Una revolución microbiana transforma el tratamiento de aguas. Imaginar que bacterias pueden eliminar contaminantes tóxicos parecía ciencia ficción hace unos años. Hoy, esta idea es una realidad con base científica sólida, avalada por décadas de investigación. Tecnologías como el reactor de biofilm sobre membrana (MBfR) no solo están cambiando cómo tratamos el agua, sino también cómo entendemos el potencial de la biotecnología ambiental.
Los biofilms permiten una depuración precisa y sostenible. Este avance se fundamenta en la capacidad de ciertas comunidades microbianas para reducir compuestos como nitratos, perclorato o PFAS. El MBfR, desarrollado por el Dr. Bruce Rittmann y su equipo en la Universidad Estatal de Arizona, es ya una referencia internacional. Su funcionamiento ha sido probado en contextos reales y presenta ventajas técnicas claras frente a métodos convencionales.
¿Qué es el reactor MBfR y cómo funciona?
Los MBfR eliminan contaminantes persistentes del agua. El MBfR es un reactor biológico que suministra hidrógeno como donador de electrones a bacterias reductoras adheridas a una membrana. Este sistema permite reducir nitratos, perclorato, clorato, selenato y uranio a formas no solubles o inocuas. En condiciones optimizadas, las tasas de eliminación pueden superar los 95% para nitratos y el 99% en el caso de perclorato, con una eficiencia energética superior a tecnologías convencionales.
Una solución escalable y con bajo coste operacional. El reactor se caracteriza por una alta superficie específica para el crecimiento microbiano y un bajo consumo de reactivos externos. Gracias a la alimentación controlada de hidrógeno, se evita el exceso de carbono orgánico y se minimizan subproductos. El MBfR requiere poco mantenimiento y puede integrarse fácilmente en instalaciones existentes, lo que reduce las inversiones en infraestructura y favorece su adopción en municipios y sectores industriales.
Alta superficie microbiana y bajo consumo hacen del MBfR una opción rentable y adaptable
El reto de los PFAS: cómo los trata el MBfR
Los PFAS resisten métodos de tratamiento convencionales. Los compuestos perfluoroalquilados y polifluoroalquilados (PFAS), conocidos como “químicos eternos”, están presentes en utensilios de cocina, textiles, espumas contra incendios y más. Su estructura molecular, basada en enlaces carbono-flúor, les confiere una alta estabilidad térmica y química, lo que los hace extremadamente difíciles de eliminar. Actualmente se encuentran en aguas subterráneas, alimentos y hasta en el torrente sanguíneo humano.
Las bacterias podrían ofrecer una solución biológica sostenible. El equipo de Rittmann ha avanzado hacia una aplicación del MBfR que permita transformar PFAS en compuestos menos tóxicos o incluso degradarlos parcialmente mediante procesos reductivos. Esta tecnología puede integrarse con tratamientos previos como adsorción en carbón activado o membranas de ósmosis inversa, que concentran los PFAS para su posterior destrucción selectiva. Esto evita los costes y riesgos de incineración o confinamiento.
El MBfR facilita la degradación parcial de PFAS tras su concentración por métodos previos
Ecología microbiana en biopelículas activas
Las biopelículas se adaptan a contaminantes específicos. El corazón del reactor MBfR es la comunidad microbiana que coloniza la superficie de la membrana. Estas biopelículas están formadas principalmente por bacterias autotróficas, capaces de utilizar hidrógeno como fuente de electrones y CO₂ como fuente de carbono (Rittmann et al., 2004). Según el contaminante presente, el biofilm selecciona especies específicas: por ejemplo, Dechloromonas y Azospira para reducir perclorato, o Sulfuricurvum para compuestos azufrados (Shanahan et al., 2008). La selección natural se ve reforzada por el tipo de contaminante dominante y por las condiciones redox del medio.
