Programa de la asignatura:
Biorremediación
U3
Estrategias de biorremediación
Ciencias de la Salud Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Biotecnología
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Biorremediación Estrategias de biorremediación
Índice Presentación de la Unidad ........................................................................................................ 2 Propósitos.................................................................................................................................. 3 Competencia específica ............................................................................................................ 3 3.1. Biorremediación in situ ....................................................................................................... 4 3.1.1. Biorremediación por aereación ....................................................................................... 9 3.1.2. Bioestimulación ............................................................................................................. 12 3.1.3. Atenuación natural ........................................................................................................ 14 3.1.4. Bioventeo....................................................................................................................... 17 3.2. Biorremediación ex situ .................................................................................................... 20 3.2.1. Biorremediación por compostaje ................................................................................... 22 3.2.2. Biorreactores ................................................................................................................. 24 3.2.3. Bioabsorción .................................................................................................................. 27 3.2.4. Digestión anaeróbica ..................................................................................................... 29 3.3. Fitorremediación ............................................................................................................... 34 3.3.1. Concepto de fitorremediación ....................................................................................... 35 3.3.2. Tipos de remediación mediante el empleo de plantas .................................................. 37 3.3.3. Alcance de la fitorremediación ...................................................................................... 39 Actividades .............................................................................................................................. 39 Autorreflexiones....................................................................................................................... 40 Cierre de Unidad ..................................................................................................................... 40 Para saber más ....................................................................................................................... 41 Fuentes de consulta ................................................................................................................ 41
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Presentación de la Unidad Ya vimos en la Unidad 1 y 2 que, en principio por definición, la biorremediación es el uso de organismos vivos, primordialmente microoganismos, para degradar los contaminantes ambientales en formas menos tóxicas. Esta herramienta utiliza bacterias, hongos y plantas que se pueden presentar de forma natural para degradar o desintoxicar sustancias peligrosas para la salud de los humanos y/o del medio ambiente. Estos organismos pueden pertenecer al área contaminada o pueden ser aislados de alguna otra parte e introducirse en el sitio contaminado. Los compuestos contaminantes son entonces transformados por estos organismos a través de reacciones que suceden a través de su metabolismo. Y un aspecto relevante que debemos recordar es el hecho de que la degradación de los compuestos contaminantes es generalmente llevada a cabo por múltiples microoganismos, los llamados consorcios. Pero, también debemos reconocer que la naturaleza química de los contaminantes es importante, en cuyo caso la biorremediación se ha enfocado principalmente en los compuestos orgánicos contaminantes: Hidrocarburos de petróleo como el benceno, tolueno y otros. Compuestos orgánicos volátiles. Pesticidas, Solventes orgánicos y Preservadores de madera.
Por su parte, la biorremediación, como ya vimos en el capítulo pasado, no puede degradar muchos de los contaminantes inorgánicos (metales y radionucleótidos), ya que solo puede ser usada para cambiar el estado de valencia de de los compuestos inorgánicos y por tanto lograr la absorción, toma, acumulación y concentración de los compuestos inorgánicos tanto en microorganismos como en macroorganismos (por ejemplo hongos o algas). Ahora es nuestra tarea enfocarnos en las metodologías para solucionar esta situación a través de la aplicación de conocimiento que tenemos del metabolismo de los principales microorganismos usados importantemente en la biorremediación, por lo que nos dedicaremos a revisar ejemplos concretos de tipos de contaminación y las diferentes técnicas de biorremediación que pueden ser implementadas en dichas situaciones, así como el caso de la fitorremediación como parte de la biotecnología.
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Propósitos
Identificar las diferentes técnicas de biorremediación y su aplicación en casos específicos de ambientes contaminados. Analizar ejemplos particulares de contaminación que sean candidatos para biorremediación. Identificar y reconocer la importancia de la fitorremediación como parte de la biotecnología.
Competencia específica
Analizar las diferentes técnicas de biorremediación, mediante el estudio de cada estrategia en diferentes ambientes alterados por contaminantes, para identificar su aplicación enfocada en casos específicos.
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3.1. Biorremediación in situ De forma general, la biorremediación in situ involucra el tratamiento de los contaminantes en el lugar donde sucede el evento. De este concepto se desprenden la biorremediación por aereación, la bioestimulación, la atenuación natural y el bioventeo.
Sin embargo, hay características que hay que considerar antes de implementar estas técnicas. Estas características están relacionadas con el número de condiciones ambientales que pueden alentar o detener el proceso de biodegradación. Dentro de dichas características se encuentran algunas muy importantes:
La concentración de químico o de los materiales coexistentes que puede ser muy alta y que es tóxica para el organismo empleado. Los gradientes de concentración que pueden estar altamente escalonados como para permitir la aclimatización. El numero o tipo de microorganismos puede ser inadecuado para la biodegradación, o la oportunidad de colonización debajo de la superficie es inadecuada. Las condiciones pueden ser muy ácidas o muy alcalinas. Los microorganismos pueden carecer de suficientes nutrientes o enzimas (como nitrógeno, fosforo, potasio, azufre o elementos traza), por lo que podrían usar el químico como fuente de nutrición.
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Demasiada compactación de los suelos lo que dificulte o impida la falta de transferencia del contaminante y por tanto limite la eficiencia de su remoción. Que las condiciones de humedad sean desfavorables (demasiado húmedas o demasiado secas). Los organismos utilizados carezcan de oxigeno, nitrato o sulfato necesario para usar el contaminante como fuente de nutrición.
Figura1. Elementos básicos de identificar y evaluar para la implementación de una técnica de biorremediación
Así, se requiere de completar una importante investigación de factibilidad. Las características que deben ser identificadas en el sitio son:
La biodegradabilidad de los contaminantes; La distribución de los contaminantes en el suelo, el agua, en líquidos de fase no acuosa, y de fases de vapor; El potencial de lixiviación de los contamiantes (por ejemplo, la solubilidad en agua y el coeficiente de absorción en suelo); La reactividad química de los contaminantes (por ejemplo, las tendencias hacia las reacciones no biológicas, tales como polimerización, hidrólisis y oxidación); La profundidad y la extensión de los contamiantes; El tipo de suelo y sus propiedades (por ejemplo, contenido de carbono orgánico, contenido de minerales, pH, porosidad, permeabilidad, densidad aparente, contenido de humedad, nivel de nutrientes, la capacidad de retención de agua); La competencia por oxigeno (por ejemplo, el potencial oxido-reducción, los niveles ambientales de oxigeno); Universidad Abierta y a Distancia de México
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La presencia o ausencia de sustancias que son tóxicas para los microorganismos; y, La habilidad de los microorganismos en el suelo para degradar los contaminantes.
Por tanto, las características de los sitios ideales para llevar a cabo una implementación exitosa de la biorremediación in situ incluyen:
Acuíferos homogéneos y permeables; Contaminantes generado por una sola fuente; Homogeneidad en términos de concentración y tipo de contaminantes cuando se trata de aguas subterráneas; Que no haya contaminación del suelo, es decir que el contaminante este libre; y, Contaminantes fácilmente degradables, extraíbles o inmovilizados
Aunque la mayoría de los sitios no cumplen con todos estos criterios, las estrategias de biorremediación in situ pueden ser desarrolladas para sitios no ideales. Por tanto, las estratégias de biorremediación in situ y de biorremediación en general, deben ser desarrolladas con datos geológicos y microbiológicos específicos del sitio, combinados con el conocimiento químico, físico y bioquímico, con objeto de poder eliminar eficientemente el contaminante presente (van-Cauwenberghe & Roote, 1998), la siguiente tabla I (Tomada de http://www.miliarium.com/prontuario/TratamientoSuelos/Bioestimulacion.asp) resume lo descrito: TABLA 1. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA BIORREMEDIACIÓN Factores favorables Factores desfavorables Características Características Características Características químicas hidrogeológicas químicas hidrogeológicas Abundancia de Media porosidad Presencia de Rocas hidrocarburos Alta componentes fracturadas lineales permeabilidad pesados Baja Bajas Mineralogía Mezclas de permeabilidad concentraciones uniforme compuestos Mineralogía Presencia de Homogeneidad orgánicos e compleja poblaciones inorgánicos Heterogeneidad microbianas Concentraciones diversas tóxicas Adecuada Escasa actividad oxigenación microbiana
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pH= 6-8 Temperaturas superiores a 15 o C
Ambientes anóxicos pH extremos Temperaturas bajas
El proceso tecnológico de biorremediación in situ consiste en las siguientes actividades. 1. Una investigación para determinar el transporte y destino de los constituyentes de desperdicio orgánico en el sitio contaminado. 2. Realización de estudios de tratabilidad para determinar el potencial para biorremediación y para definir las practicas de operación y gestión. 3. Remoción de las fuentes contaminantes y la recuperación de los productos disponibles. 4. Diseño e implementación de un plan de biorremediación basado en principios fundamentales de ingeniería. 5. Establecer un programa de vigilancia para evaluar el desempeño de los esfuerzos de biorremediación.
