BIORREMEDIACIÓN 2015

En las últimas décadas, la liberación de contaminantes al
ambiente, producida principalmente como consecuencia del
desarrollo industrial, ha superado con creces a los mecanismos
naturales de reciclaje y autodepuración de los ecosistemas
receptores. Este hecho ha conducido a una evidente acumulación
de contaminantes en los distintos ecosistemas hasta niveles
preocupantes. Por ello, amén de reducir en todo lo posible la
liberación de contaminantes, hoy en día existe la necesidad de
indagar en la búsqueda de procesos que aceleren la degradación
de los contaminantes presentes en el ambiente. Así, se reducirían
de forma progresiva los efectos perniciosos que producen sobre
los ecosistemas y la salud humana.
Cerca de 1500 millones de toneladas de crudo
son transportados anualmente en buques como
carga, como combustible, o para otros usos.
Una cantidad de crudo, relativamente pequeña,
pero sustancial, nunca alcanza su destino,
siendo éste, el medio ambiente marino, como
consecuencia de accidentes y derrames en
operaciones de descarga (Peet, 1994).
Durante el pasado y presente siglo, la creciente
explotación de petróleo ha traído consigo todo
tipo de accidentes ecológicos que han dañado
los ecosistemas acuáticos causando graves
daños a la salud humana, a la vida silvestre y al
ecosistema en general.
La industria química produce gran cantidad de
compuestos xenobióticos, cuya estructura
química difiere considerablemente de los
compuestos orgánicos naturales. Algunos de
estos compuestos xenobióticos, con grupos
halógenos y nitrogenados, utilizados como
propelentes,
refrigerantes,
disolventes,
bifenoles
policlorados
(PCB),
plásticos,
detergentes, explosivos y plaguicidas, son
resistentes (recalcitrantes) a la biodegradación.
Esto último causa la acumulación del
xenobiótico en los niveles tróficos superiores,
donde provoca graves daños ecológicos.
PROBLEMAS DE
CONTAMINACION AMBIENTAL
CONTAMINACION DEL
SUELO, AGUA Y AIRE
CONTAMINACION DEL AGUA MARINA
www.cco.gov.co/contmar1.htm
Desembocadura Río Mississippi en el Golfo de México-EE.UU. Fuente:
www.earth.rice.edu
• Por vertimientos directos: directamente al mar se vierten residuos
sólidos y aguas residuales, producto de actividades en los buques, los
puertos y zonas urbanizadas en áreas costeras.
CONTAMINACION DE SUELOS Y LA NAPA FREATICA
CONTAMINACION DE AGUAS POR MERCURIO
BIOTA EN EL AGUA QUE ES AFECTADA POR HIDROCARBUROS
Vías de biodegradación del cianuro
LA BIOTA EN EL SUELO
CONTAMINACION POR
RESIDUOS SÓLIDOS URBANOS
ACTIVIDAD MINERA
IMPACTOS AL
AMTIENTE
Suelos contaminados
Recursos hídricos contaminados
Canchas de relave
Desmontes
Aire y gases
residuales
MINERIA
Rellenos sanitarios y vertidos industriales
CONTAMINACION DEL AGUA Y SUELO POR LA
AGRICULTURA Y GANADERIA
Plaguicidas en el suelo
Sustancia
Tiempo para la desaparición
Insecticidas
Insecticidas clorados
del 75 al 100%
100%
DDT
Aldrín
Clordano
Heptacloro
Lindano
Insecticidas organofosforados:
organofosforados:
Diazinón
Malatión
Paratión
Herbicidas:
Herbicidas:
2,4-D(ácido 2,4-diclorofenoxiacético)
2,4,5T(ácido2
T(ácido2,4,5,triclorofenoxiacético)
Dalapín
Atrazina
Simazina
Propazina
4
3
5
2
3
años
años
años
años
años
12 semanas
1 semana
1semana
4 semanas
20 semanas
8 semanas
40 semanas
48 semanas
1.5 años
PRINCIPALES CAUSAS DE CONTAMINACIÓN DEL AIRE:
Emisiones del transporte urbano (CO, CnHn, NO, SO2, Pb).
Emisiones industriales gaseosas (CO, CO2, NO, SOx).
Emisiones Industriales en polvo (cementos, yeso, etc.).
Basurales (metano, malos olores).
Quema de basura (CO2 y gases tóxicos).
Incendios forestales (CO2).
Fumigaciones aéreas (líquidos tóxicos en suspensión).
Derrames de petróleo (Hidrocarburos gaseosos).
