1 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA - UNAD
ESCUELA DE CIENCIAS AGRÍCOLAS, PECUARIAS Y DEL MEDIO AMBIENTE
358025 – PROCESOS DE BIOREMEDIACIÓN
(Sinke & van Moll, 2011)
Autor:
Bio. PhD. RAÚL HERNANDO POSADA
BOGOTÁ 2012
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ÍNDICE DE CONTENIDO
ÍNDICE DE CONTENIDO ... 2
ÍNDICE DE CUADROS ... 5
ÍNDICE DE FIGURAS... 6
ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO ... 8
INTRODUCCIÓN GENERAL ... 9
UNIDAD 1. CARACTERIZACIÓN DE CUERPOS Y CONTAMINANTES. ... 12
CAPÍTULO 1. GENERALIDADES. ... 12
Lección 1. Introducción. ... 12
Lección 2. Conceptos básicos de bioremediación. ... 15
Lección 3. Características de los suelos: físicas, químicas y biológicas. ... 18
Lección 4. Características del agua: pH, aspectos físicos, químicos y aspectos microbiológicos... 23
Lección 5. Ventajas y desventajas de la bioremediación. ... 26
CAPÍTULO 2. CONTAMINANTES. ... 29
Lección 6. Clasificación, composición, propiedades y toxicidad de Hidrocarburos (alifáticos aromáticos=BTEX, PAHs). ... 30
Lección 7. Clasificación, composición, propiedades y toxicidad de Hidrocarburos clorados (PCBs, TCE, PCE, insecticidas, herbicidas). ... 34
Lección 8. Clasificación, composición, propiedades y toxicidad de Compuestos nitroaromáticos (TNT y otros). ... 37
Lección 9. Clasificación, composición, propiedades y toxicidad de metales pesados. 40 Lección 10. Clasificación, composición, propiedades y toxicidad de compuestos organofosforados, cianuros, fenoles. ... 43
CAPÍTULO 3. PROCESOS QUE INTERVIENEN EN LA BIOREMEDIACIÓN. ... 46
Lección 11. Interacciones microbianas... 46
Lección 12. Adaptacion, aclimatación y bioacumulación. ... 49
Lección 13. Biodisponibilidad y detoxificación. ... 52
Lección 14. Biodegradabilidad. ... 55
Lección 15. Sorción y biosorción. ... 58
UNIDAD 2. ESPECIES EMPLEADAS PARA LA BIOREMEDIACIÓN. ... 62
CAPÍTULO 4. BACTERIAS Y ALGAS. ... 63
Lección 16. Introducción. ... 63
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Lección 18. Metabolismo anaerobio. ... 70
Lección 19. Metabolismo de metales. ... 74
Lección 20. Aplicaciones. ... 77
CAPÍTULO 5. HONGOS Y LEVADURAS (MICORREMEDIACIÓN)... 80
Lección 21. Introducción. ... 80
Lección 22. Metabolismo... 83
Lección 23. Micorremediación con micorrizas. ... 86
Lección 24: Degradación de plaguicidas, insecticidas y organoclorados. ... 89
Lección 25. Aplicaciones. ... 92
CAPÍTULO 6. PLANTAS (FITOREMEDIACIÓN). ... 96
Lección 26. Introducción. ... 96
Lección 27. Metabolismo... 99
Lección 28. Clases. ... 103
Lección 29. Procesos involucrados en la fitoremediacion. ... 108
Lección 30. Aplicaciones. ... 112
UNIDAD 3. TÉCNICAS DE BIOREMEDIACIÓN. ... 117
CAPITULO 7: ATENUACIÓN NATURAL. ... 118
Lección 31. Introducción. ... 118
Lección 32. Parámetros de diseño... 121
Lección 33. Funcionamiento. ... 124
Lección 34. Posibles costos. ... 128
Lección 35. Parámetros de monitoreo y seguimiento. ... 130
CAPÍTULO 8. BIOESTIMULACIÓN. ... 134
Lección 36. Introducción ... 134
Lección 37. Parámetros de diseño... 136
Lección 38. Funcionamiento ... 139
Lección 39. Posibles costos. ... 142
Lección 40. Parámetros de monitoreo y seguimiento. ... 143
CAPÍTULO 9. BIOAUMENTACIÓN. ... 146
Lección 41. Introducción. ... 146
Lección 42. Parámetros de diseño... 149
Lección 43. Funcionamiento. ... 152
4 Lección 45. Parámetros de monitoreo y seguimiento. ... 157 BIBLIOGRAFÍA ... 161
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ÍNDICE DE CUADROS
Cuadro 1: Principales características del agua. 24
Cuadro 2: Límites permisibles para metales pesados, cianuros y contaminantes en agua de acuerdo a la Universidad Autónoma de México (UAM, 2000). 25
Cuadro 3: Ventajas y desventajas de la bioremediación. 26
Cuadro 4: Ventajas y desventajas de la fitoremediación con respecto a otros métodos de
remediación. 27
Cuadro 5: Comparativo de las técnicas ex-situ de bioremediación (Villaseñor Roa, 2011). 28 Cuadro 6: Límites máximos permisibles para hidrocarburos específicos en suelos según la
norma oficial mexicana NOM -138-SEMARNAT/SS-2003 (SEMARNAT, 2005). 31 Cuadro 7: Límites permisibles de Cadmio, Niquel y Plomo en suelos de Ecuador. 41 Cuadro 8: Resumen de los umbrales de contaminación para elementos traza en la
comunidad andaluza. 41
Cuadro 9: Estándares de referencia para medir la biodegradabilidad en USA y Europa. 57 Cuadro 10: Géneros fúngicos que contienen especies que degradan hidrocarburos
poliaromaticos (PAHs)(Al-Turki, 2009). 81
Cuadro 11: Degradación de benzo(a)pyrenos por aislamientos fúngicos (Juhasz & Naidu,
2000). 90
Cuadro 12: Ventajas y desventajas de la fitoremediación (Delgadillo-López et al., 2011). 98 Cuadro 13: Ejemplos de plantas que fitodegradan contaminantes orgánicos
(Delgadillo-López et al., 2011). 99
Cuadro 14: Mecanismos de fitoremediación (Delgadillo-López et al., 2011). 108 Cuadro 15: Tecnologías de fitoremediación aplicables a diferentes tipos de
contaminantes1,2 (EPA, 2000). 110
Cuadro 16: Parámetros de monitoreo una vez implementada la fitoremediación, adaptado
de EPA (2000). 111
Cuadro 17: Ejemplo de métodos de remediación. Comparación de costos, tomado de
Delgadillo-López et al. (2011). 113
Cuadro 18: Costo estimado de la fitoremediación en el sitio Carswell. 114 Cuadro 19: Costos comparativos de diferentes tecnologías de remediación por unidad de
suelo, adaptado de Adriano (2001). 128
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Algunos tipos de estructura de suelo. 19
Figura 2: Movilidad de iones de acuerdo al pH del suelo. 20
Figura 3: Molécula de agua. 23
Figura 4: Estructuras, fórmulas químicas y pesos moleculares de 16 poluyentes PAHs de
acuerdo a la EPA (NRC, 1997). 31
Figura 5: Benceno, Tolueno, Etilbenceno y Xileno. 32
Figura 6: Estructura de los PCBs. Dos anillos fenilos rodeados por cloro. 34
Figura 7: Estructura química del DDT y DDE. 36
Figura 8: Algunos compuestos nitroaromáticos naturales y sintéticos (xenobióticos)
constituidos por un anillo bencénico como principal componente estructural. 38 Figura 9: Estructura química del Malation (Ortiz-Hernández & Sánchez-Salinas, 2010). 43 Figura 10: Grupo fenol y algunos derivados (Garric, 1979). 45
Figura 11: Adaptación y evolución en el humano. 49
Figura 12: Niveles crecientes de acumulación de xenobióticos como DDT en tejidos
animales. 51
Figura 13: Interacción de los metales pesados con las células de plantas (Navarro-Aviño et
al., 2007). 54
Figura 14: Esquema de las reacciones de acuerdo a Torres Delgado & Zuluaga Montoya
(2009). 66
Figura 15: Ruta de degradación (via catecol) de compuestos aromáticos (Eweis et al., 1998) utilizada por bacterias como Pseudomonas putida. 67 Figura 16: Transformación bioquímica de los compuestos nitroaromáticos (Gomez Cruz,
2009). 68
Figura 17: Rutas aeróbicas oxidativas de degradación del anillo aromático de los
compuestos nitroaromáticos. 68
Figura 18: Dehalogenación reductiva de tetracloruro de carbono y tetracloroetileno. 70 Figura 19: Reacciones iniciales durante la degradación anaeróbica de hidrocarburos
saturados y aromáticos. 71
Figura 20: Reducción de los compuestos nitroaromáticos. 72
Figura 21: Reducción del nitrobenceno catalizada por la nitrobenceno reductasa (Tipo I) de
Pseudomoas pseudoalcaligenes. 73
Figura 22: Interacción entre metales y microorganismos explicando la precipitación, acumulación, producción o liberación de sustancias y participación en el ciclo de
carbono. Adaptado de Ledin (2000). 75
Figura 23: Metabolitos intermediarios formados durante la degradación aerobia de TNT
por Phanerochaete chrysosporium (Spain, 1995). 83
