Tecnicas de Remediacion Biologicas

Autores: Ana Mara Manacorda- Daniela Cuadros Microbiologa Ambiental Ao 2005

Tcnicas de Remediacin Biolgicas Uno de los rasgos caractersticos de la sociedad moderna es la creciente emisin de productos qumicos al medio ambiente. Existen dos fuentes principales para estas emisiones: los productos qumicos creados para uso ambiental y el material residual.

Una de las caractersticas de los tiempos modernos es la gran produccin de materiales sintticos que son difciles de degradar y/o son txicos para el ambiente. Con el fin de mejorar su rendimiento, los compuestos han sido diseados especficamente para tener una larga vida til y no reaccionar con los productos qumicos ambientalmente ms comunes. Estas mismas caractersticas evitan su degradacin. Las estructuras compuestas resistentes al ataque qumico, que por lo tanto consiguen una mayor longevidad y un mantenimiento eficaz de la estructura, caractersticas deseables, son resistentes a las enzimas de la mayora de los microbios. En algunos casos, por ejemplo los PCBs (bifenilos policlorados) estas caractersticas han sido responsables, en parte, de su presencia continua en zonas donde su produccin y uso se ha detenido.

Los procesos de fabricacin poco eficaces tambin han dado lugar a escapes accidentales de productos y precursores txicos.

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

Una estrategia para minimizar la contaminacin sera disminuir la reactividad y peligrosidad del contaminante y en forma simultnea, reducir su vertido al medio ambiente. Dado que esto no siempre es posible de llevar a cabo, se han desarrollado tcnicas de remediacin , que bsicamente 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 ltimas alternativas son las ms costosas, en trminos econmicos y ambientales.

Una nica tecnologa no siempre rene las mejores condiciones para reducir todos los contaminantes presentes en un sitio a remediar, por lo que se suele emplear una secuencia de tecnologas.

Actualmente, las soluciones viables y permanentes para los problemas de evaluacin son bastante limitadas. Si bien existen mtodos fsicos, qumicos y biolgicos (Tabla 1) para el tratamiento de residuos, los dos primeros suelen ser ms caros. Durante muchos aos, el entierro en vertederos (relleno sanitario) de los residuos peligrosos ha sido un proceso razonablemente rentable. Cabe aclarar que esta metodologa no es un mtodo de remediacin, pues simplemente traslada problemas de un lugar a otro. Sin embargo, han surgido diferencias de pensamiento en la aplicacin de estos mtodos, dadas por algunos desperfectos (hoy en da estos sistemas son ms seguros) o por la falta de espacios disponibles, agregndole a ello los altos costos producto del transporte y de la separacin de materiales txicos. Aunque la incineracin soluciona algunos problemas de los vertederos, especialmente el almacenamiento, genera otros problemas, como el de emisin de contaminantes al aire. Asimismo, al igual que en los vertederos, al costo especfico de este tipo de tratamiento hay que agregarle el de separacin

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y transporte. Esto nos lleva a que utilicemos algunos procesos naturales de degradacin, los procesos de remediacin biolgica.

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

TABLA 1 MTODOS FISICOQUMICOS PARA LA DESCONTAMINACIN DE SUELOS CONTAMINADOS POR

HIDROCARBUROS.

METODOLOGA PRINCIPIOS TCNICA COMENTARIOS Termal Destruccin y/o evaporacin

del contaminante Incineracin Excavaciones necesarias; solo

para mantillos; tratamiento de gases; costoso

Extraccin Remocin de contaminantes en solucin

Torres de percolacin Necesaria excavacin; solo para mantillos; disposicin de lo extrado; eficiencia no conocida; muy costoso;

Extraccin de vapor Remocin de voltiles Tambores de rotacin; in situ Solo voltiles; potencialmente para subsuelos; tratamiento de vapores

Extraccin con aire caliente

Remocin de voltiles Tambores de rotacin; in situ Solo voltiles; potencialmente para subsuelos

Oxidacin qumica Alteracin por remocin del contaminante

In situ; cmaras de reaccin No hay informacin para HC

Control de agua subterrnea

Bombeado del acufero para impedir el flujo

Bombeado con o sin contenido fsico; remocin directa de compuestos del agua

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

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

Riesgo de desprender contaminantes; ineficiente

Adsorcin Bombeado del agua subterrnea a travs del carbn activado.