BIORREMEDIACION
BIOTECNOLOGÍA
“Es la integración de ciencias naturales e
ingeniería para llevar a cabo la aplicación de
organismos, células, partes de las mismas y
análogos moleculares, en productos y
servicios”
BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL
Aplicación específica de la Biotecnología al tratamiento de
problemas medioambientales, incluyendo el tratamiento de
aguas, el control de la contaminación y su integración con
tecnologías no biológicas.
biológicas.
Aplicación de la Biotecnología en aspectos medioambientales:
medioambientales:
* Seguimiento de la contaminación (biosensores,
biosensores, biomarcadores)
biomarcadores).
* Tratamiento de los residuos (origen doméstico, agrícola, industrial)
industrial).
*Tratamiento de
(Biorremediación)
Biorremediación).
lugares
y
vías
fluviales
ya
contaminados
* Prevención de la contaminación (uso de microorganismos o enzimas,
plantas, biocombustibles, plásticos biodegradables).
biodegradables).
BIOTECNOLOGÍA
AMBIENTAL
“Es la aplicación de estos procesos a la
protección y restauración de la calidad del
medio ambiente”
BIORREMEDIACIÓN
La contaminación ambiental puede ser disminuida
con la tecnología de biorremediación. Como en
muchas enfermedades, se requiere evaluar cada
caso para dar un remedio.
La biorremediación de diferentes contaminantes
deberá estar basada en el tipo de químico presente,
el uso de organismos y el desarrollo de las
condiciones
ambientales
más
importantes.
Requiere de un equipo multidisciplinario, donde su
base principal es la microbiología. Para desarrollar
un plan de biorremediación efectivo, costeable y
ambientalmente seguro, es necesario tener un
conocimiento de la ecología y de la evolución de las
poblaciones microbianas degradativas.
Las
primeras
observaciones
de
biorremediación fueron con el petróleo,
después con algunos organoclorados y
organofosforados;
organofosforados; “se advirtió que los
microorganismos
no
sólo
eran
patógenos, sino que además eran
capaces de absorber compuestos
orgánicos, algunos naturales, otros
sintéticos, y degradarlos, lo que
constituye
el
objetivo
de
la
biorremediación”
biorremediación”.
Se pensaba que el petróleo, sustancia natural, no provocaría un
daño ambiental irreparable y tal como se ha ido observando
durante décadas, el crudo después de un largo tiempo es diluido y
asimilado por el medio ambiente.
ambiente.
De esta intrínseca capacidad de la naturaleza para superar algunos
desequilibrios en el ecosistema, surge la biorremediación,
biorremediación, como
una tecnología que usa un elemento biológico, en la mayoría de
los casos microorganismos,
microorganismos, para eliminar contaminantes de un
lugar, sea este suelo, sedimento, fango o mar.
mar. Esta tecnología se
ha transformado en la colaboradora directa de la naturaleza, que
no siempre es capaz de superar por sí sola grandes desequilibrios.
desequilibrios.
La biorremediación le da una ayuda al medio ambiente en la
mejora de los ecosistemas dañados, acelerando dichos procesos
naturales.
naturales.
Lo que hacen los microorganismos es degradar los desechos en
productos menos tóxicos, además de concentrar e inmovilizar
sustancias tóxicas, metales pesados;
pesados; minimizar desechos
industriales y rehabilitar áreas afectadas con diversos
contaminantes.
contaminantes.
La biorremediación surge como una rama de la biotecnología que
busca resolver los problemas de contaminación mediante el diseño
de microorganismos capaces de degradar compuestos que
provocan desequilibrios en el medio ambiente.
ambiente. Es similar a la
biotecnología, pero en general sus técnicas son específicas para
casos particulares, porque dependen directamente de las
condiciones del ecosistema a recuperar.
recuperar.
A veces, biorremediar un ambiente contaminado puede requerir la
elaboración de un microorganismo genéticamente modificado que
sea eficiente sólo para ese caso.
caso.
Un evento más sencillo de biorremediación puede ser el del
petróleo.
petróleo. Los derrames de crudo provocan un desequilibrio al
aumentar la cantidad de carbono, lo que descompensa los niveles
de nitrógeno y fosfato, en esas condiciones metabólicamente no se
puede consumir el carbono.
carbono. La biorremediación de petróleo
consiste en verter los mismos nutrientes que están
descompensados,
fosfato,
nitrógeno
y
dejar
que
los
microorganismos que ya están presentes “hagan su trabajo”.
trabajo”.
Muchos tratamientos biotecnológicos de contaminantes
son considerados biorremediación,
biorremediación, sin embargo algunos
autores
diferencian
entre
ambos
procesos.
La
procesos.
biotecnología es tecnología que usa elementos
biológicos, sea un organismo o una enzima.
enzima.
