Bioobstrucción
Obstrucción de los espacios porosos del suelo por biomasa microbiana

La bioobstrucción o obstrucción biológica se refiere al bloqueo de los espacios porosos del suelo por la biomasa microbiana, incluidas las células activas y sus subproductos, como la sustancia polimérica extracelular (EPS). La biomasa microbiana obstruye los espacios porosos, creando una capa impermeable en el suelo y reduciendo significativamente las tasas de infiltración de agua .

La bioobstrucción ocurre bajo la infiltración continua en estanques en diversas condiciones de campo, como estanques de recarga artificiales , zanjas de percolación , canales de irrigación , sistemas de tratamiento de aguas residuales , humedales construidos , revestimientos de vertederos y sistemas naturales como lechos de ríos y suelos. También afecta el flujo de agua subterránea en el acuífero , como bombas de calor de fuente terrestre , barreras reactivas permeables y recuperación mejorada de petróleo microbiana . La bioobstrucción es un problema significativo cuando la infiltración de agua se ve obstaculizada y las contramedidas como el secado regular del sistema pueden reducir los niveles de bioobstrucción. Sin embargo, la bioobstrucción también puede tener propósitos beneficiosos en condiciones específicas. Por ejemplo, la bioobstrucción se puede utilizar para hacer una capa impermeable para minimizar la tasa de infiltración o para mejorar las propiedades mecánicas del suelo.

Descripción general

Cambio de la permeabilidad con el tiempo

La bioobstrucción se observa como una disminución de la tasa de infiltración. En la década de 1940, se observó una disminución de la tasa de infiltración en condiciones de infiltración estancada al estudiar la infiltración de estanques de recarga artificiales y la propagación del agua en suelos agrícolas. Allison describió [1] que cuando los suelos están sumergidos continuamente, la permeabilidad o conductividad hidráulica saturada cambia en tres etapas clave:

  1. Después de iniciar las pruebas de campo o de laboratorio, la permeabilidad disminuye al mínimo. En suelos muy permeables esta disminución inicial es pequeña o inexistente, pero en suelos relativamente impermeables, la permeabilidad disminuye durante 10 a 20 días posiblemente debido a cambios físicos en la estructura del suelo.
  2. La permeabilidad aumenta debido a la disolución del aire atrapado en el suelo en el agua que se filtra.
  3. La permeabilidad disminuye durante 2 a 4 semanas debido a la desintegración de los agregados y la obstrucción biológica de los poros del suelo con células microbianas y sus productos sintetizados, limos o polisacáridos.

Esta descripción se basa en experimentos realizados en ese momento, y el proceso real de bioobstrucción depende de las condiciones del sistema, como la disponibilidad de nutrientes y aceptores de electrones, la propensión a la formación de biopelículas microbianas, las condiciones iniciales, etc. En particular, las 3 etapas no son necesariamente distintas en cada condición de campo de bioobstrucción; cuando la segunda etapa no está clara, y la permeabilidad simplemente continúa disminuyendo.

Diversos tipos de bioobstrucción

El cambio en la permeabilidad con el tiempo depende de la condición del campo y existen varias causas para el cambio en la conductividad hidráulica , [2] incluyendo causas físicas ( sólidos suspendidos , desintegración de la estructura del agregado, etc.), químicas ( dispersión e hinchamiento de partículas de arcilla) y biológicas (como se enumeran a continuación). Por lo general, bioobstrucción significa la primera de las siguientes, mientras que bioobstrucción en un sentido más amplio significa todas las siguientes.

  1. La bioobstrucción por cuerpos celulares microbianos (como bacterias , [3] [4] [5] [6] algas [7] y hongos [8] [9] ) y sus subproductos sintetizados como la sustancia polimérica extracelular (EPS) [10] (también conocida como limo), que forma biopelículas [11] [12] [13] o agregación de microcolonias [14] en partículas del suelo son causas biológicas directas de la disminución de la conductividad hidráulica.
  2. La acumulación de burbujas de gas, como el metano [15] producido por microorganismos productores de metano , obstruye los poros del suelo y contribuye a disminuir la conductividad hidráulica. Como el gas también es un subproducto microbiano, también puede considerarse un bioatascamiento.
  3. Las bacterias del hierro estimulan la deposición de oxihidróxido férrico que puede provocar la obstrucción de los poros del suelo. [16] Esta es una causa biológica indirecta de la disminución de la conductividad hidráulica.