Figura 24: Transformaciones fungicas del benzo(a)pyreno. 84 Figura 25: Mecanismo enzimático propuesto para Trichoderma spp. durante la
7 Figura 26: Degradación de Fenantreno y Pireno por Cyclothirium sp. (da Silva, Esposito,
Moody, Canhos, & Cerniglia, 2004) 85
Figura 27: Mecanismos de tolerancia al estrés pormetales pesados desarrollado por la
simbiosis MA. 86
Figura 28: Esquema de la fitoacumulación (EPA, 2000). 103
Figura 29: Esquema del proceso de rhizofiltración (EPA, 2000), 104 Figura 30: Esquema del proceso de fitoextracción y fitoacumulación (EPA, 2000). 104 Figura 31: Esquema del proceso de fitovolatilización (EPA, 2000). 105 Figura 32: Esquema del proceso de fitodegradación (EPA, 2000). 106 Figura 33: Esquema del proceso de rhizodegradación (EPA, 2000). 107 Figura 34: Diseño experimental en Carswell (Forth Texas), tomado de EPA (2000) 114 Figura 35: Procesos presentes en la atenuación natural (Field, 2005) 123 Figura 36: Rutas comunes de biodegradación (ITRCWG & RTDF, 1999). 126 Figura 37: Técnica de Landfarming, modificado de (EPA, 1994a). 126 Figura 38: Diagrama de flujo para evaluar la implementación de la atenuación natural,
adaptado de ITRCWG & RTDF, (1999). 132
Figura 39. Proceso de bioremediación in-situ de agua y suelo. 137 Figura 40. Localización geográfica del vertimiento EXXON VALDEZ en Alaska y foto del
proceso de bioremediación. 140
Figura 41: Representación gráfica de un sistema de biopilas alargadas (Velasco & Volke
Sepúlveda, 2003) 146
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ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO
El contenido didáctico del curso académico Procesos de Bioremediación fue diseñado por Raúl Hernando Posada A. quien es Biólogo, con un magister en microbiología y doctorado en Ecología. Se ha desempeñado como investigador y coordinador en la empresa pública y privada, también como docente universitario y consultor, al momento de la elaboración de este material, es docente de la Universidad Autónoma y la Corporación Universitaria Minuto de Dios. Para citar este material por favor hacerlo de la siguiente manera:
Posada, R.H (2012). Procesos de Bioremediación. Módulo didáctico. Bogotá: Universidad Nacional Abierta y a Distancia – UNAD.
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INTRODUCCIÓN GENERAL
El desarrollo humano en las últimas décadas ha estado muy relacionado con la extracción de los recursos naturales, en el proceso se han creado sustancias químicas no existentes y/o de difícil descomposición. Entre estas sustancias se encuentran muchos productos para la agricultura contra enfermedades y plagas, ampliamente utilizados por muchos años en grandes extensiones de terreno en países desde tercermundistas hasta del primer mundo, lamentablemente solo hasta hace pocos años se ha encontrado sus efectos perjudiciales contra los humanos y el ambiente; esto sumado a su acumulación en suelo y aguas ha llevado a grandes problemas ambientales. También podemos citar al petróleo y sus derivados, los cuales aunque han sido la principal fuente de energía en los últimos años, también se encuentran entre los productos más tóxicos y de los cuales es muy frecuente escuchar derrames en ambientes naturales, con graves consecuencias ambientales.
Por otro lado el desarrollo de materiales resistentes y de poca reactividad química se ha buscado como una propiedad para solucionar problemas relacionados con la conservación de alimentos, su transporte, conservación de edificaciones y desarrollo de las ciudades; esta propiedad ha llevado a que se acumulen grandes cantidades de basuras de carácter permanente. A lo anterior le podemos sumar los residuos de minería, los vertimientos de metales pesados tanto a las aguas como al suelo, ocasionando intoxicaciones a animales, incluido el hombre y a vegetales tanto de la región adyacente, como aguas abajo. Estos minerales producto de la minería o utilizados en su extracción pueden acumularse en los tejidos y ocasionar también graves problemas de fertilidad y de desarrollo animal y vegetal, motivo por el cual es importante controlarlos desde su origen.
Bajo este panorama tan desolador hay alternativas de remediación cultural y natural y es precisamente de este segundo a que hace referencia el presente curso. Microorganismos como bacterias, algas y hongos u organismos más grandes como setas, helechos, plantas acuáticas y árboles, o sus enzimas (en caso de ser muy altas las concentraciones contaminantes), nos ayudan a reducir o eliminar estos compuestos tóxicos y perjudiciales para el ambiente y los humanos. Con su ayuda ha sido posible remediar los problemas de contaminación en el proceso denominado bioremediación, sin embargo son muchos los esfuerzos infructuosos producto de la inexperiencia o del desconocimiento de los procesos. Los procesos de bioremediación están en auge y constituyen un excelente negocio, sin embargo es necesario conocer los detalles de su funcionamiento para poder determinar cuál de todos es el más adecuado dependiendo del problema específico y las condiciones ambientales.
El conocimiento adquirido ha servido para desarrollar herramientas de interés biotecnológico como por ejemplo, el uso de las bacterias, o parte de ellas en procesos de biomineria (extracción de metales de interés usando bacterias), de bioproducción de
10 sustancias de interés tales como bioplásticos o biopolímeros, energía (electricidad), sustancias de interés farmacológico, o enzimas que realizan procesos químicos de una forma más eficiente y más respetuosa con el medio ambiente que la industria química. Este módulo se estructura en 3 unidades, equivalente a 9 capítulos y 45 lecciones, y a través de su contenido se fomentan competencias relacionadas con la comprensión de la enorme importancia la bioremediación y su nivel de complejidad, al mismo tiempo que diferencia el campo de acción de su formación académica del de otros programas que, de igual forma, toman como objeto de estudio los tratamientos biológicos, pero desde la perspectiva del tratamiento de aguas residuales, como uno de los tratamientos secundarios o terciarios.
En este documento se comenzará en la primera unidad con los conceptos básicos del ambiente, de los contaminantes, de bioremediación. En la segunda unidad se verán en detalle los organismos más importantes involucrados en estos procesos, su metabolismo, clases, procesos involucrados y sus aplicaciones. Finalmente en el tercer capítulo se retomarán las técnicas más importantes de bioremediación existentes en la actualidad, el proceso de selección del proceso más adecuado, los parámetros a tomar en cuenta, parámetros de diseño, funcionamiento y los posibles costos involucrados.
Existen abundante información en la web, sin embargo solo unas pocas páginas se pueden consultar en forma académica, acerca de los procesos de bioremediación en general o de los procesos de contaminación ambiental directamente relacionados, lamentablemente la mayoría se encuentran en inglés, entre ellas se encuentran:
La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA, por su sigla en inglés). http://www.epa.gov/nscep/index.html
El grupo de discusión en bioremediación. http://www.bioremediationgroup.org/
Revista Internacional de contaminación ambiental. http://www.revistas.unam.mx/index.php/rica/index
Con este panorama de aplicación y utilidad, dejamos las puertas abiertas al conocimiento y la instrucción, con miras a la apropiación del conocimiento y una correcta utilización futura en Colombia o donde se requiera.
