MARCO TEORICO
La última década ha demostrado, en mayor o menor grado, nuestro descuido y negligencia en el uso de nuestros recursos naturales. Los problemas asociados con la contaminación de los recursos naturales están aumentando de manera prominente en muchos países. El ambiente contaminado generalmente resulta de la producción, uso y eliminación de sustancias peligrosas de actividades industriales. El problema es mundial y la cantidad estimada de sitios contaminados es significativa. Ahora se reconoce ampliamente que el medio ambiente contaminado es una amenaza potencial para la salud humana, y su descubrimiento continuo en los últimos años ha llevado a esfuerzos internacionales para remediar muchos de estos sitios, para permitir que el sitio sea rediseñado para su uso. Para "biorremediate", significa usar seres vivos para eliminar la contaminación ambiental, como suelo contaminado o agua subterránea. Algunos microorganismos que viven en el suelo y el agua subterránea naturalmente comen ciertos químicos que son dañinos para las personas y el medio ambiente. Los microorganismos pueden transformar estos químicos en agua y gases inofensivos, como el dióxido de carbono. Las plantas también se pueden usar para limpiar el suelo, el agua o el aire; esto se llama fitorremediación
La biorremediación es una opción que ofrece la posibilidad de destruir o hacer inofensivos diversos contaminantes utilizando la actividad biológica natural. Como tal, utiliza técnicas de baja tecnología y relativamente bajo costo, que generalmente tienen una gran aceptación pública y, a menudo, se pueden llevar a cabo in situ. Sin embargo, no siempre será adecuado, ya que el rango de contaminantes con el que es efectivo es limitado, las escalas de tiempo involucradas son relativamente largas, y los niveles de contaminantes residuales alcanzables pueden no ser siempre apropiados. Aunque las metodologías empleadas no son técnicamente complejas, se puede requerir una experiencia y experiencia considerables para diseñar e implementar un programa de biorremediación exitoso, debido a la necesidad de evaluar minuciosamente un sitio para determinar su idoneidad y optimizar las condiciones para lograr un resultado satisfactorio.
HISTORIA
La biorremediación se ha descrito como "una tecnología de tratabilidad que utiliza la actividad biológica para reducir la concentración o la toxicidad de un contaminante. Comúnmente utiliza procesos mediante los cuales los microorganismos transforman o degradan sustancias químicas en el medio ambiente" (King 1). Este uso de microorganismos (principalmente bacterias) para destruir o transformar contaminantes peligrosos no es una idea nueva. Los microorganismos han sido utilizados desde el año 600 aC por los romanos y otros para tratar sus aguas residuales. Aunque esta misma tecnología todavía se usa actualmente para tratar las aguas residuales, se ha ampliado para tratar una serie de otros contaminantes. De hecho, la biorremediación se ha usado comercialmente durante casi 30 años.
El primer uso comercial de un sistema de biorremediación fue en 1972 para limpiar un derrame del oleoducto de Sun Oil en Ambler, Pennsylvania
ESTRATEGIAS CONVENCIONALES DE REMEDIACION
Las técnicas convencionales utilizadas para la remediación han sido desenterrar el suelo contaminado y eliminarlo a un vertedero, o para cubrir y contener las áreas contaminadas de un sitio. Los métodos tienen algunos inconvenientes. El primer método simplemente mueve la contaminación a otra parte y puede crear riesgos significativos en la excavación, manejo y transporte de material peligroso. Además, es muy difícil y cada vez más costoso encontrar nuevos vertederos para la disposición final del material. El método de limitar y contener es solo una solución temporal ya que la contaminación permanece en el sitio, lo que requiere el monitoreo y mantenimiento de las barreras de aislamiento en el futuro, con todos los costos asociados y la posible responsabilidad.
Un mejor enfoque que estos métodos tradicionales es destruir completamente los contaminantes si es posible, o al menos transformarlos en sustancias inocuas. Algunas tecnologías que se han utilizado son la incineración a alta temperatura y varios tipos de descomposición química (p. Ej., Decloración catalizada por base, oxidación UV). Pueden ser muy efectivos para reducir los niveles de una variedad de contaminantes, pero tienen varios inconvenientes, principalmente su complejidad tecnológica, el costo de la aplicación a pequeña escala y la falta de aceptación pública, especialmente para la incineración que puede aumentar la exposición a contaminantes para tanto los trabajadores en el sitio como los residentes cercanos.
