Cianobacterias recubiertas para la descomposición de contaminantes ambientales por fotocatálisis

Diseñan un fotocatalizador híbrido basada en ZnO magnético para la fotorremoción de cianobacterias y mineralización de cianotoxinas impulsada por la luz solar de manera eficiente y simultánea


Las cianobacterias se encuentran entre las criaturas vivientes más antiguas de la Tierra y han perfeccionado el uso de la luz solar durante miles de millones de años. Los científicos de los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales ahora han equipado a estos humildes organismos unicelulares con recubrimientos semiconductores para crear minicentrales reactores, que suministran biocombustibles y son fotocatalíticamente activas a la luz del sol. Y lo que es mejor: las reacciones químicas son circulares: forman un ciclo sofisticado de materias primas.


Ya se movían en la "sopa primordial" en nuestro planeta hace más de dos mil millones de años y han estado ayudando a enriquecer la atmósfera de la Tierra con oxígeno desde entonces. Hoy en día, las algas verdiazules o, más científicamente, las cianobacterias son prácticamente omnipresentes: en el agua, en la corteza de los árboles o en las cimas de montañas áridas. Han perfeccionado el uso eficiente de la luz solar para la fotosíntesis hasta tal punto que pueden sobrevivir incluso en cuevas sombrías. Los investigadores, dirigidos por Laetita Philippe, del laboratorio de Mecánica de materiales y nanoestructuras en Thun, han utilizado ahora la tecnología de bioplantillas para recubrir las poco exigentes algas azul verdosas del género Spirulina de tal manera que puedan utilizarse para producir biocombustibles y que además exhiben un efecto fotocatalítico. El estudio se publicó en Applied Catalysis B: Environmental.



Arquitectura perfecta


Para lograr un proceso altamente eficiente y al mismo tiempo sustentable, los investigadores utilizaron el método de bioplantillas, en el que una arquitectura dada por la naturaleza sirve como plantilla para aplicar nuevos revestimientos superficiales. La cianobacteria, cuya forma recuerda a la bobina en un pequeño calentador de inmersión, fue particularmente adecuada para esto, ya que su estructura en espiral compacta contribuye a un uso altamente eficiente de la luz solar.


Los investigadores primero recubrieron las espirales de aproximadamente cuatro micrómetros de espesor de organismos unicelulares preservados de Spirulina con una fina capa de níquel. Como la piel de una cebolla, le siguieron delicadas capas de óxido de zinc y nanopartículas de sulfuro de zinc. "Mientras que las cianobacterias en forma de espiral actúan como un andamio estructurante, el revestimiento de níquel, al ser magnético, proporciona una excelente manera de recuperar las pequeñas plantas de energía", dice Laetitia Philippe. El revestimiento posterior que contiene zinc tiene una actividad fotocatalítica impresionante. Esto se debe a que la combinación de dos compuestos de zinc conduce a un rendimiento prolongado de la reacción fotocatalítica.


Además, se puede utilizar un rango de longitud de onda más amplio del espectro solar. "Con el óxido de zinc solo, solo podríamos utilizar la radiación ultravioleta del sol, por ejemplo, para la descomposición de contaminantes ambientales. Con la actividad fotocatalítica de las algas recubiertas, debería ser posible desarrollar un proceso sostenible, simple y económico para el tratamiento del agua", agrega Philippe. Desde 2015, la disponibilidad y la gestión sostenible del agua para todos ha sido parte de la Agenda de Sostenibilidad Global de las Naciones Unidas (ONU). En línea con este objetivo, el equipo buscó una tecnología que pudiera producir agua limpia en todo el mundo sobre la base de las plantas de purificación existentes.


Los microhelechos producidos artificialmente se recubrieron con óxido de zinc, sulfuro de zinc y níquel. Imagen de microscopio electrónico, coloreada. Imagen: Empa

El objetivo principal era eliminar del agua los microplásticos y los contaminantes orgánicos persistentes (COP), que los sistemas de tratamiento convencionales no eliminan. Así, los investigadores desarrollaron un proceso basado en fotocatálisis utilizando óxido de zinc y sulfuro de zinc, una reacción química que oxida y neutraliza los contaminantes cuando se expone a la luz. La combinación con nanopartículas de sulfuro de zinc hace que incluso sea posible aprovechar no solo la radiación UV como fuente de energía, sino también la parte visible del espectro electromagnético.



Un nano helecho ramificado


Los investigadores desarrollaron inicialmente el nuevo recubrimiento fotocatalítico sobre la base de otras estructuras que recuerdan a los bosques microscópicos de plantas de helecho. "La arquitectura de helechos es otra forma de absorber la energía luminosa de la forma más eficiente posible", explica Serrá. En experimentos de laboratorio con micro y nano helechos producidos artificialmente hechos de varios compuestos químicos, la estructura tipo capa de cebolla de óxido de zinc, sulfuro de zinc y níquel demostró ser particularmente eficiente. Además, el proceso de creación de plantillas biológicas de las cianobacterias tenía como objetivo evitar el sombreado causado por las ramas individuales dentro de los micro helechos, aumentando así adicionalmente la absorción de luz.


Otra ventaja: las cianobacterias se multiplican virtualmente por sí mismas. Con solo agua, luz solar y fertilizantes, los organismos unicelulares crecen en grandes cantidades a un ritmo rápido. Y no solo consumen dióxido de carbono (CO2) del medio ambiente y emiten oxígeno valioso como "gas residual"; el balance de CO2 del método se puede mejorar aún más agregando CO2 adicional al cultivo de algas.




Ciclo sofisticado de materias primas


Sin embargo, una vez que los diminutos calentadores de inmersión se hayan puesto en funcionamiento y se hayan descompuesto los contaminantes en las aguas residuales, su tarea está lejos de terminar. Si bien los compuestos de zinc y níquel se pueden recuperar y reutilizar, las estructuras conservadas de Spirulina permanecen como minicentrales eléctricas.


"Los biocombustibles se pueden producir a partir de la biomasa", dice Laetitia Philippe. Además de producir bioetanol y biodiésel, los restos de espirulina también se pueden procesar y quemar como pellets para la producción de energía. Y las cenizas pueden eventualmente usarse como fertilizante para el cultivo de nuevas algas verdeazuladas. El ciclo sofisticado de las materias primas ahora se ha demostrado en experimentos de laboratorio. Pero Laetitia Philippe confía en que los organismos unicelulares versátiles se pueden aplicar a mayor escala.





Fuente: EMPA

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