Preside la Mesa: Marcos Guidoli

Moderada: Diana de Salazar

Candidato/as:

• Andres Juan Alfonso “Potenciales tecnológicos de biofilm fotosintéticos en la remediación ambiental y generación de energía”
• Mariela Luciana Acuña “Estudios genéticos en genotipos de agropiro alargado creciendo bajo condiciones halomórficas.”
• Judith Elizabeth Lacava “Estrategias para la fitorremediación de residuos de fármacos veterinarios empleados en sistemas ganaderos del Bajo Delta del Río Paraná.”

Alfonso, A. ; Areco, M.  ; Curutchet, G.¹²

Resumen

En el río Reconquista, segundo cauce más contaminado de la Argentina, existen diferentes especies y comunidades microbianas que pueden ser aisladas y analizadas con fines biotecnológicos. Entre las mismas se encuentran las microalgas cuyas capacidades de remedición son estudiadas por el grupo de Microalgas y Remediación, del Instituto de Investigación e Ingeniería Ambiental (CONICET-UNSAM).

Las bajas velocidades de crecimiento de las microalgas y la necesidad de exponerlas a diversos contaminantes con fines biotecnológicos requieren de técnicas de inmovilización sobre soportes adecuados que permitan obtener reactores eficientes y novedosos para procesos de tratamiento y remediación. El diseño de soportes para crecimiento de biofilms microbianos en materiales novedosos es un paso crucial en el desarrollo de los reactores antes mencionados. Además del componente técnico, el conocimiento profundo de sistemas matriz-microorganismos permitirá comprender en mayor detalle procesos de transformación y destino de contaminantes en sistemas naturales como los sedimentos del río.

Los objetivos de mi tesis doctoral consisten en estudiar procesos de tratamiento de contaminantes con producción de energía asociada utilizando microorganismos electrogénicos y microalgas autóctonas del río Reconquista inmovilizados sobre soportes novedosos. Así como diseñar, desarrollar y caracterizar los soportes a utilizar.

Finalmente, se desarrollarán biorreactores utilizando los microorganismos y materiales estudiados en distintos procesos de remediación de, por ejemplo, metales pesados, compuestos recalcitrantes o en el tratamiento descentralizado de aguas negras, grises y amarillas generadas tanto a nivel industrial como en barrios periféricos, en sistemas complejos como la Cuenca del Río Reconquista, en dónde es necesaria además, la articulación con actores sociales.

Rio Reconquista

El río Reconquista (Figura 1), es el segundo cauce más contaminado de la Argentina. El descuido en planificación y organización del territorio, sumado a la limitación de las instituciones públicas y el crecimiento poblacional, son considerados como los motivos tanto históricos, políticos, económicos, y socioculturales que afectan al ecosistema de la cuenca, de igual manera que a la calidad de vida de la población actual y futura de la región (Tauber, 2011).

De la amplia gama de contaminantes que pueden encontrarse en las aguas superficiales, los metales pesados se encuentran entre los más persistentes en el ambiente y cuyos efectos en la salud son notablemente más nocivos. Dentro de este grupos de metales podemos encontrar arsénico, cromo, cobre, hierro, mercurio, zinc, entre otros. Los mismos son liberados en el ambiente a través de distintas actividades productivas locales.

Los efectos de la degradación ambiental se puede observar en la biodiversidad del río, tanto en su disminución como en la presión de selección de especies resistentes/tolerantes. Dentro de los seres vivos afectados se encuentran vegetales, animales y microorganismos. Un grupo importante de microorganismos que se incluyen son las microalgas, cuya tolerancia es un gran aporte a los sistemas de remediación.

La cuenca del Rio Reconquista es una suma de elementos que se relacionan entre sí , cuyas características en conjunto son más que la suma de las partes. Por lo cual, no se debe perder de vista la mirada que aporta la interpretación como un sistema complejo.

