Introducción
La industrialización trajo consigo un incremento en las emisiones de contaminantes a todos los componentes del planeta, es decir atmósfera, hidrosfera, litósfera y biósfera, generando grandes desequilibrios ecológicos. Esta problemática ha sido abordada desde diferentes frentes, entre ellos la normativa y el desarrollo de métodos físicos y químicos para su control y eliminación, sin embargo, no ha sido suficiente debido a la falta de cumplimiento, elevados costos, baja efectividad y la generación de subproductos tóxicos, demandando una actuación integral; con este enfoque surge la biorremediación que emplea microorganismos, plantas y hongos para descontaminar ambientes y por ser un proceso natural puede superar algunas limitantes, como la generación de subproductos y los altos costos; sin embargo su efectividad está mediada por factores tanto biológicos como ambientales, lo que complica su uso a grandes escalas. En esta nota se aborda la biorremediación microbiana, para visibilizarla por su potencialidad para la descontaminación de suelos impactados con metales pesados e hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs).
La biorremediación concepto y características
La biorremediación es el proceso biotecnológico que emplea organismos vivos para la recuperación de espacios contaminados, sean estos acuáticos, terrestres o aéreos. Los organismos empleados pueden ser de diferentes tipos, entre ellos plantas, hongos, bacterias y arqueas.
Dependiendo del tipo de contaminante y sus características, los organismos biorremediadores pueden absorberlo, degradarlo, inmovilizarlo o mineralizarlo.
En la fitorremediación sólo se emplean plantas, en la biorremediación microbiana, diferentes tipos de microorganismos y en la biorremediación enzimática, se usan enzimas producidas por microrganismos que son aisladas y purificadas para posteriormente aplicarlas y catalizar la degradación de contaminantes.
El proceso puede ocurrir de forma aeróbica (en presencia de oxígeno) o anaeróbica (en ausencia de oxígeno)
Puede realizarse in situ en el mismo lugar donde está la contaminación, o ex situ que implica la extracción de los materiales contaminantes y su tratamiento en otros espacios.
Imagen de Sara Cecilia Ontiveros, publicada en prezi.com
Estrategias empleadas en la biorremediación microbiana
Los microorganismos utilizan las capacidades de biosorción, bioacumulación, biotransformación y biolixiviación, para adaptarse a entornos contaminados, porque les permiten eliminar, transformar o neutralizar metales pesados y compuestos orgánicos tóxicos. Estas capacidades son empleadas en los procesos de biorremediación como tecnologías y técnicas de tratamiento, las más comunes son: bioestimulación, bioaumentación, bioatenuación y bioventilación.
Bioestimulación: en este caso se incorporan al medio contaminado nutrientes específicos, así como la mejora de condiciones (pH, temperatura, y oxígeno) para estimular la actividad metabólica de los microorganismos autóctonos, que pueden degradar los contaminantes.
Bioaumentación: es la incorporación de microorganismos, sean estos autóctonos, foráneos o modificados, con la finalidad de incrementar su capacidad biodegradativa y por ende la degradación de los contaminantes.
Bioatenuación: ocurre como un proceso natural, la comunidad de organismos vivos opera biotransformando, eliminando o atenuando la contaminación de su entorno, este proceso puede mejorarse con bioestimulación o bioaumentación.
Bioventilación: es la inyección directa de aire en el suelo contaminado, para promover el crecimiento de microorganismos aeróbicos que biodegradan los contaminantes.
Enfoques avanzados incorporan otras tecnologías como: la rizorremediacion que emplea microorganismos de la rizosfera de las plantas, combinando fitorremediación y bioaumentación y los organismos modificados genéticamente (OMG) utilizando la tecnología de ADN recombinante, mejorando el desarrollo de vías metabólicas modificadas genéticamente.
