BIOMIC

Calidad del Aire: Un Panorama Crítico

La calidad del aire en la ZMG ha sido motivo de preocupación durante años. Datos históricos, como el "Diagnóstico de la calidad del aire en Jalisco" (2018), indican que contaminantes como las partículas PM₁₀ han provocado que se superen los límites normativos en más de 150 días al año. Esta tendencia ha continuado; en 2023, la ZMG registró un mayor número de episodios de mala calidad del aire en comparación con 2022, incluyendo 42 precontingencias y una contingencia atmosférica (Fuente: Informador.mx, 2024). De hecho, años como 2019 y 2023 destacaron por tener apenas 75 días con calidad del aire dentro de la norma, una cifra alarmantemente baja.

Tonalá: Un Foco de Contaminación Específico

El municipio de Tonalá, uno de los beneficiarios clave del proyecto BIOMIC, presenta desafíos particulares. Estudios científicos (Martínez Abarca et al., 2022) han identificado concentraciones de Dióxido de Carbono ($CO_2$) que rebasaron las recomendaciones del IPCC (con un promedio de 2,384.04 ppm y rangos de 411 a 7,992 ppm) y niveles elevados de PM2.5 (promedio 34.14 µg/m³, superando la guía de la OMS) directamente vinculados a la actividad de las ladrilleras artesanales, que utilizan combustibles diversos como madera, llantas y plásticos.

Orígenes Diversos y Complejos de la Contaminación

La contaminación atmosférica en la ZMG es un fenómeno multifactorial, alimentado por una variedad de fuentes de emisión:

• Fuentes móviles: El parque vehicular es un contribuyente principal, emitiendo PM10, precursores de ozono, Monóxido de Carbono (CO) y Óxidos de Nitrógeno (NOx).
• Fuentes industriales fijas: Incluyen plantas de asfalto, industrias alimentarias, cementeras y, de forma destacada en ciertas zonas como Tonalá, las ladrilleras. Un inventario de emisiones de 1995 (aunque antiguo, es ilustrativo) ya señalaba la contribución de fuentes fijas a emisiones de SO₂, CO y COVs.
• Quemas agrícolas y forestales: Particularmente intensas durante la temporada de estiaje, estas quemas liberan grandes cantidades de partículas y precursores de ozono (en 2023, los incendios forestales provocaron 27 alertas atmosféricas).
• Fuentes de área: Comprenden emisiones de caminos no pavimentados, actividades de construcción y demolición, y fugas de gas LP y natural, que también contribuyen a la formación de ozono.

Si bien la temporada de lluvias (generalmente de mayo a noviembre) suele traer una mejora temporal, la problemática de fondo persiste durante gran parte del año y requiere soluciones innovadoras y sostenibles.

Impacto Directo y Severo en la Salud Pública

La Organización Mundial de la Salud (OMS) ha clasificado la contaminación del aire como uno de los mayores riesgos ambientales para la salud a nivel global. Se estima que en 2019 provocó 4.2 millones de muertes prematuras en todo el mundo. La exposición crónica y aguda a contaminantes atmosféricos comunes como el material particulado (PM₂.₅ y PM₁₀), el ozono troposférico (O₃), el dióxido de nitrógeno (NO₂), el dióxido de azufre (SO₂) y el monóxido de carbono (CO) está científicamente asociada con una mayor carga de morbilidad por:

• Accidentes cerebrovasculares.
• Diversas cardiopatías isquémicas y no isquémicas.
• Cáncer de pulmón.
• Enfermedades pulmonares crónicas (EPOC, enfisema, bronquitis crónica) y agudas (asma, neumonía, bronquiolitis). El material particulado y el óxido de nitrógeno están particularmente ligados a la bronquitis crónica y pueden afectar negativamente el desarrollo pulmonar.
• La contaminación del aire relacionada con el tráfico (TRAP) también se ha vinculado con un aumento en el riesgo de trastornos hipertensivos durante el embarazo.

