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Biorremediación

La biorremediación se refiere ampliamente a cualquier proceso en el que se emplea un sistema biológico (típicamente bacterias , microalgas , hongos en micorremediación y plantas...

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La biorremediación se refiere ampliamente a cualquier proceso en el que se emplea un sistema biológico (típicamente bacterias , microalgas , hongos en micorremediación y plantas en fitorremediación ), vivo o muerto, para eliminar contaminantes ambientales del aire, agua, suelo, gases combustibles, efluentes industriales, etc., en entornos naturales o artificiales. [ 1 ] La capacidad natural de los organismos para adsorber, acumular y degradar contaminantes comunes y emergentes ha impulsado el uso de recursos biológicos en el tratamiento de ambientes contaminados. [ 1 ] [ 2 ] En comparación con los métodos de tratamiento fisicoquímicos convencionales, la biorremediación puede ofrecer ventajas, ya que busca ser sostenible , ecológica , económica y escalable . [ 1 ] [ 2 ]

La mayor parte de la biorremediación es inadvertida e involucra organismos nativos. La investigación en biorremediación se centra principalmente en estimular el proceso mediante la inoculación de un sitio contaminado con organismos o el suministro de nutrientes para promover su crecimiento. La remediación ambiental es una alternativa a la biorremediación. [ 3 ]

Si bien los contaminantes orgánicos son susceptibles a la biodegradación , los metales pesados ​​no pueden degradarse, sino que se oxidan o reducen. Las biorremediaciones típicas implican oxidaciones. [ 4 ] [ 5 ] Las oxidaciones aumentan la solubilidad en agua de los compuestos orgánicos y su susceptibilidad a una mayor degradación mediante oxidación e hidrólisis adicionales. En última instancia, la biodegradación convierte los hidrocarburos en dióxido de carbono y agua. [ 6 ] Para los metales pesados, la biorremediación ofrece pocas soluciones. Los contaminantes que contienen metales pueden eliminarse, al menos parcialmente, con diversas técnicas de biorremediación. [ 7 ] El principal desafío de las biorremediaciones es la velocidad: los procesos son lentos. [ 8 ]

Las técnicas de biorremediación se pueden clasificar en (i) técnicas in situ , que tratan directamente los sitios contaminados, y (ii) técnicas ex situ , que se aplican a materiales excavados. [ 9 ] En ambos enfoques, se añaden nutrientes, vitaminas, minerales y tampones de pH adicionales para mejorar el crecimiento y el metabolismo de los microorganismos. En algunos casos, se añaden cultivos microbianos especializados ( bioestimulación ). Algunos ejemplos de tecnologías relacionadas con la biorremediación son la fitorremediación , la bioventilación , la bioatenuación, el biosparging , el compostaje (biopilas y pilas) y el landfarming . Otras técnicas de remediación incluyen la desorción térmica , la vitrificación , el desorción por aire , la biolixiviación , la rizofiltración y el lavado de suelos. El tratamiento biológico, la biorremediación, es un enfoque similar utilizado para tratar residuos, incluyendo aguas residuales, residuos industriales y residuos sólidos. El objetivo final de la biorremediación es eliminar compuestos dañinos para mejorar la calidad del suelo y del agua. [ 10 ]

Técnicas

Técnicas in situ

Representación visual que muestra la biorremediación in situ . Este proceso implica la adición de oxígeno, nutrientes o microbios al suelo contaminado para eliminar contaminantes tóxicos. [ 10 ] La contaminación incluye desechos enterrados y fugas de tuberías subterráneas que se infiltran en los sistemas de aguas subterráneas. [ 11 ] La adición de oxígeno elimina los contaminantes mediante la producción de dióxido de carbono y agua. [ 7 ]

