Un Nuevo Concepto de Suelo ¿Respaldado por las Ciencías Físicas y la Nanotecnología?

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Bases para un nuevo concepto de suelos. Fuente: varias conferencias impartidas por Juan José Ibáñez y colgadas en su researchgate

representaciones canónicas del sistema edáfico y otra más en el blog tras muchos años de silencio……

No es lo mismo dedicarse a la investigación experimental y más aún si de ella se pueden desprender aplicaciones tecnológicas rápidamente que hacerlo sobre los fundamentos teóricos de una disciplina. Los científicos teóricos suelen producir menos en términos de publicaciones científicas. Sin embargo, no puede existir investigación aplicada sin otra previa básica sobre la que se asiente. Es obvio que no pueden separarse ambos enfoques mediante un muro infranqueable, ya que la permeabilidad entre ambas es frecuente, necesaria y saludable. Cierto es también que en física y matemáticas (las llamadas ciencias duras) los teóricos siempre han gozado de un gran prestigio y reputación pero en las ciencias experimentales lo contrario es cierto, al menos en la práctica. Generalmente, tan solo se permite teorizar a los prebostes del establishment, ya entraditos en años, por lo cual es lógico que, de una forma u otra, llevaran a cabo elucubraciones partiendo de los conocimientos por los que se hicieron famosos Sin embargo, partiendo de este modo de proceder difícilmente puede surgir ideas revolucionarias, que casi siempre nacen  de intelectos transgresivos. Tal lamentable hecho cabría denominarlo gerontocracia teórica. La historia de la ciencia reconoce que las grandes ideas surgen generalmente durante la juventud, no después de los cuarenta y tantos años. Y este es el caso, entre otras muchas disciplinas, de las ciencias del suelo. Empero la ciencia avanza a saltos cualitativos, la mayoría de los cuales proceden de ideas novedosas, que generalmente surgen de repente de la mente de alguna cabeza heterodoxa para su época.  

No albergo la menor duda de que los ciudadanos no acaban de entender la importancia del recurso suelo, por cuanto, al contrario de lo que suelen pensar, dista mucho de ser una mixtura heterogénea y casi azarosa, de granos minerales, materia organiza, organismos, agua y aire. De aquí que muchos colegas apelen al uso de metáforas como funciones o calidad del suelo, con vistas a exponer a los profanos la importancia de este recurso natural.  No obstante, una cuestión estriba en  describir el suelo informalmente apelando a estos “palabros” y otra bien distinta proponer una definición y concepto del suelo en base a estos dos vocablos antropomórficos y teleológicos. Por desgracia, función, calidad, salud, etc., han sido abrazados acríticamente por la mayor parte de la comunidad de edafólogos, algo prohibido por los actuales cánones del método científico, y con razón.  No entraremos en este post a discutir un tema, del que ya os ofrecí mi punto de vista, hace algunos años, en entregas precedentes.

Sin embargo, muchos profesionales de la ciencia del suelo, insisten en no entender que este tipo de conceptos teleológicos, en su sentido más amplio no pueden ni deben utilizarse para los fines mentados.  Y así, ante tal ignorancia, algunos de ellos, colegas muy afamados, buscan una definición concepto que se base en los mentados vocablos. He reflexionado mucho sobre el tema, hasta que pudiera ser que encontrara una posible solución. Se trata de exponer un concepto riguroso de suelo del que puedan derivarse fácilmente estos metafóricos vocablos, pero que no formen jamás parte su núcleo formal.

Esbozaré la idea aun a sabiendas que una propuesta más formal requeriría que colaboraran con migo un físico del suelo y un experto en bioquímica.  Quizás, algún día lo consiga, aunque debo reconocer que cuando he platicado sobre este tema con mis colegas, estos no han mostrado el menor interés, ya que tienen pánico a patinar sobre el hielo (por no decir un suelo embarrado).

