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Abraham Esteve nos habla sobre las novedosas Tecnologías Electroquímicas Microbianas (MET) para el tratamiento de aguas residuales

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23/07/2019

Abraham Esteve nos habla sobre las novedosas Tecnologías Electroquímicas Microbianas (MET) para el tratamiento de aguas residuales
 
 
Abraham Esteve es doctor en Bioquímica por la Universidad de Granada. Actualmente es Profesor Titular de la Universidad de Alcalá e investigador asociado en IMDEA Agua, centros en los que hace una década fundó el grupo Bioe.
 
Después de desarrollar una etapa postdoctoral en la Universidad de Massachusetts (EE.UU.) y en el Centro de Astrobiología (CSIC-INTA), centra su investigación en biotecnología ambiental, específicamente, en el estudio de los mecanismos de la relación entre bacterias y materiales conductores de la electricidad, un tema que se habría considerado ciencia ficción hace solo unos años.
 
Abraham, uno de los mayores expertos a nivel mundial en electroquímica microbiana, nos comenta en esta entrevista las ventajas y aplicaciones de esta tecnología para el sector del tratamiento del agua.
 

 

Abraham, para comenzar la entrevista y centrar a nuestros lectores, ¿en qué consisten las MET –Tecnologías Electroquímicas Microbianas– aplicadas al tratamiento de las aguas residuales?
 
Las MET constituyen un tipo de tecnologías basadas en el intercambio de electrones entre microorganismos y materiales conductores de la electricidad con el objeto de estimular reacciones de oxidación (como la biodegradación de contaminantes orgánicos en el agua) o de reducción (como  la eliminación de nitratos o sulfatos).
 
 
¿Podríamos decir que nos encontramos con este tipo de tecnologías ante un cambio de paradigma en la depuración de las aguas residuales?
 
Los principios básicos siguen siendo los mismos: usar microorganismos para oxidar y reducir los contaminantes presentes en el agua.
 
El cambio de paradigma viene de utilizar microorganismos capaces mantener una comunicación redox directa con materiales conductores de la electricidad. Esto permite explotar un nuevo tipo de metabolismo, que en realidad no lo es tanto, pero que ha estado oculto a nuestros ojos hasta que en 2001 la revista Science mostró al mundo las investigaciones que desarrollábamos en la Universidad de Massachusetts con una bacteria llamada Geobacter.
 
Había nacido una nueva disciplina, la electroquímica microbiana, que rápidamente levanto expectación en el mundo de la ingeniería de aguas residuales.

 
"La electroquímica microbiana nos permite, si se me permite la licencia poética, trabajar con el electrón desnudo”.
 
Si la oxidación microbiana de los contaminantes orgánicos requiere un aceptor de electrones, por qué empeñarse en aportar oxígeno y no un material conductor de la electricidad con incuestionable atracción por estas diminutas partículas cargadas.
 
Una vez los electrones han sido transferidos al material conductor, la electroquímica, una antigua y contrastada disciplina, nos permite distintas alternativas: sintetizar compuestos de interés (hidrógeno, metano, biocombustibles), ofrecerlos a otras bacterias y fomentar sinergias entre comunidades microbianas, generar una corriente eléctrica que puede informarnos en tiempo real de la actividad biológica en nuestro tratamiento de agua, utilizar la energía asociada al proceso para desalar agua en el mismo dispositivo de depuración, el número de aplicaciones es incontable.
 
 
Desde el Grupo de Bioelectrogénisis del IMDEA Agua, arrancasteis esta tecnología mediante pruebas de laboratorio, más tarde os trasladáis a la Fundación CENTA para montar un piloto más real, para finalmente montar la primera planta depuradora a nivel mundial con tecnologías MET ubicada en España, ¿puedes darnos más detalles de todo este proceso experimental y de la situación actual y rendimientos de la EDAR real?
 
Efectivamente, los primeros pasos con agua urbana real (2010) se dieron en la planta de Carrión de los Céspedes, gestionada por la Fundación CENTA, a través del programa de innovación del entonces MINECO, y con otras empresas colaboradoras como Euroestudios, DAM y JOCA.
 
