La bioincrustación o ensuciamiento biológico es la acumulación de microorganismos , plantas , algas o pequeños animales en superficies no deseadas, como cascos de barcos y submarinos, dispositivos como entradas de agua, tuberías, rejillas, estanques y ríos, que causan degradación del propósito principal de ese elemento. Dicha acumulación se conoce como epibiosis cuando la superficie huésped es otro organismo y la relación no es parasitaria. Dado que la bioincrustación puede ocurrir casi en cualquier lugar donde haya agua, plantea riesgos para una amplia variedad de objetos, como cascos y equipos de barcos, dispositivos médicos y membranas, así como para industrias enteras, como la fabricación de papel, el procesamiento de alimentos , la construcción submarina y las plantas de desalinización.
El antiincrustante es la capacidad de materiales específicamente diseñados (como pinturas biocidas tóxicas o pinturas no tóxicas ) [1] para eliminar o prevenir la bioincrustación. [2]
La acumulación de bioincrustaciones en los buques marinos plantea un problema importante. En algunos casos, la estructura del casco y los sistemas de propulsión pueden resultar dañados. [3] La acumulación de bioincrustaciones en los cascos puede aumentar tanto el volumen hidrodinámico de un buque como la fricción hidrodinámica, lo que provoca un aumento de la resistencia de hasta un 60%. [4] Se ha observado que el aumento de la resistencia reduce la velocidad hasta en un 10%, lo que puede requerir un aumento de hasta un 40% en el combustible para compensar. [5] Dado que el combustible suele representar hasta la mitad de los costos del transporte marítimo, los métodos antiincrustantes ahorran a la industria naviera una cantidad considerable de dinero. Además, el aumento del uso de combustible debido a la bioincrustación contribuye a los efectos ambientales adversos y se prevé que aumente las emisiones de dióxido de carbono y dióxido de azufre entre un 38% y un 72% para 2020, respectivamente. [6]
Los organismos bioincrustantes son muy diversos y se extienden mucho más allá de la adhesión de percebes y algas marinas. Según algunas estimaciones, más de 1.700 especies que comprenden más de 4.000 organismos son responsables de la bioincrustación. [7] La bioincrustación se divide en microincrustación ( formación de biopelículas y adhesión bacteriana) y macroincrustación (adhesión de organismos más grandes). Debido a la química y biología distintivas que determinan lo que les impide asentarse, los organismos también se clasifican como tipos de incrustación dura o blanda. Los organismos incrustantes calcáreos (duros) incluyen percebes , briozoos incrustantes , moluscos como mejillones cebra y poliquetos y otros gusanos tubícolas . Ejemplos de organismos incrustantes no calcáreos (blandos) son las algas marinas , los hidroides , las algas y el "limo" de la biopelícula. [8] Juntos, estos organismos forman una comunidad incrustante .
Las incrustaciones marinas se describen típicamente siguiendo cuatro etapas del desarrollo del ecosistema. En el primer minuto, la interacción de van der Waals hace que la superficie sumergida se cubra con una película acondicionadora de polímeros orgánicos. En las siguientes 24 horas, esta capa permite que se produzca el proceso de adhesión bacteriana , con diatomeas y bacterias (por ejemplo, Vibrio alginolyticus , Pseudomonas putrefaciens ) uniéndose, iniciando la formación de una biopelícula . Al final de la primera semana, los ricos nutrientes y la facilidad de adhesión a la biopelícula permiten que los colonizadores secundarios de esporas de macroalgas (por ejemplo, Enteromorpha intestinalis , Ulothrix ) y protozoos (por ejemplo , Vorticella , Zoothamnium sp.) se adhieran. En dos a tres semanas, los colonizadores terciarios, los macrofoulers, se han adherido. Estos incluyen tunicados , moluscos y cnidarios sésiles . [1]
Los gobiernos y la industria gastan más de 5.700 millones de dólares al año para prevenir y controlar la bioincrustación marina. [9] La bioincrustación se produce en todas partes, pero es más significativa económicamente para las industrias navieras , ya que la incrustación en el casco de un barco aumenta significativamente la resistencia , lo que reduce el rendimiento hidrodinámico general del buque y aumenta el consumo de combustible. [10]
