La Naturaleza Inspira una Mejor Forma de Bloquear Biofilms | Fluence
Contaminación con Biofilm

Los biofilms pueden provocar problemas en muchas industrias, sin embargo los científicos esperan que un tratamiento inspirado en la naturaleza pueda evitar su formación sin dañar el medioambiente.

En muchas industrias en las que el equipamiento entra en contacto con el agua, incluyendo aquellas que utilizan el tratamiento de agua con membranas, la contaminación de dichos equipos constituye un gran problema. La contaminación mediante biofilm se produce cuando los organismos vivos – incluyendo bacterias, algas e incluso moluscos – se adhieren a los cascos de los barcos, estructuras portuarias, y otro tipo de equipamiento. El daño resultante puede ser muy costoso.

Los recubrimientos y otros métodos químicos para detener el crecimiento pueden dañar el medioambiente, y las criaturas que están bloqueadas pueden desarrollar resistencia a los biocidas. Sin embargo, de la Universidad Johannes Gutenberg Mainz han informado de éxitos en la prevención de la formación de biofilms.

El equipo de investigación de la universidad señaló:

Los biofilms están prácticamente en todas partes. Están presentes en las tuberías de agua potable y en las plantas de clarificación, en el agua subterránea y en los sistemas de filtración y enfriamiento de agua, en prácticamente todas las superficies tales como envases de alimentos, manillas de puertas, pulsadores, teclados y otros elementos de plástico. […] El principal problema en relación con la lucha contra estos biofilms mediante biocidas y antibióticos es el riesgo de que desarrollen resistencia a ellos. Este inconveniente podría eludirse eficazmente de una manera ecológicamente aceptable mediante la aplicación de revestimientos con partículas de dióxido de cerio.

Inspirado en la Naturaleza

En ambientes marinos, los revestimientos en base a cobre (cuprita) a menudo son utilizados para bloquear la formación de biofilms, sin embargo estos compuestos tóxicos pueden acumularse en los organismos y en el medioambiente. Países como Canadá y Dinamarca han impuesto límites estrictos respecto al uso de recubrimientos anti-fouling basados en el cobre.

Wolfgang Tremel y su equipo se inspiraron en los mecanismos naturales de defensa química de las algas a la hora de ir desarrollando sus recubrimientos de protección. Las algas utilizan metabolitos secundarios halogenados para protegerse contra los depredadores y microorganismos. Estos compuestos previenen que biofilms bacterianos, algas y percebes se adhieran y se desarrollen en grandes formaciones de algas, esponjas y otras criaturas de mar.

Un alga roja conocida como Delisea pulchra utiliza este tipo de componentes para detener la contaminación bacteriana a través de un enfoque que no es tóxico o retardante del crecimiento. Estos compuestos halogenados bloquean el quorum sensing, un sistema utilizado por las bacterias para comunicarse a través de “sustancias mensajeras.” Esto evita que los biofilms se sigan formando.

Recubrimientos con Dióxido de Cerio

Pruebas de campo realizadas hasta la fecha han demostrado que el dióxido de cerio funciona y es considerado ecológicamente aceptable. También es eficaz en menores cantidades que los compuestos a base de cobre.

El dióxido de cerio (CeO2) es un óxido del cerio, que es un elemento del grupo denominado tierras raras. Se produce como un subproducto de la extracción de metales de tierras raras. No es escaso y su coste es similar al de la cuprita. Se utiliza en la industria automotriz en convertidores catalíticos y en la fabricación de productos tales como semiconductores y capas para linternas de gas.

Karoline Herget, quien escribió su tesis doctoral en base a este proyecto y fue la primera autora del trabajo, dice que el dióxido de cerio representa una alternativa práctica y rentable frente a los biocidas convencionales:

El dióxido de cerio es no tóxico y es químicamente muy estable. […] Lo que tenemos aquí es un componente compatible con el medio ambiente de una nueva generación de recubrimientos antiincrustantes que simulan los sistemas de defensa naturales empleados por los organismos marinos. Lo importante es que es eficaz no sólo en condiciones de laboratorio sino también cuando se lo utiliza propiamente en el medio acuático.

Cuando sometieron a pruebas al material los investigadores encontraron que los paneles de acero recubiertos con cerio podían estar expuestos al agua de mar durante semanas sin que haya en ellos bacterias, algas, percebes, u otros moluscos, mientras que los mismos paneles tratados con recubrimientos convencionales a base de agua desarrollaron “contaminación masiva”

Biofouling de las Membranas

Los materiales de las membranas son motivo de interés para los investigadores de membranas en el mundo. A pesar de que las membranas de tratamiento de agua son fabricadas en la actualidad con sustancias que incluyen materiales cerámicos y poliméricos, los científicos han estado investigando otras posibilidades, incluyendo los nanomateriales grafeno y nanotubos de carbono.

El biofouling es una de los problemas que están tratando de abordar. La efectividad de un tratamiento de membrana depende con frecuencia de la condición de la membrana. Por ejemplo, para que las tecnologías de ósmosis inversa funcionen en forma eficiente, las membranas deben estar impecablemente mantenidas. El biofouling puede reducir la eficacia del tratamiento además de aumentar el consumo de energía.

De esta forma, los investigadores han estado investigando cómo diseñar membranas que resistan la contaminación por medio de recubrimientos especiales u otros tratamientos, como es el cambio de la carga del material de la membrana. Apelando a la reducción del consumo de energía y de productos químicos para el tratamiento, esta investigación tiene el potencial de hacer más sustentable el tratamiento de agua.

Los investigadores esperan que el recubrimiento se utilice en revestimientos para barcos y exteriores, cubiertas de techos, telas al aire libre, membranas poliméricas de desalinización y muchos componentes plásticos.

Los resultados de la investigación — “Mímetismo del Haloperoxidase mediante Nanobarras de CeO2−x Para Combatir el Biofouling” — fueron publicados en la revista Advanced Materials.

Imagen de Lamiot, usada bajo la licencia Creative Commons.