Costoso; requiere disposicin de residuos; eficiencia no conocida.

Extraccin de detergentes

En suelos excavados o in situ mediante surfactantes

Costoso; eficiencia no conocida.

Inmovilizacin Uniendo HC in situ Uniendo qumicos; solidificacin de suelos

Costoso; no muy testeado; no remueve los contaminantes

Segn Hudrey y Polland (1993) las tcnicas de remediacin se pueden agrupar en tres grandes categoras:

1. Inmovilizacin y confinamiento

2. Movilizacin

3. Destruccin.

Esta ltima implica la eliminacin del material contaminante empleando un tratamiento biolgico o uno no biolgico. Los tipos de residuos que pueden ser destruidos son los orgnicos; mientras que los inorgnicos no pueden ser destruidos, solo se puede cambiar su estado de oxidacin o de combinacin con otras sustancias.

Las tcnicas de remediacin biolgicas emplean procesos naturales para eliminar las sustancias qumicas dainas del medio ambiente y abarcan dos mtodos: la biorremediacin y la fitorremediacin.

La biorremediacin consiste en emplear microorganismos y manipular sus actividades metablicas, para eliminar los contaminantes o al menos convertirlos en especies qumicas

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

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

En ocasiones lo ms rpido y rentable es utilizar una combinacin de tcnicas, para ello es necesario evaluar la zona, incluyendo la hidrogeologa, la composicin del suelo, las caractersticas de la poblacin microbiana, el clima, las caractersticas del contaminante, etc.

Dado que son muchos los sitios que requieren remediacin a altos costos, la USEPA (Agencia de Proteccin Ambiental de Estados Unidos) entre otros organismos internacionales, est promoviendo mtodos alternativos de limpieza, ms rpidos, ms efectivos, con mnima agresividad al medio ambiente y al menor costo que las opciones tradicionales de remediacin, tales como excavacin y disposicin final en un relleno sanitario.

BIORREMEDIACIN

Los microorganismos indgenas son los principales descomponedores del ecosistema, actividad que existi naturalmente en el ambiente con anterioridad a la disposicin de xenobiticos en l, por lo que los procesos de degradacin 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 orgnicos que adems 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 fcilmente degradados por los microorganismos del suelo y del agua. Sin embargo, existen otros compuestos con estructuras o sustituyentes ms complejos de origen xenobitico1, que son difcilmente 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 qumicas dainas como las que se encuentran en derrames de gasolina y petrleo. Cuando esta digestin es total, estas sustancias qumicas se convierten en agua y gases inofensivos como el CO2.

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

1 Cualquier producto ajeno al organismo que produce un efecto sobre l. Esta definicin no incluye alimentos y algunos autores incluyen a los frmacos.

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Compuestos que pueden ser biodegradados

Existen diversas opiniones en relacin a si los microorganismos tienen lmites en sus capacidades digestivas o si son capaces de degradar cualquier compuesto que el hombre pueda producir. Indudablemente, la verdad se sita entre estos dos puntos de vista extremos. No obstante los microorganismos pueden degradar multitud de compuestos bajo condiciones diferentes. Muchos compuestos sintticos pueden tambin modificarse o transformarse mediante el uso de una bacteria, hongo o de algn tipo de poblacin microbiana trabajando en asociacin. Estos procesos varan desde la putrefaccin de comida hasta la limpieza de derrames de petrleo en las playas costeras. En muchos casos estos procesos son beneficiosos y esenciales. Despus de todo, gran parte del procesos cclico, orgnico e inorgnico, necesario para el mantenimiento del ecosistema es consecuencia de la actividad microbiana. Adems de poder modificar o degradar un compuesto, el rendimiento tiene que ser alto.

Muchos productos qumicos xenobiticos son resistentes al ataque microbiano y/o son txicos para los microorganismos. Sin embargo, en zonas contaminadas con diversos compuestos xenobiticos 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 petrleo, 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 bsicamente en:

1) Biorremediacin in situ.

a) Biorremediacin natural.

b) Biorremediacin con bioaumentacin.

2) Tratamiento del terreno o Landfarming.

