bio remediacion

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADORFACULTAD DE CIENCIAS AGRÍCOLAS

INSTITUTO SUPERIOR DE POSTGRADO

MAESTRÍA EN GESTIÓN EMPRESARIAL DEL AGROECOTURISMO

MODULO IV

“ECOLOGÍA”

BIO-REMEDIACIÓN

INSTRUCTOR:

DR. JESÚS INCA

ALUMNA:

ING. ALBA CHÁVEZ

QUITO D.M., 30 DE SEPTIEMBRE DEL 2009

Ing. Agrop. Alba Chávez A. Bio-remediación septiembre 2009

BIO-REMEDIACIÓN

Objetivo General

Entender claramente los procesos de Bio-remediación y sus aplicaciones.

Objetivos Específicos

Definir los procesos biológicos naturales de las plantas Mediante el uso de Bio-remediación dar un apoyo a la agricultura Determinar las formas posibles de descontaminación in-situ Realizar un estudio de las labores a realizarse para evitar la perturbación de los lugares

a descontaminarse y sus alrededores Fomentar el cuidado del ambiente, tanto plantas, árboles y animales que contribuyen

a mantener el equilibrio del medio.

INTRODUCCIÓN

El crecimiento de la población y el avance de las actividades industriales a partir del siglo XIX trajeron serios problemas de contaminación ambiental. Desde entonces, los países generan más desperdicios, muchos de ellos no biodegradables o que se degradan muy lentamente en la naturaleza, lo que provoca su acumulación en el ambiente sin tener un destino seguro o un tratamiento adecuado. De este modo, en lugares donde no existe control sobre la emisión y el tratamiento de los desechos, es factible encontrar una amplia gama de contaminantes.

Habitualmente, los casos de contaminación que reciben mayor atención en la prensa son los derrames de petróleo. Pero, en el mundo constantemente están sucediendo acontecimientos de impacto negativo sobre el medio ambiente, incluso en el entorno directo, generados por un gran abanico de agentes contaminantes que son liberados al ambiente. Un ejemplo lo constituyen algunas industrias químicas que producen compuestos cuya estructura química difiere de los compuestos naturales, y que son utilizados como refrigerantes, disolventes, plaguicidas, plásticos y detergentes. El problema principal de estos compuestos es que son resistentes a la biodegradación, por lo cual se acumulan y persisten en el ambiente y lo perjudica tanto como a los seres vivos, entre ellos el ser humano.

En las últimas décadas, entre las técnicas empleadas para contrarrestar los efectos de los contaminantes, se comenzó a utilizar una práctica llamada Bio-remediación. El término Bio-remediación fue acuñado a principios de la década de los ‘80, y proviene del concepto de remediación, que hace referencia a la aplicación de estrategias físico-químicas para evitar el daño y la contaminación en suelos. Los científicos se dieron cuenta que era posible aplicar estrategias de remediación que fuesen biológicas, basadas esencialmente en la observación de la capacidad de los microorganismos de degradar en forma natural ciertos compuestos contaminantes.

Entonces, la Bio-remediación surge como una rama de la biotecnología que busca resolver los problemas de contaminación mediante el uso de seres vivos (microorganismos como hongos o bacterias y plantas) capaces de degradar compuestos que provocan desequilibrio en el medio ambiente, ya sea suelo, sedimento, fango o mar.


Fig. 1. Bacteria Pseudomona aeruginosa degradadora de Hidrocarburos

Los organismos que se utilizan para estos fines están presentes en el medio. Tal es el caso de bacterias como Lactobacillus, Bacillus, Spirillum, Pseudomonas…o de hongos como Aspergillus, Penicillium, Candida, Mucor. Estos organismos se han utilizado para eliminar el vertido producido en el mar o en las playas como consecuencia de mareas negras, tal es el caso de la limpieza de 10.000 m de playa del Parque Nacional de las Islas Atlánticas que sufrió los efectos de la marea negra. Este tipo de bacterias también fueron utilizadas en la limpieza de 110 millas de playa en el vertido del Exxon Valdez en Alaska en Marzo de 1989. Estas bacterias eliminan los hidrocarburos al digerirlos en su metabolismo.

Fig. 2. Marea negra del Prestige

También existen bacterias quimioautotróficas, que actúan a pH ácidos y temperaturas elevadas, que eliminan minerales sulfurados al utilizarlos como sustrato para la obtención de energía. Estas mismas bacterias pueden utilizarse en la recuperación de fósforo y de metales asociados a óxidos, para ello ha de generarse un medio ácido, para que las bacterias puedan actuar.