Para contextualizar el sistema que representa, es propicio remarcar que una situación compleja es influida por múltiples factores que interaccionan entre si y es difícil separarlos. El mismo se explica por la suma de miradas especializadas que intervengan. Los sistemas ambientales, son sistemas complejos (García,1994). La interrelación entre los componentes otorga el carácter de complejo, cuyas funciones dentro del sistema no son independientes. Estas relaciones también conforman la estructura, que organizan al sistema y funciona como un todo. Un enfoque apropiado para la interpretación de estas situaciones es emplear la interdisciplina que permite unificar los distintos saberes provenientes de áreas como las ciencias exactas y técnicas y las ciencias sociales (O’Riordan, 2014).

Microalgas

Las microalgas (Figura 2) son microorganismos acuáticos unicelulares o multicelulares que poseen la capacidad de transformar la energía lumínica en energía química, fijar grandes cantidades de CO2, y liberar O2 al medio, además de incorporar nutrientes del medio donde se encuentran. Pueden encontrarse en distintos ambientes, ya que presentan una gran versatilidad derivada de su capacidad de adaptación (Valverde, 2016). Por lo tanto, no resulta extraño hallarlas en ríos contaminados como el Río Reconquista.

Resumiendo algunas características destacadas, son su gran variabilidad y capacidad de tolerancia a diversos contaminantes, que otorgan a las microalgas un rol preponderante en los sistemas de remediación de estos contaminantes. Las estrategias que emplean estos microorganismos para sobrevivir se transforman en poderosas herramientas biotecnológicas. Además, sus características estructurales y metabolismo se involucran en estos procesos. Podemos destacar algunos como la modificación de un metal pesado en su especie menos toxica, internalización en compartimientos específicos, adsorción sobre las paredes celulares, o precipitación (Leong y Chang, 2020).

Otra característica distintiva de las microalgas es que pueden asociarse en una supraestructura denominada biopelícula/biofilm. Una definición consensuada en el ámbito académico para “biofilm” es: el agregado de microorganismos en los que las células están frecuentemente incrustadas en una matriz de producción propia, sustancias poliméricas extracelulares (EPS), que se adhieren entre sí y/o una superficie. Este consorcio otorga características relevantes que las microalgas no poseen en su estado individual y pueden incorporar otros organismos como bacterias, hongos o levaduras. Estos biofilms son sistemas que pueden adaptarse internamente a las condiciones ambientales mediante los elementos que los conforman. Se establecen relaciones complejas que se dan en el marco de esta estructura que otorgan un nivel más alto de organización. Como corolario, se presentan propiedades emergentes, que potencian su interacción con los contaminantes. Por ejemplo, las sustancias extracelulares generadas pueden retener metales pesados y permitir a las microalgas tolerar concentraciones más altas de metales pesados. También colaboran en la superveniencia en general, regulando la disponibilidad de nutrientes, la resistencia a cambios bruscos en el medio o estableciendo procesos de transformación de la materia localizados (Flemming y Wuertz, 2019).

 

Microalgas inmovilizadas

En la industria biotecnológica es una práctica difundida la inmovilización de microorganismos para aumentar la estabilidad operatoria, eficiencia del proceso y la recuperación y reutilización de células. Las mismas se llevan a cabo tanto por medios químicos (absorción o uniones covalentes) o físicos (atrapamiento o encapsulación). Una de las ventajas que poseen estos sistemas, en comparación con las células libres, es proporcionar elevada biomasa, reutilización, resistencia mecánica y química, estabilidad genética y perdida de células (Bouabidi y col, 2019). Una perspectiva interesante es el empleo de los biofilms como una forma de inmovilización celular a partir del propio metabolismo, que podría ser categorizado dentro de los métodos antes mencionados como una combinación entre atrapamiento y adsorción.

Celda de Combustible Microbianas y microalgas

El desarrollo de energías renovables es considerada como una posible solución a los problemas vigentes en materia energética. De este modo, las energías renovables podrían dar respuesta a la crisis energética provocada por el agotamiento de los hidrocarburos, y a los problemas ambientales a escalas regional y global (Garrido, 2013).

