La biorremediación se refiere en términos generales 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, el agua, el suelo, los gases de combustión, los 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 del ambiente contaminado. [1] En comparación con los métodos de tratamiento fisicoquímicos convencionales, la biorremediación puede ofrecer ventajas considerables, ya que pretende ser sostenible, ecológica, barata y escalable. [1]
La mayor parte de la biorremediación es inadvertida e involucra organismos nativos. La investigación sobre biorremediación se centra en gran medida en estimular el proceso mediante la inoculación de un sitio contaminado con organismos o el suministro de nutrientes para promover el crecimiento. En principio, la biorremediación podría utilizarse para reducir el impacto de los subproductos creados por actividades antropogénicas, como la industrialización y los procesos agrícolas. [2] [3] La biorremediación podría resultar menos costosa y más sostenible que otras alternativas de remediación . [4]
UNICEF, los productores de energía, los proveedores de agua a granel y los gobiernos locales son los primeros en adoptar medidas de biorremediación de bajo costo, como tabletas de bacterias aeróbicas que simplemente se dejan caer en el agua. [5]
Mientras que los contaminantes orgánicos son susceptibles de biodegradarse , los metales pesados no se degradan, sino que se oxidan o reducen. Las biorremediaciones típicas implican oxidaciones. 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. [6] Para los metales pesados, la biorremediación ofrece pocas soluciones. Los contaminantes que contienen metales se pueden eliminar o reducir con diversas técnicas de biorremediación. [7] El principal desafío para las biorremediaciones es la velocidad: los procesos son lentos. [8]
Las técnicas de biorremediación se pueden clasificar como (i) técnicas in situ , que tratan los sitios contaminados directamente, versus (ii) técnicas ex situ que se aplican a materiales excavados. [9] En ambos enfoques, se agregan 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 bioasperjado , el compostaje (biopilas y hileras) y el landfarming . Otras técnicas de remediación incluyen desorción térmica , vitrificación , extracción con aire , biolixiviación , rizofiltración y lavado de suelos. El tratamiento biológico, o biorremediación, es un enfoque similar que se utiliza para tratar desechos, incluidas aguas residuales, desechos industriales y desechos sólidos. El objetivo final de la biorremediación es eliminar o reducir los compuestos nocivos para mejorar la calidad del suelo y el agua. [10]
La bioventilación es un proceso que aumenta el flujo de oxígeno o aire hacia la zona no saturada del suelo, lo que a su vez aumenta la tasa de degradación natural in situ del contaminante de hidrocarburo objetivo. [12] La bioventilación, una biorremediación aeróbica, es la forma más común de proceso de biorremediación oxidativa en la que se proporciona oxígeno como aceptor de electrones para la oxidación del petróleo , hidrocarburos poliaromáticos (PAH), fenoles y otros contaminantes reducidos. El oxígeno es generalmente el aceptor de electrones preferido debido al mayor rendimiento energético y porque algunos sistemas enzimáticos requieren oxígeno para iniciar 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 peso bajo a moderado 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 agrega 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 los contaminantes oxidados (nitrato, perclorato) . , metales oxidados, disolventes clorados, explosivos y propulsores). [6] En ambos enfoques, se pueden agregar 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 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 el rociado de aire . [13] Los sistemas de recirculación suelen consistir 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 modifica con nutrientes y se reinyecta. [14] Sin embargo, la cantidad de oxígeno que se puede proporcionar mediante este método está limitada por la baja solubilidad del oxígeno en agua (8 a 10 mg/L para agua en equilibrio con aire a temperaturas típicas). Se pueden proporcionar mayores cantidades de oxígeno poniendo en contacto el agua con oxígeno puro o añadiendo peróxido de hidrógeno (H 2 O 2 ) 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 H 2 O 2 que luego se descompone liberando oxígeno. El rociado de aire implica la inyección de aire a presión 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. [13] [14]
La biorremediación puede llevarse a cabo mediante bacterias que están presentes de forma natural. En la bioestimulación, la población de estas útiles bacterias se puede aumentar agregando nutrientes. [7] [16]
En principio, las bacterias pueden utilizarse para degradar los hidrocarburos. [17] [18] Específicamente para los derrames de petróleo marinos, el nitrógeno y el fósforo han sido nutrientes clave en la biodegradación. [19] La biorremediación de hidrocarburos adolece de bajos índices.
