Tecnicas de Remediacion Biologic As

Autores: Ana María Manacorda- Daniela Cuadros Microbiología Ambiental Año 2005

Técnicas de Remediación Biológicas Uno de los rasgos característicos de la sociedad moderna es la creciente emisión de productos químicos al medio ambiente. Existen dos fuentes principales para estas emisiones: los productos químicos creados para uso ambiental y el material residual.

Una de las características de los tiempos modernos es la gran producción de materiales sintéticos que son difíciles de degradar y/o son tóxicos para el ambiente. Con el fin de mejorar su rendimiento, los compuestos han sido diseñados específicamente para tener una larga vida útil y no reaccionar con los productos químicos ambientalmente más comunes. Estas mismas características evitan su degradación. Las estructuras compuestas resistentes al ataque químico, que por lo tanto consiguen una mayor longevidad y un mantenimiento eficaz de la estructura, características deseables, son resistentes a las enzimas de la mayoría de los microbios. En algunos casos, por ejemplo los PCBs (bifenilos policlorados) estas características han sido responsables, en parte, de su presencia continua en zonas donde su producción y uso se ha detenido.

Los procesos de fabricación poco eficaces también han dado lugar a escapes accidentales de productos y precursores tóxicos.

Los materiales residuales emitidos directamente desde fuentes industriales y agrícolas, son causa de contaminación de suelos y aguas de todo el mundo.

Una estrategia para minimizar la contaminación sería disminuir la reactividad y peligrosidad del contaminante y en forma simultánea, reducir su vertido al medio ambiente. Dado que esto no siempre es posible de llevar a cabo, se han desarrollado técnicas de remediación , que básicamente podemos clasificarlas en:

o In situ. El tratamiento se realiza en el lugar que se encuentra el residuo contaminante.

o Ex situ. El tratamiento se realiza en un lugar diferente al lugar en que se encuentra el residuo, dicho lugar no es una planta de tratamiento.

o En planta. El tratamiento se realiza en una planta de tratamiento de residuos especiales.

Las dos últimas alternativas son las más costosas, en términos económicos y ambientales.

Una única tecnología no siempre reúne las mejores condiciones para reducir todos los contaminantes presentes en un sitio a remediar, por lo que se suele emplear una secuencia de tecnologías.

Actualmente, las soluciones viables y permanentes para los problemas de evaluación son bastante limitadas. Si bien existen métodos físicos, químicos y biológicos (Tabla 1) para el tratamiento de residuos, los dos primeros suelen ser más caros. Durante muchos años, el entierro en vertederos (relleno sanitario) de los residuos peligrosos ha sido un proceso razonablemente rentable. Cabe aclarar que esta metodología no es un método de remediación, pues simplemente traslada problemas de un lugar a otro. Sin embargo, han surgido diferencias de pensamiento en la aplicación de estos métodos, dadas por algunos desperfectos (hoy en día estos sistemas son más seguros) o por la falta de espacios disponibles, agregándole a ello los altos costos producto del transporte y de la separación de materiales tóxicos. Aunque la incineración soluciona algunos problemas de los vertederos, especialmente el almacenamiento, genera otros problemas, como el de emisión de contaminantes al aire. Asimismo, al igual que en los vertederos, al costo específico de este tipo de tratamiento hay que agregarle el de separación

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y transporte. Esto nos lleva a que utilicemos algunos procesos naturales de degradación, los procesos de remediación biológica.

Un factor principal que influye en el alto costo de los métodos de remediación / limpieza es el uso de métodos ineficaces.

TABLA 1 MÉTODOS FISICOQUÍMICOS PARA LA DESCONTAMINACIÓN DE SUELOS CONTAMINADOS POR

HIDROCARBUROS.

METODOLOGÍA PRINCIPIOS TÉCNICA COMENTARIOS Termal Destrucción y/o evaporación

del contaminante Incineración Excavaciones necesarias; solo

para mantillos; tratamiento de gases; costoso

Extracción Remoción de contaminantes en solución

Torres de percolación Necesaria excavación; solo para mantillos; disposición de lo extraído; eficiencia no conocida; muy costoso;

Extracción de vapor Remoción de volátiles Tambores de rotación; in situ Solo volátiles; potencialmente para subsuelos; tratamiento de vapores

Extracción con aire caliente

Remoción de volátiles Tambores de rotación; in situ Solo volátiles; potencialmente para subsuelos

Oxidación química Alteración por remoción del contaminante

In situ; cámaras de reacción No hay información para HC

Control de agua subterránea

Bombeado del acuífero para impedir el flujo

Bombeado con o sin contenido físico; remoción directa de compuestos del agua

Prevenir la migración de HC; no remover compuestos en zonas insaturadas; muy usado

Inundamiento Levantamiento de HC a la superficie sobre la cima de la napa freática

Riesgo de desprender contaminantes; ineficiente

Adsorción Bombeado del agua subterránea a través del carbón activado.

Costoso; requiere disposición de residuos; eficiencia no conocida.

Extracción de detergentes

En suelos excavados o in situ mediante surfactantes

Costoso; eficiencia no conocida.

Inmovilización Uniendo HC in situ Uniendo químicos; solidificación de suelos

Costoso; no muy testeado; no remueve los contaminantes

Según Hudrey y Polland (1993) las técnicas de remediación se pueden agrupar en tres grandes categorías:

1. Inmovilización y confinamiento

2. Movilización

3. Destrucción.

Esta última implica la eliminación del material contaminante empleando un tratamiento biológico o uno no biológico. Los tipos de residuos que pueden ser destruidos son los orgánicos; mientras que los inorgánicos no pueden ser destruidos, solo se puede cambiar su estado de oxidación o de combinación con otras sustancias.

Las técnicas de remediación biológicas emplean procesos naturales para eliminar las sustancias químicas dañinas del medio ambiente y abarcan dos métodos: la biorremediación y la fitorremediación.