La Celda de Combustible Microbianas (CCM) (Figura 3) es un dispositivo que utiliza el metabolismo de distintos microorganismos para obtener energía eléctrica. Existen diferentes configuraciones, pero en forma general cuenta con dos cámaras interconectadas por electrodos y un puente salino. En una de las cámaras se colocan bacterias anaerobias que, a partir de la degradación de materia orgánica, producen energía (electrones) que liberan al medio. Estos electrones son captados por el electrodo que se denomina ánodo, y que por una cuestión física fluyen hacia el electrodo ubicado en la segunda cámara, que se denomina cátodo. Para que este fenómeno ocurra es necesario que en el cátodo haya un aceptor de electrones, como el oxígeno el cual se obtiene, por aireación o agitación.

Aquí es donde resulta una ventaja utilizar las microalgas en las CCM. Si estos organismos se cultivan en el cátodo, se elimina la necesidad de agregar oxígeno, ya que este resulta del proceso de fotosíntesis. Por lo tanto, si las microalgas son aisladas de ambientes con un alto grado de contaminación, podrían emplearse las características adquiridas para disminuir las concentraciones de estos contaminantes; . Finalmente, la tendencia de formar biofilm se puede aprovechar si se desarrollan sobre los electrodos, aumentando su eficiencia, al producir el oxigeno en las inmediaciones de la superficie.

El diseño de distintos materiales para los electrodos se enfoca en aumentar la interacción con las microalgas. Además, estos materiales deberían poseer una elevada área de superficie, durabilidad, porosidad y rugosidad. Existe una amplia gama de materiales que son adecuados para la formación de biofilm, como carbón activado granular, plástico, madera, soportes cerámicos, etc (Al-Amshawee y col, 2020). Sin embargo, estos ejemplos no suelen cumplir con el requisito de ser conductores de electricidad. No obstante, se desarrollaron novedosos materiales que integran las características requeridas como las superficies de celulosa recubiertas con nanotubos de carbono (Lv, 2016).

Por lo tanto, estos dispositivos contribuyen a degradar la materia orgánica y a la biorremediación de compuestos tóxicos como los metales pesados, acoplado a la producción de energía eléctrica. Además, como proceso energético posee otras ventajas destacables. Las bacterias y microalgas pueden subsistir a temperatura ambiente, sea esta baja, media o alta, reduciendo la necesidad sumar costos energéticos. Estas CCM no presentan partes móviles que se desgasten y puede adaptarse a distintos formatos. Y por último, existe una mínima producción de dióxido de carbono, no posee comparación con la quema de combustibles fósiles (Revelo, 2013).

 

Desarrollo

Para llevar a cabo los objetivos planteados en el marco de mi doctorado se realizaron diferentes muestreos y la caracterización fisicoquímica de las aguas de distintos tramos del río Reconquista con diferente grado de contaminación. Se realizaron diferentes aislamientos de microalgas, y se lograron obtener cultivos puros en distintos medios de cultivo. Luego se realizó una identificación taxonómica preliminar a nivel de género a partir de observaciones microscópicas y basados en bibliografía. En breve se espera poder identificar las distintas cepas a nivel de especie con técnicas moleculares de mayor resolución.

Como parte de la caracterización de los aislados se testaron las condiciones óptimas de crecimiento como la temperatura, pH, agitación, periodos de luz/oscuridad. Así como también la evaluación de formación y caracterización de biofilms sobre los distintos soportes desarrollados y materiales comunes (Figura 4). Uno de estos materiales en particular son las membranas compuestas de nanotubos de carbono, desarrolladas y obtenidas por el grupo de investigación de Plásticos del INTI. Los materiales y los biofilm son evaluados, inicialmente, con microscopia óptica, sin embargo se espera emplear otras técnicas como microscopia electrónica de barrido, atómica y confocal (Figura 5).

Luego, estos biofilm deberán ser testados en cuanto a las capacidades de adsorción de metales pesados y poder dilucidar los mecanismos involucrados.

Finalmente, se desarrollaran celdas de combustible microbianas y biorreactores utilizando los microorganismos y materiales desarrollados en los objetivos anteriores con potencial aplicación de procesos de: reducción de uranio(VI), recuperación de cobre (efluentes de mineras o metalurgias, proceso acoplado a biolixiviación) y biodegradación de compuestos recalcitrantes.