Algunas limitaciones de la biorremediación in situ pueden ser, la falta de oxígeno ya que esto puede incidir directamente en el metabolismo aerobico de algunos microorganismos, ya que generalmente es el aceptor de electrones. Otra limitación puede ser los factores de permeabilidad y el grado de heterogeneidad química de los contaminantes, ya que son los principales factores que gobiernan el transporte por difusión en el subsuelo, donde una alta permeabilidad favorece la remoción de los contaminantes porque favorece la disponibilidad de sustrato. Por lo contrario, una baja permeabilidad traducida como un bajo transporte por difusión no resulta una opción viable para la biorremediación in situ, de ahí que la remoción en zonas saturadas de contaminantes en suelos arcillosos puede ser mucho más difícil de aplicar. Cómo hemos señalado anteriormente, el oxígeno es el aceptor de electrones preferido y necesario para la biodegradación en condiciones aeróbicas. En una fase acuosa, la concentración de oxigeno residual es: >1.0 mg/L y puede ser monitoreado para asegurarse que los niveles de oxigeno no sean un factor limitante. En las fases gaseosas, el oxigeno residual puede ser mantenido a >2 mg/L a 4% (por volumen) para asegurar cantidades suficiente de oxígeno. Otro punto importante involucra a los actores principales de la biorremediación, los microorganismos. Estas razones microbiológicas son: que las bacteriarias nativas en Universidad Abierta y a Distancia de México
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algunos casos no contienen la información genética necesaria para producir las enzimas requeridas para degradar el contaminante de interés. Si una población activa de microorganismos nativos no esta presente en el sitio, se puede sospechar de la presencia de condiciones inhibitorias o tóxicas y, por tanto, se deben considerar otras alternativas. Por ejemplo una baja disponibilidad de los hidrocarburos para los microorganismos, puede ser por sí misma una condición que inhiba la degradación. Para los nutrientes como el nitrógeno y el fósforo, un rango típico con respecto al carbono esta dado por la relación C:N:P como C=100:N=10:P=1 sobre la base del peso, y se debe asegurar que estén presentes niveles adecuados de N y P para la biorremediación. Se considera un rango de pH para la biorremdiación de 5.5 a 8.5 para una óptima eficiencia. La humedad se considera que debe estar en el rango de 25 a 85%. Lo óptimo de humedad es de 75% o superior para mantener la actividad microbiana. Se ha reportado que los factores que influencian el capital y los costos operativos de la biorremediación incluyen:
Los tipos y cantidades de compuestos orgánicos presentes; Las condiciones del sitio; El volumen del material a ser procesado; Los objetivos específicos del sitio a ser remediado; La naturaleza y profundidad de los contaminantes; y, El uso de bioaumentadores y/o peróxido de hidrógeno u otros aditivos mejoradores.
Hay muchas variables en el diseño y operación que deben ser considerados para establecer rangos certeros de costos. Sin embargo, los costos típicos reportados en Estados Unidos para la biorremediación in situ están el rango de $ 30 a $ 100 dolares por metro cúbico de suelo americano. La contaminación de agua subterránea y de suelo puede ser tratada simultáneamente proveyendo ventajas en los costos. Cuando se usa peróxido de hidrógeno para mejorar la biorremediación, los costos típicos bajan de $10 a $20 dolares por 1,000 litros de agua subterránea tratada. Los costos de mantenimiento y de operación puden ser significativos debido a la alimentación continua de peróxido de hidrógeno al agua de subsuelo contaminada (van-Cauwenberghe & Roote, 1998; U.S. environmental Protection Agency, 1991). Por tanto, con este marco de referencia general nos enfocaremos ahora a revisar dentro de la biorremediación in situ cuatro técnicas que se discutirán en las siguientes secciones: biorremediación por aireación, bioestimulación, atenuación natural y bioventeo.
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3.1.1. Biorremediación por aereación La biorremediación por aereación estimula la biodegradación de agua subterránea contaminada por el suministro externo de oxígeno al subsuelo. Esto se lleva a cabo por inyección de aire debajo de la capa freática (se refiere al nivel superior de un acuífero, ver Figura 2).
Figura 2. Identificación del nivel freático de suelos. Tomado de http://es.wikipedia.org/wiki/Agua_subterr%C3%A1nea
Esta metodología esta diseñada para tratar agua subterránea contaminada por combustibles, compuestos orgánicos volátiles no halogenados (VOCs por sus siglas en ingles de non-halogenated volatile organic compounds) y compuestos orgánicos semi volátiles (SVOCs por sus siglas en ingles de semi-volatil organic compounds), pesticidas, compuestos orgánicos y herbicidas. En la biorremediación por aereación también ha sido demostrado que se pueden restaurar acuíferos que han sido contaminados por contaminantes volátiles y/o biodegradables, tales como los hidrocarburos provenientes del petróleo. Los microorganismos utilizados biodegradan dichos contaminantes hacia formas fácilmente asimilables que pueden incorporar en su metabolismo y ser fuentes de carbono utilizables. ¿De qué depende la capacidad de biodegradación en los microorganismos? Una determinante importante es la gran diversidad de rutas metabólicas que pueden presentarse en los microorganismos, tal como se revisó en la Unidad pasada, donde la convergencia de vías puede ser un evento crucial para el éxito de los microorganismos.
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En el caso de la biorremediación por aereación es muy crítico el uso de organismos de metabolismo aerobico, en donde la presencia de microorganismos con oxígenasas representan la primera vía de degradación de los compuestos contaminantes, ya que estas enzimas requieren de oxígeno molecular para incorporar dicho elemento en las estructuras de los contaminantes con objeto de degradarlos a formas más fácilmente asimilables, ejemplos típicos resultan ser los alcanos presentes en la contaminación por petróleo u otros hidrocarburos (Figura 3).
Figura 3. Biodegradación de compuestos aromáticos y n-alcanos, donde se presenta la incorporación de oxígeno y la conversión a intermediarios del metabolismo central. Tomado de Philp et al. 2001.
El resultado de esta oxidación produce aldehídos que son posteriormente transformados en ácidos grasos, los cuales pueden continuar su metabolismo en tres etapas oxidativas: -oxidación, ciclo de Krebs o del ácido tricarboxílico (TCA) para rendir energía por medio de la cadena respiratoria (fosforilación oxidativa, figura 4).
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Figura 4. Asimilación de la fuente de carbono proveniente de los compuestos contaminantes a través del metabolismo aerobico de los microorganismos. Basado en Stryer, 2003.
Ahora bien, ¿qué nos dice la economía?, en el caso de la biorremediación por aereación puede llegar a costar menos de $ 1 dólar por 1000 litros en condiciones favorables y tiende a estar entre los remedios alternativos más baratos cuando se aplica. La tecnología usa equipo barato y simple que no requiere de mantenimiento constante y puede ser dejado sin atención por largos periodos de tiempo (Figura 5). Esta tecnología requiere de la presencia de organismos autóctonos capaces de degradar los contaminantes de interés, y se optimiza el proceso con el suplemento de nutrientes para fortalecer el crecimiento de estos organismos. También requiere que los contaminantes estén disponibles para los organismos, y no fuertemente absorbidos a las partículas del suelo. La biorremediación por aereación no es aplicable en sitios donde altas concetraciones de sales inorgánicas, metales pesados o compuestos orgánicos este presentes, y que sean un obstáculo para el crecimiento microbiano (Mohee & Mudhoo, 2012).
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Figura 5. Esquema de biorremediación por aereación. Modificado de EPA, 2006.