Hay tres componentes esenciales necesarios para la biorremediación. Estos tres componentes son microorganismos, alimentos y nutrientes. Estos tres componentes principales que se muestran en la Figura 1 se conocen como el triángulo de biorremediación. Los microorganismos se encuentran en casi todas partes en la tierra con la excepción de los volcanes activos. Por lo tanto, la falta de alimentos y nutrientes suele ser la falta de ingredientes que impiden una biorremediación exitosa. Los microorganismos encuentran los alimentos que comen en el suelo o en el agua donde viven. Sin embargo, si hay un contaminante presente, puede convertirse en una fuente de alimento adicional para los microorganismos. El contaminante tiene dos propósitos útiles para los microbios. Primero, el contaminante proporciona una fuente de carbono necesaria para el crecimiento. En segundo lugar, los microbios obtienen energía rompiendo enlaces químicos y transfiriendo electrones lejos del contaminante. Esto se conoce como una reacción de oxidación-reducción. El contaminante que pierde electrones se oxida y la sustancia química que gana los electrones (aceptador de electrones) se reduce. La energía obtenida de la transferencia de electrones se usa junto con el carbono y algunos electrones para producir más células. Los microbios generalmente usan oxigenógenos como aceptor de electrones, pero también se usan comúnmente nitrato, sulfato, hierro y CO2.
El uso de oxígeno como un aceptor de electrones se llama respiración aeróbica. Los principales subproductos de la respiración aeróbica son el dióxido de carbono, el agua y un aumento en la población de microbios. La respiración anaeróbica usa nitrato, sulfato, hierro o CO2 como aceptor de electrones en lugar de oxígeno. La respiración anaeróbica puede ocurrir después de que el oxígeno se haya agotado por la respiración aeróbica o cuando no haya suficiente oxígeno en primer lugar. El proceso de degradación anaeróbica ha sido ignorado por muchos años. Sin embargo, recientemente ha estado ganando más atención.
También hay varios nutrientes que deben ser accesibles a los microorganismos para que la biorremediación tenga éxito. Estos incluyen humedad, nitrógeno, fósforo y otros oligoelementos. Los microorganismos como otros organismos necesitan humedad para sobrevivir y crecer. Además, los microbios dependen de la humedad para transportar los alimentos a ellos ya que no tienen bocas. Se ha determinado que el contenido de humedad óptimo para los microbios en la zona vadosa se encuentra entre 10 y 25% (King 16). Además de la humedad, el nitrógeno (amoníaco) y el fósforo (ortofosfato) son dos nutrientes principales necesarios para los microorganismos. Los microorganismos también requieren elementos menores tales como azufre, potasio, magnesio, calcio, manganeso, hierro, cobalto, cobre, níquel y zinc (King 19). Sin embargo, estos elementos menores suelen estar disponibles en el medio ambiente en cantidades suficientes donde pueden faltar nitrógeno y fósforo y deben agregarse. Hay muchos contaminantes susceptibles a la biorremediación. Los hidrocarburos del petróleo, en particular, el benceno, el tolueno, el etilbenceno y el xileno (BTEX), los principales componentes de la gasolina, se han biodegradado utilizando esta tecnología. Además, los alcoholes, las cetonas y los ésteres están bien establecidos como biodegradables por los microorganismos. Muchos otros contaminantes están surgiendo como tratables mediante biorremediación, como alifáticos halogenados, aromáticos halogenados, bifenilos policlorados y nitroaromáticos. los principales componentes de la gasolina han sido biodegradados utilizando esta tecnología. Además, los alcoholes, las cetonas y los ésteres están bien establecidos como biodegradables por los microorganismos. Muchos otros contaminantes están surgiendo como tratables mediante biorremediación, como alifáticos halogenados, aromáticos halogenados, bifenilos policlorados y nitroaromáticos. los principales componentes de la gasolina han sido biodegradados utilizando esta tecnología. Además, los alcoholes, las cetonas y los ésteres están bien establecidos como biodegradables por los microorganismos. Muchos otros contaminantes están surgiendo como tratables mediante biorremediación, como alifáticos halogenados, aromáticos halogenados, bifenilos policlorados y nitroaromáticos.
FACTORES QUE AFECTAN LA BIORREMEDIACIÓN
Los factores que afectan la biorremediación se pueden dividir en las siguientes categorías.
