Tratamientos biológicos de suelos contaminados: contaminación porhidrocarburos. Aplicaciones de hongosen tratamientos de biorrecuperación.
Carmen Martín Moreno, Aldo González Becerra y María José Blanco Santos
INTRODUCCION
La biodescontaminacion es un proceso espontaneo o dirigido en el cul mediante procedimientos biologicos, fundamentalmente microbiologicos, se degradan o transforman los contaminantes hasta formar menos toxicas o no toxicas y se mitigan, como consecuencia, la contaminacion ambiental.
TÉCNICAS PARA TRATAMIENTO DE EMPLAZAMIENTOSCONTAMINADOS
La recuperación de un espacio contaminado puedeabordarse mediante diferentes estrategias que, engeneral, se pueden agrupar en tres categorías:
a) Confinamiento: tiene como finalidad el aislamiento de la fuente contaminante, evitando la salida delíquidos (lixiviados), polvo o gases; es decir controlando ladispersión de la contaminación. Es el tratamiento que seaplica habitualmente en el caso de contaminaciones pro-vocadas por los vertederos incontrolados de residuosindustriales.
Las medidas que incluye generalmente estetipo de actuación son: recubrimiento, revegetación, controlde aguas de escorrentía superficial y control de lixiviadosy aguas subterráneas.
b) Limpieza: incluye la aplicación de una o variastecnologías para eliminar los contaminantes del suelo. Se distinguen tres tipos de tratamiento:
1) tratamiento in situ del suelo contaminado (se trata en el lugar en el que se ha producido, el tratamiento in situ es menos costoso y permite que se utilice el espacio durante el mismo )
2)excavación del emplazamiento contaminado, retirada del suelo afectado y tratamientoex situ del mismo (hay que proceder a una excavación del suelocontaminado o a un bombeo del agua contaminada antesde proceder a su tratamiento
3) excavación, retirada y depósito envertedero controlado
c) Estrategia de respuesta: es un tratamiento a largoplazo que incluye actuaciones diversas y modificablesen función de una primera evaluación de la situación y dela evolución de la misma durante el tratamiento. Se suele elegir, cuando las aguas subterráneas ya se han contaminado.
Los métodos existentes para tratar los suelos contaminados pueden ser de naturaleza física, química o biológica y tanto unos como otros pueden aplicarse en el lugar de la contaminación o como tratamiento ex situ.
Se incluye una clasificación de las diferentes técnicas empleadas, agrupadas según su naturaleza y la formade aplicación.
1.Tratamientos in situ
Fisicoquímicos:
a)Extracción con vapor
b)Lavado
c)Solidificación y estabilización
d)Separación electrocinética
Biológicos:
a)Biodescontaminación
b)Fitodescontaminación
2.Tratamientos ex situ
Térmicos:
a)Desorción térmica
b)Incineración
Fisicoquímicos:
a)Extracción con disolventes
b)Lavado
c)Oxido-reducción
d)Deshalogenación química
e)Solidificación y estabilización
Biológicos:
a)Laboreo agrícola
b)Biopilas
c)Biodegradación en reactor
3
. Tratamientos biologicos
Mediante plantas (implica el uso de vegetales superiores para retirar, contener, acumular o degradar los contaminantes ambientales delsuelo,aguas subterráneas,aguassuperficiales,sedimentosyaire). Lasplantaspuedenserusadasenladescontaminaciónaprovechandosucapacidaddemineralizardeterminadoscompuestostóxicosodeacumularyconcentrarmetalespe-sadosyotroscompuestosinorgánicosdelsuelo.
Tratamiento microbiológico de espacios contaminados se basa en la capacidad de diversos micro-organismos, ya sean levaduras, hongos o bacterias pararomper o degradar sustancias peligrosas convirtiéndolas enproductos menos tóxicos o inocuos. Algunos microorganismos pueden metabolizar pro-ductos como combustibles o disolventes, que constituyenun riesgo para la salud humana y para los ecosistemas enlos que son vertidos.
El objetivo de las técnicas de recuperación biológica, es la creación de las condicionesambientales óptimas para que los micoorganismos se puedan desarrollar adecuadamente y provocar la máxima destoxificación. La tecnología específica empleada en cada caso, depende del tipo de microorganismos de que se trate,de las condiciones del espacio contaminado y de la naturaleza y cantidad de contaminante o contaminantes
Hay diferentes tipos de microorganismos algunos son:
a) Microorganismos denominados endógenos, son aquellos que se encuentran formando parte del ecosistemaque se pretende descontaminar. Para estimular el creci-miento de estos microorganismos y forzar la degradaciónde los contaminantes, puede que sea necesario establecer unas condiciones de temperatura, oxigenación y contenidode nutrientes determinadas
b) Microorganismos exógenos. Cuando en el ecosistema no esté presente la actividad biológica que se requiere para degradar la contaminación producida, pueden incorporarse microorganismos deotra procedencia cuando hay este tipo de microorganismos se debe asegurar que lascondiciones de este nuevo emplazamiento permitirán eldesarrollo de la microflora incorporada.
