Las vitaminas del nuevo milenio

Por Dr. Miguel Beltrán García y Jessica Silva Reséndiz, investigadores de la UAG

En el nuevo milenio, caracterizado por el acelerado desarrollo de la tecnología, los elementos metálicos de alto peso molecular conocidos como tierras raras (TRs) tendrán un papel muy importante.

Con el objetivo de promover prácticas agrícolas sustentables, en el laboratorio buscamos alternativas para reducir el impacto de la producción agrícola en el cambio climático. Sin duda, la producción de alimentos en el campo es la actividad que más ha afectado el clima, al contribuir hasta con 19% de las emisiones de bióxido de carbono, metano y óxido nitroso, también conocidos como gases de efecto invernadero, producto directo de la fertilización orgánica e inorgánica. La agricultura intensiva aumenta la temperatura global y además altera la biodiversidad macroscópica y microscópica global, influyendo en la desaparición de comunidades microbianas del suelo que están ligadas a las poblaciones de plantas, lo que tiene consecuencias graves en los ecosistemas globales.

Otro factor que inquieta a la comunidad científica es la gran cantidad de agua que se requiere para la irrigación de los cultivos. Por ejemplo, en la producción de banana se usan hasta 15,000 litros de agua por hora por hectárea.

En la UAG está en marcha un proyecto que involucra a estudiantes de biotecnología y QFB en la búsqueda de nuevas alternativas, uniendo la química, la biotecnología y nanotecnología, para determinar si la combinación de bacterias endófitas y TRs influye en el uso eficiente de nutrientes y agua en plantas de importancia agrícola para México y el estado de Jalisco.

LAS TIERRAS RARAS

De acuerdo con la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC), las TRs comprenden la serie de quince elementos metálicos llamados lantánidos, pertenecientes al Grupo IIIA de la Tabla Periódica, además del escandio y el ytrio. Estos elementos se subdividen en “tierras raras ligeras” y “tierras raras pesadas” en función de sus propiedades químicas, físicas y geoquímicas, además de su abundancia. Entre las propiedades de las TRs destaca su estabilidad térmica, conductividad eléctrica, actividad catalítica y magnética, así como luminiscencia y fluorescencia. Estos elementos son tan abundantes en la corteza terrestre como la mayoría de los metales de uso industrial, como el cromo, níquel, cobre, zinc y estaño.

La mayor parte de los recursos, la producción, el procesamiento y el suministro de TRs se concentra en la región de Asia y el Pacífico. China domina en la industria de TRs, al consumir más de 68% de los recursos actuales, además de ser el mayor productor del mundo, con 62.8% del total. Actualmente, las reservas mundiales de TRs se concentran principalmente en China, Brasil, Vietnam, Rusia e India, y se sitúan en alrededor de 130 millones de toneladas.

VITAMINAS DE LA INDUSTRIA

Durante las últimas décadas, junto con el incremento de la población mundial, las necesidades energéticas de nuestras actividades aumentan gradualmente, y demandan un alto consumo de combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas natural) como fuentes de energía primaria.

El cambio climático y el calentamiento global, las principales preocupaciones de la humanidad, resaltan la necesidad de desarrollar un sistema global de energía verde. Este enfoque está incluido en los Objetivos de Desarrollo Sustentable promulgados por la ONU en 2015. Las TRs se emplean en los sectores aeroespacial, automotriz, electrónico, magnético, de energías limpias, metalurgia y en dispositivos de visualización de uso médico.

En la vida cotidiana, todos los días tenemos contacto con las TRs, pues se utilizan en pantallas para teléfonos celulares, televisores o computadoras debido a su luminiscencia de larga duración. También se usan para controlar el color en las pantallas.

Las TRs se emplean en la construcción de vías ferroviarias de levitación magnética, que revolucionarán la tecnología de transporte masivo, como el tren magnético Maglev, desarrollado en Japón, que alcanza velocidades hasta 603 km/h.

Del mismo modo, las TRs desempeñan un papel importante y amplio en las tecnologías limpias emergentes, apoyando la transformación del sistema energético mundial hacia uno más sostenible y renovable. Destaca su uso en la fabricación de turbinas eólicas, paneles solares, vehículos eléctricos, baterías recargables, lámparas de ahorro de energía y fluorescentes, en la iluminación LED, así como catalizadores en el refinado del petróleo y convertidores eléctricos.

En la medicina, las TRs forman parte de las tecnologías de imagen de diagnóstico médico 2D y 3D, la digitalización de rayos X y radiografía gamma, así como agentes de contraste en la resonancia magnética, e incluso en lámparas especiales para bronceado o fototerapia.

Para la industria automotriz, las TRs son cada vez más importantes. Pueden encontrarse en los denominados “vehículos del futuro”, porque son parte de los convertidores catalíticos y se incluyen en aleaciones para imanes permanentes muy potentes y estables utilizados en los sistemas de frenos antibloqueo, bolsas de aire y motores magnéticos. Esta tecnología la aplican Tesla y BMW.

Por otra parte, la fibra óptica utilizada para el transporte de datos contiene TRs. Hasta los billetes denominados en euros están protegidos contra la falsificación por compuestos de europio, que se iluminan por excitación con luz UV, y el neodimio se usa en la producción de rubíes artificiales para láser y otros amplificadores de luz. En conjunto, se estima que las tecnologías que usan TRs tienen un valor en el mercado en el orden de los 5 billones (millones de millones) de dólares.

