Ciencia desde el aula: soluciones biotecnológicas para enfrentar la crisis ambiental Vanguardia.com.mx

La Facultad de Ciencias Biológicas de la Universidad Autónoma de Coahuila (UAdeC), Unidad Torreón, a través de investigaciones de distintos estudiantes, desarrolla soluciones sostenibles para desafíos locales y globales.
Desde la optimización de la producción de biogás hasta la creación de aditivos agrícolas y concreto autorreparable, estos proyectos buscan un impacto significativo en la economía y el medio ambiente de la Comarca Lagunera y más allá.
Hay estudiantes que han investigado los residuos del mezquite a la hora de hacer carbón para aplicarlos en la agricultura; otros la realización de bioconcreto para reducir el dióxido de carbono y ‘sanar’ las grietas comunes del material o investigar la eficiencia de los biodigestores en la región Laguna.
Estos son los estudios y proyectos.
Energía mal aprovechada: el desafío de los biodigestores en La LagunaEn la Comarca Lagunera, existe una gran oportunidad para generar energía a partir del estiércol que producen los establos ganaderos.
Según datos oficiales, en la región Laguna hay un hato ganadero de más de 500 mil cabezas.
Para ello se impulsó desde hace años el uso de biodigestores, una promesa de transformar estiércol en energía limpia.
Sin embargo, el potencial se pierde por la falta de capacitación y comprensión del proceso bioquímico que implica.
Así lo advirtió el doctor Nagamani Balagurusamy, investigador de la Facultad de Ciencias Biológicas de la Universidad Autónoma de Coahuila (UAdeC), quien desde 2016 analiza la eficiencia de estos sistemas con herramientas moleculares y bioinformáticas, y quien es la principal cabeza de muchos de estos proyectos.
El investigador estimó que más del 90% de los biodigestores no funcionan adecuadamente, lo que resulta en una significativa pérdida de potencial energético.
Muchos apenas alcanzan entre 10% y 30% de generación de metano, cuando lo ideal es superar el 70%, explicó el doctor Nagamani.
Uno de los principales errores es creer que basta con añadir estiércol al sistema sin comprender la dinámica microbiológica.
Según Iván Corral, estudiante de maestría en Ingeniería Bioquímica, y el doctor Nagamani Balagurusami, la principal razón de este fallo radica en un desconocimiento profundo de las bases moleculares y el metabolismo de los microbiomas dentro de los digestores.
“Los operadores a menudo se enfocan en aspectos de ingeniería como el caudal o el pH, olvidando analizar lo que sucede a nivel microbiano”, comentó Balaugurusami.
Un biodigestor contiene miles de millones de bacterias de diferentes grupos que deben trabajar en sinergia para producir metano.
No obstante, algunos grupos microbianos pueden trabajar más rápido, acumulando ácidos volátiles que bajan el pH e inhiben o matan a los microorganismos productores de metano, llevando a un fallo total en la producción de biogás.
La falta de seguimiento, regulación de temperatura y la complejidad de las comunidades microbianas también contribuyen al problema, aseguran.
“Cada mililitro de un biodigestor contiene mil millones de bacterias de al menos 11 grupos diferentes”, explicó Balagurusamy.
“Es como una empresa: todos deben colaborar.
Si un grupo trabaja más rápido, produce ácidos volátiles que bajan el pH e inhiben a los productores de metano, y todo el sistema colapsa”.
La investigación se enfoca en comprender cómo funcionan estos microbiomas.
Iván Corral aclaró que no analizan el digestor como una unidad, sino que investigan las variaciones metabólicas en distintas secciones (inicio, medio, final), ya que no son iguales.
Han tomado muestras para analizar las proteínas involucradas a través de espectrometría de masas, lo que les permite asignar funciones a cada proteína y determinar de qué microorganismo provienen.
Su objetivo es identificar las proteínas relacionadas con la degradación de la lignina –un heteropolímero en el estiércol que impide su correcta degradación– en condiciones anaerobias, para optimizar los biodigestores y aumentar la producción de biogás.
Actualmente, Corral se ha enfocado en un biodigestor que sí está funcionando bien y comercializando biogás, con la perspectiva de comparar su perfil molecular con el de los que fallan.
“Sólo montan los biodigestores, pero no analizan bien lo que sucede dentro de la comunidad microbiana.
Hay falla total.
Tiene que ser un ingeniero bioquímico, pero no sabemos si se saltan este paso”, comentó Iván Corral.
El doctor Balagurusami subrayó que este tipo de análisis molecular es costoso –por ejemplo, 60 mil pesos por solo tres muestras de proteínas en un biodigestor–, lo que a menudo impide que se realicen los estudios correspondientes por falta de presupuesto.
La investigación de años ha permitido entender mejor estos sistemas dinámicos, pero se necesita un muestreo a gran escala y apoyo gubernamental para ofrecer soluciones definitivas, añadió.
“Necesitamos más presupuesto y una política pública que apoye el uso eficiente de estos sistemas”, insistió el doctor.
