ARTICULO 3: SOLUCIONANDO GRANDES PROBLEMAS AMBIENTALES CON LA AYUDA DE PEQUEÑOS AMIGOS: LAS TÉCNICAS DE BIORREMEDIACION

Solucionando grandes problemas ambientales con la ayuda de pequeños amigos: las técnicas de biorremediacion

 Podemos definir biorremediacion como la utilización de seres vivos para solucionar un problema ambiental, tales como suelo a agua subterránea contaminados. En un ambiente no contaminado, las bacterias, los hongos, los parásitos y los microorganismos heterotróficos degradan constantemente la materia orgánica disponible, para obtener energía. Cuando un agente contaminante orgánico, combustible, petróleo u otro es accidentalmente liberado en un ambiente dado, algunos de los microorganismos indígenas morirán, mientras que sobrevivirán algunos otros capaces de degradar estos compuestos orgánicos. La biorremediacion trabaja proveyendo a estos organismos de nutrientes, oxigeno y otras condiciones.

 Dependiendo del sitio y de sus contaminantes, la biorremediacion puede ser más segura y menos costosa que soluciones alternativas tales como la incineración o el enterramiento de las materias contaminadas.

Biorremediacion puede definirse como la respuesta biológica al abuso. Esta definición permite distinguir entre el uso de microorganismos para recuperar áreas contaminadas y para tratamientos de residuos tanto industriales como domiciliarios. Distintas situaciones de abuso ambiental pueden observarse en las figuras 1, 2 y 3.

Figura 1. Típico aspecto del riachuelo. Las aguas oscuras cargadas de residuos orgánicos, derivados del petróleo, cientos de tóxicos y escasas en oxigeno no permiten el desarrollo de una fauna y flora normal.

Figura 2. Descarga directa sin pre-tratamiento, de residuos orgánicos originados en una empresa cárnica (frigorífico).

Figura 3. Arroyo Bonaerense. Se observa la acumulación de basura luego de una crecida; la espuma indica la presencia de detergentes en el agua.

Debe tenerse en cuenta el destino del área que desea descontaminarse. Por ejemplo, en el caso de un ecosistema acuático, deberá definirse cuáles serán los usos que tendrán esas aguas: pueden ser destinadas a producir agua potable, para usos de recreación (balnearios), empleadas en agricultura o ganadería, como reserva biológica u otros usos. El objetivo de la biorremediacion es eliminar, o al menos disminuir la concentración de sustancias potencialmente tóxicas, dispersadas accidentalmente o no en suelos y/o cuerpos de agua superficial o subterránea, utilizando como parte fundamental del proceso a los microorganismos.

Los microorganismos utilizados en biorremediacion son generalmente no-fotosintéticos; ecológicamente ocupan el nivel trófico (de alimentación) denominado de los des componedores, en el que los hongos y bacterias son componentes principales. Estos organismos están presentes en prácticamente todos los lugares del planeta, inclusive a profundidades y temperaturas que se creía libres de ellos, como los pozos petrolíferos profundos.

¿Cómo Obtienen Energía los Microorganismos?

Hay diversas formas por las cuales los organismos son capaces de producir la energía necesaria para su crecimiento y reproducción (White, 1995):

1.   Fotosíntesis

2.  Oxidación de compuestos inorgánicos

3.  Oxidación de compuestos orgánicos

En este artículo nos referiremos específicamente a la tercera categoría, formada por organismos heterotróficos, capaces de degradar materias orgánicas y tóxicas orgánicas. Los caminos metabólicos que pueden emplear los microorganismos presentes en esta categoría se pueden clasificar en tres grupos; el primero de ellos depende del oxígeno (aeróbico) como aceptor final de electrones, mientras que los otros dos se realizan en ausencia de oxígeno (anaeróbico).

La acción de los microorganismos anaeróbicos es más lenta, pero en contrapartida son capaces de degradar compuestos más tóxicos o con escasos lugares atacables enzimáticamente en sus moléculas, como los hidrocarburos aromáticos policíclicos, solventes clorados y pesticidas. El más simple sistema anaeróbico es el de los digestores, que utilizan un tanque mezclador que puede operar de modo continuo o discontinuo (batch); como subproducto de su operación puede obtenerse metano

a) Respiración aeróbica. Este es el proceso más eficiente de los tres (en cuanto a la producción de energía o ATPs), por lo que es el elegido por los microorganismos siempre que esté presente el oxígeno (que es el aceptor final de los electrones) y, por supuesto, que tenga la maquinaria enzimática para realizar el proceso (Fig. 4).