Fig. 3. Esquema de Bio-remediación

Todos estos organismos son susceptibles de selección, de mejora y de manipulación mediante técnicas de ingeniería genética. Esto plantea numerosas dudas e inquietudes debido al escaso conocimiento que se tiene de las interacciones que puedan existir con los organismos modificados genéticamente, tanto entre sí como entre ellos y el medio. Debe existir un control muy estricto de estos organismos cuando han sido manipulados mediante técnicas de ingeniería genética dado que pueden competir de forma ventajosa con los organismos del medio desplazándolos, ocasionando con esto alteraciones en las redes tróficas. Asimismo existe el riesgo de que una proliferación de estos organismos pueda causar daños en las instalaciones humanas, de no existir controles, como es el caso de los depósitos de combustible, tanques de combustible, yacimientos de hidrocarburos que puedan ser contaminados con bacterias devoradoras de petróleo.

Tipos de Bio-remediación

En los procesos de Bio-remediación generalmente se emplean mezclas de ciertos microorganismos o plantas capaces de degradar o acumular sustancias contaminantes tales como metales pesados y compuestos orgánicos derivados de petróleo o sintéticos.Básicamente, los procesos de Bio-remediación pueden ser de tres tipos:

Fig. 4: Diferentes modos de Bio-remediación.


1. Degradación enzimática

Este tipo de degradación consiste en el empleo de enzimas en el sitio contaminado con el fin de degradar las sustancias nocivas. Estas enzimas se obtienen en cantidades industriales por bacterias que las producen naturalmente, o por bacterias modificadas genéticamente que son comercializadas por las empresas biotecnológicas. Por ejemplo, existe un amplio número de industrias de procesamiento de alimentos que producen residuos que necesariamente deben ser posteriormente tratados.En estos casos, se aplican grupos de enzimas que hidrolizar (rompen) polímeros complejos para luego terminar de degradarlos con el uso de microorganismos. Un ejemplo lo constituyen las enzimas lipasas (que degradan lípidos) que se usan junto a cultivos bacterianos para eliminar los depósitos de grasa procedentes de las paredes de las tuberías que transportan los efluentes.

Otras enzimas que rompen polímeros utilizados de forma similar son las celulosas, proteinasas y amilasas, que degradan celulosa, proteínas y almidón, respectivamente. Además de hidrolizar estos polímeros, existen enzimas capaces de degradar compuestos altamente tóxicos. Estas enzimas son utilizadas en tratamientos en donde los microorganismos no pueden desarrollarse debido a la alta toxicidad de los contaminantes. Por ejemplo, se emplea la enzima peroxidasa para iniciar la degradación de fenoles y aminas aromáticas presentes en aguas residuales de muchas industrias.

2. Remediación microbiana

En este tipo de remediación se usan microorganismos directamente en el foco de la contaminación. Los microorganismos utilizados en Bio-remediación pueden ser los ya existentes (autóctonos) en el sitio contaminado o pueden provenir de otros ecosistemas, en cuyo caso deben ser agregados o inoculados.

La descontaminación se produce debido a la capacidad natural que tienen ciertos organismos de transformar moléculas orgánicas en sustancias más pequeñas, que resultan menos tóxicas. El hombre ha aprendido a aprovechar estos procesos metabólicos de los microorganismos, de esta forma, los microorganismos que pueden degradar compuestos tóxicos para el ambiente y convertirlos en compuestos inocuos o menos tóxicos, se aprovechan en el proceso de Bio-remediación. De esta forma, reducen la polución de los sistemas acuáticos y terrestres.

La gran diversidad de microorganismos existente ofrece muchos recursos para limpiar el medio ambiente y, en la actualidad, esta área está siendo objeto de intensa investigación. Existen, por ejemplo, bacterias y hongos que pueden degradar con relativa facilidad petróleo y sus derivados, benceno, tolueno, acetona, pesticidas, herbicidas, éteres, alcoholes simples, entre otros. Los metales pesados como uranio, cadmio y mercurio no son biodegradables, pero las bacterias pueden concentrarlos de tal manera de aislarlos para que sean eliminados más fácilmente.

Las actividades microbianas en el proceso de Bio-remediación se pueden resumir en el siguiente esquema:


Fig. 5: “METABOLISMO MICROBIANO”. Los microorganismos ingieren contaminantes como fuente de carbono y algunos nutrientes como fósforo y nitrógeno. La digestión de estos compuestos en sustancias más simples como parte del metabolismo del microorganismo, puede resultar en la degradación del compuesto en forma parcial (transformación) o total a dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O).