La biorremediación consiste en emplear microorganismos y manipular sus actividades metabólicas, para eliminar los contaminantes o al menos convertirlos en especies químicas

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menos agresivas, minimizando el compromiso ambiental y facilitando la continuidad de los procesos biodegradativos enzimáticos responsables de la acción autodepurativa del ambiente.

La fitorremediación consiste en utilizar plantas, sistemas microbianos de las plantas, enmiendas del suelo y técnicas agronómicas para contener, inmovilizar, remover, estabilizar y/o degradar compuestos contaminantes del ambiente.

En ocasiones lo más rápido y rentable es utilizar una combinación de técnicas, para ello es necesario evaluar la zona, incluyendo la hidrogeología, la composición del suelo, las características de la población microbiana, el clima, las características del contaminante, etc.

Dado que son muchos los sitios que requieren remediación a altos costos, la USEPA (Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos) entre otros organismos internacionales, está promoviendo métodos alternativos de limpieza, más rápidos, más efectivos, con mínima agresividad al medio ambiente y al menor costo que las opciones tradicionales de remediación, tales como excavación y disposición final en un relleno sanitario.

BIORREMEDIACIÓN

Los microorganismos indígenas son los principales descomponedores del ecosistema, actividad que existió naturalmente en el ambiente con anterioridad a la disposición de xenobióticos en él, por lo que los procesos de degradación han sido tradicionalmente utilizados con aplicaciones ambientales. Un ejemplo de ello es el tratamiento de barros activados que aprovechan la capacidad degradativa de los microorganismos.

Los microorganismos participantes son principalmente bacterias, y en menor medida, hongos nativos (filamentosos y levaduras) y algas. Estos son capaces de degradar una amplia variedad de sustratos orgánicos que además se encuentran presentes en casi todas las superficies materiales.

Muchos contaminantes tienen estructuras similares a las presentes en compuestos naturales y es por ello que son fácilmente degradados por los microorganismos del suelo y del agua. Sin embargo, existen otros compuestos con estructuras o sustituyentes más complejos de origen xenobiótico1, que son difícilmente catabolizados (compuestos recalcitrantes, dado que se acumulan y persisten en la naturaleza).

A los microorganismos que viven en el suelo y las aguas superficiales, subsuperficiales y profundas (lugares donde es aplicable este tipo de tratamiento), les gusta comer ciertas sustancias químicas dañinas como las que se encuentran en derrames de gasolina y petróleo. Cuando esta digestión es total, estas sustancias químicas se convierten en agua y gases inofensivos como el CO2.

Para que los microbios puedan eliminar las sustancias químicas dañinas, el suelo y las aguas deben tener la temperatura, los nutrientes (fertilizantes) y la cantidad de oxígeno apropiados. Esas condiciones permiten que los microbios crezcan y se multipliquen y que consuman más sustancias químicas. Cuando las condiciones no son las adecuadas, los microbios crecen muy despacio o mueren. Incluso pueden crear sustancias químicas más dañinas; para que esto no ocurra, se deben controlar las condiciones del sitio. También puede ser necesario agregar población microbiana multiplicada in vitro.

1 Cualquier producto ajeno al organismo que produce un efecto sobre él. Esta definición no incluye alimentos y algunos autores incluyen a los fármacos.

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Compuestos que pueden ser biodegradados

Existen diversas opiniones en relación a si los microorganismos tienen límites en sus capacidades digestivas o si son capaces de degradar cualquier compuesto que el hombre pueda producir. Indudablemente, la verdad se sitúa entre estos dos puntos de vista extremos. No obstante los microorganismos pueden degradar multitud de compuestos bajo condiciones diferentes. Muchos compuestos sintéticos pueden también modificarse o transformarse mediante el uso de una bacteria, hongo o de algún tipo de población microbiana trabajando en asociación. Estos procesos varían desde la putrefacción de comida hasta la limpieza de derrames de petróleo en las playas costeras. En muchos casos estos procesos son beneficiosos y esenciales. Después de todo, gran parte del procesos cíclico, orgánico e inorgánico, necesario para el mantenimiento del ecosistema es consecuencia de la actividad microbiana. Además de poder modificar o degradar un compuesto, el rendimiento tiene que ser alto.

Muchos productos químicos xenobióticos son resistentes al ataque microbiano y/o son tóxicos para los microorganismos. Sin embargo, en zonas contaminadas con diversos compuestos xenobióticos se han aislado algunos microorganismos que pueden degradar muchos de ellos con diversa facilidad y velocidad, entre los que encontramos cloruro de etileno, PCBs, gasolina y otros derivados del petróleo, compuestos con 2 y 3 grupos nitro, incluyendo herbicidas nitrogenados y trinitrotolueno, hidrocarburos policlorados, incluyendo: pentaclorofenol, tetracloroetileno, dicloroetileno, cloruro de vinilo, tetracloroetano, creosota y fluoranteno.

Tipos de Biotratamientos

Los diferentes biotratamientos pueden ser agrupados básicamente en:

1) Biorremediación in situ.

a) Biorremediación natural.

b) Biorremediación con bioaumentación.

2) Tratamiento del terreno o Landfarming.

3) Biorreactores en suspensión.

4) Bioventeo.

1. Biorremediación in situ.

Consiste en estimular la actividad de la población microbiana degradadora nativa del suelo, por adición y manejo de nutrientes y oxígeno. Se aplica en suelo superficial, insaturado y en agua subsuperficial.

Puede ser efectiva para un amplio rango de hidrocarburos del petróleo. Mientras hay algunas excepciones notables, los constituyentes más solubles en agua, de cadena corta y bajo peso molecular, son degradados más rápidamente que aquellos compuestos de cadena larga, alto peso molecular y menor solubilidad.

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Se realiza el manejo de nutrientes minerales (como el nitrógeno y fósforo), aceptores de electrones (habitualmente oxígeno), contenido de humedad y sustratos primarios del suelo para subsidiar y mantener la actividad biológica.