Factores microbianos Factores ambientales Factores microbianos
Los microorganismos se pueden aislar de casi cualquier condición ambiental. Los microbios se adaptarán y crecerán a temperaturas bajo cero, así como en calor extremo, condiciones desérticas, en el agua, con un exceso de oxígeno y en condiciones anaeróbicas, con la presencia de compuestos peligrosos o en cualquier corriente de desechos. Los principales requisitos son una fuente de energía y una fuente de carbono. Debido a la adaptabilidad de los microbios y otros sistemas biológicos, estos pueden usarse para degradar o remediar los riesgos ambientales. Con frecuencia se ha informado que estos microbios degradan pesticidas e hidrocarburos, tanto alcanos como compuestos poliaromáticos. Muchas de estas bacterias usan el contaminante como la única fuente de carbono y energía. Ejemplos de bacterias aerobias reconocidas por sus capacidades de degradación son Pseudomonas, Alcaligenes, Sphingomonas, Rhodococcus y Mycobacterium.
Para la degradación, es necesario que las bacterias y los contaminantes estén en contacto. Esto no se logra fácilmente, ya que ni los microbios ni los contaminantes están distribuidos uniformemente en el suelo. Algunas bacterias son móviles y exhiben una respuesta quimiotáctica, detectando el contaminante y avanzando hacia él. Otros microbios como los hongos crecen en forma filamentosa hacia el contaminante. Es posible mejorar la movilización del contaminante utilizando algunos surfactantes como el dodecil sulfato de sodio (SDS)
Los microbios se utilizan para degradar la gasolina, el contaminante más común de las aguas subterráneas en los Estados Unidos. La adición de algas en polvo al suelo contaminado con DDT aumenta la actividad de limpieza de los microbios que comen DDT. En un sitio de prueba, el 80% del DDT se eliminó después de seis semanas. Los microbios y los hongos se utilizan en los filtros de aire para controlar los olores de las plantas de tratamiento de aguas residuales y en la industria de la pintura. Se ha insertado un gen para una proteína encontrada en hígados de rata que se une con metales tóxicos tanto en plantas de tabaco como en algas. Con este gen, la planta de tabaco y las algas pueden extraer cientos de veces más compuestos metálicos tóxicos del suelo o del agua en comparación con las plantas sin el gen. Un microbio en particular degrada los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP), que son subproductos del petróleo causantes de cáncer.
El crecimiento y la actividad microbiana se ven fácilmente afectados por el pH, la temperatura y la humedad. Aunque los microorganismos también se han aislado en condiciones extremas, la mayoría de ellos crecen de manera óptima en un rango estrecho, por lo que es importante lograr condiciones óptimas.
Si el suelo tiene demasiado ácido, es posible enjuagar el pH agregando cal. La temperatura afecta las tasas de reacciones bioquímicas, y las tasas de muchos de ellos se duplican por cada aumento de temperatura de 10 ° C. Por encima de cierta temperatura, sin embargo, las células mueren. La cubierta de plástico puede usarse para mejorar el calentamiento solar a fines de la primavera, el verano y el otoño. El agua disponible es esencial para todos los organismos vivos, y se necesita irrigación para alcanzar el nivel óptimo de humedad. La cantidad de oxígeno disponible determinará si el sistema es aeróbico o anaeróbico. Los hidrocarburos se degradan fácilmente en condiciones aeróbicas, mientras que los compuestos de clorurato se degradan solo en condiciones anaeróbicas. Para aumentar la cantidad de oxígeno en el suelo, es posible cultivar o esparcir aire. En algunos casos, el peróxido de hidrógeno o el peróxido de magnesio se pueden introducir en el medio ambiente. La estructura del suelo controla la entrega efectiva de aire, agua y nutrientes. Para mejorar la estructura del suelo, se pueden aplicar materiales como el yeso o la materia orgánica. La baja permeabilidad del suelo puede impedir el movimiento de agua, nutrientes y oxígeno; por lo tanto, los suelos con baja permeabilidad pueden no ser apropiados para las técnicas de limpieza in situ.
ESTRATEGIAS Y TÉCNICAS IMPLICADAS EN BIORREMEDIACIÓN Básicamente, dos tipos de técnicas están involucradas en la biorremediación
Biorremediación in situ (en el sitio) Biorremediación ex situ (fuera del sitio) Biorremediación in situ
Las técnicas in situ se definen como aquellas que se aplican al suelo y al agua subterránea en el sitio con una perturbación mínima. En general, estas técnicas son las opciones más deseables debido a su menor costo y menor cantidad de perturbaciones, ya que proporcionan el tratamiento en lugar de la excavación y el transporte de contaminantes. El tratamiento in situ está limitado por la profundidad del suelo que puede tratarse de manera efectiva. En muchos suelos, la difusión efectiva de oxígeno para las tasas deseables de biorremediación se extiende a un rango de solo unos pocos centímetros hasta aproximadamente 30 cm en el suelo, aunque las profundidades de 60 cm y mayores se han tratado efectivamente en algunos casos.