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UNIDAD 1
Nombre de la
Unidad CARACTERIZACIÓN DE CUERPOS Y CONTAMINANTES. CAPÍTULO 1 GENERALIDADES.
Lección 1 Introducción.
Lección 2 Conceptos básicos de bioremediación.
Lección 3 Características de los suelos: físicas, químicas y biológicas.
Lección 4 Características del agua: pH, aspectos físicos, químicos y aspectos microbiológicos.
Lección 5 Ventajas y desventajas de la bioremediación. CAPÍTULO 2 CONTAMINANTES.
Lección 6 Clasificación, composición, propiedades y toxicidad de Hidrocarburos (alifáticos, aromáticos = BTEX, PAHs).
Lección 7 Clasificación, composición, propiedades y toxicidad de Hidrocarburos clorados (PCBs, TCE, PCE, pesticidas, herbicidas).
Lección 8 Clasificación, composición, propiedades y toxicidad de Compuestos nitroaromáticos (TNT y otros).
Lección 9 Clasificación, composición, propiedades y toxicidad de metales pesados.
Lección 10 Clasificación, composición, propiedades y toxicidad de compuestos organofosforados, cianuros, fenoles.
CAPÍTULO 3 PROCESOS QUE INTERVIENEN EN LA BIOREMEDIACIÓN. Lección 11 Interacciones microbianas.
Lección 12 Adaptacion, aclimatación y bioacumulación. Lección 13 Biodisponibilidad y detoxificación.
Lección 14 Biodegradabilidad. Lección 15 Sorción y biosorción.
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UNIDAD 1. CARACTERIZACIÓN DE CUERPOS Y CONTAMINANTES. CAPÍTULO 1. GENERALIDADES.
En el campo ambiental existen muchas disciplinas que entrecruzan conocimientos, tales como biología, microbiología, ecología, ingeniería ambiental, ingeniería sanitaria, ingeniería agroecológica entre otros y los conceptos acerca de los tópicos ambientales difieren en mayor o menor medida en función de la formación que se está brindando. Sin embargo el ambiente es solo uno y aunque existen muchos conceptos existe una única realidad tangible, motivo por el cual es importante comprender claramente los conceptos básicos a utilizar en el transcurso del documento, de esta forma los estudiantes tendrán nociones comunes y podrán comprender y diferenciar mejor los procesos naturales y antrópicos. Se comenzará con los conceptos básicos de bioremediación, suelos, agua y los beneficios de diferentes métodos de bioremediación; luego se continuará con los diferentes tipos de contaminantes, sus propiedades, composición y toxicidad, para finalizar con los principales procesos que se deben de tener en cuenta en la bioremediación para que sea efectiva, cualquiera que sea el procedimiento a utilizar.
Lección 1. Introducción.
La bioremediación, como su nombre lo indica (bio=vida, remediación=arreglo o remediación) corresponde a el arreglo del ambiente con seres vivos, mas estrictamente hablando, se refiere a los procesos de degradación de contaminantes o transformación de ambientes contaminados con el uso de organismos vivos o sus derivados. Actualmente se conoce como bioremediación a los procesos que utilizan las habilidades de los organismos vivos para degradar y/o transformar contaminantes ambientales tanto en ecosistemas terrestres como acuáticos hasta niveles que no representen peligro al humano o al ambiente (Garbisu, Amézaga, & Alkorta, 2002).
Para la bioremediación se utiliza el potencial metabólico de los microorganismos (bacterias, hongos y plantas) para transformar contaminantes en compuestos más simples, poco o nada contaminantes, con el fin de realizar una mineralización (Compuesto menos tóxico + CO2 + H2O), una transformación parcial, la humificación de residuos o de agentes contaminantes y una alteración del estado redox de los metales y por lo tanto se puede usar para limpiar terrenos o aguas contaminadas (Orosco Verdezoto & Soria Guano, 2008).
La biorremediación se ha centrado en la explotación de la diversidad genética y versatilidad metabólica que caracteriza principalmente a las bacterias (bioremediación), así como también a los hongos (micorremediación) y plantas (fitorremediación) para transformar contaminantes en productos inocuos o, en su defecto, menos tóxicos, que pueden entonces integrarse en los ciclos biogeoquímicos naturales (Garbisu et al., 2002),
13 o para almacenar estos contaminantes en sus tejidos, retenerlos a nivel de suelo en forma no perjudicial o volatilizarlos (fitoremediación).
Estrictamente hablando, el uso de organismos vivos para el tratamiento de contaminantes ambientales no siempre se refiere a bioremediación, por ejemplo, un sistema de tratamiento de efluentes o un sistema de compostaje no son biorremediación, son tratamientos biológicos o mixtos para evitar la contaminación, en cambio la biorremediación siempre se utiliza para revertir un daño. Sin embargo el compostaje es una técnica amplia y con muchas variaciones, si se utiliza como método para revertir un daño, empleando material extraído de un sitio contaminado en mezcla con material no contaminado si se puede hablar de un uso para bioremediación, pero como lo veremos posteriormente, solo es aplicable en casos específicos. Tanto el tratamiento de residuos como la biorremediación usan microorganismos, pero lo distintivo de la biorremediación es la aplicación de una tecnología a posteriori, una vez que se ha producido el daño ecológico.
La naturaleza tiene mecanismos de defensa contra cualquier inclemencia (física, química o biológica), lo que se conoce como capacidad de resiliencia, pero esta defensa o tolerancia tiene ciertos límites, los cuales, de ser superados por factores externos producen daños irreparables al ambiente. En muchas ocasiones los ecosistemas son tan seriamente alterados, que los mecanismos de recuperación naturales son demasiado lentos y hacen que el ambiente demore prolongados periodos para recuperarse; lamentablemente y afortunadamente son muchos los mecanismos de recuperación, los cuales dependen de las características físicas, químicas y biológicas de cada sitio específico, y en general del ambiente, haciendo casi imposible hacer predicciones de los tiempos requeridos para su recuperación total.
Existen muchas referencias de fracasos al intentar aplicar modelos predictivos elaborados para reactores a procesos de biorremediación de aguas y suelos contaminados. Por ejemplo, uno de los tratamientos más habituales que se realizan cuando se aborda la biorremediación de una zona contaminada es la introducción de una cepa o población microbiana que posea las rutas degradativas necesarias para metabolizar el contaminante a eliminar (Garbisu et al., 2002), cuando en realidad el mejor mecanismo pudo haber sido la fitoremediación con especies vegetales específicas o una combinación de tratamientos. Gran parte de los elementos contaminantes son producidos de forma natural, pero muchos de estos son de origen sintético o artificial (hidrocarburos alifáticos, aromáticos, como BTEX, PAHs; hidrocarburos clorados como PCBs, TCE, PCE, pesticidas y herbicidas; compuestos nitroaromáticos como TNT; metales pesados; compuestos organofosforados, cianuros y fenoles), en cualquiera de los casos se convierten en contaminantes solo cuando superan los límites máximos permisibles, principalmente para la salud humana, de acuerdo a la legislación ambiental de cada país, siendo diferente los niveles permisibles
14 para un mismo contaminante en suelos y en aguas, así como entre diferentes países, los cuales se verán con cada contaminante en este mismo capítulo.
Muchos organismos son capaces de degradar compuestos o sustancias contaminantes gracias a que su estructura química es similar a la de otras sustancias de las cuales se alimenta naturalmente como fuente de carbono, este potencial reposa en su dotación genética, la cual muchas veces es desconocido, de esta manera el organismo adapta su metabolismo para degradar sustancias nocivas al ambiente. En ambientes severamente contaminados la ausencia de otras fuentes de nutrientes obliga a los microorganismos mejor dotados a degradar los contaminantes, pero debido a que no es su alimento favorito o por encontrarse en muy altas concentraciones, puede repercutir en el funcionamiento de los microorganismos.