3. Remediación con plantas (fitorremediación)

La fitorremediación es el uso de plantas para limpiar ambientes contaminados. Aunque se encuentra en desarrollo, constituye una estrategia muy interesante, debido a la capacidad que tienen algunas especies vegetales de absorber, acumular y/o tolerar altas concentraciones de contaminantes como metales pesados, compuestos orgánicos y radioactivos. La fitorremediación ofrece algunas ventajas y desventajas frente a los otros tipos de Bio-remediación:

Ventajas: Las plantas pueden ser utilizadas como bombas extractoras de bajo costo para depurar

suelos y aguas contaminadas. Algunos procesos degradativos ocurren en forma más rápida con plantas que con

microorganismos. Es un método apropiado para descontaminar superficies grandes o para finalizar la

descontaminación de áreas restringidas en plazos largos.

Limitaciones:

El proceso se limita a la profundidad de penetración de las raíces o aguas poco profundas.

Los tiempos del proceso pueden ser muy prolongados. La Bio-disponibilidad de los compuestos o metales es un factor limitante de la captación.

Las plantas pueden incorporar las sustancias contaminantes mediante distintos procesos que se representan en la siguiente ilustración y se explican en la tabla que continúa:


Fig. 6. FITORREMEDIACIÓN: Tipos de fitorremediación, en donde se indica la zona de la planta en donde ocurre el proceso.

Tipo Proceso Involucrado Contaminación TratadaFitoextracción Las plantas se usan para concentrar metales

en las partes cosechables (hojas y raíces)Cadmio, cobalto, cromo, niquel, mercurio, plomo, plomo selenio, zinc

Rizofiltración Las raíces de las plantas se usan para absorber, precipitar y concentrar metales pesados a partir de efluentes líquidos contaminados y degradar compuestos orgánicos

Cadmio, cobalto, cromo, niquel, mercurio, plomo, plomo selenio, zinc isótopos radioactivos, compuestos fenólicos

Fitoestabilización Las plantas tolerantes a metales se usan para reducir la movilidad de los mismos y evitar el pasaje a napas subterráneas o al aire.

Lagunas de deshecho de yacimientos mineros. Propuesto para fenólicos y compuestos clorados.

Fitoestimulación Se usan los exudados radiculares para promover el desarrollo de microorganismos degradativos (bacterias y hongos)

Hidrocarburos derivados del petróleo y poliaromáticos, benceno, tolueno, atrazina, etc

Fitovolatilización Las plantas captan y modifican metales pesados o compuestos orgánicos y los liberan a la atmósfera con la transpiración.

Mercurio, selenio y solventes clorados (tetraclorometano y triclorometano)

Fitodegradación Las plantas acuáticas y terrestres captan, almacenan y degradan compuestos orgánicos para dar subproductos menos tóxicos o no tóxicos.

Municiones (TNT, DNT, RDX, nitrobenceno, nitrotolueno), atrazina, solventes clorados, DDT, pesticidas fosfatados, fenoles y nitrilos, etc.

Se conocen alrededor de 400 especies de plantas con capacidad para hiperacumular selectivamente alguna sustancia. En la mayoría de los casos, no se trata de especies raras, sino de cultivos conocidos. Así, el girasol (Heliantus anuus) es capaz de absorber en grandes cantidades el uranio depositado en el suelo. Los álamos (género Populus) absorben selectivamente níquel, cadmio y zinc. También la pequeña planta Arabidopsis thaliana de gran utilidad para los biólogos es capaz de hiperacumular cobre y zinc.


Incluso existen especies vegetales capaces de eliminar la alta salinidad del suelo, gracias a su capacidad para acumular el cloruro de sodio. En general, hay plantas que convierten los productos que extraen del suelo a componentes inocuos, o volátiles. Pero cuando se plantea realizar un esquema de fitorremediación de un cuerpo de agua o un área de tierra contaminados, se siembra la planta con capacidad (natural o adquirida por ingeniería genética) de extraer el contaminante particular, y luego del período de tiempo determinado, se cosecha la biomasa y se incinera o se le da otro curso dependiendo del contaminante. De esta forma, los contaminantes acumulados en las plantas no se transmiten a través de las redes alimentarias a otros organismos.

Uso de organismos modificados genéticamente en Bio-remediación

En los últimos años, los avances en ingeniería genética han permitido el desarrollo de organismos transgénicos. Y la biorremediación hace uso de esta nueva tecnología para resolver varios problemas de contaminación.

Muchos grupos de investigación están desarrollando en el laboratorio, plantas y microorganismos genéticamente modificados para ser mejores agentes de biorremediación, es decir que degraden mejor o más eficientemente a los agentes contaminantes.

Un grupo de investigación utilizó un gen llamado merA, que codifica para la enzima reductasa del ion mercúrico, altamente tóxico, que cataliza su reducción hasta la forma volátil y poco tóxica de mercurio elemental, gaseoso en condiciones de temperatura no muy elevadas. Estos investigadores, consiguieron la transferencia del gen bacteriano merA a cultivos de Liriodendro tulipifera (álamo amarillo). El gen se expresó adecuadamente en ese material vegetal, de modo que las plántulas regeneradas germinaron y crecieron vigorosamente en los medios de cultivo, que contenían niveles de iones mercurio que son normalmente tóxicos, siendo capaces de captarlo en su forma iónica y de reducirlo en el interior de la planta, tras lo cual era liberado en la forma gaseosa no tóxica.