Bioventilación

La bioventilación es un proceso que aumenta el flujo de oxígeno o aire en la zona no saturada del suelo, lo que a su vez aumenta la tasa de degradación natural in situ del contaminante de hidrocarburos objetivo. [ 12 ] La bioventilación, una biorremediación aeróbica, es la forma más común de proceso de biorremediación oxidativa donde el oxígeno se proporciona como aceptor de electrones para la oxidación del petróleo , hidrocarburos poliaromáticos (HAP), fenoles y otros contaminantes reducidos. El oxígeno es generalmente el aceptor de electrones preferido debido al mayor rendimiento energético y porque el oxígeno es necesario para que algunos sistemas enzimáticos inicien el proceso de degradación. [ 8 ] Los microorganismos pueden degradar una amplia variedad de hidrocarburos, incluidos componentes de la gasolina, el queroseno, el diésel y el combustible para aviones. En condiciones aeróbicas ideales, las tasas de biodegradación de los compuestos alifáticos , alicíclicos y aromáticos de bajo a moderado peso pueden ser muy altas. A medida que aumenta el peso molecular del compuesto, aumenta simultáneamente la resistencia a la biodegradación. [ 8 ] Esto da como resultado compuestos volátiles más contaminados debido a su alto peso molecular y una mayor dificultad para eliminarlos del medio ambiente.

La mayoría de los procesos de biorremediación implican reacciones de oxidación-reducción en las que se añade un aceptor de electrones (comúnmente oxígeno) para estimular la oxidación de un contaminante reducido (por ejemplo, hidrocarburos) o un donador de electrones (comúnmente un sustrato orgánico) para reducir contaminantes oxidados (nitrato, perclorato , metales oxidados, disolventes clorados, explosivos y propelentes). [ 6 ] En ambos enfoques, se pueden añadir nutrientes, vitaminas, minerales y tampones de pH adicionales para optimizar las condiciones para los microorganismos. [ 13 ] En algunos casos, se añaden cultivos microbianos especializados ( bioaumentación ) para mejorar aún más la biodegradación. [ 14 ]

Los métodos para la adición de oxígeno por debajo del nivel freático incluyen la recirculación de agua aireada a través de la zona de tratamiento, la adición de oxígeno puro o peróxidos y la inyección de aire . [ 15 ] Los sistemas de recirculación suelen consistir en una combinación de pozos de inyección o galerías y uno o más pozos de recuperación donde el agua subterránea extraída se trata, oxigena, se le añaden nutrientes y se vuelve a inyectar. [ 16 ] Sin embargo, la cantidad de oxígeno que se puede proporcionar mediante este método está limitada por la baja solubilidad del oxígeno en el agua (8 a 10  mg/L para el agua en equilibrio con el aire a temperaturas típicas). Se pueden proporcionar mayores cantidades de oxígeno poniendo el agua en contacto con oxígeno puro o añadiendo peróxido de hidrógeno (H 2 O 2 ) al agua. En algunos casos, se inyectan suspensiones de peróxido de calcio o magnesio sólido a presión a través de perforaciones en el suelo. Estos peróxidos sólidos reaccionan con el agua liberando H 2 O 2 que luego se descompone liberando oxígeno. La inyección de aire implica la inyección de aire a presión por debajo del nivel freático. La presión de inyección de aire debe ser lo suficientemente grande como para superar la presión hidrostática del agua y la resistencia al flujo de aire a través del suelo. [ 15 ] [ 16 ]

Bioestimulación

Un ejemplo de bioestimulación se observa en el acuífero de la llanura del río Snake en Idaho. Este proceso implica la adición de suero en polvo para promover la utilización de bacterias presentes de forma natural. El suero en polvo actúa como sustrato para favorecer el crecimiento bacteriano. [ 17 ] En este sitio, los microorganismos descomponen el compuesto cancerígeno tricloroetileno (TCE), un proceso observado en estudios previos. [ 17 ]

La biorremediación puede ser llevada a cabo por bacterias presentes de forma natural. En la bioestimulación, la población de estas bacterias beneficiosas puede incrementarse mediante la adición de nutrientes. [ 7 ] [ 18 ]

En principio, las bacterias pueden utilizarse para degradar hidrocarburos. [ 19 ] [ 20 ] En el caso específico de los derrames de petróleo marinos, el nitrógeno y el fósforo han sido nutrientes clave en la biodegradación. [ 21 ] La biorremediación de hidrocarburos presenta bajas tasas.