La idea básica la dejáramos por el momento. No obstante comencemos defendiendo (a mí me resulta obvio) que debemos entender que el ciudadano debe asimilar rápidamente la diferencia entre lo que es un suelo y un material litológico. Olvidémonos soslayamos aquí las rocas duras, por cuanto las  similitudes brillan por su ausencia y sus diferencias son palmarias (a pesar que una buena parte de la edafosfera surge mediante edafogénesis de las mismas). Nos centraremos pues en las rocas sedimentaria y/o sedimentos

Pues bien ¿Cuál es la diferencia básica entre un suelo y un material sedimentario?, que no deja de ser también más que un medio poroso heterogéneo. Ambos lo son. La diferencia estriba en que un suelo atesora mucha más superficie en contacto con el agua, aire y microorganismos. Tal hecho se debe a la extraña ubicuidad de distribuciones de tamaños que son conforme a lo que en su día denominamos Curva de Willis. Ya analicemos la distribución de tamaños de las fracciones texturales (arena, limo y arcilla), ya los agregados que se forman entre estas debido a las sustancias húmicas, ya los tamaño de los poros, una y otra vez nos topamos que la distribución de frecuencia de tamaños es conforme a una ley de tipo potencial (fractal o multifractal) que no deja de ser un tipo concreto de la  aludida Curva de Willis. Dicho en cristiano, lo pequeño es mucho más abundante que lo intermedio, siendo lo grande muy escaso. Por ejemplo, si hablamos de poros, un buen suelo tiene muchísimos poros diminutos, bastante menos de tamaño intermedio y escasísimos grandes. De no ser así, la estructura del suelo no es eficiente para la retención de agua y nutrientes, así como para permitir la circulación del aire. La denominada superficie específica (effective surface area) pretende cuantificar el área explorable que atesora la matriz sólida de un suelo, o que se encuentra en contacto con el agua el aire y los microorganismos. ¿Cuanto mide un metro cuadrado de suelo?, estimado en su superficie, es decir en contacto con la atmósfera y  la biota emergida (no edáfica). Pues bien, resulta que podría ser de cientos de metros cuadrados, mucho, mucho más que en un sedimento no edafizado. En un próximo post os ofreceremos cifras más concretas que os asombrarán.

Este enorme aumento de superficie respecto a las propias de los sedimentos o rocas sedimentarias deleznables (que también varía según la textura de sus partículas), a través de la formación o génesis de un suelo, devendrá pues en una superficie específica muchísimo más elevada (que no deja de ser lo mismo, dicho con otras palabras). Y como a fin de cuentas son los agregados del suelo los que gobernarán el  sistema/entramado de espacios porosos, añadamos que su formación se encuentra condicionada por dos sustancias poliméricas que se comportan como geles: una orgánica como el carbono (ácidos húmicos, en su acepción más amplia) y otra inorgánica como el silicio (arcillas, muchas de las cuales, dicho sea de paso atesoran el tamaño de nanopartículas). Y aquí nos encontramos con el meollo de la cuestión: ¿Qué repercusiones tiene tal proceso?. Pues bien, básicamente serían las siguientes: (i) aumento de la capacidad de almacenamiento de agua; (ii) incremento de la superficie nutritiva o capaz de retener los nutrientes indispensables para la vida; (iii) a mayor superficie, también mayor área que pueden explorar las raíces, albergar una mayor cantidad de microorganismos del suelo (también hábitats si tenemos en cuenta la horizonación), y como corolario mayor biomasa microbiana, indispensable para que los agregados no se dispersen en sus partículas texturales constitutivas; y (iv) una mayor superficie catalítica, ya que no solo la materia orgánica, sino las nanopartículas pueden atesorar tal potencial  para desempeñar su esencial papel de reciclado ecosistémico. Por lo tanto, cada tipo de suelo atesorará una capacidad de carga potencial con vistas a llevar a cabo los cuatro ítems mentados en el párrafo precedente  (dependiendo de su textura y estructura) de sustentar tanto la biota aérea, edáfica, metabolismo ecosistémico etc.

¿Y ya está?. ¡Casi, casi…!. Obviamente el ambiente iónico de un suelo depende de la estructura pero también de que no existan sustancias y elementos químicos que ya sea por exceso, defecto o toxicidad, generen perturbaciones negativas a los organismos vivos. Hablamos de exceso de sales (salinidad y salinización), eutrofización (como por ejemplo una excesiva fertilización), mucho aluminio intercambiable debido a la escasez de nutrientes (acidificación), incorporación de sustancias tóxicas por el ser humano, y sean orgánicas inorgánicas u orgánicas:  contaminación).

Tampoco soslayemos que la compactación física del suelo debe generar una mengua de su superficie efectiva y como corolario de su capacidad de carga, redundando negativamente sobre las propiedades comentadas.

Si ustedes buscan ahora cuales son las funciones del suelo y reflexionan “un poquito”, comprenderán que se derivan de las propiedades que hemos enumerado.