La bioincrustación también se encuentra en casi todas las circunstancias en las que los líquidos a base de agua están en contacto con otros materiales. Los impactos industrialmente importantes se dan en el mantenimiento de la maricultura , los sistemas de membranas ( por ejemplo , biorreactores de membrana y membranas espirales de ósmosis inversa ) y los ciclos de agua de refrigeración de grandes equipos industriales y centrales eléctricas . La bioincrustación puede ocurrir en oleoductos que transportan aceites con agua arrastrada, especialmente aquellos que transportan aceites usados, aceites de corte , aceites solubles en agua mediante emulsión y aceites hidráulicos . [ cita requerida ] [11]
Otros mecanismos afectados por la bioincrustación incluyen dispositivos de administración de fármacos microelectroquímicos , máquinas de la industria papelera y de pulpa, instrumentos submarinos, tuberías de sistemas de protección contra incendios y boquillas de sistemas de rociadores. [2] [8] En los pozos de agua subterránea, la acumulación de bioincrustaciones puede limitar las tasas de flujo de recuperación, como es el caso en el exterior e interior de las tuberías oceánicas, donde las incrustaciones a menudo se eliminan con un proceso de limpieza de tubos . Además de interferir con los mecanismos, la bioincrustación también ocurre en las superficies de los organismos marinos vivos, cuando se conoce como epibiosis. [11] [ cita requerida ]
Los dispositivos médicos suelen incluir disipadores de calor refrigerados por ventiladores para enfriar sus componentes electrónicos. Si bien estos sistemas a veces incluyen filtros HEPA para recolectar microbios, algunos patógenos pasan a través de estos filtros, se acumulan dentro del dispositivo y finalmente son expulsados e infectan a otros pacientes. [12] Los dispositivos que se utilizan en quirófanos rara vez incluyen ventiladores, para minimizar la posibilidad de transmisión. Además, los equipos médicos, las unidades de HVAC, las computadoras de alta tecnología, las piscinas, los sistemas de agua potable y otros productos que utilizan líneas de líquido corren el riesgo de bioincrustación a medida que se produce el crecimiento biológico en su interior. [13]
Históricamente, el foco de atención ha sido el severo impacto debido a la bioincrustación en la velocidad de los buques marinos. En algunos casos, la estructura del casco y los sistemas de propulsión pueden resultar dañados. [3] Con el tiempo, la acumulación de bioincrustaciones en los cascos aumenta tanto el volumen hidrodinámico de un buque como los efectos de fricción que conducen a un aumento de la resistencia de hasta un 60% [5] La resistencia adicional puede reducir las velocidades hasta un 10%, lo que puede requerir un aumento de hasta un 40% en el combustible para compensar. [5] Dado que el combustible generalmente representa hasta la mitad de los costos del transporte marítimo, se estima que la bioincrustación le cuesta a la Marina de los EE. UU. solo alrededor de $ 1 mil millones por año en mayor uso de combustible, mantenimiento y medidas de control de bioincrustaciones. [5] El aumento del uso de combustible debido a la bioincrustación contribuye a los efectos ambientales adversos y se prevé que aumente las emisiones de dióxido de carbono y dióxido de azufre entre un 38 y un 72 por ciento para 2020. [6]
La bioincrustación también afecta a la acuicultura, aumentando los costos de producción y gestión, al tiempo que disminuye el valor del producto. [14] Las comunidades de incrustaciones pueden competir directamente con los mariscos por los recursos alimenticios, [15] impedir la obtención de alimentos y oxígeno al reducir el flujo de agua alrededor de los mariscos, o interferir con la apertura operativa de sus válvulas. [ 16] En consecuencia, las poblaciones afectadas por la bioincrustación pueden experimentar una reducción del crecimiento, la condición y la supervivencia, con los consiguientes impactos negativos en la productividad de la granja. [17] Aunque existen muchos métodos de eliminación, a menudo afectan a las especies cultivadas, a veces más que a los propios organismos contaminantes. [18]
Históricamente, las compañías navieras han recurrido a la eliminación programada de bioincrustantes para mantener esas acumulaciones a un nivel manejable. Sin embargo, la tasa de acumulación puede variar ampliamente entre buques y condiciones operativas, por lo que es difícil predecir intervalos aceptables entre limpiezas.
Los fabricantes de LED han desarrollado una gama de equipos UVC (250-280 nm) que pueden detectar la acumulación de bioincrustaciones e incluso prevenirla.