Se están perfeccionando nuevos métodos de biotecnología para el tratamiento del agua, que eliminarán los compuestos que contengan fósforo, nitrógeno y azufre. Este bioprocesamiento se está extendiendo a varios procesos industriales, entre ellos los de las industrias petroquímicas, químicas y mineras, con el uso de bacterias oxidantes.

La Bio-remediación mediante bacterias ofrece grandes posibilidades de limpiar y descontaminar sistemas complejos y gracias a sus ventajas económicas y ambientales será una de las tecnologías más desarrolladas durante este siglo. Se están utilizando cepas especializadas de microorganismos de alta actividad para tratar agentes contaminantes en diferentes sectores, como las industrias que utilizan catalizadores, las textiles, las curtiembres, el procesamiento de celulosa y almidón, la galvanoplastia, la minería, el desengrasado y recubrimiento de superficies y la impresión.

Nuevos desarrollos biotecnológicos en plantas y bacterias

Entre los desarrollos biotecnológicos que se están llevando a cabo para procesos de fitorremediación se encuentran los siguientes:

Rizofiltración para la extracción de Uranio de aguas subterráneas en Asthabula, Ohio, EEUU. Rizofiltración a nivel de cultivo in vitro para detoxificar compuestos fenólicos en aguas

contaminadas (por ejemplo los derivados de los herbicidas tradicionales y contaminantes


como el 2,4-D) en la Universidad Nacional de Río Cuarto, Córdoba por el grupo de investigación de la Dra. Elizabeth Agostini.

Fitovolatilización de mercurio (Hg) por medio de plantas transgénicas (Arabidopsis thaliana) que fueron transformadas con dos genes provenientes de microorganismos que pueden transformar el mercurio iónico en mercurio más estable.

Plantas transgénicas de tabaco con genes provenientes de bacterias que le permiten detoxificar TNT y GTN en suelos de campos minados.

Plantas transgénicas de Arabidopsis thaliana que toleran la acumulación de cadmio, arsénico y mercurio.

Bacterias Pseudomonas transgénicas que son capaces de degradar compuestos tóxicos que contienen cloro en compuestos menos nocivos.

Microorganismos capaces de degradar TNT, un explosivo de gran potencia y muy agresivo para el entorno.

Bacterias capaces de reducir las formas altamente tóxicas de mercurio en otras menos tóxicos y volátiles.

Bacterias que transforman metales del suelo en formas menos tóxicas o insolubles. Por ejemplo: la reducción de cromo (Cr+6 a Cr+3).

La utilización de la bacteria Deinococcus radiodurans para eliminación de elementos radiactivos presentes en el suelo y aguas subterráneas. Este microorganismo es un extremófilo que resiste condiciones extremas de radiación, sequedad, agentes oxidantes y diversos compuestos mutagénicos.

Cianobacterias a las que se le han introducido genes de bacterias Pseudomonas con capacidad de degradar diferentes hidrocarburos o pesticidas.

FUNDAMENTO BIOQUÍMICO DE LA BIODEGRADACIÓN

El fundamento bioquímico de la biorremediación se basa en que en la cadena respiratoria, o transportadora de electrones de las células, se van a producir una serie de reacciones de óxido-reducción cuyo fin es la obtención de energía. La cadena la inicia un sustrato orgánico (compuestos hidrocarburados) que es externo a la célula y que actúa como dador de electrones, de modo que la actividad metabólica de la célula acaba degradando y consumiendo dicha sustancia.

Fig. 7. Parámetros implicados en el proceso de bio-remediación


Los aceptores más comúnmente utilizados por los microorganismos son el oxígeno, los nitratos, el hierro (III), los sulfatos y el dióxido de carbono. Cuando el oxígeno es utilizado como aceptor de electrones la respiración microbiana se produce en condiciones aerobias, y los procesos de biodegradación serán de tipo aerobio; sin embargo, si utiliza los sulfatos o el dióxido de carbono se produce en condiciones reductoras o anaerobias, y los procesos de biodegradación serán de tipo anaerobio

Fig. 8. Esquema de Reacciones

La concentración y composición de la comunidad microbiana y la tasa de transformación de contaminantes está influenciada por diversos factores:

Necesidad de nutrientes: El metabolismo microbiano está orientado a la reproducción de los organismos y éstos requieren que los constituyentes químicos se encuentren disponibles para su asimilación y sintetización. Los nutrientes principalmente requeridos son el fósforo y el nitrógeno. Por lo general suele haber en el suelo una concentración de nutrientes suficiente, sin embargo, si estos no se encontrasen en el rango normal se puede adicionar mayor cantidad al medio. El rango normal de C:N:P depende del sistema de tratamiento a emplear, siendo de modo habitual 100:10:1.

pH del suelo: afecta significativamente en la actividad microbiana. El crecimiento de la mayor parte de los microorganismos es máximo dentro de un intervalo de pH situado entre 6 y 8. Así mismo el pH también afecta directamente en la solubilidad del fósforo y en el transporte de metales pesados en el suelo. La acidificación o la reducción del pH en el suelo se puede realizar adicionando azufre o compuestos del azufre.