Pues bien, la nanotecnología en su búsqueda de materiales con nuevas propiedades, a los que algunos irreverentemente con el método científico denominan supermateriales, ofrece un palmario ejemplo, de las asombrosas propiedades de estos compuestos. Mutatis mutandis, el mayor depositario de supermateriales se encontraría bajo nuestros pies. Y hoy vamos a ofreceros una nota de prensa (en realidad dos), entre otras muchas, que leída detenidamente nos da la razón: Materiales biohíbridos para descontaminar. Léanla detenidamente y lo comprobarán, al margen de hablar de los biofilms (biopelículas), que también aparecen en los suelos y superficies rocosas, y a los que obviamente también hemos dedicado algún post en este blog. Como el lector comprenderá, he detallado por encima los fundamentos de un nuevo concepto de suelo. Su formulación formal requiere precisar y matizar mucho más, por lo que, como ya adelantaba, necesitaría trabajar junto a un experto en humus y otro de física de suelos, al objeto de lograr un constructo teórico más preciso. Y aquí estoy, tanteando de vez en cuando. Nadie me rebate, simplemente dicen uffff y se desinteresan del tema. Creo que es un gran error pero (…)

Os dejo ahora con la nota de prensa y seguidamente un listado  de post previos en los que hemos explicado varios de los conceptos aquí expuestos.

Juan José Ibáñez

Materiales biohíbridos para descontaminar Aguas

Investigadores del CONICET en el Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales (INTEMA, CONICET-UNMdP), en Argentina, desarrollaron un material cerámico combinado con bacterias que producen electricidad, conocidas como bacterias electrogénicas. La incorporación de estos microorganismos hace que el material híbrido sea efectivo para acelerar la degradación de la materia orgánica contaminante, una función que el cerámico por sí solo no puede cumplir.

 FUENTE | Noticias de la Ciencia; 26/11/2015

 Esto define al conjunto como un material funcional, que como muchos otros materiales de este tipo está en la frontera del conocimiento, en la búsqueda de propiedades que los materiales convencionales no poseen. “Es decir, las dos partes se potencian para obtener algo que por sí solas no pueden lograr. Se agrega así una nueva capacidad y se convierten en un material de avanzada”, explica Juan Pablo Busalmen, investigador independiente del CONICET en el INTEMA y especialista en el estudio de la actividad electroquímica de biofilms electrogénicos.

El electrodo bio-híbrido desarrollado en el INTEMA puede utilizarse para la implementación de tecnologías bio-electroquímicas de limpieza de aguas residuales y, de acuerdo con lo que explican sus creadores, permitiría que éstas alcancen una eficiencia tal que su aplicación se vuelve sustentable.

“El desarrollo de este material hoy está a escala de laboratorio y la prueba de concepto funciona a la perfección. Nos da densidades de corriente muy altas y tiene la proyección de aplicarse a futuro en tecnologías de tratamiento de aguas o en sistemas miniaturizados para producción de corriente u otras aplicaciones. El desafío actual es poder convertir esta escala de laboratorio en algo de mayor tamaño”, manifiesta Hernán Romeo, investigador adjunto del CONICET y responsable del proyecto, financiado por la Fundación Argentina de Nanotecnología (FAN) para el desarrollo de estos materiales bio-híbridos.

Las bacterias electrogénicas requieren formar biofilms sobre los electrodos para producir la electricidad y la meta a alcanzar por los investigadores dedicados al tema era la de conseguir un material con un gran área efectiva que aloje en su interior a un gran número de bacterias. Para esto, en primer lugar, fue necesario desarrollar un soporte cerámico eléctricamente conductor y que además fuese poroso, para incrementar el área de contacto con los microorganismos.

En particular, “era fundamental diseñar un material que tuviera poros de la geometría, morfología y tamaño adecuados donde las bacterias pudieran desarrollarse y hacer su trabajo”, explica Romeo, y agrega: “Se alcanzaron los 19 kiloamperes por metro cúbico y esos son los valores más altos registrados hasta el momento en el estudio de estos materiales”. Este es el primer material cerámico que se informa con estas cualidades y su impacto para la comunidad científica aún es incalculable.

La arquitectura adecuada del electrodo cerámico, constituido por nanopartículas de un subóxido de titanio, se logró utilizando una técnica de estructuración criogénica con la cual se obtuvieron plataformas con una porosidad cercana al 90 por ciento en la que los poros están ordenados de un extremo al otro del material, como si fueran ‘pasillos continuos’a lo largo de la estructura cerámica.

La biocompatibilidad de la matriz sumada a las características microestructurales de la misma hacen del soporte un excelente material guía para el acceso de las bacterias y de los nutrientes necesarios para la proliferación microbiana, a la vez que actúa como colector de la corriente producida por la biomasa“, agrega Rodrigo Parra, investigador adjunto del CONICET e integrante de la División Cerámicos del INTEMA.