3.1.2. Bioestimulación La Bioestimulación es una técnica insitu donde la biodegradación en el subsuelo puede ser estimulado u optimizado por la adición de soluciones acuosas acarreadoras de nutrientes, aceptores de electrones u otros aditivos enmendadores. Esta tecnología esta diseñada primeramente para tratar los suelos y aguas subterráneas contaminadas con combustibles, compuestos orgánicos volátiles no halogenados (VOCs por sus siglas en ingles de non-halogenated volatile organic compounds) y compuestos orgánicos semi volátiles (SVOCs por sus siglas en ingles de semi-volatil organic compounds), pesticidas, y herbicidas. Estos procesos pueden ser aplicados para compuestos orgánicos halogenados, pero algunas veces es menos efectivo. Además del costo de las tecnologías de bioestimulación varian mucho de sitio a sitio, estas tecnologías tienden a estar dentro de las alternativas más económicas cuando llega a ser aplicable. Esta tecnología requiere la presencia de organismos nativos capaces de degradar los contaminantes de interés. También, es necesario que los contaminantes estén disponibles para los organismos y que no estén fuertemente absorbidos a las partículas del suelo. La bioestimulación no es aplicable en los sitios donde hay altas concentraciones de sales inorgánicas, metales pesados o compuestos orgánicos esten presentes y que sean un obstáculo para el crecimiento microbiano. Por último, la inyección de soluciones acuosas a través del suelo Universidad Abierta y a Distancia de México
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puede aumentar la movilidad de los contaminantes y requieren tratamiento de agua subterránea subyacente. Puede ocurrir una colonización preferencial por algunos microorganismos, lo cual puede causar la obstrucción de la inyección de nutrientes y de los pozos de inyección de agua (Mohee & Mudhoo, 2012). La técnica requiere de generar pozos en las zonas contaminadas a través de los cuales son introducidos los nutrientes suplementados o bien los microorganismos en solución acuosa y a su vez, se requiere de otros pozos por donde saldrá el agua que se libera de la contaminación. Esta técnica in situ puede aplicarse en condiciones aerobias o anaerobias: Bioestimulación aerobia: Comúnmente se utiliza la inyección de agua con nutrientes y oxígeno para favorecer el metabolismo aerobio (utilizan oxígeno como aceptor final de electrones) cuyos microorganismos degradan la biomasa hasta su conversión en dióxido de carbono, agua y nueva biomasa. Bioestimulación anaerobia: A diferencia del anterior tipo, en esta técnica los microorganismos anaerobios metabolizan los contaminantes y pueden generar metano, dióxido de carbono e hidrógeno molecular. En el caso de condiciones sulfato-reductoras se puede obtener azufre elemental o ión sulfuro; en condiciones nitrato-reductoras se obtine nitrógeno molecular. Generalmente, es posible que a través de esta técnica se generen intermediarios más tóxicos que requieren a su vez de una bioestimulación aerobia. Por ejemplo, podemos revisar el caso de la biorremediación del tricloroetileno (TCE), el cual es un agente contaminante común de aguas subterráneas y puede ser transformado por monooxigensas de metano y tolueno. Lo anterior se lográ al suplementar el medio contaminado con metano o tolueno como un co-sustrato, esto estimula la formación de un consorcio bacteriano en el que pueden utilizar el metano y co-metabolizar el tricloroetileno, el sistema se presenta a continuación:
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Figura 6. Proceso de biorremediación de aguas subterráneas contaminadas por TCE a través de la bioestimulación. Tomado de Philp et al. 2001.
3.1.3. Atenuación natural La técnica in situ de biorremediación por atenuación natural, es un mecanismo de remediación que degrada y disipa los contaminantes orgánicos presentes en el subsuelo, de forma pasiva, ya que a diferencia de otras técnicas de biorremediación no requiere de equipo ni nutrientes adicionales, sino que utiliza lo que de forma natural se presenta en dichos ambientes. Lo que si requiere es un estudio exhaustivo a través del cual se pueda identificar la composición de los contaminantes, microorganismos y demás características físicas, químicas y biológicas del suelo. De tal forma que la atenuación natural es un tratamiento in situ que usa los procesos naturales para contener el espacimiento de la contaminación de los químicos derramados y para reducir la concentración de los contaminantes en los sitios contaminados. Esto significa que los contaminantes ambientales están sin perturbación mientras que la atenuación natural trabaja sobre ellos (Figura 7).
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Figura 7. Recuperado de http://despertandoconcienciaplanetaria.wikispaces.com/Biorremediaci%C3%B3n#BIORREMEDIAC IÓN-Sistemas de biorremediación-Atenuación natural
Los procesos de atenuación natural son frecuentemente categorizados como destructivos o no destructivos. Los procesos destructivos, destruyen los contaminantes, mientras que los procesos no destructivos causan la reducción en las concentraciones de los contaminantes. Los contaminantes blanco de la atenuación natural incluye los combustibles, los compuestos orgánicos volátiles no halogenados (VOCs por sus siglas en ingles de nonhalogenated volatile organic compounds) y compuestos orgánicos semi volátiles (SVOCs por sus siglas en ingles de semi-volatil organic compounds), pesticidas, y herbicidas. Este proceso puede ser aplicado a los compuestos orgánicos halogenados, pero se requiere de tratamientos prolongados. También, la tecnología es aplicable a contaminantes hidrofóbicos como los hidrocarburos aromáticos policíclicos de alto peso molecular que tienden a ser absorbidos muy estrechamente por las partículas del suelo y que tiene muy bajas velocidades de migración. A menudo, las comunidades adoptadas de degradadores pueden mineralizar tales contaminantes rápidamente después de ser des absorbidos de las partículas del suelo. Los costos de la atenuación natural están asociados con los modelos de migración de la contaminación, velocidades de degradación para determinar la factibilidad y los costos de evaluación y vigilancia para confirmar el desempeño adecuado. Aunque estos costos tienden a ser bajos comparados con otras alternativas de remediación, el público regularmente sospecha de la atenuación natural debido a la impresión de que nada esta siendo hecho. Algunas observaciones muy importantes relacionadas con el desempeño de la tecnología de atenuación natural son: es una tecnología relativamente simple comparada con otras tecnologías de remediación; puede
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ser llevada a cabo por poca o nula intervención o transtorno del sitio; regularmente requiere más tiempo para alcanzar los objetivos de limpieza que otras tecnologías convencionales de remediación. Requiere de un programa de vigilancia a largo plazo y los costos de duración del programa afectan los costos; si la velocidad de atenuación natural es muy lenta, la contaminación o los contaminantes pueden llegar a migrar. Por tanto, es difícil predecir con alta confiabilidad el desempeño de la atenuación natural (Mohee & Mudhoo, 2012).
Figura 8. Mecanismos implicados en la biorremediación por atenuación natural.
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3.1.4. Bioventeo En el bioventeo, la degradación aeróbica o anaerobia de los contaminantes del suelo es estimulada por la distribución de aire al subsuelo.
Figura 9. Tomado de International Centre for Soil and contaminated Sites. (2006).
Esto se realiza por la inyección o extracción de aire a través del suelo insaturado en un sistema pasivo. Esta tecnología esta diseñada primeramente para tratar suelos contaminados con combustibles, compuestos orgánicos volátiles no halogenados (VOCs por sus siglas en ingles de non-halogenated volatile organic compounds) y compuestos orgánicos semi volátiles (SVOCs por sus siglas en ingles de semi-volatil organic compounds), pesticidas, y herbicidas. El proceso puede ser aplicado a los compuestos orgánicos halogenados, pero es menos efectivo. El bioventeo tiene un costo aproximado de $ 15 dolares de Estados Unidos por yarda cubica (0.76 m3) de suelo y usa equipo simple, no caro y de bajo mantenimiento que se puede quedar desatendido por largos periodos de tiempo. La tecnología requiere la presencia de organismos nativos capaces de degradar los contaminantes de interés, así como se puede mejorar con el suministro de nutrientes que favorezcan el crecimiento. También, es necesario que los contamiantes estén disponibles para los organismos y no este fuertemente aborbidos en las partículas del suelo. El bioventeo no es tan efectivo en el tratamiento de áreas donde la capa freática es alta y en suelos con muy bajo contenido de humedad. Por último, esta tecnología no es aplicable a sitios donde hay una alta concentración de sales inorgánicas, metales pesados o donde haya compuestos orgánicos y sean un obstáculo para el crecimiento microbiano (Mohee & Mudhoo, 2012), la Figura 7 ejemplifica este tipo de biorremediación.
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Figura 10. Sistema de biorremediación por bioventeo. Tomado de EPA, 2006.
