloga por la Facultad de Ciencias de la UNAM, y maestra y doctora por el propio IBT.

La bioelectricidad es la producción de energía por medio de microorganismos. Ese es el caso de la familia Geobacteraceae, descubierta hace más de dos décadas en los sedimentos acuáticos del río Potomac, en Washington, D.C., EU, por parte de científicos de la Universidad de Massachusetts, encabezados por Derek Lovley, quien colabora con la científica mexicana.

Al igual que los humanos usan la glucosa para obtener energía al respirar oxígeno, estas bacterias respiran de manera semejante y toman los compuestos orgánicos que encuentran en el medio y los metabolizan; al hacerlo, liberan electrones, sólo que en lugar de transferirlos como los humanos, estas bacterias los trasladan a metales o también pueden ser canalizados a electrodos, que al almacenarse en una pila, permiten “cosechar” electricidad.

La transportación de electrones a metales pesados reduce la toxicidad y ayudan a recuperar sitios contaminados por esos elementos.

Las especies que conforman esta familia son muchísimas, explicó Juárez. No obstante, en EU ya se ha secuenciado el genoma de entre siete y diez de ellas. La más conocida en genética, biología molecular, metabolismo y fisiología es la Geobacter sulfureducens.

Estas bacterias se hallan en hábitats acuáticos anaerobios, en el fondo de ríos aunque otras especies son marinas a pesar de que existen otros organismos anaeróbicos que también generan bioelectricidad, las Geobacter tienen la ventaja de que pueden transferir los electrones directamente, sin necesidad de “transportadores” que implican costos extra; son las mejores, detalló.

Además, aclaró, se trata de un organismo que puede ser cultivado. Eso es interesante, porque el 99 por ciento de las bacterias que habitan en el suelo no lo son, no presentan condiciones para hacerlos crecer en laboratorio.

 

Aplicaciones, una realidad

Con estas bacterias es posible obtener dos tipos de celdas microbianas o baterías. Unas llamadas celdas de sedimento emplean el lodo donde habitan estos microorganismos; ahí, se produce energía simplemente conectando un electrodo en la parte donde, a cierta profundidad, no hay oxígeno, con otro electrodo que se encuentre en presencia de oxígeno.

Así se capturan los electrones y el potencial respectivo es grande, pues esa generación puede partir de desechos o materia orgánica en descomposición, sostuvo.

Otras celdas, de laboratorio, requieren colocar las bacterias en el medio adecuado y “alimentarlas” con compuestos orgánicos que se encuentran normalmente en el subsuelo, como el acetato, para que crezcan y se reproduzcan, puntualizó.

En el suelo, de forma “natural”, dependen de los metales para usarlos como aceptores o “aceptadores” de electrones y así activar su metabolismo. Por ello, señaló, el tiempo de duplicación es un poco más largo que el de otras bacterias, de dos días a una semana.

En el laboratorio, las condiciones cambian. “Si se le da el alimento y el aceptor de electrones que requieren, el metabolismo se activa y el tiempo de duplicación es de sólo 45 minutos”, dijo.

A pesar de ser un área de estudio relativamente reciente, las aplicaciones son ya una realidad. Por ejemplo, hay baterías de sedimento con “consorcios” de microorganismos que hacen funcionar plantas de tratamiento de aguas. A la vez que se genera energía, se limpia el líquido.

En la Unión Americana, resaltó la científica, cuatro por ciento de la electricidad total nacional se gasta en ese proceso, y con la ayuda de esas bacterias se tiene calculado solventar ese consumo energético.

De igual forma, las Geobacter del fondo marino generan la potencia suficiente para hacer funcionar los instrumentos que miden parámetros como la temperatura y el pH del mar, monitoreo constante que con otro tipo de dispositivos, sería de alto costo, refirió.

Por supuesto, apuntó, ya se usan también en el vecino país del norte, para biorremediar suelos contaminados con metales pesados, que son reducidos, es decir, por las Geobacter se vuelven menos tóxicos.

Un caso es el del río Rifle, en Colorado, que estuvo dañado con material radiactivo de uranio VI. Se trabajó con pozos de inyección de acetato, reduciéndolo a uranio IV; la reparación alcanzada fue cercana al 80 por ciento en cinco años.