En el caso de aguas subterráneas, el agua tratada es mezclada con un aceptor de electrones y nutrientes, entre otros compuestos requeridos, para luego ser reinyectados. Pueden ser necesarias galerías de infiltración o pozos de inyección para reinyectar agua. Toda el agua extraída puede ser reinyectada sin tratamiento y la remediación puede ocurrir in situ. El agua extraída no reinyectada puede ser descargada directamente a al fuente de agua o puede ser tratada (servicios públicos), así como aquellos subproductos solubles, contaminantes movilizados y nutrientes no utilizados (reutilización o tratamiento).

Existen varios modos de biorremediación in situ: forma aeróbica, forma anóxica, anaeróbica y cometabólica. La primera se ha demostrado que es la más eficiente para reducir niveles de contaminantes alifáticos (Ej.: hexano) e hidrocarburos aromáticos del petróleo (.: benceno, naftaleno), muy frecuentes en gasolinas y gasoil. En el modo de tratamiento aeróbico, el agua subterránea es oxigenada por uno de los siguientes métodos: dispersión directa de oxígeno, previo a la reinyección o adición de peróxido de hidrógeno directamente en un pozo de inyección o en el agua inyectada. Los modos anaeróbicos, aeróbicos, anóxicos y cometabólicos son a menudo usados para la remediación de otros compuestos tales como solventes clorados, pero generalmente son más lentos que los aeróbicos rompiendo los hidrocarburos del petróleo.

Los parámetros clave que determinan la efectividad de la biorremediación in situ para aguas subterráneas son:

− Conductividad hidráulica del acuífero

− Biodegradabilidad2 de los compuestos del petróleo

− Locación de la contaminación del petróleo en la superficie

En general, el medio acuífero determina la conductividad hidráulica. La biorremediación en general es efectiva en medios acuíferos permeables, sin embargo, dependiendo de la extensión de la contaminación, puede ser efectiva en medios limosos o arcillosos menos permeables.

La locación, distribución y disposición de la contaminación en la subsuperficie puede influenciar significativamente la probabilidad de éxito de la biorremediación.

El excesivo calcio, magnesio o hierro en el agua subterránea puede reaccionar con el fosfato, el cual es suministrado como un nutriente en la forma de tripolifosfato, o con el dióxido de carbono (producido por los microorganismos en la respiración aeróbica). Los productos de estas reacciones pueden afectar negativamente la operación de un sistema de biorremediación in situ. Cuando el calcio, magnesio o hierro reaccionan con el fosfato o el CO2, se forma sarro o cristalina precipitada; produciendo una compresión en los canales de flujo, pudiendo dañar los equipos (ej, pozos de inyección. Además la precipitación de fosfatos de calcio o de magnesio unidos a compuestos fosforados no se encuentran disponibles por los microorganismos para ser usados como nutrientes.

2 Medida de su disponibilidad para ser metabolizado (o cometabolizado) por bacterias degradadoras de hidrocarburos u otros microorganismos las características químicas de un contaminantes pueden dictar su biodegradabilidad. La biodegradabilidad de compuestos orgánicos depende de su estructura química y sus propiedades químicas y físicas.

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El oxígeno introducido como aceptor de electrones, puede reaccionar disolviendo el Fe(II) a una forma insoluble del mismo (oxido férrico), precipitado que puede ser dispuesto en el flujo de canales del acuífero, reduciendo su permeabilidad y dejando pozos de inyección inoperables.

Entonces, el manejo de O2, nutrientes y régimen de agua es fundamental para contener hidráulicamente a la zona contaminada y prevenir la migración de contaminantes móviles o de metabolitos potencialmente tóxicos fuera del sistema.

Deben realizarse monitoreos periódicos para verificar la desaparición del contaminante y la posible lixiviación de productos de degradación potencialmente tóxicos.

Biorremediación natural. La biorremediación corre por cuenta de los microorganismos nativos presentes en el suelo y agua, cuyo metabolismo es incentivado fundamentalmente por el aumento de la disponibilidad del O2 y del sustrato orgánico (contaminante), incrementos que se logran con el laboreo mecánico realizado en el suelo superficial. También se la denomina bioestimulación y consiste básicamente en el manejo de las condiciones ambientales de manera de controlar factores limitantes del crecimiento microbiano y del metabolismo del contaminante en cuestión. Es necesario un conocimiento profundo de la ecología microbiana (control de variables ambientales). Este proceso suele utilizarse para tratar aeróbicamente, contaminantes presentes en la zona vadosa y en las márgenes de la pluma en donde el oxígeno no constituye un factor limitante.

Biorremediación con bioaumentación. Utiliza el suelo contaminado, trabajado periódicamente mediante técnicas de laboreo y suplementado con agua y nutrientes (si es necesario), constituyendo un sistema aeróbico en un lecho previamente acondicionado. El suelo así preparado se siembra con determinados microorganismos (seeding) para incrementar la velocidad natural de degradación de un contaminante. Estos microorganismos pueden ser nativos o pueden ser de otra procedencia (con las capacidades metabólicas deseadas). En ambos casos los microorganismos son multiplicados en laboratorio e inoculados luego en el suelo a tratar. Para mejorar la aireación de la mezcla suelo- residuo se realizan tareas de laboreo (arado y roturado). Para el que proceso sea efectivo, los microorganismos incorporados al ambiente comprometido deben ser capaces de adaptarse a la matriz del suelo, sobrevivir, crecer, multiplicarse y conservar sus capacidades metabólicas.

2. Tratamiento del terreno o Landfarming

Figura1. Fuente: www.nichols.ab.ca/landfarm.html

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http://www.nichols.ab.ca/landfarm.html


Utilizada para el tratamiento de residuos oleosos y fangos aceitosos provenientes de refinerías. La técnica consiste en dispersar el contaminante a biodegradar sobre la capa arable (15-20 cm superficiales) de un terreno destinado a tal fin. Las recomendaciones y limitaciones son las mismas que las explicadas anteriormente en el método de biorremediación in situ.

