Biorremediación
Proceso utilizado para tratar medios contaminados como el agua y el suelo.

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Contaminación
Contaminación del aire de una fábrica
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La biorremediación se refiere en términos generales a cualquier proceso en el que se emplea un sistema biológico (normalmente bacterias, microalgas, hongos en la micorremediación y plantas en la fitorremediación ), vivo o muerto, para eliminar contaminantes ambientales del aire, agua, suelo, gases de combustión, 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 atraído el uso de recursos biológicos en el tratamiento de entornos contaminados. [1] En comparación con los métodos de tratamiento fisicoquímico convencionales, la biorremediación puede ofrecer ventajas, ya que pretende ser sostenible, ecológica, barata y escalable. [1]

La mayor parte de la biorremediación se lleva a cabo de forma involuntaria y afecta a organismos autóctonos. La investigación sobre biorremediación se centra principalmente en estimular el proceso mediante la inoculación de organismos en un sitio contaminado o el suministro de nutrientes para promover su crecimiento. La remediación ambiental es una alternativa a la biorremediación. [2]

Mientras que los contaminantes orgánicos son susceptibles a la biodegradación , los metales pesados ​​no pueden degradarse, sino más bien oxidarse o reducirse. Las biorremediaciones típicas implican oxidaciones. [3] [4] Las oxidaciones mejoran la solubilidad en agua de los compuestos orgánicos y su susceptibilidad a una mayor degradación por oxidación e hidrólisis adicionales. En última instancia, la biodegradación convierte los hidrocarburos en dióxido de carbono y agua. [5] Para los metales pesados, la biorremediación ofrece pocas soluciones. Los contaminantes que contienen metales se pueden eliminar, al menos parcialmente, con diversas técnicas de biorremediación. [6] El principal desafío para las biorremediaciones es la velocidad: los procesos son lentos. [7]

Las técnicas de biorremediación se pueden clasificar como (i) técnicas in situ , que tratan los sitios contaminados directamente, frente a (ii) técnicas ex situ que se aplican a los materiales excavados. [8] En ambos enfoques, se añaden nutrientes adicionales, vitaminas, minerales y tampones de pH 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, la bioinyección , el compostaje (biopilas y hileras) y el landfarming . Otras técnicas de remediación incluyen la desorción térmica , la vitrificación , la extracción de aire , la biolixiviación , la rizofiltración y el lavado del suelo. El tratamiento biológico, la biorremediación, es un enfoque similar utilizado para tratar los desechos, incluidas las aguas residuales, los desechos industriales y los desechos sólidos. El objetivo final de la biorremediación es eliminar los compuestos nocivos para mejorar la calidad del suelo y el agua. [9]

In situtécnicas

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. [9] La contaminación incluye desechos enterrados y fugas de tuberías subterráneas que se infiltran en los sistemas de agua subterránea. [10] La adición de oxígeno elimina los contaminantes al producir dióxido de carbono y agua. [6]

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. [11] 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. [7] Los microorganismos pueden degradar una amplia variedad de hidrocarburos, incluidos los 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 peso bajo a moderado pueden ser muy altas. A medida que aumenta el peso molecular del compuesto, aumenta simultáneamente la resistencia a la biodegradación. [7] 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 (normalmente oxígeno) para estimular la oxidación de un contaminante reducido (por ejemplo, hidrocarburos) o un donador de electrones (normalmente un sustrato orgánico) para reducir los contaminantes oxidados (nitrato, perclorato , metales oxidados, disolventes clorados, explosivos y propelentes). [5] En ambos enfoques, se pueden añadir nutrientes, vitaminas, minerales y tampones de pH adicionales para optimizar las condiciones de los microorganismos. En algunos casos, se añaden cultivos microbianos especializados ( bioaumentación ) para mejorar aún más la biodegradación.

Los enfoques 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 . [12] Los sistemas de recirculación generalmente consisten en una combinación de pozos o galerías de inyección y uno o más pozos de recuperación donde el agua subterránea extraída se trata, se oxigena, se enmienda con nutrientes y se vuelve a inyectar. [13] Sin embargo, la cantidad de oxígeno que se puede proporcionar con 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 en contacto el agua con oxígeno puro o añadiendo peróxido de hidrógeno ( H2O2 ) al agua. En algunos casos, se inyectan lechadas de peróxido de calcio o magnesio sólido bajo presión a través de perforaciones en el suelo. Estos peróxidos sólidos reaccionan con el agua liberando H2O2 que luego se descompone liberando oxígeno . La inyección de aire implica la inyección de aire bajo presión por debajo del nivel freático. La presión de inyección de aire debe ser lo suficientemente grande para superar la presión hidrostática del agua y la resistencia al flujo de aire a través del suelo. [12] [13]