La Carga de Enfermedad en Jalisco

Las estadísticas sanitarias de Jalisco reflejan esta preocupante realidad. En 2023, las enfermedades del corazón se consolidaron como la principal causa de muerte en el estado, con un total de 11,375 decesos (Fuente: INEGI, EDR 2023). Paralelamente, las Infecciones Respiratorias Agudas (IRAs) lideraron como la principal causa de enfermedad (morbilidad), acumulando la alarmante cifra de 906,904 casos reportados en 2023 (Fuente: IIEG Jalisco; SS, Anuarios de Morbilidad 1984-2023, consultado en marzo de 2025). Datos de 2019 también posicionaban a Jalisco entre los estados más afectados por neumonías y bronconeumonías, con una tasa de 237.03 casos por cada 100,000 habitantes. Incluso datos históricos del año 2000 ya señalaban a las IRAs como la segunda causa de morbilidad en México, indicando la persistencia de este problema.

Evidencia Directa del Impacto en Tonalá

La conexión entre la contaminación local y los problemas de salud es tangible. Un estudio específico en Tonalá (Martínez Abarca et al., 2022) encontró que el 47% de los residentes que viven en las cercanías de las ladrilleras reportaron síntomas y problemas respiratorios como irritación nasal y de garganta, estornudos frecuentes y dificultad para respirar. Estos padecimientos fueron directamente correlacionados por los afectados con la exposición al humo y los contaminantes emitidos por estas fuentes. Plataformas como AccuWeather también emiten advertencias regulares sobre riesgos respiratorios en Tonalá asociados a NO₂, PM2.5, PM10 y ozono a nivel del suelo.

Principales Contaminantes Criterio y sus Efectos

La Secretaría de Medio Ambiente y Desarrollo Territorial (SEMADET) de Jalisco, a través de su Sistema de Monitoreo Atmosférico (SIMAJ), vigila varios "contaminantes criterio", definidos así por tener estándares de calidad del aire establecidos debido a sus efectos adversos comprobados sobre la salud y el medio ambiente:

• Material Particulado (PM₁₀ y PM₂.₅): Son mezclas complejas de partículas sólidas y líquidas suspendidas en el aire. Las PM₂.₅ (diámetro ≤ 2.5 micrómetros) son especialmente peligrosas por su capacidad de penetrar profundamente en los pulmones y el torrente sanguíneo. En 2018, las PM₁₀ fueron el contaminante que con mayor frecuencia (41% de los días) llevó a declarar mala calidad del aire en la ZMG. Las PM₂.₅ excedieron el límite normativo de 24 horas en 22 días durante ese mismo año.
• Ozono (O₃): Un gas altamente reactivo que, a nivel del suelo (ozono troposférico), es un contaminante secundario nocivo. Se forma por reacciones fotoquímicas entre Óxidos de Nitrógeno (NOx) y Compuestos Orgánicos Volátiles (COVs) en presencia de luz solar. En 2018, el límite de 1 hora para O₃ se excedió en 119 días en alguna estación de la ZMG.
• Otros incluyen Dióxido de Azufre (SO₂), Óxidos de Nitrógeno (NOx) y Monóxido de Carbono (CO).

La información sobre los niveles de estos contaminantes y los días con mala calidad del aire es variable. Por ejemplo, para 2024 y 2025 (hasta el 8 de mayo), la estación Las Pintas registró 86 días con mala calidad del aire en ese periodo de 2024, mientras que para el mismo lapso en 2025, ya acumulaba 115 días. En Tonalá (estación Loma Dorada), se registraron 13 días con mala calidad hasta el 8 de mayo de 2025 (Fuente: aire.jalisco.gob.mx).

El Rol Específico del Dióxido de Carbono ($CO_2$)

Es fundamental clarificar la posición del Dióxido de Carbono ($CO_2$) en este panorama:

• Como Gas de Efecto Invernadero (GEI): El $CO_2$ es el principal gas de efecto invernadero de origen antropogénico y el motor primario del cambio climático global. Su monitoreo es esencial para los inventarios nacionales y estatales de GEI y para el diseño de políticas de mitigación climática.
• Como Contaminante Local y su Monitoreo: A diferencia de los contaminantes criterio mencionados, la SEMADET no incluye rutinariamente al $CO_2$ como un contaminante monitoreado para evaluar la calidad del aire con fines de salud pública inmediata en el aire ambiente de la ZMG. Su impacto directo en la salud por exposición ambiental en exteriores es generalmente menos prominente que el de PM₂.₅ u O₃, excepto en espacios cerrados o cerca de fuentes muy concentradas.
• Indicador de Combustión: No obstante, altas concentraciones de $CO_2$ en puntos específicos, como las detectadas en el estudio de las ladrilleras en Tonalá (hasta 7,992 ppm, muy por encima del promedio atmosférico global de ~420 ppm), son un claro indicador de procesos de combustión intensos. Estos procesos a menudo también liberan otros contaminantes criterio que sí tienen efectos directos en la salud.

