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La biorremediación es un proceso que se utiliza para tratar los medios contaminados , incluido el agua, el suelo y el material del subsuelo, mediante la alteración de las condiciones ambientales para estimular el crecimiento de microorganismos y degradar los contaminantes objetivo. Los casos en los que se observa comúnmente la biorremediación son los derrames de petróleo, los suelos contaminados con drenaje minero ácido, las fugas de tuberías subterráneas y la limpieza de la escena del crimen. [1] Estos compuestos tóxicos son metabolizados por enzimas presentes en microorganismos. [2]La mayoría de los procesos de biorremediación involucran reacciones de oxidación-reducción donde se agrega un aceptor de electrones (comúnmente oxígeno) para estimular la oxidación de un contaminante reducido (por ejemplo, hidrocarburos) o se agrega un donante de electrones (comúnmente un sustrato orgánico) para reducir los contaminantes oxidados (nitrato, perclorato). , metales oxidados, solventes clorados, explosivos y propulsores). [3] La biorremediación se utiliza para reducir el impacto de los subproductos creados a partir de actividades antropogénicas, como la industrialización y los procesos agrícolas. [4] En muchos casos, la biorremediación es menos costosa y más sostenible que otras alternativas de remediación . [5] Otras técnicas de remediación incluyen, desorción térmica, vitrificación , decapado con aire , biolixiviación , rizofiltración y lavado de suelos. 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 dañinos para mejorar la calidad del suelo y el agua. [2]
Los contaminantes se pueden eliminar o reducir con diversas técnicas de biorremediación in situ o ex situ . [6] Las técnicas de biorremediación se clasifican según la localidad de tratamiento. [7] Las técnicas in situ tratan los sitios contaminados de manera no destructiva y rentable. Considerando que, las técnicas ex-situ comúnmente requieren que el sitio contaminado sea excavado, lo que aumenta los costos. [8] En ambos enfoques, se pueden agregar nutrientes, vitaminas, minerales y tampones de pH adicionales para optimizar las condiciones de los microorganismos. En algunos casos, se agregan cultivos microbianos especializados ( bioestimulación ) para mejorar aún más la biodegradación.. Algunos ejemplos de tecnologías relacionadas con la biorremediación son la fitorremediación , la bioventilación , la bioatenuación, la biocombustión , el compostaje (biopilas y hileras) y la agricultura terrestre .
La mayoría de los procesos de biorremediación involucran reacciones de oxidación-reducción ( redox ) donde una especie química dona un electrón ( donador de electrones ) a una especie diferente que acepta el electrón ( aceptor de electrones ). Durante este proceso, el donante de electrones se oxida mientras que el aceptor de electrones se reduce. Los aceptores de electrones comunes en los procesos de biorremediación incluyen oxígeno , nitrato , manganeso (III y IV), hierro (III), sulfato , dióxido de carbono.y algunos contaminantes (solventes clorados, explosivos, metales oxidados y radionucleidos). Los donantes de electrones incluyen azúcares, grasas, alcoholes, material orgánico natural, hidrocarburos combustibles y una variedad de contaminantes orgánicos reducidos. El potencial redox para reacciones de biotransformación comunes se muestra en la tabla.