La detección de incrustaciones depende de la propiedad de fluorescencia de la biomasa. Todos los microorganismos contienen fluoróforos intracelulares naturales, que irradian en el rango UV cuando se excitan. En longitudes de onda del rango UV, dicha fluorescencia surge de tres aminoácidos aromáticos: tirosina, fenilalanina y triptófano. El más fácil de detectar es el triptófano, que irradia a 350 nm cuando se irradia a 280 nm. [19]
El antiincrustante es el proceso de prevenir la formación de acumulaciones. En los procesos industriales , se pueden utilizar biodispersantes para controlar la bioincrustación. En entornos menos controlados, los organismos se eliminan o repelen con recubrimientos que utilizan biocidas, tratamientos térmicos o pulsos de energía. Las estrategias mecánicas no tóxicas que evitan que los organismos se adhieran incluyen la elección de un material o recubrimiento con una superficie resbaladiza, la creación de una superficie de incrustación ultrabaja con el uso de zwitteriones o la creación de topologías de superficie a escala nanométrica similares a la piel de tiburones y delfines, que solo ofrecen puntos de anclaje deficientes. [1]
Los recubrimientos antiadherentes no tóxicos impiden la adhesión de microorganismos, lo que evita el uso de biocidas. Estos recubrimientos suelen estar basados en polímeros orgánicos. [20]
Existen dos clases de recubrimientos antiincrustantes no tóxicos. La clase más común se basa en una baja fricción y energías superficiales bajas . Las energías superficiales bajas dan como resultado superficies hidrófobas . Estos recubrimientos crean una superficie lisa, que puede evitar la adhesión de microorganismos más grandes. Por ejemplo, los fluoropolímeros y los recubrimientos de silicona se utilizan comúnmente. [21] Estos recubrimientos son ecológicamente inertes pero tienen problemas con la resistencia mecánica y la estabilidad a largo plazo. Específicamente, después de días, las biopelículas (limo) pueden cubrir las superficies, lo que entierra la actividad química y permite que los microorganismos se adhieran. [1] El estándar actual para estos recubrimientos es el polidimetilsiloxano o PDMS, que consiste en una cadena principal no polar hecha de unidades repetidas de átomos de silicio y oxígeno. [22] La no polaridad del PDMS permite que las biomoléculas se adsorban fácilmente a su superficie para reducir la energía interfacial. Sin embargo, el PDMS también tiene un bajo módulo de elasticidad que permite la liberación de organismos contaminantes a velocidades superiores a 20 nudos. La dependencia de la eficacia con respecto a la velocidad del buque impide el uso de PDMS en buques de movimiento lento o que pasan cantidades significativas de tiempo en puerto. [2]
La segunda clase de recubrimientos antiincrustantes no tóxicos son los recubrimientos hidrófilos. Se basan en altas cantidades de hidratación para aumentar la penalización energética de la eliminación de agua para que las proteínas y los microorganismos se adhieran. Los ejemplos más comunes de estos recubrimientos se basan en zwitteriones altamente hidratados , como la glicina betaína y la sulfobetaína . Estos recubrimientos también tienen baja fricción, pero algunos los consideran superiores a las superficies hidrófobas porque evitan la adhesión de bacterias, lo que evita la formación de biopelículas. [23] Estos recubrimientos aún no están disponibles comercialmente y se están diseñando como parte de un esfuerzo mayor de la Oficina de Investigación Naval para desarrollar recubrimientos biomiméticos para barcos que sean seguros para el medio ambiente . [4]
Los biocidas son sustancias químicas que matan o disuaden a los microorganismos responsables de la bioincrustación. El biocida se aplica típicamente como una pintura, es decir, a través de la adsorción física . Los biocidas evitan la formación de biopelículas . [1] Otros biocidas son tóxicos para los organismos más grandes en la bioincrustación, como las algas . Anteriormente, los llamados compuestos de tributilestaño (TBT) se usaban como biocidas (y por lo tanto agentes antiincrustantes). Los TBT son tóxicos tanto para los microorganismos como para los organismos acuáticos más grandes. [24] La comunidad marítima internacional ha eliminado gradualmente el uso de recubrimientos a base de organoestaño. [25] El reemplazo de los compuestos de organoestaño es la diclorooctilisotiazolinona . Este compuesto, sin embargo, también sufre una amplia toxicidad para los organismos marinos.
