Biorremediación

La biorremediación se refiere en términos generales a cualquier proceso en el que se emplea un sistema biológico (típicamente bacterias, microalgas, hongos y plantas), vivo o muerto, para eliminar contaminantes ambientales del aire, agua, suelo, gases de combustión, efluentes industriales, etc., en forma natural o artificial. ajustes. La capacidad natural de los organismos para adsorber, acumular y degradar contaminantes comunes y emergentes ha atraído el uso de recursos biológicos en el tratamiento del medio ambiente contaminado. En comparación con los métodos de tratamiento fisicoquímicos convencionales que sufren graves inconvenientes, la biorremediación es sostenible, ecológica, barata y escalable. La mayor parte de la biorremediación es involuntaria e involucra organismos nativos. La investigación sobre biorremediación se centra en gran medida en estimular el proceso mediante la inoculación de un sitio contaminado con organismos o el suministro de nutrientes para promover el crecimiento. En principio, la biorremediación podría usarse para reducir el impacto de los subproductos creados a partir de actividades antropogénicas, como la industrialización y los procesos agrícolas. La biorremediación podría resultar menos costosa y más sostenible que otras alternativas de remediación.

UNICEF, los productores de energía, los proveedores de agua a granel y los gobiernos locales son los primeros en adoptar la biorremediación de bajo costo, como tabletas de bacterias aeróbicas que simplemente se dejan caer en el agua.

Los contaminantes orgánicos son generalmente más susceptibles a la biodegradación que los metales pesados. Las biorremediaciones típicas implican oxidaciones. Las oxidaciones mejoran la solubilidad en agua de los compuestos orgánicos y su susceptibilidad a una mayor degradación por oxidación e hidrólisis adicionales. En última instancia, la biodegradación convierte los hidrocarburos en dióxido de carbono y agua. Para los metales pesados, la biorremediación ofrece pocas soluciones. Los contaminantes que contienen metales se pueden eliminar o reducir con diversas técnicas de biorremediación. El principal desafío de las biorremediaciones es la velocidad: los procesos son lentos.

Las técnicas de biorremediación se pueden clasificar como (i) técnicas in situ, que tratan los sitios contaminados directamente, frente a (ii) técnicas ex situ que se aplican a los materiales excavados.En ambos enfoques, se agregan nutrientes, vitaminas, minerales y tampones de pH adicionales para mejorar el crecimiento y el metabolismo de los microorganismos. En algunos casos se añaden cultivos microbianos especializados (bioestimulación). Algunos ejemplos de tecnologías relacionadas con la biorremediación son la fitorremediación, la bioventilación, la bioatenuación, la bioaspersión, el compostaje (biopilas y hileras) y la agricultura de tierras. Otras técnicas de remediación incluyen la desorción térmica, la vitrificación, la extracción con aire, la biolixiviación, la rizofiltración y el lavado del suelo. El tratamiento biológico, la biorremediación, es un enfoque similar que se utiliza para tratar los desechos, incluidas las aguas residuales, los desechos industriales y los desechos sólidos. El objetivo final de la biorremediación es eliminar o reducir los compuestos nocivos para mejorar la calidad del suelo y el agua.

Técnicas in situ

Bioventilación

La bioventilación es un proceso que aumenta el flujo de oxígeno o aire en la zona no saturada del suelo, lo que a su vez aumenta la tasa de degradación natural in situ del contaminante de hidrocarburo objetivo. La bioventilación, una biorremediación aeróbica, es la forma más común de proceso de biorremediación oxidativa en el que se proporciona oxígeno como aceptor de electrones para la oxidación del petróleo, los hidrocarburos poliaromáticos (PAH), los fenoles y otros contaminantes reducidos. El oxígeno es generalmente el aceptor de electrones preferido debido a la mayor producción de energía y porque algunos sistemas enzimáticos requieren oxígeno para iniciar el proceso de degradación.Los microorganismos pueden degradar una amplia variedad de hidrocarburos, incluidos los componentes de la gasolina, el queroseno, el diésel y el combustible para aviones. En condiciones aeróbicas ideales, las tasas de biodegradación de los compuestos alifáticos, alicíclicos y aromáticos de peso bajo a moderado pueden ser muy altas. A medida que aumenta el peso molecular del compuesto, la resistencia a la biodegradación aumenta simultáneamente. Esto da como resultado compuestos volátiles más contaminados debido a su alto peso molecular y una mayor dificultad para eliminarlos del medio ambiente.