Figura 4. Esquemas de diferentes tipos de metabolismos microbianos

Estos organismos son utilizados en las plantas de tratamiento de aguas cloacales e industriales. Su función básicamente se lleva a cabo poniendo en contacto las aguas residuales con una población microbiana aclimatada, y controlando cuidadosamente las condiciones ambientales (nutrientes, concentración de gases, concentración de tóxicos, etc.). Los organismos aeróbicos degradan la materia orgánica más rápidamente y eficientemente que los anaeróbicos, por lo que generalmente son los utilizados en los procesos de depuración de aguas, o lodos.

b) Respiración anaeróbica. Es similar a la respiración aeróbica, con la diferencia de que el último aceptor de los electrones no es el oxígeno (sino nitratos, sulfatos, hidrógeno, etc.) sólo pueden crecer en ausencia total de oxígeno (el oxígeno es tóxico para ellos). Es un grupo pequeño (pocas especies) de organismos, formado sólo por bacterias (Fig. 4). Importantes representantes son las bacterias metanogénicas y las bacterias sulfatorreductoras.

c) Fermentación: Algunos organismos obtienen energía de la degradación de compuestos orgánicos, degradándolos sólo parcialmente (Fig. 4). Tanto el donador como el aceptor de los electrones es una molécula orgánica. Dependiendo de los organismos involucrados, tanto los productos como los substratos utilizados pueden ser muy variables.

Se entiende por biorremediacion in situ a aquellos procesos que utilizan microorganismos para degradar sustancias peligrosas en el suelo y agua con mínima alteración de la estructura del suelo. Usualmente el objetivo es realizarlo en forma aeróbica.

Ejemplo 1. Derrame de hidrocarburos

Consideremos un caso frecuente de contaminación: El derrame de hidrocarburos sobre el suelo. Normalmente, en este tipo de derrames, el petróleo se mueve hacia las capas subyacentes del suelo, pudiendo alcanzar el nivel de las aguas subterráneas, y moverse en la dirección de éstas alcanzando zonas algunos kilómetros "aguas abajo" en la dirección de flujo de las aguas freáticas, formando lo que se denomina una "pluma", como puede verse en la Figura 5.

Figura 5. Típica pluma de hidrocarburos. El hidrocarburo percola a través del suelo, y se acumula sobre subterránea, ya que flota sobre ella.

La implementación del proceso de biorremediacion (luego de una limpieza por métodos físicos, si esto fuera necesario) en una situación de este tipo podría involucrar los siguientes pasos:

1) Retirada de la fase líquida no acuosa (NALP). Si existe una fase no acuosa de hidrocarburo (NALP en la terminología anglosajona), debe procederse a su remoción, ya que es una fuente concentrada del material peligroso. Difícilmente pueda degradarse in situ, debido a su elevada toxicidad; la manera más económica de realizar este proceso es bombeando este líquido, y separando en la superficie el petróleo del agua.

2) Estudios hidrogeológicos. El agua subterránea transporta los contaminantes, y si se considera necesario eliminarlos de ella, será necesario realizar estudios hidrogeológicos que permitan establecer el tamaño de la "pluma", la dirección y la velocidad de flujo de las aguas subterráneas en esa zona. Para esto deben perforarse pozos de inspección, que permitan muestrear el grado y extensión de la contaminación. Estudios sobre las características y composición del suelo, y estimar la cantidad de líquido que deberá ser tratado.

3) Estudios microbiológicos. Es necesario estudiar el comportamiento de los microorganismos indígenas a los fines de evaluar la velocidad con la que degradan los contaminantes, realizar mezclas del suelo contaminado con materia orgánica (compost) y estudiar el grado de degradación conseguido por bacterias y hongos.

4) Elección de la ingeniería. Una vez realizados los estudios anteriores, debe diseñarse un sistema tal que permita optimizar el proceso de degradación microbiológica, realizando las instalaciones y perforaciones que permitan la inyección de oxígeno y de nutrientes. También deberán seleccionarse los puntos de extracción de agua para ser tratada por métodos físicos o químicos de eliminación de hidrocarburos, cuando esto sea necesario.