En un ambiente súbitamente contaminado, las concentraciones de la sustancia a degradar generalmente son muy altas y los organismos deben de pasar por un proceso de aclimatación o adaptación a las nuevas condiciones para poder sobrevivir e iniciar su proceso de biodegradación, o esperar largos periodos a que los niveles de contaminación disminuyan, motivo por el cual el inicio de este proceso de forma natural es demorado y la descontaminación puede ser un proceso prolongado. Gran parte de los microorganismos aislados e incluso algas deben pasar por este proceso en condiciones de laboratorio, para probar sus límites de tolerancia y su capacidad como biodegradadores de cada elemento, esto se hace mediante aproximaciones a concentraciones crecientes de los diferentes contaminantes, para posteriormente poder ser utilizados en condiciones de campo. Caso contrario suele suceder con las plantas superiores, las cuales se pueden adaptar a las condiciones del entorno en zonas contaminadas y al no incorporar los contaminantes en su metabolismo, utilizan diferentes mecanismos para aislar o retener los contaminantes en sus tejidos.
Muchos materiales nunca lograran ser degradados, pero para aquellos que si, existen diferentes métodos para lograr este objetivo dependiendo de los contaminantes y las herramientas disponibles. La bioremediación ha venido ocupando un lugar cada vez más importante al respecto, debido principalmente a los costos implicados, la eficacia de los procesos y los subproductos del tratamiento. No se pueden descartar las limitantes a los procesos biológicos y hace falta mucho conocimiento al respecto, pero es una alternativa poco invasiva y ambientalmente amigable con el entorno.
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Lección 2. Conceptos básicos de bioremediación.
En la primera lección ya abarcamos el concepto de bioremediación y lo diferenciamos de los tratamientos biológicos o mixtos, en done se hace claridad que la bioremediación se refiere a la recuperación a posteriori y no constituye un programa preventivo.
Sin embargo aunque no es tema de la bioremediación, se hace necesario aclarar que son los tratamientos primarios y secundarios, los cuales suelen citarse frecuentemente en los tratamientos de residuos; y es que cuando se habla de tratamiento de residuos generalmente se habla de tratamientos de primario a terciario, en donde el tratamiento primario corresponde a procedimientos mecánicos de separación de los desechos y el secundario corresponde generalmente a la remoción de materia orgánica por procesos químicos y/o biológicos. El objetivo principal de los tratamientos primarios es remover aquellos contaminantes que se pueden sedimentar, como sólidos, arenas, arcillas o aquellos que pueden flotar como las grasas, mientras el objetivo principal de los tratamientos secundarios es la reducción de la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO). La demanda bioquímica de oxígeno o DBO es un término que sirve para explicar cuanto material es susceptible de ser consumido o destruido por microorganismos, debido a que son estos los que consumen bioquímicamente los residuos; generalmente es evalúa en un periodo de 5 días, por eso la convención más frecuentemente encontrada es DBO5. Existe un término muy asociado, la Demanda Química de Oxígeno (DQO), la cual es diferente al DBO y corresponde a la cantidad de materia que es posible ser consumida por métodos químicos, es decir que incluye a la DBO y por lo tanto es más alta que ésta; incluyendo lo que pueden degradar los organismos vivos y algún otro material degradable por procesos no biológicos.
Al realizar bioremediación existen dos grandes grupos de tratamientos, dados por su nomenclatura en latín y son “ex-situ” e “in-situ” y se refieren al lugar de tratamiento. In-situ se refiere al tratamiento en el sitio donde existe el problema del contaminante, bien sea una mina y sus alrededores, como los cuerpos de agua, ríos o lagos que sean afectados, en este proceso el material a tratar no es removido mecánicamente del sitio donde está depositado, solo por fenómenos naturales; consiste en estimular la actividad de la población microbiana degradadora nativa del suelo, por adición y manejo de nutrientes y oxígeno. Mientras ex-situ se refiere a los tratamientos en los cuales el material a tratar, bien sea agua, suelo, turba, entre otros, es llevado de forma voluntaria al sitio donde se va a realizar el tratamiento, generalmente es una planta de procesamiento o un sitio preparado con este fin.
Existen varios modos de biorremediación in-situ: forma aeróbica, forma anóxica o anaeróbica y cometabólica. La primera se refiere al requerimiento de oxígeno para que se desarrolle, ha demostrado que es la más eficiente para reducir niveles de contaminantes
16 alifáticos (como hexano) e hidrocarburos aromáticos del petróleo (como benceno y naftaleno) muy frecuentes en gasolinas y gasoil. Los modos anaeróbicos o anóxicos son los que no requieren oxígeno para ser desarrollados, a cambio se usa otro aceptor de electrones como los metales, a menudo usados para la remediación de otros compuestos tales como solventes clorados, pero generalmente son más lentos que los aeróbicos rompiendo los hidrocarburos del petróleo (Manacorda & Cuadros, 2005).
El proceso denominado “cometabolismo” ó “cooxidación” consiste en la transformación de aquellos compuestos orgánicos, que no pueden ser utilizados como fuente de carbono ó energía por los microorganismos, pero pueden ser potencialmente degradados por enzimas generadas por los mismos, para metabolizar otras sustancias (Pellini, 2006). El uso del término “cometabolismo” se encuentra en discusión en el ámbito científico, ya que algunos autores utilizan este término sólo si el cosustrato se encuentra presente durante la metabolización del compuesto secundario (aquel que no aporta nutrientes y energía para el crecimiento). Sin embargo, el término cometabolismo, ha sido el más ampliamente empleado para describir el proceso donde un compuesto es transformado fortuitamente, sin ser utilizado como sustrato para el crecimiento ó como fuente de energía. Generalmente, los productos del cometabolismo son metabolitos ó subproductos parcialmente oxidados ó transformados, que pueden ser utilizados por otros microorganismos y de esta forma continuar hasta la degradación completa del compuesto contaminante (Pellini, 2006).
Permeabilidad es un término empleado para referirse a la capacidad del suelo de retener un determinado líquido sin alterar su estructura interna, siendo una superficie impermeable aquella que no permite el paso de agua y permeable aquella que si lo permite. En bioremediación se utiliza con la permeabilidad al agua o a diferentes materiales tóxicos que se encuentran en forma líquida y es muy importante con respecto a los cuerpos de agua para consumo.
Se denomina migración a todo desplazamiento de cualquier contaminante que se produce desde un lugar de origen a otro destino y lleva consigo un cambio de la ubicación. Muy relacionado está el término lixiviación, el cual conserva el significado ecológico que indica el desplazamiento hacia los ríos y mares de los contaminantes, generalmente no en forma superficial sino a través de las capas del suelo.
Algunos términos se siguen utilizando por su nombre en inglés, como:
Landfarming o laboreo del terreno: La técnica consiste en dispersar el contaminante a biodegradar sobre la capa arable (15-20 cm superficiales) de un terreno destinado a tal fin (Manacorda & Cuadros, 2005).
17 Biosparging: es definida por Wilson (1999) como un método in-situ que combina el efecto de la ventilación y la adición de nutrientes con la utilización de microorganismos autóctonos para degradar compuestos orgánicos absorbidos por el suelo en la zona saturada (Torres Rodríguez, 2003).
Compost o composta: es el producto que se obtiene del apilamiento y descomposición de materia orgánica de forma controlada. La composta se forma de desechos orgánicos, que en bioremediación se mezclan con los productos contaminantes para lograr su descomposición por procesos aeróbicos.
Bioventeo: Consiste en la inyección de aire y oxígeno al suelo para estimular la biodegradación aeróbica del contaminante. El proceso de bioventeo estimula la actividad biológica in-situ y promueve la biorremediación (Manacorda & Cuadros, 2005).
Biofiltración: Es un proceso que se basa en la entrada de aire contaminado a birreactores en los cuales la flora microbiana convierte los contaminantes orgánicos volátiles en dióxido de carbono, agua y biomasa (Torres Rodríguez, 2003).
Lodo: es una mezcla de agua, microorganismos y nutrientes, con residuos sedimentables (Riser-Robers, 1996), suele utilizarse en plantas de tratamiento para los procesos finales. La concentración de microorganismos es una medida de la población de hongos, bacterias y/o algas, generalmente se expresa en unidades por gramo, mililitro o centímetro cúbico. Inhibición: es la interrupción de alguna respuesta, en bioremediación suele usarse para el crecimiento o reproducción de los organismos, bien sean microscópicos o macroscópicos. Biodegradar: se refiere al proceso de descomponer un compuesto en los elementos químicos que lo conforman, debido a la acción de agentes biológicos bajo condiciones ambientales naturales.