3) Biorreactores en suspensin.

4) Bioventeo.

1. Biorremediacin in situ.

Consiste en estimular la actividad de la poblacin microbiana degradadora nativa del suelo, por adicin y manejo de nutrientes y oxgeno. Se aplica en suelo superficial, insaturado y en agua subsuperficial.

Puede ser efectiva para un amplio rango de hidrocarburos del petrleo. Mientras hay algunas excepciones notables, los constituyentes ms solubles en agua, de cadena corta y bajo peso molecular, son degradados ms rpidamente 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 nitrgeno y fsforo), aceptores de electrones (habitualmente oxgeno), contenido de humedad y sustratos primarios del suelo para subsidiar y mantener la actividad biolgica.

En el caso de aguas subterrneas, el agua tratada es mezclada con un aceptor de electrones y nutrientes, entre otros compuestos requeridos, para luego ser reinyectados. Pueden ser necesarias galeras de infiltracin o pozos de inyeccin para reinyectar agua. Toda el agua extrada puede ser reinyectada sin tratamiento y la remediacin puede ocurrir in situ. El agua extrada no reinyectada puede ser descargada directamente a al fuente de agua o puede ser tratada (servicios pblicos), as como aquellos subproductos solubles, contaminantes movilizados y nutrientes no utilizados (reutilizacin o tratamiento).

Existen varios modos de biorremediacin in situ: forma aerbica, forma anxica, anaerbica y cometablica. La primera se ha demostrado que es la ms eficiente para reducir niveles de contaminantes alifticos (Ej.: hexano) e hidrocarburos aromticos del petrleo (.: benceno, naftaleno), muy frecuentes en gasolinas y gasoil. En el modo de tratamiento aerbico, el agua subterrnea es oxigenada por uno de los siguientes mtodos: dispersin directa de oxgeno, previo a la reinyeccin o adicin de perxido de hidrgeno directamente en un pozo de inyeccin o en el agua inyectada. Los modos anaerbicos, aerbicos, anxicos y cometablicos son a menudo usados para la remediacin de otros compuestos tales como solventes clorados, pero generalmente son ms lentos que los aerbicos rompiendo los hidrocarburos del petrleo.

Los parmetros clave que determinan la efectividad de la biorremediacin in situ para aguas subterrneas son:

Conductividad hidrulica del acufero Biodegradabilidad2 de los compuestos del petrleo Locacin de la contaminacin del petrleo en la superficie

En general, el medio acufero determina la conductividad hidrulica. La biorremediacin en general es efectiva en medios acuferos permeables, sin embargo, dependiendo de la extensin de la contaminacin, puede ser efectiva en medios limosos o arcillosos menos permeables.

La locacin, distribucin y disposicin de la contaminacin en la subsuperficie puede influenciar significativamente la probabilidad de xito de la biorremediacin.

El excesivo calcio, magnesio o hierro en el agua subterrnea puede reaccionar con el fosfato, el cual es suministrado como un nutriente en la forma de tripolifosfato, o con el dixido de carbono (producido por los microorganismos en la respiracin aerbica). Los productos de estas reacciones pueden afectar negativamente la operacin de un sistema de biorremediacin in situ. Cuando el calcio, magnesio o hierro reaccionan con el fosfato o el CO2, se forma sarro o cristalina precipitada; produciendo una compresin en los canales de flujo, pudiendo daar los equipos (ej, pozos de inyeccin. Adems la precipitacin 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 caractersticas qumicas de un contaminantes pueden dictar su biodegradabilidad. La biodegradabilidad de compuestos orgnicos depende de su estructura qumica y sus propiedades qumicas y fsicas.

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

Entonces, el manejo de O2, nutrientes y rgimen de agua es fundamental para contener hidrulicamente a la zona contaminada y prevenir la migracin de contaminantes mviles o de metabolitos potencialmente txicos fuera del sistema.

Deben realizarse monitoreos peridicos para verificar la desaparicin del contaminante y la posible lixiviacin de productos de degradacin potencialmente txicos.

