El biofouling o incrustación biológica es la acumulación de microorganismos , plantas , algas o pequeños animales donde no se desea en superficies como cascos de barcos y submarinos, dispositivos como entradas de agua, tuberías, rejillas, estanques y ríos que causan degradación a la propósito principal de ese artículo. Esta acumulación se denomina epibiosis cuando la superficie del huésped es otro organismo y la relación no es parasitaria. Dado que la bioincrustación puede ocurrir casi en cualquier lugar donde haya agua, la bioincrustación plantea riesgos para una amplia variedad de objetos, como cascos y equipos de embarcaciones, dispositivos y membranas médicos, así como para industrias enteras, como la fabricación de papel, el procesamiento de alimentos , la construcción submarina y 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 el bioincrustante. [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 una embarcación como la fricción hidrodinámica, lo que lleva a un aumento de la resistencia aerodinámica 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 hasta un 40% de aumento en el combustible para compensar. [5] Dado que el combustible suele representar hasta la mitad de los costes del transporte marítimo, los métodos antiincrustantes ahorran a la industria naviera una cantidad considerable de dinero. Además, el mayor uso de combustible debido a la bioincrustación contribuye a efectos ambientales adversos y se prevé que aumentará 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 (unión de organismos más grandes). Debido a la química y biología distintas que determinan lo que les impide asentarse, los organismos también se clasifican como tipos de incrustaciones duras o blandas. Los organismos incrustantes calcáreos (duros) incluyen percebes , briozoos incrustantes , moluscos como el mejillón cebra y poliquetos y otros gusanos tubulares . Ejemplos de organismos incrustantes no calcáreos (blandos) son las algas marinas , los hidroides , las algas y los "limos" de biopelículas. [8] Juntos, estos organismos forman una comunidad incrustante .
La contaminación marina generalmente se describe como las siguientes 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 , en el que tanto las diatomeas como las bacterias (por ejemplo, Vibrio alginolyticus , Pseudomonas putrefaciens ) se adhieren, 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 (p. ej., Enteromorpha intestinalis , Ulothrix ) y protozoos (p. ej., Vorticella , Zoothamnium sp.) se adhieran. En dos o 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 ocurre en todas partes, pero es más importante desde el punto de vista económico 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 de la embarcación y aumenta el consumo de combustible. [10]
La bioincrustación también se produce en casi todas las circunstancias en las que los líquidos a base de agua entran en contacto con otros materiales. Los impactos industrialmente importantes se encuentran en el mantenimiento de la maricultura , los sistemas de membranas ( por ejemplo , biorreactores de membrana y membranas enrolladas en espiral 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 petróleo con agua arrastrada, especialmente aquellos que transportan aceites usados, aceites de corte , aceites que se vuelven solubles en agua mediante emulsificación y aceites hidráulicos . [ cita necesaria ] [11]
Otros mecanismos afectados por la bioincrustación incluyen dispositivos microelectroquímicos de administración de fármacos, máquinas de la industria papelera y de la 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 y el interior de las tuberías que pasan por el océano, donde las incrustaciones a menudo se eliminan con un proceso de limpieza de tuberías . Además de interferir con los mecanismos, la bioincrustación también ocurre en las superficies de organismos marinos vivos, lo que se conoce como epibiosis. [11] [ cita necesaria ]
Los dispositivos médicos suelen incluir disipadores de calor enfriados por ventilador, 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 eventualmente son expulsados e infectan a otros pacientes. [12] Los dispositivos utilizados en los quirófanos rara vez incluyen ventiladores, para minimizar la posibilidad de transmisión. Además, los equipos médicos, las unidades HVAC, las computadoras de alta gama, las piscinas, los sistemas de agua potable y otros productos que utilizan líneas de líquido corren el riesgo de sufrir bioincrustaciones a medida que se produce crecimiento biológico en su interior. [13]
Históricamente, el foco de atención ha sido el grave impacto de 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 una embarcación como los efectos de fricción, lo que lleva a un aumento de la resistencia al arrastre de hasta un 60% [5] La resistencia adicional puede disminuir las velocidades hasta un 10%, lo que puede requerir hasta un 40% de aumento en el combustible para compensar. [5] Dado que el combustible suele representar 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 mil millones de dólares por año en aumento del uso de combustible, mantenimiento y medidas de control de la bioincrustación. [5] El mayor uso de combustible debido a la contaminación biológica contribuye a efectos ambientales adversos y se prevé que aumentará 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 contaminantes pueden competir directamente con los mariscos por los recursos alimentarios, [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 un crecimiento, una condición y una supervivencia reducidos, con los consiguientes impactos negativos en la productividad agrícola. [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 dependido de la eliminación programada de bioincrustaciones para mantener dichas acumulaciones a un nivel manejable. Sin embargo, la tasa de acumulación puede variar ampliamente entre recipientes y condiciones de operación, 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 se basa en la propiedad de fluorescencia de la biomasa. Todos los microorganismos contienen fluoróforos intracelulares naturales, que cuando se excitan irradian en el rango UV. 