Se trabaja con ésta técnica para todos los hidrocarburos del petróleo, siendo menos efectiva para petróleos pesados (grandes tanques): <50.000 ppm de hidrocarburos y <2.500 ppm de metales pesados.

3. Biorreactores en suspensión

Consiste en biotransformar de manera controlada los compuestos refractarios, es de reciente desarrollo. Por este método se incorpora el suelo a remediar en suspensión acuosa dentro de un reactor cerrado, utilizando como inóculo una población microbiana caracterizada y de probada actividad hidrocarburolítica o bien empleando un consorcio microbiano proveniente del sitio contaminado.

Un biorreactor es un depósito en el que se producen una serie de reacciones biológicas llevadas a cabo por los microorganismos o enzimas que se encuentran dentro del mismo.

Las aguas residuales normalmente contienen algunos contaminantes que deben ser separados o al menos reducidos en su concentración de una forma significativa. Se tratan por este método:

− Materiales flotantes inmiscibles (aceites, sólidos flotantes, etc.)

− Sólidos en Suspensión

− Materiales orgánicos no peligrosos solubles

− Materiales peligrosos solubles

− Materiales inorgánicos solubles (NH3, NO3-, P)

− Materiales volátiles

Figura 2. Biorestauración ex situ de agua y suelo. Fuente: http://superfund.pharmacy.arizona.edu/toxamb/c4-3-1-1.html

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http://superfund.pharmacy.arizona.edu/toxamb/c4-3-1-1.html



La elección de la secuencia de tratamiento específicos a desarrollar dependerá del tipo y concentración de los contaminantes. Por lo general la práctica común consiste en clasificar los procesos en tratamiento de aguas residuales en tres categorías:

− Tratamiento Primario: tratamiento de materiales fácilmente aislables para tratamientos posteriores.

− Tratamiento Secundario: el más importante. Separa el grueso de los sólidos en suspensión, los materiales orgánicos (peligrosos y no peligrosos) y otros materiales solubles.

− Tratamiento Terciario: para eliminar cualquier contaminante que no se haya eliminado anteriormente.

Existen distintos tipos de biorreactores, la diferencia fundamental se basa en la presencia o no de O2 dentro del mismo. Los reactores anaerobios son cerrados para impedir el ingreso de O2 y la eliminación de olores (asociados a la fermentación anaerobia). Deben presentar un sistema de ventilación o de recogida de gases.

Los reactores aeróbicos poseen biomasa en suspensión con un sistema de aireación o difusores que proporcionan O2 a microorganismos.

Mientras que la degradación aerobia se lleva a cabo con múltiples organismos que trabajan mas o menos en forma independiente y paralela, los organismos anaerobios viven en consorcios o asociaciones. Esto provoca que los reactores anaerobios sean más propensos a los fallos. Dado esto por sobrecarga hidráulica, orgánica o tóxica del reactor, aunque suelen tolerar mayor velocidad de carga (no requieren un alto gasto de energía para la dispersión del aire ) y generan menor biomasa por unidad de residuos degradados.

Si bien este tratamiento permite tratamientos en tiempos reducidos con relación a los tratamientos in situ, su principal desventaja es el alto costo en función de los pequeños volúmenes que es posible tratar.

En cuanto al diseño, se han diseñado distintos reactores, ya sean con cultivos cerrados o continuos, conectados a secuencia a un sistema computarizado para monitorear, controlar y mejorar la biooxidación de barros activados provenientes de plantas de tratamiento de residuos municipales (empleándose la tasa de producción de CO2 como parámetro para controlar la operación del biorreactor).

4. Bioventeo

Consiste en la inyección de aire y oxígeno al suelo para estimular la biodegradación aeróbica del contaminante. Es aplicable a contaminantes presentes en suelos subsuperficiales y aguas subterráneas, ya sean hidrocarburos de petróleo, acetona, tolueno y naftaleno o mezclas de hidrocarburos aromáticos polinucleares (PAH).

En algunos casos el aire a presión se inyecta por debajo de la tabla de agua y a medida que va llenando los poros desplaza el agua de la matriz del suelo y con ella los contaminantes. Debe tenerse en cuenta que la volatilización también contribuye a la desaparición del contaminante. Los compuestos que presentan baja presión de vapor difícilmente se volatilicen por lo que su desaparición se le atribuye a la biodegradación incentivada por el bioventeo.

El proceso de bioventeo estimula la actividad biológica in situ y promueve la biorremediación.

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Generalmente se encuentra aplicado en la zona vadosa y es aplicado para aquellos químicos que son biodegradados aeróbicamente, aunque en principio se ha utilizado para sitios contaminados con petróleo.

Es uno de los métodos considerado de mayor costo-beneficio para la remediación de la zona vadosa.

La mayor parte del residuo de hidrocarburos en el sitio contaminado se encuentra en la zona vadosa del suelo, en el margen de capilaridad e inmediatamente por debajo de la tabla de agua. Las fluctuaciones estacionales de agua diseminan residuos en las áreas de por debajo o hacia arriba de la tabla de agua.

Figura 3. Proceso de Bioremediación in situ de agua y suelo Fuente: http://superfund.pharmacy.arizona.edu/toxamb/c4-3-1-1.html

VARIABLES RELEVANTES IMPLICADAS

Muchos son los compuestos que son medioambientalmente benignos, pero fracciones significativas son tóxicas o mutagénicas. Estas últimas son las que más nos interesan en remover o destruir ante derrames de petróleo, por ejemplo. Como hemos visto, la biorremediación es una tecnología que ofrece grandes promesas en convertir compuestos tóxicos en productos no tóxicos, sin trastornos más allá del ambiente local.

