Casi cinco años después de su formación en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (ITM), el alcance global y el enorme potencial de la investigación que impulsan las becas del Laboratorio de Sistemas Hídricos y Alimentarios de Abdul Latif Jameel (Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab, J-WAFS) son cada vez más claros.

Entre los implicados en la experta y diversa comunidad de investigación impulsada con la financiación del J-WAFS, se cuentan casi 60 Investigadores principales (IP) de 19 departamentos, laboratorios y centros del ITM; 58 estudiantes subvencionados de doctorado, máster y grado; 35 estudiantes de posdoctorado, y 15 investigadores adicionales. En el ITM, el programa de subvenciones semilla del J-WAFS es la fuente de financiación más importante para la investigación hídrica y alimentaria. Esta financiación proporciona a la comunidad de investigación del ITM recursos esenciales en su esfuerzo por abordar algunos de los retos más serios de la humanidad.

Se espera que su investigación produzca un impacto significativo en la seguridad y el suministro de agua y alimentos, a pesar de las crecientes demandas que pesan sobre nuestros sistemas hídricos y alimentarios a causa del cambio climático y el consumo. La financiación del J-WAFS también se extiende más allá de las subvenciones “semilla” iniciales. El programa J-WAFS Solutions respalda la comercialización de estas y otras tecnologías y enfoques innovadores.

Con las solicitudes de propuestas para las subvenciones semilla iniciales del J-WAFS para 2019 ya distribuidas, Opening Doors echa la vista atrás hacia el éxito de algunos de los proyectos iniciales que se financiaron en 2016 y que han finalizado recientemente.

Materiales activos para la extracción de metales pesados del agua

IP: Timothy Swager, profesor de química John D. MacArthur, Departamento de química

Con diseños escalables para membranas con base polimérica capaces de eliminar toxinas —como el plomo y el mercurio— del agua a nivel molecular, el investigador principal Timothy Swager espera desarrollar una tecnología que podría transformar la industria hídrica. Las membranas manipulan las cargas eléctricas para atrapar y expulsar iones metálicos tóxicos. Hasta ahora, el equipo del profesor Swager ha construido y validado un prototipo de filtro que puede eliminar con éxito ambos metales, y también ha mostrado cómo podría usarse a escala industrial. El equipo ya ha conseguido financiación de la Iniciativa energética del ITM para seguir desarrollando los exitosos resultados de su investigación. Esta subvención de seguimiento financiará la aplicación del proceso de producción de la membrana a la creación de pilas de combustible de alto rendimiento. El profesor Swager también está explorando cómo usar la misma estrategia de filtrado para extraer moléculas específicas de las plantas.

Virus bacterianos como agentes de control de patógenos en sistemas de acuicultura

IP: Martin Polz, Profesor, Departamento de ingeniería civil y medioambiental

Uno de los muchos retos a los que se enfrentan las explotaciones acuícolas es la pérdida de población por infecciones bacterianas. Las ostras y los crustáceos son especialmente vulnerables a las infecciones, y suelen tratarse con grandes dosis de antibióticos.

Sin embargo, esta estrategia no siempre es efectiva para el control de enfermedades. De hecho, el uso de antibióticos en acuicultura está tan extendido que con el tiempo se están volviendo menos efectivos. En su lugar, una alternativa sostenible podrían ser los virus capaces de atacar bacterias dañinas específicas. El profesor Polz y su equipo de investigación intentan crear “cócteles de virus” eficaces para inhibir el crecimiento de bacterias dañinas. Ya han caracterizado y mapeado interacciones entre virus y bacterias para identificar combinaciones de virus capaces de anticiparse a la habilidad de las bacterias para evolucionar y desarrollar resistencia, y han recibido financiación de seguimiento de la Simons Foundation para ir más allá en la investigación de la interacción virus-bacterias.

Detección in situ y en tiempo real de patógenos transmitidos por los alimentos mediante bacteriófagos integrados en plataformas de preparación de muestras microfluídicas

IPs: Jongyoon Han, profesor, Departamento de ingeniería eléctrica y ciencias informáticas y Departamento de ingeniería biológica; Timothy Lu, profesor adjunto, Departamento de ingeniería eléctrica y ciencias informáticas y Departamento de ingeniería biológica

Detectar patógenos transmitidos por los alimentos en instalaciones de producción y procesamiento de alimentos es una cuestión primordial.

Una detección temprana permite que las empresas y las instalaciones controlen más eficazmente los brotes de enfermedades transmitidas por los alimentos, cosa que reduce costes y el impacto adverso para la salud que se dan cuando llegan alimentos contaminados al mercado. Con su experiencia en microfluídicos, el profesor Han y el profesor Lu construyeron un dispositivo de alto rendimiento que separa y concentra las células de muestras de comida.

Esto se combina con un sistema de detección de virus que usa virus diseñados para infectar específicamente bacterias como la salmonela y la listeria y hacer que se iluminen, de modo que se revela rápidamente el nivel de contaminación presente. Ahora, el grupo del profesor Han está evaluando si esta tecnología se podría usar para tests de seguridad del agua.

Estimar los beneficios de reforzar los mercados hídricos

IP: Christopher Knittel, profesor George P. Schultz, Sloan School of Management

A medida que la escasez de agua se convierte en un problema cada vez más apremiante, ¿cómo pueden fomentar las políticas económicas un uso más eficiente del agua en contextos urbanos y agrícolas?

Recopilando los primeros datos completos conocidos que registran la distribución del agua en California desde 1980 hasta ahora, el equipo del profesor Knittel está pintando una imagen más precisa del uso del agua para entender y cuantificar los beneficios económicos y medioambientales de los mercados hídricos, p. ej. comprar, vender y comerciar con recursos hídricos.