Bioestimulación

Un ejemplo de bioestimulación en el acuífero Snake River Plain 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 ayudar al crecimiento de las bacterias. [14] En este sitio, los microorganismos descomponen el compuesto cancerígeno tricloroetileno (TCE), que es un proceso observado en estudios anteriores. [14]

La biorremediación puede llevarse a cabo mediante bacterias que se encuentran presentes de forma natural. En la bioestimulación, la población de estas bacterias beneficiosas puede aumentarse añadiendo nutrientes. [6] [15]

En principio, las bacterias pueden utilizarse para degradar hidrocarburos. [16] [17] En el caso específico de los derrames de petróleo en el mar, el nitrógeno y el fósforo han sido nutrientes clave en la biodegradación. [18] La biorremediación de hidrocarburos presenta índices bajos.

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. [19]

La biorremediación anaeróbica se puede emplear en principio para tratar una variedad de contaminantes oxidados, incluidos etilenos clorados ( PCE , TCE , DCE , VC) , etanos clorados ( TCA , DCA ), clorometanos ( CT , CF ), hidrocarburos cíclicos clorados, varios energéticos (por ejemplo, perclorato , [20] RDX , TNT ) y nitrato . [6] Este proceso implica la adición de un donante de electrones para: 1) agotar los aceptores de electrones de fondo, incluidos 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 de contaminante y la distribución en el acuífero, la hidrogeología y los objetivos de remediación. El sustrato se puede agregar mediante instalaciones de pozos convencionales, mediante tecnología de empuje directo o mediante excavación y relleno, como barreras reactivas permeables (PRB) o bioparedes. [21] 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 mediante advección y difusión, lo que proporciona zonas de tratamiento más amplias pero de vida más corta. Los sustratos orgánicos agregados primero se fermentan 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. [6] [5]

Bioatenuación

Durante la bioatenuación, la biodegradación ocurre de manera natural con la adición de nutrientes o bacterias. Los microbios autóctonos presentes determinarán la actividad metabólica y actuarán como atenuación natural. [22] Si bien no hay participación antropogénica en la bioatenuación, el sitio contaminado debe ser monitoreado. [22]

Biosparging

La bioinyección es un proceso de remediación de aguas subterráneas en el que se inyecta oxígeno y, posiblemente, nutrientes. Cuando se inyecta oxígeno, se estimula a las bacterias autóctonas para que aumenten la tasa de degradación. [23] Sin embargo, la bioinyección se centra en zonas contaminadas saturadas, específicamente relacionadas con la remediación de aguas subterráneas. [24]

UNICEF, los productores de energía, los proveedores de agua a granel y los gobiernos locales son los primeros en adoptar métodos de biorremediación de bajo costo, como tabletas de bacterias aeróbicas que simplemente se arrojan al agua. [25]

Ex situtécnicas

Biopilas

Las biopilas, similares a la bioventilación, se utilizan para eliminar contaminantes derivados del petróleo mediante la introducción de hidrocarburos aeróbicos en suelos contaminados. Sin embargo, el suelo se excava y se apila con un sistema de aireación. Este sistema de aireación mejora la actividad microbiana al introducir oxígeno bajo presión positiva o eliminarlo bajo presión negativa. [26]

Hileras

La antigua refinería Shell Haven en Standford-le-Hope, que se sometió a biorremediación para minimizar la contaminación por petróleo. Se utilizaron técnicas de biorremediación, como hileras, para promover la transferencia de oxígeno. [27] La ​​refinería ha excavado aproximadamente 115.000 m 3 de suelo contaminado. [27]

Los sistemas de hileras son similares a las técnicas de compostaje en las que el suelo se remueve periódicamente para mejorar la aireación. [28] Este volteo periódico también permite que los contaminantes presentes en el suelo se distribuyan uniformemente, lo que acelera el proceso de biorremediación. [29]

Cultivo de tierras

El tratamiento de la tierra, o landfarming , es un método que se utiliza comúnmente para los derrames de lodos. Este método dispersa el suelo contaminado y lo airea mediante una rotación cíclica. [30] Este proceso es una aplicación por encima del suelo y se requiere que los suelos contaminados sean poco profundos para que se estimule la actividad microbiana. Sin embargo, si la contaminación es más profunda de 5 pies, entonces se requiere excavar el suelo hasta la superficie. [13] Si bien es una técnica ex situ , también se puede considerar una técnica in situ , ya que el landfarming se puede realizar en el sitio de la contaminación. [31]