La biorremediación puede implicar la acción de un consorcio microbiano . Dentro del consorcio, el producto de una especie podría ser el sustrato para otra especie. [ 22 ]

La biorremediación anaeróbica puede emplearse en principio para tratar una variedad de contaminantes oxidados, incluyendo PCE , TCE , DCE , VC) , etanos clorados ( TCA , DCA ), clorometanos ( CT , CF ), hidrocarburos cíclicos clorados, diversos compuestos energéticos (p. ej., perclorato , [ 23 ] RDX , TNT ) y nitrato . [ 7 ] Este proceso implica la adición de un donador de electrones para: 1) agotar los aceptores de electrones de fondo, incluyendo oxígeno, nitrato, hierro y manganeso oxidados y sulfato; y 2) estimular la reducción biológica y/o química de los contaminantes oxidados. La elección del sustrato y el método de inyección dependen del tipo y distribución del contaminante en el acuífero, la hidrogeología y los objetivos de remediación. El sustrato se puede agregar utilizando instalaciones de pozos convencionales, mediante tecnología de empuje directo o mediante excavación y relleno, como barreras reactivas permeables (BRP) o biomuros. [ 24 ] Los productos de liberación lenta compuestos de aceites comestibles o sustratos sólidos tienden a permanecer en su lugar durante un período de tratamiento prolongado. Los sustratos solubles o los productos de fermentación solubles de los sustratos de liberación lenta pueden migrar potencialmente por advección y difusión, proporcionando zonas de tratamiento más amplias pero de menor duración. Los sustratos orgánicos agregados se fermentan primero a hidrógeno (H 2 ) y ácidos grasos volátiles (AGV). Los AGV, incluidos el acetato, el lactato, el propionato y el butirato, proporcionan carbono y energía para el metabolismo bacteriano. [ 7 ] [ 6 ]

La biorremediación no se limita a los metales. En 2010, se produjo un derrame masivo de petróleo en el Golfo de México . Se utilizaron poblaciones de bacterias y arqueas para regenerar la costa tras el derrame. Con el tiempo, estos microorganismos desarrollaron redes metabólicas que les permiten utilizar hidrocarburos como el petróleo y el crudo como fuente de carbono y energía. [ 25 ] La biorremediación microbiana es una técnica moderna muy eficaz para restaurar sistemas naturales mediante la eliminación de toxinas del medio ambiente.

Bioatenuación

Durante la bioatenuación, la biodegradación ocurre de forma natural con la adición de nutrientes o bacterias. Los microbios autóctonos presentes determinarán la actividad metabólica y actuarán como atenuadores naturales. [ 26 ] Si bien no hay intervención antropogénica en la bioatenuación, el sitio contaminado debe ser monitoreado. [ 26 ]

Biobombeo

La bioinyección es un proceso de remediación de aguas subterráneas mediante la inyección de oxígeno y posibles nutrientes. Al inyectar oxígeno, se estimula a las bacterias autóctonas para que aumenten la tasa de degradación. [ 27 ] Sin embargo, la bioinyección se centra en zonas contaminadas saturadas, específicamente en la remediación de aguas subterráneas. [ 28 ]

UNICEF, los productores de energía, los proveedores de agua a granel y los gobiernos locales son pioneros en la adopción de la biorremediación de bajo costo, como las tabletas de bacterias aerobias que simplemente se arrojan al agua. [ 29 ]

Técnicas ex situ

Las técnicas ex situ suelen ser más costosas debido a los gastos de excavación y transporte hasta la planta de tratamiento, mientras que las técnicas in situ se realizan en el lugar de la contaminación, por lo que solo implican costos de instalación. Si bien son más económicas, también limitan la capacidad de determinar la escala y la dispersión del contaminante. El contaminante, en última instancia, determina el método de biorremediación a utilizar. La profundidad y la dispersión del contaminante son otros factores importantes. [ 30 ]