Tipos de biorremediación in situ:
La bioinyección es el tratamiento in situ más común e implica el suministro de aire y nutrientes a través de pozos a la tierra contaminada para estimular las bacterias autóctonas. La bioinversión emplea tasas de flujo de aire bajas y proporciona solo la cantidad de oxígeno necesaria para la biodegradación, al tiempo que minimiza la volatilización y la liberación de contaminantes a la atmósfera.
Funciona para hidrocarburos simples y se puede usar donde la contaminación es profunda debajo de la superficie.
La biodegradación in situ implica el suministro de oxígeno y nutrientes mediante la circulación de soluciones acuosas a través de suelos contaminados para estimular las bacterias naturales y degradar los contaminantes orgánicos. Se puede usar para suelo y agua subterránea. Generalmente, esta técnica incluye condiciones tales como la infiltración de nutrientes que contienen agua y oxígeno u otros aceptores de electrones para el tratamiento del agua subterránea.
Biosparging implica la inyección de aire a presión debajo de la capa freática para aumentar las concentraciones de oxígeno en el agua subterránea y mejorar la tasa de degradación biológica de contaminantes por bacterias que ocurren naturalmente. La bioparición aumenta la mezcla en la zona saturada y, por lo tanto, aumenta el contacto entre el suelo y el agua subterránea. La facilidad y el bajo costo de instalar puntos de inyección de aire de pequeño diámetro permiten una considerable flexibilidad en el diseño y la construcción del sistema
Bioaumentación La biorremediación con frecuencia implica la adición de microorganismos indígenas o exógenos a los sitios contaminados. Dos factores limitan el uso de cultivos microbianos agregados en una unidad de tratamiento de tierra: 1) las culturas no indígenas rara vez compiten lo suficientemente bien con una población indígena para desarrollar y mantener niveles útiles de población y 2) la mayoría de los suelos con exposición prolongada a desechos biodegradables que se degrade eficazmente si la unidad de tratamiento de la tierra está bien administrada.
Biorremediación ex situ
Las técnicas ex situ son aquellas que se aplican al suelo y al agua subterránea en el sitio que se ha eliminado del sitio mediante excavación (suelo) o bombeo (agua). Estas técnicas involucran la excavación o remoción de suelo contaminado del suelo.
Tipos de biorremediación ex situ:
Estas técnicas involucran la excavación o remoción de suelo contaminado del suelo. Landfarming es una técnica simple en la cual el suelo contaminado es excavado y esparcido sobre un lecho preparado y labrado periódicamente hasta que los contaminantes se degradan. El objetivo es estimular microorganismos biodegradativos autóctonos y facilitar su degradación aeróbica de contaminantes. En general, la práctica se limita al tratamiento de 10-35 cm superficiales de suelo. Dado que la ganadería tiene el potencial de reducir los costos de monitoreo y mantenimiento, así como los pasivos de limpieza, ha recibido mucha atención como una alternativa de eliminación.
El compostaje es una técnica que implica combinar suelos contaminados con elementos orgánicos no peligrosos tales como estiércol o desechos agrícolas. La presencia de estos materiales orgánicos apoya el desarrollo de una población microbiana rica y temperatura elevada característica del compostaje.
Las biopilas son un híbrido de landfarming y composting. Esencialmente, las células diseñadas se construyen como pilas de compostaje aireadas. Típicamente usados para el tratamiento de la contaminación de la superficie con hidrocarburos de petróleo, son una versión refinada de la ganadería que tienden a controlar las pérdidas físicas de los contaminantes por lixiviación y volatilización. Las biopilas proporcionan un entorno favorable para los microorganismos aeróbicos y anaeróbicos autóctonos.
Bioreactores Los reactores de pulpa o reactores acuosos se utilizan para el tratamiento ex situ de suelo contaminado y agua bombeada a partir de una pluma contaminada. La biorremediación en reactores implica el procesamiento de material sólido contaminado (suelo, sedimento, lodo) o agua a través de un sistema de contención diseñado. Un biorreactor de lechada puede definirse como un recipiente de contención y un aparato utilizado para crear una condición de mezcla trifásica (sólida, líquida y gaseosa) para aumentar la tasa de biorremediación de contaminantes en el suelo y solubles en agua como una suspensión de agua del contaminante suelo y biomasa (generalmente microorganismos indígenas) capaces de degradar los contaminantes objetivo. En general, la tasa y el grado de biodegradación son mayores en un sistema de biorreactor que in situ o en sistemas de fase sólida porque el entorno contenido es más manejable y, por lo tanto, más controlable y predecible. A pesar de las ventajas de los sistemas de reactores, existen algunas desventajas. El suelo contaminado requiere pretratamiento (por ejemplo, excavación) o alternativamente, el contaminante puede eliminarse del suelo mediante lavado del suelo o extracción física (por ejemplo, extracción al vacío) antes de colocarlo en un biorreactor.