PROCESOS DE ATENUACIÓN NATURAL
La atenuación natural se puede describir como elconjunto de procesos físicos, químicos y biológicos, que espontáneamente ocurren en un espacio determinado, conposterioridad a la aparición de la contaminación en elmismo. En condiciones favorables, la atenuación naturalreduce, sin la intervención humana, la masa, la toxicidad,la movilidad, el volumen o la concentración de contaminantes en suelo o agua subterránea
Este procesoincluye diversos mecanismos tales como dispersión, dilu-ción adsorción, volatilización, estabilización y transforma-ción o destrucción de contaminantes por vía química obiológica. En general, se puede considerar que en un pro-ceso de atenuación natural, intervienen o pueden intervenir los cinco grupos de mecanismos siguientes:
1. Biodegradación.
2.Transformación química (por ejemplo, hidrólisisy deshalogenación). La tasa de transformaciónquímica depende de diferentes variables talescomo pH, temperatura y naturaleza del contaminante
3. Estabilización.Los contaminantes quedan químicamente ligados por un agente estabilizante(por ejemplo, arcilla y materiales húmicos) y sedificulta o impide su migración.
4.Volatilización.Puede contribuir al proceso deatenuación natural mediante transferencia deVOC (compuestos orgánicos volátiles) desde el agua subterránea hacia la zona de vadosa o la atmósfera pero es comparativamente un componente menor de la atenuación natural.
5. Dispersión y dilución. Asumiendo que la fuentede contaminación cesa, a medida que la pluma de contaminante se mueve vertical y lateralmente desde el punto inicial, se dispersa la contaminación y disminuye la concentración delcontaminante
La atenuación natural es considerada, en algunoscasos, una alternativa aceptable en comparación con otrosmétodos más activos, siempre y cuando se puedan cumplir unos objetivos de descontaminación en un intervalo detiempo aceptable
Uno de los componentes más importantes de la atenuación natural es la biodegradación.
Hay compuestos que pueden ser degradados en condiciones ambientales:
Muchos de las fracciones de los hidrocarburos del petróleo, más significativas desde el punto de vista ambiental, tales como BTEX(benceno, tolueno, etilbenceno y xilenos) y algunos PAH(hidrocarburos policíclicos aromáticos)
Sin embargo hay otros compuestos que no pueden ser facilmente degradados
PAH, el MTBE (metil, terbutil éter, un aditivo dela gasolina) y diversos componentes de los hidrocarburos del petróleo.
Para la capacidad real del fenómeno de atenuación natural se tiene que realizar un estudio previo para identificar los siguientesaspectos:
1.Las características del suelo, tales como tipo,conductividad hidráulica y contenido orgánico.
2.Características del las aguas subterráneas, talescomo dirección, gradiente y velocidad de flujo,temperatura, pH y oxígeno disuelto, dentro yfuera de la pluma.
3.Grado de contaminación vertical y horizontal enel suelo y el agua, comportamiento histórico dela pluma y capacidad de atenuación de la plumaen las condiciones del emplazamiento.
4.Una revisión detallada de receptores y vías demigración, en el área geográfica del emplaza-miento
TRATAMIENTO BIOLÓGICO IN SITU DE SUELOS CONTAMINADOS
El tratamiento in situ no requiere excavar y retirar el suelo contaminado, por lo cual provoca menos libera-ción de polvo y contaminantes y permite descontaminar mayor volumen de suelo por tratamiento que las técnicas ex situ. En este caso, el propio suelo funciona como unreactor biológico.
Tiene algunas desventajas como:
mayor lentitud,
dificultad de mantener las condiciones y dependencia del tipo de suelos, que deben ser permeables si sequiere asegurar un buen rendimiento del proceso.
Este tratamiento busca:
La adecuadaoxigenación y aporte de nutrientes a los microorganismosdel suelo. Existen dos métodos para incorporar el oxígenoal suelo.
• Uno es la inyección directa de aire en el suelo que está por encima de la capa freática (Cuando lo que se bombea es aire, se hace a travésde unos pozos perforados en la zona contaminada. Elnúmero, localización y profundidad de los pozos, dependede los factores geológicos y de ingeniería del proceso. A la vez que el aire, también deben bombearse al suelo nutrientes como nitrógeno y fósforo.)
