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Geofísica

Bacterias electrizantes

Ciertos microorganismos pueden explicar el origen de la electricidad hallada en terrenos contaminados

ESTELLA ATEKWANA/OKLAHOMA STATE UNIVERSITYBajo el suelo: filamentos conectan ejemplares de la bacteria Shewanella oneidensisESTELLA ATEKWANA/OKLAHOMA STATE UNIVERSITY

Un relleno sanitario o un terreno inundado de petróleo producto de derrame de un oleoducto, lejos están de ser ambientes favorables a la vida, desde el punto de vista humano. Pero, para ciertas bacterias, el suelo contaminado con este tipo de sustancias puede representar un banquete, toda vez que los microorganismos logran usar residuos ricos en materia orgánica como fuente de energía. Por cierto, esta actividad microbiana puede ser incluso bastante deseable. Sucede que al alimentarse, las bacterias degradan compuestos orgánicos y ayudan en la limpieza de áreas contaminadas. El geofísico brasileño Carlos Alberto Mendonça y colaboradores de Estados Unidos y Europa creen que es posible descubrir cuándo entran en acción las bacterias sin necesidad de escarbar el suelo. En los últimos años hallaron indicios de que el banquete bacteriano deja en el suelo una trama de material conductor de electricidad bastante sutil, pero detectable con la ayuda de equipamientos relativamente sencillos. Si nuevos experimentos confirman la ocurrencia de este fenómeno – llamado por los investigadores biogeobatería –, el rastreo de la corriente eléctrica puede convertirse en una herramienta útil para indicar los sitios donde los microorganismos están ayudando a eliminar  contaminantes del suelo y aquéllos en los cuales la acción bacteriana no está logrando hacer la limpieza.

Los investigadores presentan un modelo que explica el funcionamiento de estas biogeobaterías en un artículo que saldrá publicado en poco tiempo más en la revista científica JGR-Biogeosciences. A decir verdad, este concepto constituye una extensión de un fenómeno geofísico ya muy bien establecido y estudiado: las geobaterías, según comenta Mendonça, profesor del Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas de la Universidad de São Paulo (IAG-USP). “Esta anomalía eléctrica es a menudo asociada a la presencia de minerales conductivos en el subsuelo, en especial sulfuro de hierro o sulfuro de cobre”, explica. “Por eso mismo se convirtió en un indicio importante para la prospección mineral, principalmente en la minería de cobre.”

Las geobaterías surgen cuando en el subsuelo hay contacto de agua con una masa de mineral metálico extendiéndose más en la dirección vertical (de lo más playo a lo más profundo) que en la horizontal. En esas condiciones, la fracción más superficial de la masa metálica entra en contacto con una mayor cantidad de oxígeno del aire, mientras que la más profunda permanece en una situación de cuasi anoxia (ausencia de oxígeno). La diferencia de concentración de ese elemento químico favorece la transformación de la energía química en energía eléctrica: es la llamada reacción de reducción-oxidación, o redox, en la cual uno de los compuestos le transfiere partículas de carga eléctrica negativa (electrones) al otro. En el caso del mineral metálico, la región en contacto con el aire pierde electrones (sufre oxidación) y la más profunda los gana (sufre reducción). El flujo de electrones genera una corriente cuyo efecto, el potencial eléctrico, puede detectarse con la ayuda de un par de electrodos y un voltímetro.

Hasta hace pocos años, la detección de este tipo de anomalía suministraba una pista interesante sobre la presencia de minerales en el suelo. Pero no se sabía nada sobre la posible relación de este fenómeno con la biodiversidad microscópica hallada en la tierra. Este conocimiento empezó a cambiar con los datos provenientes del relleno sanitario de Entressen, en el sur de Francia. En un artículo de 2003 publicado en Geophysical Research Letters, el equipo de André Revil – investigador de la Escuela de Minería de Colorado, Estados Unidos, y de la Universidad de Savoia, Francia, con quien Mendonça colabora – demostró la existencia de anomalías eléctricas muy similares a las geobaterías en el relleno de Entressen.

Lo que se vio en Entressen fue después observado en otros lugares: en las cercanías de una refinería en Berre, también en el sur de Francia, donde se había producido un derrame de crudo; y en una antigua central de gas natural en Portadown, Irlanda del Norte, donde el suelo y la capa freática fueron contaminadas por compuestos orgánicos, luego de la desactivación de la central. El potencial eléctrico detectado era de centenas de milivoltios, una tercera parte de lo que es producido por una pila común. Parece poco, “pero la corriente asociada es  considerable”, dice Mendonça.

En todos estos casos, era natural esperar la acción de microorganismos sobre las moléculas orgánicas que contaminaban el suelo. Por cierto, en Berre se sabía que había biodegradación del petróleo. Si la anomalía eléctrica estaba presente, tal vez no fuera demasiado arrojo proponer que los microorganismos tuvieran algo que ver con ella. “Ése es el gran desafío, la gran pregunta que queremos responder”, afirma Mendonça.