El biocarbón: un aditivo agrícola que transforma residuos en riquezaLos estudiantes Laura Arely López Gámez, Jorge Cervantes de la Torre y Jesús Manuel Sánchez Lozano de Ingeniería Bioquímica fueron galardonados con el Premio Estatal de Innovación 2024 por su proyecto de biocarbón, investigación que surgió en el Laboratorio de Biorremediación.
Laura Arely López Gámez, Jorge Cervantes de la Torre, explicaron que su innovación consiste en aprovechar los residuos de mezquite, que representan más del 75% de la producción de carbón vegetal y que son difíciles de degradar ambientalmente.
“El 75% del mezquite utilizado para hacer carbón se desecha.
Nosotros aprovechamos ese residuo y además le añadimos bacterias que ayudan a fijar el nitrógeno”, explicó Jorge Cervantes.
A partir de estos residuos, desarrollaron un aditivo agrícola que retiene agua hasta en 440% de su peso, mejora la eficiencia del riego, reduce el uso de fertilizantes nitrogenados y disminuye la liberación de óxidos nitrosos, un gas de efecto invernadero 10 veces más potente que el dióxido de carbono (CO2).
Jorge Cervantes de la Torre explica que este aditivo permite que los agricultores reduzcan la cantidad de riego, pues el biocarbón puede retener cuatro veces su peso.
Así mismo, es un producto que ayuda a reducir fertilizantes, pues disminuye la cantidad de urea aplicada en un 17%, según Jorge.
“Esto no solo representa un ahorro significativo para los agricultores (la urea es muy costosa, reportada en 921 dólares por tonelada en 2022), sino que también reduce la emisión de óxido nitroso a la atmósfera, un gas 10 veces más contaminante que el CO2”.
Laura Arely López explicó que el biocarbón se aplica en forma sólida dependiendo de la hectárea y del cultivo, a unos 10 centímetros bajo la superficie del suelo, en una cantidad que depende de la hectárea y el tipo de cultivo (2.
5% del suelo, por ejemplo, 2500 kg por hectárea).
“Nosotros desarrollamos esta metodología de la cantidad de aplicación, las condiciones en las que se creó este biocarbón”, ahondó la estudiante.
Otro punto, amplía Laura Arely López, es que también están estudiando la eficacia que tiene el biocarbón de retener el arsénico, uno de los metales pesados más presentes en el suelo y agua de la región.
“Queremos ver la cantidad de arsénico que va a estar presente en los suelos de aquí de la región, porque se sabe que en nuestra región Laguna la cantidad de arsénico llega hasta los 138 miligramos por kilogramo de tierra.
Nosotros queremos reducir esa cantidad de arsénico que se termina yendo finalmente a los cultivos que consumimos diariamente”, comentó Laura Arely.
A diferencia de las costosas soluciones físicas y químicas, la biorremediación ofrece una alternativa de bajo costo que utiliza microorganismos para transformar y reducir la toxicidad del arsénico, de acuerdo con el artículo Bioremediation of Arsenic: Microbial Biotransformation, Molecular Mechanisms, and Multi-omics Approach, donde participó el doctor Balagurusamy.
El artículo Impacto del arsénico en el ambiente y su transformación por microorganismos, explica que los microorganismos juegan un papel fundamental en la especiación del arsénico, ya que un gran número de estos tiene la capacidad de transformar el arsénico a pesar de su toxicidad puesto que han desarrollado diferentes mecanismos que les permiten utilizar el arsénico en su metabolismoEl artículo enfatiza la importancia de seleccionar los microorganismos adecuados y considerar factores ambientales como el potencial redox y el pH para optimizar este proceso.
Otros estudios recientes muestran que el uso de biocarbón no solo mejora la retención hídrica, sino también reduce el lixiviado de metales pesados y contaminantes del suelo.
En cuanto a su comercialización, los estudiantes han desarrollado un modelo de negocio que estima un costo de producción de 29 pesos por kilogramo, con un precio de venta de 60 pesos.
Su biocarbón, añadieron, incluye bacterias urolíticas que potencian la retención de nitrógeno de los fertilizantes.
Aunque el biocarbón ya se usa en países como China e India para el tratamiento de aguas, el giro innovador de estos estudiantes es su aplicación agrícola.
El proyecto está en proceso de patente ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial (IMPI), y los jóvenes investigadores expresaron su interés en seguir desarrollando el proyecto y dedicarse a la investigación.
Los estudiantes mencionaron que todavía no podrían hablar de una aceptación del aditivo por parte de los agricultores porque recalcaron que continúan en procesos de investigación.
“Queremos asegurarnos de que nuestro producto está ayudando a una mejora agrícola y ambiental a la vez.
Además, que el principal propósito es que los agricultores se ahorren el consumo de los fertilizantes porque tienden a ser muy caros”, comentó Laura Arely.
Jorge Cervantes añadió que se requiere una asociación para poder captar ese residuo del carbón vegetal.
Su compañera Arely López comentó que el material normalmente se desecha porque resulta en una acumulación excesiva.