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 antifouling es el proceso de evitar que se formen acumulaciones. En los procesos industriales , se pueden utilizar biodispersantes para controlar la bioincrustación. En ambientes menos controlados, los organismos son asesinados o repelidos con recubrimientos que utilizan biocidas, tratamientos térmicos o pulsos de energía. Las estrategias mecánicas no tóxicas que impiden que los organismos se adhieran incluyen elegir un material o recubrimiento con una superficie resbaladiza, crear una superficie de incrustación ultra baja con el uso de zwitteriones o crear topologías de superficie a nanoescala similares a la piel de tiburones y delfines, que solo ofrecen pobres puntos de anclaje. [1]
Los revestimientos antiadherentes no tóxicos evitan la adhesión de microorganismos, eliminando así el uso de biocidas. Estos recubrimientos suelen estar basados en polímeros orgánicos. [20]
Hay dos clases de recubrimientos antiincrustantes no tóxicos. La clase más común se basa en baja fricción y bajas energías superficiales . Las energías superficiales bajas dan como resultado superficies hidrofóbicas . Estos recubrimientos crean una superficie lisa, que puede evitar la adhesión de microorganismos más grandes. Por ejemplo, se utilizan habitualmente fluoropolímeros y revestimientos de silicona. [21] Estos recubrimientos son ecológicamente inertes pero tienen problemas de resistencia mecánica y 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 columna vertebral 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 en su superficie para reducir la energía interfacial. Sin embargo, el PDMS también tiene un módulo de elasticidad bajo que permite la liberación de organismos contaminantes a velocidades superiores a 20 nudos. La dependencia de la eficacia de la velocidad del buque impide el uso del PDMS en buques de movimiento lento o en aquellos que pasan cantidades significativas de tiempo en puerto. [2]
La segunda clase de recubrimientos antiincrustantes no tóxicos son los recubrimientos hidrófilos. Dependen de altas cantidades de hidratación para aumentar la penalización energética de eliminar el agua para que se adhieran las proteínas y los microorganismos. Los ejemplos más comunes de estos recubrimientos se basan en zwitteriones altamente hidratados , como la glicina betaína y la sulfobetaína . Estos recubrimientos también son de baja fricción, pero algunos los consideran superiores a las superficies hidrófobas porque evitan la adhesión de bacterias y previenen la formación de biopelículas. [23] Estos recubrimientos aún no están disponibles comercialmente y están siendo diseñados como parte de un esfuerzo mayor por parte de la Oficina de Investigación Naval para desarrollar recubrimientos biomiméticos para barcos ambientalmente seguros. [4]
Los biocidas son sustancias químicas que matan o disuaden a los microorganismos responsables de la bioincrustación. El biocida se aplica normalmente como pintura, es decir, mediante adsorción física . Los biocidas previenen la formación de biopelículas . [1] Otros biocidas son tóxicos para los organismos más grandes en la bioincrustación, como las algas . Antiguamente los llamados compuestos de tributilestaño (TBT) se utilizaban como biocidas (y, por tanto, como 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 organoestánnicos es la diclorooctilisotiazolinona . Sin embargo, este compuesto también presenta una amplia toxicidad para los organismos marinos.
Los transductores ultrasónicos pueden montarse dentro o alrededor del casco de embarcaciones de tamaño pequeño a mediano. Las investigaciones han demostrado que estos sistemas pueden ayudar a reducir la incrustación 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 incrustación. Los sistemas no pueden funcionar en embarcaciones con casco de madera ni en embarcaciones con un material compuesto de núcleo blando, como madera o espuma. Los sistemas se han basado libremente en tecnología probada para controlar la proliferación de algas. [26]
La irradiación con láser pulsado se utiliza habitualmente contra las diatomeas . La tecnología de pulso de plasma es eficaz contra los mejillones cebra y funciona aturdiendo o matando a los organismos energizando el agua durante microsegundos con electricidad de alto voltaje. [8]
De manera similar, otro método que ha demostrado ser eficaz contra la acumulación de algas hace rebotar breves pulsos acústicos de alta energía en las tuberías. [27]
Se han utilizado con éxito regímenes para utilizar calor periódicamente para tratar los equipos y las tuberías del intercambiador para eliminar los mejillones de los sistemas de enfriamiento de las centrales eléctricas utilizando agua a 40 °C (105 °F) durante 30 minutos. [28]
La industria médica utiliza una variedad de métodos energéticos para abordar los problemas de carga biológica asociados con la bioincrustación. La esterilización en autoclave normalmente implica calentar un dispositivo médico a 121 °C (249 °F) durante 15 a 20 minutos. La limpieza ultrasónica, la luz ultravioleta y la limpieza o inmersión química 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 de alto riesgo de contaminación tienen presión negativa (escape constante) en las salas, mantienen estrictos protocolos de limpieza, requieren equipos sin ventiladores y, a menudo, cubren el equipo. en plástico protector. [29]
