La lucha contra el cambio climático ha impulsado la búsqueda de nuevas tecnologías que permitan capturar y almacenar el dióxido de carbono (CO2) de forma eficiente y sostenible. En esta revolución científica, los materiales vivos fotosintéticos emergen como una alternativa prometedora para la captura dual de carbono, a través de la combinación de procesos biológicos y minerales que garantizan una reducción efectiva y duradera de este gas en la atmósfera. Este método aprovecha la capacidad natural de ciertos microorganismos fotosintéticos que, al ser inmovilizados en matrices poliméricas especialmente diseñadas, pueden transformar el CO2 en biomasa y en compuestos minerales insolubles mediante la precipitación microbiana de carbonatos (MICP, por sus siglas en inglés). Los ecosistemas naturales como bosques, humedales y océanos desempeñan un papel fundamental como reservorios de carbono. Sin embargo, la dificultad para contener y controlar estos sistemas dificulta su aplicación directa a gran escala para fines específicos de captura de carbono.
Frente a esta limitación, la ingeniería de materiales vivos que incorporan microorganismos fotosintéticos ofrece nuevas posibilidades para manejar y potenciar estos procesos naturales. Al encapsular microorganismos fotosintéticos dentro de una red polimérica que permita la entrada de luz y nutrientes, se puede mantener su actividad fotosintética durante períodos prolongados, logrando una captura continua y eficiente de CO2. El mecanismo clave radica en la capacidad de las cianobacterias, en particular la cepa Synechococcus sp. PCC 7002, para concentrar el CO2 interiormente hasta mil veces la concentración ambiental y fijarlo en moléculas orgánicas durante la fotosíntesis, generando biomasa. Este proceso representa una forma reversible de captura de carbono, ya que la biomasa puede degradarse eventualmente y liberar CO2 nuevamente.
Para lograr una captura irreversible, este enfoque se complementa con la precipitación microbiana inducida de carbonatos, un fenómeno en el que microorganismos provocan la formación de compuestos minerales estables, tales como el carbonato de calcio y magnesio, que inmovilizan el carbono de manera duradera. La combinación de ambos procesos, conocido como captura dual de carbono, maximiza la eficiencia de secuestro de CO2. La biomasa genera una reserva orgánica y, simultáneamente, la precipitación mineral crea un almacén inorgánico, estable y resistente a la degradación. Este sistema ofrece una ventaja decisiva frente a los métodos convencionales que suelen basarse en uno solo de estos mecanismos, ya sea la biomasa o la mineralización. Uno de los grandes retos para materializar esta tecnología ha sido la creación de un medio adecuado para mantener con vida a los microorganismos fotosintéticos mientras realizan sus funciones.
Para ello, investigadores han desarrollado hidrogeles poliméricos basados en Pluronic F-127 modificados con grupos uretrano metacrilato que permiten la fabricación digital de estructuras vivas. Gracias a estas innovaciones, es posible imprimir materiales vivos con diseños complejos que optimizan la exposición a la luz y el acceso a nutrientes, fundamentales para mantener la fotosíntesis durante períodos superiores al año. Estos hidrogeles son transparentes para la luz visible, permitiendo que las cianobacterias encapsuladas reciban la energía necesaria para convertir el CO2 atmosférico en biomasa y carbonatos. Además, presentan alta permeabilidad para la difusión de moléculas pequeñas, garantizando la circulación de nutrientes y minerales esenciales en el microambiente del microorganismo. La fotopolimerización con luz de 405 nm estabiliza estos materiales, aumentando su rigidez y durabilidad sin afectar la viabilidad celular.
Durante su ciclo de vida, los materiales vivos impresos demuestran un incremento sostenido en biomasa, alcanzando densidades celulares que pueden llegar a 5 × 10^9 células por mililitro de hidrogel, favorecidas por estrategias de diseño que minimizan la autointerferencia de luz y permiten la oxigenación adecuada. Simultáneamente, a medida que la actividad fotosintética aumenta el pH del medio circundante, se promueve la formación de carbonatos insolubles de calcio y magnesio. Estos precipitados se distribuyen homogéneamente en la matriz del material, depositándose principalmente en las zonas cercanas a las colonias bacterianas. La presencia y composición de estos minerales han sido confirmadas mediante técnicas analíticas avanzadas como termogravimetría, espectroscopia infrarroja y difracción de rayos X, revelando la formación de carbonatos con una alta cristalinidad, similares a los que se producen en ambientes marinos naturales. Gracias a este mineral reforzado, las propiedades mecánicas de los materiales vivos mejoran progresivamente, con un aumento considerable de su módulo de almacenamiento y tenacidad, lo que abre la posibilidad de aplicaciones estructurales en el sector de la construcción sostenible.
La versatilidad de esta tecnología es notable, pudiendo fabricar estructuras tridimensionales a medida mediante métodos de impresión volumétrica o extrusión directa. La impresión digital permite crear diseños tipo celosía con micrométricas precisiones, facilitando la circulación de gases y líquidos mediante mecanismos pasivos, como la capilaridad. Por ejemplo, los modelos inspirados en los fluidos celulares aseguran que el medio nutritivo y el CO2 puedan llegar eficazmente a las células encapsuladas, redundando en una captura más eficiente del carbono. Estas estructuras 3D, además, pueden mantener su funcionalidad fotosintética durante más de un año, exhibiendo un almacenamiento promedio de 26 mg de CO2 por gramo de material vivo a lo largo de 400 días. Esta cifra es comparable, e incluso superior, a algunas técnicas industriales de mineralización química que requieren condiciones de operación más estrictas y costosas.
Importante destacar es que los materiales fotosintéticos funcionan bajo condiciones ambientales estándar, utilizando únicamente luz solar y CO2 atmosférico como fuente energética y carbono, respectivamente. Uno de los enfoques experimentales más innovadores ha sido la elaboración de texturizados y diseños de superficie inspirados en arrecifes de coral para maximizar el volumen activo del material sobre un área determinada, evitando la sombra y potenciando la captación de luz. Esto optimiza la relación superficie-volumen y mejora la eficacia del sistema al aumentar la cantidad de biomasa viable en estructuras delgadas. Esta estrategia ilustra la sinergia entre biología, ingeniería de materiales y diseño computacional para potenciar el rendimiento de soluciones sustentables. El potencial de los materiales vivos fotosintéticos para la captura de carbono abarca distintas aplicaciones.
En el sector de la construcción, estos podrían emplearse como recubrimientos verdes para infraestructuras responsables, absorbentes de CO2 y reforzadores mecánicos. Asimismo, su simplicidad operativa y bajo mantenimiento les hacen aptos para su implementación en escenarios urbanos y rurales, integrándose con otras estrategias de mitigación ambiental. Sin embargo, para que esta tecnología alcance una implantación masiva, es necesario superar barreras relacionadas con la producción en escala industrial y la evaluación del impacto ambiental a lo largo de todo su ciclo de vida. Estudios cuantitativos adicionales sobre la tasa exacta de fotosíntesis, mediante mediciones directas de oxígeno, y modelados computacionales para el seguimiento del pH intracelular y la fijación de CO2 contribuirán a optimizar y adaptar los sistemas para condiciones reales. El futuro de la captura dual con materiales vivos fotosintéticos también contempla la ingeniería genética.