“En estricto rigor un sistema de tratamiento de efluentes
o un sistema de compostage no son biorremediación,
biorremediación, son
tratamientos biológicos o mixtos para evitar la
contaminación, en cambio la biorremediación se utiliza
para revertir un daño”.
daño”.
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.
ecológico.
Todos los contaminantes poseen características que los hacen
capaces de perturbar el medio ambiente y provocar daño a la salud
humana y del planeta.
planeta. Crear estrategias de biorremediación para
eliminarlos a todos es un camino que se está iniciando para esta
rama de la biotecnología.
biotecnología.
Existen grupos de compuestos especialmente peligrosos para el
hombre en los que la biorremediación ha logrado importantes
avances.
avances.
Uno de estos grupos son los organoclorados,
organoclorados, compuestos
orgánicos no naturales que tienen cloro en su molécula y son
capaces de intervenir en los procesos celulares normales, entre
otros la reproducción.
reproducción.
Son relativamente estables y omnipresentes en el ambiente.
ambiente. Surgen
como subproductos de procesos industriales y eventos naturales
como incendios forestales, erupciones volcánicas, incineradores de
desperdicios sólidos, chimeneas, motores, control de plagas, etc.
etc.
También pueden detectarse en la mayoría de los alimentos, como
pollos, carnes rojas, pescados, productos lácteos, aceites vegetales
y verduras.
verduras.
Biorremediación
La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos
(EPA) define biorremediación como "el proceso en el que
microbios, típicamente bacterias u hongos, degradan químicos
peligrosos a compuestos menos tóxicos o no tóxicos".
Biorremediación es el uso de
organismos
vivos,
componentes
celulares
y
enzimas libres, con el fin de
realizar una mineralización de
compuestos contaminantes.
La biorremediación es la utilización de
tecnologías mediante las cuales se estimula la
biodegradación del contaminante o la
capacidad de recuperación del ecosistema a
través procesos biológicos, con el objeto de
minimizar
las
consecuencias
de
un
contaminante.
Estos
procesos
de
biodegradación pueden ser llevados a cabo por
la microbiota autóctona de la zona contaminada
o por microorganismos adicionados a tal efecto.
En ambos casos, lo que se consigue es una
biotransformación de sustancias peligrosas en
sustancias menos tóxicas o inocuas.
¿QUE ES BIORREMEDIACION?
Remoción o destrucción de contaminantes
por
Organismo vivos o sus enzimas producidas
tales como
Bacterias
Protozoarios
Plantas
Hongos
Algas
Biorremediación
Es el manejo ecológico integral, que el hombre
conscientemente proyecta con el fin de aplicar soluciones
viables y sostenibles encaminadas a la recuperación y
preservación de un ecosistema degradado, combinando
para ello las potencialidades que le brindan sus
conocimientos y la capacidad que tienen algunos
organismos vivos de ayudar a la recuperación del medio
ambiente.
La contaminación ambiental puede ser disminuida
con la tecnología de biorremediación. Como en
muchas enfermedades, se requiere evaluar cada
caso para dar un remedio. La biorremediación de
diferentes contaminantes deberá estar basada en el
tipo de químico presente, el uso de organismos y el
desarrollo de las condiciones ambientales más
importantes.
Requiere
de
un
equipo
multidisciplinario, donde su base principal es la
microbiología. Para desarrollar un plan de
biorremediación
efectivo,
costeable
y
ambientalmente seguro, es necesario tener un
conocimiento de la ecología y de la evolución de las
poblaciones microbianas degradativas.
¿Hay que darle una mano a la Naturaleza?
La biorremediación le da una mano al medio ambiente en
el mejoramiento de los ecosistemas dañados,
acelerando dichos procesos naturales. Lo que hacen los
microorganismos es degradar los desechos en
productos menos tóxicos, además de concentrar e
inmovilizar sustancias tóxicas, metales pesados;
minimizar desechos industriales y rehabilitar áreas
afectadas con diversos contaminantes.
APLICACIONES
ANTECEDENTES HISTÓRICOS DE LA
BIORREMEDIACIÓN
A mediados del siglo XX se desarrollaron las primeras investigaciones
encaminadas a estudiar el potencial de los microorganismos para
biodegradar contaminantes (Zobell, 1946; Davis, 1956). Este “uso”
intencionado
recibió
entonces
el
nombre
de
biorremediación
("
("bioremediation
bioremediation")
").. Las primeras técnicas que se aplicaron fueron similares
al "landfarming" (¨labranza‟) actual y sus actores, lógicamente, compañías
petrolíferas.