Biodisponibilidad: es la disponibilidad de una sustancia a ser degradada por los organismos vivos, un fenómeno que afecta de forma negativa a la biodisponibilidad de los contaminantes es el envejecimiento o “ageing” que se define como la pérdida de la biodegradabilidad de los compuestos a lo largo del tiempo en el suelo (aunque la población microbiana mantenga intacto su potencial catabólico), el cual es más importante en suelos con elevado contenido en materia orgánica (Torres Delgado & Zuluaga Montoya, 2009).
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Lección 3. Características de los suelos: físicas, químicas y biológicas.
El suelo es algo más que la superficie donde sembramos las plantas y donde se construyen los edificios, el suelo es un sistema dinámico, un sistema vivo con muchos componentes de tipo físico, químico y biológico, en cuyo interior todos los detalles de su composición afectan y son afectados por el entorno y en el cual todos los componentes interactúan para mantener un equilibrio dinámico. A continuación se nombraran secuencialmente y en negrilla las propiedades físicas, químicas y biológicas más importantes.
La porosidad corresponde a los espacios del suelo llenos de aire y/o agua. Los macroporos no retienen el agua contra la fuerza de la gravedad, y por lo tanto son los responsables del drenaje y la aereación del suelo; los microporos son los que retienen agua, parte de la cual es disponible para las plantas. La porosidad total o espacio poroso del suelo, es la suma de macroporos y microporos. Las características del espacio poroso, dependen de la textura y la estructura del suelo (Rucks, García, Kaplán, Ponce De León, & Hill, 2004).
La textura es la proporción de arena, limo y arcilla. Se dice que un suelo tiene una buena textura cuando la proporción de los elementos que lo constituyen le dan la posibilidad de ser un soporte capaz de favorecer la fijación del sistema radicular de las plantas y su nutrición. Cuando en la textura domina la fracción arcilla, en la porosidad total del suelo hay muchos más micro-poros que cuando domina la fracción arena. Lo anterior se comprende claramente, si se piensa que entre las microscópicas partículas de arcilla los espacios son pequeños; en cambio entre las partículas de arena los poros son mayores (Rucks et al., 2004).
La textura tiene un impacto directo sobre las propiedades físicas, químicas y biológicas del suelo, ya que la mayoría de los procesos de bioremediación la realizan los microorganismos y la actividad de estos predomina en las arcillas, y por consiguiente influye en las tecnologías de remediación (Pellini, 2006).
La estructura del suelo es el arreglo de las partículas del suelo, siendo las partículas, no solo la arena, limo y arcilla, sino también los agregados o elementos estructurales que se forman por la agregación de las fracciones granulométricas (Rucks et al., 2004). En la Figura 1 se muestran algunos tipos de estructura; la estructura granular o migajosa presenta unidades esféricas o casi esféricas, con bordes y caras más o menos redondeados. Los contactos entre estas unidades se dan en pocos puntos y queda mucho espacio entre ellos. Si las unidades mayores son «desarmadas», se ve que están compuestas por unidades más pequeñas que poseen las mismas características. Se desprende de lo anterior que las partículas secundarias tienen porosidad interna – cosa que no ocurre en los granos de arena (Rucks et al., 2004).
19 Figura 1: Algunos tipos de estructura de suelo.
A. Prismática, B. Columnar, C. Bloques angulares, D. Bloques subangulares, E. Laminar, F. Granular (Rucks et al., 2004).
La permeabilidad es la facilidad o dificultad con la que un líquido puede fluir a través de un medio permeable. La permeabilidad de un suelo es uno de los factores que controla la efectividad de tecnologías in-situ. En general, una baja permeabilidad en el suelo disminuye la efectividad de la mayoría de las tecnologías de remediación (Pellini, 2006). La temperatura es uno de los factores ambientales más importantes que afecta la actividad metabólica de los microorganismos y la tasa de biodegradación. Generalmente, las especies microbianas crecen a intervalos de temperatura entre 20 y 30 ºC, decreciendo la biodegradación por desnaturalización de las enzimas a temperaturas superiores a 40 ºC e inhibiéndose a inferiores a 0ºC. Aunque en general la velocidad de degradación aumenta con la temperatura, alcanzando en el compostaje los 65oC (Orosco Verdezoto & Soria Guano, 2008; Torres Delgado & Zuluaga Montoya, 2009).
El carbono es la fuente principal de alimento y se relaciona con casi todas las propiedades edáficas, generalmente se le conoce como materia orgánica y generalmente es el contaminante; un artículo muy completo que relaciona el carbono orgánico con las propiedades del suelo fue publicado por Martínez H, Fuentes E, & Acevedo H. (2008). Entre los macro-elementos o elementos que deben estar en grandes cantidades para el desarrollo normal de las plantas y microorganismos están el fósforo y el nitrógeno, el primero de los cuales se suele fijar a los suelos, mientras el segundo generalmente es bastante abundante en el suelo. Ambos elementos son importantes por formar parte de todos los tejidos de microorganismos y plantas. La dosificación de nitrógeno y fósforo se realiza en función de la concentración del contaminante C:N:P (100:10:1)(Torres Delgado
20 & Zuluaga Montoya, 2009). La fuente de fósforo interviene en la formación de compuestos energéticos (Orosco Verdezoto & Soria Guano, 2008).
Otros nutrientes esenciales como el Ca2+, Na+, Fe2+ y SO42- están presentes en cantidades suficientes en el suelo; mientras que el calcio, magnesio, potasio, titanio, manganeso, sodio, níquel y azufre se presentan en pequeñas cantidades. Además es importante destacar que la acción de los nutrientes inorgánicos puede estar limitada debido a la interacción química con los minerales del suelo (el amonio se puede unir a las arcillas por intercambio catiónico y el fosfato puede unirse y precipitar con iones calcio, hierro y aluminio) (Torres Delgado & Zuluaga Montoya, 2009).
El pH es importante para el desarrollo de los organismos degradadores. En consecuencia, cuanto mayor sea la diversidad de microorganismos existentes, potencialmente mayor será el rango de tolerancia. No existen unas condiciones preestablecidas que sean óptimas en todos los casos; en general, el pH óptimo para las bacterias heterótrofas es neutro (pH 6-8), mientras que es más ácido para los hongos (pH 4-5). El pH óptimo establecido para procesos de biodegradación es neutro (pH 7,4-7,8) (Dible & Bartha, 1979; Orosco Verdezoto & Soria Guano, 2008). Así mismo el pH también afecta directamente en la solubilidad del fósforo y en el transporte de metales pesados en el suelo, entre más ácido el suelo, mas soluble es el fósforo (Torres Delgado & Zuluaga Montoya, 2009). El pH también influye en la disponibilidad de los denominados metales pesados (Figura 2).
Figura 2: Movilidad de iones de acuerdo al pH del suelo.
21 La humedad es el contenido de agua en el suelo, es importante ya que actúa como medio de transporte de nutrientes y oxigeno a la célula y es parte del protoplasma microbiano, un exceso de humedad produce deficiencia de oxígeno, un déficit impide el desarrollo de los microorganismos (Orosco Verdezoto & Soria Guano, 2008). La humedad del suelo puede limitar de forma severa la biodegradación, fundamentalmente en suelos superficiales afectados por oscilaciones importantes en el contenido de agua. No obstante el nivel óptimo de humedad depende de las propiedades de cada suelo y el tipo de contaminación (Torres Delgado & Zuluaga Montoya, 2009).
Los metales y sales en altas concentraciones intoxican a los microorganismos. En el caso de los metales se puede aumentar el pH para inmovilizar el metal. Si se tienen suelos muy contaminados con metales o sales se debería diluir con suelo limpio para reducir la concentración (Orosco Verdezoto & Soria Guano, 2008).