La bioobstrucción se observa principalmente en condiciones saturadas, pero también se estudia en condiciones no saturadas. [17]

Observación de campo

Problema de campo y contramedidas

La bioobstrucción es un problema importante en diversos sistemas hídricos ambientales y artificiales. A continuación se presentan algunos problemas de campo específicos relacionados con la bioobstrucción y sus posibles contramedidas.

  1. La bioobstrucción ocurre comúnmente durante la infiltración continua en estanques en lugares como estanques de recarga artificiales [18] y zanjas de percolación [19] . La reducción de la tasa de infiltración debido a la bioobstrucción en la superficie de infiltración reduce la eficiencia de dichos sistemas. Para minimizar los efectos de la bioobstrucción, puede ser necesario un pretratamiento del agua para reducir los sólidos suspendidos , los nutrientes y el carbono orgánico. El secado regular y la eliminación física de la capa de obstrucción pueden ser una contramedida eficaz.
  2. De manera similar, los campos de drenaje séptico son propensos a la bioobstrucción principalmente debido al flujo continuo de aguas residuales ricas en nutrientes . [20] [21] El material orgánico que causa la bioobstrucción en el tanque séptico a veces se llama biomat. [22] El pretratamiento del agua por filtración o la reducción de la carga del sistema podría retrasar la falla del sistema por bioobstrucción. El sistema de filtro de arena lento también sufre de bioobstrucción. [23] Además de las contramedidas mencionadas anteriormente, se puede realizar una limpieza o retrolavado de arena para eliminar la biopelícula y recuperar la permeabilidad de la arena.
  3. En los sistemas fluviales , la bioobstrucción puede afectar significativamente la recarga de los acuíferos, en particular en regiones secas donde predominan las pérdidas de caudal en los ríos. [24] Como resultado de la bioobstrucción, se afecta la conexión entre las aguas superficiales y subterráneas en los sistemas fluviales. El desarrollo de una capa de obstrucción inducida por biopelícula puede provocar la desconexión, modificando los patrones naturales de flujo de agua entre los ríos y los acuíferos. [25]
  4. La bioobstrucción también es un problema en los acuíferos , en particular cuando el agua se extrae a través de pozos de agua por debajo del nivel freático. [26] A lo largo de meses y años de funcionamiento continuo de los pozos de agua, pueden mostrar una reducción gradual en el rendimiento debido a la bioobstrucción u otros mecanismos de obstrucción. [27] La ​​bioobstrucción también puede afectar el funcionamiento sostenible de las bombas de calor de fuente terrestre . [28] Los enfoques comunes para tratar la bioobstrucción incluyen el uso de fosfato, un nutriente crítico para las biopelículas de bacterias de hierro, y el empleo de cloro y fungicidas para abordar los problemas bacterianos. El retrolavado es un método común para tratar la obstrucción en general, incluida la bioobstrucción. [28]

Beneficios

En determinados entornos, la bioobstrucción influye positivamente en el proceso hidrológico. A continuación se muestran algunos ejemplos.