Los transductores ultrasónicos pueden instalarse en el interior o alrededor del casco de embarcaciones de tamaño pequeño a mediano. Las investigaciones han demostrado que estos sistemas pueden ayudar a reducir la formación de incrustaciones, al iniciar ráfagas de ondas ultrasónicas a través del medio del casco hacia el agua circundante, matando o desnaturalizando las algas y otros microorganismos que forman el comienzo de la secuencia de formación de incrustaciones. Los sistemas no pueden funcionar en embarcaciones con casco de madera o con un material compuesto de núcleo blando, como madera o espuma. Los sistemas se han basado libremente en tecnología que ha demostrado controlar la proliferación de algas. [26]
La irradiación láser pulsada se utiliza habitualmente contra las diatomeas . La tecnología de pulsos de plasma es eficaz contra los mejillones cebra y funciona aturdiendo o matando a los organismos mediante la activación del agua con electricidad de alto voltaje durante microsegundos. [8]
De manera similar, otro método que ha demostrado ser eficaz contra la acumulación de algas consiste en hacer rebotar breves pulsos acústicos de alta energía por las tuberías. [27]
Se han utilizado con éxito regímenes que utilizan periódicamente calor para tratar equipos intercambiadores y tuberías para eliminar mejillones de los sistemas de enfriamiento de plantas de energía utilizando agua a 105 °F (40 °C) durante 30 minutos. [28]
La industria médica utiliza una variedad de métodos de energía para abordar los problemas de carga biológica asociados con la bioincrustación. La esterilización en autoclave generalmente implica calentar un dispositivo médico a 121 °C (249 °F) durante 15 a 20 minutos. La limpieza ultrasónica, la luz ultravioleta y la limpieza química o la inmersión también se pueden utilizar para diferentes tipos de dispositivos.
Los dispositivos médicos utilizados en quirófanos, UCI, salas de aislamiento, laboratorios de análisis biológicos y otras áreas con alto riesgo de contaminación tienen presión negativa (escape constante) en las habitaciones, mantienen estrictos protocolos de limpieza, requieren equipos sin ventiladores y, a menudo, cubren los equipos con plástico protector. [29]
La irradiación UVC es una solución sin contacto y sin sustancias químicas que se puede utilizar en una amplia gama de instrumentos. La radiación en el rango UVC evita la formación de biopelículas desactivando el ADN de bacterias, virus y otros microbios. Al evitar la formación de biopelículas, se evita que organismos más grandes se adhieran al instrumento y, a la larga, lo dejen inoperativo. [30]
La bioincrustación, especialmente en los barcos, ha sido un problema desde que los seres humanos navegan por los océanos. [31]
Los primeros testimonios de intentos de contrarrestar las incrustaciones, y por lo tanto también el primer testimonio de conocimiento al respecto, es el uso de brea y cobre como soluciones antiincrustantes que se atribuyeron a antiguas naciones marineras, como los fenicios y cartagineses (1500-300 a. C.). La cera, el alquitrán y el asfalto se han utilizado desde tiempos remotos. [31] Un registro arameo que data del 412 a. C. habla de la cubierta inferior de un barco recubierta con una mezcla de arsénico, aceite y azufre. [32] En Deipnosophistae , Ateneo describió los esfuerzos antiincrustantes realizados en la construcción del gran barco de Hierón de Siracusa (fallecido en el 467 a. C.). [33]
Una explicación registrada por Plutarco sobre el impacto que las incrustaciones tenían en la velocidad del barco es la siguiente: "cuando las malas hierbas, el cieno y la suciedad se adhieren a sus costados, el golpe del barco es más obtuso y débil; y el agua, al encontrarse con esta materia húmeda, no se separa tan fácilmente de ella; y esta es la razón por la que generalmente calafatean sus barcos". [34]
Antes del siglo XVIII se utilizaban diversas técnicas antiincrustantes, con tres sustancias principales empleadas: "materia blanca", una mezcla de aceite de tren (aceite de ballena), colofonia y azufre ; "materia negra", una mezcla de alquitrán y brea ; y "materia marrón", que era simplemente azufre añadido a la materia negra. [35] En muchos de estos casos, el propósito de estos tratamientos es ambiguo. Existe una controversia sobre si muchos de estos tratamientos eran técnicas antiincrustantes reales o si, cuando se usaban junto con revestimiento de plomo y madera, simplemente estaban destinados a combatir los gusanos perforadores de la madera .
