La biorremediación de entornos contaminados con petróleo es un proceso en el que se utilizan las vías biológicas dentro de los microorganismos o plantas para degradar o secuestrar hidrocarburos tóxicos , metales pesados y otros compuestos orgánicos volátiles que se encuentran en los combustibles fósiles . Los derrames de petróleo ocurren con frecuencia en diversos grados junto con todos los aspectos de la cadena de suministro de petróleo, presentando una compleja variedad de problemas tanto para el medio ambiente como para la salud pública. [1] Si bien los métodos de limpieza tradicionales, como la contención y eliminación química o manual, a menudo dan resultados rápidos, la biorremediación requiere menos mano de obra, es más cara y evita daños químicos o mecánicos. [2] [3] La eficiencia y eficacia de los esfuerzos de biorremediación se basan en mantener las condiciones ideales, como el pH , el potencial RED-OX , la temperatura , la humedad , la abundancia de oxígeno, la disponibilidad de nutrientes, la composición del suelo y la estructura del contaminante, para el organismo o la vía biológica deseados para facilitar las reacciones. [4] Los tres tipos principales de biorremediación utilizados para los derrames de petróleo incluyen la remediación microbiana, la fitorremediación y la micorremediación . La biorremediación se ha implementado en varios derrames de petróleo notables , incluido el incidente del Exxon Valdez de 1989 , donde la aplicación de fertilizantes en la costa afectada aumentó las tasas de biodegradación . [5]
La contaminación por petróleo de los ambientes terrestres y marinos es resultado de la prospección , extracción , refinamiento , transporte y almacenamiento de petróleo. Los derrames de petróleo han sido un problema global desde el surgimiento de la industria petrolera a principios del siglo XX. El riesgo de derrames no intencionales e intencionales ha aumentado a medida que la industria energética y la demanda global se expanden. [6] El petróleo es una mezcla tóxica de compuestos orgánicos , trazas de metales pesados e hidrocarburos que incluyen muchos compuestos orgánicos volátiles persistentes ( COV ) e hidrocarburos aromáticos policíclicos ( HAP ). [7] El petróleo vertido en ambientes marinos es particularmente dañino debido a la rápida dispersión y la creación de contaminantes secundarios a través de la fotólisis . [8] La bioacumulación de petróleo en las cadenas alimentarias terrestres y marinas causa efectos sobre la salud tanto agudos como a largo plazo. La exposición al petróleo daña funciones críticas dentro de los organismos, incluida la reproducción , la regulación de los procesos fisiológicos y químicos y la función de los órganos. [9] Los grandes derrames alteran la dinámica de los ecosistemas, lo que lleva a la proliferación de algas y a una muerte masiva de la vida marina. [10] Se estima que más de 1000 nutrias marinas , junto con muchas aves, murieron a causa del derrame del Exxon Valdez . [11] Los esfuerzos de limpieza del derrame de petróleo suelen emplear múltiples métodos en tándem. La quema controlada y las barreras se utilizaron como esfuerzos de remediación manual después del incidente del Exxon Valdez. [12] Exxon utilizó brevemente disolventes y dispersantes químicos en el agua que rodeaba al Valdez, aunque se interrumpieron porque requerían condiciones específicas y contenían compuestos cancerígenos. [12] Las técnicas de biorremediación utilizadas en el derrame del Exxon Valdez incluyeron la siembra de nitrógeno y fósforo a lo largo de la costa, lo que aumentó los nutrientes disponibles para los microorganismos degradadores de petróleo autóctonos, duplicando las tasas de descomposición. [13] En todas las técnicas de remediación, se recuperó menos del diez por ciento del petróleo liberado del petrolero Exxon Valdez. [12] Muchos géneros de plantas, microbios y hongos han demostrado propiedades de remediación de petróleo, incluidos Spartina , Haloscarcia , Rhizophora ,Nocardioides , Dietzia y Microbacterium . [14] [15] [16] [17]
La biorremediación se refiere al uso de microorganismos o plantas específicos para metabolizar y eliminar sustancias nocivas. Estos organismos son conocidos por su afinidad bioquímica y física con los hidrocarburos, entre otros contaminantes . Varios tipos de bacterias , arqueas , algas , hongos y algunas especies de plantas son capaces de descomponer productos de desecho tóxicos específicos en componentes más seguros. La biorremediación se clasifica según el organismo responsable de la remediación con tres subdivisiones principales: remediación microbiana, fitorremediación y micorremediación . [18] En la mayoría de los casos, la biorremediación funciona para aumentar la cantidad de microorganismos naturales o agregar microbios contaminantes específicos al área. La biorremediación también puede implicar el uso de muchas variedades de microorganismos , ya sea de forma sinérgica o independiente entre sí. Los costos y los impactos ambientales de la biorremediación a menudo son insignificantes en comparación con los esfuerzos de remediación manual o química tradicionales. [ cita requerida ]
Debido a su ubicuidad en todos los entornos, muchos organismos han evolucionado para utilizar los hidrocarburos y compuestos orgánicos del petróleo como energía y, al mismo tiempo, desnaturalizar las toxinas a través de mecanismos de transferencia molecular. [19]
