Por Canuto  

Un equipo de investigadores modificó una bacteria marina para acelerar la meteorización del olivino, un proceso que puede retirar CO₂ de la atmósfera a través del agua de mar.
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  • La bacteria modificada aceleró 2,6 veces la meteorización del olivino en biorreactores con flujo continuo de agua de mar.
  • El sistema logró capturar 0,5 gramos de CO₂ atmosférico por reactor cada día durante una prueba piloto.
  • Los investigadores aún deben resolver el escalamiento, los costos de materias primas y la viabilidad ambiental de una aplicación industrial.

Un equipo de investigadores diseñó una bacteria marina para acelerar un proceso geológico que naturalmente ayuda a regular el clima terrestre. En experimentos con biorreactores de roca y agua de mar, el microorganismo modificado aumentó 2,6 veces la meteorización del olivino y permitió retirar una mayor cantidad de dióxido de carbono del aire.

El resultado representa una demostración de principio, no todavía una tecnología lista para desplegarse a escala industrial. La investigación combina biología sintética, química mineral y modelado del ciclo de vida para explorar si la actividad de microorganismos puede superar una de las principales limitaciones de la meteorización de rocas mejorada.

Un proceso geológico demasiado lento

La meteorización describe la descomposición y disolución de rocas y minerales cuando entran en contacto con agua, aire y organismos vivos. Este mecanismo contribuye a retirar CO₂ de la atmósfera, pero el ciclo natural necesita cientos de miles de años para producir efectos relevantes sobre el balance global de carbono.

Durante periodos cálidos de la historia terrestre, la meteorización ocurrió con mayor rapidez y ayudó a reducir los niveles elevados de CO₂. Los minerales disueltos terminan llegando al océano, donde el carbono queda incorporado al agua principalmente en forma de bicarbonato y contribuye a enfriar el planeta con el paso del tiempo.

La llamada meteorización de rocas mejorada propone acelerar ese mecanismo al distribuir rocas de silicato trituradas sobre terrenos agrícolas o directamente en el agua. Varias empresas han estudiado la estrategia porque, en principio, puede ofrecer una vía relativamente segura para retirar carbono, aunque su lentitud y sus costos todavía dificultan una aplicación industrial amplia.

El equipo de investigación considera que la biología sintética podría resolver parte de ese problema al intervenir en una etapa que frena la disolución de los minerales. Su trabajo fue liderado por Pamela Silver, miembro fundadora del cuerpo docente principal del Wyss Institute, y Michael Springer, miembro asociado del cuerpo docente del mismo instituto.

La bacteria que elimina la herrumbre

Los científicos modificaron genéticamente Alteromonas macleodii, una bacteria marina ampliamente distribuida, para que produjera cantidades mucho mayores de sideróforos. Estas moléculas capturan y solubilizan hierro, un elemento que los microorganismos necesitan para crecer y que también puede bloquear la meteorización cuando se acumula sobre la superficie de una roca.

El olivino, un mineral silicatado utilizado en los ensayos, libera magnesio, hierro y silicato cuando se disuelve. En ese proceso, el CO₂ atmosférico queda atrapado en el agua como bicarbonato, pero el hierro expuesto al oxígeno forma óxido, una capa similar a la herrumbre que cubre el mineral y ralentiza las reacciones posteriores.

Los sideróforos producidos por la bacteria modificada capturan el hierro oxidado y lo incorporan al metabolismo celular. En términos prácticos, el microorganismo retira la capa de herrumbre que protege al olivino y deja expuesta una nueva superficie mineral para que continúe la reacción de meteorización.

Las pruebas iniciales revelaron un obstáculo importante: las bacterias naturales dejaban de fabricar sideróforos cuando encontraban incluso una pequeña cantidad de mineral con hierro. Neil Dalvie, ingeniero químico, explicó que el equipo desacopló genéticamente esa producción de los niveles ambientales de hierro para mantenerla activa durante el proceso.

Pruebas en biorreactores con agua de mar

Para verificar el efecto de la modificación, los investigadores construyeron sistemas que mantenían un flujo continuo de agua de mar y bacterias sobre los minerales. El objetivo era medir el comportamiento en estado estacionario, en lugar de observar únicamente una reacción aislada dentro de un recipiente cerrado.

