Una de las mayores amenazas para el medio ambiente en la actualidad son las aguas residuales que quedan de las actividades de producción. Practicas de la agricultura, como la cría de cerdos, producir una gran cantidad de aguas residuales que contienen contaminantes orgánicos, gases malolientes, y otras sustancias dañinas para el suministro de agua. Los métodos habituales de tratamiento y reciclaje de dichas aguas residuales incluyen aireación, aplicándolo como fertilizante a otras áreas agrícolas o confinándolo a estanques y humedales especializados para someterse a procesos de limpieza natural.

Sin embargo, en áreas como Okinawa, Japón, con recursos de tierra limitados y muchas granjas de cerdos, la cantidad de aguas residuales producidas supera la tierra disponible para tratamiento y reciclaje. Como tal, hay una gran necesidad de encontrar algo mejor, más rápido, y métodos más baratos de tratamiento de aguas residuales, que es parte de lo que dio origen a la Unidad de Sistemas Biológicos en la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST). Usando una prometedora tecnología de tratamiento de aguas residuales, llamada pila de combustible microbiana (MFC), la Unidad tiene como objetivo ayudar a la isla, y por poder, otros lugares con problemas similares de aguas residuales:reduzca su carga de aguas residuales.

Un MFC es, en un sentido, un contenedor anaeróbico de bacterias concentradas que se alimentan de material biodegradable y bacterias que se encuentran en las aguas residuales. Funciona mediante bioelectroquímica, lo que significa que la energía utilizada para hacer funcionar la celda se genera a partir de la transferencia de electrones de las bacterias \ beta a los electrodos dentro del dispositivo; no se necesita una fuente de energía externa. Cuando las aguas residuales pasan por un MFC, las bacterias "alimentadoras" digieren los compuestos orgánicos en las aguas residuales y el agua más limpia sale por el otro lado. Además, el proceso de digestión expulsa energía que se convierte en electricidad utilizable. El resultado final es un dispositivo que limpia las aguas residuales y genera electricidad mientras lo hace.

"[Las celdas] requieren poco mantenimiento, bajo costo, y no tiene muchas partes móviles, "explica David Simpson, técnico de la Unidad de Sistemas Biológicos de la OIST. Esto es importante para aquellos que no tienen el tiempo o los recursos para mantener costosos equipos de tratamiento, una descripción que se ajusta a los requisitos para los trabajadores acosados, como los criadores de cerdos.

"Lo ideal es que trabajemos para colocar la celda de combustible [donde la necesite] y olvidarnos de ella, "explica el profesor Igor Goryanin, quien lidera la Unidad en OIST. "Monitoreará y tratará las aguas residuales por sí mismo".

Los investigadores de la OIST ya han desarrollado MFC con la capacidad de funcionar durante largos períodos de tiempo sin romperse o "dispararse". Ahora, en un artículo publicado en Scientifica , también han identificado una forma de fortalecer el rendimiento de los dispositivos. Antes de ejecutar un MFC, primero hay que cultivarlo, o inoculado, con las bacterias "digestivas". Para hacer esto, uno echa lodo que contiene bacterias en una parte del MFC llamada ánodo. Aquí, las bacterias deseadas se propagan para su uso posterior en el tratamiento de aguas residuales.

En su estudio, Los investigadores de la OIST plantearon la hipótesis de que un MFC será mejor en el tratamiento de aguas residuales si el ánodo se prepara con lodo que ha estado en contacto previo con esa corriente de residuos en particular. Probaron esta hipótesis en una granja de cerdos local administrada por el Centro de Investigación de la cría de animales de Okinawa en Nakijin, un pueblo en la parte norte de la isla. Utilizaron lodos recolectados de un tanque receptor de aguas residuales porcinas en esta granja, así como lodos recolectados de un reactor de aguas residuales en una cervecería local. Al comparar la productividad de los dos tipos de MFC, encontraron que el lodo porcino MFC trataba las aguas residuales de la granja de cerdos mucho mejor que las de la cervecería local. Los marcadores que utilizaron los investigadores para juzgar esto fueron la tasa de eliminación de la demanda química de oxígeno y los ácidos grasos volátiles (contaminantes del suministro de agua), así como la generación de electricidad.

Además de la granja de cerdos, la Unidad tiene equipos MFC ubicados en otros sitios en Okinawa y en todo el mundo, incluida una destilería Awamori en Okinawa, una destilería de whisky en Escocia, y una bodega en California, Estados Unidos. En California están utilizando las aguas residuales tratadas para riego. Los MFC en el sitio de la destilería Awamori han estado operando durante aproximadamente 5 años. Simpson explica que, en este momento, estos MFC en el sitio de Awamori están limpiando el agua a un nivel que permite una descarga segura en las alcantarillas.

"[Podemos] eliminar los compuestos orgánicos en un alto grado, con aproximadamente un 90 por ciento de eficiencia, "Simpson explica." Pero tratarlo libera amoníaco y fosfatos. Estos son productos químicos que pueden causar el agotamiento del oxígeno en el agua, así como la proliferación de algas nocivas ". Así que estamos tratando de cerrar el ciclo." Están trabajando para recolectar los nutrientes:fosfato, amoniaco — a escala de laboratorio.

La Dependencia está trabajando actualmente con colaboradores en el Centro de Investigación de Ganadería y Pastizales de la Prefectura de Okinawa y el Centro de Ciencias Ambientales de Okinawa. con financiación del gobierno de la prefectura de Okinawa, para desarrollar una solución para capturar y eliminar los nutrientes, potencialmente conduciendo a subproductos valiosos y sostenibles para fertilizantes.

"La idea del tratamiento de aguas residuales es eventualmente ayudar a aquellos países que no tienen acceso a agua potable, "El profesor Goryanin explica:"quizás limpiando el agua que se utilizará en los pozos de agua potable".

Por ahora, los investigadores de OIST continuarán probando, correr, y optimizar sus MFC con la esperanza de que algún día puedan aliviar la carga de aguas residuales del mundo.