Cultivos en condiciones de laboratorio de microorganismos con elevada potencialidad de biorremediación a) Hongo micorrícico arbuscular, b) Pseudomonas auruginosa y c) Baccillus sp.. https://ibbea.fcen.uba.ar. https://www.istockphoto.com https://www.cicy.mx
Factores que intervienen en la biorremediación microbiana
En este caso los microorganismos a través de sus vías metabólicas y las enzimas involucradas, actúan como biocatalizadores de las reacciones de degradación de los contaminantes, pero estas reacciones están mediadas por diferentes factores que afectan su efectividad, en primera instancia las características, cantidad y diversidad de la biomasa microbiana, las propiedades y concentración del contaminante, las características fisicoquímicas del ambiente y su disponibilidad para los microorganismos.
Factores biológicos: Se refiere a los procesos que surgen de la interrelación entre las especies u organismos que comparten el espacio, éstas son del tipo: desarrollo y crecimiento, tamaño y composición de las poblaciones, actividad enzimática, competencia, depredación, sucesión, mutación, transferencia horizontal de genes, entre otras.
Factores ambientales: Las condiciones ambientales del sitio donde ocurre la interacción entre microorganismos y los contaminantes, determinan la efectividad y cinética de la degradación y por tanto del proceso de biorremediación. Las más importantes son: disponibilidad de nutrientes, temperatura, concentración de oxígeno, humedad y pH
Disponibilidad de nutrientes: La presencia de macronutrientes esenciales como N y P, mejora la eficiencia de la biodegradación y contribuye al balance o relación C: N: P bacteriana que determina la continuidad de su actividad metabólica.
Temperatura: La temperatura afecta la actividad microbiana, a bajas temperaturas los procesos se ralentizan y a altas temperaturas se corre el riesgo de acabar con la población bacteriana. La mayoría de los procesos de degradación requieren temperaturas específicas, por ejemplo, las enzimas biológicas que participan en la degradación, operan en un rango específico de temperatura, por encima o por debajo de ésta disminuye su recambio metabólico.
Concentración de oxígeno: Es esencial cuando los procesos de biorremediación requieren condiciones aeróbicas.
Contenido de humedad: Influye en el crecimiento de los microorganismos, actúa como agente solubizante de los materiales, influye en la tasa metabólica de los contaminantes, así como en la presión osmótica y el pH de los sistemas terrestres y acuáticos
El pH: influye en la disponibilidad de nutrientes y la actividad enzimática de los microorganismos, afectando directamente la actividad metabólica, su crecimiento y supervivencia. Cambios significativos del pH óptimo, pueden causar la desnaturalización de enzimas, alteraciones iónicas y la inactivación microbiana repercutiendo sobre el proceso de degradación de contaminantes.
Remediación microbiana de diferentes tipos de contaminantes.
Metales pesados: La industria, minería, petroquímica y agricultura, se encuentran entre las actividades productivas que más generan contaminación con metales pesados que debido a sus propiedades recalcitrantes no se degradan biológicamente y se bioacumulan en los organismos vivos, generado daños e irreversibles al ser humano y los ecosistemas; los microorganismos emplean sus capacidades en la remediación de iones metálicos tóxicos, resultando eficaces en la facilitación del proceso de biorremediación ambiental.
Hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAPs): Son compuestos formados por carbono (C) e hidrógeno (H), el desarrollo de la humanidad se ha basado principalmente en su explotación, no obstante, los derrames petroleros y sus derivados han ocasionado desastres ambientales y contaminación; en los suelos impactados se ha evidenciado reducción e inhibición del crecimiento vegetal, cambios en la fauna, la biomasa microbiana, sus dinámicas poblacionales y contaminación de cuerpos de agua subterráneos por infiltración. Para estos casos la biorremediación microbiana juega un papel crucial y aplicando diferentes estrategias, se ha logrado en condiciones de laboratorio, promover la degradación y disminuir las cantidades de los contaminantes.