La estabilidad del biofilm requiere control preciso del entorno. El diseño del sistema permite un suministro controlado de hidrógeno a través de la membrana, lo que mantiene un entorno altamente reductor en el biofilm y evita el crecimiento de organismos indeseados, como bacterias heterotróficas (Rittmann & McCarty, 2020). Un control riguroso de la presión del gas (entre 0,05 y 0,1 atm) y del tiempo de retención hidráulica permite estabilizar la actividad microbiana y mantener la eficiencia del sistema. Además, el biofilm se autorregula: crece hasta alcanzar un equilibrio entre suministro de nutrientes y desprendimiento natural, lo que reduce la necesidad de mantenimiento.
El control del hidrógeno y la presión estabiliza el biofilm y reduce el mantenimiento
Interacciones sinérgicas aumentan la cinética de eliminación. Estudios recientes han demostrado que las bacterias en el MBfR no actúan de forma aislada, sino que establecen simbiosis metabólicas. Por ejemplo, las comunidades reductoras de nitrato pueden coexistir con bacterias desnitrificantes, compartiendo metabolitos intermedios y aumentando la eficiencia general. Estas relaciones sinérgicas también permiten que el biofilm resista mejor a variaciones de carga y condiciones externas, asegurando un rendimiento constante incluso en sistemas descentralizados o contaminantes mixtos (Tang et al., 2011).
Aplicaciones reales del MBfR en aguas complejas
El MBfR se adapta a múltiples contextos hidráulicos. Una de las principales ventajas del reactor de biofilm sobre membrana es su flexibilidad operativa. Puede instalarse en sistemas de agua potable, aguas residuales industriales y tratamientos terciarios en EDAR (Rittmann & McCarty, 2020). Su diseño modular permite escalarlo según el caudal, con tasas de carga hidráulica entre 0,5 y 2 m³/m²·día, y una densidad celular elevada que mejora la cinética de reacción (Rittmann et al., 2004).
Aplicación exitosa en casos con aguas complejas. Ensayos piloto recientes han mostrado eficiencias superiores al 90% en la eliminación de nitratos en aguas con alta carga salina, como ocurre en zonas agrícolas costeras o en industrias alimentarias (Tang et al., 2011). Además, el sistema ha demostrado estabilidad frente a variaciones de temperatura, pH y presencia de metales pesados, factores que dificultan el rendimiento en tecnologías tradicionales. El MBfR también ha sido probado con éxito en efluentes contaminados con clorato (ClO₃⁻), perclorato (ClO₄⁻) y selenato (SeO₄²⁻), alcanzando reducciones superiores al 95% con una operación continua de más de 180 días.
Más del 90 % de eliminación de nitratos y 95 % de clorato, perclorato y selenato
Menor consumo energético y producción de lodos
Menor producción de lodos y mayor control biológico. A diferencia de los procesos de fangos activados, el MBfR genera una cantidad mínima de sólidos residuales gracias a su metabolismo autotrófico. Esto disminuye los costes de gestión de lodos y facilita la automatización del proceso. Además, la estructura del biofilm permite seleccionar comunidades microbianas especializadas, optimizando la biología del sistema frente a contaminantes específicos. Esta precisión biotecnológica marca la diferencia respecto a métodos generalistas.
Diseño personalizado y optimización energética. El sistema permite un control preciso del flujo de hidrógeno y del gradiente redox, elementos clave para evitar sobrealimentaciones y mantener un consumo energético reducido. De hecho, el consumo medio de energía puede estar por debajo de 0,1 kWh/m³ tratado, lo que lo convierte en una opción competitiva frente a tratamientos avanzados como electrocoagulación o oxidación avanzada. El diseño compacto y la integración con sensores permiten su incorporación en sistemas de control remoto para plantas descentralizadas o zonas rurales.
Consumo energético inferior a 0,1 kWh/m³ y control preciso del hidrógeno y redox
Conclusión
La biotecnología microbiana puede transformar el tratamiento de aguas. El reactor de biofilm sobre membrana representa un hito en la ingeniería ambiental. Su capacidad para abordar contaminantes complejos como nitratos o PFAS, su eficiencia energética y su adaptabilidad lo convierten en una herramienta clave para los desafíos actuales del sector. Solo hace falta un impulso final en forma de inversión para llevar esta solución del laboratorio al mundo real.
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