Conclusión

Las CCM son la respuesta tecnológica a dos problemáticas ambientales: la crisis energética y la remediación de aguas contaminadas. A través de del estudio de los organismos involucrados, de las interacciones entre ellos, de los diseños de materiales se busca el aumento de la eficiencia de estos dispositivos.

 De acuerdo a esto, diseñar un electrodo que permita la eliminación de oxigeno agregado, y vinculado a este proceso se reduzca la contaminación resulta un aporte novedoso y con aplicaciones concretas.

Finalmente, la propuesta de mi tesis doctoral se enmarca en un entramado ambiental complejo que debe ser interpretado y por lo tanto intervenido desde distintas visiones. Mi aporte se realiza desde lo tecnológico y en ella confluyen los conocimientos de distintas disciplinas que pretenden aunar esfuerzos por el bien común.

Referencias

Al-Amshawee, S., Yunus, M. Y. B. M., Vo, D. V. N., & Tran, N. H. (2020). Biocarriers for biofilm immobilization in wastewater treatments: a review. Environmental Chemistry Letters, 1-21.

Bouabidi, Z. B., El-Naas, M. H., & Zhang, Z. (2019). Immobilization of microbial cells for the biotreatment of wastewater: a review. Environmental Chemistry Letters, 17(1), 241-257.

Flemming, H. C., & Wuertz, S. (2019). Bacteria and archaea on Earth and their abundance in biofilms. Nature Reviews Microbiology, 17(4), 247-260.

Flemming, H. C., Wingender, J., Szewzyk, U., Steinberg, P., Rice, S. A., & Kjelleberg, S. (2016). biofilms: an emergent form of bacterial life. Nature Reviews Microbiology, 14(9), 563.

García, R. (1994). Interdisciplinariedad y sistemas complejos. Ciencias sociales y formación ambiental, 85-124.

Garrido, S., Lalouf, A., & Moreira, J. (2013). Implementación de energías renovables como estrategia para modificar la matriz energética en Argentina. De las políticas puntuales a las soluciones sistémicas. Acta de la XXXVI Reunión de Trabajo de la Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente, 1, 12-55.

Lee, D. J., Chang, J. S., & Lai, J. Y. (2015). Microalgae–microbial fuel cell: a mini review. Bioresource technology, 198, 891-895.

Leong, Y. K., & Chang, J. S. (2020). Bioremediation of heavy metals using microalgae: Recent advances and mechanisms. Bioresource technology, 303, 122886.

Lv, P., Feng, Q., Wang, Q., Li, G., Li, D., & Wei, Q. (2016). Biosynthesis of bacterial cellulose/carboxylic multi-walled carbon nanotubes for enzymatic biofuel cell application. Materials, 9(3), 183.

O’Riordan, T. (Ed.). (2014). Environmental science for environmental management. Routledge.

Perez, Debora. (2017). Algas, helechos y plantas vasculares acuáticas en estudios de contaminación ambiental y ecotoxicología.

Potocko, A. (2017). La cuenca del río Reconquista en la planificación metropolitana de Buenos Aires (Argentina). Ámbito, problemas y propuestas. urbe. Revista Brasileira de Gestão Urbana, 9(3), 443-455.

Revelo, D. M., Hurtado, N. H., & Ruiz, J. O. (2013). Celdas de combustible microbianas (CCMs): Un reto para la remoción de materia orgánica y la generación de energía eléctrica. Información tecnológica, 24(6), 17-28.

Tauber, F., Martino, H., Sánchez Arrabal, M. B., & Resa, S. (2011). Convenio de Cooperación Técnica: Plan particularizado de ordenamiento urbano y reconfiguración territorial para las márgenes de la cuenca del río Reconquista.

Valverde, F., Romero-Campero, F. J., León, R., Guerrero, M. G., & Serrano, A. (2016). New challenges in microalgae biotechnology. European journal of protistology, 55, 95-101.

1. Instituto de Investigación e Ingeniería Ambiental (IIIA), CONICET-UNSAM. 25 de Mayo y Francia. CP (1650). San Martín, Buenos Aires, Argentina. [↩]
2. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET). Godoy Cruz 2290. CP (1033). Buenos Aires, Argentina andresalfonso1@gmail.com  [↩]