Proceso | Reacción | Potencial redox (E h en mV ) |
---|---|---|
aerobio | O 2 + 4e - + 4H + → 2H 2 O | 600 ~ 400 |
anaeróbico | ||
desnitrificación | 2NO 3 - + 10e - + 12H + → N 2 + 6H 2 O | 500 ~ 200 |
reducción de manganeso IV | MnO 2 + 2e - + 4H + → Mn 2+ + 2H 2 O | 400 ~ 200 |
reducción de hierro III | Fe (OH) 3 + e - + 3H + → Fe 2+ + 3H 2 O | 300 ~ 100 |
reducción de sulfato | SO 4 2− + 8e - +10 H + → H 2 S + 4H 2 O | 0 ~ −150 |
fermentación | 2CH 2 O → CO 2 + CH 4 | −150 ~ −220 |
La bioventilación es un proceso que aumenta el flujo de oxígeno o aire hacia la zona insaturada del suelo, lo que a su vez aumenta la tasa de degradación natural in situ del contaminante de hidrocarburo objetivo. [10] La bioventilación, una biorremediación aeróbica, es la forma más común de proceso de biorremediación oxidativa donde se proporciona oxígeno como aceptor de electrones para la oxidación del petróleo , hidrocarburos poliaromáticos (PAH), fenoles y otros contaminantes reducidos. El oxígeno es generalmente el aceptor de electrones preferido debido al mayor rendimiento energético y porque algunos sistemas enzimáticos requieren oxígeno para iniciar el proceso de degradación. [11]Los microorganismos pueden degradar una amplia variedad de hidrocarburos, incluidos componentes de gasolina, queroseno, diesel y 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, aumenta simultáneamente la resistencia a la biodegradación. [11] 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 donde se agrega un aceptor de electrones (comúnmente oxígeno) para estimular la oxidación de un contaminante reducido (por ejemplo, hidrocarburos) o se agrega un donante de electrones (comúnmente un sustrato orgánico) para reducir los contaminantes oxidados (nitrato, perclorato). , metales oxidados, solventes clorados, explosivos y propulsores). [3] En ambos enfoques, se pueden agregar nutrientes, vitaminas, minerales y tampones de pH adicionales para optimizar las condiciones de 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 burbujeo de aire . [12] Los sistemas de recirculación consisten típicamente en una combinación de pozos de inyección o galerías y uno o más pozos de recuperación donde el agua subterránea extraída es tratada, oxigenada, enmendada con nutrientes y reinyectada. [13] Sin embargo, la cantidad de oxígeno que puede proporcionarse con 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 O2 ) al agua. En algunos casos, se inyectan lechadas de peróxido de calcio o magnesio sólido a 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 burbujeo de aire implica la inyección de aire a 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. [12] [13]
La biorremediación puede ser realizada por bacterias que se encuentran naturalmente presentes en el ambiente o añadiendo nutrientes, este proceso se denomina bioestimulación. [6]
Las bacterias, también conocidas como microbios, se encuentran de forma natural en el medio ambiente y se utilizan para degradar los hidrocarburos. [14] Muchos procesos biológicos son sensibles al pH y funcionan de manera más eficiente en condiciones casi neutras. El pH bajo puede interferir con la homeostasis del pH o aumentar la solubilidad de metales tóxicos. Los microorganismos pueden gastar energía celular para mantener la homeostasis o las condiciones citoplasmáticas pueden cambiar en respuesta a cambios externos en el pH. Los anaerobios se han adaptado a las condiciones de pH bajo a través de alteraciones en el flujo de carbono y electrones, la morfología celular, la estructura de la membrana y la síntesis de proteínas. [15]
La biorremediación que utiliza microbios funciona mediante el uso de un consorcio microbiano . En este contexto, un consorcio microbiano es una población de microbios asociada simbióticamente que sobrevive utilizando los metabolitos secundarios de las especies que los rodean. Una especie individual de microbios generalmente es incapaz de descomponer completamente moléculas complejas, pero puede degradar parcialmente un compuesto. Otra parte de esa molécula parcialmente digerida puede ser degradada por otra especie del consorcio, un patrón que puede repetirse hasta que el contaminante ambiental se descomponga en subproductos inofensivos. [dieciséis]
En caso de bioestimulación, la adición de nutrientes limitados para hacer que el ambiente sea más adecuado para la biorremediación, se pueden agregar al sistema nutrientes como nitrógeno, fósforo, oxígeno y carbono para mejorar la efectividad del tratamiento. [18] Los nutrientes son necesarios para la biodegradación de la contaminación por hidrocarburos y pueden utilizarse para reducir la producción negativa en el medio ambiente. [19] Específicamente para los derrames de hidrocarburos marinos, el nitrógeno y el fósforo han sido nutrientes clave en la biodegradación. [20]