• Y el otro consiste ensuministrar oxígeno en forma líquida como peróxido dehidrógeno. (Este sistema sólo se utiliza si el agua subterránea está ya contaminada.La inyección del peróxido puede hacerse a través de tuberías y difusores o de pozos en el caso de que la contaminación del suelo sea profunda)
TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE AGUAS SUBTERRÁNEAS
Con este tratamiento se pretende aumentar la velocidad del proceso de degradación natural, que tiene lugar en el suelo embebido de agua que se encuentra por debajode la capa freática.
En general, el dispositivo para tratar aguas subterráneas consiste en un pozo para extraer el agua contaminada, un sistema superficial de tratamiento en el que se añaden al agua oxígeno y nutrientes y otros pozos adicionales de reinyección del agua tratada para que los microorganismos lleven a cabo la actividad degradadora de los contaminantes.Una de las principales limitaciones de este tipo de operaciones, es que las diferencias en la estratificación y densidad del subsuelo pueden ocasionar que el agua acondicionada siga, al reinyectarse, vías de flujo preferentes.En este caso, el agua pretratada no alcanzaría algunas zonas contaminadas
TRATAMIENTO BIOLÓGICO EX SITU DE SUELOS CONTAMINADOS
1.Tratamientos de lodos. En el caso de que el tratamiento se realice en forma de lodos, el suelo contaminado se combina con agua y otros aditivos en un biorreactor. Se controlan las condiciones de tratamiento y se añaden nutrientes yoxígeno. Cuando finaliza el tratamiento, se separa el agua de los sólidos que son retornados al emplazamiento o sometidos a un tratamientoposterior si contienen todavía algún tipo de contaminante.
2.Tratamientos en fase sólida. Para que se puedarealizar un tratamiento en fase sólida, se requiere que el área de aplicación disponga de sistemas colectores adecuados para evitar cualquier contaminación en caso de escapes. La humedad,el calor, los nutrientes y el oxígeno se controlanpara aumentar el rendimiento del proceso debiodegradación. Tiene diferentes modalidades:
+ Laboreo agricola: el suelo se excava y seextiende sobre una superficie dotada de un sistema para recoger los lixiviados contaminados. El suelo se remueve periódicamente para favorecer su aireación. La humedad y los nutrientes se controlan, para optimizar el rendimiento del proceso y evitar las pérdidas por volatilización de loscontaminantes
+Tratamiento en pilas: el suelo es distribuido en montones de varios metros de altura, colocándose sobre un sistema de distribución de aire queinyecta aire en cada uno de los montones mediante una bomba de vacío
3.Tecnicas de compostaje: el residuo biodegradable se mezcla con otros materiales, generalmente, de tipo lignocelulósico (paja de cereales) para favorecer ladifusión del oxígeno y la humedad y optimizar el metabolismo microbiano.
BIODISPONIBILIDAD DE LOS CONTAMINANTES E INTERACCIONESCON LA MATRIZ DEL SUELO
La disponibilidad de un compuesto orgánico en agua sereduce, temporalmente, cuando se une a partículas suspendidas o a sedimentos; la biodisponibilidad de un metal en un sedimento o en un suelo puede aumentar cuando el Ph disminuye; en el aire, los hidrocarburos aromáticos policíclicos que están ligados o incluso incorporados en partículas pueden resultar inaccesibles a las superficies respiratorias (por ejemplo pulmones de los mamíferos), al contrarioque los hidrocarburos gaseosos. El concepto de biodisponibilidad engloba pues diferentes factores, físicos, químicos y biológicos del entorno y es diferente para diferentesorganismos.
Cuando se hace referencia a la biodisponibilidad ensuelo, hay que tener en cuenta las características físicas,químicas y biológicas de este compartimento. La textura,granulometría y la composición del suelo determinan sus propiedades físicas y químicas como contenido de agua,oxígeno, sales, arcilla, minerales, materia orgánica y pH. Cada una de estas propiedades puede variar espacialmente pero también temporalmente. Cuando hay un exceso delluvia, el contenido en agua aumentará y como resultado laconcentración de sales disminuirá, mientras que el pHpuede aumentar, disminuir o permanecer inalterado. En la época de caída de las hojas, se forma una capa de materia orgánica en la superficie del suelo, que comienza a ser degradada por los microorganismos, alterándose estacionalmente el contenido y la composición de la materia orgánica
Los términos libre o ligado, aplicados a los residuos orgánicos que contaminan un emplazamiento determinado,establecen la diferencia entre la porción del compuesto quepuede ser extraída del suelo normalmente por un solvente orgánico sin alterar la estructura química del compuesto y la porción no extraíble de dicho compuesto; para intentar sistematizar los distintos tipos de interacciones de los compuestosorgánicos en la matriz del suelo:
1. Residuo ligado covalentemente. Es el compuesto original o un metabolito principal unido covalentemente al sustrato.
2. Residuos solubles ligados covalentemente.Son aquellos que se extraen conjuntamente con lamatriz por un procedimiento específico que res-peta el enlace covalente.