5)  Instalación y comienzo de las operaciones. En primer lugar se comienza la extracción de agua, y se pone en marcha el sistema de purificación de ésta (químico, físico o biológico); si la calidad del agua tratada es la esperada, se comienza a reinyectarla. Luego se prepara el envío de nutrientes y se inyecta junto con el agua de reinyección; la cantidad de nutrientes debe ser mínima en un primer momento, luego es aumentada paulatinamente hasta el óptimo calculado. Por último, cuando el sistema de inyección de nutrientes funciona adecuadamente, se comienza con la inyección de oxígeno (se utiliza oxígeno gaseoso o bien peróxido de hidrógeno).

6) Operación y monitoreo. Debe medirse con elevada frecuencia, diariamente, los valores de temperatura, nutrientes, concentración de oxígeno, pH, potenciales de oxidación/reducción, entre otros posibles parámetros, a lo largo de pozos seleccionados.

7) Fin de las operaciones. Cuando los niveles de los contaminantes alcanzan el nivel permitido por la legislación vigente o bien los valores seleccionados para el proyecto, se realiza normalmente un muestreo final para preparar los informes exigidos por los organismos de control en los distintos niveles gubernamentales. Es adecuado seguir las operaciones hasta que el nivel de oxígeno, nutrientes y carga bacteriana regrese a los niveles previos a las operaciones, asegurándose de esa manera que no sea posible la desorción de más hidrocarburo, que contamine el agua subterránea.

Ejemplo 2. Suelos contaminados con TNT

La Biorremediacion de suelos contaminados con nitrotoluenos es muy importante por dos motivos; en primer lugar los di nitros y trinitrotoluenos son considerados carcinógenos, y en segundo lugar, los emplazamientos con esta contaminación son muy importantes, tanto en número como en tamaño.

En ambientes estrictamente anaeróbicos, el 2, 4,6-trinitrotolueno (TNT) es totalmente reducido a triaminotolueno (TAT), el cual puede ser destoxificado por polimerización en medio aeróbico o por unión irreversible a arcillas. La transformación de los nitrotoluenos por los microorganismos es cometabólico (es decir, que no pueden degradarlo si están en contacto con sólo, por ejemplo, TNT; el organismo pueden ser incorporados a una matriz orgánica (humificación) quedando de esta manera inmovilizados.

Esta técnica es de tipo landfarming, y las operaciones principales son, en primer lugar, la promoción de la humificación de manera controlada, mediante la adición de materia orgánica al suelo, y en segundo lugar, el incremento del metabolismo de los microorganismos mediante el agregado de fuentes de carbono de pequeño peso molecular, fácilmente asimilables por los microorganismos, así como otros nutrientes.

Futuro de las Técnicas de Biorremediacion

Las aplicaciones más importantes de la biorremediacion han sido aquellas que modifican el ambiente para estimular la actividad de los organismos que allí se encuentran. El empleo de cultivos de microorganismos (muchas compañías venden preparados de éstos, ya sea como esporas, liofilizados u otros formulados, para favorecer la degradación de distintos contaminantes) parece no producir ninguna ayuda o ventaja en el proceso.

La biorremediacion es más económica y causa menos perturbación en el medio ambiente, como se demostró en una de las más exitosas aplicaciones de la técnica, el tratamiento de la línea de costa afectada por el derrame de crudo del Exxon Valdez, basada en la acción de microorganismos indígenas y modificaciones ambientales de gran sencillez, como la aplicación de nutrientes y la aireación.

Las técnicas de biorremediacion son una buena estrategia de limpieza para ciertos tipos de contaminación, como la producida por el petróleo y otros compuestos orgánicos no demasiado tóxicos.

Dependiendo del lugar contaminado, sus características climáticas, físico-químicas y ecológicas, así como de la composición y concentración de los contaminantes, la biorremediacion puede ser una opción más segura y de menor costo que otras soluciones alternativas, como la incineración o el enterramiento de los materiales contaminados.

El modelado matemático es una herramienta de gran ayuda para la predicción de los procesos de biorremediacion. Existe en la actualidad una gran variedad de software, tanto de libre distribución como comerciales. Cabe mencionar entre los programas de libre distribución a Bioplume III y BIOS creen v. 1.4, que han demostrado su valor en muchas situaciones en las que los procesos de biorremediacion han sido utilizados.

Otro aspecto sumamente importante a desarrollar en el futuro próximo es el uso de reacciones fotoquímicas para la eliminación de contaminantes.