En resumen podemos visualizar que para poder diseñar y aplicar un sistema de biorremediación in situ, se debe establecer varias etapas de trabajo como se muestra en el siguiente esquema:
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Investigación y caracterización de la contaminación y el sitio a remediar en términos de determinación de la composición química de los contaminantes, concentración, identificación de los microorganismos nativos, niveles de oxígeno, pH y temperaturas. Así como de las características hidrogeológicas Análisis y Elección de las medidas biocorrectivas en función del estudio realizado determinar la técnica de biorremediación que se ajuste a las condiciones encontradas Evaluación de la efectividad del sistema elegido se debe contar con técnicas de evaluación por ejemplo, medición de la concentración de contaminantes, pruebas de función biológica como la respirometría (técnica que mide el consumo de oxígeno) entre otras, de tal forma que se cuente con indicadores Diseño y evaluación del sistema al implementar la técnica de biorremediación se debe valorar acorde a los indicadores previamente establecidos Valoración del control y seguimiento durante toda la etapa del proceso se requiere de un monitoreo estricto a fin de identificar cualquier eventualidad y estimar el proceso de la biorremediación Análisis e interpretación de resultados los resultados obtenidos podrán analizarse estadísticamente para poder determinar la confiabilidad y efectividad de la técnica in situ aplicada
Donde acorde a lo revisado, la primera etapa es la que determina el tipo de biorremediación in situ a aplicar, por lo cual a continuación se precisan algunas características para tal clasificación:
TABLA 2. DIFERENCIAS ENTRE LAS TÉCNICAS DE BIORREMEDIACIÓN IN SITU TÉCNICA
AEREACIÓN
LOCALIZACIÓN DE LA CONTAMINACIÓN
Aguas subterráneas
REQUERIMIENTOS
Oxígeno
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TIPO DE MICROORGANISMOS
Aerobios
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BIOESTIMULACIÓN ATENUACIÓN BIOVENTEO
Suelos y aguas subterráneas Suelos y aguas subterráneas Suelos y aguas subterráneas
Distintos nutrientes Ninguno Suplemento de aire
Aerobios Anaerobios Aerobios Anaerobios Aerobios Anaerobios
3.2. Biorremediación ex situ Cómo su nombre lo indica, la biorremediación ex situ es extraer los contaminantes y llevarlos fuera del sitio contaminado para su tratamiento (figura 11).
Figura 11. Biorremediación ex situ donde el material contaminado es llevado a un sitio específico donde se puede contener y tratar de forma controlada. Tomado y traducido de EPA, 2006.
Las estrategias de biorremediación ex situ remueven los contaminantes y se colocan en un ambiente limitado y controlado. Este ambiente permite una vigilancia, un mantenimiento de las condiciones de biorremediación y un progreso más fácil. Por tanto, se hace del proceso de biorremediación un evento más rápido. Sin embargo, la remoción de la contaminación del ambiente contaminado consume tiempo, aumenta los costos y es potencialmente peligroso. Ya que los contaminantes se traen a la superficie, y por tanto, se incrementa la exposición de los trabajadores y el público en general al material tóxico. Así, hay varias estrategias de extracción para facilitar la biorremediación ex situ. El suelo puede ser desenterrado y transportado a un biorreactor. El lavado del suelo es otro método que puede ser usado, donde el agua es vertida a través de la región contaminada y posteriormente transferida a un biorreactor para su tratamiento. De forma similar el venteo del suelo puede ser usado, donde el aire es vertido a través de la región Universidad Abierta y a Distancia de México
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contaminada y el aire que contiene el contamiante es transferido a un bioreactor para su tratamiento. El método para la extracción del contaminante depende de la naturaleza del contaminante en cuestión, si es gaseoso, liquido o está en fase sólida, así como sus propiedades químicas y su toxicidad (Leung 2004). Como se ve, estos métodos de tratamiento son altamente invasivos y por tanto, el costo y los peligros de la excavación tienen que ser valoradas contra los beneficios que puede traer este tipo de tratamiento. Sin embargo, también como se involucra la remoción del material contaminado a otro lugar, hay beneficios obtenidos por tratamiento de biorremediación ex situ. Entre estos beneficios esta el tener un gran control sobre el proceso y se completa el tratamiento más rápido. El costo del muestreo para los análisis de laboratorio se reduce ya que no es necesario introducir aparatos de muestreo en el suelo profundo. Además, hay mayor certeza sobre el éxito del tratamiento ya que todo el suelo tratado esta disponible para su inspección (Philp, et al., 2001). Las técnicas de biorremediación ex situ son, en su mayoría, únicamente aplicadas bajo condiciones específicas debido a los altos costos, en particular, los originados de la infraestructura requerida, esto es en comparación con la biorremediación in situ, ya que la biorremediación ex situ involucra frecuentemente condiciones básicas específicas para cada sitio aparte de las limitaciones biotecnológicas ya existentes. La biorremediación ex situ, por tanto, debe ser requierida por las siguientes razones:
El suelo esta altamente contaminado, que incluso, la biorremediación in situ tiene bajas o escasas expectativas de llevarse a cabo. En este caso se requiere de técnicas como el uso de biorreactores. El suelo contaminado muestra una permeabilidad hidráulica o neumática baja. En estos casos, cantidades apropiadas de substancias estructurales son añadidas al suelo, lo que permitirá su tratamiento. En el transcurso de una contrucción el suelo contaminado será excavado de todas formas o un uso rápido del sitio no permitirá un tiempo prolongado de medidas de remediación y por tanto sólo un intercambio del suelo será considerado. La masa del suelo contaminado es pequeña y puede ser excavada fácilmente por lo que una metodología de biorremediación in situ sería ineficiente. El tipo de contaminantes o las características de la contaminación (por ejemplo, presentes en forma de pequeños pedacitos o fases residuales) pueden hacer parecer la técnica de biorremediación in situ poco promisoria (International Centre for Soil and contaminated Sites, 2006).
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Bajo este esquema, se tiene por tanto diferentes técnicas para llevar a cabo la biorremediación ex situ y estas son, entre otras, la biorremediación por compostaje, el uso de biorreactores, la bioabsorción que es usada para descontaminar ambientes con metales pesados y por último el método de digestión anaeróbica.
3.2.1. Biorremediación por compostaje El compostaje o composteo es la degradación bioquímica de materiales orgánicos, principalmente por sedimentos contaminados por hidrocarburos totales del petróleo (HTP), en condiciones aeróbicas y también se le conoce como biopilas, bioceldas o pilas de composteo, como su nombre lo indica, se forman estructuras que asemejan la forma de pilas con el suelo contaminado y agentes de volumen.
Figura 12. Recuperado de http://datateca.unad.edu.co/contenidos/358025/Material_online/leccin_41_introduccin.html
Pueden ser sistemas abiertos o cerrados, donde se adicionan nutrientes y agua y se localizan en áreas específicas de tratamiento, donde se pueden incluir sistemas colectores de lixiviados y de alguna forma de aereación. Los sistemas de biopilas más utilizados se representan en la siguiente Figura 13, donde las biopilas alargadas representan el proceso de composteo más económico y sencillo, cuyo mecanismo de aereación se realiza a través de un mezclado manual o mecánico de la composta, evento que homogeniza la temperatura y se puede realizar una vez al día o inclusive una vez por mes. Por su parte, en las biopilas estáticas no hay un sistema de mezclado mecánico, ya que tanto la aereación como la homogenización de calor se llevan a cabo por un sistema de inyección (compresor) o extracción (vacío) de aire, cuyos vapores recuperados pueden ser tratados específicamente (Velasco & Volke Sepúlveda, 2003).
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Figura 13. Tipos de biopilas comúnmente uilizadas en la biorremediación ex situ por compostaje. Tomado de Velasco & Volke Sepúlveda, 2003.
Por tanto, esta técnica involucra la combinación de suelo contaminado con mejoradores orgánicos no peligrosos tales como el estiércol y los desperdicios de la agricultura. La presencia de estos materiales orgánicos soporta el desarrollo de una población microbiana rica y eleva la temperatura, característico del composteo (Kumar et. al. 2011). El composteo, por tanto, ha sido definido como un proceso controlado de descomposición microbiana aeróbica con la formación de materiales orgánicos estables que pueden ser usados como acondicionadores de suelos. Los principales factores en el control del proceso de composteo incluye parámetros ambientales (temperatura, contenido de humedad, pH y aereación) y parámetros naturales del sustrato (como la relación carbono nitrógeno, el tamaño de partícula y el contenido nutricional). El composteo aeróbico es la descomposición de sustratos orgánicos en la presencia de oxígeno. Los principales productos del metabolismo son el dióxido de carbono, el agua y considerables cantidades de calor (Mohee & Mudhoo, 2012). La siguiente figura ilustra la relación entre la degradación de compuestos orgánicos (trabajo realizado por los consorcios microbianos) y los cambios en la temperatura en el interior de la composta conforme se realiza el proceso:
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Figura 14. Remoción de la materia orgánica y cambios en la temperatura durante la biorremediación ex situ por compostaje. Tomado de Velasco & Volke Sepúlveda, 2003.