3. Residuos adsorbidos. Son compuestos originaleso metabolitos principales que están ligados a la matriz por interacciones no covalentes reversibles.
4. Residuos inmovilizados (atrapados).Son compuestos originales o metabolitos principales que se retienen con la matriz por efectos estéricos y que se comportan como residuos ligados a no ser que se modifique la estructura de la matriz
Una vez que el contaminante orgánico entra en contacto con el suelo, puede experimentar diversas interacciones.
PROCESO DE ENVEJECIMIENTO DE LA CONTAMINACIÓN
El envejecimiento de los compuestosen el suelo depende de diversos factores tales como, cantidad y naturaleza de la materia orgánica, constituyentes inorgánicos del suelo, fundamentalmente estructura ytamaño de poro, microflora del suelo, concentración decontaminante, procesos de adsorción y atrapamiento en los microporos del suelo o en los complejos húmicos de la materia orgánica.
El resultado final del proceso de envejecimiento es la movilización de compuestos desde los compartimentos más accesibles del suelo, a los menos accesibles o a los inaccesibles, con lo cual se produce una reducción en lacapacidad de extracción de dichos compuestos
VALORACIÓN DE LA BIODISPONIBILIDAD
La biodisponibilidad de un compuesto orgánicopuede ser evaluada con dos perspectivas distintas, química o biológica.
Aspectos biológicos de la valoración de la biodisponibilidad
Para qu la biodegradacion tenga lugar deben cumplirse dos requisitos:
a) El compuesto debe ser accesible al organismo que se trate
b) El compuesto debe ser biodegradable.
Obviamente,tanto la biodisponibilidad como la biodegradabilidad pueden ser valoradas por métodos biológicos y existe un buen número de ensayos estándar utilizando microorganismos.
Una técnica que se está introduciendo es la de la bioluminiscencia que evalúa la biodisponibilidad, midiendo el impacto de los contaminantes sobre la actividad de organismos luminiscentes.
El desarrollo de microorganismos con marcadoresde bioluminiscencia para determinar la toxicidad en espacios contaminados, presenta ventajas sobre otros ensayos con organismos superiores, ya que es una técnica rápida y poco costosa que permite obtener buenos resultados conmetales pesados y contaminantes orgánicos.
A la hora de valorar la biodisponibilidad de un contaminante, no sólo hay que tener en cuenta la especificidad de los organismos,sino, también, el objetivo concreto de la valoración, que puede ser tanto la predicción del potencial de descontaminación biológica en un determinado emplazamiento contaminado, como la determinación de riesgo toxicológico o la evaluación de la posibilidad de bioacumulación
ENSAYOS PARA EVALUARLA EFECTIVIDAD DEL TRATAMIENTO
Estos ensayos son críticos para llevar a cabo un tratamiento biológico de descontaminación. Es muy difícilque dos emplazamientos contaminados posean idénticascaracterísticas y por lo tanto el tratamiento tiene que adaptarse a cada caso concreto.
La mayoría de las tecnologías de tratamiento biológico se han aplicado para casos de contaminantes naturales orgánicos. Los contaminantes que son biodegradables bajo condiciones naturales incluyen:
1) hidrocarburos del petróleo como benzeno, tolueno, etileno y xileno (BTEX) y gasolina,
2) creosota
3) compuestos orgánicos volátiles (VOC) como tricloroetileno y percloroetileno (TCE y PCE),
4) pesticidas
5) solventesorgánicos y
6) conservantes para madera.
Aunque el tratamiento biológico no puede degradar contaminantes inorgánicos (metales y radionúclidos),puede ser usado para cambiar la valencia de los mismos y causar adsorción, incorporación, acumulación y concentración de dichos compuestos, tanto en microorganismos como en organismos superiores En otros casos, puede ocurrir lo contrario y el contaminante puede ser inmovilizadoin situ
Con respecto al emplazamiento, también existen condiciones ambientales que puede retardar o incluso detener el proceso de biodegradación. Entre ellas:
1.Una concentración de contaminante demasiadoelevada o la coexistencia de otros materialestóxicos para los microorganismos.
2.Existencia de gradientes de concentración demasiado rápidos para permitir la aclimatación delos microorganismos al contaminante o contaminantes.