Temperatura: generalmente las especies bacterianas crecen a intervalos de temperatura bastante reducidos, entre 15 y 45 ºC (condiciones mesófilas), decreciendo la biodegradación por desnaturalización de las enzimas a temperaturas superiores a 40 ºC e inhibiéndose a inferiores a 0 ºC.

Humedad: los microorganismos requieren unas condiciones mínimas de humedad para su crecimiento. El agua forma parte del protoplasma bacteriano y sirve como medio de transporte a través del cual los compuestos orgánicos y nutrientes son movilizados hasta el interior de las células. Un exceso de humedad inhibirá el crecimiento bacteriano al reducir la concentración de oxígeno en el suelo. El rango varía en función de la técnica.

Estructura química del hidrocarburo: la inherente biodegradabilidad de un hidrocarburo depende, en gran medida, de su estructura molecular. Siendo los parámetros que más van a afectar la halogenación, la existencia de ramificaciones, la baja solubilidad en el agua y la diferente carga atómica.


FACTORES QUE DETERMINAN LA EFICACIA DE LA TÉCNICA

Bioventing o inyección de aire

La técnica del bioventing es un tratamiento de biorrecuperación de tipo “in situ”, consistente en la ventilación forzada del suelo mediante la inyección a presión de oxígeno (aire) en la zona no saturada del suelo a través de pozos de inyección.

Debido a la aireación del suelo se va a favorecer la degradación de los hidrocarburos por dos motivos: por volatilización, facilitando la migración de la fase volátil de los contaminantes, y por biodegradación, ya que al incrementar la oxigenación del suelo se van a estimular la actividad bacteriana.

Los factores a tener en cuenta en la aplicación del bioventing o inyección de aire natural son:

Se degradarán más fácilmente las moléculas más pequeñas (hasta C20), siendo más fácilmente biodegradables los compuestos parafinados o de cadena lineal que los compuestos aromáticos. En general, son favorables los compuestos de alta volatilidad (presión de vapor mayor de 10 mm de Hg a 20ºC).

Los suelos deben contener bajos contenidos en arcilla y ser lo más homogéneamente posible, con un valor de permeabilidad al aire adecuado (> 10-10 cm2).

El principal problema es la biodisponibilidad de los microorganismos. Cuanto menor es la solubilidad de los contaminantes menor será la biodisponibilidad.

Los aportes de oxígeno deben ser suficientes, así como la existencia de fuentes de carbono, aceptores de electrones y energía suficientes.

No debe existir de producto libre en flotación sobre el nivel freático.

Deben existir unas condiciones óptimas de pH (6 y 8), de humedad (12-30% en peso), potencial redox mayor de -50 mV, temperatura entre 0 y 40 ºC y los nutrientes del suelo en relación N:P de 10:1.

Biopilas

La técnica de biopilas es un tratamiento de biorrecuperación de tipo “ex situ” en condiciones no saturadas, consiste en la reducción de la concentración de contaminantes derivados del petróleo en suelos excavados mediante el uso de la biodegradación.

La técnica consiste en la formación de pilas de material biodegradable de dimensiones variables, formadas por suelo contaminado y materia orgánica (compost) en condiciones favorables para el desarrollo de los procesos de biodegradación de los contaminantes. Estas pilas de compost pueden ser aireadas de forma activa, volteando la pila, o bien de forma pasiva, mediante tubos perforados de aireación.

En principio, las biopilas se pueden aplicar a la mayoría de los compuestos orgánicos, siendo más eficaz en los compuestos de carácter más ligero. Entre los factores que influyen en la aplicación de las biopilas destacan:


Los hidrocarburos deben ser no halogenados y deben encontrarse en el suelo en concentraciones menores a 50.000 ppm.

Dada la necesidad de excavación y posterior depósito del suelo contaminado, se requiere una superficie de trabajo relativamente grande cuyas dimensiones dependen del volumen de suelo a tratar.

Necesidad de una densidad de poblaciones microbianas (>1.000 CFU/gramo de suelo), condiciones de humedad (40-85% de capacidad de campo), temperatura (10 y 45ºC),

Necesidad de tiempos de actuación cortos (meses) y coste medio-alto. textura (baja proporción de arcillas), pH del suelo adecuadas (6 y 8) y baja presencia de metales pesados (< 2.500 ppm).