Como puede observarse el proceso esta gobernado por los principios básicos de transferencia calor y masa y por las restricciones biológicas de los microorganismos vivos. Podemos citar un típico ejemplo de este tipo de biorremediación y es el caso del vermicomposteo, termino dado al proceso de conversión de materia biodegradable mediado por gusanos de tierra hacia vermicomposta. En este proceso, la mayor fracción de nutrientes contenidos en la materia orgánica es convertida en formas más biodisponibles. El primer paso del vermicomposteo ocurre cuando los gusanos de tierra rompen el sustrato en pequeños fragmentos antes de ingerir el sustrato. Esto incrementa la superfice del sustrato, facilitando las acciones microbianas y por tanto su degradación enzimática. El sustrato es entonces ingerido y pasa a través de un proceso de digestión enzimática llevado a cabo por numerosas especies de bacterias y enzimas presentes en las entrañas de los gusanos. Se ha mostrado que los gusanos de tierra aerean y bio perturban los suelos y, desde allí, mejoran la fertilidad y el estatus nutricional, lo cual son variables normales conocidas como limitantes de las velocidades de biorremediación. Los gusanos de tierra también obstaculizan procesos durante los cuales los contaminantes orgánicos se unen a los suelos, y por tanto promueven la dispersión y biodisponibilidad de los contamiantes orgánicos para los microorganimos degradadores. Los gusanos de tierra en general son tolerantes a muchos químicos contaminantes incluyendo metales pesados y contaminantes orgánicos del suelo y además los pueden bioacumular en sus tejidos. Se ha encontrado que las especies de gusanos de tierra como Eisenia fetida, Eisenia tetraedra, Lumbricus terrestres, Lumbricus rubellus y Allobophora chlorotica son capaces de remover metales pesados como Cd, Pb, Cu y Hg, también pesticidas y micro contaminantes orgánicos lipofílicos como los hidrocarburos aromáticos policíclicos. Por lo tanto, usando estas excelentes propiedades de los gusanos de tierra, el proceso de vermicomposteo ha sido empleado para degradar contaminantes como los hidrocarburos aromáticos policíclicos, los bifenilos policlorados, la atrazina y el metamitron. Los hidrocarburos aromáticos policíclicos son una clase de compuestos orgánicos que se han acumulado en el ambiente principalmente debido al resultado de las actividades antropogénicas tales como la combustion de combustibles fósiles. Al final, el producto obtenido después de la biorremediación de los contaminantes es dispuesta un área adecuada al final de proceso (Mohee & Mudhoo, 2012).
3.2.2. Biorreactores La realización de la biorremediación en un biorreactor prefabricado es una tecnología de gran flexibilidad. Los biorreactores pueden ser usados para el tratamiento de líquidos Universidad Abierta y a Distancia de México
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(corrientes de procesos industriales, agua subterránea bombeada), vapores (solventes desahogados del subsuelo de ambientes contaminados, aires de fábricas) o sólidos en fases de suspensión (suelos escavados, lodos, sedimentos). Para suelos contaminados y sedimientos, un tren de tratamiento basado en biorreactores simula un sistema mezclado de remediación de lodos. Los biorreactores pueden usar: biopelículas o microorganismos suspendidos, poblaciones microbianas nativas provenientes del material a ser tratado; cultivos microbianos aislados de ambientes apropiados; microorganismos específicos modificados genéticamente (las últimos dos son, también, estrategias de bioaumentación). Los biorreactores pueden operar aeróbica o anaeróbicamente y con alimentación apropiada de nutrientes (nitrógeno, fósforo, minerales traza y con sustratos). Otras variables que pueden ser controladas incluyen la proporción de sólidos al agua, velocidades de biodegradación para contaminantes específicos o mezclas de contaminantes, la adsorción/ absorción de contaminantes a matrices, tales como suelos o acarreadores usados para proveer superficies para las biopelículas, pH, temperatura y potencial oxido reducción (Philp et. al., 2001). Hay numerosos y diferentes tipos de reactores que se pueden aplicar al tratamiento de suelos. Así, en términos muy simples, los reactores consisten en los mismos componentes, sin embargo, son diferentes en su diseño y operación. Los reactores pueden diferenciarse: A) Dependiendo del contenido de agua presentes en ellos. Hay reactores de contenido seco y reactores en suspensión. Los reactores secos trabajan con un contenido de humedad del 20% al 50 %. Hay que destacar que este contenido de humedad se refiere a la humedad que puede retener el suelo. Esto es, si el suelo puede retener máximo 10 mL de agua por unidad de área, que sería el 100%, el reactor seco trabajara con 2 a 5 mL de agua por unidad de área, lo que corresponderían al 20 % a 50% respectivamente. Los reactores de suspensión trabajan con lodos de agua – suelo, donde la partición de los sólidos en suspensión está entre el 30% al 50% del peso total. B) Por el tipo de mezclado. Existen los reactores de tambor rotatorio, los reactores de tanque de mezclado y los reactores de cama fluidizada, por mencionar algunos. C) De acuerdo a su estructura horizontal y vertical. D) Por la forma en que cargan el material, aunque en este caso, los materiales son cargados en el sistema por lotes (batch operation).
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E) Por el suplemento de nutrientes. En el caso que sea usado el oxígeno en los reactores, por regla general, se presuriza en el fondo del reactor utilizando aire comprimido. F) Acorde al tipo de metabolismo utilizado, donde dependiendo de las características del metabolismo que se usara para la biodegradación de los contaminantes, se puden usar otro tipo de gases como el nitrógeno o el helio para mantener una atmósfera libre de oxígeno y favorecer el metabolismo anaerobio (International Centre for Soil and contaminated Sites, 2006). La siguiente Figura 15 representa un tipo de biorreactor de sólidos:
Figura15. Representación esquemática de una técnica de biorremediación ex situ por biorreactores. Tomado de EPA 2006.
Las aplicaciones en campo son:
Adecuado para el tratamiento de suelos de grano fino, cohesivos o lodosos. Para el tratamiento de suelos con gran cantidad de hidrocarburos aromáticos policíclicos; Para el tratamiento de suelos contaminados por TNT; Las ventajas son: Tratamiento de suelos con grano fino; Tratamiento de suelos cuyo nivel de contaminación no puede ser sujeto a otro tipo detratamiento microbiológico;
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Una degradación más rápida debido a los altos niveles de homogeneidad del suelo. Altos niveles de degradación debido a una mejor des absorción y solubilización de los contaminantes; La posibilidad de añadir tensoactivos por ser un sistema cerrado.
Desventajas Gran gasto de energía debido al movimiento del suelo y la separación de los procesos de agua y de secado del suelo. Un alto costo.
3.2.3. Bioabsorción La bioabsorción puede ser definida como un secuestro selectivo de las especies de metales solubles que resultan de la inmovilización de los metales por las células microbianas. El secuestro de metales por las diferentes partes de las células puede ocurrir por medio de varios procesos: acomplejación, quelación, coordinación, intercambio iónico, precipitación y reducción. La inmovilización puede ser resultado de más de un mecanismo, como por ejemplo, la complejación del metal puede ser seguida de la reducción del metal o de su precipitación. Las células activas o inactivas metabólicamente, se comportan de formas diferentes. Así las células microbianas inactivas pueden solo inmovilizar los metales por bioabsorción, mientras que las células microbianas activas metabólicamente pueden inmovilizar las especies metálicas solubles tanto por bioabsorción como por otros mecanismos que forman parte parte o son producidas por otro metabolismo microbiano. La pared celular es usualmente la primera estructura celular que interactua con las especies de metales solubles en el ambiente extracelular. La pared celular es una matriz polimérica bien definida que esta justo afuera de la membrana plasmática de la célula. Las paredes celulares proveen una mayor fuerza mecánica y resistencia a las células. Estan compuestas de polisacáridos, proteínas y lípidos. Dicho esto de las paredes celulares que se consideraran como biopolímeros. Se ha visto que la unión de los iones metálicos a los biopolímeros es dada generalmente por dos mecanismos principales. El primero de estos mecanismos es un simple intercambio iónico y el segundo es por la formación de complejos (compuestos de coordinación) que pueden ser quelados. Debido a la complejidad de la mayoría de los biopolímeros, es muy común
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que más de un proceso de unión tome lugar en un sistema al mismo tiempo. Dos ejemplos simplificados son:
Intercambio ionico: via la unión de caiones con grupos funcionales ionizables encontrados en los biopolímeros tales como los grupos carboxilo, fosfato orgánico y sulfato orgánico; La formación de complejos de moléculas orgánicas (ligandos) con átomos metálicos: donde uno o más de pares de electrones ionicos de el ligando que son donados al metal. Los donadores de electrones más comunes enlos biopolímeros son los atomos de nitrógeno neutro trivalente y los átomos neutros divalentes de oxigeno o azufre.