CELIO MESSIAS/AEDepositos de la basura: una fuente de energía para las bacterias que degradan los compuestos orgánicosCELIO MESSIAS/AE

Señales de que el grupo estaba en el camino correcto surgieron de otro trabajo, publicado en 2007 en Geophysical Research Letters por el equipo de Yuri Gorby, del Instituto J. Craig Venter, Estados Unidos. Gorby y sus pares habían descubierto que la bacteria Shewanella oneidensis era capaz de producir filamentos de tan sólo 100 nanómetros (millonésimas de milímetro) de espesor, conductores de electricidad. De acuerdo con este estudio, los filamentos podrían funcionar como cables eléctricos, por los cuales las bacterias lanzarían los  electrones que sobrasen de su metabolismo al suelo, en donde podrían ser absorbidos por minerales.

En el trabajo de 2007, el equipo de Gorby dio un paso más. Los investigadores llenaron una columna con arena mojada para simular en laboratorio una capa de suelo. Después pusieron microbios en la mezcla y observaron qué sucedía. Días después vieron que había surgido una corriente eléctrica que atravesaba el suelo artificial de abajo hacia arriba. También verificaron que una red de filamentos unía las bacterias. El grupo planteó que el enmarañado era el encargado de hacer que esa especie de batería microbiana funcionase. Según Mendonça, si esa red de filamentos llegase a la escala de metros de longitud, permitiría explicar las observaciones realizadas en terrenos contaminados.

“Hasta ahora nadie ha logrado cuestionar experimentalmente el trabajo de 2007, pero muchos microbiólogos lo critican pues les parece imposible que la transmisión de electrones entre las bacterias pueda llegar a tener efectos en la escala de los metros”, explica el geofísico da USP. “Para ellos, debería haber pérdida de energía y la transmisión debería suceder a lo sumo entre pocas bacterias.”

Sin embargo, Mendonça y sus colegas creen que la disipación de energía puede  ser mucho menos severa, lo que haría factible la idea de que ciertas especies de bacterias, como la Shewanella oneidensis, estarían involucradas en las biogeobaterías. “Sin eso es muy difícil explicar la señal eléctrica que detectamos”, dice. El modelo desarrollado por el equipo de Mendonça se inspira en las llamadas células de combustible bacterianas, bien estudiadas ya en laboratorio, para explicar el funcionamiento de las biogeobaterías. Tal como en las células de combustible, las moléculas orgánicas del suelo contaminado les servirían de combustible a las bacterias, que transferirían electrones de un polo a otro de la batería. Como en las geobaterías, el flujo de electrones surgiría de las áreas más hondas y anóxicas rumbo a la superficie, más oxigenada. “Así tendríamos un enmarañado de nanoclables con propiedades eléctricas producido por esa comunidad microbiana que electrificaría de cierta forma buena parte de la Tierra”, compara Mendonça.

El grupo que Mendonça integra ahora necesita datos más robustos a favor de su modelo. Un camino para obtenerlos es poner a prueba las ideas en estudios de campo. El equipo tienen dos áreas en vista: un sitio en donde hubo un derrame de petróleo en Estados Unidos; y un relleno, del tamaño de una manzana y 6 metros de profundidad, cerca del río Pinheiros, en São Paulo. “En el relleno se arrojan los  detritos luego de la flotación y la centrifugación realizadas para disminuir la cantidad de contaminantes en un tramo del río”, explica el investigador de la USP. “Desafortunadamente, en ese caso, se limpia una cosa [el río] y se ensucia otra [el suelo].”

Si la hipótesis del grupo estuviera correcta, sería posible detectar una firma eléctrica diferente a distintas profundidades del suelo: reacciones de reducción que ocurren en las regiones más profundas del área contaminada y de oxidación más arriba; todo mediado por la trama de microorganismos interconectados. “Tendremos que ver si es posible verificar ese efecto directamente, porque esos terrenos muchas veces tienen una complejidad espacial que puede obstaculizar el análisis”, acota Mendonça.

En caso de que el experimento funcione, la detección de biogeobaterías en terrenos contaminados puede convertirse en un indicador de que en esos lugares existen condiciones favorables para la degradación natural de contaminantes. En tanto, la ausencia de corriente eléctrica puede significar que, abandonada su la propia suerte, la naturaleza no será capaz de descomponer el contaminante. “En ese caso, la contaminación podría durar siglos y haría necesaria una intervención directa para resolver el problema”, afirma. Bastaría con pinchar con los electrodos el suelo para poder diferenciar un escenario del otro.

Mendonça recuerda que muchos investigadores consideran posible que la trama electrificada formada por las bacterias sea un elemento antiguo de la biosfera – surgido hace más de dos mil millones de años, cuando la atmósfera de la Tierra era más pobre en oxígeno y los microorganismos consumían el hierro del suelo para generar energía y mantenerse vivos. Y comenta: “Es increíble encontrar un proceso que quizás se remonte al surgimiento de la atmósfera actual del planeta en algo tan moderno como el suelo contaminado, por decirlo de alguna manerta”.

El Proyecto
Aparato de laboratorio para simular campos de potencial espontáneo en el perfilado geofísica de pozos (nº 06/06956-5); Modalidad Auxilio Regular a Proyecto de Investigación; Coordinador Carlos Alberto Mendonça – IAG/USP; Inversión R$ 21.988,37 (FAPESP)

Artículo científico
REVIL, A. et alUnderstanding biogeobatteries: where geophysics meets microbiologyJGR-Biogeosciences. Special issue. En prensa.

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