La biorremediación puede implicar la acción de un consorcio microbiano . Dentro del consorcio, el producto de una especie podría ser el sustrato de otra especie. [20]
En principio, la biorremediación anaeróbica puede emplearse para tratar una variedad de contaminantes oxidados, incluidos etilenos clorados ( PCE , TCE , DCE , VC) , etanos clorados ( TCA , DCA ), clorometanos ( CT , CF ), hidrocarburos cíclicos clorados, diversos energéticos (p. ej. , perclorato , [21] RDX , TNT ) y nitrato . [7] Este proceso implica la adición de un donante de electrones para: 1) agotar los aceptores de electrones de fondo, incluidos oxígeno, nitrato, hierro oxidado, manganeso y sulfato; y 2) estimular la reducción biológica y/o química de los contaminantes oxidados. El cromo hexavalente (Cr[VI]) y el uranio (U[VI]) pueden reducirse a formas menos móviles y/o menos tóxicas (p. ej., Cr[III], U[IV]). De manera similar, la reducción de sulfato a sulfuro (sulfidogénesis) se puede utilizar para precipitar ciertos metales (p. ej., zinc , cadmio ). 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 mediante instalaciones de pozos convencionales, mediante tecnología de empuje directo o mediante excavación y relleno, como barreras reactivas permeables (PRB) o biomuros. [22] 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 sustratos de liberación lenta pueden potencialmente migrar mediante advección y difusión, proporcionando zonas de tratamiento más amplias pero de menor duración. 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. [7] [6]
Durante la bioatenuación, la biodegradación ocurre naturalmente con la adición de nutrientes o bacterias. Los microbios autóctonos presentes determinarán la actividad metabólica y actuarán como una atenuación natural. [23] Si bien no hay participación antropogénica en la bioatenuación, el sitio contaminado aún debe ser monitoreado. [23]
La bioaspersión es el proceso de remediación del agua subterránea a medida que se inyecta oxígeno y posibles nutrientes. Cuando se inyecta oxígeno, se estimulan las bacterias autóctonas para aumentar la tasa de degradación. [24] Sin embargo, la bioaspersión se centra en zonas saturadas y contaminadas, específicamente relacionadas con la remediación de aguas subterráneas. [25]
Las biopilas, similares a la bioventilación, se utilizan para reducir los contaminantes del petróleo mediante la introducción de hidrocarburos aeróbicos en los 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 eliminar oxígeno bajo presión negativa. [26]
Los sistemas de hileras son similares a las técnicas de compostaje en las que la tierra se remueve periódicamente para mejorar la aireación. [28] Este cambio periódico también permite que los contaminantes presentes en el suelo se distribuyan uniformemente, lo que acelera el proceso de biorremediación. [29]
El landfarming , o tratamiento de la tierra, es un método comúnmente utilizado para los derrames de lodos. Este método dispersa el suelo contaminado y lo airea mediante rotación cíclica. [30] Este proceso es una aplicación por encima de la tierra 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 que 5 pies, entonces es necesario excavar el suelo hasta la superficie. [14]
Los metales pesados están presentes en el medio ambiente debido a actividades antropogénicas o factores naturales. [7] Las actividades antropogénicas incluyen las emisiones industriales, los desechos electrónicos y la extracción de minerales. Los factores naturales incluyen la erosión mineral, la erosión del suelo y los incendios forestales. [7] Los metales pesados, incluidos el cadmio, el cromo, el plomo y el uranio, no se parecen a los compuestos orgánicos y no pueden biodegradarse. Sin embargo, los procesos de biorremediación pueden usarse potencialmente para reducir la movilidad de estos materiales en el subsuelo, reduciendo el potencial de exposición humana y ambiental. [31] Los metales pesados provenientes de estos factores están predominantemente presentes en las fuentes de agua debido a la escorrentía donde son absorbidos por la fauna y la flora marina. [7]
La movilidad de ciertos metales, incluidos el cromo (Cr) y el uranio (U), varía según el estado de oxidación del material. [32] Se pueden utilizar microorganismos para reducir la toxicidad y la movilidad del cromo reduciendo el cromo hexavalente, Cr(VI) a Cr trivalente (III). [33] El uranio se puede reducir desde el estado de oxidación U(VI), más móvil, al estado de oxidación U(IV), menos móvil. [34] [35] Se utilizan microorganismos en este proceso porque la tasa de reducción de estos metales suele ser lenta a menos que esté catalizada por interacciones microbianas. [36] También se están realizando investigaciones para desarrollar métodos para eliminar metales del agua mejorando la sorción del metal para paredes celulares. [36] Este enfoque ha sido evaluado para el tratamiento de cadmio, [37] cromo, [38] y plomo. [39] También se han explorado bacterias genéticamente modificadas para su uso en el secuestro de arsénico. [40] Los procesos de fitoextracción concentran contaminantes en la biomasa para su posterior eliminación.