  1. La bioobstrucción desempeña un papel crucial en el sellado de los fondos de los estanques de estabilización para el tratamiento de aguas residuales de las granjas lecheras. [29] De manera similar, los canales de irrigación para el control de filtraciones pueden inocularse con algas y bacterias para promover la bioobstrucción y reducir la pérdida de agua. [30]
  2. En cuanto a los revestimientos de vertederos , como los de arcilla compactada, la bioobstrucción surge como un factor beneficioso. Los revestimientos de arcilla se utilizan generalmente en vertederos para minimizar la contaminación del lixiviado del vertedero al entorno del suelo circundante. La conductividad hidráulica de los revestimientos de arcilla se vuelve inferior al valor original debido a la bioobstrucción, que es causada por microorganismos en el lixiviado y los espacios porosos de la arcilla. [31] [32]
  3. La bioobstrucción es un fenómeno habitual en los humedales construidos [33] , diseñados para tratar diversas aguas contaminadas. En particular, en los humedales con flujo horizontal subterráneo, las vías de flujo preferenciales que evitan la parte obstruida pueden mejorar la eficiencia del tratamiento del sistema. [34]
  4. La formación de biopelículas desempeña un papel crucial en la biorremediación , [35] particularmente en el tratamiento de la contaminación biodegradable de las aguas subterráneas . Se forma una barrera reactiva permeable [36] para contener el flujo de agua subterránea mediante bioobstrucción y también para degradar la contaminación por microbios. [37] El flujo de contaminantes debe analizarse cuidadosamente porque una ruta de flujo preferencial en la barrera puede reducir la eficiencia de la remediación. [38]
  5. En la extracción de petróleo , se aplican técnicas de recuperación mejorada de petróleo para maximizar la extracción de petróleo de los campos petrolíferos. El agua inyectada desplaza el petróleo en el yacimiento que se transporta a los pozos de recuperación. Como el yacimiento no es uniforme en permeabilidad, el agua inyectada tiende a pasar por una zona de alta permeabilidad y no pasa por la zona donde permanece el petróleo. En esta situación, se puede emplear la técnica de modificación del perfil bacteriano, [39] que inyecta bacterias en la zona de alta permeabilidad para promover la bioobstrucción. Es un tipo de recuperación mejorada de petróleo microbiana .
  6. El potencial de la biocementación en la ingeniería geotécnica [40] está en exploración, en particular para mejorar las propiedades mecánicas del suelo. Esto implica estrategias como la reducción de la porosidad y la conductividad hidráulica, y el aumento de la resistencia al corte mediante la biocementación, optimizando así el suelo para aplicaciones ambientales y de construcción. [41]