Uno de los desafíos claves del desarrollo era hacer que las bacterias crecieran sobre la nueva plataforma conductora y produjeran una corriente eléctrica reproducible. Esta fue la tarea del equipo de trabajo del Laboratorio de Bioelectroquímica del INTEMA, dirigido por Juan Pablo Busalmen.

El trabajo experimental en este campo estuvo a cargo de Diego Massazza, investigador Asistente recientemente incorporado al CONICET y primer autor del artículo publicado por el grupo de investigadores en la prestigiosa revista Energy and Environmental Science, de la Royal Society of Chemistry del Reino Unido. “Un punto importante a remarcar para alcanzar este avance de alto impacto ha sido la interacción especifica de tres áreas de investigación dentro del INTEMA, el Laboratorio de Polímeros Nanoestructurados, la División Cerámicos y el Laboratorio de Bioelectroquímica”, explica Busalmen.

De lograrse la proyección final, este material tendría consecuencias de alto impacto en la sociedad ya que permitiría tratar aguas residuales con la mayor eficiencia conocida hasta el momento y de forma sustentable, ayudando al cuidado del medio ambiente más que cualquier otro material desarrollado hasta el momento”, concluye Romeo.

Algunos post previos relacionados con el tema

¿Cuanto Mide un Metro Cuadrado de Suelo?

El Dilema de la Medida de la Superficie de Un Suelo y el Concepto de Capacidad de Carga

Materia Blanda, Nanotecnología y Agregados del Suelo

Edafodiversidad y Biodiversidad 6: La extraña ubiquidad de las Curvas de Willis y las CC. de la Complejidad

Ciencia o Teleología. Los Conceptos de Calidad, Funciones y Salud del suelo.

Sobre El Concepto de Suelo, las Taxonomías del Futuro y Algo Más…. (La Edafología y sus Posibles Futuros)

Sobre el concepto de suelo (Revista Biólogos)

El Futuro de la Pedología o Una Nueva Edafología

Los Suelos en la biosfera, geosfera y agrosfera

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How Long is a square meter on soil?; What is the origin of soil patterns that we are detecting?

¿Cuanto Mide un Metro Cuadrado de Suelo?

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Cómo la roca se convierte en suelo: Las Propiedades de las rocas y los Suelos (El Esponjamiento)

How much does a square meter of soil measure?: Towards a new soil concept

Suelos, Carbono, Silicio y el Origen de la Vida

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Estructura del suelo y flujo de agua: partículas, agregados, rugosidad

Secuestro de Carbono y Rugosidad de las partículas minerales del Suelo

Funciones del Suelo, Calidad del Suelo y Representaciones del Sistema Edáfico: Las Funciones del Suelo

Materiales carbonosos dopados con N como catalizadores para pilas de combustible

Publicado por Javier Dufour el 27 enero, 2016  (SOLO SE INCLUYEN AQUÍ ALGUNOS FRAGEMTOS)

 [Autor: Manuel Montiel-Universidad Autónoma de Madrid]

Las pilas de combustible de baja temperatura alimentadas con hidrógeno o alcoholes de baja masa molecular son dispositivos capaces de producir electricidad de manera efectiva mediante la oxidación del hidrógeno/alcohol en el ánodo y la reducción de oxígeno en el cátodo. Tradicionalmente, como cátodo, se han empleado catalizadores de Pt o aleaciones como PtCo, debido a su alta actividad en la reacción de reducción de oxígeno (ORR). Sin embargo, son conocidos algunos inconvenientes que presentan estos materiales además de su alto precio, como la baja tolerancia a los alcoholes o la degradación de los catalizadores en las condiciones de operación.

Durante los últimos años se han encontrado algunas alternativas al uso de catalizadores derivados de (….)t La presencia de átomos de N en la red de carbono puede crear principalmente 4 tipos de grupos funcionales (piridínicos, de tipo pirrol, de tipo grafítico y especies de N oxidadas) de los que los de tipo grafítico y los piridínicos son considerados los sitios activos para la ORR en medio básico.