3.Número o tipo de microorganismos inadecuadopara la biodegradación o bien capacidad inadecuada para la colonización del subsuelo contaminado
4.Condiciones demasiado ácidas o demasiado alcalinas
5.Falta de nutrientes adecuados (tales como nitrógeno, fósforo, potasio, azufre, o elementos traza)que pueden ser necesarios para utilizar el contaminante como fuente de energía
6.La transferencia de contaminantes, desde lasbolsas de suelo saturadas por los hidrocarburos,puede estar limitada por la baja permeabilidad o existencia de estratos y como consecuencia dificultar la eficiencia de la descontaminación.
7.Condiciones de humedad desfavorables (por exceso o por defecto)
8.Escasez de oxígeno, nitrato o sulfato, necesarios para la utilización de los contaminantes como fuente de energía.Para hacer una predicción de la viabilidad del tratamiento biológico de un emplazamiento contaminado,deberían identificarse las siguientes variables:
a)Biodegradabilidad de los contaminantes.
b)Distribución de los contaminantes en suelo,agua, NAPL(fase líquida no acuosa de derivados del petróleo, en el caso de contaminaciones por hidrocarburos) y fase de vapor.
c)El potencial de lixiviación de los contaminantes(solubilidad en agua y coeficiente de adsorciónal suelo).
d)Reactividad química de los contaminantes (tendencia de reacciones no biológicas como hidrólisis, oxidación y polimerización).
e)Extensión y profundidad de la contaminación.
f)Tipo y propiedades del suelo (contenido demateria orgánica, contenido mineral, pH, porosidad, permeabilidad, densidad, humedad, nivelde nutrientes,capacidad de retención de agua,etc.).
g)Competencia biológica por oxígeno (potencial redox y niveles de oxígeno ambiental).
h)Presencia o ausencia de sustancias tóxicas paralos microorganismos.
i)Capacidad de los microorganismos del suelopara degradar los contaminantes
La biodegradación en el suelo es un complejísimo proceso, que integra difusión de contaminantes en lamatriz porosa del suelo, adsorción a la superficie del suelo y biodegradación en las biopelículas que se configuran enla superficie de las partículas de suelo y los grandes poros,así como en la fase acuosa.
Cuando se emplean reactores,en los que el suelo es tratado en forma de lodos, la biode-gradación de contaminantes ocurre tanto en la fase líquida,debido a los microorganismos liberados de la matriz delsuelo, como en la biopelícula inmovilizada en las partículas del mismo. Cuando se emplea un sistema de suelo compactado, la biodegradación que ocurre en la fase acuosa, tanto asociada como libre, es producida por losmicroorganismos inmovilizados en las partículas, siendo muy pequeña la contribución de microorganismos en suspensión, debido al bajo contenido de agua. Una forma de estudiar la capacidad de degradar biológicamente un cierto contaminante en un suelo determinado, es evaluar, conocer la tasa de respiración que tiene lugar en el suelo contaminado y que puede servir para determinar la posibilidad de éxito al estimular el crecimiento biológico en ese medio.
En general, puede decirse que el desarrollo de los modelos de biodegradación de contaminantes orgánicos ensuelos es difícil, por la existencia de una serie de factorescomplejos, entre los que pueden incluirse los siguientes:
1.La presencia de barreras que dificultan la difusión de contaminantes, oxígeno y nutrientes, en los macroporos y microporos del suelo.
2.El efecto de la adsorción química a las arcillas ya los constituyentes húmicos del suelo.
3.La presencia de otros materiales orgánicos biodegradables en el suelo.
4.Los cambios en el crecimiento microbiano, ocasionados por parasitismos de protozoos
5.El efecto de la solubilidad del compuesto en lafase acuosa.
6.La formación de biopelículas en la superficie delsuelo, relacionadas con la microflora suspendida.
7.La existencia de microflora no adaptada a lascondiciones creadas por la contaminación
Se ha observado que las tasas de difusión decontaminante y oxígeno y las cinéticas de biodegradación controlan los mecanismos de tratamiento biológico en losagregados
El éxito de un proceso biológico de descontaminación radica en la degradación de los contaminantes orgánicos y en la reducción de la toxicidad y el potencial demigración de los compuestos peligrosos en el suelo.
Desde el punto de vista microbiológico es conveniente hacer una serie de consideraciones que pueden aplicarse al tratamiento de cualquier compuesto xenobiótico:
1.En la mayoría de los sistemas naturales estánpresentes muchos microorganismos diferentes y la degradación de un compuesto xenobiótico concreto depende de la actividad de varios microorganismos
2.Es infrecuente que en los ecosistemas naturalesse encuentre presente un solo substrato. Por lo tanto es importante examinar como puede verse afectada la regulación de las vías de degradación por la presencia de diferentes tipos y concentraciones de productos que pueden inducir o inhibir,
3. En ausencia de oxígeno molecular pueden intervenir otros aceptores de electrones que inclu-yen nitrato, sulfato, carbonato, clorato, Fe (III),Cr (VI) y U (VI).