Biorremediacin natural. La biorremediacin 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 orgnico (contaminante), incrementos que se logran con el laboreo mecnico realizado en el suelo superficial. Tambin se la denomina bioestimulacin y consiste bsicamente en el manejo de las condiciones ambientales de manera de controlar factores limitantes del crecimiento microbiano y del metabolismo del contaminante en cuestin. Es necesario un conocimiento profundo de la ecologa microbiana (control de variables ambientales). Este proceso suele utilizarse para tratar aerbicamente, contaminantes presentes en la zona vadosa y en las mrgenes de la pluma en donde el oxgeno no constituye un factor limitante.

Biorremediacin con bioaumentacin. Utiliza el suelo contaminado, trabajado peridicamente mediante tcnicas de laboreo y suplementado con agua y nutrientes (si es necesario), constituyendo un sistema aerbico en un lecho previamente acondicionado. El suelo as preparado se siembra con determinados microorganismos (seeding) para incrementar la velocidad natural de degradacin de un contaminante. Estos microorganismos pueden ser nativos o pueden ser de otra procedencia (con las capacidades metablicas deseadas). En ambos casos los microorganismos son multiplicados en laboratorio e inoculados luego en el suelo a tratar. Para mejorar la aireacin 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 metablicas.

2. Tratamiento del terreno o Landfarming

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

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Utilizada para el tratamiento de residuos oleosos y fangos aceitosos provenientes de refineras. La tcnica 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 mtodo de biorremediacin in situ.

Se trabaja con sta tcnica para todos los hidrocarburos del petrleo, siendo menos efectiva para petrleos pesados (grandes tanques):


La eleccin de la secuencia de tratamiento especficos a desarrollar depender del tipo y concentracin de los contaminantes. Por lo general la prctica comn consiste en clasificar los procesos en tratamiento de aguas residuales en tres categoras:

Tratamiento Primario: tratamiento de materiales fcilmente aislables para tratamientos posteriores.

Tratamiento Secundario: el ms importante. Separa el grueso de los slidos en suspensin, los materiales orgnicos (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 eliminacin de olores (asociados a la fermentacin anaerobia). Deben presentar un sistema de ventilacin o de recogida de gases.

Los reactores aerbicos poseen biomasa en suspensin con un sistema de aireacin o difusores que proporcionan O2 a microorganismos.

Mientras que la degradacin aerobia se lleva a cabo con mltiples 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 ms propensos a los fallos. Dado esto por sobrecarga hidrulica, orgnica o txica del reactor, aunque suelen tolerar mayor velocidad de carga (no requieren un alto gasto de energa para la dispersin del aire ) y generan menor biomasa por unidad de residuos degradados.

Si bien este tratamiento permite tratamientos en tiempos reducidos con relacin a los tratamientos in situ, su principal desventaja es el alto costo en funcin de los pequeos volmenes que es posible tratar.

En cuanto al diseo, se han diseado distintos reactores, ya sean con cultivos cerrados o continuos, conectados a secuencia a un sistema computarizado para monitorear, controlar y mejorar la biooxidacin de barros activados provenientes de plantas de tratamiento de residuos municipales (emplendose la tasa de produccin de CO2 como parmetro para controlar la operacin del biorreactor).

4. Bioventeo

Consiste en la inyeccin de aire y oxgeno al suelo para estimular la biodegradacin aerbica del contaminante. Es aplicable a contaminantes presentes en suelos subsuperficiales y aguas subterrneas, ya sean hidrocarburos de petrleo, acetona, tolueno y naftaleno o mezclas de hidrocarburos aromticos polinucleares (PAH).

En algunos casos el aire a presin 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 volatilizacin tambin contribuye a la desaparicin del contaminante. Los compuestos que presentan baja presin de vapor difcilmente se volatilicen por lo que su desaparicin se le atribuye a la biodegradacin incentivada por el bioventeo.

El proceso de bioventeo estimula la actividad biolgica in situ y promueve la biorremediacin.

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

Es uno de los mtodos considerado de mayor costo-beneficio para la remediacin 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 reas de por debajo o hacia arriba de la tabla de agua.

Figura 3. Proceso de Bioremediacin 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 txicas o mutagnicas. Estas ltimas son las que ms nos interesan en remover o destruir ante derrames de petrleo, por ejemplo. Como hemos visto, la biorremediacin es una tecnologa que ofrece grandes promesas en convertir compuestos txicos en productos no txicos, sin trastornos ms all del ambiente local.