La síntesis de este tipo de materiales se ha llevado a cabo, tradicionalmente, por dos vías:

  • mediante síntesis directa a partir de polímeros que contienen átomos de C y N, como polipirrol, polianilina, poliacrilonitrilo…
  • mediante un tratamiento de dopado sobre el material carbonoso, empleando atmósferas ricas en nitrógeno ( , plasma de N-ion…)

Una alternativa al empleo de estos precursores la podemos encontrar en materiales ricos en C que provienen de recursos naturales renovables. En la biomasa, además de C, H y O, podemos encontrar no-metales como N, S y P y metales como Fe, Cu o Co. Esta biomasa se puede transformar, entre otras cosas, en materiales carbonosos dopados con distintos heteroátomos. Todos estos elementos, que se encuentran en distintas proporciones dependiendo del origen de la materia orgánica, pueden facilitar la formación de sitios activos para la ORR y así mejorar la eficacia de los catalizadores. Biomoléculas como aminoácidos, péptidos, glicopéptidos, proteínas, aminato/amidato sacáridos o polisacáridos (glucosamina (GA), N-acetilglucosamina…) pueden servir como precursores ricos en C y N. La relación N/C en biomasa aumenta según el orden vegetal < algas < animal, con contenidos de N que pueden ir desde menos del 1% de la hierba hasta más del 6% para las semillas de soja, del 12% para las microalgas y zooplacton o cerca del 15% para el pelo o la seda de gusanos. Esto significa que los precursores de origen animal son más adecuados para la preparación de NCs sin emplear fuente de nitrógeno adicionales.  (….) la conversión de la biomasa en estos materiales carbonosos dopados se puede llevar a cabo mediante diferentes métodos:

Pirólisis y carbonización hidrotérmica: descomposición de la materia orgánica a elevadas temperaturas en atmósferas inertes, en ausencia o presencia de agua. Estos métodos producen materiales con porosidad y áreas superficiales no muy elevadas, por lo que se emplean métodos complementarios de activación de los materiales (activación física o química o empleo de plantillas).

Carbonización ionotérmica: carbonización de disoluciones de materia orgánica en líquidos iónicos.

Carbonización por microondas: empleo de microondas para la carbonización de la biomasa, que permite un ahorro de tiempo y un calentamiento más uniforme de la muestra.

Bibliografía……

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Comentarios

José Luis Rubio, Colega y amigo del CIDE, y persona muy conocida internacionalmente en el estudio de la degradación de suelos nos envía el mensaje siguiente que no ha podido colocar ya que los códigos para dejar un mensaje en esta bitácora dan demasiados quebraderos de Cabeza.
Dice José Luis Rubio:

“¡¡ Animo Juanjo ¡¡ No te desanimes. El seguir avanzando tiene su coste, pero adelante porque somos muchos los que apreciamos tus estimulantes reflexiones y contribuciones. ¿No hay dos expertos, en humus y física de suelos, que se animen?”

Respuesta a José Luis Rubio:
Hola José Luis gracias por tu comentario y tus ánimos.
Pues no resulta fácil. La mayoría de los colegas con los que he hablado siguen pensando que llevar todo a las ideas de “funciones del suelo”, “calidad de suelos, etc.” dará finalmente resultado. Pero desde el punto de vista del método científico este tipo de conceptos teleológicos no es admitido. Valen para divulgar al público pero no como conceptos formales de una disciplina científica.

Día a día los científicos sentimos más temor en aventurarnos por campos atrevidos. Sin embargo la ciencia que revoluciona es transgresiva. He explicado la idea en algunos congresos. El público la acepta. Sin embargo cuando pido a ellos u otros ¿Quién se atreve?. Todo el mundo se calla.
Ya sabemos que hoy por hoy más valen 10 paper afectados que meterse en aventuras que efectivamente podrían fracasar, pero que si das en el clavo les darían más “fama y gloria”.
Yo estoy seguro de que es un camino a recorrer, ya que jamás se ha realizado intento alguno de alcanzar un nuevo concepto apelando al entendimiento de los materiales edáficos y al fin y al cabo el suelo está básicamente constituido por materiales, no por funciones, ni calidades, ni factores formadores. Las propiedades de esos materiales son los que determinan lo que se llama funciones y calidades……
Gracias José Luis y un afectuoso saludo
Juanjo Ibáñez
PD he escrito esto “en línea” y puede contener errores. Mil perdones

[...] la sociedad en su seno. Todo ello viene a cuento de un comentario que José Luis Rubio, realizó a este post. Personalmente, había escuchado la primera de las frases que él ya me envió por mail, pero no [...]

[...] presente post es de hecho una continuación con cifras de otro anterior titulado: “Un Nuevo Concepto de Suelo ¿Respaldado por las Ciencias Físicas y la Nanotecnología?”: Este a su vez también enlaza con la temática de entregas precedentes que abundan sobre el [...]

(requerido)

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