El oxígeno en el suelo no es continuo y está localizado en los poros separados por los sólidos, este aire tiene generalmente una humedad más alta que la de la atmósfera. El contenido de anhídrido carbónico (CO) es por lo general más alto y el del oxígeno más bajo que los hallados en la atmósfera. La mayor parte de los contaminantes son degradados con mayor extensión y rapidez de forma aeróbica (O2 como aceptor final de electrones), ya que en ausencia de O2, y en presencia de aceptores de electrones alternativos (NO3-, SO42-, CO2, Mn4+ y Fe3+) los contaminantes pueden ser degradados, pero con unas tasas de biodegradación muy inferiores a las aeróbicas (Torres Delgado & Zuluaga Montoya, 2009).
La diversidad de microorganismos ayuda a que exista un mayor potencial de degradación de sustancias tóxicas, bien sea por la producción de enzimas o biosurfractantes o por la presencia de proteínas de superficie (moléculas de adhesión, receptores y/o transportadores de contaminantes) que puedan facilitar la degradación de los contaminantes. Suelos con mayor diversidad de organismos es más factible que se pueda desarrollar el proceso de bioremediación más fácilmente en forma natural. Aunque la porción de los organismos vivos solamente ocupan un 1% del suelo, son los responsables en la mayoría de los casos de los procesos de biodegradación en todo el suelo.
Entre los organismos a los que se ha encontrado propiedades de degradación de contaminantes se encuentran hongos macroscópicos y microscópicos, bacterias, algas, micobacterias y plantas, y la presencia de uno no impide la presencia de otros, incluso en ocasiones trabajan de manera sinergística; de tal manera que el trabajo conjunto puede ser más eficiente que el trabajo de un solo organismo, como suele suceder con plantas y microorganismos a nivel de raíz, por lo tanto entre más diverso sea un sistema, mayor posibilidad tiene de degradar diversos contaminantes.
22 Finalmente, es importante resaltar las propiedades emergentes del sistema suelo, las cuales son producto de las interacciones entre todos sus componentes, entre estas propiedades emergentes se encuentran la capacidad de bioremediación, biosorción o la capacidad de resiliencia o resistencia ante impactos externos.
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Lección 4. Características del agua: pH, aspectos físicos, químicos y aspectos microbiológicos.
En 1781 el científico inglés Henry Cavendish (1731 – 1810) descubrió que el elemento agua no es un elemento simple, sino complejo y susceptible de descomponerse en oxígeno e hidrógeno. Pocos años más tarde el químico francés Gay-Lussac (1778 – 1850) confirmó la teoría de Cavendish, al lograr obtener agua a partir de la mezcla de dos volúmenes de hidrógeno con uno de oxígeno. El hecho vendría a confirmar que el agua es un compuesto químico, un conjunto de dos moléculas formadas a su vez por encadenamiento de dos átomos de hidrógeno con uno de oxígeno, de ahí la formula que se emplea para designarla sea H2O.
Las propiedades del agua pesada (con deuterio) difieren ligeramente de las del agua ligera, pero ambas poseen un momento eléctrico que se manifiesta en sus propiedades físicas y eléctricas, es por ellos que el agua es del tipo de líquidos polares. Se adopta para su representación, un modelo triangular que debido al carácter electronegativo del oxígeno el ángulo que forman los enlaces H-O-H es de 105o aproximadamente.
La estructura del agua depende de su estado físico, el estado gaseoso (vapor) corresponde exactamente a la formula H2O y, en especial al modelo angular indicado (Figura 3a). Los estados condensados (líquido y sólido) son más complicados y esta complicación explica sus propiedades anormales; en estado sólido, la disposición elemental consiste en una molécula de agua central y cuatro periféricas, tomando el conjunto la forma de un tetraedro (Figura 3b).
A. B.
Figura 3: Molécula de agua.
A. en estado líquido (tomado de http://www.kalipedia.com/ecologia/tema/graficos-molecula-agua.html?x1=20070417klpcnatun_87.Ees&x=20070417klpcnatun_97.Kes), B. En estado sólido (tomado de http://www.diasporaweb.es/13.html).
En el agua en estado líquido hay una asociación entre varias moléculas por enlaces especiales llamados enlaces de hidrógeno: cada átomo de hidrógeno de una molécula de
24 agua, se une al átomo de oxígeno de la molécula vecina; en el espacio la estructura es tetraédrica; al respecto hay una animación muy sencilla en la dirección: (http://www.ucm.es/info/diciex/proyectos/agua/estructura_moleculas.html). En el Cuadro 1 se pueden observar las principales características del agua.
Cuadro 1: Principales características del agua.
Peso molecular (g/mol) 18.16
Temperatura crítica (oC) 374.1
Punto de ebullición a 1 atmósfera de presión (oC) 100
Punto de fusión a 1 atmósfera de presión (oC) 0
Conductividad eléctrica (µSiemens/m) a 20oC en estado “puro”.
Agua con sales (electrolitos) posee mayor CE, a mayor temperatura mayor CE
4.2 * 10-6
Densidad a 0oC en estado líquido (g/cm3) 0.99987
Densidad a 4oC en estado líquido (g/cm3) 1.0000
Densidad a 100oC en estado líquido (g/cm3) 0.95838
Densidad de agua de mar (35 g/dm3) a 0oC en estado líquido.
Conforme la temperatura aumenta o disminuye a partir de los 4oC, disminuye la densidad.
1.0281
Capacidad calorífica a 15oC (cal/mol oC) 18.0
Calor de vaporización (Kcal /mol) 9.719
Calor específico (cal/g) 0.999
Calor de fusión (Kcal/mol)
Estos valores, relativamente muy elevados, hacen que el agua sea muy buena termorreguladora.
1.435
Viscosidad cinemática a 0oC (m2/s)
Dificultad que ofrece un líquido para que algo se mueva a través de él, si aumenta la temperatura, entonces disminuye la viscosidad, si existe concentración de sales, entonces aumenta. Con un pequeño aumento de presión y baja temperatura, disminuye la viscosidad (comportamiento anómalo).
1.792
Turbidez (mg /L SiO2, m de disco Secchi, JTU, UNF)
Dificultad en la transmisión de la luz, producida por partículas coloidales y en suspensión. La transparencia depende de la longitud de onda de la luz que la atraviesa, rayos UV pasan fácilmente, rayos IF penetran poco, el agua absorbe bastante el anaranjado y el rojo, de allí la coloración verde-azul.
La gran estabilidad del agua en la naturaleza, sumado a sus propiedades eléctricas y a su constitución molecular, le confieren el poder de disolver variados compuestos minerales, productos orgánicos, de mezclarse con líquidos miscibles o inmiscibles, así también el de disolver un buen número de gases. La disolución de sólidos (sales) esta favorecida por las reacciones ácido-base, las reacciones de oxidación-reducción, la hidratación y la hidrólisis. La velocidad de disolución depende de factores, tales como la concentración real en el agua, la superficie de contacto que aumenta al triturar y al mezclar, la agitación, el tiempo y la temperatura puesto que a mayor temperatura, mayor velocidad de disolución.
25 Los límites permisibles para muchos elementos tóxicos o no, disueltos en el agua dependen del uso que se le piense dar al agua y del elemento en cuestión, como se puede observar en el Cuadro 2.
Cuadro 2: Límites permisibles para metales pesados, cianuros y contaminantes en agua de acuerdo a la Universidad Autónoma de México (UAM, 2000).
Entre los elementos importantes para el crecimiento algal, en particular Chlorella vulgaris (alga bioremediadora), se encuentra el contenido de P y N, así como su relación estequiométrica, los cuales determinan su tasa de crecimiento, siendo ambos elementos limitantes del crecimiento y no se pueden considerar por separado (Aguirre Ramírez, Palacio Baena, Correa Ochoa, & Hernández Atilano, 2007).
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Lección 5. Ventajas y desventajas de la bioremediación.
Se pueden hacer varios comparativos respecto a las ventajas y desventajas de la bioremediación. Por ejemplo se puede comparar la bioremediación con respecto a los métodos mecánicos de remediación, también entre la fitoremediación y los otros métodos de bioremediación; cualquiera que sea la comparación son más las ventajas que las desventajas tanto económicas como ambientales.
Comenzaremos con el punto de vista más general, comparando la bioeremediación con los métodos clásicos de remediación. A continuación en el Cuadro 3 se presenta un compendio de las ventajas y desventajas de la bioremediación a partir de varios autores como (Orosco Verdezoto & Soria Guano, 2008; Torres Delgado & Zuluaga Montoya, 2009; Villaseñor Roa, 2011).