Para la aplicacin efectiva de cualquiera de estas estrategias en la biorremediacin 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 orgnicos e inorgnicos con diverso grado de toxicidad

La seleccin de la tcnica debe basarse en el anlisis de diversos factores relacionados entre s:

1. Composicin qumica del residuo (vara segn sea su origen, grado de procesamiento y tiempo de exposicin a la intemperie). Los HC se clasifican en: saturados, aromticos, resinas y asfaltenos, siendo los dos ltimos componente caractersticos de los combustibles pesados.

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Los compuestos inorgnicos presentan, en comparacin con los orgnicos, un rango de variacin mucho menor, pudiendo cambiar su estado de oxidacin y su habilidad para combinarse con las molculas orgnicas, por lo que los estudios analticos del contenido de metales no son adecuados para inferir la movilidad del contaminante orgnico en el ambiente ni su potencial riesgo para la salud. Cuando los contaminantes orgnicos e inorgnicos se encuentran mezclados pueden interferir en el resultado de sus perfiles analticos.

Procesos como la evapotranspiracin, la prdida fotoqumica, hidrlisis y biotransformacin disminuyen la contaminacin, aunque quedando en el ambiente aquellos compuestos recalcitrantes (de difcil tratamiento por mtodos biolgicos).

La susceptibilidad a la biotransformacin es funcin de la estructura qumica, grado y naturaleza de la sustitucin y del peso molecular del hidrocarburo. En grado decreciente la secuencia de biodegradacin sera: n-alcanos, alcanos de cadena ramificada, alquenos ramificados, compuestos n-alquilaromticos de bajo PM, monoaromticos, alcanos cclicos, aromticos polinucleares y asfaltenos (estos ltimos son los ms persistentes).

2. Textura y estructura del suelo. Dependiendo de la estratificacin vertical del suelo, contenido de materia orgnica, la aireacin (porosidad), el contenido de agua, rgimen hidrolgico (infiltracin y capacidad de retencin de agua, tipos de minerales presentes, la temperatura, la aptitud para el laboreo, etc. son los suelos ms recomendables para mtodos de biotransformacin/ biorremediacin (suelos francos y arcillosos).

3. Complejidad del sitio contaminado. Existe gran variabilidad en la composicin relativa de la matriz del suelo a lo largo de un perfil, lo cual se traduce en la variacin de su capacidad de conduccin de los fluidos. Por lo tanto, la migracin de los contaminantes no es uniforme a travs de un medio tan heterogneo (migracin discontinua, dada por la afinidad de compuestos a diferentes fases del suelo y por la topografa) .

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 txicos, provocando inhibicin metablica con la consiguiente disminucin o supresin de la actividad de degradacin y/o muerte de la comunidad. Es importante establecer la concentracin ptima del residuo en el suelo para realizar con xito el tratamiento de biorremediacin. Concentraciones superiores al 10% pueden ser inhibitorias para el proceso de biodegradacin. La toxicidad podra 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 contaminacin con PAH, estos quedan retenidos en la estructura del mismo, dificultando la degradacin microbiana por falta de accesibilidad al sustrato. Para desadsorber estos compuestos, se utilizan surfactantes, que son compuestos tensioactivos biodegradables que estimulan la biodegradacin de petrleo poniendo en evidencia el metabolismo sinergstico.

6. Biodegradabilidad del contaminante. Se considera que los hidrocarburos son compuestos biodegradables. La fraccin ms liviana (mineralizada) y voltil es ms rpidamente degradada que la fraccin ms pesada. Algunos contaminantes no constituyen la fuente de carbono y energa para el desarrollo microbiano y sin embargo son de alguna manera incorporados a las 3 Fraccin de sustrato que efectivamente puede ser oxidado por los microorganismos. Como la biodegradacin ocurre en fase acuosa, se ve afectada por los coeficientes de particin entre la fase oleosa y acuosa, acuosa y orgnica del suelo y por la adsorcin a la matriz del suelo.

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clulas y biotransformados, proceso denominado cometabolismo4 (cooxidacin o cotransformacin).