El proyecto BIOMIC se enfoca en la captura de $CO_2$ principalmente por su rol como GEI, pero también reconoce su utilidad como indicador de calidad del aire en zonas con alta actividad de combustión, donde su reducción podría tener co-beneficios al abordar la fuente de otros contaminantes.

Desafíos en el Monitoreo Atmosférico General

La evaluación precisa de la calidad del aire y el cumplimiento normativo pueden verse afectados por desafíos operativos en la red de monitoreo. Por ejemplo, en 2020, algunas estaciones no pudieron evaluar el cumplimiento de normas debido a insuficiencia de datos. A principios de 2024, tres estaciones clave en la ZMG (Santa Fe, Oblatos, Atemajac) estuvieron en mantenimiento, limitando temporalmente la cobertura de datos.

Chlorella sp.: Eficiencia y Robustez Comprobadas

Chlorella es un género de microalgas verdes unicelulares, esféricas, ampliamente estudiado y reconocido por su robustez, rápido crecimiento y alta eficiencia fotosintética. Su capacidad para la biofijación de $CO_2$ es uno de sus atributos más destacados:

• Tasas de Captura de $CO_2$: La eficiencia varía considerablemente entre diferentes cepas de Chlorella y según las condiciones de cultivo. Sin embargo, la literatura científica reporta tasas que pueden oscilar entre 0.25 y 1.7 gramos de $CO_2$ por litro de cultivo por día (g L⁻¹ d⁻¹). Cepas específicas, como Chlorella vulgaris, han demostrado tasas de 0.35 g L⁻¹ d⁻¹ cuando se les suministra un 5% de $CO_2$ en el gas de entrada.
• Tolerancia Excepcional al $CO_2$: Muchas cepas de Chlorella no solo toleran, sino que prosperan en presencia de altas concentraciones de $CO_2$, algunas incluso con niveles del 70-100%. Esta característica es particularmente ventajosa para aplicaciones que buscan tratar gases de combustión diluidos o enriquecidos con $CO_2$.

Condiciones Óptimas de Cultivo para Chlorella sp.:

• pH: Generalmente prefiere un pH en el rango neutro a moderadamente alcalino, típicamente entre pH 7 y 9. Un valor alrededor de pH 8 suele considerarse óptimo para la actividad de la anhidrasa carbónica y la fijación de carbono.
• Temperatura: Un rango de temperatura entre 25°C y 35°C es comúnmente favorable para la mayoría de las cepas de Chlorella, aunque algunas pueden adaptarse a temperaturas ligeramente fuera de este rango.
• Luz: La intensidad lumínica óptima se ha reportado en el rango de 5000 a 7500 lux (aproximadamente 100-150 µmol fotones m⁻² s⁻¹). La calidad de la luz (espectro) también es importante; combinaciones de luz azul y roja (por ejemplo, en proporción 1:4) pueden ser beneficiosas. Un fotoperiodo común y efectivo es de alrededor de 14 horas de luz y 10 horas de oscuridad (14L:10D).
• Nutrientes: Requiere un suministro balanceado de macronutrientes (principalmente Nitrógeno en forma de nitrato o amonio, Fósforo como fosfato, y Potasio) y micronutrientes esenciales (hierro, magnesio, manganeso, zinc, etc.). Medios de cultivo como el BG11 (Blue-Green Medium 11) o el medio Bristol son comúnmente utilizados y adaptados.
• Concentración de $CO_2$: Aunque toleran altas concentraciones, niveles muy bajos (<0.5%) o excesivamente altos (>6-12% para algunas cepas, dependiendo del pH y otros factores) pueden limitar el crecimiento o afectar los mecanismos de concentración de carbono.