Además, explicó que es material lignocelulósico, es decir, tiene una estructura muy rígida, y es muy difícil de degradarse.
El bioconcreto: cemento que se cura a sí mismo Litzy Alvarado Mata, estudiante de noveno semestre de Ingeniería Bioquímica, está involucrada en el proyecto del bioconcreto, también abordado por el doctor Nagamani Balagurusami.
Este material busca resolver un problema fundamental en la construcción: las grietas en el concreto y reducir las emisiones de dióxido de carbono.
El concreto normal sufre grietas debido a diversos factores químicos y físicos, y su reparación es difícil, costosa y, lo que es más importante, ambientalmente dañina.
S estima que la producción de una tonelada de concreto normal genera una tonelada de dióxido de carbono (CO2), un gas de efecto invernadero, comenta la estudiante.
La solución del bioconcreto implica agregar bacterias a la mezcla del concreto que precipitan minerales, carbonatos específicamente que empiezan a sanar las heridas.
“Con el tiempo, cada que hay una herida, se sana solo, sin necesidad de gastar en reparar ese concreto”, explicó la estudiante.
La innovación principal radica en estudiar qué bacterias son las más adecuadas y qué nutrientes adicionales se les pueden agregar para asegurar su supervivencia prolongada y eficacia en estas estructuras.
Estas bacterias, principalmente del tipo Bacillus, tienen la capacidad de producir unas cápsulas que les permiten sobrevivir en ambientes extremos como el concreto, con altas temperaturas y pH, e incluso sin agua.
Alvarado Mata explicó que cuando se forma una grieta, las bacterias, que estaban inactivadas, se reactivan al percibir la humedad o ciertos gases, y empiezan a precipitar minerales, específicamente carbonatos, que sanan la grieta automáticamente.
Un artículo científico publicado en Frontiers in Materials, explora el concepto de la precipitación de carbonato de calcio inducida microbianamente (MICP) y su aplicación prometedora en el bioconcreto.
Los autores, en los que destaca el doctor Balagurusami, discuten cómo los procesos metabólicos bacterianos, especialmente la hidrólisis de urea mediada por las enzimas ureasa y anhidrasa carbónica, pueden inducir la formación de carbonato de calcio para autorreparar grietas en el concreto.
Además, tiene un beneficio económico, pues actualmente es más costoso de producir, y el ahorro a largo plazo en reparaciones es un atractivo para la industria.
“Ya no tener que producir este cemento ayuda a no producir dióxido de carbono.
A lo mejor quienes están en el área de construcción no les interesa el tema ambiental, pero sí interesa ya no tener que producir concreto para sanarlo”, comentó la estudiante.
El doctor Balagurusami añadió que han identificado enzimas específicas, como la ureasa y la anhidrasa carbónica, producidas por las bacterias, que son clave en la conversión del calcio en carbonato de calcio.
Los beneficios de este bioconcreto son múltiples:• Autorreparación: al concreto se repara solo, eliminando la necesidad y el costo de reparaciones externas.
• Reducción de CO2: al no tener que producir cemento adicional para reparaciones, se evita la emisión de una tonelada de CO2 por cada tonelada de cemento que se dejaría de producir.
El doctor Balagurusami consideró que en 10 años se podría tener un porcentaje de reducción en el uso del concreto cotidiano en edificios nuevos.
Aunque las investigaciones del equipo de la estudiante se han realizado a nivel de laboratorio, mencionó que la tecnología del bioconcreto ya se está aplicando a gran escala en diversas estructuras.
Otros proyectosEstos proyectos reflejan el compromiso de la comunidad académica de la Comarca Lagunera con la innovación y la sostenibilidad, impulsando un futuro más eficiente y consciente del medio ambiente.
El arsénico en suelos agrícolas es otro problema grave que se intenta resolver desde la biotecnología.
En estudios liderados por Balagurusamy y su equipo, se investiga cómo ciertas bacterias y genes de plantas pueden ayudar a acumular y secuestrar arsénico sin que este se traslade a frutos o cereales.
“Estamos identificando genes que confieren tolerancia a las plantas, de modo que acumulen el arsénico en tejidos que no se consumen”, explicó.
Utilizan técnicas de biología molecular y bioinformática con especies regionales como calabaza y sandía.
Por ejemplo, el artículo científico Arsenic Stress-Related F-Box (ASRF) gene regulates arsenic stress tolerance in Arabidopsis thaliana se centra en la identificación y caracterización de un gen clave, el Arsenic Stress-Related F-Box (ASRF), que contribuye a la tolerancia al estrés por arsénico en la planta Arabidopsis thaliana.
Los investigadores utilizaron un estudio de asociación de genoma completo (GWAS) para descubrir que este gen, previamente poco caracterizado, juega un papel crucial en la resistencia de la planta al arsénico, un contaminante altamente tóxico.
Los hallazgos sugieren que el ASRF ayuda a mantener la homeostasis del fosfato y el equilibrio celular bajo condiciones de exceso de arsénico, ofreciendo una nueva vía para desarrollar cultivos más resistentes a este metaloide perjudicial.