Remediación de lagos y ríos

Oxígeno en la interfaz sedimento–agua

Las nanoburbujas de oxígeno (ONB) pueden llevar oxígeno al sedimento del fondo de un lago cuando descienden sobre un material portador, algo que a la aireación convencional le resulta difícil. La carga interna de nutrientes, es decir, la liberación de nutrientes desde el sedimento hacia el agua, ocurre en la capa bentónica, y la aireación de la columna de agua tiene dificultades para alcanzarla.

En los estudios citados, materiales portadores como zeolitas modificadas o suelos locales se cargaron con ONB y se dejaron sedimentar por gravedad. Atravesaron la interfaz sedimento–agua y llevaron oxígeno directamente a las zonas anóxicas. El resultado fue una "capa de bloqueo de oxígeno" de unos 1–3 cm de espesor que persistió durante semanas o meses y separó el sedimento anóxico más profundo de la columna de agua Ali et al., 2023; Zhang et al., 2020.

Fósforo, nitrógeno y arsénico en el sedimento

Una vez que la interfaz se vuelve oxidante, cambian la química del sedimento y sus microorganismos, y en los estudios varios contaminantes pasaron a formas menos móviles o menos tóxicas.

• Fósforo. El tratamiento con ONB llevó el potencial de óxido-reducción (ORP) de la interfaz sedimento–agua de reductor a oxidante. El hierro ferroso soluble (Fe²⁺) se oxidó a hierro férrico (Fe³⁺), que fija el fósforo disuelto en precipitados de fosfato de hierro, y se inhibió la liberación interna de fósforo desde el sedimento hacia el agua suprayacente Zhang et al., 2018; Zhang et al., 2020.
• Nitrógeno. Las condiciones aeróbicas restablecidas favorecen a las bacterias oxidantes de amonio (AOB, por sus siglas en inglés), que convierten el amonio (NH₄⁺) en nitrato (NO₃⁻) mediante la nitrificación. La fuente de esta relación es un estudio de humedales construidos aireados con nanoburbujas, donde una alta transferencia de oxígeno sostuvo esa actividad Lyu et al., 2023.
• Arsénico. En sedimentos contaminados con arsénico, las ONB interfaciales estimularon microorganismos oxidantes que convirtieron el As(III) en As(V), menos tóxico, y en especies metiladas Tang et al., 2021.

También se reportó que la oxigenación de sustancias reducidas del sedimento, como los ácidos húmicos, genera radicales hidroxilo (•OH), que contribuyeron a la transformación oxidativa de los contaminantes Tang et al., 2021; Ali et al., 2023. En todos los casos el contaminante cambió de forma; el arsénico permaneció en el sedimento como As(V) y como especies metiladas.

Floraciones de algas

La investigación sobre burbujas y floraciones de algas nocivas sigue dos vías: reducir el aporte de nutrientes descrito más arriba y actuar directamente sobre las células de algas, por floculación o por oxidación. Los estudios de oxidación aquí citados usaron ozono, no solo oxígeno.

• Floculación y separación. Combinadas con enfoques de geoingeniería "Flock & Lock" que emplean suelos modificados, las nanoburbujas mejoraron la floculación de las células de algas. Las nanoburbujas pueden adherirse a las superficies hidrofóbicas de las células, lo que favorece la agregación y luego la sedimentación o la separación, según el diseño empleado Ali et al., 2023. En un estudio relacionado, las microburbujas ozonizadas mejoraron la remoción de algas y de la materia orgánica derivada de ellas Wang et al., 2023.
• Estrés oxidativo. El colapso de las burbujas genera especies reactivas de oxígeno (ERO), como radicales hidroxilo y aniones superóxido. En los trabajos citados, las ERO causaron estrés oxidativo en cianobacterias como Microcystis aeruginosa, dañaron las membranas celulares e inhibieron la fotosíntesis. El estudio de Zhang et al., 2021 empleó microburbujas de ozono, que sus autores llaman "microbombas", para remover cianobacterias formadoras de floraciones y degradar in situ las toxinas conocidas como microcistinas.

Las plantas acuáticas también responden a la dosis de nanoburbujas. En un estudio sobre macrófitas, los niveles moderados de nanoburbujas favorecieron el crecimiento de las plantas, mientras que concentraciones superiores a 3,45 × 10⁷ partículas/mL inhibieron el crecimiento de Iris pseudacorus Wang et al., 2020. No se ha demostrado que exista una dosis capaz de frenar las algas sin afectar a las plantas acuáticas.

Humedales construidos y celdas de combustible microbianas

La aireación con nanoburbujas mejoró tanto el tratamiento como la producción de electricidad en humedales construidos acoplados a celdas de combustible microbianas (CW-MFC, por sus siglas en inglés), que buscan resolver la baja disponibilidad de oxígeno de los humedales convencionales de flujo subsuperficial Lyu et al., 2023.

• Remoción de contaminantes. En ensayos con aguas residuales pecuarias, los humedales aireados con nanoburbujas lograron una remoción significativamente mayor de carbono orgánico total (COT) y de nitrógeno amoniacal (NH₄⁺-N) que los aireados de forma convencional. Los autores lo atribuyeron a la alta transferencia de masa de oxígeno, que sostuvo el crecimiento de biopelículas aeróbicas sobre el sustrato del humedal.
• Bioelectricidad. En un sistema CW-MFC, las bacterias oxidan la materia orgánica en el ánodo y transfieren electrones al cátodo, donde el oxígeno actúa como aceptor de electrones. La aireación con nanoburbujas mantuvo alto el oxígeno disuelto (OD) en el cátodo y amplió la diferencia de potencial redox; la densidad de potencia fue mayor y la operación más estable que con aireación convencional.