Véase también

Referencias

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  1. ^ Allison, LE (1947). "Efecto de los microorganismos en la permeabilidad del suelo bajo inmersión prolongada". Soil Science . 63 (6): 439–450. Bibcode :1947SoilS..63..439A. doi :10.1097/00010694-194706000-00003. S2CID  97693977.
  2. ^ Baveye, P.; Vandevivere, P.; Hoyle, BL; DeLeo, PC; de Lozada, DS (2006). "Impacto ambiental y mecanismos de la obstrucción biológica de suelos saturados y materiales de acuíferos" (PDF) . Critical Reviews in Environmental Science and Technology . 28 (2): 123–191. doi :10.1080/10643389891254197.
  3. ^ Gupta, RP; Swartzendruber, D. (1962). "Reducción asociada al flujo en la conductividad hidráulica de la arena de cuarzo". Revista de la Sociedad Americana de Ciencias del Suelo . 26 (1): 6–10. Código Bibliográfico :1962SSASJ..26....6G. doi :10.2136/sssaj1962.03615995002600010003x.
  4. ^ Frankenberger, WT; Troeh, FR; Dumenil, LC (1979). "Efectos bacterianos en la conductividad hidráulica de los suelos". Revista de la Sociedad Americana de Ciencias del Suelo . 43 (2): 333–338. Código Bibliográfico :1979SSASJ..43..333F. doi :10.2136/sssaj1979.03615995004300020019x.
  5. ^ Vandevivere, P.; Baveye, P. (1992). "Reducción de la conductividad hidráulica saturada causada por bacterias aeróbicas en columnas de arena" (PDF) . Revista de la Sociedad Americana de Ciencias del Suelo . 56 (1): 1–13. Código Bibliográfico :1992SSASJ..56....1V. doi :10.2136/sssaj1992.03615995005600010001x.
  6. ^ Xia, L.; Zheng, X.; Shao, H.; Xin, J.; Sun, Z.; Wang, L. (2016). "Efectos de las células bacterianas y dos tipos de polímeros extracelulares en la bioobstrucción de columnas de arena". Journal of Hydrology . 535 : 293–300. Bibcode :2016JHyd..535..293X. doi :10.1016/j.jhydrol.2016.01.075.
  7. ^ Gette-Bouvarot, M.; Mermillod-Blondin, F.; Angulo-Jaramillo, R.; Delolme, C.; Lemoine, D.; Lassabatere, L.; Loizeau, S.; Volatier, L. (2014). "La combinación de mediciones hidráulicas y biológicas destaca la influencia clave de la biopelícula de algas en el rendimiento de las cuencas de infiltración" (PDF) . Ecohidrología . 7 (3): 950–964. Bibcode :2014Ecohy...7..950G. doi :10.1002/eco.1421. S2CID  129758850.
  8. ^ Seki, K.; Miyazaki, T.; Nakano, M. (1996). "Reducción de la conductividad hidráulica debido a efectos microbianos" (PDF) . Transacciones de la Sociedad Japonesa de Ingeniería de Riego, Drenaje y Recuperación . 181 : 137–144. doi :10.11408/jsidre1965.1996.137.
  9. ^ Seki, K.; Miyazaki, T.; Nakano, M. (1998). "Efecto de los microorganismos en la disminución de la conductividad hidráulica en la infiltración" (PDF) . Revista Europea de Ciencias del Suelo . 49 (2): 231–236. Bibcode :1998EuJSS..49..231S. doi :10.1046/j.1365-2389.1998.00152.x. S2CID  97173198.
  10. ^ Jiang, Y.; Matsumoto, S. (1995). "Cambio en la microestructura del suelo obstruido en el tratamiento de aguas residuales del suelo bajo inmersión prolongada". Ciencia del suelo y nutrición vegetal . 41 (2): 207–213. Bibcode :1995SSPN...41..207J. doi :10.1080/00380768.1995.10419577.
  11. ^ Taylor, SW; Milly, PCD; Jaffé, PR (1990). "Crecimiento de biopelículas y cambios relacionados en las propiedades físicas de un medio poroso: 2. Permeabilidad". Investigación de recursos hídricos . 26 (9): 2161–2169. Bibcode :1990WRR....26.2161T. doi :10.1029/WR026i009p02161.
  12. ^ Zhao, L.; Zhu, W.; Tong, W. (2009). "Procesos de obstrucción causados ​​por el crecimiento de biopelículas y la acumulación de partículas orgánicas en humedales artificiales de flujo vertical a escala de laboratorio" (PDF) . Revista de Ciencias Ambientales . 21 (6): 750–757. Bibcode :2009JEnvS..21..750Z. doi :10.1016/S1001-0742(08)62336-0. PMID  19803078.
  13. ^ Kim, J.; Choi, H.; Pachepsky, YA (2010). "Morfología de la biopelícula en relación con la obstrucción de los medios porosos" (PDF) . Water Research . 44 (4): 1193–1201. Bibcode :2010WatRe..44.1193K. doi :10.1016/j.watres.2009.05.049. PMID  19604533.