La concentración de nutrientes en el suelo cuyo rango normal de C:N:P sea de 100:10:1.

El tiempo de actuación puede ser alto (meses a años) y el coste bajo.

Atenuación natural

La atenuación natural, aunque no está considerada como una técnica de descontaminación propiamente dicha, está englobada dentro de las técnicas de remediación in situ de muy bajo coste. Su característica principal es la utilización de los procesos fisicoquímicos de interacción contaminante-suelo y los procesos de biodegradación que tienen lugar de forma natural en el medio. Estos procesos se conocen como procesos de biotransformación natural.

Los procesos de biotransformación natural son aquellos que van a reducir la concentración de los contaminantes y entre los que se encuentran la dilución, dispersión, volatilización, adsorción, biodegradación y aquellas reacciones químicas que se producen en el suelo o en el agua y que contribuyen de alguna forma a la disminución de la contaminación.

Esta técnica se aplica en aquellos casos en los que exista contaminación tanto en suelos como aguas subterráneas producida por hidrocarburos de tipo halogenado o no halogenado.Entre los factores que influyen en la eficacia y viabilidad de la atenuación natural destacan:

La exigencia de protección y el riesgo de los potenciales receptores durante el tiempo que dura la atenuación.

La existencia de unas condiciones geológicas y geoquímicas favorables. Las necesidades de reducción de la masa contaminante en un intervalo razonable de

tiempo (meses a años), tanto en la superficie del suelo como en la zona más subsuperficial del mismo, así como de la calidad de las aguas subterráneas.

Confirmación de la existencia de los tipos y número de poblaciones de microorganismos que puedan biodegradar los contaminantes.

Producción y conservación en el medio de subproductos de carácter persistente o más tóxico que los iniciales, durante y después de la atenuación natural.

No existencia de producto libre en flotación sobre el nivel freático Para condiciones aerobias la condición ambiental óptima de concentración de oxígeno

disuelto en el agua debe ser superior a 0,5 mg/l. La concentración de los compuestos utilizados como aceptores de electrones en

condiciones anaerobias debe ser superior a 0,21 mg/l para nitratos, la de Fe 3+ para que pueda ser reducido a Fe 2+ debe ser superior a 21,8 mg/l y la de sulfatos mayor de 0,21 mg/l.

El potencial redox debe estar situado entre un rango de -400 y 800 mV. Existencia de un coeficiente de retardo favorable para que se produzcan los

fenómenos de sorción con suficiente eficacia.


Que se produzca una dilución suficiente para que la concentración se vea disminuida aguas abajo del foco contaminante.

La dispersión de los contaminantes aguas abajo del foco y en la dirección de flujo debe ser adecuada para que exista una mayor disponibilidad proporción entre los contaminantes y los aceptores de electrones.

Bioestimulación

La bioestimulación consiste en la introducción de modificaciones en el medio, mediante el aporte de nutrientes, aireación y otros procesos (“biostimulation” o “enhanced bioremediation”). En ocasiones será suficiente añadir oxígeno mediante aireación, aunque en otros se podría requerir la adición de nutrientes o ajustes de pH. En todo caso, estas aproximaciones son válidas siempre y cuando los microorganismos autóctonos sean capaces de degradar el contaminante tras un proceso más o menos largo de aclimatación previa.

En lo que se refiere a la adición de nutrientes, la biorremediación requiere que estos entren en contacto con el área impregnada por el contaminante y que su concentración sea suficiente para soportar el crecimiento máximo previsto de la población degradadora en el transcurso de las operaciones de remediación. Estos dos factores van a resultar claves en los intentos de biorremediación en las costas afectadas por el vertido del Prestige.

Bioaumentación

Otras líneas de investigación han llevado a la introducción de microorganismos aclimatados o incluso modificados genéticamente en el medio, con el fin de mejorar la biodegradación (Walter, 1997; Atlas y Unterman, 1999). Esta técnica funciona en condiciones de laboratorio o birreactor, pero en ambientes externos (suelo, agua) su implantación depende de una serie de factores (Alexander, 1999).

• El tamaño de la población de microorganismos degradadores crece rápidamente como respuesta a la contaminación del medio y es muy difícil, si no imposible, incrementar la población microbiana más allá de esos valores.• La capacidad de carga de muchos ambientes viene determinada por factores tales como la presencia de toxinas, nutrientes y condiciones ambientales, movilidad y/o distribución de los microorganismos y la presencia de abundante materia orgánica.• Los microorganismos añadidos deben sobrevivir a los depredadores y competir con éxito con la población autóctona antes de ocupar los nichos potenciales.• En general, los ambientes más selectivos y la utilización de consorcios microbianos (ver abajo) favorecen la bioaumentación.