La mayoría de los procesos de biorremediación involucran reacciones de oxidación-reducción en las que se agrega un aceptor de electrones (comúnmente oxígeno) para estimular la oxidación de un contaminante reducido (por ejemplo, hidrocarburos) o un donador de electrones (comúnmente un sustrato orgánico) para reducir los contaminantes oxidados (nitrato, perclorato, metales oxidados, solventes clorados, explosivos y propelentes). En ambos enfoques, se pueden agregar nutrientes, vitaminas, minerales y tampones de pH adicionales para optimizar las condiciones para los microorganismos. En algunos casos, se agregan cultivos microbianos especializados (bioaumentación) para mejorar aún más la biodegradación.

Los enfoques para la adición de oxígeno por debajo del nivel freático incluyen la recirculación de agua aireada a través de la zona de tratamiento, la adición de oxígeno puro o peróxidos y el rociado de aire. Los sistemas de recirculación típicamente consisten en una combinación de galerías o pozos de inyección y uno o más pozos de recuperación donde el agua subterránea extraída es tratada, oxigenada, modificada con nutrientes y reinyectada. Sin embargo, la cantidad de oxígeno que puede proporcionar este método está limitada por la baja solubilidad del oxígeno en agua (8 a 10 mg/L para agua en equilibrio con aire a temperaturas típicas). Se pueden proporcionar mayores cantidades de oxígeno poniendo en contacto el agua con oxígeno puro o añadiendo peróxido de hidrógeno (H ₂ O ₂) al agua. En algunos casos, las lechadas de peróxido de calcio o magnesio sólido se inyectan bajo presión a través de perforaciones en el suelo. Estos peróxidos sólidos reaccionan con el agua liberando H ₂ O ₂ que luego se descompone liberando oxígeno. El rociado de aire implica la inyección de aire bajo presión por debajo del nivel freático. La presión de inyección de aire debe ser lo suficientemente grande para superar la presión hidrostática del agua y la resistencia al flujo de aire a través del suelo.

Bioestimulación

La biorremediación puede llevarse a cabo mediante bacterias que están presentes de forma natural. En la bioestimulación, la población de estas bacterias útiles se puede aumentar mediante la adición de nutrientes.

En principio, las bacterias pueden utilizarse para degradar hidrocarburos. Específicamente para los derrames de petróleo en el mar, el nitrógeno y el fósforo han sido nutrientes clave en la biodegradación. La biorremediación de hidrocarburos adolece de bajas tasas.

La biorremediación puede implicar la acción de un consorcio microbiano. Dentro del consorcio, el producto de una especie podría ser el sustrato de otra especie.

En principio, la biorremediación anaeróbica se puede emplear para tratar una variedad de contaminantes oxidados, incluidos los etilenos clorados (PCE, TCE, DCE, VC), los etanos clorados (TCA, DCA), los clorometanos (CT, CF), los hidrocarburos cíclicos clorados, varios energéticos (por ejemplo,, perclorato, RDX, TNT) y nitrato.Este proceso implica la adición de un donante de electrones para: 1) agotar los aceptores de electrones de fondo, incluidos oxígeno, nitrato, hierro oxidado, manganeso y sulfato; y 2) estimular la reducción biológica y/o química de los contaminantes oxidados. El cromo hexavalente (Cr[VI]) y el uranio (U[VI]) pueden reducirse a formas menos móviles y/o menos tóxicas (p. ej., Cr[III], U[IV]). De manera similar, la reducción de sulfato a sulfuro (sulfidogénesis) se puede usar para precipitar ciertos metales (p. ej., zinc, cadmio). La elección del sustrato y el método de inyección dependen del tipo de contaminante y su distribución en el acuífero, la hidrogeología y los objetivos de remediación. El sustrato se puede agregar mediante instalaciones de pozos convencionales, mediante tecnología de empuje directo o mediante excavación y relleno, como barreras reactivas permeables (PRB) o biowalls.Los productos de liberación lenta compuestos por aceites comestibles o sustratos sólidos tienden a permanecer en su lugar durante un período de tratamiento prolongado. Los sustratos solubles o los productos de fermentación solubles de sustratos de liberación lenta pueden migrar potencialmente por advección y difusión, proporcionando zonas de tratamiento más amplias pero de vida más corta. Los sustratos orgánicos agregados primero se fermentan a hidrógeno (H ₂) y ácidos grasos volátiles (AGV). Los AGV, incluidos acetato, lactato, propionato y butirato, proporcionan carbono y energía para el metabolismo bacteriano.