  14. ^ Seki, K.; Miyazaki, T. (2001). "Un modelo matemático para la obstrucción biológica de medios porosos uniformes" (PDF) . Water Resources Research . 37 (12): 2995–2999. Bibcode :2001WRR....37.2995S. doi :10.1029/2001WR000395. S2CID  129625309.
  15. ^ Reynolds, WD; Brown, DA; Mathur, SP; Overend, RP (1992). "Efecto de la acumulación de gas in situ en la conductividad hidráulica de la turba". Soil Science . 153 (5): 397–408. Bibcode :1992SoilS.153..397R. doi :10.1097/00010694-199205000-00007. S2CID  93225879.
  16. ^ Houot, S.; Berthelin, J. (1992). "Estudios submicroscópicos de depósitos de hierro que se producen en los drenajes de campo: Formación y evolución". Geoderma . 52 (3–4): 209–222. Bibcode :1992Geode..52..209H. doi :10.1016/0016-7061(92)90037-8.
  17. ^ Volk, E.; Iden, SC; Furman, A.; Durner, W.; Rosenzweig, R. (2016). "Efecto de la biopelícula en las propiedades hidráulicas del suelo: investigación experimental utilizando biopelícula real cultivada en el suelo". Investigación de recursos hídricos . 52 (8): 5813–5828. Código Bibliográfico :2016WRR....52.5813V. doi :10.1002/2016WR018866.
  18. ^ Bouwer, H. (2002). "Recarga artificial de aguas subterráneas: hidrogeología e ingeniería" (PDF) . Revista de hidrogeología . 10 (1): 121–142. Código Bibliográfico :2002HydJ...10..121B. doi :10.1007/s10040-001-0182-4.
  19. ^ Furumai, H.; Jinadasa, HKPK; Murakami, M.; Nakajima, F.; Aryal, RK (2005). "Descripción del modelo de funciones de almacenamiento e infiltración de instalaciones de infiltración para el análisis de escorrentía urbana mediante un modelo distribuido" (PDF) . Ciencia y tecnología del agua . 52 (5): 53–60. doi :10.2166/wst.2005.0108. PMID  16248180.
  20. ^ Kristiansen, R. (1981). "Trincheras de filtración de arena para la purificación de efluentes de fosas sépticas: I. El mecanismo de obstrucción y el entorno físico del suelo". Journal of Environmental Quality . 10 (3): 353–357. Código Bibliográfico :1981JEnvQ..10..353K. doi :10.2134/jeq1981.00472425001000030020x.
  21. ^ Nieć, J.; Spychała, M.; Zawadzki, P. (2016). "Nuevo enfoque para modelar la obstrucción de filtros de arena por efluentes de fosas sépticas" (PDF) . Revista de Ingeniería Ecológica . 17 (2): 97–107. doi :10.12911/22998993/62296.
  22. ^ "Biomat séptico: definición, propiedades". InspectAPedia . Consultado el 22 de marzo de 2017 .
  23. ^ Mauclaire, L.; Schürmann, A.; Thullner, M.; Gammeter, S.; Zeyer, J. (2004). "Filtración lenta con arena en una planta de tratamiento de agua: parámetros biológicos responsables de la obstrucción". Journal of Water Supply: Research and Technology-Aqua . 53 (2): 93–108. doi :10.2166/aqua.2004.0009.
  24. ^ Newcomer, ME; Hubbard, SS; Fleckenstein, JH; Maier, U.; Schmidt, C.; Thullner, M.; Ulrich, C.; lipo, N.; Rubin, Y. (2016). "Simulación de los efectos de la bioobstrucción en la permeabilidad y la infiltración dinámicas del lecho del río". Investigación de recursos hídricos . 52 (4): 2883–2900. Código Bibliográfico :2016WRR....52.2883N. doi :10.1002/2015WR018351. S2CID  130425627.
  25. ^ Xian, Y.; Jin, M.; Zhan, H.; Liu, Y. (2019). "Transporte reactivo de nutrientes y bioobstrucción durante el proceso de desconexión dinámica de aguas subterráneas y corrientes". Investigación de recursos hídricos . 55 (5): 3882–3903. Código Bibliográfico :2019WRR....55.3882X. doi :10.1029/2019WR024826.
  26. ^ van Beek, CGEM; van der Kooij, D. (1982). "Bacterias reductoras de sulfato en aguas subterráneas de pozos poco profundos, con y sin obstrucción, en la región fluvial de los Países Bajos". Aguas subterráneas . 20 (3): 298–302. Bibcode :1982GrWat..20..298B. doi :10.1111/j.1745-6584.1982.tb01350.x.
  27. ^ "Remediación y rehabilitación de pozos". Groundwater Engineering Limited. Archivado desde el original el 22 de marzo de 2017. Consultado el 22 de marzo de 2017 .