Biopilas

Las biopilas, similares a la bioventilación, se utilizan para eliminar contaminantes derivados del petróleo mediante el aumento de la degradación aeróbica [ 31 ] en suelos contaminados. Sin embargo, el suelo se excava y se apila con un sistema de aireación. Este sistema de aireación potencia la actividad microbiana al introducir oxígeno a presión positiva o eliminarlo a presión negativa [ 32 ] .

hileras

La antigua refinería Shell Haven en Standford-le-Hope fue sometida a biorremediación para minimizar la contaminación por petróleo. Se utilizaron técnicas de biorremediación, como hileras, para promover la transferencia de oxígeno. [ 33 ] La refinería excavó aproximadamente 115 000  m³ de suelo contaminado. [ 33 ]

Los sistemas de pilas de compost son similares a las técnicas de compostaje, donde el suelo se remueve periódicamente para mejorar la aireación. [ 34 ] Este removido periódico también permite que los contaminantes presentes en el suelo se distribuyan uniformemente, lo que acelera el proceso de biorremediación. [ 35 ]

Agricultura de tierras

El tratamiento de suelos, o abonado , es un método comúnmente utilizado para derrames de lodos. Este método dispersa el suelo contaminado y lo airea mediante rotación cíclica. [ 36 ] Este proceso es una aplicación superficial y se requiere que los suelos contaminados sean poco profundos para estimular la actividad microbiana. Sin embargo, si la contaminación es más profunda de 1,5 metros (5 pies), entonces se requiere excavar el suelo hasta la superficie. [ 16 ] Si bien es una técnica ex situ , también puede considerarse una técnica in situ , ya que el tratamiento de suelos puede realizarse en el sitio de la contaminación. [ 35 ]

Contaminantes específicos

metales pesados

Los metales pesados ​​se introducen en el medio ambiente tanto por actividades antropogénicas como por factores naturales. [ 7 ] A diferencia de los contaminantes orgánicos, los metales (o más propiamente, los iones metálicos y los compuestos metálicos) no se pueden degradar. En principio , las plantas hiperacumuladoras podrían extraer metales del suelo, pero esta tecnología sigue siendo poco práctica. La movilidad de los metales podría disminuirse, lo que resultaría en su inmovilización. Por ejemplo, la reducción de las especies de U(VI) más móviles produce los derivados de U(IV) menos móviles. [ 37 ] Nuevamente, este enfoque sigue siendo más conceptual que práctico. [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]

plaguicidas

De las muchas maneras de abordar la contaminación por plaguicidas , la biorremediación promete ser más efectiva. [ 41 ] Muchos sitios alrededor del mundo están contaminados con agroquímicos. [ 42 ] Estos agroquímicos a menudo resisten la biodegradación, por diseño. [ 43 ] [ 41 ] Dañan todo tipo de vida orgánica con problemas de salud a largo plazo como cáncer, erupciones cutáneas, ceguera, parálisis y enfermedades mentales. [ 43 ] Un ejemplo es el lindano , que fue un insecticida de uso común en el siglo XX. La exposición prolongada representa una seria amenaza para los humanos y el ecosistema circundante. El lindano reduce el potencial de bacterias beneficiosas en el suelo, como las cianobacterias fijadoras de nitrógeno. Además de causar problemas del sistema nervioso central en mamíferos pequeños, como convulsiones, mareos e incluso la muerte. Lo que lo hace tan dañino para estos organismos es la rapidez con la que se distribuye a través del cerebro y los tejidos grasos. Si bien el lindano se ha limitado principalmente a usos específicos, todavía se produce y utiliza en todo el mundo. [ 44 ]

Las actinobacterias se han perfilado como una técnica prometedora in situ para la eliminación de plaguicidas. Al agrupar ciertas cepas de actinobacterias, se ha incrementado su eficiencia en la degradación de plaguicidas. Además, se trata de una técnica reutilizable que se fortalece con el uso continuado al limitar el espacio de migración de estas células a áreas específicas, preservando así su capacidad de limpieza. A pesar de los resultados alentadores, las actinobacterias solo se han utilizado en entornos de laboratorio controlados y requieren mayor desarrollo para determinar su rentabilidad y escalabilidad. [ 42 ]

