La creciente preocupación por el cambio climático y el aumento constante de dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera han impulsado una búsqueda intensa de tecnologías que permitan capturar y almacenar carbono de manera eficaz y ambientalmente amigable. Entre estas innovaciones emergentes, la captura dual de carbono utilizando materiales vivos fotosintéticos se ha convertido en una solución prometedora que combina principios biológicos y materiales avanzados para mitigar la huella de carbono. Este método innovador aprovecha la capacidad natural de ciertos organismos fotosintéticos y la ingeniería de materiales para lograr una captura de carbono simultánea y estable a largo plazo. Los materiales vivos fotosintéticos son sistemas biocompuestos en los cuales microorganismos fotosintéticos, como las cianobacterias o algas, son encapsulados o inmovilizados dentro de matrices poliméricas diseñadas para facilitar la supervivencia y actividad metabólica de estas células. A través del proceso de fotosíntesis, estos microorganismos absorben CO2 atmosférico para generar biomasa, un proceso reversible que captura carbono temporalmente mientras que, simultáneamente, mediante la inducción microbiana de precipitación de carbonatos (MICP, por sus siglas en inglés), consiguen fijar carbono en forma de minerales insolubles y estables como el carbonato de calcio o magnesio.
Esta combinación constituye una estrategia de doble sequestración de carbono que optimiza el aprovechamiento biológico mientras garantiza el almacenamiento duradero del CO2 en forma inorgánica. La base biológica de esta técnica radica en las propiedades excepcionales de las cianobacterias Synechococcus sp. PCC 7002, una cepa capaz de concentrar CO2 en su interior hasta mil veces la concentración ambiental mediante un mecanismo celular especializado. Estas células convierten el CO2 disuelto en bicarbonato, que mediante la acción de enzimas como la anhidrasa carbónica se transforma en CO2 dentro del carboxisoma, el compartimento responsable de la fijación mediante la enzima RuBisCo. Así, el carbono es fijado químicamente y se convierte en azúcares que sirven para el crecimiento celular y la producción de biomasa.
Esta acumulación representa la primera vía de captura: la reversible fijación por biomasa. Paralelamente, la precipitación de carbonatos se produce fuera de las células, donde un ambiente extracelular adecuado, alcalino y rico en iones divalentes como calcio y magnesio, facilita la formación de minerales carbonatados. Las cianobacterias secretan polisacáridos con carga negativa en su superficie, que actúan como nucleadores de cristales minerales. De esta manera, el carbono capturado se almacena en una forma mineral difícilmente reversible, asegurando un secuestro estable a largo plazo. Para optimizar estas funciones biológicas, los microorganismos fotosintéticos son inmovilizados en una matriz polimérica basada en hidrogel de Pluronic F-127 modificado químicamente para permitir la impresión 3D y la fotocuranza, lo que otorga estabilidad estructural y permite la fabricación de estructuras tridimensionales complejas.
La transparencia óptica de este hidrogel es clave para que la luz visible pueda penetrar y activar el proceso fotosintético de las células encapsuladas. Estudios han demostrado que el 76% de la luz visible atraviesa este material, asegurando que las cianobacterias reciban energía para mantener su metabolismo activo. El diseño racional de estas estructuras impresas toma en cuenta no solo la penetración de luz, sino también la difusión eficiente de nutrientes y gases, así como la eliminación de productos metabólicos, favoreciendo la longevidad y eficiencia del sistema. Las geometrías porosas y las formas tipo celosía permiten la circulación pasiva de medio nutritivo y la entrada de CO2 atmosférico, mientras que la manufactura digital permite escalar y adaptar el sistema a distintas aplicaciones, desde dispositivos modulares hasta recubrimientos para infraestructuras. Los estudios de laboratorio revelan que las muestras de materiales vivos fotosintéticos pueden mantener actividad y capturar carbono durante periodos superiores a un año, acumulando alrededor de 26 mg de CO2 por gramo de hidrogel tras 400 días de incubación.
Este valor es notablemente superior a muchas estrategias de fijación química utilizadas industrialmente para la captura de carbono mineral, lo que demuestra el potencial competitivo y ecológico de la metodología. Además, el aumento progresivo de la rigidez y la resistencia mecánica de estos materiales con el tiempo, derivado de la formación de minerales carbonatados, sugiere que estas estructuras pueden servir también como materiales constructivos reforzados. Comparado con procesos tradicionales de captura y almacenamiento de carbono, como el transporte e inyección en yacimientos subterráneos que requieren condiciones controladas de temperatura, presión y pureza de gases, la captura mediante materiales vivos fotosintéticos opera en condiciones ambientales, usando la luz solar y el CO2 atmosférico como únicas fuentes primarias. Este enfoque ecológico es un complemento valioso para estrategias descentralizadas de mitigación de emisiones en áreas urbanas, zonas rurales y en la arquitectura verde. Sin embargo, la implementación a gran escala de estos sistemas debe superar desafíos relacionados con la producción en masa, la optimización de la eficiencia fotosintética y la maximización del secuestro mineral.
La ingeniería genética de microorganismos para mejorar su tasa fotosintética y su capacidad de inducir MICP, junto con el desarrollo de nuevos materiales poliméricos con propiedades ópticas y mecánicas mejoradas, forman parte de las próximas fronteras tecnológicas. Igualmente, aspectos relacionados con la sustentabilidad y la evaluación del ciclo de vida de estos materiales vivos son esenciales para garantizar que el balance neto de carbono sea positivo tras considerar la fabricación, mantenimiento y eventual disposición de los sistemas. La vida útil prolongada, la facilidad de mantenimiento y la capacidad para auto repararse son atributos que podrían minimizar costos energéticos y mejorar el balance ambiental. Además de su papel directo en la captura de carbono, estos materiales vivos fotosintéticos pueden contribuir a la innovación en la biofabricación, las tecnologías limpias y los materiales inteligentes, generando un impacto positivo en la economía circular y en estrategias integradas de mitigación y adaptación climática. La versatilidad de diseño mediante impresión 3D y volumétrica contribuye a la personalización y funcionalización para distintas aplicaciones, desde recubrimientos auto reparables que capturan carbono en fachadas hasta dispositivos modulares en espacios urbanos o ecosistemas degradados.