Spirulina sp. (Arthrospira): Versatilidad y Valor Agregado

Spirulina es el nombre común para cianobacterias filamentosas y multicelulares del género Arthrospira, (principalmente Arthrospira platensis y Arthrospira maxima). Es mundialmente conocida por su alto contenido proteico y su perfil nutricional, pero también es una eficiente capturadora de $CO_2$ como parte de su metabolismo fotosintético.

• Tasas de Captura de $CO_2$: Si bien los datos específicos sobre sus tasas de absorción de $CO_2$ en unidades directamente comparables a las de Chlorella (ej., g L⁻¹ d⁻¹) son menos explícitos y más variables en la literatura general, su alta productividad de biomasa (que puede alcanzar varias decenas de g m⁻² d⁻¹ en sistemas optimizados) implica una significativa fijación de carbono. Uno de los objetivos de BIOMIC es cuantificar estas tasas en nuestro sistema experimental.

Condiciones Óptimas de Cultivo para Spirulina sp.:

• pH: Prefiere condiciones marcadamente alcalinas, con valores óptimos reportados entre pH 9.5 y 10.5, e incluso algunas cepas pueden crecer bien hasta pH 11. Esta alcalinidad natural ayuda a disolver $CO_2$ como bicarbonato y a prevenir la contaminación por otras algas.
• Temperatura: Los rangos óptimos pueden variar según la cepa y el estudio; algunos estudios indican 20°C como óptimo para el crecimiento y la producción de pigmentos, mientras que otros sugieren 25°C a 30°C, e incluso hasta 35-37°C para una máxima productividad de biomasa.
• Luz: Se han utilizado intensidades lumínicas como 32.5 µmol fotones m⁻² s⁻¹ o 3500 LUX en diversos estudios, pero Spirulina puede tolerar y a menudo requiere intensidades de luz más altas para un crecimiento óptimo, especialmente en cultivos densos.
• Nutrientes: Requiere medios de cultivo específicos, ricos en bicarbonato de sodio (que sirve como fuente de carbono y ayuda a mantener el pH elevado), como el medio Zarrouk o el medio BG11 modificado. También necesita un suministro adecuado de nitrógeno, fósforo y otros minerales. El "medio de cultivo No: 18" es un ejemplo de formulación optimizada.

La comparación directa del rendimiento de estas dos microalgas bajo las condiciones operativas específicas del biorreactor BIOMIC, monitoreando tanto la tasa de fijación de $CO_2$ como la productividad de biomasa, nos permitirá determinar cuál es más adecuada y eficiente para los objetivos de purificación de aire del proyecto.

Principios Fundamentales en el Diseño de PBRs

El desarrollo de un PBR eficiente se basa en la optimización de varios factores interrelacionados (Carvalho et al., 2006):

• Iluminación Efectiva: Asegurar que la luz (natural o artificial) penetre y se distribuya uniformemente por todo el cultivo. La autSombra por alta densidad celular es un desafío.
• Transferencia de Masa de $CO_2$: Suministrar $CO_2$ de manera eficiente al medio líquido y facilitar su disolución para que esté disponible para las algas.
• Eliminación de Oxígeno Fotosintético: El oxígeno (O₂) es un subproducto de la fotosíntesis y su acumulación puede inhibir el crecimiento algal (fotoinhibición por O₂). El PBR debe facilitar su desgasificación.
• Mezcla Adecuada y Homogénea: Evitar la sedimentación de las algas, asegurar una exposición uniforme a la luz y los nutrientes, facilitar el intercambio gaseoso y prevenir la formación de gradientes de temperatura o pH.
• Control de Temperatura y pH: Mantener estos parámetros dentro de los rangos óptimos para la especie de alga cultivada.
• Escalabilidad y Costo: Diseñar sistemas que puedan ser construidos y operados de manera económica, utilizando materiales duraderos y no tóxicos para las algas, y con potencial para ser escalados a mayores volúmenes.

Existen sistemas abiertos (ej. estanques raceway, más baratos pero menos controlados) y sistemas cerrados (PBR tubulares, de panel plano, o columnas de burbujeo), que ofrecen un control mucho mejor de las condiciones, resultando en mayor productividad, pero con costos de capital y operación más altos. BIOMIC explora un diseño de PBR cerrado, buscando un equilibrio innovador entre eficiencia, control y bajo costo.