  28. ^ ab Song, W.; Liu, X.; Zheng, T.; Yang, J. (2020). "Una revisión de la recarga y la obstrucción en el acuífero de arenisca". Geotermia . 87 : 101857. Bibcode :2020Geoth..8701857S. doi :10.1016/j.geothermics.2020.101857.
  29. ^ Davis, S.; Fairbanks, W.; Weisheit, H. (1973). "Estanques de desechos lácteos que se sellan por sí solos de manera efectiva". Transacciones de la ASAE . 16 (1): 69–71. doi :10.13031/2013.37447.
  30. ^ Ragusa, SR; de Zoysa, DS; Rengasamy, P. (1994). "El efecto de los microorganismos, la salinidad y la turbidez en la conductividad hidráulica del suelo de los canales de riego". Irrigation Science . 15 (4): 159–166. Bibcode :1994IrrSc..15..159R. doi :10.1007/BF00193683. S2CID  35184810.
  31. ^ Kamon, M.; Zhang, H.; Katsumi, T. (2002). "Efecto redox en la conductividad hidráulica del revestimiento de arcilla" (PDF) . Suelos y cimentaciones . 42 (6): 79–91. Código Bibliográfico :2002SoFou..42...79K. doi :10.3208/sandf.42.6_79.
  32. ^ Tang, Q.; Wang, HY; Chen, H.; Li, P.; Tang, XW; Katsumi, T. (2015). "Conductividad hidráulica a largo plazo de arcilla compactada permeada con lixiviados de vertedero" (PDF) . Publicación especial de la Sociedad Geotécnica Japonesa . 2 (53): 1845–1848. doi : 10.3208/jgssp.CHN-52 .
  33. ^ , Moreira, FD; Dias, EHO (2020). "Humedales construidos aplicados en saneamiento rural: una revisión". Investigación ambiental . 190 : 110016. Bibcode :2020ER....19010016M. doi :10.1016/j.envres.2020.110016. PMID  32768473.
  34. ^ Suliman, F.; French, HK; Haugen, LE; Søvik, AK (2006). "Cambio en los patrones de flujo y transporte en humedales construidos con flujo subterráneo horizontal como resultado del crecimiento biológico". Ingeniería ecológica . 27 (2): 124–133. Bibcode :2006EcEng..27..124S. doi :10.1016/j.ecoleng.2005.12.007.
  35. ^ Lee, MD; Thomas, JM; Borden, RC; Bedient, PB; Ward, CH; Wilson, JT (1998). "Biorrestauración de acuíferos contaminados con compuestos orgánicos" (PDF) . Revisión crítica en control ambiental . 18 (1): 29–89. doi :10.1080/10643388809388342.
  36. ^ Naftz, D.; Morrison, S. J.; Fuller, CC; Davis, JA (2002). Manual de remediación de aguas subterráneas utilizando barreras reactivas permeables: aplicaciones a radionucleidos, metales traza y nutrientes . Cambridge, Massachusetts: Academic Press. ISBN 978-0125135634.
  37. ^ Komlos, J.; Cunningham, AB; Camper, AK; Sharp, RR (2004). "Barreras de biopelícula para contener y degradar el tricloroetileno disuelto". Environmental Progress . 23 (1): 69–77. Bibcode :2004EnvPr..23...69K. doi :10.1002/ep.10003.
  38. ^ Seki, K.; Thullner, M.; Hanada, J.; Miyazaki, T. (2006). "Biobstrucción moderada que conduce a rutas de flujo preferenciales en biobarreras" (PDF) . Monitoreo y remediación de aguas subterráneas . 26 (3): 68–76. Bibcode :2006GMRed..26c..68S. doi :10.1111/j.1745-6592.2006.00086.x. S2CID  97009671.
  39. ^ Lappan, RE; Fogler, HS (1996). "Reducción de la permeabilidad de los medios porosos a partir del crecimiento in situ de Leuconostoc mesenteroides y la producción de dextrano". Biotecnología y bioingeniería . 50 (1): 6–15. CiteSeerX 10.1.1.1017.5978 . doi :10.1002/(SICI)1097-0290(19960405)50:1<6::AID-BIT2>3.0.CO;2-L. PMID  18626894. S2CID  803784. 
  40. ^ Ivanov, V.; Stabnikov, V. (2017). "Bioclogging y biogrouts". Biotecnología de la construcción: biogeoquímica, microbiología y biotecnología de materiales y procesos de construcción . Nueva York: Springer. pp. 139–178. doi :10.1007/978-981-10-1445-1_8. ISBN 978-9811014444.
  41. ^ Ivanov, V.; Chu, J. (2008). "Aplicaciones de microorganismos a la ingeniería geotécnica para la bioobstrucción y biocementación del suelo in situ". Reseñas en Ciencias Ambientales y Bio/Tecnología . 7 (2): 139–153. Bibcode :2008RESBT...7..139I. doi :10.1007/s11157-007-9126-3.
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