La irradiación UVC es una solución no química y sin contacto que se puede utilizar en una variedad de instrumentos. La radiación en el rango UVC previene la formación de biopelículas al desactivar el ADN de bacterias, virus y otros microbios. Prevenir la formación de biopelículas evita que organismos más grandes se adhieran al instrumento y eventualmente lo dejen inoperable. [30]
La bioincrustación, especialmente en los barcos, ha sido un problema desde que los humanos navegamos por los océanos. [31]
Los primeros testimonios de intentos de contrarrestar las incrustaciones y, por tanto, también los primeros testimonios de conocimientos al respecto, son el uso de brea y revestimiento de cobre como soluciones antiincrustantes, que se atribuían a antiguas naciones marineras, como los fenicios y los cartagineses (1500-1500). 300 a.C.). Desde tiempos remotos se utilizan cera, alquitrán y asfalto . [31] Un registro arameo que data del 412 a. C. habla de que el fondo de un barco estaba recubierto 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 467 a. C.). [33]
Una explicación registrada de Plutarco sobre el impacto que las incrustaciones tuvieron en la velocidad del barco dice lo siguiente: "cuando las malas hierbas, el exudado y la suciedad se pegan a sus costados, el golpe del barco es más obtuso y débil; y el agua, al encontrarse con esta materia pegajosa , no se separa tan fácilmente de él; y esta es la razón por la que suelen calar sus barcos ". [34]
Antes del siglo XVIII, se utilizaban diversas técnicas antiincrustantes, empleando tres sustancias principales: "cosa blanca", una mezcla de aceite de tren (aceite de ballena), colofonia y azufre ; "Cosa negra", una mezcla de alquitrán y brea ; y "cosa marrón", que era simplemente azufre añadido a la materia negra. [35] En muchos de estos casos, el propósito de estos tratamientos es ambiguo. Existe controversia sobre si muchos de estos tratamientos eran técnicas antiincrustantes reales o si, cuando se usaban junto con plomo y revestimiento de 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 , tras lo cual los fondos y los costados de las quillas y falsas quillas de varios barcos se revestiron con placas de cobre. . [31]
El cobre funcionó bien para proteger el casco de la invasión de gusanos y para prevenir el crecimiento de algas, 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 fue lavando gradualmente, sin dejar posibilidad a la vida marina de adherirse al barco. [ cita necesaria ] Aproximadamente desde 1770, la Royal Navy se dedicó a cobrear los fondos de toda la flota y continuó hasta el final del uso de barcos de madera. El proceso fue tan exitoso que el término fondo de cobre pasó a significar algo altamente confiable o libre de riesgos.
Con el auge de los cascos de hierro en el siglo XIX, el revestimiento de cobre ya no se pudo utilizar debido a su interacción galvánica corrosiva con el hierro. Se probaron pinturas antiincrustantes y, en 1860, se introdujo en Liverpool la primera pintura práctica que obtuvo un uso generalizado y se la denominó pintura plástica caliente "McIness". [31] Estos tratamientos tenían una vida útil corta, eran costosos 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 hasta por 18 meses, o tan solo 12 en aguas tropicales. [31] La vida útil más corta se debió a la rápida lixiviación del tóxico y a la conversión química en sales menos tóxicas, que se acumularon como una corteza que inhibiría una mayor lixiviación de óxido cuproso activo de la capa debajo de la corteza. [36]
La década de 1960 supuso un gran avance, con pinturas autopulimentantes que se hidrolizan lentamente y liberan toxinas lentamente. Estas pinturas empleaban biotoxinas químicas de organoestaño ("a base de estaño") como el óxido de tributilestaño (TBT) y eran efectivas por hasta cuatro años. Posteriormente, estas biotoxinas fueron 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 autopulimentantes, con vidas útiles informadas de hasta cinco años; pero también otros métodos que no implican 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 las incrustaciones de 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 con su tasa de solutos. [31] En la década de 1930, el microbiólogo Claude ZoBell demostró que la unión 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 los organismos vivos como inspiración para nuevos materiales funcionales. Por ejemplo, los mecanismos utilizados por los animales marinos para inhibir la bioincrustación en su piel. [42]
La investigación de materiales sobre superficies antiincrustantes superiores para reactores de lecho fluidizado sugiere que los plásticos de baja humectabilidad como el cloruro de polivinilo (PVC), el polietileno de alta densidad y el polimetilmetacrilato ("plexiglás") 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 bufalina , una bufotoxina , es más de 100 veces más potente que el TBT y más de 6.000 veces más eficaz en la actividad anti-asentamiento contra los percebes. [44]
Un enfoque para el antiincrustante implica recubrir las superficies con polietilenglicol (PEG). [45] El crecimiento de cadenas de PEG en superficies es un desafío. La solución a este problema puede provenir de la comprensión de los mecanismos por los cuales los mejillones se adhieren a superficies sólidas en ambientes marinos. Los mejillones utilizan proteínas adhesivas o MAP. [46] La vida útil de los recubrimientos de PEG también es dudosa.