Muchos procesos biológicos son sensibles al pH y funcionan de manera más eficiente en condiciones casi neutras. El pH bajo puede interferir con la homeostasis del pH o aumentar la solubilidad de metales tóxicos. Los microorganismos pueden gastar energía celular para mantener la homeostasis o las condiciones citoplasmáticas pueden cambiar en respuesta a cambios externos en el pH. Algunos anaerobios se han adaptado a las condiciones de pH bajo a través de alteraciones en el flujo de carbono y electrones, la morfología celular, la estructura de la membrana y la síntesis de proteínas. [15]
La biorremediación anaeróbica se puede emplear para tratar una amplia gama de contaminantes oxidados, incluidos etilenos clorados ( PCE , TCE , DCE , VC) , etanos clorados ( TCA , DCA ), clorometanos ( CT , CF ), hidrocarburos cíclicos clorados, diversas energías (p. Ej., perclorato , [21] RDX , TNT ) y nitrato . [6]Este proceso implica la adición de un donante de electrones para: 1) agotar los aceptores de electrones de fondo, incluidos oxígeno, nitrato, hierro oxidado y 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]) se pueden reducir a formas menos móviles y / o menos tóxicas (por ejemplo, Cr [III], U [IV]). De manera similar, la reducción de sulfato a sulfuro (sulfidogénesis) se puede utilizar para precipitar ciertos metales (p. Ej., Zinc , cadmio). La elección del sustrato y el método de inyección dependen del tipo de contaminante y la distribución en el acuífero, la hidrogeología y los objetivos de remediación. El sustrato se puede agregar usando instalaciones de pozos convencionales, mediante tecnología de empuje directo o mediante excavación y relleno, como barreras reactivas permeables (PRB) o biopared. [22] Los productos de liberación lenta compuestos de 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, que incluyen acetato, lactato, propionato y butirato, proporcionan carbono y energía para el metabolismo bacteriano. [6] [3]
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. [23] Si bien no hay participación antropogénica en la bioatenuación, el sitio contaminado aún debe ser monitoreado. [23]
Bioparging es el proceso de remediación del agua subterránea a medida que se inyecta oxígeno y posibles nutrientes. Cuando se inyecta oxígeno, las bacterias autóctonas se estimulan para aumentar la tasa de degradación. [24] Sin embargo, la bioespuma se centra en zonas saturadas contaminadas, específicamente relacionadas con la remediación de aguas subterráneas. [25]
Las biopilas, similares a la bioventilación, se utilizan para reducir los contaminantes del petróleo mediante la introducción de hidrocarburos aeróbicos en suelos contaminados. Sin embargo, el suelo se excava y se apila con un sistema de aireación. Este sistema de aireación mejora la actividad microbiana al introducir oxígeno a presión positiva o elimina el oxígeno a presión negativa. [26]
Los sistemas de hileras son similares a las técnicas de compostaje en las que la tierra se revuelve periódicamente para mejorar la aireación. [28] Este cambio periódico también permite que los contaminantes presentes en el suelo se distribuyan uniformemente, lo que acelera el proceso de biorremediación. [29]
Landfarming, o tratamiento de la tierra, es un método comúnmente utilizado para los derrames de lodos. Este método dispersa el suelo contaminado y airea el suelo mediante rotación cíclica. [30] Este proceso es una aplicación terrestre anterior y se requiere que los suelos contaminados sean poco profundos para estimular la actividad microbiana. Sin embargo, si la contaminación es más profunda de 5 pies, entonces se requiere excavar el suelo por encima del suelo. [13]
Los metales pesados se vuelven presentes en el medio ambiente debido a actividades antropogénicas o factores naturales. [6] 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. [6] Los metales pesados, incluidos el cadmio, el cromo, el plomo y el uranio, son distintos de los compuestos orgánicos y no pueden biodegradarse. Sin embargo, los procesos de biorremediación pueden potencialmente usarse para reducir la movilidad de estos materiales en el subsuelo, reduciendo el potencial de exposición humana y ambiental. [31] Los metales pesados de estos factores están presentes predominantemente en las fuentes de agua debido a la escorrentía donde es absorbida por la fauna y la flora marinas. [6]
La movilidad de ciertos metales, incluidos el cromo (Cr) y el uranio (U), varía según el estado de oxidación del material. [32] Se pueden utilizar microorganismos para reducir la toxicidad y la movilidad del cromo reduciendo el cromo hexavalente, Cr (VI) a Cr (III) trivalente. [33] El uranio se puede reducir del estado de oxidación U (VI) más móvil al estado de oxidación U (IV) menos móvil. [34] [35] Los microorganismos se utilizan en este proceso porque la tasa de reducción de estos metales a menudo es lenta a menos que sea catalizada por interacciones microbianas [36] También se están realizando investigaciones para desarrollar métodos para eliminar metales del agua mejorando la sorción del metal en paredes celulares. [36] Este enfoque ha sido evaluado para el tratamiento de cadmio, [37] cromo, [38] y plomo. [39] Los procesos de fitoextracción concentran los contaminantes en la biomasa para su posterior eliminación.