Desafíos del Cultivo de Microalgas

Un desafío técnico significativo en el cultivo de microalgas, especialmente para la investigación controlada y la producción optimizada a largo plazo, es el mantenimiento de cultivos axénicos, es decir, puros y libres de contaminación por bacterias, hongos, protozoos u otras algas competidoras. Esto requiere la implementación de técnicas de esterilización rigurosas para el medio de cultivo y el PBR, así como un manejo aséptico durante la inoculación y el muestreo (Andersen, 2005; Aboobucker & SuZauddn, 2021).

Componentes Tecnológicos Clave y sus Consideraciones en BIOMIC

La instrumentación y el sistema de control de BIOMIC son vitales para el monitoreo preciso de las condiciones del cultivo y la evaluación del rendimiento del sistema:

• Sensor de $CO_2$ (MQ135):
  • Naturaleza y Desafío: El MQ135 es un sensor de óxido metálico semiconductor (MOS) diseñado para detectar una amplia gama de gases y presenta una alta sensibilidad cruzada. Las microalgas pueden liberar Compuestos Orgánicos Volátiles (COVs), que el MQ135 detectaría, llevando a lecturas de $CO_2$ potencialmente inexactas.
  • Estrategia de Mitigación en BIOMIC: Es fundamental una calibración específica para $CO_2$. Se explorarán procedimientos rigurosos y se investigará el perfil de COVs de las algas. Se reconoce esta limitación. Alternativas como sensores NDIR (Infrarrojo No Dispersivo) podrían considerarse en futuras iteraciones.
  • Requiere un tiempo de precalentamiento >24h para lecturas estables.
• Sensor de Temperatura (DS18B20): Digital, preciso (±0.5°C). Utiliza interfaz 1-Wire (comúnmente con resistencia de pull-up de 4.7 kΩ, no 4.7 Ohms como podría sugerir alguna fuente con error tipográfico).
• Sensor de TDS: Útil para monitorear nutrientes/sales. Requiere calibración. Sonda impermeable (no conector), T° agua <55°C.
• Sensor de pH: Esencial. Calibración regular indispensable (ej. con buffers pH 4, 7, 10). Sondas delicadas.

La integración con Arduino UNO R4 WiFi y Arduino Cloud permite un monitoreo robusto, almacenamiento de datos, visualización remota, potencial control autónomo y alertas. El desarrollo se apoya en bibliotecas Arduino (ej. `DallasTemperature` para DS18B20, `Arduino_MKRENV` como ejemplo de manejo ambiental).

El Dióxido de Carbono ($CO_2$): Impacto Global y Local

El consenso científico, liderado por el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC), identifica al $CO_2$ como el principal gas de efecto invernadero (GEI) de origen antropogénico. Su acumulación en la atmósfera es la causa inequívoca del calentamiento global (Fuente: IPCC, AR6 SYR, 2023).

• Las concentraciones atmosféricas de $CO_2$ superan las 410 partes por millón (ppm) en 2019, las más altas en al menos los últimos dos millones de años. Desde 1750, el aumento de $CO_2$ ha sido del 47%, y el de metano (CH₄) del 156%.
• El AR6 SYR cuantifica que el $CO_2$ contribuyó con aproximadamente 0.8°C al calentamiento observado entre 2010-2019 (respecto a 1850-1900), mientras que el metano aportó 0.5°C, el N₂O 0.1°C y los gases fluorados 0.1°C.

En el contexto de la ZMG, si bien el $CO_2$ no es un contaminante criterio monitoreado rutinariamente por SEMADET para efectos directos en la salud pública en aire ambiente (a diferencia de PM2.5 u O₃), su medición es vital en inventarios de GEI. Además, altas concentraciones locales de $CO_2$, como las detectadas cerca de ladrilleras en Tonalá, pueden ser indicativas de procesos de combustión intensos que también liberan otros contaminantes perjudiciales para la salud.