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

8. Condiciones climticas (Temperatura ptima de biodegradacin: 30 y 40C; se ha demostrado que temperaturas menores aumentan la viscosidad del residuo mientras que temperaturas mayores pueden afectar a las clulas bacterianas ya sea por disfuncin enzimtica o por alteracin de la membrana plasmtica).

9. Salinidad. Algunos residuos provenientes de la actividad hidrocrburfera 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 enzimtica.

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

11. Presencia de metales ecotxicos (metales como el Pb, As, Cs, Ba, Hg, Zn, Cu, Ni, V y Se son frecuentes en los residuos de petrleo). A diferencia de los compuestos orgnicos, los metales no son biodegradables, aunque pueden cambiar su estado de oxidacin. La toxicidad ocurre por inhibicin enzimtica., competencia y sustitucin con otros metales o por formacin de quelatos.

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

Metabolismo microbiano de los hidrocarburos

Debido a la actividad humana, se han volcado al ambiente grandes cantidades de residuos orgnicos, ya sean de origen domiciliario y provenientes de la industria qumica. Particularmente estos ltimos presentan distinto grado de toxicidad segn sea su complejidad qumica o su unin 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 proporcin de los mismos sobre todo aquellos con estructuras de ms 4 A medida que los microorganismos utilizan un sustrato primario, fortuitamente transforman otros compuestos de los cuales no son capaces de obtener energa. As, si se aportasen los sustratos necesarios para sostener el metabolismo los microorganismos podran transformar al mismo tiempo y gratuitamente aquellos residuos que por s solos no constituyen fuente de carbono y energa 5 aquella que se encuentra sobre la zona insaturada del suelo. Se recarga con agua de lluvia, por una falla, por precolacin a travs de la columna de suelo o por la entrada de agua dulce o de mar a travs de estratos permeables

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reciente aparicin en el ambiente o con sustituyentes que se encentran raramente en la naturaleza (xenobiticos) son catabolizados lentamente y as acumulan y persisten en la naturaleza.

La biorremediacin constituye una herramienta muy til para reducir este impacto ya que se han aislado y caracterizado un gran nmero de microorganismos del suelo y del agua capaces de degradar un amplio rango de compuestos orgnicos, as como de desarrollar actividades oxidativas frente a nuevos compuestos.

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

Al conjunto de caminos metablicos por medio de los cuales los tejidos incrementan la polaridad de un txico se le denomina biotransformacin. Podemos decir que la biotransformacin de un txico consiste fundamentalmente en convertir un xenobitico no polar en un compuesto soluble en agua. Este es el mecanismo ms comn que usan los organismos para eliminar los txicos ambientales.

Al igual que la absorcin y distribucin, dos procesos de transferencia, la biotransformacin tambin se lleva a cabo utilizando los mecanismos existentes en los tejidos. Se usa la misma maquinaria bioqumica con la que se metabolizan los compuestos endgenos de estructura qumica similar.

En algunos casos, la biotransformacin resulta en la produccin de un metabolito que es ms txico que el compuesto original, al proceso se le denomina bioactivacin. Si estos metabolitos se acumulan y vencen las defensas del organismo entonces pueden producir un dao que se manifieste en una respuesta txica.

El estudio de las reacciones que constituyen la biotransformacin es de gran importancia, porque nos permiten entender los mecanismos por medio de los cuales los tejidos se defienden de los txicos que logran penetrar y tambin cmo 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 Biotransformacin Fase I y Biotransformacin Fase II.

La Fase I biotransforma los xenobiticos conviertindolos en substratos de las enzimas de la Fase II, al mismo tiempo que los hacen ms hidrfilos. La Fase II son reacciones de conjugacin en las cuales un metabolito con enlaces de alta energa sede un grupo funcional polar al xenobitico, o su producto de transformacin por la Fase I. En el ejemplo de la destoxificacin del benceno, la oxidacin a fenol es una reaccin de la Fase I y la sulfatacin del fenol es una reaccin de la Fase II.

El metabolismo de los hidrocarburos comienza con la oxidacin del metilo sustituido en el C1, con la posterior oxidacin del cido carboxlico aromtico, formndose luego cadenas cortas de cidos carboxlicos, piruvato y aldehdos (oxidasas y dehidrogenasas).