Limitaciones de la biorremediación

La biorremediación rara vez se emplea para remediar contaminantes. Los metales pesados ​​y los radionúclidos simplemente no se biodegradan, aunque en algunos casos, estos metales pueden inmovilizarse. [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] En algunos casos, los microbios no mineralizan completamente el contaminante, produciendo potencialmente un compuesto más tóxico. [ 47 ] Por ejemplo, en condiciones anaeróbicas, la deshalogenación reductiva del TCE puede producir dicloroetileno (DCE) y cloruro de vinilo (VC), que son carcinógenos sospechosos o conocidos . [ 45 ] Sin embargo, el microorganismo Dehalococcoides puede reducir aún más el DCE y el VC al producto no tóxico eteno. [ 48 ] Las vías moleculares para la biorremediación son de considerable interés. [ 45 ] Además, conocer estas vías ayudará a desarrollar nuevas tecnologías que puedan tratar sitios que tienen distribuciones desiguales de una mezcla de contaminantes. [ 27 ]

La biodegradación requiere una población microbiana con la capacidad metabólica para degradar el contaminante en un plazo adecuado. [ 27 ] [ 46 ] Los procesos biológicos utilizados por estos microbios son altamente específicos, por lo tanto, se deben tener en cuenta y regular muchos factores ambientales. [ 27 ] [ 45 ] Puede ser difícil extrapolar los resultados de los estudios de prueba a pequeña escala a operaciones de campo a gran escala. [ 27 ] En muchos casos, la biorremediación lleva más tiempo que otras alternativas como el relleno sanitario y la incineración . [ 27 ] [ 45 ] Otro ejemplo es la bioventilación, que es económica para biorremediar sitios contaminados, sin embargo, este proceso es extenso y puede llevar algunos años para descontaminar un sitio. [ 49 ]

Otro desafío importante son las especies invasoras: se prefieren las especies autóctonas. El organismo debe ser suficientemente abundante para limpiar el sitio. [ 41 ]

Los plaguicidas son uno de los principales causantes de la contaminación del suelo y de la escorrentía. Los plaguicidas son difíciles de biodegradar. [ 50 ]

Ingeniería genética

El uso de la ingeniería genética para crear organismos diseñados específicamente para la biorremediación se encuentra en fase de investigación preliminar. [ 51 ] Se pueden insertar dos categorías de genes en el organismo: genes degradativos, que codifican proteínas necesarias para la degradación de contaminantes, y genes reporteros, que codifican proteínas capaces de monitorear los niveles de contaminación. [ 52 ] Numerosos miembros de Pseudomonas han sido modificados con el gen lux para la detección del hidrocarburo poliaromático naftaleno. Una prueba de campo para la liberación del organismo modificado ha tenido éxito a una escala moderadamente grande. [ 53 ]

Existen preocupaciones en torno a la liberación y contención de organismos genéticamente modificados en el medio ambiente debido al potencial de transferencia horizontal de genes. [ 54 ] Los organismos genéticamente modificados se clasifican y controlan bajo la Ley de Control de Sustancias Tóxicas de 1976 bajo la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos . [ 55 ] Se han creado medidas para abordar estas preocupaciones. Los organismos pueden modificarse de tal manera que solo puedan sobrevivir y crecer bajo conjuntos específicos de condiciones ambientales. [ 54 ] Además, el seguimiento de organismos modificados puede facilitarse con la inserción de genes de bioluminiscencia para la identificación visual. [ 56 ]

Se han creado organismos genéticamente modificados para tratar derrames de petróleo y descomponer ciertos plásticos (PET). [ 57 ]

Véase también

Referencias

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  • Fitorremediación, organizada por el Jardín Botánico de Missouri.
  • ¿Remediar o no remediar?
  • Biorremediación anaeróbica