En principio, las extracciones de metales pueden realizarse in situ o ex situ, donde se prefiere in situ ya que es menos costoso excavar el sustrato. [41]
La biorremediación no es específica de los metales. En 2010 se produjo un enorme derrame de petróleo en el Golfo de México . Se utilizaron poblaciones de bacterias y arqueas para rejuvenecer la costa tras el 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. [42] La biorremediación microbiana es una técnica moderna muy eficaz para restaurar sistemas naturales mediante la eliminación de toxinas del medio ambiente.
Para diversos herbicidas y otros pesticidas se han investigado heterótrofos tanto aeróbicos como anaeróbicos . [ cita necesaria ]
La biorremediación se puede utilizar para mineralizar contaminantes orgánicos, transformar parcialmente los contaminantes o alterar su movilidad. Los metales pesados y los radionúclidos son elementos que no pueden biodegradarse, pero sí biotransformarse en formas menos móviles. [43] [44] [45] En algunos casos, los microbios no mineralizan completamente el contaminante, lo que potencialmente produce un compuesto más tóxico. [45] Por ejemplo, en condiciones anaeróbicas, la deshalogenación reductora del TCE puede producir dicloroetileno (DCE) y cloruro de vinilo (VC), que se sospecha o se sabe que son carcinógenos . [43] Sin embargo, el microorganismo Dehalococcoides puede reducir aún más el DCE y el VC al producto no tóxico eteno. [46] Las vías moleculares para la biorremediación son de considerable interés. [43] Además, conocer estas vías ayudará a desarrollar nuevas tecnologías que puedan abordar sitios que tienen distribuciones desiguales de una mezcla de contaminantes. [24]
La biodegradación requiere una población microbiana con la capacidad metabólica para degradar el contaminante. [24] [44] Los procesos biológicos utilizados por estos microbios son altamente específicos, por lo tanto, muchos factores ambientales deben tenerse en cuenta y regularse también. [24] [43] Puede resultar difícil extrapolar los resultados de los estudios de prueba a pequeña escala a grandes operaciones de campo. [24] En muchos casos, la biorremediación lleva más tiempo que otras alternativas como el relleno en vertederos y la incineración . [24] [43] Otro ejemplo es la bioventilación, que es económica para biorremediar sitios contaminados; sin embargo, este proceso es extenso y puede tomar algunos años para descontaminar un sitio. [47] >
En las industrias agrícolas, el uso de pesticidas es un factor importante en la contaminación directa del suelo y la contaminación del agua de escorrentía. La limitación o remediación de los pesticidas es la baja biodisponibilidad. [48] Alterar el pH y la temperatura del suelo contaminado es una solución para aumentar la biodisponibilidad que, a su vez, aumenta la degradación de compuestos nocivos. [48]
El compuesto acrilonitrilo se produce comúnmente en entornos industriales pero contamina negativamente los suelos. Los microorganismos que contienen nitrilo hidratasas (NHase) degradaron los compuestos nocivos de acrilonitrilo en sustancias no contaminantes. [49]
Dado que la experiencia con contaminantes dañinos es limitada, se requieren prácticas de laboratorio para evaluar la efectividad, los diseños de tratamiento y estimar los tiempos de tratamiento. [47] Los procesos de biorremediación pueden tardar de varios meses a varios años, dependiendo del tamaño del área contaminada. [50]
El uso de la ingeniería genética para crear organismos diseñados específicamente para la biorremediación se encuentra bajo 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 informadores, que codifican proteínas capaces de controlar 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 en 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 la transferencia horizontal de genes. [54] 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 . [55] Se han creado medidas para abordar estas preocupaciones. Los organismos pueden modificarse de tal manera que sólo 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]
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 se encuentra en sus primeras etapas, el área está experimentando cambios masivos. crecimiento. [58]
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI inactive as of February 2024 (link)