Quimiotaxis bacteriana.
La quimiotaxis favorece la capacidad de las bacterias móviles para localizar y degradar concentraciones bajas de compuestos orgánicos, y es razonable esperar que también dirige el movimiento de las bacterias móviles hacia los compuestos tóxicos, pero metabolizables, presentes en ambientes contaminados. Actualmente se sabe que algunas bacterias flageladas tienen sistemas específicos para detectar y responder de forma adecuada frente a contaminantes presentes en medios aerobios a través de este proceso. Se ha especulado que la quimiotaxis puede acelerar la biodegradación de distintas formas. La primera y más obvia, es que la quimiotaxis es capaz de poner en contacto a las células con el producto químico que va a degradar. Y, por tanto, las limitaciones en biodisponibilidad debidas a limitaciones en transferencia de masas, baja solubilidad o adhesión de un producto químico a la superficie de la matriz pueden ser reducidas o solucionadas.
Además, la quimiotaxis puede facilitar la transferencia de plásmidos catabólicos autotransmisibles dirigiendo bacterias móviles a sitios contaminados donde es posible que estén presentes las estirpes que llevan los plásmidos catabólicos relevantes. El movimiento directo hacia o desde los contaminantes en el medio ambiente por el proceso llamado quimiotaxis es una respuesta exhibida por muchas sino todas las bacterias flageladas. La quimiotaxis se ha estudiado mucho en Escherichia coli y Sa/monella spp. Estas especies detectan aminoácidos o azúcares a través de receptores de la superficie celular llamados proteinas quimiotácticas aceptoras de metilos (MCPs). Hasta unirse a un atractante, una MCP sufre un pequeño cambio conformacional que está comunicado con el motor flagelar a través de una serie de proteínas físicamente asociadas a la quimiotaxis y de fenómenos de fosforilación.
Líquidos en fase no acuosa (NAPLs).
Muchos contaminantes no existen en la fase acuosa o adsorbidos a los sólidos, sino en líquidos que no son miscibles en agua. Estos líquidos se llaman líquidos en fase no acuosa (NAPLs). Estos últimos son muy conocidos debido a los derrames o los escapes de los tanques de aceite, de las gasolinas, de las refinerías o de los petroleros, o al descuido durante la descarga de los petroleros en las aguas marinas. Los NAPLs se pueden encontrar en la superficie de las aguas contaminadas, en los sedimentos marinos, en las costas de las playas y en los suelos contaminados. En muchas zonas contaminadas los residuos peligrosos contienen solventes industriales, y estos solventes orgánicos se mueven y entran en las aguas subterráneas adyacentes, frecuentemente convirtiéndolas en no potables. Casi todos los trabajos realizados sobre fisiología microbiana y metabolismo de los substratos orgánicos se han centrado sobre moléculas que están en solución acuosa, suponiendo siempre que la fracción de un compuesto que no está disuelto en el agua no es fácilmente accesible para la utilización. Las observaciones de los sitios contaminados indican que los NAPLs son siempre extremadamente persistentes, y el mismo comportamiento suele darse con los compuestos que se encuentran en su interior. Un número de factores influyen en la biodegradación de los constituyentes de los NAPLs: (1) la capacidad intrínseca de la microflora en la zona para transformar los constituyentes, (2) la tasa de reparto de los constituyentes de los NAPLs hacia la fase acuosa. Tales tasas de reparto dependen de la identidad del NAPL (Carroquino & Alexander, 1998" (3) la viscosidad del NAPL (Chen et aL, 1994) - es probable que la viscosidad afecte a la tasa de biodegradación debido a la disminución de la difusión desde el NAPL hacia el agua, (4) la toxicidad del NAPL, (5) la superficie de la interface entre el NAPL y la fase acuosa, (6) la presencia de otros componentes que son degradados más fácilmente que el compuesto especifico que nos interesa, y una concentración umbral de equilibrio en la acuosa que pueda permitir el crecimiento de las especies. Además, si el compuesto que nos interesa puede ser transformado solamente por cometabolismo, entonces el compuesto puede ser fácilmente transformado si el NAPL tiene los constituyentes que puedan soportar el crecimiento de las especies cometabolizantes (Alexander, 1999).