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FITORREMEDIACIN (in situ)

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

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

Puede ser empleada exclusivamente o conjuntamente con otras tecnologas tradicionales de remediacin de suelos y aguas subterrneas contaminadas con metales pesados, pesticidas, solventes clorados, explosivos, crudos y PAHs. Normalmente se utiliza en combinacin con otras tecnologas (paso final). Generalmente se limita a sitios de baja concentracin de contaminantes, suelos superficiales, agua corriente superficial y agua subterrnea. Las plantas tambin contribuyen a impedir que el viento, la lluvia y las aguas subterrneas extiendan la contaminacin. Se deben de estudiar los efectos en la cadena trfica. Las plantas pueden fijar los txicos o bien pueden metabolizarlos tal como lo hacen los microorganismos en los procesos de biorestauracin.

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

El trmino fitorremediacin es muy amplio y describe un nmero de mecanismos que son definidos por las plantas. La fitorremediacin puede involucrar la absorcin del contaminante por la planta, o puede ser que se explote la actividad asociada a la planta en la rizsfera. En general estos dos tratamientos son gobernados por las caractersticas fsicas del contaminante. La solubilidad del agua y la capacidad de absorcin del suelo son dos caractersticas qumicas que influencian la fitorremediacin de los contaminantes. Los contaminantes inorgnicos solubles en el agua son absorbidos por las races de las plantas, mientras que los compuestos orgnicos no son tomados rpidamente por las plantas sino que son blancos de las enzimas de las plantas o de los microorganismos asociados con la rizsfera.

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

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

Este proceso es aplicable con el uso de plantas como as tambin de semillas. En un estudio realizado en la Universidad Complutense de Madrid, se emple semillas de la familia lupinus, entre otros, para la fitorremediacin, observndose que adems de una gran capacidad de adsorcin de Cd, Pb, Cr y Zn, son capaces de germinar en reas altamente contaminadas y adems pueden modificar el pH (en los experimentos realizados lo han variado de 2 a 5,5).

La fitorremediacin es ms eficaz en los sitios donde hay baja concentracin de contaminantes. Al tomar por las races el agua y los nutrientes que se hallan en los suelos, y las aguas subterrneas, las plantas extraen del suelo las sustancias qumicas perjudiciales. La cantidad de contaminacin que puede eliminar una planta depende entre otros factores de la profundidad hasta la que puedan crecer sus races. Las races de los rboles penetran ms profundo que la de las plantas ms pequeas, por lo tanto se emplean las races de los primeros para eliminar los contaminantes que se encuentran a mayor profundidad.

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

Se almacenan en las races de los tallos y las hojas, Se transforman en sustancias qumicas menos perjudiciales en el interior de la planta, Se transforman en gases que se liberan al aire cuando la planta transpira (respira) La fitocorreccin o fitorremediacin puede tener lugar incluso sin que las races de la planta extraigan las sustancias qumicas. Por ejemplo, los qumicos pueden pegarse o sorberse a las races de las plantas. Tambin pueden transformarse en sustancias qumicas menos dainas mediante la accin de los organismos o microbios que viven en las races de las plantas. Se deja que las plantas crezcan y que extraigan o sorban las sustancias qumicas. Luego se las corta y destruye o se las recicla cuando los metales almacenados en ellas pueden volverse a utilizar. Por lo general los rboles se dejan crecer y no se cortan.

Las plantas que se cultivan para la fitocorreccin tambin pueden contribuir a impedir que las sustancias qumicas dainas pasen de un sitio contaminado a otras zonas. Las plantas limitan la cantidad de sustancias qumicas 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 fitocorreccin depende de diversos factores, que varan de un sitio a otro:

Tipo y cantidad de plantas que se emplean Tipo y cantidad de sustancias qumicas dainas presentes Dimensin y profundidad de la zona contaminada Tipo de suelo y condiciones reinantes. El beneficio de esta tecnologa es que requiere menos equipamiento y trabajo que otros mtodos ya que las plantas hacen la mayor parte de la tarea. Adems, los rboles y las plantas pueden hacer ms atractivos los sitios. Se puede limpiar un sitio sin necesidad de cambiar el suelo contaminado ni de extraer el agua subterrnea contaminada por bombeo.