Para la aplicación efectiva de cualquiera de estas estrategias en la biorremediación de los ambientes contaminados, debe considerarse:

− La posibilidad de que el residuo puede encontrarse asociado a una o mas de las fases que componen el suelo.

− La presencia en el contaminante de una mezcla compleja de compuestos orgánicos e inorgánicos con diverso grado de toxicidad

La selección de la técnica debe basarse en el análisis de diversos factores relacionados entre sí:

1. Composición química del residuo (varía según sea su origen, grado de procesamiento y tiempo de exposición a la intemperie). Los HC se clasifican en: saturados, aromáticos, resinas y asfaltenos, siendo los dos últimos componente característicos de los combustibles pesados.

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Los compuestos inorgánicos presentan, en comparación con los orgánicos, un rango de variación mucho menor, pudiendo cambiar su estado de oxidación y su habilidad para combinarse con las moléculas orgánicas, por lo que los estudios analíticos del contenido de metales no son adecuados para inferir la movilidad del contaminante orgánico en el ambiente ni su potencial riesgo para la salud. Cuando los contaminantes orgánicos e inorgánicos se encuentran mezclados pueden interferir en el resultado de sus perfiles analíticos.

Procesos como la evapotranspiración, la pérdida fotoquímica, hidrólisis y biotransformación disminuyen la contaminación, aunque quedando en el ambiente aquellos compuestos recalcitrantes (de difícil tratamiento por métodos biológicos).

La susceptibilidad a la biotransformación es función de la estructura química, grado y naturaleza de la sustitución y del peso molecular del hidrocarburo. En grado decreciente la secuencia de biodegradación sería: n-alcanos, alcanos de cadena ramificada, alquenos ramificados, compuestos n-alquilaromáticos de bajo PM, monoaromáticos, alcanos cíclicos, aromáticos polinucleares y asfaltenos (estos últimos son los más persistentes).

2. Textura y estructura del suelo. Dependiendo de la estratificación vertical del suelo, contenido de materia orgánica, la aireación (porosidad), el contenido de agua, régimen hidrológico (infiltración y capacidad de retención de agua, tipos de minerales presentes, la temperatura, la aptitud para el laboreo, etc. son los suelos más recomendables para métodos de biotransformación/ biorremediación (suelos francos y arcillosos).

3. Complejidad del sitio contaminado. Existe gran variabilidad en la composición relativa de la matriz del suelo a lo largo de un perfil, lo cual se traduce en la variación de su capacidad de conducción de los fluidos. Por lo tanto, la migración de los contaminantes no es uniforme a través de un medio tan heterogéneo (migración discontinua, dada por la afinidad de compuestos a diferentes fases del suelo y por la topografía) .

4. Toxicidad del residuo: ¿beneficio o perjuicio? La presencia del residuo hidrocarbonado en el suelo estimula el desarrollo de la flora microbiana degradadora; sin embargo una carga excesiva puede tener efectos tóxicos, provocando inhibición metabólica con la consiguiente disminución o supresión de la actividad de degradación y/o muerte de la comunidad. Es importante establecer la concentración óptima del residuo en el suelo para realizar con éxito el tratamiento de biorremediación. Concentraciones superiores al 10% pueden ser inhibitorias para el proceso de biodegradación. La toxicidad podría estar dada por la presencia de alcoholes y solventes clorados.

5. Biodisponibilidad3 de los contaminantes a biodegradar. Los suelos durante mucho tiempo han sido expuestos a la contaminación con PAH, estos quedan retenidos en la estructura del mismo, dificultando la degradación microbiana por falta de accesibilidad al sustrato. Para desadsorber estos compuestos, se utilizan surfactantes, que son compuestos tensioactivos biodegradables que estimulan la biodegradación de petróleo poniendo en evidencia el metabolismo sinergístico.

6. Biodegradabilidad del contaminante. Se considera que los hidrocarburos son compuestos biodegradables. La fracción más liviana (mineralizada) y volátil es más rápidamente degradada que la fracción más pesada. Algunos contaminantes no constituyen la fuente de carbono y energía para el desarrollo microbiano y sin embargo son de alguna manera incorporados a las 3 Fracción de sustrato que efectivamente puede ser oxidado por los microorganismos. Como la biodegradación ocurre en fase acuosa, se ve afectada por los coeficientes de partición entre la fase oleosa y acuosa, acuosa y orgánica del suelo y por la adsorción a la matriz del suelo.

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células y biotransformados, proceso denominado cometabolismo4 (cooxidación o cotransformación).

7. Uso de aceptores de electrones alternativos (O2, NO3-, SO4-2, CO2). El oxígeno es el habitual aceptor final de electrones en el metabolismo microbiano de los contaminantes, debido a que en la mayoría de los casos la degradación de los hidrocarburos se lleva a cabo en aerobiosis por acción de las enzimas oxigenasas. Sin embargo muchos microorganismos son capaces de emplear otros aceptores de electrones tales como los iones nitrato, sulfato o el dióxido de carbono. Las ventajas que presenta el empleo de los mismos es su mayor solubilidad en agua, su menor toxicidad para los microorganismos y además son económicos. Algunos compuestos se degradan solamente en presencia de O2, pero otros necesitan condiciones reductoras o bien son degradados tanto en condiciones aeróbicas como anaeróbicas.

8. Condiciones climáticas (Temperatura óptima de biodegradación: 30 y 40°C; se ha demostrado que temperaturas menores aumentan la viscosidad del residuo mientras que temperaturas mayores pueden afectar a las células bacterianas ya sea por disfunción enzimática o por alteración de la membrana plasmática).

9. Salinidad. Algunos residuos provenientes de la actividad hidrocrburífera tienen alto contenido en sales, generalmente cloruros de Na, K, Ca, Sr y Ba (ej. agua de purga), quienes pueden alterar la estructura proteica de las membranas microbianas, afectando su estabilidad y actividad enzimática.