Bioatenuación

Durante la bioatenuación, la biodegradación ocurre naturalmente con la adición de nutrientes o bacterias. Los microbios autóctonos presentes determinarán la actividad metabólica y actuarán como una atenuación natural. Si bien no hay participación antropogénica en la bioatenuación, el sitio contaminado aún debe ser monitoreado.

Bioaspersión

La bioaspersión es el proceso de remediación de aguas subterráneas a medida que se inyecta oxígeno y posibles nutrientes. Cuando se inyecta oxígeno, se estimulan las bacterias autóctonas para aumentar la tasa de degradación. Sin embargo, la bioaspersión se enfoca en zonas contaminadas saturadas, específicamente relacionadas con la remediación de aguas subterráneas.

Técnicas ex situ

Biopilas

Las biopilas, similares a la bioventilación, se utilizan para reducir los contaminantes derivados del petróleo mediante la introducción de hidrocarburos aeróbicos en los suelos contaminados. Sin embargo, el suelo se excava y se amontona con un sistema de aireación. Este sistema de aireación mejora la actividad microbiana al introducir oxígeno bajo presión positiva o elimina el oxígeno bajo presión negativa.

Hileras

Los sistemas de hileras son similares a las técnicas de compost en las que la tierra se remueve periódicamente para mejorar la aireación. Este volteo periódico también permite que los contaminantes presentes en el suelo se distribuyan uniformemente, lo que acelera el proceso de biorremediación.

El cultivo de la tierra

Landfarming, o tratamiento de tierras, es un método comúnmente utilizado para los derrames de lodos. Este método dispersa el suelo contaminado y airea el suelo rotando cíclicamente. Este proceso es una aplicación anterior a la tierra y se requiere que los suelos contaminados sean poco profundos para estimular la actividad microbiana. Sin embargo, si la contaminación es más profunda que 5 pies, entonces se requiere excavar el suelo hasta la superficie.

Metales pesados

Los metales pesados ​​se vuelven presentes en el medio ambiente debido a actividades antropogénicas o factores naturales. Las actividades antropogénicas incluyen emisiones industriales, desechos electrónicos y extracción de minerales. Los factores naturales incluyen la meteorización mineral, la erosión del suelo y los incendios forestales. Los metales pesados, incluidos el cadmio, el cromo, el plomo y el uranio, son diferentes a los compuestos orgánicos y no se pueden biodegradar. Sin embargo, los procesos de biorremediación pueden usarse potencialmente para reducir la movilidad de estos materiales en el subsuelo, reduciendo el potencial de exposición humana y ambiental. Los metales pesados ​​de estos factores están predominantemente presentes en las fuentes de agua debido a la escorrentía donde son absorbidos por la fauna y flora marina.

La movilidad de ciertos metales, incluidos el cromo (Cr) y el uranio (U), varía según el estado de oxidación del material. Se pueden utilizar microorganismos para reducir la toxicidad y la movilidad del cromo al reducir el cromo hexavalente, Cr(VI) a Cr trivalente (III). El uranio se puede reducir del estado de oxidación U(VI) más móvil al estado de oxidación U(IV) menos móvil. Los microorganismos se utilizan en este proceso porque la tasa de reducción de estos metales suele ser lenta a menos que sea catalizada por interacciones microbianas. También se están realizando investigaciones para desarrollar métodos para eliminar metales del agua mejorando la absorción del metal en las paredes celulares. Este enfoque ha sido evaluado para el tratamiento de cadmio, cromo y plomo.Los procesos de fitoextracción concentran los contaminantes en la biomasa para su posterior eliminación.