La biorremediación se puede utilizar para mineralizar completamente los contaminantes orgánicos, transformar parcialmente los contaminantes o alterar su movilidad. Los metales pesados y los radionúclidos son elementos que no se pueden biodegradar, pero que pueden transformarse en formas menos móviles. [40] [41] [42] En algunos casos, los microbios no mineralizan completamente el contaminante, produciendo potencialmente un compuesto más tóxico. [42] Por ejemplo, en condiciones anaeróbicas, la deshalogenación reductora de TCE puede producir dicloroetileno (DCE) y cloruro de vinilo (VC), que son carcinógenos sospechosos o conocidos . [40]Sin embargo, el microorganismo Dehalococcoides puede reducir aún más el DCE y VC al producto no tóxico eteno. [43] Se requiere investigación adicional para desarrollar métodos que aseguren que los productos de la biodegradación sean menos persistentes y menos tóxicos que el contaminante original. [42] Por tanto, se deben conocer las vías metabólicas y químicas de los microorganismos de interés. [40] Además, conocer estas vías ayudará a desarrollar nuevas tecnologías que puedan hacer frente a sitios que tienen distribuciones desiguales de una mezcla de contaminantes. [24]
Además, para que se produzca la biodegradación, debe haber una población microbiana con la capacidad metabólica para degradar el contaminante, un entorno con las condiciones de crecimiento adecuadas para los microbios y la cantidad adecuada de nutrientes y contaminantes. [24] [41] Los procesos biológicos usados por estos microbios son altamente específicos, por lo tanto, muchos factores ambientales deben ser tomados en cuenta y regulados también. [24] [40] Por lo tanto, los procesos de biorremediación deben realizarse específicamente de acuerdo con las condiciones del sitio contaminado. [40] Muchos factores son interdependientes, como las pruebas a pequeña escala que generalmente se realizan antes de realizar el procedimiento en el sitio contaminado. [41]Sin embargo, puede ser difícil extrapolar los resultados de los estudios de prueba a pequeña escala a grandes operaciones de campo. [24] En muchos casos, la biorremediación lleva más tiempo que otras alternativas como el relleno de vertederos y la incineración . [24] [40] Otro ejemplo es la bioventilación, que es económica para biorremediación de sitios contaminados, sin embargo, este proceso es extenso y puede llevar algunos años descontaminar un sitio. [7]
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 plaguicidas es la baja biodisponibilidad. [44] La alteración del pH y la temperatura del suelo contaminado es una resolución para aumentar la biodisponibilidad que, a su vez, aumenta la degradación de compuestos nocivos. [44] El compuesto acrilonitrilo se produce comúnmente en entornos industriales, pero contamina adversamente los suelos. Los microorganismos que contienen nitrilo hidratasas (NHasa) degradan los compuestos de acrilonitrilo nocivos en sustancias no contaminantes. [45]
Dado que la experiencia con contaminantes dañinos es limitada, se requieren prácticas de laboratorio para evaluar la efectividad, los diseños de tratamiento y estimar los tiempos de tratamiento. [7] Los procesos de biorremediación pueden tardar de varios meses a varios años, según el tamaño del área contaminada. [46]
El uso de la ingeniería genética para crear organismos diseñados específicamente para la biorremediación se encuentra bajo investigación preliminar. [47] Se pueden insertar dos categorías de genes en el organismo: genes degradantes que codifican proteínas necesarias para la degradación de contaminantes y genes indicadores que pueden controlar los niveles de contaminación. [48] 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 a una escala moderadamente grande. [49]
Existe preocupación en torno a la liberación y contención de organismos modificados genéticamente en el medio ambiente debido al potencial de la transferencia horizontal de genes. [50] Los organismos genéticamente modificados se clasifican y controladas por el Acta de Control de Sustancias Tóxicas de 1976 en virtud de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos . [51] Se han creado medidas para abordar estas preocupaciones. Los organismos pueden modificarse de modo que solo puedan sobrevivir y crecer en un conjunto específico de condiciones ambientales. [50] Además, el rastreo de organismos modificados puede facilitarse con la inserción de genes de bioluminiscencia para identificación visual. [52]
Se han creado organismos genéticamente modificados para tratar derrames de petróleo y descomponer ciertos plásticos (PET). [53]
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