Así son los microorganismos que generan electricidad y depuran aguas residuales al mismo tiempo

Demostrado: algunos microorganismos pueden convertir la materia orgánica del suelo en energía eléctrica y, al mismo tiempo, contribuir a mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero. El llamativo hallazgo fue observado al examinar el comportamiento de las ‘Soil Microbial Fuel Cells’ (celdas de combustible microbianas de suelo, SMFC) y las ‘Plant Microbial Fuel Cells’ (celdas de combustible microbianas de plantas, PMFC), sistemas que combinan bacterias electroactivas con electrodos enterrados para generar electricidad a partir de procesos naturales.

El estudio, protagonizado por investigadores de la Universidad de Taiwán y publicado en ‘Journal of Cleaner Production’, analizó la salinización en suelos en los que la sobreexplotación de las aguas subterráneas ha provocado hundimiento de la superficie terrestre e intrusión marina, afectando gravemente la agricultura.

La tecnología de las celdas de combustible microbianas no es nueva en el ámbito del tratamiento de aguas residuales. Su principio de funcionamiento se basa en el aprovechamiento de microorganismos con capacidad electroquímica que, al metabolizar materia orgánica, liberan electrones que pueden ser capturados por un sistema de electrodos.

Diferencias en el rendimiento eléctrico

Pero esta investigación amplía el horizonte de aplicación de esta tecnología, al explorar qué ocurre cuando estos sistemas se instalan directamente en el suelo. Según se instalen en condiciones naturales o en terrenos severamente salinizados, los resultados revelan diferencias notables en el rendimiento eléctrico y en la capacidad de reducir emisiones de metano y óxido nitroso, dos gases con un potencial de calentamiento global 28 y 265 veces superior al del CO2, respectivamente.

En suelos naturales, las PMFC en circuito cerrado generaron un voltaje promedio más de tres veces mayor que en suelos afectados por la salinidad. La diferencia, sustancial, pone de manifiesto el efecto inhibitorio que la alta conductividad eléctrica del suelo ejerce sobre los procesos bioelectroquímicos durante los primeros meses de operación.

Porque los investigadores observaron que, tras varios meses de cultivo, el voltaje de las PMFC en suelos salinizados comenzó a incrementarse paulatinamente, lo que sugiere una adaptación gradual del sistema o una reducción efectiva de la salinidad en la zona de influencia de los electrodos.

Emisión de metano

El estudio también compara el comportamiento de las SMFC, que carecen de vegetación, con las PMFC, donde las plantas juegan un papel activo. Durante las etapas iniciales, ambos sistemas mostraron voltajes similares, pero a partir del día 55 las SMFC superaron a las PMFC en suelo natural.

Así, la presencia de vegetación, lejos de ser un obstáculo, resulta fundamental en suelos salinizados, ya que las plantas absorben parte de los iones de sal y contribuyen a la ‘remediación’ (eliminación, reducción o estabilización de los contaminantes) del terreno, mientras que sus rizodepósitos –exudados de raíces ricos en azúcares, ácidos orgánicos y material celular muerto– alimentan continuamente a las bacterias electroactivas.

Uno de los hallazgos más relevantes se refiere a la emisión de metano. En suelos naturales, el flujo de este gas se situó en valores típicos de humedales en los que la actividad metanogénica (producción de metano por microorganismos anaerobios) prospera. En contraste, los suelos salinizados mostraron emisiones drásticamente inferiores.

Procesos bioelectroquímicos

El análisis reveló que la abundancia de microorganismos metanógenos en los suelos afectados por la sal es considerablemente menor, lo que explica la reducción observada. Además, en los suelos salinizados, las PMFC en circuito cerrado emitieron menos metano que las de circuito abierto, indicando que los procesos bioelectroquímicos no solo generan electricidad, sino que pueden inhibir directamente la producción de metano.

La situación es distinta con el óxido nitroso. Las abundancias de los genes funcionales relacionados con este gas resultaron similares en ambos tipos de suelo, lo que se tradujo en una diferencia insignificante en los flujos de emisión. Este hallazgo sugiere que la salinidad y la corriente eléctrica no afectan de manera notable los procesos de nitrificación y desnitrificación que producen óxido nitroso.

Otro dato relevante es la evolución de las comunidades microbianas. Desde el inicio del experimento, las poblaciones bacterianas en suelos naturales y salinizados mostraron composiciones distintas, y esa divergencia se mantuvo durante todo el experimento.

‘Consorcios microbianos’

Esto indica que cada tipo de suelo alberga ‘consorcios microbianos’ adaptados a sus condiciones particulares, y que la implantación de electrodos no homogeniza las comunidades, sino que potencia las especies nativas con capacidad de transferencia extracelular de electrones.

"En general, este estudio demuestra el potencial de aplicación de las SMFC y las PMFC en suelos normales y salinizados para la producción de electricidad y la mitigación de las emisiones de gases de efecto invernadero", explica Chang-Ping Yu, autor principal del estudio.

Los resultados del estudio señalan nuevas posibilidades para la recuperación de suelos afectados por la salinidad (1.400 millones de hectáreas en el mundo, según algunos estudios), un problema que amenaza la seguridad alimentaria en muchas regiones del planeta. La combinación de plantas tolerantes a la sal con sistemas bioelectroquímicos puede convertirse en una herramienta de restauración ecológica que, además, produzca energía limpia.