Es necesario saber como se llevan a cabo los mecanismos de bioabsorción para poder desarrollar la tecnología. Los mecanismos son complicados y no están entendidos completamente. Existe mucha literatura que trata de los mecanismos y los modelos de bioabsorción de cepas bacterianas y metales específicos. Sin embargo los factores clave que controlan y caracterizan estos mecanismos son:
El tipo de ligandos biológicos disponibles para el secuestro de los metales; El estatus de la biomasa, por ejemplo, viva o no viva; Las características química, estereoquímica y corrdinativas de los metales blanco y de las especies metálicas existentes; Las características de la solución donde se encuentran los metales, tales com el pH y la presencia de co-iones competitivos.
Los microorganismos poseen una abundante gama de grupos funcionales que pueden adsorber pasivamente los iones metálicos. El término adsorción puede ser usado de forma general e incluye varios mecanismos pasivos tales como: complejación, quelación, coordinación, intercambio ionico, precipitación y reducción. Así, la bioabsorción es un proceso con características únicas. Puede secuestrar efectivamente metales disueltos de soluciones complejas muy diluidas con altas eficiencias. Esto hace de la bioabsorción un candidato ideal para el tratamiento de un alto volumen de aguas residuales diluidas. Las aplicaciones piloto han mostrado limitaciones asociadas con la inactivada de la biomasa bacteriana debido al costo de la formulación de la biomasa dentro de un apropiado material bioabsorbente. Además, por los efectos negativos de los co-iones en solución sobre la toma de los iones metálicos blanco y por la inmovilización de la biomasa bacteriana, y la reducción de la resilencia del material biológico hacen que el material bioabsorbente sea más difícil de reciclar y reusar. Sin embargo, en los casos de células Universidad Abierta y a Distancia de México
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microbianas metabólicamente activas, en los reactores biológicos, la bioabsorción contribuye como un mecanismo paralelo junto con otros mecanismos mediados metabólicamente, tales como la bioprecipitación y la bioreducción. Por esta razón la bioabsorción siempre ha sido tomada en cuenta como un proceso de inmovilización de metales basado en la interacción de las células microbianas con las especies metálicas solubles.
La gestión de los desperdicios sólidos producidos por la bioabsorción de los iones metálicos en las células microbianas debe ser considerada acorde a las características de tratamiento del metal absorbido. Así, si las células microbianas son inmovilizadas en una matriz química con partículas absorbentes, entonces la desabsorción de los metales es el único metódo de hacer el proceso económico, independiente del valor de los metales que son recobrados. También en los casos de la formación natural de biopelículas el exceso de lodos debe ser tratado apropiadamente. Usualmente los metales son recuperados por lixiviación con un agente absorbente, tales como ácidos diluidos o compuestos quelantes. Pero si la recuperación del metal no es de interés económico, la biomasa descargada es tratada de acuerdo a las regulaciones de seguridad de disposición de lodos después del desaguado y secado (Tsezos et. al., 2011).
3.2.4. Digestión anaeróbica La digestión anaérobica es un proceso en el cual los microorganismos degradan la materia orgánica en ausencia de oxígeno para convertirlo en gas (una mezcla de dióxido de carbono y metano) y un material sólido generalmente un fertilizante rico en nitrógeno. El gas o mejor llamado biogas puede ser usado directamente en máquinas que lo usen como combustible o puede ser limpiado de CO2 (la composición del biogas en términos generales es de 60% de metano y 40% de CO2) y se utiliza de la misma manera que el gas natural. El material sólido puede ser usado como un fertilizante renovable o acondicionador de suelo. La digestión anaérobia no es una tecnología nueva y ha sido aplicada en algunos países, como por ejemplo en el Reino Unido por más de 100 años. Sin embargo, hasta tiempos recientes no había sido usado para el tratamiento de otros desperdicios o con el propósito de ser usado como fertilizante para el crecimiento de cultivos. La digestión anaeróbica tiene un rol importante como un medio para tratar los desperdicios orgánicos y evitar emisiones de gases con efecto invernadero asociadas con su disposición y relleno sanitario (Figura 16).
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Figura 16. Representación esquemática del ciclo sostenible de la digestión anaerobia. Recuperado de http://www.3tres3.com/medioambiente/digestion-metanogenica-de-purines-porcinos-y-strippingde-n_2006/
El proceso de digestión anaerobia esta caracterizado por una serie de transformaciones bioquímicas llevadas a cabo generalmente por consorcios bacterianos. La digestión anaerobia de la materia orgnánica básicamente sigue los pasos de hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis. Hay que mencionar que el paso limitante del proceso es el paso de hidrolisis, el cual depende del pH, la temperatura, composición y concentración de compuestos intermediarios. El paso de hidrólisis degrada tanto material orgánico insoluble así como compuestos de alto peso molecular como lípidos, polisacáridos, proteínas y ácidos nucleicos. Estos compuestos de alto peso molecular e insolubles, los hace solubles ya que se hidrolizan a aminoácidos y acidos grasos. La hidrólisis se lleva a cabo por medio de enzimas hidróliticas producidas por bacterias hidrolíticas. Los compuestos formados durante el paso de hidrólisis son posteriormente divididos durante un segundo paso de acidogénesis. Los ácidos grasos volátiles y los alcoholes, así como el amonio, el dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno y otros productos son generados por bacterias acidogénicas. Esta fase es acompañada por un decremento del pH debido a la producción de acidos. En este paso, si el reactor fue sobrecargado, se generan bajos niveles de pH y puede inhibir el proceso. Las principales especies identificadas como responsables de la producción biológica de hidrógeno durante la acidogénesis de los carbohidratos son los generos Enterobacter, Bacillus y Clostridium. El tercer paso en la digestión anaeróbia es la acetogénesis, donde los ácidos grasos y los alcoholes producidos por la acidogénesis son digeridos por un productor de acetato para la obtención principal de ácido acético, así como CO2 y H2. Esta
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conversión es controlada en gran medida por las presiones parciales de H2 en la mezcla. El último paso de metanogénesis produce metano por dos grupos de bacterias metanogénicas: el primer grupo divide el acetato a metano y CO2, el segundo grupo usa el hidrógeno como donador de electrones y al CO2 como aceptor para producir metano. Las bacterias involucradas en la metanogénesis son sensibles a un pH bajo o alto, por lo que las condiciones de pH deben se mantenidas en un rago de pH de 6.5 a 8. Durante los años recientes, investigaciones de interés han estudiado la aplicación de la digestión anaerobia para la degradación y eliminación de contaminantes como colorantes, hidrocarburos aromáticos policiclicos, hidrocarburos altamente clorados, xenobióticos, y pesticidas. Muy recientemente hay reportes en donde se ha usado lodos metanogénicos granulares y lodos fermentables de aguas residuales como inoculo para pruebas por lotes en la biorremediación anaeróbica de suelos contaminados con pesticidas clorados. Los resultados fueron la remoción de DDT y otros pesticidas en un 80% a 90% en un periodo de 4 a 6 semanas (Baczynski & Pleissner, 2010). En otros estudios se ha probado Bacillus cereus aislado de aguas residuales municipales en plantas de tratamiento para evaluar la eficiencia de los surfactantes anionicos, un surfactante químico y un biosurfactante, durante la biodegradación de fluoroetano bajo condiciones anaeróbicas metanogenicas. Los compuestos usados fueron alquilbencen sulfonato lineal y un biosurfactante complejo ramnolipidico proveniente de Pseudomonas sp. PS-17. En este estudio se demostró que el alquilbencen sulfonato lineal mejoró el crecimiento celular así como la biodegradación del fluoroetano, demostrándose que este surfactante puede facilitar la biodegración de los hidrocarburos aromáticos policíclicos bajo condiciones metanogénicas (Fuchedzhieva et. al., 2008). La tecnología también ofrece otros beneficios, tales como la recuperación de energía, la producción de fertilizante y el uso de los nutrientes (Figura 16). Por la flexibilidad de la tecnología usada en la digestión anaerobia, se pueden construir plantas de tratamiento de diferentes escalas, desde instalaciones grandes que tratan los lodos de las aguas residuales y desperdicios municipales hasta las pequeñas instalaciones que pueden controlar los materiales de desecho de granjas o pequeñas comunidades. Las plantas de tratamiento también clasificadas en términos de como el producto es considerado un desecho. La gestión de los residuos debe estar de acuerdo a las regulaciones locales, de tal forma que se prevenga los riesgos y peligros que puedan dañar al ser humano o al ambiente en cuestión.