La captura de $CO_2$ por BIOMIC, por lo tanto, tiene un doble propósito: contribuir a la mitigación del cambio climático y, potencialmente, mejorar la calidad del aire en focos de emisión.

Microalgas: Fotosíntesis Optimizada

Las microalgas son microorganismos fotosintéticos que convierten la luz solar, agua y $CO_2$ en biomasa y oxígeno. Su eficiencia en este proceso supera con creces a la de las plantas terrestres. Para maximizar esta capacidad en un biorreactor, es crucial controlar diversos factores ambientales que interactúan entre sí:

• Disponibilidad de Luz: La penetración y distribución uniforme de la luz son esenciales. La densidad del cultivo puede llevar a auto-sombreado, limitando la fotosíntesis en las capas internas.
• Concentración de $CO_2$: Si bien las algas necesitan $CO_2$, niveles extremadamente altos o bajos pueden ser limitantes. Algunas cepas, como ciertas Chlorella, toleran y aprovechan altas concentraciones.
• Temperatura: Cada especie tiene un rango de temperatura óptimo para su crecimiento y metabolismo.
• pH del Medio: Afecta la disponibilidad de nutrientes y la forma en que el $CO_2$ se disuelve y es asimilado.
• Nutrientes: Un suministro adecuado de nitrógeno, fósforo y otros micronutrientes es vital. Medios como el BG11 (para Chlorella) o el medio Zarrouk (para Spirulina) son formulaciones comunes.

El diseño del biorreactor BIOMIC busca crear un microambiente controlado donde estos factores se mantengan en niveles óptimos para las cepas de Chlorella sp. y Spirulina sp. seleccionadas, promoviendo una alta tasa de biofijación de $CO_2$. Se exploran tanto técnicas de cultivo en suspensión (algas flotando libremente, más común para PBRs como el propuesto) como técnicas de cultivo adherido (algas creciendo sobre una superficie, lo que podría simplificar la cosecha en futuras etapas).

Nuestra Misión y Visión

Misión: Desarrollar y promover soluciones biotecnológicas innovadoras, accesibles y sostenibles para mitigar la contaminación atmosférica en Jalisco, con el fin de mejorar la calidad de vida de sus habitantes y contribuir activamente a la salud de nuestro planeta.

Visión: Convertirnos en un referente de cómo la aplicación práctica del conocimiento STEAM por parte de jóvenes puede generar un impacto ambiental y social positivo. Aspiramos a que BIOMIC no solo sea una solución tecnológica, sino también una fuente de inspiración para que futuras generaciones se conviertan en agentes de cambio y contribuyan a un futuro más saludable, equitativo y sostenible para todos.

Filosofía de Trabajo y Valores STEAM

Nuestro trabajo en BIOMIC se rige por una filosofía de colaboración abierta, aprendizaje continuo, experimentación metódica y una mentalidad de adaptación y resiliencia frente a los desafíos. Abrazamos los siguientes valores STEAM:

• Innovación y Creatividad: Búsqueda constante de enfoques novedosos y soluciones originales.
• Rigor Científico y Metodológico: Fundamentar cada paso de nuestro proyecto en evidencia sólida y una metodología de investigación robusta.
• Sostenibilidad y Conciencia Ambiental: Priorizar el desarrollo de tecnologías que sean amigables con el medio ambiente, de bajo impacto y que promuevan la economía circular.
• Compromiso Social y Comunitario: Enfocar nuestros esfuerzos en problemáticas que afectan directamente la calidad de vida de nuestra comunidad.
• Colaboración y Trabajo en Equipo: Creemos firmemente que los mejores resultados se logran sumando talentos, perspectivas y esfuerzos.
• Pensamiento Crítico y Resolución de Problemas: Analizar los desafíos desde múltiples ángulos para proponer soluciones efectivas y bien fundamentadas.

¿Por qué BIOMIC?

Elegimos el nombre BIOMIC como una fusión de "Bio" (vida, biología) y "MIC" (Microorganismos, Mitigación, Misión). Refleja nuestra creencia en el poder de la naturaleza, asistida por la tecnología, para resolver algunos de los problemas más acuciantes de nuestro tiempo. BIOMIC es más que un proyecto; es nuestra declaración de que los jóvenes podemos y debemos ser parte de la solución.