4.Un aspecto importante a tener en cuenta,es el del envejecimiento de la contaminación en el suelo
5. Tanto en los sistemas acuáticos como terrestres,los microorganismos pueden estar formandobiopelículas debido a su capacidad para secretar productos poliméricos
6. No existen organismos o grupos de organismosde aplicación universal a procesos de biodescon-taminación
VALORACIÓN DE LA EFICIENCIA DE UN TRATAMIENTO BIOLÓGICODE DESCONTAMINACIÓN
Un aspecto imprescindible en cualquier programade biodescontaminación, es la evaluación del éxito obtenido después de la aplicación del tratamiento
Algunos de estos factores difíciles de valorar son los siguientes:
1.La disminución de la concentración de los substratos no es una medida inequívoca de la degradación ocurrida ya que una parte importante delos mismos puede perderse por volatilización opor transformación
2.El ambiente es siempre de una gran heterogeneidad y por lo tanto es muy difícil encontrar un método de muestreo que sea representativoe ilustre
3.El grado de lixiviación es muy difícil de evaluar,ya que los ecosistemas suelen ser suficientemente abiertos como para que se pueda establecer un balance certero de las concentraciones de substratos iniciales y de los metabolitos producidos paradeterminar la presencia de organismos degradadores espe-cíficos y la evaluación de parámetros metabólicos queincluyen entre otros los siguientes:
–Presencia de determinados metabolitos que hayan sido identificados previamente en experimentos de laboratorio sobre rutas de degradaciónde los contaminantes implicados.
–Presencia de actividades enzimáticas específicasfrente a los substratos de interés.
TÉCNICAS PARA PREDECIRLA EFECTIVIDAD DEL TRATAMIENTOBIOLÓGICO DE UN SUELO CONTAMINADO
Existen una serie de elementos comunes, que incluyen la revisión bibliográfica, los estudios de caracterización de microcosmos y los estudios finales de optimización
Los estudios respirométricos y de mineralización, utilizando microcosmos en condiciones controladas, son los más empleados para evaluar las posibles opciones de tratamiento. Los análisis respirométricos tienen como objetivo utilizar la producción dedióxido de carbono como un índice indirecto de la actividad biológica y, por lo tanto, de la degradación del contaminante. En estos estudios, se mide el aumento de la producción de CO2 en suelos control con respecto a aquellosen que se ha añadido el contaminante objeto de estudio. Si se observa este aumento, quiere decir que el contaminanteestá siendo utilizado por los microorganismos.
Los estudios con microcosmos a escala de laboratorio requieren en general de uno a tres meses y se puedenllevar a cabo junto con otros ensayos para valorar el requerimiento de nutrientes inorgánicos y las condicionesde inhibición. Los resultados de estos estudios son, generalmente, utilizados para determinar las especificacionesde los ensayos piloto de tratamiento. Si los estudios conmicrocosmos dan resultados positivos, se pueden llevar acabo otros adicionales para optimizar la biodegradación decontaminantes.
Los factores que controlan la densidad de poblacióny la diversidad biológica de un suelo, son de dos tipos:
o
Factores fisicoquímicos.
En este grupo se incluyenla disponibilidad de carbono orgánico y de aceptores elec-trónicos, el potencial de oxidación-reducción, los nutrien-tes inorgánicos, el pH, el contenido de agua, la tempera-tura, la salinidad y la textura del suelo. La densidad depoblación microbiana disminuye generalmente con laprofundidad, debido a la disminución de la disponibilidadde carbono orgánico y oxígeno molecular.
o
Factores biológicos.
En este grupo de factores seincluyen la competencia por los recursos, la existencia depredadores como protozoos y microartrópodos y los inhi-bidores metabólicos
Según los resultados obtenidos en los estudios deecología microbiana del suelo, la enumeración de bacteriasen suelos contaminados y su comparación con los suelosnormales es un método muy útil para evaluar si aumenta elcrecimiento de la microflora indígena del suelo y, por tanto, se están metabolizando los contaminantes o si por elcontrario disminuye, lo cual indicaría el efecto inhibitorio o tóxico de dichos productos
QUÍMICA DE LOS HIDROCARBUROS DEL PETRÓLEO
El grupo de hidrocarburos del petróleo comprende un gran número de compuestos que por definición se encuentran en el combustible crudo, así como en otras fuentes de combustibles como gas natural, carbón y turba.Existen tres grupos mayoritarios en los hidrocarburos del petróleo: alcanos (parafinas), alquenos (olefinas) e hidro-carburos aromáticos
TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE CONTAMINACIONES POR PETRÓLEO Y SUS DERIVADOS
En el caso de las contaminaciones con productos derivados del petróleo, se pueden establecer tres categorías de situaciones
En las que el problema es susceptible de ser resuelto mediante procesos de descontaminación biológica:
(1)residuos de las refinerías de petróleo y contaminación del área próxima al emplazamiento de las mismas,
(2)fugas en las conducciones o en los tanques subterráneos de almacenamiento y
(3) derrames de crudo en el mar después de accidentes en buques de transporte.