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Ventajas Desventajas

Tcnica a aplicar in situ Limitado a suelos superficiales

Pasiva, se realiza a expensas de la energa solar El aumento de la concentracin de ciertos contaminantes puede ser txico para las plantas.

Mas econmica que otros tratamientos Ms lentos que otros tratamientos

Ms rpido que la atenuacin natural Podra transferir la contaminacin al ecosistema.

Alta aceptacin popular Bioacumulacin de contaminantes

No es efectivo para compuestos adsorbidos dbil y fuertemente.

An en investigacin

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 orgnicos. La produccin de estos exudados demanda a la planta de 10-20 % de la fotosntesis anual.

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

El sistema enzimtico 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 rpidamente el sustrato, la remediacin 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 clulas vegetales o adsorbidas a su superficie.

Existen diversos mtodos de tratamiento por fitorremediacin, los cuales se podran resumir en aquellos que remedian metales y los que sirven para el tratamiento de compuestos orgnicos.

1. Remediacin de metales (remocin)

a) Fitoextraccin

b) Rizofiltracin

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2. Tratamiento de compuestos orgnicos

a) Fitodegradacin

b) Biodegradacin rizosfrica aumentada

c) Bombas orgnicas

d) Fitovolatilizacin

Figura 5. Mecanismos de tratamiento por fitorremediacin

Fitoextraccin

Es la captacin de iones metlicos por las races de la planta y su acumulacin en tallos y hojas. Hay plantas que absorben selectivamente grandes cantidades de metales (principalmente Ni, Zn y Cu) acumulando en los tejidos concentraciones mucho ms 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, lamos, enebro.

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Figura 6. Fitoextraccin

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 txicos, con la ventaja de que ocuparn un espacio mucho menor que el que se usara si se desechara el suelo contaminado.

Rizofiltracin Es similar a la fitoextraccin, pero en lugar de cultivar las plantas en el suelo, se cultivan en invernaderos por procesos hidropnicos. 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 txicos (quedan fijados en sus races). A medida que las races se saturan del txico se van cortando y eliminando. Esta metodologa se emplea para rehabilitacin de sitios contaminados con metales, para el tratamiento de descargas industriales, para agua de escurrimiento de la agricultura, el drenaje cido de las minas y contaminacin radioactiva. Este mtodo se prob satisfactoriamente para eliminar iones radioactivos en las lagunas contaminadas en el accidente de la planta nuclear de Chernobyl. Usaron plantas de girasol. Fitodegradacin Es un proceso por medio del cual las plantas degradan compuestos orgnicos. 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 fitorremediacin

Biodegradacin rizosfrica aumentada

Las plantas tambin favorecen la degradacin microbiolgica en la rizsfera. La flora microbiana del suelo es ms abundante en las cercanas de las races, por lo que los procesos similares a la biodegradacin tienen lugar a una velocidad mayor que en el resto del suelo, sin necesidad de estimular artificialmente la actividad microbiana. Los microorganismos consumen compuestos orgnicos contaminantes como fuente de carbono y energa, mientas que las races de las plantas liberan compuestos que sirven como fuente de nutrientes para los microorganismos de la rizsfera (la raz ayuda a aumentar la actividad microbiana). Asimismo, se produce un proceso de descompactacin del suelo, mejorando el transporte, humedad y aireacin del mismo.

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Figura 8. Biodegradacin Rizosfrica Aumentada

Bombeo biolgico/ Bombas orgnicas

Cuando las races de los rboles llegan hasta el manto fretico absorben una gran cantidad de agua, y con ellas los contaminantes presentes. Hay una variedad de lamo (Populus deltoides) que absorbe ms de un metro cbico de agua por da. Esta caracterstica de los rboles se puede utilizar para impedir que las aguas superficiales contaminadas lleguen a los acuferos 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 orgnicas

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Fitovolatilizacin

Cuando los rboles absorben agua contaminada con compuestos orgnicos voltiles, eliminan la gran mayora del COV en la evapotranspiracin de las hojas. Los lamos transpiran aproximadamente el 90% del TCE que absorben. El resultado neto de este proceso es, el que los rboles transfieren a la atmsfera el TCE que se encuentra en el acufero.

Figura 10. Fitovolatilizacin

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Bibliografa

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Tecnicas de Remediacion Biologicas

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