Materiales biohíbridos para descontaminar

Investigadores del CONICET en el Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales (INTEMA, CONICET-UNMdP) desarrollaron un material cerámico combinado con bacterias que producen electricidad, conocidas como bacterias electrogénicas. La incorporación de estos microorganismos hace que el material híbrido sea efectivo para acelerar la degradación de la materia orgánica contaminante, una función que el cerámico por sí solo no puede cumplir.

Esto define al conjunto como un material funcional, que como muchos otros materiales de este tipo está en la frontera del conocimiento, en la búsqueda de propiedades que los materiales convencionales no poseen. “Es decir, las dos partes se potencian para obtener algo que por sí solas no pueden lograr. Se agrega así una nueva capacidad y se convierten en un material de avanzada”, explica Juan Pablo Busalmen, investigador independiente del CONICET en el INTEMA y especialista en el estudio de la actividad electroquímica de biofilms electrogénicos.

El electrodo bio-híbrido desarrollado en el INTEMA puede utilizarse para la implementación de tecnologías bio-electroquímicas de limpieza de aguas residuales y, de acuerdo con lo que explican sus creadores, permitiría que éstas alcancen una eficiencia tal que su aplicación se vuelve sustentable.

“El desarrollo de este material hoy está a escala de laboratorio y la prueba de concepto funciona a la perfección. Nos da densidades de corriente muy altas y tiene la proyección de aplicarse a futuro en tecnologías de tratamiento de aguas o en sistemas miniaturizados para producción de corriente u otras aplicaciones. El desafío actual es poder convertir esta escala de laboratorio en algo de mayor tamaño”, manifiesta Hernán Romeo, investigador adjunto del CONICET y responsable del proyecto, financiado por la Fundación Argentina de Nanotecnología (FAN) para el desarrollo de estos materiales bio-híbridos.

Las bacterias electrogénicas requieren formar biofilms sobre los electrodos para producir la electricidad y la meta a alcanzar por los investigadores dedicados al tema era la de conseguir un material con un gran área efectiva que aloje en su interior a un gran número de bacterias. Para esto, en primer lugar, fue necesario desarrollar un soporte cerámico eléctricamente conductor y que además fuese poroso, para incrementar el área de contacto con los microorganismos.

En particular, “era fundamental diseñar un material que tuviera poros de la geometría, morfología y tamaño adecuados donde las bacterias pudieran desarrollarse y hacer su trabajo”, explica Romeo, y agrega: “Se alcanzaron los 19 kiloamperes por metro cúbico y esos son los valores más altos registrados hasta el momento en el estudio de estos materiales”. Este es el primer material cerámico que se informa con estas cualidades y su impacto para la comunidad científica aún es incalculable.

La arquitectura adecuada del electrodo cerámico, constituido por nanopartículas de un subóxido de titanio, se logró utilizando una técnica de estructuración criogénica con la cual se obtuvieron plataformas con una porosidad cercana al 90 por ciento en la que los poros están ordenados de un extremo al otro del material, como si fueran ’pasillos continuos‘ a lo largo de la estructura cerámica.
“La biocompatibilidad de la matriz sumada a las características microestructurales de la misma hacen del soporte un excelente material guía para el acceso de las bacterias y de los nutrientes necesarios para la proliferación microbiana, a la vez que actúa como colector de la corriente producida por la biomasa”, agrega Rodrigo Parra, investigador adjunto del CONICET e integrante de la División Cerámicos del INTEMA.
Uno de los desafíos claves del desarrollo era hacer que las bacterias crecieran sobre la nueva plataforma conductora y produjeran una corriente eléctrica reproducible. Esta fue la tarea del equipo de trabajo del Laboratorio de Bioelectroquímica del INTEMA, dirigido por Juan Pablo Busalmen.
El trabajo experimental en este campo estuvo a cargo de Diego Massazza, investigador Asistente recientemente incorporado al CONICET y primer autor del artículo publicado por el grupo de investigadores en la prestigiosa revista Energy and Environmental Science, de la Royal Society of Chemistry del Reino Unido. “Un punto importante a remarcar para alcanzar este avance de alto impacto ha sido la interacción especifica de tres áreas de investigación dentro del INTEMA, el Laboratorio de Polímeros Nanoestructurados, la División Cerámicos y el Laboratorio de Bioelectroquímica”, explica Busalmen.

“De lograrse la proyección final, este material tendría consecuencias de alto impacto en la sociedad ya que permitiría tratar aguas residuales con la mayor eficiencia conocida hasta el momento y de forma sustentable, ayudando al cuidado del medio ambiente más que cualquier otro material desarrollado hasta el momento”, concluye Romeo.