Existen en el mercado productos comerciales, ensayados en el laboratorio, que reúnen microorganismos con gran potencial biodegradados (Korda et al., 1997).Sin embargo, la reintroducción de microorganismos indígenas, aislados del sitio contaminado y cultivados posteriormente, es más efectiva, especialmente cuando se acompañan de un suplemento nutricional y oxígeno. Por otro lado, es probable que el desarrollo de microorganismos manipulados genéticamente (MMG) (Timmis y Pieper, 1999; De Lorenzo, 2001) pueda en el futuro permitir abordar con éxito la degradación a escala real de compuestos que por sus características químicas son resistentes. Esta aproximación incluye también la ampliación de la capacidad degradativa de una bacteria frente a distintos compuestos, así como el incremento de las tasas de degradación.


No obstante, los problemas de persistencia de cepas modificadas en el ambiente y los aspectos legales relacionados con la liberación de MMG, hacen esta solución no factible a corto plazo.

Interacciones microbianas con los contaminantes

La capacidad de obtener en el laboratorio, mediante manipulación genética, microorganismos con mejores propiedades degradativas de compuestos contaminantes no debe oscurecer el hecho de que, en los ambientes naturales, los microorganismos poseen una notable capacidad de adaptación, lo que se favorece por su integración en poblaciones dentro de una comunidad. La base de este fenómeno se encuentra, por una parte, en la adquisición de nuevas capacidades metabólicas, mediante mecanismos de variación genética convencionales (mutación, conversión génica, duplicación, transposición) o intercambio de genes y, por otra, en la posibilidad de complementación de las actividades metabólicas de los distintos grupos. La capacidad de intercambio genético entre las poblaciones, mediante conjugación, transformación y transducción se ha comenzado a analizar a nivel de laboratorio (Jaenecke et al., 1996) y constituye una fuerza directora notable en la evolución que conduce a la adaptación a nuevos ambientes, incluyendo los contaminados (Paul, 1999).

Esta aproximación incluye también la ampliación de la capacidad degradativa de una bacteria frente a distintos compuestos, así La complementación de las actividades metabólicas se lleva a cabo mediante relaciones de cometabolismo y/o sintrofismo. El cometabolismo es una actividad importante desde el punto de vista medioambiental, con matices complejos, que no podemos desarrollar en este espacio. Implica, esencialmente, el metabolismo "gratuito" (es decir, no útil para el crecimiento u obtención de energía) de un substrato secundario (compuesto contaminante) por enzimas que requieren otro substrato primario diferente, el cual proporciona la energía y/o los cofactores reductores necesarios. Ambas actividades enzimáticas pueden ser diferentes y el resultado es, en teoría, la acumulación de productos de reacción a partir del contaminante. En la práctica, la existencia de otros microorganismos hace factible la degradación posterior de esos productos mediante reacciones sintróficas y, en última instancia, su mineralización (descartando la posibilidad, a tener en cuenta, de que dichos productos sean tóxicos, y/o persistentes) (Alexander, 1999; Wackett y Hershberger, 2001).

El término de sintrofía, por tanto, implica la acción concertada de diferentes microorganismos sobre un sustrato(-s), mediante la combinación de sus actividades metabólicas, lo que permite su degradación. Esta no sería posible en presencia de los microorganismos aislados. Se comprende entonces la importancia de las poblaciones mixtas (que a veces se denominan consorcios) para la degradación más efectiva de los contaminantes orgánicos. Todo esto se refleja en el creciente aumento de datos experimentales, en los que la bioaumentación con consorcios microbianos, tanto a nivel de laboratorio como en el campo, está produciendo resultados esperanzadores (ejemplos aplicados al petróleo o sus derivados se encuentran en Mishra et al., 2001; Vasudevan et al., 2001; Potter y Duval, 2001; Rahman et al., 2002; Vinas et al., 2002).

Por último, y no menos importante en cuanto a facilitar la degradación de los compuestos orgánicos por las poblaciones microbianas, está la capacidad de producir biosurfactantes y bioemulsionantes (Ron y Rosenberg, 2001; Lang, 2002; Christofi e Ivshina, 2002). Los primeros se manifiestan como agentes que disminuyen la tensión superficial del agua (tensioactivos) y los segundos estabilizan las emulsiones entre el agua y otro líquido. La presencia o utilización de microorganismos con esa capacidad en un medio contaminado es un factor a considerar, por facilitar la disponibilidad de los compuestos hidrofóbicos (aspecto ya mencionado atrás) y


por la propia biodegradabilidad de los biosurfactantes, que descarta los efectos potencialmente nocivos de estas moléculas

ARTÍCULODISEÑO Y APLICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE BIOTRATAMIENTO

El diseño de estos sistemas de tratamiento se llevará a cabo estableciendo varias etapas de trabajo.