 

Imagen de unidad METland con capacidad para tratar 50 pe en 20 m2

 
La fructífera relación entre el CENTA e IMDEA Agua dio lugar a la creación de METfilter, una startup fundada para llevar la tecnología de biofiltros electroconductores al mercado. Surge el concepto inspirado en la tecnología de humedales (wetlands) artificiales que, con el apoyo incondicional de ESAMUR, dio lugar a la primera planta depuradora, no experimental, basada al 100% en sistemas MET.
 
La entidad de saneamiento murciana financió la construcción de un tratamiento METland® para tratar los 25 m3 diarios generados en el municipio de Otos, dentro del Parque Natural de Moratalla.
 
En la actualidad, el tratamiento está generando efluentes con valores de DQO en torno a 25 mg/L sin necesidad de aportes energéticos, más allá del asociado al bombeo o el del tamiz del pretratamiento.
 
Otro aspecto destacable ha sido lograr evitar la liberación de sólidos, reduciendo la gestión de fangos tan solo a los primarios. Por último, el funcionamiento de la planta está monitorizada en tiempo real a través de biosensores, construídos por la startup española Nanoelectra, que permiten informar al operador de la corriente eléctrica generada por los microorganismos través de una app exclusiva.
 
Las bacterias electroactivas no solo depuran sino que actuán de “chivatos” del contenido de DBO de nuestro efluente. Tras la construcción de esta planta, la innovación siguió su curso, y desde IMDEA Agua coordinamos el proyecto iMETland, que con financiación del programa H2020, nos permitió implementar la tecnología a escala real en otra latitudes (Dinamarca, Argentina y México).
 
Incluso hemos desarrollado una versión doméstica, MET4home, diseñada para tratar el agua de una vivienda individual.
 
 
 
Imagen de MET4home, sistema para tratamiento en viviendas individuales
 
 
Abraham tras nuestra conversación, veo que este tipo de tecnología tiene una serie de ventajas con respecto a las tradicionales que me gustaría conocer más a fondo; mínimo o nulo consumo energético, menor generación de lodos, posibilidad de eliminación de contaminantes emergentes, etc., ¿cómo se consigue todo esto con las tecnologías bioelectroquímicas?
 
Cada aplicación MET tiene sus peculiaridades, y explicar la ciencia detrás de cada una va más allá de esta entrevista. Si nos centramos en intentar explicar la tecnología METland®, la única que hasta ahora ha llegado al mercado, yo diría que su éxito se basa en crear una red de comunidades microbianas con una comunicación redox que va más allá del contacto célula-célula que encontraríamos en un biofiltro convencional. 
 
A través del material conductor los electrones se comparten entre microorganismos que están, físicamente, en distintos lugares del reactor; esto permite un óptimo uso de los recursos metabólicos naturales que, en última instancia permite degradar  los contaminantes hasta 10 veces  más rápido. Este principio general funciona con contaminantes convencionales pero también con contaminantes emergentes. 
 
Recientemente hemos demostrado cómo la mineralización (degradación total hasta CO2) del antibiótico porcino sulfametazina se ve estimulado por combinar microorganismos y materiales conductores. En los METland® el electrón es el que, siguiendo las leyes de la electroquímica, busca al oxígeno atmosférico presente de forma natural en la superficie, en contraste con las técnicas tradicionales donde suministramos el oxígeno a los microorganismos.
 
Fomentar la movilidad del electrón por el reactor es relativamente sencillo, él busca por si solo un ambiente con potencial redox más positivo, como las capas superficiales en contacto con la atmósfera, o incluso ambientes que generemos nosotros a través de la configuración del biofiltro; por el contrario, esforzarnos en llevar oxígeno a la célula como ocurre en los fangos activos genera los problemas que todos conocemos. En definitiva se trata de facilitar que el electrón busque su aceptor y no al revés…
 
Por último, la paradoja de la ausencia de lodos. La ciencia detrás de esta ventaja innegable se cifra en combinar un material conductor biocompatible adecuado, no solo en su química superficial, sino en su granulometría, junto al bajísimo rendimiento celular que tienen los microorganismos cuando intercambian electrones con dicho sustrato. Este bajo rendimiento celular tiene su origen, probablemente, en la ausencia de balance de cargas del propio proceso. Así, la respiración extracelular de materiales conductores tan solo consume electrones, dejando al protón dentro de la célula, lo que genera una acidificación local del biofilm (que no del agua residual) con efectos negativos en la generación de biomasa.
 