El uranio, el cromo, el cadmio y otros metales son difíciles de remover, sobre todo en el subsuelo, pues son muy solubles y se filtran a los mantos freáticos, perjudicándolos. Pero poniéndoles “alimento” a estos organismos, inyectándoles acetato, se pueden rescatar grandes extensiones de terreno, aclaró Juárez.

Paralelamente, el Departamento de Energía de EU financia trabajos como el Geobacter Project, donde participan científicos de ese país, de Europa y la doctora Juárez, por parte de México. “Diferentes investigadores buscan incrementar la transferencia de electrones y obtener más energía, sea mejorando las celdas, la expresión de los genes o la biopelícula que se forma en el electrodo, entre otros”, adelantó.

También, la industria automotriz está interesada en el desarrollo de pilas para los coches que sean competitivas con las que funcionan en la actualidad, expuso. “El potencial es grande, sobre todo para lugares remotos donde las celdas solares no pueden usarse porque está nublado e, incluso, para hacer funcionar diferentes dispositivos en misiones espaciales a Marte, investigación que se desarrolla actualmente en el Instituto Tecnológico de Massachusetts”.

 

El caso mexicano

Con el genoma completo de varias especies de Geobacter, se busca obtener mutantes que incrementen la capacidad de transferir electrones.

Esa es la misión de Juárez, quien analiza la expresión de la regulación genética del pili, descubierto hace apenas tres años. “Es como un cabello de estos organismos que se usan para trasladar los electrones al metal, o al electrodo, a fin de producir electricidad. Son conductivos y podrían tener cierta aplicación en nanotecnología”.

Esos filamentos, 20 mil veces más delgados que un cabello, están formados de una proteína llamada pilina y alcanzan hasta cinco micrómetros de largo. Hasta ahora, se desconoce por qué son conductores, aunque se piensa que pueden contener citocromos, moléculas encargadas de reducir los metales. Las Geobacter tienen alrededor de 100 distintos citocromos de estas moléculas, cuando por lo general otros grupos poseen sólo cinco o seis.

Hoy, tres celdas microbianas de combustible de lodo pueden producir el equivalente a dos pilas “doble A”, es decir, energía suficiente para activar una calculadora o un artefacto pequeño. En el laboratorio, con condiciones óptimas, una sola de éstas produce la misma energía. No es mucho, pero “se está tratando de mejorar. Además, las pilas de sedimento pueden funcionar por un año, ese es otro de sus atractivos, además del beneficio ambiental que implican”, apuntó.

La aplicación inmediata en el país de estos avances, será en la reducción de metales, en la biorremediación de zonas contaminadas por la industria peletera, de cromatos e, incluso, de pinturas que antes se usaban. México tiene aproximadamente mil sitios afectados por cromo VI que, con este tipo de bacterias, podría convertirse en cromo III, menos tóxico y que se precipita, para ser removido.

Como estos organismos ya existen en el subsuelo, no habría necesidad de introducirlos, simplemente estimularlos, darles compuestos para hacerlos crecer y que cumplan su función. Así ocurrirá en la Ex Hacienda El Hospital, donde se producían pinturas que contenían plomo, cadmio y cromo. Los desechos no eran tratados y se vertían a las fuentes de aguas superficiales de la zona. Así, el sitio quedó contaminado e incluso la población vecina presenta daños a la salud.

En 2002, en la periferia del casco de la hacienda, luego de más de 10 años que la fábrica fue cerrada, se encontraron 47 sitios contaminados por cromo, plomo y cadmio por arriba de las normas permitidas.

Por ello, será necesario buscar financiamiento para construir pozos de bioestimulación, donde se inyectará acetato para incrementar la población de microorganismos, reducir el cromo y evitar la contaminación de los mantos freáticos. Para este proyecto ya se cuenta con la colecta de muestras y estudios preliminares y se espera echarlo a andar pronto, concluyó.

Algunas de los artículos más recientes de la especialista en coautoría son: Computational and Experimental Analysis of Redundancy in the Central Metabolism of Geobacter sulfurreducens, en PLoS Compu. Biol., y PilR, a Transcriptional Regulator for Pilin and Other Genes Required for Fe (III) Reduction in Geobacter sulfurreducens, en J Mol Microbiol Biotechnol.

 

Fuentes: Centro de Divulgación Científica de la Facultad de Ciencias Exactas, UBA – La Nación – Universidad Nacional Autónoma de México (www.unam.mx) – Geobacter Project (www.geobacter.org)

 

 

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