Hay algunas de las consideraciones generales con relación a cualquier proceso de degradación biológica de compuestos derivados del petróleo:
1.La biodegradación de todos los hidrocarburos requiere la disponibilidad de aceptores electrónicos
2.La biodegradación de alcanos así como las rutasmetabólicas implicadas están bien identificadas
3.Muchas bacterias producen surfactantes comorespuesta a la presencia de hidrocarburos
4.En algunas ocasiones, aunque no se produzcauna biodegradación considerable, se pueden producir biotransformaciones beneficiosas.
Se debe decidir que tipo de microorganismos van a ser empleados (exógenos o indígenas) y hay que diseñar el método que va a permitir evaluar elgrado de éxito del tratamiento aplicado. En general, sepuede establecer un sistema de evaluación en tres etapasque incluye:
(1) estudios básicos de laboratorio
(2) estudios con microcosmos usando material del emplazamientocontaminado y
(3) evaluación del tratamiento en sistemasde mayor escala ya sea plantas piloto o instalaciones
insitu
Se tienen que tomar en cuenta aspectos aplicables tanto a organismos exógenos como flora indígena:
1.Examen de las rutas metabólicas implicadas
2.Requerimiento de substratos como fuente decarbono, nitrógeno, fósforo y azufre.
3.Establecimiento de los valores óptimos de temperatura, pH y concentración de oxígeno.
4.Toxicidad de substratos.
5.Inducción de enzimas catabólicas
6.Degradación de un compuesto, simultáneamenteal crecimiento del microorganismo sobre otrosubstrato compatible metabólicamente
7.Existencia de mezclas de substratos incompati-bles metabólicamente.
8.Utilización de sondas biológicas adecuadas paradetectar la presencia de microorganismos espe-cíficos.
En el caso de microflora indígena, se requieredeterminar la presencia de dichos microorganismos, su número y su actividad metabólica por procedimientos convencionales de laboratorio.
Experimentos con microcosmos
Estos experimentos deben plantearse con material recogido del emplazamiento contaminado y simular condiciones aerobias, anaerobias o microaerófilas. Deben proporcionar los datos cinéticos necesarios para el tratamientoa gran escala, fundamentalmente los siguientes:
1.Tasas de degradación o desaparición de substratos.
2.Datos sobre la existencia y la estabilidad de metabolitos y su toxicidad para otros organismos.
3.Existencia de concentraciones de substrato umbral
4.Capacidad de inducir la degradación utilizando análogos de substratos y metabolitos.
5.Estabilidad del sistema durante un tiempo deoperación prolongado
Se pueden considerar las siguientes técnicas:
(1) Empleo de substratos marcados radiactivamente(que en general no podrán utilizarse en la etapa de expe-rimentación en campo),
(2) evaluación de metabolitos y
(3) evaluación de marcadores como por ejemplo enzimasespecíficas
Tratamientos a gran escala
Es posiblementedesaconsejable evaluar estrategias alternativas una vez queel proceso a gran escala esté en marcha. Todos los problemas específicos del aumento de la escala de operacióndeben ser detectados y resueltos. Entre otros cabe destacar:
(1) movilidad de microorganismos, substratos, nutrientesy metabolitos
(2) transporte de oxígeno y mantenimientode otros aceptores de electrones, por ejemplo nitrato y
(3) estabilidad del sistema completo
Un aspecto importante a tener en cuenta es el propio proceso de atenuación natural que se pone en marcha cuando tiene lugar una contaminación.