10. pH del suelo (valores óptimos para la mineralización del hidrocarburo entre 6,5 y 8). A pH extremadamente ácidos, los metales pesados pueden lixiviar.

11. Presencia de metales ecotóxicos (metales como el Pb, As, Cs, Ba, Hg, Zn, Cu, Ni, V y Se son frecuentes en los residuos de petróleo). A diferencia de los compuestos orgánicos, los metales no son biodegradables, aunque pueden cambiar su estado de oxidación. La toxicidad ocurre por inhibición enzimática., competencia y sustitución con otros metales o por formación de quelatos.

12. Agua subterránea. El agua subsuperficial5 migra por formaciones rocosas permeables y suelos totalmente saturados. Es necesario conocer la distancia al acuífero al realizar una biorremediación in situ o por landfarming (evitar la posible migración de lixiviados).

Metabolismo microbiano de los hidrocarburos

Debido a la actividad humana, se han volcado al ambiente grandes cantidades de residuos orgánicos, ya sean de origen domiciliario y provenientes de la industria química. Particularmente estos últimos presentan distinto grado de toxicidad según sea su complejidad química o su unión con distintos metales. Gran parte de ellos, especialmente los relacionados estructuralmente con compuestos naturales son degradados por los microorganismos del suelo y del agua. Sin embargo, una importante proporción de los mismos sobre todo aquellos con estructuras de más 4 A medida que los microorganismos utilizan un sustrato primario, fortuitamente transforman otros compuestos de los cuales no son capaces de obtener energía. Así, si se aportasen los sustratos necesarios para sostener el metabolismo los microorganismos podrían transformar al mismo tiempo y “gratuitamente” aquellos residuos que por sí solos no constituyen fuente de carbono y energía 5 aquella que se encuentra sobre la zona insaturada del suelo. Se recarga con agua de lluvia, por una falla, por precolación a través de la columna de suelo o por la entrada de agua dulce o de mar a través de estratos permeables

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reciente aparición en el ambiente o con sustituyentes que se encentran raramente en la naturaleza (xenobióticos) son catabolizados lentamente y así acumulan y persisten en la naturaleza.

La biorremediación constituye una herramienta muy útil para reducir este impacto ya que se han aislado y caracterizado un gran número de microorganismos del suelo y del agua capaces de degradar un amplio rango de compuestos orgánicos, así como de desarrollar actividades oxidativas frente a nuevos compuestos.

Algunos géneros bacterianos con capacidad hidrocarburolítica incluyen: Acinetobacter sp., Aeromonas sp., Arthrobacter parafineus, Desulfobacterium cetonicum, Enterobacteriaceae, Nocardia sp., Rhodococcus sp., Pseudomonas sp., entre otros.

Al conjunto de caminos metabólicos por medio de los cuales los tejidos incrementan la polaridad de un tóxico se le denomina biotransformación. Podemos decir que la biotransformación de un tóxico consiste fundamentalmente en convertir un xenobiótico no polar en un compuesto soluble en agua. Este es el mecanismo más común que usan los organismos para eliminar los tóxicos ambientales.

Al igual que la absorción y distribución, dos procesos de transferencia, la biotransformación también se lleva a cabo utilizando los mecanismos existentes en los tejidos. Se usa la misma maquinaria bioquímica con la que se metabolizan los compuestos endógenos de estructura química similar.

En algunos casos, la biotransformación resulta en la producción de un metabolito que es más tóxico que el compuesto original, al proceso se le denomina bioactivación. Si estos metabolitos se acumulan y vencen las defensas del organismo entonces pueden producir un daño que se manifieste en una respuesta tóxica.

El estudio de las reacciones que constituyen la biotransformación es de gran importancia, porque nos permiten entender los mecanismos por medio de los cuales los tejidos se defienden de los tóxicos que logran penetrar y también cómo es que en algunas ocasiones sucede lo contrario y de hecho se incrementa la toxicidad en el interior del cuerpo. Estas reacciones se agrupan en dos conjuntos a los cuales se le denominan Biotransformación Fase I y Biotransformación Fase II.

La Fase I biotransforma los xenobióticos conviertiéndolos en substratos de las enzimas de la Fase II, al mismo tiempo que los hacen más hidrófilos. La Fase II son reacciones de conjugación en las cuales un metabolito con enlaces de alta energía sede un grupo funcional polar al xenobiótico, o su producto de transformación por la Fase I. En el ejemplo de la destoxificación del benceno, la oxidación a fenol es una reacción de la Fase I y la sulfatación del fenol es una reacción de la Fase II.

El metabolismo de los hidrocarburos comienza con la oxidación del metilo sustituido en el C1, con la posterior oxidación del ácido carboxílico aromático, formándose luego cadenas cortas de ácidos carboxílicos, piruvato y aldehídos (oxidasas y dehidrogenasas).

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FITORREMEDIACIÓN (in situ)

Tratamiento que utiliza las plantas, sistemas microbianos de las plantas, enmiendas del suelo y técnica agronómicas para contener, inmovilizar, remover, estabilizar y/o degradar compuestos contaminantes del ambiente.

Figura 4. Fuente: A Citizen’s Guide to phytoremediation, EPA 542-F-01-002

Puede ser empleada exclusivamente o conjuntamente con otras tecnologías tradicionales de remediación de suelos y aguas subterráneas contaminadas con metales pesados, pesticidas, solventes clorados, explosivos, crudos y PAHs. Normalmente se utiliza en combinación con otras tecnologías (paso final). Generalmente se limita a sitios de baja concentración de contaminantes, suelos superficiales, agua corriente superficial y agua subterránea. Las plantas también contribuyen a impedir que el viento, la lluvia y las aguas subterráneas extiendan la contaminación. Se deben de estudiar los efectos en la cadena trófica. Las plantas pueden fijar los tóxicos o bien pueden metabolizarlos tal como lo hacen los microorganismos en los procesos de biorestauración.