Ahora, el profesor Knittel ha establecido relaciones prósperas con el Departamento de recursos hídricos de EE. UU. y con el Consejo de control de recursos hídricos estatales, así como con diversas firmas de corretaje y asesoría implicadas en la tarificación del agua, relaciones orientadas a futuros resultados en la investigación.

Impacto de la contaminación del aire en cosechas a nivel global

IP: Colette Heald, profesora adjunta, Departamento de ingeniería civil y medioambiental

¿Cómo afecta la contaminación del aire a la producción agrícola? Aunque se ha investigado mucho sobre el efecto del ozono en la salud y la producción de los cultivos, hay muy poca investigación sobre el efecto de la materia particulada.

La profesora Colette Heald del Departamento de ingeniería civil y medioambiental se dio cuenta de este vacío en la investigación. Usó una beca semilla del J-WAFS de 2016 para examinar los efectos de las materias particuladas transmitidas por aire en las cosechas. Combinando modelos de producción de cultivos y de transporte atmosférico de químicos, su equipo creó la primera estimación exhaustiva del impacto de la contaminación del aire en la producción alimentaria. Los modelos demostraron que, aunque el ozono daña las hojas de las plantas, la materia particulada puede diseminar la radiación solar y, por consiguiente, aumentar la cantidad de luz solar de que disponen las plantas, compensando parte del daño que causa el ozono. Sin embargo, los resultados de la investigación también han revelado un alto grado de variabilidad, cosa que demuestra la incertidumbre del impacto total de la materia particulada en las cosechas mundiales.

J-WAFS: un catalizador de investigación de soluciones

En 2017, siete proyectos de investigación más recibieron un total de 1,4 millones de USD en subvenciones semilla del J-WAFS.

Entre ellos está el intento del profesor Xuanhe Zhao y el profesor John Lienhard de desarrollar una tecnología de limpieza de membranas sin químicos y basada en vibraciones que podría mejorar drásticamente la eficiencia —y reducir los costes— de la osmosis inversa, el proceso de desalinización más utilizado en el mundo. “El agua fresca es fundamental para nuestra existencia”, dice el profesor Zhao, “pero garantizar un suministro estable y sostenible es un reto enorme, especialmente en zonas con escasez de agua como Oriente Medio y el norte de África”. Ambos esperan que su investigación pueda reducir los costes de mantenimiento y explotación asociados a la osmosis inversa, cosa que también debería reducir el coste del agua para los consumidores.

Con tres becas de la Rasikbhai L. Fellowship for Water Solutions y dos becas más del J-WAFS Graduate Student Fellowship Program, desde 2017 cinco estudiantes de doctorado del ITM han recibido financiación para proyectos de investigación que podrían tener un impacto significativo en el suministro de agua futuro.

Se dedican a:

  • Crear un sistema de análisis para el diseño de infraestructuras de ingeniería que pueda minimizar las incertidumbres en la planificación —incluyendo las precipitaciones, la población y el cambio climático— en Arabia Saudí, Kenia y Australia (Sarah Fletcher, becada de 2017).
  • Recabar el conocimiento necesario para impulsar el desarrollo de una nanotecnología que, en última instancia, pueda proporcionar una desalinización más eficiente, sostenible y rentable (Omar Labban, becado de 2017).
  • Desarrollar microbios modificados genéticamente que se puedan usar eficazmente y a un precio bajo como sensores de la calidad del agua (Tzu-Chieh Tang, becado de 2017).
  • Diseñar un filtro de agua económico y fácil de usar hecho del tejido de xilema de la madera y capaz de eliminar los contaminantes de los suministros de agua marginales de zonas rurales y comunidades vulnerables (Krithika Ramchander, becada de 2018)
  • Examinar cómo podrían proporcionar las asociaciones de operadores de agua (water operators’ partnerships, WOP) transnacionales un enfoque alternativo para reforzar los servicios públicos de agua y saneamiento en los países en desarrollo (Andrea Karin Beck, becada de 2018)

Investigación en curso

El plantel de la investigación financiada por el J-WAFS en 2018 incluye un proyecto liderado por el profesor Ahmed Ghoniem y el estudiante de doctorado Kevin Kung.

Ambos trabajan en un proyecto para refinar la nueva tecnología de tratamiento de biomasa y producir fertilizante a pequeña escala en comunidades rurales, usando principalmente recursos, trabajo y residuos agrícolas locales. “El financiamiento del J-WAFS nos está permitiendo hacer los primeros pasos esenciales para empezar a hacer incursiones en este mercado y, con suerte, transformar nuestra visión en una realidad”, declaró el profesor Ghoniem. “También confiamos en que trabajar con el J-WAFS pueda ayudarnos no solo en términos del desarrollo de tecnología sino también para explorar la diversificación y la comercialización de dicha tecnología”.

Otro proyecto cuenta con el profesor Rohit Karnik y la profesora adjunta Amy Smith, que lideran un grupo de investigadores con la esperanza de aprovechar las cualidades naturales de la madera de xilema para proporcionar agua potable segura y asequible a grupos con pocos ingresos. “Pretendemos usar una tecnología natural de filtración de agua que es bastante distinta de las que ya están en el mercado, con la esperanza de mejorar el suministro de agua segura a comunidades rurales y con pocos ingresos”, dice el profesor Karnik.

Este catálogo de proyectos del J-WAFS muestra cómo el apoyo a la investigación de ideas emergentes puede desembocar en avances que establecen bases importantes para investigaciones futuras y que llevan a tecnologías que pueden expandirse para ayudar a abordar algunos de los mayores retos del mundo.

Se puede encontrar más información sobre estos y otros proyectos fundados por el J-WAFS en la página web del J-WAFS.