In situvs.Ex situ

Las técnicas ex situ suelen ser más caras debido a los costes de excavación y transporte hasta la instalación de tratamiento, mientras que las técnicas in situ se realizan en el lugar de la contaminación, por lo que solo tienen costes de instalación. Si bien el coste es menor, también hay menos capacidad para determinar la escala y la propagación del contaminante. El contaminante determina en última instancia qué método de biorremediación utilizar. La profundidad y la propagación del contaminante son otros factores importantes. [32]

Metales pesados

Los metales pesados ​​se introducen en el medio ambiente tanto por actividades antropogénicas como por factores naturales. [6] Las actividades antropogénicas incluyen emisiones industriales, desechos electrónicos y minería. Los factores naturales incluyen la erosión de los minerales, la erosión del suelo y los incendios forestales. [6] Los metales pesados, incluidos el cadmio, el cromo, el plomo y el uranio, son diferentes a los compuestos orgánicos y no se pueden biodegradar. Sin embargo, los procesos de biorremediación se pueden utilizar potencialmente para minimizar la movilidad de estos materiales en el subsuelo, lo que reduce el potencial de exposición humana y ambiental. [33] Los metales pesados ​​​​de estos factores están presentes predominantemente en las fuentes de agua debido a la escorrentía, donde son absorbidos por la fauna y la flora marinas. [6]

El cromo hexavalente (Cr[VI]) y el uranio (U[VI]) pueden reducirse a formas menos móviles y/o menos tóxicas (por ejemplo, Cr[III], U[IV]). De manera similar, la reducción de sulfato a sulfuro (sulfidogénesis) puede utilizarse para inmovilizar ciertos metales (por ejemplo, zinc , cadmio ).

La movilidad de ciertos metales, incluyendo el cromo (Cr) y el uranio (U), varía dependiendo del estado de oxidación del material. [34] Se pueden utilizar microorganismos para reducir la toxicidad y la movilidad del cromo reduciendo el cromo hexavalente, Cr(VI) a Cr(III) trivalente. [35] La reducción de las especies U(VI) más móviles produce los derivados U(IV) menos móviles. [36] [37] Se utilizan microorganismos en este proceso porque la tasa de reducción de estos metales es a menudo lenta en ausencia de interacciones microbianas. [38] También se están realizando investigaciones para desarrollar métodos para eliminar metales del agua mejorando la sorción del metal a las paredes celulares. [38] Este enfoque se ha evaluado para el tratamiento de cadmio, [39] cromo, [40] y plomo. [41] También se han explorado bacterias genéticamente modificadas para su uso en el secuestro de arsénico. [42] Los procesos de fitoextracción concentran los contaminantes en la biomasa para su posterior eliminación.

Las extracciones de metales se pueden realizar en principio in situ o ex situ, siendo preferible la extracción in situ ya que es menos costoso excavar el sustrato. [43]

La biorremediación no es específica de los metales. En 2010 hubo un derrame masivo de petróleo en el Golfo de México . Se utilizaron poblaciones de bacterias y arqueas para rejuvenecer la costa después del derrame de petróleo. Estos microorganismos con el tiempo han desarrollado redes metabólicas que pueden utilizar hidrocarburos como el petróleo y el petróleo como fuente de carbono y energía. [44] La biorremediación microbiana es una técnica moderna muy eficaz para restaurar los sistemas naturales mediante la eliminación de toxinas del medio ambiente.

Pesticidas

De las muchas maneras de lidiar con la contaminación por pesticidas, la biorremediación promete ser más efectiva. [45] Muchos sitios alrededor del mundo están contaminados con agroquímicos. [46] Estos agroquímicos a menudo resisten la biodegradación, por diseño. [47] [48] Dañando todo tipo de vida orgánica con problemas de salud a largo plazo como cáncer, erupciones, ceguera, parálisis y enfermedades mentales. [47] Un ejemplo es el lindano , que fue un insecticida comúnmente utilizado en el siglo XX. La exposición prolongada plantea una amenaza grave 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 más 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 un uso específico, todavía se produce y se usa en todo el mundo. [49]

Actinobacteria ha sido un candidato prometedor para la técnica in situ , específicamente para eliminar pesticidas. Cuando se han agrupado ciertas cepas de Actinobacteria, su eficiencia en la degradación de pesticidas ha mejorado. Además de ser una técnica reutilizable que se fortalece con el uso posterior al limitar el espacio de migración de estas células para dirigirse a áreas específicas y no consumir por completo sus capacidades de limpieza. A pesar de los resultados alentadores, Actinobacteria solo se ha utilizado en entornos de laboratorio controlados y necesitará un mayor desarrollo para determinar la rentabilidad y la escalabilidad de su uso. [50]