En 1708, Charles Perry sugirió explícitamente el revestimiento de cobre como dispositivo antiincrustante, pero los primeros experimentos no se realizaron hasta 1761 con el revestimiento del HMS Alarm , después de lo cual los fondos y los lados de las quillas y falsas quillas de varios barcos fueron revestidos con placas de cobre. [31]
El cobre funcionó bien para proteger el casco de la invasión de gusanos y para evitar el crecimiento de malezas, ya que cuando entraba en contacto con el agua, el cobre producía una película venenosa, compuesta principalmente de oxicloruro , que disuadía a estas criaturas marinas. Además, como esta película era ligeramente soluble, se desvanecía gradualmente, sin dejar forma de que la vida marina se adhiriera al barco. [ cita requerida ] Desde aproximadamente 1770, la Marina Real se dedicó a recubrir con cobre los fondos de toda la flota y continuó hasta el final del uso de los barcos de madera. El proceso tuvo tanto éxito que el término " fondo de cobre" pasó a significar algo que era altamente confiable o libre de riesgos.
Con la aparición de los cascos de hierro en el siglo XIX, el revestimiento de cobre ya no podía utilizarse debido a su interacción corrosiva galvánica con el hierro. Se probaron pinturas antiincrustantes y, en 1860, se introdujo en Liverpool la primera pintura práctica que se utilizó ampliamente y se la denominó pintura plástica caliente "McIness". [31] Estos tratamientos tenían una vida útil corta, eran caros y relativamente ineficaces según los estándares modernos. [1]
A mediados del siglo XX, las pinturas a base de óxido de cobre podían mantener un barco fuera del dique seco durante hasta 18 meses, o tan solo 12 en aguas tropicales. [31] La vida útil más corta se debía a la rápida lixiviación del tóxico y la conversión química en sales menos tóxicas, que se acumulaban como una costra que inhibiría una mayor lixiviación de óxido cuproso activo de la capa debajo de la corteza. [36]
En la década de 1960 se produjo un gran avance con las pinturas autopulimentables que se hidrolizan lentamente y liberan toxinas lentamente. Estas pinturas empleaban biotoxinas de la química de organoestaño ("basadas en estaño") como el óxido de tributilestaño (TBT) y eran eficaces durante hasta cuatro años. Estas biotoxinas fueron posteriormente prohibidas por la Organización Marítima Internacional cuando se descubrió que eran muy tóxicas para diversos organismos. [37] [38] El TBT en particular ha sido descrito como el contaminante más tóxico jamás liberado deliberadamente en el océano. [24]
Como alternativa a las toxinas organoestánnicas, ha habido un renovado interés en el cobre como agente activo en pinturas ablativas o autopulidoras, con vidas útiles reportadas de hasta 5 años; pero también otros métodos que no involucran recubrimientos. Los adhesivos modernos permiten la aplicación de aleaciones de cobre a cascos de acero sin crear corrosión galvánica. Sin embargo, el cobre por sí solo no es inmune a la contaminación por diatomeas y algas. Algunos estudios indican que el cobre también puede presentar un impacto ambiental inaceptable. [39]
El estudio de la bioincrustación comenzó a principios del siglo XIX con los experimentos de Davy que vinculaban la eficacia del cobre a su tasa de soluto. [31] En la década de 1930, el microbiólogo Claude ZoBell demostró que la adhesión de los organismos está precedida por la adsorción de compuestos orgánicos ahora denominados sustancias poliméricas extracelulares . [40] [41]
Una tendencia de investigación es el estudio de la relación entre la humectabilidad y la eficacia antiincrustante. Otra tendencia es el estudio de organismos vivos como inspiración para nuevos materiales funcionales. Por ejemplo, los mecanismos que utilizan los animales marinos para inhibir la bioincrustación en su piel. [42]
Las investigaciones sobre materiales para superficies antiincrustantes superiores para reactores de lecho fluidizado sugieren que los plásticos de baja humectabilidad como el cloruro de polivinilo (PVC), el polietileno de alta densidad y el polimetilmetacrilato ("plexiglas") demuestran una alta correlación entre su resistencia a la adhesión bacteriana y su hidrofobicidad . [43]
Un estudio de las biotoxinas utilizadas por los organismos ha revelado varios compuestos eficaces, algunos de los cuales son más potentes que los compuestos sintéticos. Se descubrió que la bufalina , una bufotoxina , era más de 100 veces más potente que el TBT y más de 6000 veces más eficaz en la actividad antisedimentación contra los percebes. [44]
Un método para aplicar antiincrustaciones consiste en recubrir las superficies con polietilenglicol (PEG). [45] El crecimiento de cadenas de PEG en las superficies es un desafío. La solución a este problema puede surgir de la comprensión de los mecanismos por los cuales los mejillones se adhieren a las superficies sólidas en entornos marinos. Los mejillones utilizan proteínas adhesivas o MAP. [46] La vida útil de los recubrimientos de PEG también es dudosa.