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Las plantas industriales también pueden ser clasificadas en términos del tipo de material que usan para el proceso:
Tratamiento de lodos de aguas residuales únicamente: los requisitos de la tecnología son relativamente sencillos y los lodos biosólidos tratados pueden ser usados de acuerdo a las regulaciones (por ejemplo, se puede usar en la agricultura). Tratamiento de los productos de granjas: las plantas que usan los lodos liquidos y el estiércol generado en las granjas o de los cultivos generados específicamente para alimentar la digestión anaerobia. Esta tecnología es simple, sin requerimientos de pretratamiento o pasteurización. Tratamiento de materias primas generadas fuera de una granja: Las plantas que utilizan residuos, por ejemplo, una planta de una granja puede aceptar residuos de alimentos, o una planta fuera de la granja para digerir los residuos de alimentos. Los materiales pueden ser separados en origen o, en algunos casos puede ser la fracción orgánica procedente de una colección de residuos mezclados. El grado de separación en la fuente, por supuesto, afecta a la calidad de los resultados del material tratado y dictará cómo se regulará el uso de los productos.
Hay varias tecnologías disponibles para la digestión anaeróbia. En estas tecnologías el producto a digerir puede estar en forma humeda o seca, puede ser un producto mesofílico o termofílico, de un solo paso o de varios pasos. Así tenemos:
La digestión anaeróbica seca sólo utiliza una clasificación mecánica mínima, y el proceso de digestión se lleva a cabo a partir de residuos en su forma sólida. En la digestión anaerobia húmeda los residuos se convierten primero en una especie de pasta antes de ser procesada. Los sistemas que utilizan bacterias que viven de forma óptima entre 35 a 40 °C se conocen como sistemas mesófilicos; los que utilizan las bacterias que pueden sobrevivir a 55-60 °C son llamados sistemas termófilicos. En sistemas termófilicos la entrada de energía es mayor. El aumento de las temperaturas facilitan rendimientos de gas más rápidas. El funcionamiento a temperaturas más altas también ayuda a esterilizar el material final. Los sistemas de digestión de una sola etapa dónde todas las reacciones biológicas ocurren dentro de un solo reactor sellado o tanque de retención, lo que puede reducir los costos de construcción. Los sistemas de digestión de etapas múltiples, dónde se utilizan diferentes tanques para optimizar las reacciones.
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Además dentro de los beneficios que se obtienen del uso de la digestión anaeróbia tenemos:
La provición de calor para hacer posible el crecimiento de hongos o cultivos de horticultura a gran escala. El tratamiento de los desperdicios diarios y proveyendo energía para el consumo del lugar donde se llevan a cabo el tratamiento de los residuos. Usando el metano generado como combustible.
La digestión anaeróbia puede utilizar una gran varidad de material orgánico para producir energía. Estas materias primas pueden ser los desperdicios de alimentos tanto caseros como de fuentes industriales, estiércol y lodos de granjas, aguas residuales y de cultivos usados para la producción de energía. Los productos obtenidos de la digestión anaeróbica son principalmente el biogás que esta compuesto de aproxidamente 60% de metano y 40% de CO2. El biogás es usado actualmente para generar energía eléctrica. Se ha usado en el Reino Unido la remoción del CO2 del biogás y así este se usa como sustituto del gas natural en forma de biometano. En Alemania también se ha adoptado esta metodología y se cuenta con cerca de 60 plantas que inyectan biometano a la red de gas de ese país. El otro producto generado de la digestión anaerobia es un material sólido. Este material sólido es un fertilizante o biofertilizante valioso que puede ser usado como fuente renovable de recursos críticos como el nitrógeno y el fosforo (DEFRA, 2011). Por tanto, acorde a lo que hemos revisado de las técnicas de biorremediación, siempre es un requisito realizar una valoración de las condiciones del ambiente contaminado, lo cual nos permitirá visualizar si existe una posibilidad de aplicar un sistema de degradación biológica, el primer aspecto a evaluar es la población microbiana presente, donde si no hay crecimiento, entonces no se puede aplicar una técnica de biorremediación. Si hay crecimiento, se deberá analizar si hay biodisponibilidad con objeto de considerar la optimización de la degradación biológica. Si es factible la estrategia ideal a seguir es aplicar una técnica por remediación in situ, de lo contrario aplicar una ex situ (Figura 17).
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Figura 17. Diagrama secuencial para la determinación del tipo de biorremediación in situ o ex situ a utilizar en sitos contaminados. Modificado de International Centre for Soil and contaminated Sites 2006.
3.3. Fitorremediación La fitoremediación es una tecología emergente que usa varios tipos de plantas para degradar, extraer, contener o inmovilizar contaminantes de los suelos o el agua. Esta tecnología ha recibido atención ultimamente como innovadora, buena altarnativa por su costo y efectividad con respecto a métodos de tratamiento ya establecidos usados en los sitios de desperdicio peligrosos (Figura 18).
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Figura 18. Tipos de fitorremediación. Recuperado de http://www.porquebiotecnologia.com.ar/index.php?action=cuaderno&opt=5&tipo=1&note=36
3.3.1. Concepto de fitorremediación Fitorremediación es un nombre dado a un conjunto de tecnologías que usan plantas para limpiar sitios contaminados. El termino fitorremediación proviene de la palabra phyto = planta y remediación = corregir la maldad y es relativamente nuevo. El término fue acuñado en 1991. La información básica para lo que ahora es llamado fitorremediación proviene de una variedad de áreas de investigadas como humedales, derrames de petróleo y la bioacumulacion de metales pesados por medio de plantas de cultivo. Así, las plantas pueden ayudar a limpiar muchos tipos de contaminantes incluyendo metales, pesticidas, explosivos y petróleo. Sin embargo, la fitorremediación trabaja mejor donde los niveles de contaminación son bajos ya que las altas concentraciones de contaminantes pueden limitar el crecimiento de las plantas y toma mucho tiempo en llevarse a cabo la limpieza. Por añadidura, las plantas ayudan a prevenir que el viento, la lluvia y los efluentes de agua subterráneas arrastren los contaminantes lejos del sitio contaminado hacia las áreas aledañas y lo más profundo en el subsuelo. La fitorremediación se basa en el hecho de que ciertas plantas son capaces de remover o degradar químicos peligrosos de los suelos cuando las raíces de estas plantas toma agua y nutrientes de los suelos, sedimientos o agua subterránea contaminada. Así, las plantas Universidad Abierta y a Distancia de México
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pueden ayudar a limpiar los contaminantes tan profundamente como las raíces puedan llegar (figura 19) usando un proceso natural como:
Almacenar los contaminates de las raíces, los tallos o las hojas. Convertir los contaminantes en químicos menos peligrosos dentro de la planta o más comúnmente en la zona de las raíces. Convertir los contaminantes en vapores, los cuales son liberados al aire. Absorber los contaminantes hacia las raíces donde microorganismos de la rizosfera pueden degradar los contaminantes absorbidos a químicos menos peligrosos.
Figura 19. Flujos químicos durante la Fitorremediación. Tomado de Schnoor 2000.
La fitorremediación es frecuentemente usada para alentar el movimiento de agua subterránea contaminada. Los árboles actúan como bombas, extrayendo el agua subterránea a través de sus raíces evitando que el agua se disperse. Este método de fitorremediación es llamado control hidráulico. Esta metodología reduce el movimiento del agua contaminada hacia áreas que se encuentran limpias.
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La fitorremediación puede tomar varios años para limpiar un sitio. El tiempo de limpieza depende de varios factores. Por ejemplo, la fitorremediación puede tomar más tiempo donde:
La concentración de contaminantes es alta. El área contaminada es grande o profunda. Las plantas usadas toman mucho tiempo para crecer. La temporada de crecimiento es corta.
Estos factores varian de sitio a sitio. Las plantas pueden ser reemplazadas si están dañadas por el clima extremo, por plagas o animales. Esto también puede agregar tiempo para la limpieza del sitio. Las ventajas que ofrece la biorremediación es por el uso de plantas que utilizan un proceso natural que requiere de poco equipo y trabajo que otros métodos ya que las plantas hacen la mayoría del trabajo. Además, el sitio puede ser limpiado sin la necesidad la excavación y acarreo del suelo o el bombeo de las aguas subterráneas, lo que ahorra energía. Los árboles y las plantas usadas en la fitorremediación ayudan a controlar la erosión del suelo, haciendo del sitio más atractivo, menos ruidoso y mejora la calidad del aire circundante (EPA, 2012).