Los usos de las TRs aumentan cada día, reduciendo la necesidad de otros materiales y aumentando la eficiencia de muchos productos. Se han convertido en un punto crucial de estudio, pues su importancia científica y tecnológica las hace esenciales para el futuro próximo del mundo.

CAMBIO CLIMÁTICO, COMO LO VEMOS

En junio del pasado año se reportó que la concentración de bióxido de carbono en la atmósfera llegó a 416 partes por millón (ppm). Si esta llega a 450 ppm habrá un incremento de dos grados centígrados de temperatura en todo el planeta. De acuerdo con los especialistas, quedan diez años para evitar ese incremento de la temperatura global.

Hoy el cambio climático y sus efectos no solo son evidentes en el aumento de las temperaturas medias de la atmósfera, la tierra y el océano y por las sequías, sino también por los fenómenos meteorológicos extremos, el cambio en la diversidad funcional de poblaciones de plantas y animales, la alteración del mundo microscópico y la aparición de enfermedades más letales. Es evidente que los mayores impactos del cambio climático en la sociedad y el ambiente surgen de eventos extremos, inducidos en gran medida por las actividades antropogénicas (agricultura, quema de combustibles, la producción de cemento, el transporte). Podemos observar esos efectos en tiempo real y al mismo tiempo en muchos lugares, al presenciar el deshielo tanto en los polos como en los glaciares de montaña y el aumento del nivel del mar.

Así pues, a medida que la temperatura se incrementa y las olas de calor se intensifican, la disponibilidad de agua disminuye por largos periodos de sequía, que a su vez aumentan el riesgo de incendios forestales. Los animales están modificando sus patrones de migración y las plantas sus fechas de reproducción. Del mismo modo, los patrones de precipitación están cambiando, y la recurrencia de fuertes nevadas e inundaciones asociadas a intensas lluvias es mayor. Esto no es un ejemplo de lo que podría pasar en un futuro, ya lo estamos viviendo.

AGRICULTURA Y CAMBIO CLIMÁTICO

En los últimos años, la agricultura se ha visto fuertemente afectado por el cambio climático. A su vez, este sector productivo, aunque parezca extraño, es uno de los principales contribuyentes para que ocurra. El aumento de la población ha intensificado las prácticas agrícolas, la deforestación y la explotación de los suelos para abastecer la demanda de alimentos, propiciando la desertificación y la emisión de alrededor de 20% de los gases de efecto invernadero.

Se prevé un aumento de 2.5 mil millones de personas a la población mundial para 2050, por lo que se requiere intensificar la producción de alimentos. Este propósito enfrentará suelos infértiles, sequía y el aumento de la temperatura. La liberación de gases de efecto invernadero hacia la atmósfera está siendo incluso más rápida de lo que estos pueden ser absorbidos por la biósfera terrestre y los océanos a través de los ciclos biogeoquímicos.

Se ha predicho que algunos cultivos y plantas desaparecerán y otras se verán beneficiadas. Es claro que el excesivo uso de fertilizantes nitrogenados ha favorecido los rendimientos de producción, a costa de gran parte de las emisiones. Sin embargo, los cultivos no aprovechan completamente la aplicación de esos fertilizantes (las plantas absorben nitrógeno en un porcentaje no mayor a 30%), de manera que también perturban la calidad del agua a través de sedimentos y lixiviados en los canales de riego, así como la biodiversidad microbiana de los suelos y plantas. La mitigación del impacto del cambio climático, la regeneración de los ciclos alterados y las actividades causales son elementos clave para la supervivencia del planeta.

UAG: PROYECTO EN MARCHA

Un campo importante de investigación en la Universidad Autónoma de Guadalajara (UAG) es la agrobiotecnología. La universidad forma parte de un macroproyecto del Gobierno de Jalisco que busca, además de potenciar el desarrollo de proyectos biotecnológicos, dar valor agregado a la industria agroalimentaria del estado. En nuestro laboratorio se trabaja en un proyecto aprobado por el CoecytJal que busca, con el uso de microorganismos endófitos y las TRs, disminuir el impacto contaminante de la agricultura.

Hasta el momento hemos aprendido que las TRs impulsan la expresión de varios genes en las raíces que promueven el crecimiento de las plantas, y a su vez inducen un estado hiperoxidante que las protege y las hace más hábiles para competir con los microorganismos del suelo por nutrientes. Nuestro modelo de estudio incluye sales de lantano, cerio y europio.

El crecimiento aéreo del sorgo, el maíz, la banana y el agave mejora por la aplicación de bacterias endófitas, pero esperamos que la combinación con las TRs aumente la eficiencia de absorción de nutrientes y agua en las raíces, reduciendo así el uso de agua y fertilizantes en la agricultura y, con ello, las consecuencias de las que hemos hablado en este artículo.

En este proyecto trabajan James F. White, de Rutgers University, y Paolo Di Mascio, de la Universidad de Sao Paulo.

Si los resultados son satisfactorios de acuerdo con la idea original, buscaremos, ante la inexistencia de minas de TRs en México, recuperar dichos elementos de material electrónico, mediante técnicas de electroquímica desarrolladas en colaboración con investigadores de la UAG y con el Dr. Benjamín Valdés, de la UABC.