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Agua y calambres II: ¿Bioelectro… qué? ¡Bioelectrogénesis!

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Sobre el blog

Juan José Salas
MÉDICO DEL AGUA y DOCTOR EN QUÍMICA. Director de Servicios Tecnológicos de la Fundación CENTA. 36 años de experiencia en el tratamiento de las aguas residuales, especialmente de los vertidos generados en las pequeñas aglomeraciones urbanas.
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  • Agua y calambres II: ¿Bioelectro… qué? ¡Bioelectrogénesis!

El pasado abril publiqué un post con el título “CENTA e IMDEA, Agua y Calambres” en el que indicaba que, aunque agua y electricidad no suelen llevarse bien, por aquello de los calambres, esta mala relación se estaba tornando en amistad provechosa, con la reciente aplicación de las Tecnologías Electroquímicas Microbianas (MET por sus siglas en inglés), al tratamiento de las aguas residuales.

Hoy tenemos la suerte de poder entrevistar a un amigo experto en esta nueva disciplina, el Dr. Abraham Esteve, al que abusando de su amistad me permito llamarle (con su permiso), Patriarca de los Calambres. Lo de patriarca por su nombre y lo de los calambres por su sapiencia en el campo de la electroquímica microbiana

Médico del Agua (MdA).- En pocas palabras, ¿nos podrías explicar qué es esto de la bioelectrogénesis?

Patriarca de los Calambres (PdC).- El origen del término es antiguo y fue acuñado por electrofisiólogos para referirse a la producción de electricidad en organismos como las anguilas. El reciente descubrimiento de bacterias, con capacidad para generar una corriente eléctrica al exponerlas a un material conductor, evidenció la falta de un término en castellano para describir el proceso. La bioelectrogénesis parecía cumplir este papel en una sola palabra, y así adoptamos su uso.

MdA.- ¿Bioelectrogénesis o Técnicas Electroquímicas Microbianas?

PdC.- La primera, para referirnos al proceso biológico por el cual generamos la corriente eléctrica a partir del metabolismo microbiano, mientras que las Tecnologías Electroquímicas Microbianas suponen el conjunto de aplicaciones basadas en el intercambio de electrones entre microorganismos y materiales conductores de la electricidad. Personalmente, en la actualidad me gusta referirme a esta disciplina como electromicrobiología o electroquímica microbiana, pues ésta engloba nuevos procesos de intercambio de electrones, que no se ven representados de forma adecuada por el término bioelectrogénesis.

Es hora de convertir la depuración de agua en un proceso industrial controlado y abandonar la idea de dejar crecer aquello que venga en el agua

MdA.- ¿Qué tiempo llevas dedicado a esta materia?

PdC.- En 2001 tuve la fortuna de estar presente en el laboratorio en el que se tuvo evidencia de la primera transferencia directa entre la bacteria Geobacter y un electrodo de grafito. El lugar era la Universidad de Massachusetts (EEUU) y en ese instante todos nos dimos cuenta de que había nacido una nueva disciplina.

MdA.- ¿Dónde llevas a cabo tus investigaciones en la actualidad?

PdC.- La Universidad de Alcalá, donde soy Profesor Titular, y el Instituto Madrileño de Estudios Avanzados IMDEA AGUA, al que estoy vinculado como investigador, constituyen mis centros de trabajo.

MdA.- Por lo que entiendo la clave de estas técnicas radica en un tipo especial de bacterias. Si es así, ¿donde se las encuentra? ¿Es necesario inocularlas?

PdC.- Cómo científicos nos gusta encasillar y clasificar organismos con el propósito de simplificar algo tan complejo como la biodiversidad. La realidad es que se han descrito unas 64 especies bacterianas con capacidad electroactiva; de ellas tan sólo una docena se ha explorado con cierta profundidad, siendo el género Geobacter el más estudiado, y considerado por consenso como el organismo electroactivo modelo. La razón no es caprichosa, Geobacter aparece una y otra vez asociado a los electrodos de ensayos en todos los laboratorios del mundo. La inmersión de un electrodo en ambientes naturales como sedimentos fluviales, suelos agrícolas o ambientes más antropogénicos como el agua residual urbana, termina en la mayoría de ocasiones con la selección de la bacteria Geobacter como especie dominante.

¿Inocularlas, preguntas? Los romanos hacían vino con las levaduras naturales presentes en la vid, pero a ninguna bodega moderna se le ocurriría llevar un proceso biotecnológico de calidad sin controlar su propia cepa microbiana. Es hora de convertir la depuración de agua en un proceso industrial controlado y abandonar la idea de dejar crecer aquello que venga en el agua. Depuramos mediante lodos activos desde hace más de cien años y hacemos vino desde hace miles; es cuestión de tiempo convertir la depuración de las aguas residuales en un proceso biotecnológico bien controlado y, quién sabe, quizás también con “denominación de origen”.

El metabolismo microbiano se deconstruye de forma análoga en la que Ferrá Adriá revolucionó El Bulli separando olores y texturas

MdA.- ¿Cuáles son las principales diferencias entre tratar aguas residuales de forma convencional, vía aerobia, y por MET?

PdC.- Ambas corresponden al mismo espíritu vital, oxidar materia orgánica y transferir los electrones generados a un agente aceptor. La vía aerobia utiliza microorganismos que recurren al oxígeno como aceptor y, con ello, la necesidad de transportarlo dentro de las células. Sin embargo, las MET nos permiten alterar el paradigma bioquímico de lo conocido y atrevernos a operar con el electrón “desnudo”. Así, el electrón es retirado de la célula mediante el contacto directo con un electrodo y la consiguiente generación de una corriente eléctrica; pero el electrón también puede ser aportado externamente y entonces es el microorganismo el que se convierte en consumidor de corriente eléctrica, para realizar reacciones de desnitrificación, con gran aplicación en aguas. La clasificación antropocéntrica y artificial de lo aerobio versus lo anaerobio se desdibuja, pierde su sentido y pasa a tenerlo la capacidad o no para intercambiar electrones con el medio externo.