La biorremediación microbiana utiliza las propiedades aeróbicas y anaeróbicas de varios microbios para respirar y fermentar compuestos que transforman las toxinas en compuestos inocuos. [19] Estos compuestos resultantes exhiben niveles de pH más neutros , mayor solubilidad en agua y son menos reactivos molecularmente. Las poblaciones base de microorganismos que degradan petróleo generalmente representan menos del 1% de los microbiomas asociados con los ecosistemas marinos . Las técnicas de remediación que eliminan los factores limitantes de la reacción mediante la adición de sustrato pueden aumentar la población de microbios hasta el 10% del microbioma de los ecosistemas . [20] Dependiendo de las propiedades físicas y químicas, los microorganismos degenerativos del petróleo tardan más en degradar compuestos con alto peso molecular , como los hidrocarburos aromáticos policíclicos ( HAP ). Estos microbios requieren una amplia gama de enzimas para la descomposición del petróleo y composiciones de nutrientes muy específicas para trabajar a un ritmo eficiente. [21]
Los microbios trabajan de manera gradual para descomponer y metabolizar los componentes del petróleo. [21]
Los tratamientos que utilizan estos procesos de descomposición suelen utilizar calor y productos químicos para prolongar la eficacia. [22] Más tarde, se utilizan sistemas más biológicos para ecosistemas específicos que utilizan mecanismos específicos. [22]
La fitorremediación es un proceso en el que se utilizan plantas para secuestrar toxinas e hidrocarburos en el tejido vegetal de los suelos contaminados . Los principales mecanismos de fitorremediación se derivan de relaciones complejas entre las raíces y los rizobios . Las plantas secretan azúcares, enzimas y oxígeno de las raíces que proporcionan los sustratos necesarios para que los rizobios y los microbios de la rizosfera asociados estimulen la degradación de contaminantes orgánicos . [23] Los estudios han demostrado las capacidades de bioacumulación de varias plantas con asociaciones rizobianas , en particular Chromolaena odorata pudo eliminar el 80% de las toxinas de petróleo y metales pesados de los suelos. [24] Si bien se usa más comúnmente en entornos terrestres , los entornos marinos contaminados también se benefician de la biorremediación basada en plantas mediante el uso de varias algas y macrófitos . [ cita requerida ] La fitorremediación es más efectiva cuando se usa junto con la remediación microbiana y la micorremediación . [25] [26]
Las técnicas de micorremediación hacen uso de hongos tolerantes a contaminantes que secuestran o desnaturalizan toxinas ambientales, particularmente metales pesados. Las toxinas son secuestradas en moléculas altamente absorbentes como quitina y glucano que se encuentran en las paredes celulares de los hongos . [18] Saccharomyces cerevisiae ( levadura de panadería ) se puede utilizar para remediar ecosistemas marinos contaminados con metales pesados, con un éxito del 80% al 90% en el caso del arsénico . [27] Las concentraciones de hidrocarburos aromáticos policíclicos ( HAP ) de muestras de suelo tomadas de recortes de perforación de petróleo contaminados en Nigeria se han reducido entre un 7% y un 19% utilizando hongos de podredumbre blanca en condiciones experimentales. [28] El suelo contaminado con petróleo crudo muestra niveles tóxicos de varios metales pesados como plomo , zinc y magnesio . La aplicación de técnicas de micorremediación a suelos contaminados con crudo ha demostrado reducciones significativas de las concentraciones de metales pesados. [29]
La eficiencia y eficacia de cada método de remediación tiene limitaciones. El objetivo de la remediación es eliminar el contaminante ambiental lo más rápido posible; solo los procesos ineficientes requieren la intervención humana. [30] Los factores ambientales como los requisitos de reacción, la movilidad de las sustancias y las necesidades fisiológicas de los organismos afectarán la velocidad y el grado de degradación de los contaminantes. [31] Con el tiempo, muchos de estos requisitos se superan. Es entonces cuando las bacterias y arqueas que degradan el petróleo pueden mediar en los derrames de petróleo de manera más eficiente. La meteorización y los factores ambientales desempeñan un papel importante en el éxito de la biorremediación. La interacción entre el suelo y los contaminantes químicos realmente explica el trabajo que pueden realizar estos microorganismos. Estos procesos cambian la composición y la estratificación del suelo, junto con la bioquímica del ecosistema. Estos cambios químicos y biológicos requieren la adaptación de los microbios del suelo para biorremediar. [30] También es importante considerar la susceptibilidad del contaminante. Propiedades como la solubilidad, la temperatura y el pH afectarán la biorremediación y afectarán el proceso. [32] Los contaminantes más solubles serán más fáciles de transformar para los microbios en el medio ambiente. De lo contrario, los contaminantes con estructuras moleculares rígidas amplían la biorremediación, ya que son más difíciles de convertir en sustancias inocuas. La bioaccesibilidad, la cantidad de contaminante disponible para la absorción y la biodisponibilidad del contaminante también afectarán la eficiencia. [32] En muchos casos, se recolectan y asignan los nutrientes necesarios para los microorganismos que degradan el petróleo con el fin de maximizar la eficiencia del proceso. [30] Proporcionar a los microorganismos los nutrientes y las condiciones que necesitan les permite prosperar.
[30]
En la lista anterior se muestran los productos químicos necesarios y los productos que se forman en la degradación del petróleo. Estos microbios reducirán, oxidarán , fermentarán y desmovilizarán los componentes de los derrames de petróleo con el tiempo y crearán compuestos inocuos. Las técnicas de biorremediación [33] implican el uso de estos mecanismos para reducir las cantidades de contaminantes y dependen de los aspectos contaminantes:
La remediación ex situ se refiere a reacciones realizadas fuera del hábitat natural de estos organismos.
La remediación in situ se refiere a reacciones realizadas dentro de una mezcla de reacción.
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