Cuadro 3: Ventajas y desventajas de la bioremediación.
Ventajas Desventajas
Generalmente solo origina cambios físicos menores sobre el medio.
Para muchos tipos de vertidos su efectividad no ha sido determinada.
Permite la revegetalización natural. De muy difícil aplicación en el mar. Puede ser útil para retirar algunos de los
compuestos tóxicos del petróleo.
El tiempo necesario para la actuación es largo. Ofrece una solución más simple y completa que
las tecnologías físicas o químicas, como la incineración utilizada para remover sustancias tóxicas del suelo.
Su implementación es específica para cada lugar contaminado; requiriendo de diversos factores del sitio como la presencia de microorganismos activos y condiciones de crecimiento adecuadas.
Es menos costosa que otras tecnologías. El seguimiento y control de la velocidad y/o extensión del proceso son dispendiosos. Puede aplicarse in-situ o ex – situ. Dificultad para predecir el funcionamiento de
este tratamiento. Es más efectiva que otros métodos, pudiendo
lograr la detoxificación completa.
El nivel de contaminantes no debe ser tóxico para los microorganismos; en el caso de hidrocarburos debe ser <30%.
Como subproducto se obtiene un suelo útil para la agricultura.
Es aplicable casi solo a compuestos biodegradables.
Apenas se generan residuos y los que se generan en su mayoría no son tóxicos.
Es difícil predecir el tiempo de requerido para un proceso adecuado.
Es un proceso natural, aceptado por la opinión pública y normativas medioambientales.
Es difícil de extrapolar condiciones del laboratorio o planta piloto al sitio final a remediar.
Mientras que los tratamientos físicos y buena parte de los químicos están basados en transferir la contaminación entre medios
La biodegradación incompleta puede generar intermediarios metabólicos inaceptables, con un poder contaminante similar o incluso
27 gaseoso, líquido y sólido, en la biorremediación
se transfiere poca contaminación de un medio a otro; lo que ocasiona es su degradación final.
superior al producto de partida y algunos compuestos contaminantes son tan resistentes que pueden incluso inhibir la biorremediación. Cuando se utiliza correctamente no produce
efectos adversos significativos.
Requiere investigación multidisciplinaria para determinar y optimizar las condiciones de biorremediación.
No requiere de equipamiento especializado para su aplicación, es poco invasiva y generalmente no requiere componentes estructurales o mecánicos que signifiquen una amenaza para el medio.
Su optimización requiere información sustancial acerca del lugar contaminado y las características del vertido.
Conociendo las ventajas y desventajas de la bioremediación en comparación con los tratamientos mecánicos, físicos y químicos, se puede observar mejor las ventajas y desventajas solamente de la fitorremediación en comparación con otros métodos de remediación (Agudelo Betancur, Macias Mazo, & Suárez Mendoza, 2005)(Cuadro 4). Cuadro 4: Ventajas y desventajas de la fitoremediación con respecto a otros métodos de remediación.
Ventajas Desventajas
La fitorremediación utiliza las capacidades existentes de las plantas y de los sistemas que apoyan para limpiar los suelos, siendo más rentable que los métodos usados tradicionalmente para la recuperación de suelos contaminados.
La fitorremediación trabaja lo mejor posible cuando los contaminantes están al alcance de las raíces de las plantas, típicamente de tres a seis pies de profundidad para las herbáceas y 10 a 15 pies para los árboles.
La fitorremediación implica menos trabajo y no perturba los alrededores naturales del sitio de la contaminación.
El metal pesado ó el contaminante emplea el ciclo natural de plantas y por lo tanto toma tiempo.
Los metales absorbidos por las plantas, pueden ser extraídos de la biomasa cosechada y después ser reciclados.
Algunas plantas absorben muchos metales venenosos, lo que implica un riesgo potencial a la cadena alimenticia
Puede reducir la entrada de contaminantes en el ambiente, porque los contaminantes quedan atrapados en las plantas.
Se puede utilizar para limpiar una gran variedad de contaminantes, por su capacidad de absorción de estos en sus raíces.
Es una buena manera de hacer uso de los recursos naturalmente existentes.
Finalmente se hace un comparativo entre los métodos de bioremediación ex-situ, en varios aspectos de utilidad y costos (Cuadro 5):
28 Cuadro 5: Comparativo de las técnicas ex-situ de bioremediación (Villaseñor Roa, 2011).
Técnica Descripción
Biopilas Se utilizan cuando la sustancia contaminante es demasiado volátil como para ser tratada por landfarming, ya que las emisiones gaseosas serían demasiado altas o también se usa cuando se requiere acelerar el proceso de bioremediación. El tratamiento se aplica para la eliminación de Carbono Orgánico Volatil (COV), de no halogenados e hidrocarburos. Los COV halogenados, los compuestos semi-volátiles y los pesticidas también pueden ser tratados mediante esta tecnología, pero la eficiencia del proceso puede disminuir y puede ser solo aplicable a ciertos compuestos dentro de estos grupos.
Cuesta entre 160 y 210 dólares el m3 de suelo. Bioreactores Se aplica a explosivos, PAHs y plaguicidas.
Se requieren bioreactores secuenciales aeróbicos/anaeróbicos, los cuales mejoran la remediación de PCBs y de algunos explosivos.
Cuesta entre 160 y 210 dólares el m3 de suelo. Compostaje Se aplica a explosivos y PAHs.
Se debe mantener las condiciones de aireación, humedad y temperatura.
Para la aireación se utiliza la mezcla mecánica de montones, mezcla estática e inyección y bombeo en pilas.
Se debe controlar la emisión de VOCs.
Los costos van entre 150 y 220 dólares por m3 de suelo.
Landfarming Se aplica a hidrocarburos del petróleo no VOCs, combustibles, PCP y algunos plaguicidas.
Degrada, transforma e inmoviliza contaminantes.
Se deben recoger y tratar las escorrentías y los lixiviados. Cuesta 150 dólares el m3 de suelo.
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CAPÍTULO 2. CONTAMINANTES.
Contaminante es un concepto muy amplio y se considera como tal cualquier agente que
tiende a modificar el equilibrio natural del medio ambiente y además puede incidir sobre la biosfera. Es importante conocer que se conoce como xenobiótico a toda sustancia extraña o ajena a las que proceden del metabolismo de los seres vivos, por lo tanto, contaminantes de naturaleza química y que suelen producir efectos tóxicos, o al menos alteraciones en el normal funcionamiento de las células vivas.
Entre los contaminantes más abundantes en el medio y perjudiciales para los sistemas biológicos se pueden destacar los metales pesados y algunas sustancias orgánicas: plaguicidas, hidrocarburos halogenados y no halogenados, PCBs, DBF y DBD, residuos químicos tóxicos, junto con las radiaciones nucleares, etc. Su riesgo radica en su persistencia y consecuente acumulación, en la formación de asociaciones químicas complejas, en su capacidad de reacción y a veces, como consecuencia, su toxicidad creciente.
Un tóxico es cualquier sustancia que causa efectos adversos a los organismos vivos y ejerce ese efecto con una relación dosis-respuesta. De acuerdo a la dosis, la toxicidad puede ser aguda cuando causa mortalidad en el 50% de la población de estudio (DL50) o crónica o de efecto lento (tumores, úlceras, irritaciones, etc.); además está sometida a una fuerte influencia de factores externos (dieta, medio ambiente, forma de administración, etc) e internos (edad, sexo, condiciones fisiológicas, genéticas, etc).
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Lección 6. Clasificación, composición, propiedades y toxicidad de Hidrocarburos (alifáticos aromáticos=BTEX, PAHs).
Los hidrocarburos alifáticos poliaromáticos (PAHs) se encuentran en todas partes, siendo producidos de forma natural y principalmente antrópicamente. Las principales fuentes son los incendios de bosques (Blumer & Youngblood, 1975), erupciones volcánicas (Ilnitsky, Mischenko, & Shabad, 1977) y la degradación de los materiales biológicos (White & Lee, 1980). Las principales fuentes antropogénicas son la quema de carbón, producción de petróleo, automóviles, incineradores comerciales y calefactores en base a madera (Lesage & Jackson, 1992) y asfalto (Lacasaña Navarro, González Alzaga, Rodriguez Barranco, & Daponte Codina, 2008; Quinn, 2012).