Tabla 1. Microrganismos que exhiben potencialidades y eficiencia en la biorremediación de metales pesados, hidrocarburos y pesticidas
| Microorganismo | Metal pesado | Hidrocarburo | Pesticida |
| Fusarium sp. | Con potencialidades | aceites | |
| Aspergillus niger | Pb, Cd, Cu y Ni | aceites | |
| Cunninghamella elegans | Metales pesados | HAPs | Pesticidas |
| Candida glabrata y Candida krusei | Petróleo crudo | ||
| Alcaligenes odorans | aceites | ||
| Bacillus subtilis | Pb, Cd y Cu | aceites | |
| Bacillus cereus | Pb, Cd, Cr y As | gasoil | |
| Saccharomyces cerevisiae | |||
| Pseudomonas aeruginosa | Pb, Cd, Cr y Ni | Petróleo crudo y derivados | |
| Pseudomonas spp | Fe2+, Zn2+, Pb2+, Mn2+ y Cu2 | ||
| Lysinibacillus sphaericus CBAM5 | Co, Cu, Cr y Pb | Con potencialidad para HAPs | |
| Aeromonas sp | Cu, Ni Zn | ||
| Fitorremediación asistida con Bacillus spp. | Cd, Pb, Ni, Cr, Zn, Cu | ||
| Consorcio bacteriano (Alcaligenes odorans, Bacillus subtilis, Corynebacterium propinquum, Pseudomonas aeruginosa) | Aceites | ||
| Consorcio bacteriano (Brevibacillus brevis, P. aeruginosa KH6, B. licheniformis y B. sphaericus) | Petróleo crudo | ||
| Consorcio bacteriano (Brevibacillus brevis, P. aeruginosa KH6, B. licheniformis y B. sphaericus) | Petróleo crudo | ||
| Consorcio bacteriano (Aspergillus niger, Candida glabrata, Candida krusei y Saccharomyces cerevisiae) | Petróleo crudo | ||
| Bacilo, estafilococo | Endosulfán | ||
| Enterobacterias | Clorpirifos | ||
| Pseudomonas putida, Acinetobacter sp., Arthrobacter sp. | Ridomil MZ 68 MG, Fitoraz WP 76, Decis 2.5 EC, malatión | ||
| Acenetobactor sp., Pseudomonas sp., Enterobacter sp. y Photobacterium sp. | clorpirifos y metilparatión |
Información resumida de Abatenh E, et al. (2017)
Principales ventajas y desventajas de la biorremediación
Ventajas
- Por ser un proceso natural, genera bajo impacto ambiental y pocos o ningún residuo tóxico, por lo que se considera respetuosa del ambiente, ecológica y sostenible.
- Es de bajo costo en términos económicos y energéticos.
- La biorremediación in situ evita costos de retiro y transporte de material contaminado, minimizando perturbaciones ambientales y amenazas a la salud.
- Los contaminantes generalmente son transformados en sustancias inocuas, casi no genera residuos tóxicos, inclusive se producen compuestos como agua y gases inofensivos.
- Las estrategias de biorremediación son relativamente fáciles de implementar en cualquier lugar y zona remota; se adaptan según las necesidades y condiciones de los espacios contaminados.
- Con el paso del tiempo sigue ocurriendo una reducción progresiva de los contaminantes.
- El uso de la tecnología de ADNr promete varias vías de degradación de contamiantes.
Desventajas
- Sólo es efectiva si el contaminante es biodegradable.
- Existe dificultad para escalar los resultados de condiciones de laboratorio a condiciones de campo.
- Por lo general los organismos remediadores requieren de condiciones específicas para su crecimiento, siendo dependientes de los factores biológicos y ambientales como: presencia de poblaciones microbianas, condiciones específicas para su crecimiento, nutrientes, contaminantes, entre otros.
- Se necesita de más investigación dada la especificidad y requerimientos de los organismos remediadores, dependientes de las condiciones biológicas y ambientales, así como para atender diferentes tipos de contaminación, entre ellas contaminaciones mixtas y complejas.
- Existen restricciones e inhibición bacteriana con metales pesados y radioactivos.
- Restricción de la aplicación en el ambiente de OMG empleando la tecnología de ADNr
Referencias Bibliográficas
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