Física para una agricultura y minería más sustentables

Las bacterias Bradyrhizobium diazoefficiens tienen una relación simbiótica con el cultivo de la planta de soya: si bien estos microorganismos forman nódulos en sus raíces y se alimentan de sus nutrientes, a cambio, usan el nitrógeno atmosférico para producir fertilizantes que sirven a la planta. “Su uso en los cultivos de soya es una opción económica y amigable con el medioambiente, reduciendo el uso de fertilizantes químicos como el salitre o la urea”, dice María Luisa Cordero, directora alterna del Núcleo Milenio Física de la Materia Activa, académica del Departamento de Física (DFI) de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile y líder de esta investigación.

Pese a sus ventajas como biofertilizante, su implementación enfrenta desafíos, ya que, al nadar por el suelo en busca de las raíces de las plantas, muchas bacterias se pierden y no llegan a destino, razón por la cual estos biofertilizantes hoy solo pueden usarse como complemento a las soluciones químicas en los campos. ¿Cómo hacerlas más eficientes en su nado? La respuesta a ese problema de la agricultura vendría desde la física.

El grupo investigativo del Núcleo Milenio, conformado por María Luisa Cordero, Monellien Pires y Juan Pablo Carrilo, y el equipo científico argentino liderado por Verónica Marconi, estudian, desde 2018, el movimiento de estas bacterias, analizando los dos flagelos o colas que poseen, los cuales usan para desplazarse por el suelo (uno subpolar y otro lateral). Además de la influencia de la geometría del terreno en este proceso.

Para ello, investigaron dos cepas de bacterias: una salvaje (con ambos flagelos) y una mutante (solo con flagelo subpolar) y las pusieron a nadar en dispositivos microfluídicos (del tamaño de un posavasos) creados por Cordero. Estos minilaboratorios tenían una región sin obstáculos y otra llena de canales que simulaban la porosidad del suelo. “Usamos poros entre 5 y 20 micrones, que es cercano a un suelo de cultivo”, señala la física chilena.

“Descubrimos que los flagelos laterales podrían ser ventajosos para que las bacterias naden en espacios más abiertos, pero al acercarse a las raíces, donde los canales se vuelven más estrechos, dependen principalmente de su flagelo subpolar para nadar”, agrega la académica DFI. También hallaron que, mientras más estrecho es el poro o canal, más lento nadan y más veces giran en 180° al chocar con paredes sólidas. “El cuerpo de la bacteria es de aproximadamente 1 micrón, pero los flagelos llegan a medir 10 o 20 micrones, por lo que incluso en los canales más anchos, las bacterias sienten el confinamiento y eso se nota en las distribuciones de rapidez”, explica María Luisa Cordero. 

Estos hallazgos son cruciales para mejorar los biofertilizantes. De hecho, el equipo argentino usó esta información para simular el avance de las bacterias inoculadas en un cultivo, comprendiendo su trayectoria hasta llegar a las raíces. Estos datos podrían usarse para desarrollar bacterias modificadas y adaptadas a las características particulares de cada suelo de cultivo.

Minería verde

La bioflotación es un proceso industrial que usa microorganismos para facilitar la separación de minerales. Se inyectan bacterias en estanques con fluidos, las cuales se adhieren a los minerales y forman biopelículas que permiten que este material flote y pueda ser recolectado. Aunque es una alternativa sustentable frente al uso de productos químicos sintéticos, su implementación en la industria minera está en desarrollo y requiere más investigación para su uso a gran escala.

Con el objetivo de optimizar la formación de biopelículas de bacterias en estos procesos mineros, Rodrigo Soto, director del Núcleo Milenio y académico DFI-FCFM, y Francisca Guzmán, investigadora del Núcleo y académica del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Chile, junto a los estudiantes de Prácticas de Verano, Tamara Faúndez y Bastián Espinoza (ambos de la FCFM) realizaron una investigación publicada en la revista Frontiers, en la que estudiaron cómo las bacterias se mueven y adhieren a la superficie de un obstáculo sólido circular (2D) –con diversos tamaños– y cuánto tiempo exploran en torno a él.

“El proceso en que las bacterias se atraen a la superficie es la primera adhesión y es lo que simulamos en este trabajo para medir cuánto tiempo exploraban en torno al obstáculo. La segunda adhesión es un proceso bioquímico, donde las bacterias dejan su flagelo y se adhieren realmente a la superficie, formando las biopelículas y permitiendo la bioflotación”, explica Francisca Guzmán. 

Para optimizar esta segunda adhesión, buscaron establecer la combinación de parámetros que aumentan o disminuyen el tiempo de exploración de las bacterias, variando su velocidad y persistencia del nado. 

“Los resultados revelaron que las bacterias que nadaban en forma lineal (mayor persistencia), a velocidades más lentas e interactuando con obstáculos pequeños, lograron una mayor adhesión y formación de biopelículas”, explica Rodrigo Soto.

Estos parámetros podrían ser muy útiles también para mejorar la filtración microbiana en aplicaciones ambientales, mineras y sanitarias a futuro. “Con los avances de la ingeniería genética actual es posible hacer modificaciones para controlar el movimiento de las bacterias, logrando que naden de manera suave y continua o induciendo giros frecuentes, según se necesite”, concluye el académico.