Entre los aspectos microbiológicos, que siguen presentando las mayores incógnitas a la hora de aplicar estos procesos de descontaminación, merecen especial atención los siguientes:
a)Grado de accesibilidad de los compuestos,objeto del tratamiento, a los microorganismos que pueden efectuar su degradación.
b)Capacidad de mantener o, incluso, incrementar la población de microorganismos responsablesde la degradación.
c)Biodegradabilidad relativa de los distintos componentes en el caso de mezclas complejas decontaminantes
APLICACIONES DE HONGOS EN TRATAMIENTOS DEBIODESCONTAMINACIÓN
Aunque buena parte de los estudios de descontami-nación biológica se han centrado en bacterias por la facilidad que ofrecen para estudiar sus vías metabólicas y llevar a cabo construcciones genéticas que permitan degradar específicamente determinados compuestos contaminantes,la capacidad de los hongos para transformar una granvariedad de compuestos orgánicos y llevarlos hasta CO2 y H2O ofrece un potencial indiscutible para su utilización enprocesos de tratamiento de contaminaciones.
El elevado valor de la relación superficie/volumencelular de los hongos filamentosos les convierte en eficaces degradadores en determinados nichos como los sueloscontaminados. Por otra parte, los hongos tienen una capacidad muy notable para acumular metales pesados como cadmio, cobre, mercurio, plomo y zinc, lo que está demostrado por los aislamientos realizados en minas de cobre,zinc o plomo.
En este sentido, la investigación de la ecología y fisiología de dichos hongos juega un papel relevante en el desarrollo de biotecnologías emergentes como la obtención de pulpa biomecánica, el blanqueo enzimatico de pulpas, la decoloración de efluentes industriales (papeleros, cerveceros, azucareros...), la degradación de contaminantes orgánicos y el biotratamientode colorantes industriales.Los hongos de podredumbre blanca disponen entre otras, de una capacidad muy relevante, que es la de degradar mayoritariamente la lignina, un polímero polifenólico heterogéneo que es uno de los tres componentes principales de los sustratos lignocelulósicos
La oxidación y rupturade la molécula de lignina tiene como finalidad principal eliminar dicha barrera química y posibilitar el acceso a lospolisacáridos de la madera que constituyen una importantefuente de energía. La peculiar irregularidad estructural del polímero de lignina, hace que estas enzimas se caractericen por unos mecanismos de acción no específicos que oxidan los anillos aromáticos constitutivos de dicho polímer.Las enzimas que participan en este proceso son: ligninaperoxidasa y lacasa, una fenoloxidasaque contiene principalmente cobre.
La inespecificidad química y la intensa actividad oxidante de estas enzimas les otorga una considerable capacidad de degradar diferentes compuestos orgánicos con una estructura similar a la de las unidades monoméricas que constituyen la lignina. Entre los diferentes xenobióticos que pueden ser transformados por hongos basidiomicetos, se encuentran fundamentalmente: pesticidas,hidrocarburos aromáticos, compuestos orgánicos clorados azocolorantes, etc.
CONCLUSIONES
La biodescontaminación es un proceso espontáneoo dirigido en el cual se utilizan procedimientos biológicos,fundamentalmente microbiológicos, para degradar o transformar los contaminantes hasta formas menos tóxicas o notóxicas y mitigar, como consecuencia, la contaminaciónambiental.
En presencia de oxígeno suficiente (condiciones aerobias) y nutrientes, los microorganismos convierten, finalmente, muchos contaminantes orgánicos en dióxido de carbono, agua y biomasa microbiana. En ausenciade oxígeno, (condiciones anaerobias), el aceptor electrónico es otro compuesto distinto del oxígeno molecular, tal como sulfato, nitrato o dióxido de carbono y los contaminantes se metabolizan finalmente a metano.
La utilización de las capacidades degradadoras de los microorganismos es la base fundamental de los tratamientos biológicos de contaminaciones orgánicas.
Un requisito esencial, junto con el conocimiento de la naturaleza del emplazamiento y la elección de un protocolo adecuado, para lograr el objetivo de dichos tratamientos.El uso de metodologías adecuadas para determinar el estado de “salud” de un suelo, un ambiente acuático o la atmósfera, mediante tecnologías que incluyen la aplicación de biosensores, puede ser de gran utilidad y abre nuevas líneas en la investigación en en claves contaminados.El éxito final de un proceso de descontaminación biológica en condiciones reales requiere una aproximación multidisciplinar que incluya a especialistas en muy diversos campos. El desarrollo y aplicación de tecnologías baratas, eficaces y respetuosas con el medio ambiente depende de la integración de diversas disciplinas, así como de la profundización en el conocimiento básico de los factores fisicoquímicos, biológicos y ecológicos que gobiernan la degradación de contaminantes orgánicos in situ y ex situ.
Los hongos basidiomicetos, que han mostrado su capacidad incluso para solubilizar parcialmente el carbón, un compuesto altamente polimérico más complejo que la lignina,se configuran como uno de los grupos biológicos con más posibilidades de ser aplicados en procesos de biorremediación en el futuro.