Fig. 9: Esquema de diseño y aplicación de los sistemas de biotratamiento.

Fase de investigación y caracterización de la contaminación y del emplazamiento

El primer paso para preparar el diseño de biotratamiento en el suelo es la realización de una completa investigación del medio, que incluye principalmente el estudio exhaustivo de la caracterización del emplazamiento y del tipo y concentración de la contaminación existente.

La caracterización del emplazamiento se llevará a cabo mediante el estudio del mismo detallando la volumetría del suelo a tratar, las condiciones geológicas e hidrogeológicas, analizando las características del suelo y sus propiedades (pH, granulometría, humedad, porosidad, etc.).

La caracterización del contaminante se centrará en la investigación del tipo y concentración del mismo, así como la biodisponibilidad de los compuestos en el suelo (aceptores de electrones, metales pesados, nutrientes, etc.).

Análisis y elección de las medidas biocorrectivas

De la fase de investigación inicial, una vez identificadas las características del emplazamiento, del suelo y del contaminante, se podrá pasar al análisis y elección de las medidas biocorrectivas más adecuadas. Para ello será necesario:1. Identificar y cuantificar los contaminantes. Definiendo sus propiedades físico-químicas más importantes.


Identificación y clasificación de compuestos. Concentración en suelos y aguas subterráneas. Caracterización de la presión de vapor, constante de Henry, densidad y grado de

solubilidad.

2. Conocer los factores que influyen en la transformación biológica de los contaminantes

Factores ambientales: tales como humedad, oxígeno disuelto, temperatura, pH, disponibilidad de nutrientes.

Factores microbiológicos: presencia de microorganismos y aclimatación de las poblaciones microbianas.

Designar las medidas biocorrectivas. En función de los factores anteriormente expuestos, se elegiría el sistema de biotratamiento más adecuado.

Diseño y evaluación del sistema

Para el diseño de un sistema de biorrecuperación es necesario establecer unas etapas de trabajo, en las cuales se determinan y evalúan los parámetros fundamentales necesarios para su eficacia.

Las etapas a seguir en el diseño de un sistema de biotratamiento son:

1. Evaluación de la viabilidad de la técnica. Se estudiarán los parámetros de evaluación que definen el sistema elegido, así como se evaluará las condiciones de biotratabilidad, los objetivos de limpieza exigidos y los costes de tratamiento necesarios.2. Evaluación del diseño. Se estudiarán los factores que afectan la eficacia de la técnica y las posibles mejores o acondicionamientos a aplicar.3. Evaluación del control y seguimiento

Control y seguimiento

Para asegurar la correcta ejecución y un progreso adecuado del tratamiento se debe llevar a cabo un plan de control y seguimiento del sistema.

Para una correcta optimización se deberán controlar los siguientes puntos:

1. Control de las condiciones de degradación y biodegradación. Se registrará la variación de concentración de TPH, BTEX, COV’s, CO2 desprendido y Oxigeno disuelto, variación de nutrientes (N, P, etc)2. Control de los parámetros que afectan directamente en el funcionamiento del sistema

Análisis e interpretación de resultados

En esta última etapa se analizan los resultados obtenidos, haciendo un balance de los objetivos alcanzados y los marcados inicialmente. En este punto, si fuese necesario, se deberán proponer y estudiar aquellas mejoras o modificaciones necesarias para la optimización del sistema.

CONCLUSIONES


Las medidas biocorrectivas o los sistemas de biorremediación son técnicas de descontaminación suficientemente estudiadas y evaluadas, basados en los procesos de biodegradación y fácilmente aplicables.

Se utiliza la Bio-remediación para el tratamiento de aguas residuales, para descontaminar el aire o el agua, también para limpieza de suelos que hayan recibido contaminantes.

Todos los microorganismos utilizados en Bio-remediación son susceptibles de selección, de mejora y de manipulación mediante técnicas de ingeniería genética. Esto plantea numerosas dudas e inquietudes debido al escaso conocimiento que se tiene de las interacciones que puedan existir con los organismos modificados genéticamente, tanto entre sí como entre ellos y el medio.

Debe existir un control muy estricto de estos organismos cuando han sido manipulados mediante técnicas de ingeniería genética dado que pueden competir de forma ventajosa con los organismos del medio desplazándolos, ocasionando con esto alteraciones en las redes tróficas.

Existe el riesgo de que una proliferación de estos organismos pueda causar daños en las instalaciones humanas, de no existir controles, como es el caso de los depósitos de combustible, tanques de combustible, yacimientos de hidrocarburos que puedan ser contaminados con bacterias devoradoras de petróleo.

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