El grupo utilizó primero biorreactores pequeños eVOLVER, diseñados originalmente para estudios biológicos, y después construyó unidades de escala piloto. En estas últimas colocó varios kilogramos de arena de olivino bajo varios galones de agua de mar sin procesar procedente del puerto de Boston.

La operación piloto permitió al equipo estudiar problemas que suelen aparecer cuando un experimento de laboratorio intenta crecer, como la frecuencia con que deben añadirse células y la forma de proporcionarles alimento. Los investigadores midieron una captura de 0,5 gramos de CO₂ atmosférico por reactor cada día, cifra que describieron como un resultado convincente para la demostración inicial.

Los ensayos también mostraron que la bacteria modificada aceleró la meteorización del olivino 2,6 veces frente al proceso observado sin esa intervención biológica. El dato confirma que la producción constante de sideróforos puede influir en la velocidad de disolución, aunque por sí solo no establece cuánto carbono podría retirarse con instalaciones de gran tamaño.

El reto de pasar del laboratorio a la industria

El equipo realizó además un análisis de ciclo de vida para calcular el carbono capturado y las emisiones asociadas con todo el sistema. El estudio incluyó sus componentes biológicos, geológicos y químicos, con el propósito de identificar si la energía, los insumos y el procesamiento podrían reducir o anular el beneficio climático.

Para esa evaluación, Dalvie y Amogh Jalihal colaboraron con Abigail Fitzgibbon, estudiante de doctorado del grupo de Steven Davis en la Stanford Doerr School of Sustainability. El grupo de Davis desarrolla modelos para cuantificar las emisiones de procesos industriales y agrícolas, además de sus posibles efectos sobre la calidad del aire y el bienestar humano.

Los resultados apuntan a que algunos parámetros operativos serán decisivos para convertir la biometeorización en una tecnología ambiental eficiente. Entre ellos figuran la fuente de los minerales, la disponibilidad de materias primas económicamente viables, el suministro de alimento para las bacterias y la energía necesaria para mantener el flujo de agua.

La fuente del estudio señala que aún hacen falta más investigaciones de escalamiento antes de evaluar una implementación industrial. También será necesario analizar con cuidado la liberación de agua de mar alcalina, la estabilidad del carbono fijado y las consecuencias ecológicas de operar sistemas de cultivo microbiano vinculados con ambientes marinos.

Una posible ruta mediante estanques de cultivo

Michael Springer planteó que una aplicación directa podría consistir en cultivar las cepas bacterianas en grandes estanques similares a los utilizados por plantas de tratamiento de aguas residuales. En ese escenario, el sistema bombearía continuamente agua de mar sin procesar, la pondría en contacto con los minerales y devolvería al océano agua de mar más alcalina.

Según Springer, el carbono incorporado en esa agua sería inofensivo y quedaría amortiguado por el océano. Esa afirmación describe la expectativa del equipo para el funcionamiento del proceso, pero todavía requiere validación mediante pruebas más amplias que midan tanto la captura neta como sus posibles efectos ambientales.

Los investigadores también estudian si la interacción entre bacterias y minerales podría permitir extraer metales valiosos al mismo tiempo que se captura CO₂. Esa posibilidad añadiría una fuente potencial de ingresos al proceso, aunque la investigación proporcionada no establece qué metales podrían recuperarse ni si esa recuperación sería rentable.

Dalvie recibió una beca del programa Burroughs Wellcome Career Awards at the Scientific Interface para continuar trabajando en la producción microbiana de sideróforos y el procesamiento de minerales. El financiamiento busca apoyar nuevas etapas del proyecto, mientras el equipo intenta determinar si la combinación de geología acelerada y biología diseñada puede superar las barreras técnicas y económicas actuales.

El trabajo aparece como una prepublicación en bioRxiv bajo el título Continuous accelerated rock weathering by marine bacteria for carbon removal. La investigación contó con apoyo del Wyss Institute Director’s Fund, el Synthetic Biology Hive de Harvard Medical School, el Harvard Climate and Sustainability Translational Fund, el Salata Institute for Climate and Sustainability, un Garden Grant de Homeworld Collective y una Schmidt Science Fellowship.


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