 
Actualmente la inversión en este tipo de tecnologías y en su desarrollo crece tanto en Europa como en E.E.U.U. y Asia, creando grupos multidisciplinares que encuentren nuevos diseños para hacer posible el salto de escala del proceso, ¿puedes darnos una visión general de la situación de este tipo de tecnologías a nivel mundial y lo que están haciendo los distintos grupo de trabajo?
 
Los tiempos de generar energía eléctrica a partir del agua residual son agua pasada y, a falta de una solución tecnológica para escalar con éxito el proceso, la aplicación de las MET se está desplazando hacia el campo de la biorremediación, los biosensores y la electrosíntesis; esta última con el objeto de suministrar corriente en forma de corriente eléctrica para que, los microorganismos transformen CO2 en compuestos orgánicos.
 
 
 
Imagen de unidad METland en Orby (Dinamarca) con capacidad para tratar el agua de una comunidad de vecinos (200 pe en 80 m2)
 
 
Es un orgullo decir que nuestro país cuenta con más de una docena de grupos de investigación activos en la búsqueda de aplicar las MET al mundo del agua residual. Bajo el paraguas de una red de excelencia, denominada iberiMET, coordinada desde el grupo Bioe de la Universidad de Alcalá, intercambiamos experiencias e investigadores.
 
 
Y vosotros, ¿qué proyectos habéis desarrollado desde el Grupo de Bioelectrogénesis en los últimos tiempos y cuál es el impacto social de este tipo de investigaciones?
 
La tecnología METland sigue su camino comercial a través de la startup METfilter, pero el grupo Bioe sigue innovando en otras aplicaciones que esperamos lleguen pronto al mercado.
 
Frente al concepto de biofiltro electroconductor fijo, la Universidad de Alcalá inventó el concepto de biofiltro electroconductor fluidizado, que en el seno de un proyecto LIFE (life-answer.eu/es/) estamos probando con aguas industriales en colaboración con Aqualia y Mahou.
 
En otro proyecto europeo (http://midesh2020.eu), llevamos la coordinación científica de un consorcio liderado por Aqualia para implementar un piloto de celda de desalación microbiana, una configuración capaz de depurar y desalar con la corriente eléctrica obtenida por las bacterias en el proceso depurativo.
 
La  penúltima aventura en la que nos hemos embarcado es la participación en una acción EU-CHINA a través del programa H2020 (www.electra.site) con el objeto de llevar la tecnología al gigante asiático.
 
 

Abraham Esteve durante su participación en una charla de la acción EU-CHINA
 
 
Quizás el grado más fascinante de innovación venga a través del proyecto ATTRACT (H2020) en el que exploramos la impresión 3D de células vivas, para diseñar a-la-carte biofilms electroconductores con potencial en el desarrollo biosensores de contaminantes.
 
 
Para finalizar Abraham, según tu experiencia y criterio, ¿cuándo comenzaremos a ver estaciones depuradoras de aguas residuales municipales con tecnologías MET en España de forma no experimental?
 
Sin duda, el uso de estas tecnologías requiere de la confianza y la apuesta del sector municipal.
 
No obstante, los primeros clientes están llegando del sector privado, tanto urbano como industrial, y esperamos acelerar el número de casos para generar la confianza necesaria y salvar las limitaciones previsibles en implantar cualquier solución innovadora.
 
 
Muchas gracias Abraham,  ha sido un verdadero placer charlar contigo.
 
 

 

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Comentarios Publicar comentario
23/08/2019
Luis Carlos Aponte casadiegos escribió:
Excelente innovación e investigación, felicitaciones al doctor Abraham y su grupo.
21/08/2019
Abraham esteve escribió:
Estimado oscar, gracias por tu interés. Puedes contactar con el grupo bioe a través de www.bioelectrogenesis.com
20/08/2019
Oscar Velez escribió:
Me interesaría aplicar el sistema a los e fluentes de la industria vitivinícola . Podría brindarme mayor información y forma de contacto
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