3.3.2. Tipos de remediación mediante el empleo de plantas Los mecanismos de fitorremediación (Tabla 3) incluyen la fitoextracción, la rizofiltración, la fitoestabilización, la rizodegradación, la fitodegradación, la fitovolatilización, el control hidráulico, la cobertura por vegetación y los corredores ribereños. Tabla 3. Mecanismos de fitorremediación. Mecanismo Fitoextracción
Rizofiltración
Proceso objetivo Extracción y captura de contaminantes
Medio
Contaminantes
Plantas
Status
Suelo, sedimientos, lodos
Agua subterránea y de superficie
Mostaza de la india, zurron boliviano, girasoles alyssum, álamos hibridos Girasoles, mostaza de la india, Jacinto
Aplicación en campo, laboratorio y plantas piloto.
Extracción y captura de contaminantes
Metales: Ag, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Mo, Ni, Pb, Zn; Radionucleotidos: 90Sr, 137Cs, 239Pu, 238,234U. Metales y radionucleotido
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Laboratorio y a escala piloto
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Fitoestabilización
Contención de contaminantes
Suelo, sedimentos y lodos.
As, Cd, Cr, Cu, Hs, Pb, Zn.
Rizodegradación
Destrucción de contaminantes
Suelos, sedimentos, lodos, y agua subterránea
Fitodegradación
Destrucción de contaminantes
Suelo, sedimentos, lodos, agua subterránea y agua superficial.
Compuestos orgánicos (pesticidas, hidrocarburos aromáticos policiclicos, solventes clorados, bifenilos policlorados) Compuestos orgánicos, solventes clorados, fenoles, herbicidas
Fitovolatilización
Extracción del contaminante del medio y liberación al aire Degradación de los contaminantes o contención Contención de contaminantes, control de la erosión. Destrucción de contaminantes.
Agua subterránea, suelo, sedimentos y lodos. agua subterránea y agua superficial Suelo, lodos y sedimentos
Colventes clorados, algunos inorgánicos (Se, Hg, y As).
agua subterránea y agua superficial
Compuestos orgánicos e inorgánicos solubles en agua.
Control hidráulico
Cobertura vegetativa
Corredores ribereños
Compuestos orgánicos solubles e insolubles. Compuestos orgánicos e inorgánicos
de agua común. Mostaza de la india, álamos hibridos, pastos Mora roja, pastos, álamos hibridos, totoras, arroz
Aplicación en campo
Aplicación en campo
Algas, Chara, álamos hibridos, sauce negro, cipres de los pantanos o cipres calvo Álamos, alfalfa, Robinia pseudoacacia, Mostaza de la india Álamos hibiridos, álamo negro, sauce. Álamos, pastos
Aplicación en campo
Alamos
Aplicación en campo
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Aplicación en campo y laboratorio
Demostración en campo
Aplicación en campo
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3.3.3. Alcance de la fitorremediación La fitorremediación como sustituto de métodos químicos y físicos es una metodología emergente de los ambientes contaminados en los cuales se puede aplicar y que utiliza diversas estrategias biológicas para remover los contaminantes de suelo y aguas. Esta técnica de fitorremediación aconseja transferir tareas de limpieza ambiental en el uso de plantas a gran escala. Además las capacidades de los sistemas de biorremediación pueden crecer a través de la expresión de algunos genes bacterianos, que codifican para enzimas específicas que degradan contaminantes, en plantas. Sin embargo, hay escasez de conocimientos sobre el mecanismo de desintoxicación de algunos contaminantes, sus resultados dentro de las plantas, así como la función de varias proteínas transportadoras vegetales. Hoy en día, hay una necesidad de investigación de plantas productoras para que tengan mayor biomasa, una tasa metabólica elevada y mayores niveles de biotransformación. De hecho se desea optimizar estos sistemas con la aplicación de técnicas agrícolas, con objeto de poder utilizarse en extensiones de terreno más grandes. Por tanto, en la actualidad se visualiza al sistema de fitorremediación como una opción más rentable, impactante, más rápida y una técnica ambiental muy atractiva (Mohee & Mudhoo, 2012).
Actividades La elaboración de las actividades estará guiada por tu docente en línea, mismo que te indicará, a través de la Planeación didáctica del docente en línea, la dinámica que tú y tus compañeros (as) llevarán a cabo, así como los envíos que tendrán que realizar. Para el envío de tus trabajos usarás la siguiente nomenclatura: BBRN _U3_A1_XXYZ, donde BBRN corresponde a las siglas de la asignatura, U3 es la unidad de conocimiento, A1 es el número de actividad, el cual debes sustituir considerando la actividad que se realices, XX son las primeras letras de tu nombre, Y la primera letra de tu apellido paterno y Z la primera letra de tu apellido materno.
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Autorreflexiones Para la parte de autorreflexiones debes responder las Preguntas de Autorreflexión indicadas por tu docente en línea y enviar tu archivo. Cabe recordar que esta actividad tiene una ponderación del 10% de tu evaluación. Para el envío de tu autorreflexión utiliza la siguiente nomenclatura: BBRN _U3_ATR _XXYZ, donde BBRN corresponde a las siglas de la asignatura, U3 es la unidad de conocimiento, XX son las primeras letras de tu nombre, y la primera letra de tu apellido paterno y Z la primera letra de tu apellido materno
Cierre de Unidad Durante el presente curso nos enfocamos al estudio de la biorremediación como una estrategia alternativa para la eliminación de contaminantes a través del uso de un sistema biológico, para abordar este tópico primeramente fue necesario revisar los aspectos generales de la biorremediación, así como los tipos de contaminantes. Posteriormente nos dimos a la tarea de estudiar las características metabólicas de diferentes tipos de organismos comunmente empleados en la biorremediación, todo lo anterior con objeto de contar con los conceptos y herramientas básicas para poder evaluar y valorar las diferentes técnicas que existen en este campo. Por ello, en esta tercera Unidad logramos analizar las diferentes técnicas de biorremediación a través de identificar las características operativas de cada estrategia, esto en términos de contaminantes, microorganismos y condiciones ambientales. Los sistemas de estudio fueron las técnicas de biorremediación in situ y ex situ, así como un caso particular, la fitorremediación; donde se identificaron los subtipos y los alcances de cada estrategia. Por tanto, podemos considerar que el conocimiento recién adquirido constituye una herramienta esencial para el quehacer de la biotecnología, ya que se alcanzaron las competencias esperadas en cuanto que se cuenta con el bagaje básico para enfrentar la problemática de la contaminación y encontrar una solución basada en la biorremediación.
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Para saber más
Si te interesa conocer cómo puedes dar tratamiento a los residuos que se generan en casa, te invito a que revises el siguiente material: SEMARNAT-INE-GTZ. (Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales, Instituto Nacional de Ecología y Agencia de Cooperación Técnica Alemana). 2006. Manual de compostaje municipal. (consultado el 02 de abril 2014). http://www.bvsde.paho.org/bvsacd/cd68/compsmuni.pdf
Fuentes de consulta
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Kumar, A., Bisht, B.S., Joshi, V.D. & Dhewa, T. (2011). Review on bioremediation of Polluted Environmet: a management tool. Int. J. Environ. Sci. 1(6), 1079-1093. Leung, M. (2004). Bioremediation: Techniques for cleaning up a mess. Bioteach Journal Reviews &Readings. 2(1), 18-22. Mohee, R., & Mudhoo, A. (2012). Bioremediation and sustainability: research and applications. New Jersey: John Wiley and Sons (1st Edition), 431. Philp, J.C., Atlas, R.M. y Cunningham, C.J. (2001) Bioremedation. Encyclopedia of life sciences. John Wiley & Sons, Ltd. U.S. environmental Protection Agency. (1998). Undertanding bioremediation; A guidebook for citizens. EPA/540/2-91/002. Research and Development. pp. 19. Van-Cauwenberghe, L. & Roote, D.S. (1998). In situ bioremediation. Ground-water remediation technologies analysis center. Pittsburgh. pp 24. Velasco, J. A., & Volke Sepúlveda, T. L. (2003). El composteo: una alternativa tecnológica para la biorremediación de suelos en México. Gaceta Ecológica, 1(66), 41–53. Schnoor, J.L. (2000) Degradation by Plants-Phytoremediation, Biotechnology, 11b, 372384. Stryer, L., Berg, J. M. & Tymoczko J.L. (2003) Bioquímica 5ta Edición Reverté.
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