Además de estas fuentes contaminantes, el humo del tabaco es considerado como la principal fuente de contaminación por PAHs y benceno en ambientes interiores, pudiendo incrementar considerablemente su exposición con respecto a ambientes libres de humo (Adgate, Chuch, & Ryan, 2004; Lacasaña Navarro et al., 2008; Quinn, 2012).
Los Hidrocarburos Aromáticos Polinucleares o Policiclicos son conocidos mas comúnmente como PAHs por su sigla en inglés, son subproductos orgánicos del procesamiento del petróleo o de su combustión incompleta. Muchos son carcinógenos a bajas concentraciones. Aunque son relativamente insolubles en agua, su carácter peligroso para la vida acuática y el humano los hace merecedores de evaluarse en aguas potables y de desecho (Eaton, Clesceri, Rice, & Greenberg, 2005; Van Metre, Mahler, Scoggins, & Hamilton, 2006). Son sustancias orgánicas neutras, no polares con dos o más anillos de benceno en varias configuraciones. Estados Unidos ha incluido 16 PAHs en la lista de poluyentes de alta prioridad a ser monitoreados en aguas y residuos (NRC, 1997), y aunque existen cientos de ellos, los dos más comunes son el benzo(a)pireno y el naftaleno (Quinn, 2012), los más peligrosos aparecen listados en la Figura 4.
31 Figura 4: Estructuras, fórmulas químicas y pesos moleculares de 16 poluyentes PAHs de acuerdo a la EPA (NRC, 1997).
Los hidrocarburos pueden llegar a ser un gran contaminante, sin embargo existen límites permisibles, los cuales son establecidos de acuerdo a criterios en cada país, como se muestra en el Cuadro 6.
Cuadro 6: Límites máximos permisibles para hidrocarburos específicos en suelos según la norma oficial mexicana NOM -138-SEMARNAT/SS-2003 (SEMARNAT, 2005).
En Ecuador, los límites permisibles para la identificación y remediación de suelos contaminados en la industria de hidrocarburos son diferentes, se evalúa los hidrocarburos totales (mg/kg), los cuales deben ser: para uso agrícola (<2500), para uso industrial (<4000) y para ecosistemas sostenibles (<1000) (Orosco Verdezoto & Soria Guano, 2008). Pueden continuar en el aire, agua y suelo por meses o años y entre los síntomas a corto plazo se incluye la irritación ocular, nauseas, vómito, diarrea y confusión y aunque no son claros los efectos a largo plazo, estos pueden incluir, cataratas, enfermedades renales y del hígado, rompimiento de los glóbulos rojos e incluso en animales de laboratorio ha inducido cáncer (Quinn, 2012).
En el trabajo de (Botello, Villanueva, Diaz, & Pica, 1995) realizado en un puerto de Oaxaca- México, se encontró que las cantidades de PAHs se incrementaron en varios órdenes de magnitud, lo que indico un importante proceso de bioacumulación de estos compuestos, y sobre todo de aquellos conformados por 4 o 5 anillos bencénicos, los cuales se consideran como carcinógenos ambientales, con sus consecuentes efectos e impactos en las pesquerías (efectos deletéreos de tipo sub-letal en camarones – reducción en la tasa de crecimiento, en la viabilidad de los gametos e irregularidades en el desarrollo larvario).
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BTEX es una abreviación usada para cuatro compuestos aromáticos volátiles encontrados
en los productos del petróleo: Benceno, Tolueno, Xileno y Etilbenceno (Figura 5), los cuales son encontrados juntos en suelos contaminados (Communities, 2012).
Figura 5: Benceno, Tolueno, Etilbenceno y Xileno.
El benceno es usado en la producción de materiales sintéticos y productos para el consumidor, tales como caucho sintético, plásticos, nailon, insecticidas y pinturas. El tolueno es usado como un solvente para pinturas, cubiertas, gomas, aceites y resinas. El etilbenceno puede estar presente en productos para el consumidor como pinturas, tintas, plásticos y pesticidas. Los xilenos son usados como solventes para impresión, cauchos e industrias de impresión (Communities, 2012).
Los límites permisibles para el BTEX son de 0.005, 1.0, 0.7 y 10 mg/L respectivamente. En México los límites máximos permisibles para BTEX en agua potable son 0.05, 0.3, 0.7 y 0.5 mg/L respectivamente (Acuña Askar et al., 2008). La exposición a BTEX en población general se produce fundamentalmente por inhalación o por contacto, más que por otras vías como la ingestión a través de alimentos o bebidas contaminadas.
Por su carácter cancerígeno, el benceno ha sido catalogado como Categoria A por la Internacional Agency for Research on Cancer (Lacasaña Navarro et al., 2008). Es un contaminante ambiental ubicuo (Wallace, 1989) y se han constatado efectos graves en la salud de los trabajadores expuestos al mismo. Con relación a estos efectos, la exposición al benceno puede producir leucemia aguda no linfocitica y una variedad de otros desordenes hematologicos. El nivel de riesgo establecido por la Organización Mundial de la Salud está entre 3,8 y 7,5 casos de leucemia mieloide por cada millón de personas expuestas durante toda su vida a 1 Bg/m3 de benceno (Lacasaña Navarro et al., 2008). Además de los efectos cancerígenos del benceno también se han descrito otros daños en la salud asociados con la exposición a altas dosis de estos Compuestos Orgánicos Volátiles (COVs), tales como efectos respiratorios (asma), hematologicos (anemia, trombocitopenia,
33 leucopenia, pancitopenia, anemia aplástica), inmunológicos, neurológicos y reproductivos y de desarrollo (ATSDR., 2007; Lacasaña Navarro et al., 2008).
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Lección 7. Clasificación, composición, propiedades y toxicidad de Hidrocarburos clorados (PCBs, TCE, PCE, insecticidas, herbicidas).
Un compuesto organoclorado, hidrocarburo clorado, clorocarbono o compuesto orgánico clorado es un compuesto químico orgánico, es decir, compuesto por un esqueleto de átomos de carbono, en el cual, algunos de los átomos de hidrógeno unidos al carbono, han sido reemplazados por átomos de cloro, unidos por enlaces covalentes al carbono. Su amplia variedad estructural y las propiedades químicas divergentes conducen a una amplia gama de aplicaciones. Muchos derivados clorados son controvertidos debido a los efectos de estos compuestos en el medio ambiente y la salud humana y animal, siendo en general dañinos para los seres vivos, pudiendo llegar a ser cancerigenos. Muchos de ellos se emplean por su acción insecticida o pesticida.
Muchos compuestos organoclorados han sido aislados de fuentes naturales que van desde las bacterias hasta los seres humanos. Los compuestos orgánicos clorados se encuentran en casi todas las clases de biomoléculas, incluyendo alcaloides, terpenos, aminoácidos, flavonoidess, esteroidess, y ácidos grasos. Los organoclorados, incluyendo las dioxinas, se producen en ambientes de alta temperatura como los incendios forestales. Las dioxinas se han encontrado en cenizas conservadas de incendios provocados por rayos anteriores a la producción de dioxinas sintéticas. Además, muchos hidrocarburos clorados simples como el diclorometano, cloroformo, y tetracloruro de carbono se han aislado a partir de algas marinas. La mayor parte del clorometano presente en el medio ambiente es producido naturalmente por descomposición de restos biológicos, incendios forestales y volcanes. En la legislación para la provincia de Buenos Aires (Argentina) hay un extenso listado de contaminantes de diferentes orígenes incluidos productos de desinfección, componentes orgánicos (como hidrocarburos clorados) e inorgánicos con sus límites tolerables, a los cuales puede acceder mediante la siguiente liga (ITAM, 2009).
Los PCBs o Bifenilos policlorados son compuestos volátiles solubles en tejido graso, usados habitualmente como disolventes, aislantes o refrigerantes. Son hasta 200 sustancias diferentes, con distinto grado de cloración y de sustitución (Figura 6).