MdA.- ¿Y si hablamos de ventajas e inconvenientes?

PdC.- ¿Ventajas para quién? Para los microorganismos la ventaja es innegable, poder intercambiar electrones con otras bacterias, desarrollar mecanismos de sintrofía directa que llevan la microbiología a un nuevo estado. Recientemente se ha probado que las bacterias metanogénicas pueden generar metano, aún en ausencia de un donador de electrones clásico como el hidrógeno. Les basta la interacción momentánea con un Geobacter cargado de electrones.

Para nosotros, como ingenieros del agua, las ventajas se traducen en ahorros energéticos, al poder utilizar aceptores inagotables (meros conductores por los que los electrones fluyen), pero también en reducciones drásticas de la formación de lodos, por el bajo rendimiento celular de este tipo de bacterias y, sobre todo, por desacoplar las reacciones de oxidación (depuración) de las de reducción (respiraciones, fermentaciones, metanogénesis), que siguen siendo necesarias, pero no así su coexistencia en el espacio. El metabolismo microbiano se deconstruye de forma análoga en la que Ferrá Adriá revolucionó El Bulli separando olores y texturas.

MdA.- ¿Cuál es el estado actual de la aplicación de las MET al tratamiento de las aguas residuales?

PdC.- Tanto a nivel experimental, como a escala piloto, podemos distinguir dos tipos de aplicaciones, aquellas puramente bioelectrogénicas, en las que los microorganismos convierten la materia orgánica en corriente eléctrica con el objeto de estimular la eficiencia depurativa, o bien como biosensor para detectar la presencia de materia orgánica, o de analitos concretos.

Un segundo grupo de aplicaciones supone “alimentar” a las bacterias con electricidad para que realicen reacciones de interés sobre la química del agua: desnitrificación, metanogénesis, producción de hidrógeno, deshalogenaciones reductivas de contaminantes clorados, reducción de colorantes y tintes.

Todas estas aplicaciones se exploran en distintos laboratorios a través de programas públicos y en estrecha colaboración con empresas. España está a la vanguardia en este tipo de desarrollos y constituye el país europeo con mayor número de investigadores dedicado a este campo. Prueba de ello es que de la media docena de empresas start-up dedicadas a MET registradas en el mundo, dos son españolas. ¿Y cuándo llegarán al mercado? Pues bien, la primera depuradora 100% MET del mundo ya está en fase de puesta en marcha y dará servicio íntegro a una pequeña población española. Asimismo, existe una aplicación para generación de metano a partir de aguas de bodega en Estados Unidos.

MdA.- ¿En qué otros campos tendrían aplicación las MET?

PdC.- La conversión de la energía química en energía eléctrica permite desarrollar estrategias para obtener energía limpia, a través de los ciclos biológicos, en ambientes naturales como los fondos los marinos y los suelos. El mismo principio de estimulación microbiana, que la bioelectrogénesis aporta a la depuración de aguas, es aplicable con éxito a la descontaminación de suelos. Asimismo, la capacidad de estas bacterias electroactivas para aceptar corriente eléctrica y transformarla en metabolismo hace posible desarrollar reacciones de bioelectrosíntesis: fármacos, biocombustibles o acetato a partir de CO2, serán una realidad muy pronto.

MdA.- ¿En qué proyectos actuales andas trabajando?

PdC.- Cuando fundé el grupo Bioe en 2009, mi intención era explorar el concepto de la electroactividad microbiana como si fuera un taburete de tres patas: biología, ingeniería y, por supuesto, electroquímica. Tres puntos siempre definen un plano, pero solo consiguiendo avanzar en estas tres disciplinas conseguiremos dar estabilidad a este nuevo taburete biotecnológico. Tenemos financiación a través de programas europeos y nacionales para sostener a un equipo formidable, entusiasta y de carácter multidisciplinar, que es el verdadero artífice de que podamos explorar conceptos básicos y, no por ello, frenarnos en el desarrollo de productos que alcancen la escala real tras ensayarlos en un lugar de referencia como CENTA.

Entre nuestros proyectos está la integración de las MET en tecnologías extensivas, como los humedales artificiales (que hemos bautizado como METlands), a la vez que los implementamos a escala real en varios países. También desnitrificamos utilizando microorganismos electroactivos, que aceptan electrones de electrodos en lugar de obtenerlos de la materia orgánica; exploramos el concepto de desalar a coste cero, utilizando la energía eléctrica generada en la bioelectrogénesis del agua residual; convertimos electroactividad en un sensor que nos da información valiosa sobre el estado del agua. También, intentamos cambiar el paradigma de la bioelectrogénesis en forma de biofilms sobre electrodos estáticos, y reemplazarlo por el concepto de electrodos fluidizados, donde las células puedan mantenerse en estado planctónico.

Además del agua, también investigamos otras aplicaciones ambientales como la descontaminación de suelos y la generación de energía en ambientes naturales. Y luego está el último en llegar a la fiesta, las bacterias fotosintéticas púrpuras, que ponen una nota de color en este mundo de las MET.

MdA.- Dejamos que el Patriarca de los Calambres siga con sus innovadoras y sugestivas investigaciones y esperamos haber suscitado la curiosidad del lector por este nuevo paradigma en el tratamiento de las aguas.