La fitorremediación es una tecnología innovadora y costo- efectiva, siendo una técnica muy barata, sencilla de utilizar y sobre todo, respetuosa con el entorno ya que no introduce alteraciones en el mismo.

El término fitorremediación es muy amplio y describe un número de mecanismos que son definidos por las plantas. La fitorremediación puede involucrar la absorción del contaminante por la planta, o puede ser que se explote la actividad asociada a la planta en la rizósfera. En general estos dos tratamientos son gobernados por las características físicas del contaminante. La solubilidad del agua y la capacidad de absorción del suelo son dos características químicas que influencian la fitorremediación de los contaminantes. Los contaminantes inorgánicos solubles en el agua son absorbidos por las raíces de las plantas, mientras que los compuestos orgánicos no son tomados rápidamente por las plantas sino que son blancos de las enzimas de las plantas o de los microorganismos asociados con la rizósfera.

Mediante el empleo de plantas resistentes y acumuladoras de metales es posible limpiar grandes extensiones de una forma económica y natural. Además, el volumen de residuos generado es

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mucho menor que el producido por las técnicas convencionales, de forma que se consigue minimizar el impacto ambiental.

Este proceso es aplicable con el uso de plantas como así también de semillas. En un estudio realizado en la Universidad Complutense de Madrid, se empleó semillas de la familia lupinus, entre otros, para la fitorremediación, observándose que además de una gran capacidad de adsorción de Cd, Pb, Cr y Zn, son capaces de germinar en áreas altamente contaminadas y además pueden modificar el pH (en los experimentos realizados lo han variado de 2 a 5,5).

La fitorremediación es más eficaz en los sitios donde hay baja concentración de contaminantes. Al tomar por las raíces el agua y los nutrientes que se hallan en los suelos, y las aguas subterráneas, las plantas extraen del suelo las sustancias químicas perjudiciales. La cantidad de contaminación que puede eliminar una planta depende entre otros factores de la profundidad hasta la que puedan crecer sus raíces. Las raíces de los árboles penetran más profundo que la de las plantas más pequeñas, por lo tanto se emplean las raíces de los primeros para eliminar los contaminantes que se encuentran a mayor profundidad.

Una vez extraídas del suelo y dentro de la planta, las sustancias químicas se ven sometidas a uno o varios procesos:

• Se almacenan en las raíces de los tallos y las hojas,

• Se transforman en sustancias químicas menos perjudiciales en el interior de la planta,

• Se transforman en gases que se liberan al aire cuando la planta transpira (respira)

La fitocorrección o fitorremediación puede tener lugar incluso sin que las raíces de la planta extraigan las sustancias químicas. Por ejemplo, los químicos pueden pegarse o sorberse a las raíces de las plantas. También pueden transformarse en sustancias químicas menos dañinas mediante la acción de los organismos o microbios que viven en las raíces de las plantas. Se deja que las plantas crezcan y que extraigan o sorban las sustancias químicas. Luego se las corta y destruye o se las recicla cuando los metales almacenados en ellas pueden volverse a utilizar. Por lo general los árboles se dejan crecer y no se cortan.

Las plantas que se cultivan para la fitocorrección también pueden contribuir a impedir que las sustancias químicas dañinas pasen de un sitio contaminado a otras zonas. Las plantas limitan la cantidad de sustancias químicas que puede arrastrar el viento o la cantidad de lluvia que penetra en el suelo o que fluye hacia otros sitios.

El tiempo que demora descontaminar un sitio mediante el empleo de la fitocorrección depende de diversos factores, que varían de un sitio a otro:

• Tipo y cantidad de plantas que se emplean

• Tipo y cantidad de sustancias químicas dañinas presentes

• Dimensión y profundidad de la zona contaminada

• Tipo de suelo y condiciones reinantes.

El beneficio de esta tecnología es que requiere menos equipamiento y trabajo que otros métodos ya que las plantas hacen la mayor parte de la tarea. Además, los árboles y las plantas pueden hacer más atractivos los sitios. Se puede limpiar un sitio sin necesidad de cambiar el suelo contaminado ni de extraer el agua subterránea contaminada por bombeo.

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Ventajas Desventajas

Técnica a aplicar in situ Limitado a suelos superficiales

Pasiva, se realiza a expensas de la energía solar El aumento de la concentración de ciertos contaminantes puede ser tóxico para las plantas.

Mas económica que otros tratamientos Más lentos que otros tratamientos

Más rápido que la atenuación natural Podría transferir la contaminación al ecosistema.

Alta aceptación popular Bioacumulación de contaminantes

No es efectivo para compuestos adsorbidos débil y fuertemente.

Aún en investigación

Resulta poco familiar a entes reguladores.

Enzimas y exudados

Las plantas pueden eliminar al ambiente suelo, enzimas y exudados que ayudan a degradar los contaminantes orgánicos. La producción de estos exudados demanda a la planta de 10-20 % de la fotosíntesis anual.

Se han identificado cinco sistemas enzimáticos: dehalogenasa, nitroreductasa, peroxidasa, lacasa y nitrilasa. Se ha demostrado que los sistemas nitroreductasa y lacasa intervienen en la degradación de residuos de TNT (2,4,6 trinitrotolueno) y que la planta incorpora luego parte de las moléculas en nuevo tejido vegetal o en detrito orgánico que pasa a formar parte del detrito orgánico del sedimento.

El sistema enzimático dehalogenas ayuda a reducir solventes clorados como TCE (tricloroetileno) para formar el ion cloruro, CO2 y H2O.

Aunque las enzimas aisladas son capaces de transformar rápidamente el sustrato, la remediación debe involucrar a toda la planta, ya que las enzimas aisladas son destruidas e inactivadas por pH bajo, altas concentraciones de metales y toxinas bacterianas. La presencia de las plantas ayuda a neutralizar el pH, los metales son bioadsorbidos o quelados y las enzimas permanecen protegidas en el interior de las células vegetales o adsorbidas a su superficie.

