1. Remediación de sedimentos (la "carga interna")
Penetración de la interfaz sedimento-agua (SWI) Un fallo crítico de la aireación tradicional es la incapacidad de oxigenar la capa bentónica, donde se produce la acumulación interna de nutrientes. La tecnología de nanoburbujas supera este problema mediante el uso de materiales portadores (como zeolitas modificadas o suelos locales) cargados con nanoburbujas orgánicas.
- Mecanismo: Estos materiales cargados con ONB se depositan por gravedad, penetrando en la interfaz agua-sedimento para suministrar oxígeno directamente a las zonas anóxicas. Esto crea una "capa de bloqueo de oxígeno" estable (de aproximadamente 1 a 3 cm de espesor) que persiste durante períodos prolongados (de semanas a meses), aislando eficazmente el sedimento profundo anóxico de la columna de agua. Ali y otros, 2023; Zhang y otros, 2020.
- Control del fósforo (P): La introducción de ONB modifica el potencial redox (ORP) en la interfaz agua-agua, pasando de reductor a oxidante. Esta oxidación convierte el hierro ferroso soluble (Fe²⁺) en hierro férrico insoluble (Fe³⁺), que se une fuertemente al fósforo disuelto para formar precipitados de fosfato de hierro. Este proceso inhibe significativamente la liberación de "carga interna" de P desde el lodo hacia el agua suprayacente. Zhang y otros, 2018; Zhang y otros, 2020.
Oxidación del amoníaco y activación del microbioma El restablecimiento de las condiciones aeróbicas modula el microbioma bentónico, modificando las vías metabólicas del nitrógeno.
- Oxidación del amoníaco: La alta eficiencia de transferencia de oxígeno (OTE) de las bacterias nitrificantes estimula la actividad de las bacterias oxidantes de amoníaco (AOB). Esto acelera el proceso de nitrificación, convirtiendo el amoníaco tóxico (NH₄⁺) en nitrato (NO₃⁻), reduciendo así la toxicidad del nitrógeno en el sedimento. Lyu et al., 2023.
- Modulación del microbioma: Las investigaciones indican que las ONB interfaciales manipulan la comunidad microbiana responsable de la transformación de contaminantes. Por ejemplo, en sedimentos contaminados con arsénico, las ONB estimularon oxidadores microbianos específicos que convirtieron el As(III) tóxico en As(V) menos tóxico y especies metiladas. La presencia de ONB también promueve la generación de radicales hidroxilo (•OH) mediante la oxigenación de sustancias reducidas (como los ácidos húmicos) en el sedimento, impulsando aún más la desintoxicación oxidativa de contaminantes. Tang y otros, 2021; Ali y otros, 2023.
2. Control de la proliferación de algas
Mitigación de la eutrofización y las floraciones de algas nocivas Las nanoburbujas ofrecen una estrategia de doble acción para controlar las floraciones de algas nocivas (FAN): reducir los nutrientes desencadenantes (como se detalla en la sección 1) y eliminar directamente la biomasa existente.
- Eliminación física (flotación/floculación): Cuando se integran con los enfoques de geoingeniería "Flock & Lock" (que utilizan suelos modificados), las nanoburbujas mejoran la floculación de las células de algas. Si bien las microburbujas se utilizan a menudo para la flotación, las nanoburbujas pueden adherirse a las superficies celulares hidrofóbicas, aumentando la eficacia de la agregación y la posterior sedimentación o separación, según la configuración de ingeniería específica. Ali y otros, 2023; Wang y otros, 2023.
- Inhibición por estrés oxidativo: El colapso de las nanoburbujas genera especies reactivas de oxígeno (ROS), como radicales hidroxilo y aniones superóxido. Estas ROS inducen estrés oxidativo en cianobacterias (por ejemplo, Microcystis aeruginosa), dañando las membranas celulares e inhibiendo la fotosíntesis. Los estudios han demostrado que, si bien los niveles adecuados de NB promueven el crecimiento de las plantas acuáticas, las concentraciones excesivas de NB (por ejemplo, >3,45 \\times 10^7 partículas/mL para Iris pseudocórus) puede inhibir el crecimiento, lo que sugiere un umbral que puede manipularse para controlar las floraciones de algas y, al mismo tiempo, proteger las macrófitas sumergidas. Wang y otros, 2021; Zhang y otros, 2021.
3. Celdas de combustible microbianas (MFC) y humedales
Mejora de los humedales artificiales (HA) Una aplicación novedosa de la tecnología de nanoburbujas es su integración en humedales artificiales acoplados a pilas de combustible microbianas (CW-MFC), lo que permite abordar la limitación de la baja disponibilidad de oxígeno en los humedales tradicionales de flujo subsuperficial.
- Eliminación de contaminantes: La aireación con nanoburbujas mejora significativamente la eficiencia de eliminación de materia orgánica y nutrientes. En ensayos de tratamiento de aguas residuales ganaderas, los humedales artificiales aireados con nanoburbujas lograron una eliminación significativamente mayor de carbono orgánico total (COT) y amonio (NH₄⁺-N) en comparación con la aireación tradicional. Esto se atribuye a la alta transferencia de masa de oxígeno que favorece un crecimiento vigoroso de biopelícula aeróbica en el sustrato. Lyu et al., 2023.
- Generación de bioenergía: En los sistemas CW-MFC, las bacterias oxidan la materia orgánica en el ánodo y transfieren electrones al cátodo, donde se requiere oxígeno como aceptor de electrones. La aireación con nanoburbujas mantiene altos niveles de oxígeno disuelto (OD) en el cátodo, maximizando así la diferencia de potencial redox. Esto resulta en una mayor densidad de generación de bioelectricidad y una mejor estabilidad del sistema en comparación con los métodos de aireación convencionales. Lyu et al., 2023.