Limitaciones de la biorremediación

La biorremediación se puede utilizar para mineralizar contaminantes orgánicos, transformarlos parcialmente o alterar su movilidad. Los metales pesados ​​y los radionucleidos generalmente no se pueden biodegradar, pero se pueden biotransformar en formas menos móviles. [51] [52] [53] En algunos casos, los microbios no mineralizan completamente el contaminante, lo que potencialmente produce un compuesto más tóxico. [53] Por ejemplo, en condiciones anaeróbicas, la deshalogenación reductora de TCE puede producir dicloroetileno (DCE) y cloruro de vinilo (VC), que son carcinógenos sospechosos o conocidos . [51] Sin embargo, el microorganismo Dehalococcoides puede reducir aún más el DCE y el VC al producto no tóxico eteno. [54] Las vías moleculares para la biorremediación son de considerable interés. [51] Además, conocer estas vías ayudará a desarrollar nuevas tecnologías que puedan abordar sitios que tienen distribuciones desiguales de una mezcla de contaminantes. [23]

La biodegradación requiere una población microbiana con la capacidad metabólica para degradar el contaminante. [23] [52] Los procesos biológicos utilizados por estos microbios son altamente específicos, por lo tanto, también se deben tener en cuenta y regular muchos factores ambientales. [23] [51] Puede ser difícil extrapolar los resultados de los estudios de prueba a pequeña escala a operaciones de campo grandes. [23] En muchos casos, la biorremediación lleva más tiempo que otras alternativas como el relleno sanitario y la incineración . [23] [51] Otro ejemplo es la bioventilación, que es económica para biorremediar sitios contaminados, sin embargo, este proceso es extenso y puede llevar algunos años descontaminar un sitio. [55] >

Otro gran inconveniente es encontrar las especies adecuadas para realizar la biorremediación. Para evitar la introducción y propagación de una especie invasora en el ecosistema, se necesita una especie autóctona, así como una especie lo suficientemente abundante como para limpiar todo el sitio sin agotar la población. Por último, la especie debe ser lo suficientemente resistente como para soportar las condiciones ambientales. [56] Estos criterios específicos pueden dificultar la realización de la biorremediación en un sitio contaminado.

En las industrias agrícolas, el uso de pesticidas es un factor importante en la contaminación directa del suelo y de las aguas de escorrentía. La limitación o solución de los pesticidas es la baja biodisponibilidad. [57] La ​​modificación del pH y la temperatura del suelo contaminado es una solución para aumentar la biodisponibilidad, lo que, a su vez, aumenta la degradación de compuestos nocivos. [57]

El compuesto acrilonitrilo se produce comúnmente en el ámbito industrial, pero contamina los suelos de forma adversa. Los microorganismos que contienen nitrilo hidratasas (NHasa) degradan los compuestos nocivos de acrilonitrilo en sustancias no contaminantes. [58]

Dado que la experiencia con contaminantes nocivos es limitada, se requieren prácticas de laboratorio para evaluar la eficacia, los diseños de tratamientos y estimar los tiempos de tratamiento. [55] Los procesos de biorremediación pueden tardar varios meses o varios años dependiendo del tamaño del área contaminada. [59]

Ingeniería genética

El uso de la ingeniería genética para crear organismos específicamente diseñados para la biorremediación se encuentra en fase de investigación preliminar. [60] 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. [61] 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. [62]

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. [63] Los organismos genéticamente modificados están clasificados y controlados bajo la Ley de Control de Sustancias Tóxicas de 1976 bajo la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos . [64] 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. [63] Además, el seguimiento de los organismos modificados puede hacerse más fácil con la inserción de genes de bioluminiscencia para la identificación visual. [65]

Se han creado organismos genéticamente modificados para tratar derrames de petróleo y descomponer ciertos plásticos (PET). [66]

Fabricación aditiva

Las tecnologías de fabricación aditiva, como la bioimpresión, ofrecen beneficios distintivos que pueden aprovecharse en la biorremediación para desarrollar estructuras con características adaptadas a los sistemas biológicos y las necesidades de limpieza ambiental, y aunque la adopción de esta tecnología en la biorremediación está en sus primeras etapas, el área está experimentando un crecimiento masivo. [67]

Véase también

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