Pesticidas

Para varios herbicidas y otros pesticidas se han investigado heterótrofos aeróbicos y anaeróbicos.

Limitaciones de la biorremediación

La biorremediación se puede utilizar para mineralizar completamente los contaminantes orgánicos, transformarlos parcialmente o alterar su movilidad. Los metales pesados ​​y los radionucleidos son elementos que no pueden biodegradarse, pero pueden biotransformarse en formas menos móviles. En algunos casos, los microbios no mineralizan completamente el contaminante, produciendo potencialmente un compuesto más tóxico. Por ejemplo, en condiciones anaeróbicas, la deshalogenación reductora de TCE puede producir dicloroetileno (DCE) y cloruro de vinilo (VC), que se sospecha o se sabe que son carcinógenos. Sin embargo, el microorganismo Dehalococcoides puede reducir aún más el DCE y el VC al producto no tóxico eteno. Las vías moleculares para la biorremediación son de gran interés.Además, conocer estas vías ayudará a desarrollar nuevas tecnologías que puedan lidiar con sitios que tienen distribuciones desiguales de una mezcla de contaminantes.

La biodegradación requiere una población microbiana con capacidad metabólica para degradar el contaminante. Los procesos biológicos utilizados por estos microbios son muy específicos, por lo tanto, también se deben tener en cuenta y regular muchos factores ambientales. Puede ser difícil extrapolar los resultados de los estudios de prueba a pequeña escala a operaciones de campo grandes. En muchos casos, la biorremediación lleva más tiempo que otras alternativas, como el relleno sanitario y la incineración. Otro ejemplo es la bioventilación, que es económica para biorremediar sitios contaminados; sin embargo, este proceso es extenso y puede llevar algunos años descontaminar un sitio. >

En las industrias agrícolas, el uso de pesticidas es un factor principal en la contaminación directa del suelo y la contaminación del agua de escorrentía. La limitación o remediación de los pesticidas es la baja biodisponibilidad. Alterar el pH y la temperatura del suelo contaminado es una resolución para aumentar la biodisponibilidad que, a su vez, aumenta la degradación de compuestos nocivos.

El compuesto acrilonitrilo se produce comúnmente en entornos industriales, pero contamina negativamente los suelos. Los microorganismos que contienen nitrilo hidratasas (NHase) degradaron los compuestos nocivos de acrilonitrilo en sustancias no contaminantes.

Dado que la experiencia con contaminantes nocivos es limitada, se requieren prácticas de laboratorio para evaluar la eficacia, los diseños de tratamiento y estimar los tiempos de tratamiento. Los procesos de biorremediación pueden tomar de varios meses a varios años dependiendo del tamaño del área contaminada.

Ingeniería genética

El uso de la ingeniería genética para crear organismos diseñados específicamente para la biorremediación está bajo investigación preliminar. Se pueden insertar dos categorías de genes en el organismo: genes degradativos que codifican las proteínas requeridas para la degradación de los contaminantes y genes informadores que pueden monitorear los niveles de contaminación. Numerosos miembros de Pseudomonas también se han modificado con el gen lux, pero para la detección del hidrocarburo poliaromático naftaleno. Una prueba de campo para la liberación del organismo modificado ha tenido éxito en una escala moderadamente grande.

Existen preocupaciones en torno a la liberación y contención de organismos genéticamente modificados en el medio ambiente debido al potencial de transferencia horizontal de genes. Los organismos genéticamente modificados están clasificados y controlados bajo la Ley de Control de Sustancias Tóxicas de 1976 bajo la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos. Se han creado medidas para abordar estas preocupaciones. Los organismos pueden modificarse de tal manera que solo puedan sobrevivir y crecer bajo conjuntos específicos de condiciones ambientales. Además, el seguimiento de organismos modificados puede facilitarse con la inserción de genes de bioluminiscencia para la identificación visual.

Se han creado organismos genéticamente modificados para tratar derrames de petróleo y descomponer ciertos plásticos (PET).