Existen diversos métodos de tratamiento por fitorremediación, los cuales se podrían resumir en aquellos que remedian metales y los que sirven para el tratamiento de compuestos orgánicos.

1. Remediación de metales (remoción)

a) Fitoextracción

b) Rizofiltración

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2. Tratamiento de compuestos orgánicos

a) Fitodegradación

b) Biodegradación rizosférica aumentada

c) Bombas orgánicas

d) Fitovolatilización

Figura 5. Mecanismos de tratamiento por fitorremediación

Fitoextracción

Es la captación de iones metálicos por las raíces de la planta y su acumulación en tallos y hojas. Hay plantas que absorben selectivamente grandes cantidades de metales (principalmente Ni, Zn y Cu) acumulando en los tejidos concentraciones mucho más altas que las presentes en el suelo o en el agua. Este proceso se ha utilizado para eliminar hidrocarburos de agua y suelo con cultivos alfalfa, álamos, enebro.

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Figura 6. Fitoextracción

En la zona contaminada se plantan las especies que se seleccionan. Cuando las plantas crecen se recolectan y se incineran. Las cenizas se pueden lavar para recuperar los metales o bien, pueden confinarse en vertederos de tóxicos, con la ventaja de que ocuparán un espacio mucho menor que el que se usaría si se desechara el suelo contaminado.

Rizofiltración Es similar a la fitoextracción, pero en lugar de cultivar las plantas en el suelo, se cultivan en invernaderos por procesos hidropónicos. Las plantas se cultivan en tanques con agua y cuando presentan un gran sistema radical se reemplaza el agua limpia por agua contaminada, para que absorban los tóxicos (quedan fijados en sus raíces). A medida que las raíces se saturan del tóxico se van cortando y eliminando. Esta metodología se emplea para rehabilitación de sitios contaminados con metales, para el tratamiento de descargas industriales, para agua de escurrimiento de la agricultura, el drenaje ácido de las minas y contaminación radioactiva. Este método se probó satisfactoriamente para eliminar iones radioactivos en las lagunas contaminadas en el accidente de la planta nuclear de Chernobyl. Usaron plantas de girasol. Fitodegradación Es un proceso por medio del cual las plantas degradan compuestos orgánicos. Los compuestos son absorbidos y metabolizados (por oxidasas y halogenasas, principalmente). Muy frecuentemente los metabolitos que producen tienen actividad de fitohormonas (aceleran el crecimiento de las plantas). Se han encontrado plantas que degradan residuos de explosivos, disolventes clorados como el TCE, herbicidas, etc.

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Figura 7. Mecanismos de tratamiento por fitorremediación

Biodegradación rizosférica aumentada

Las plantas también favorecen la degradación microbiológica en la rizósfera. La flora microbiana del suelo es más abundante en las cercanías de las raíces, por lo que los procesos similares a la biodegradación tienen lugar a una velocidad mayor que en el resto del suelo, sin necesidad de estimular artificialmente la actividad microbiana. Los microorganismos consumen compuestos orgánicos contaminantes como fuente de carbono y energía, mientas que las raíces de las plantas liberan compuestos que sirven como fuente de nutrientes para los microorganismos de la rizósfera (la raíz ayuda a aumentar la actividad microbiana). Asimismo, se produce un proceso de descompactación del suelo, mejorando el transporte, humedad y aireación del mismo.

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Figura 8. Biodegradación Rizosférica Aumentada

Bombeo biológico/ Bombas orgánicas

Cuando las raíces de los árboles llegan hasta el manto freático absorben una gran cantidad de agua, y con ellas los contaminantes presentes. Hay una variedad de álamo (Populus deltoides) que absorbe más de un metro cúbico de agua por día. Esta característica de los árboles se puede utilizar para impedir que las aguas superficiales contaminadas lleguen a los acuíferos que se usan para suministro de agua potable, o bien para que se prevenga que aguas contaminadas lleguen a sitios donde pudieran causar problemas. Posteriormente, estas plantaciones deben ser dispuestas en rellenos sanitarios, teniendo especial cuidado de sus lixiviados.

Figura 9. Bombas orgánicas

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Fitovolatilización

Cuando los árboles absorben agua contaminada con compuestos orgánicos volátiles, eliminan la gran mayoría del COV en la evapotranspiración de las hojas. Los álamos transpiran aproximadamente el 90% del TCE que absorben. El resultado neto de este proceso es, el que los árboles transfieren a la atmósfera el TCE que se encuentra en el acuífero.

Figura 10. Fitovolatilización

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Bibliografía

Altamirano, M. G.1999. Biorremediación de suelos contaminados con hidrocarburos. Cátedra de Microbiología Ambiental. Instituto Universitario en Ciencias para la Salud. Universidad Nacional del Comahue, Neuquén.

Peña, C. E. y col. 2001. TOXICOLOGIA AMBIENTAL. Evaluación de Riesgos y Restauración Ambiental. Web-mail: http://superfund.pharmacy.arizona.edu/toxamb/c4-3-1-2.html

US-EPA. 2000. Introduction to Phytoremediation, EPA/600/R-99/107

US-EPA. 2001. A Citizen’s Guide to Phytoremediation, EPA 542-F-01-002

US-EPA. 2001. A Citizen’s Guide to Bioremediation.

Web-mail: http://www.epa.gov/swertio1/download/citizens/bioremediation.pdf

US-EPA. 1996. How to Effectively Recover Free Product At Leaking Underground Storage Tank Sites: A Guide for Corrective Action Plan Reviewers. (EPA 510-B-94-003; EPA 510-B-95-007; and EPA 510-R-04-002). Web- site: http://www.epa.gov/swerust1/pubs/tum_ch10.pdf

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http://www.epa.gov/swertio1/download/citizens/bioremediation.pdf

http://www.epa.gov/swerust1/pubs/tum_ch10.pdf

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