El cambio climático representa uno de los desafíos más apremiantes de nuestra era, impulsado principalmente por las crecientes concentraciones de dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera. La búsqueda de soluciones sostenibles y efectivas para capturar este gas de efecto invernadero ha llevado a la exploración de diversas estrategias, desde tecnológicas hasta naturales. Entre estas últimas, las tecnologías basadas en organismos fotosintéticos han ganado gran interés por su capacidad inherente para absorber CO2 mediante procesos biológicos. En este contexto emergente, destacan los materiales vivos fotosintéticos diseñados para el secuestro dual de carbono, una innovadora técnica que combina la acumulación de biomasa con la formación de carbonatos minerales, aportando un enfoque más eficiente y duradero en la captura de carbono atmosférico. Los ecosistemas naturales, como los bosques, humedales y océanos, desempeñan un papel crucial en el secuestro de carbono gracias a su capacidad para transformar el CO2 en biomasa y compuestos inorgánicos estables.
Sin embargo, controlar y optimizar estos procesos en ambientes artificiales o urbanos es un reto considerable debido a la complejidad y variabilidad de los sistemas vivos. Frente a esta dificultad, la ingeniería de materiales vivos fotosintéticos ofrece una solución prometedora que permite encapsular microorganismos capaces de fijar CO2 dentro de matrices poliméricas diseñadas para maximizar la eficiencia del proceso. Estos materiales combinan microorganismos fotosintéticos, como las cianobacterias del tipo Synechococcus, con un soporte hidrogel específico basado en polímeros como Pluronic F-127 bis-urethane methacrylate. Este soporte proporciona un ambiente funcional y estable que facilita el acceso de luz y nutrientes esenciales, factores fundamentales para la supervivencia y actividad fotosintética de las células encapsuladas. La ventaja principal es que el material puede mantenerse y funcionar durante períodos prolongados —incluso superiores a un año—, promoviendo un secuestro sostenido y estable de CO2.
El proceso de secuestro en estos materiales es dual. Por un lado, la biomasa producida durante la fotosíntesis representa un secuestro reversible del carbono, pues el CO2 queda incorporado en compuestos orgánicos dentro de las células vivas. Por otro lado, y de manera particularmente innovadora, las cianobacterias pueden inducir la precipitación de carbonatos minerales insolubles mediante fenómenos metabólicos denominados Microbiológicamente Inducidos de Carbonato (MICP, por sus siglas en inglés). Esta mineralización representa un secuestro irreversible debido a que el carbono queda atrapado en formas estables como el carbonato de calcio y magnesio, los cuales permanecen en la matriz durante mucho tiempo. El principio fundamental de la precipitación mineral involucra el aumento del pH en el entorno inmediato a las células, provocado por la actividad fotosintética, que junto con la presencia de iones divalentes como calcio y magnesio provenientes de cultivos en medio simulado similar a agua de mar, fomenta la formación y estabilización de carbonatos que actúan como sumideros permanentes de carbono.
Este mecanismo permite asegurar que parte del CO2 capturado no sea liberado nuevamente a la atmósfera, incrementando la efectividad y durabilidad del secuestro. El diseño del soporte polimérico es clave para que la encapsulación no limite la luz necesaria para la fotosíntesis ni la difusión de nutrientes y gases. La transparencia del hidrogel Pluronic F-127 garantiza una alta transmisión lumínica, especialmente en rangos del espectro útiles para la fotosíntesis de las cianobacterias. Además, este hidrogel permite la libre circulación de pequeñas moléculas que son esenciales para las funciones celulares. La capacidad de imprimir en 3D estos materiales abre la posibilidad de fabricar estructuras con geometrías personalizadas que optimizan el acceso a la luz y facilitan el transporte de nutrientes mediante la incorporación de porosidad y canales internos, lo que mejora la eficiencia y longevidad del proceso de secuestro.
Las investigaciones recientes han demostrado que, durante un periodo de 30 días, estos materiales vivos fotosintéticos pueden secuestrar alrededor de 2,2 miligramos de CO2 por gramo de hidrogel, lo que representa una cantidad significativa, considerando que estas matrices pueden cultivarse por más de un año. De hecho, con incubaciones prolongadas de hasta 400 días, se ha observado un aumento hasta 26 miligramos de CO2 por gramo de material, saturándose principalmente en la forma mineralizada estable, demostrando la potencial escalabilidad y sostenibilidad del método. Además, la formación progresiva de carbonatos dentro de la matriz hidrogel fortalece sus propiedades mecánicas, demostrando que estos materiales no solo capturan CO2 eficientemente sino que también pueden evolucionar y auto-reforzarse. Este aspecto es particularmente relevante para aplicaciones prácticas en infraestructuras verdes o como recubrimientos vivos en edificaciones, donde el material podría contribuir simultáneamente a la captura de carbono y a la mejora de características estructurales o funcionales. Las aplicaciones potenciales son amplias y van desde instalaciones urbanas hasta sistemas de biorremediación en ámbitos rurales o industriales, gracias a que el sistema opera bajo condiciones ambientales ambientales comunes, utilizando la luz solar y el CO2 atmosférico sin necesidad de insumos químicos adicionales o costosos.
De esta forma, los materiales vivos fotosintéticos constituyen una estrategia ambientalmente amigable y económica, que por su naturaleza auto-regenerativa y resistente a cambios ambientales, podría funcionar como un complemento eficiente a planteamientos industriales de captura y almacenamiento de carbono más tradicionales y a menudo costosos. Sin embargo, para alcanzar su máximo potencial, estos sistemas necesitan ser desarrollados y optimizados a mayor escala, superando desafíos como la eficiencia de captación bajo condiciones de luz variables, la gestión de la difusión de gases dentro de estructuras más complejas, o la ingeniería genética de microorganismos para maximizar la tasa fotosintética y la producción de precipitados minerales. Asimismo, una evaluación exhaustiva de ciclo de vida será esencial para garantizar que las emisiones indirectas y el consumo energético del proceso no superen los beneficios ambientales alcanzados. El futuro de los materiales vivos fotosintéticos en el secuestro de carbono se vislumbra prometedor, especialmente al integrar avances en biofabricación, ingeniería genética y diseño de materiales inteligentes. La combinación de capacidades biológicas y materiales sintéticos ha dado lugar a nuevas herramientas que pueden ser ajustadas para mejorar la captura y almacenamiento de CO2 de manera sostenible, distribuyendo la carga de mitigación climática y promoviendo un balance ambiental positivo.
En resumen, el secuestro de carbono dual con materiales vivos fotosintéticos ofrece una poderosa opción para enfrentar el cambio climático mediante una tecnología que es tanto natural como avanzada. Al aprovechar el poder de la fotosíntesis y los procesos minerales mediados por microorganismos, estos materiales abren un camino innovador para reducir el CO2 atmosférico de forma eficiente, duradera y con un impacto ecológico mínimo, consolidándose como un pilar en la transición hacia un futuro más sustentable.