Las primeras patentes, fundamentalmente para remediación de vertidos de
gasolina, aparecen en los años 70. En los años 80 se generalizó el uso del
aire y peróxidos para suministrar oxígeno a las zonas contaminadas
mejorando la eficiencia de los procesos degradativos. Durante los años 90
el desarrollo de las técnicas de "air sparging" (burbujeo de oxígeno) hizo
posible la biorremediación en zonas por debajo del nivel freático. Al mismo
tiempo, la implementación en la práctica de aproximaciones experimentales
en el laboratorio permitió el tratamiento de hidrocarburos clorados, los
primeros intentos con metales pesados, el trabajo en ambientes
anaerobios, etc. Paralelamente, se desarrollaron métodos de ingeniería que
mejoraron los rendimientos de las técnicas más populares para suelos
contaminados ("landfarming", "composting", etc.) (Riser-Roberts, 1998).
En la actualidad, la biorremediación enfrenta un nuevo reto: el de convencer
a las compañías y a los organismos oficiales de su alto potencial. En
algunos países, la biorremediación fue una técnica poco reconocida y
marginada, hoy en día se ha convertido en una verdadera industria. Esta
“industria” busca seguir mejorando en sus líneas interdisciplinares, que se
pueden resumir en los siguientes puntos:
•Integración en el proceso de técnicas innovadoras que ayuden a
comprender y controlar los fenómenos de transporte de nutrientes y otros
posibles aditivos.
•Desarrollo de técnicas rápidas de biología molecular que permitan
caracterizar las poblaciones indígenas de los emplazamientos contaminados
así como su potencial enzimático (Theron y Cloete, 2000; Watanabe, 2001).
•Exploración de las implicaciones del concepto de biodisponibilidad
("bioavailability") definido por las propiedades físico-químicas de los
contaminantes. Se trata de un factor que en muchos casos está limitando la
biodegradación y en otros reduciendo la toxicidad de los contaminantes.
•Desarrollo definitivo de técnicas de bioaumentación realmente útiles (Major
et al., 2002).
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA BIORREMEDIACIÓN
Ventajas
•Mientras que los tratamientos físicos y buena parte de los químicos
están basados en transferir la contaminación entre medios gaseoso,
líquido y sólido, en la biorremediación se transfiere poca contaminación
de un medio a otro.
•Es una tecnología poco invasiva y generalmente no requiere
componentes estructurales o mecánicos que signifiquen una amenaza
para el medio.
•Comparativamente, es económica, viable y al tratarse de un proceso
natural, suele tener aceptación por parte de la opinión pública.
Desventajas
•La biodegradación incompleta puede generar
intermediarios metabólicos inaceptables, con un poder
contaminante similar o incluso superior al producto de
partida y algunos compuestos contaminantes son tan
resistentes
que
pueden
incluso
inhibir
a
biorremediación.
•Es difícil predecir el tiempo requerido para un proceso
adecuado y el seguimiento y control de la velocidad y/o
extensión del proceso es dispendioso.
AMBITO DE APLICABILIDAD
Es muy amplio, pudiendo considerarse como objeto cada uno de los
estados de la materia (Atlas y Unterman, 1999):
Sólido. Con aplicaciones sobre medios contaminados como suelos o
Sólido
sedimentos, o bien directamente en lodos, residuos, etc.
Líquido. Aguas superficiales y subterráneas, aguas residuales.
Gases Emisiones industriales, así como productos derivados del
Gases.
tratamiento de aguas o suelos.
También se puede realizar una clasificación en función de los contaminantes
con los que se puede trabajar (Alexander, 1999; Eweis et al., 1999):
Hidrocarburos de todo tipo (alifáticos, aromáticos, BTEX, PAHs,...).
Hidrocarburos clorados (PCBs, TCE, PCE, pesticidas, herbicidas,...).
Compuestos nitroaromáticos (TNT y otros).
Metales pesados. Estos no se metabolizan por los microorganismos de
manera apreciable, pero pueden ser inmovilizados o precipitados.
Otros contaminantes. Compuestos organofosforados, cianuros, fenoles, etc.
Requerimientos de la biorremediación:
Interrelación de Componentes que Determina
el Éxito de Bioremediación
Bioaumentación
añadir
microorganismos
Sustrato
(Contaminante)
Microorganismos
Surfactantes,
Cosolventes,
Quelatos
Medio Ambiente
(Requisitos Fisiológicos)
Factores
Ambientales
H2O, T, pH
Nutrientes
N, P,
vitaminas
Aceptores de
electrones
O2, NO3-
Donadores de
Electrones/Cosustratos
H2/CH4
Procesos de biorremediación