Los organismos descomponedores, los que en la naturaleza van degradando los,
son bacterias y hongos, principalmente. Las bacterias son organismos procariotas,
de menor tamaño que los eucariotas (como los hongos), por lo que tienen mayor
superficie de contacto con el medio, lo que las hace más fáciles de desarrollar
en medios pobres en nutrientes ya que ofrece mayor contacto con los sustratos,
pero también más sensibles a las variaciones del medio y a los tóxicos presentes.
Igualmente, las bacterias son más rápidas en detectar una nueva sustancia que
puede resultar nutritiva porque esa capacidad reside en sus membranas y no ha de
procesarse información en el interior de la célula, cual es el caso de los eucariotas.
Existen gran cantidad de microorganismos que pueden emplear contaminantes
orgánicos en su metabolismo como fuente de energía y/o carbono. No obstante,
no son todos y la presencia en los distintos ecosistemas de los que sí son capaces
es muy variable: en los suelos puede haber entre un 0,1 y un 50 % de las bacterias
con la capacidad de degradar hidrocarburos y entre un 6 y un 80 % de los hongos.
La capacidad para degradar una determinada sustancia depende de los biocatalizadores
(enzimas) de que disponga el microorganismo. Recordemos que toda la capacidad
enzimática potencial de una célula se encuentra codificada en su DNA, pero sólo está
activa la parte que ha activado el entorno.
Habitualmente, un microorganismo es capaz de metabolizar un contaminante o un
pequeño grupo de ellos. Para la degradación completa en caso de mezclas complejas
(como muchos casos de contaminación por hidrocarburos), resulta necesaria la
participación de diversos tipos de microorganismos, lo que se suele denominar
“consorcio”, para entre todos disponer de enzimas útiles para la degradación.
2.1.Contacto microorganismo-sustrato: El contacto es necesario para que se
produzca la degradación.En función de diferentes factores, el contacto puede
generarel paso a través de la membrana de las moléculas del sustrato o bien, en el
caso de sustancias que por su tamaño u otras características no puedan entrar en la
célula, la liberación de enzimas exocelulares que degradarán en mayor o menor medida
el sustrato, generando metabolitos intermedios que sí puedan penetrar en el organismo.
2.2.Paso a través de la membrana: Las paredes celulares son rígidas con una
membrana lipídica y las sustancias han de estar en disolución para que sea posible
su entrada a la célula (“las bacterias no tienen boca”). Las moléculas de grandes
dimensiones han de ser degradadas, al menos parcialmente, por la acción de
enzimas exocelulares para poder penetrar al interior y ser asimiladas. Aquellas
moléculas que permanezcan sin solubilizarse serán altamente persistentes. La
membrana es hidrófoba, con lo que resulta bastante poco permeable a compuestos
polares.
2.3. Rutas metabólicas: El metabolismo consiste en series complejas de
reacciones bioquímicas acopladas que llevan por un lado a la síntesis de biomasa
o nuevo material celular (anabolismo) y por otro a la mineralización (conversión
en CO2 y agua) del sustrato, con producción de la energía (ATP) y el poder
reductor (NAPDH) que son necesarios para la síntesis mencionada (catabolismo).
3. Relativos al medio.
Aunque la degradabilidad de los contaminantes fuera suficiente y existiesen organismos
con las capacidades apropiadas para la biodegradación, resulta indispensable siempre
la existencia de condiciones ambientales apropiadas para la actividad microbiana.
Vamos a contemplar aquí, tanto lo que se puede considerar que son características
fisicoquímicas del medio, como lo que serán condiciones ambientales (temperatura,
pH, humedad, etc.). Ambos tipos de factores influyen tanto sobre el estado y
distribución de los contaminantes como sobre los microorganismos, modificando,
por tanto, la interacción entre ambos. Cabe afirmar que cada emplazamiento
contaminado supone un problema diferente que ha de ser resuelto específicamente.
3.1.Composición y propiedades del suelo: Tanto la composición química (contenidos
de materiaorgánica, silicatos, óxidos, etc.), como la granulometría (textura) de la fracción
mineral y la estructura del suelo, condicionan muchas propiedades con influencia
en el proceso de biorremediación: la permeabilidad, que facilita o dificulta el
establecimiento de gradientes y el transporte de agua y sustancias, la capacidad de
retención de agua, las cinéticas y el equilibrio de sorción de los
contaminantes, etc.
3.2.Características hidrogeológicas: Profundidades de la zona no saturada y
de la saturada, sentido y velocidad de flujo del agua subterránea, porosidad y
permeabilidad de suelo y subsuelo, proporción entre infiltración y escorrentía superficial, etc.
3.3.Temperatura: Existen microorganismos adaptados a diferentes rangos térmicos:
psicrófilos, mesófilos y termófilos. Los más frecuentes son los mesófilos para los que
va decreciendo la tasa metabólica por encima de una temperatura próxima a los
40ºC. Para ellos, las temperaturas óptimas se hallarían en torno a los 30ºC.
Pero si las temperaturas son claramente inferiores o superiores, este factor modifica
la composición de la comunidad microbiana predominando alguno de los otros
tipos. Habrá que considerar este aspecto en relación con los datos climáticos del
emplazamiento y su estacionalidad, así como de las oscilaciones diurnas que
puedan producir. Se ha desarrollado biorremediación con éxito en muchos climas,
desde Alaska al Sahara, lo que indica que las poblaciones microbianas se adecuan a las
condiciones ambientales que se dan en cada caso.
3.4. pH: Los suelos presentan una variabilidad mayor de pH que los sistemas acuáticos.
En general, lo ideal para la mayoría de organismos es casi la neutralidad, algo por encima
de 7. Es bastante bueno el intervalo de 6,5 a 8 u 8,5. Fuera de este intervalo se pueden
desnaturalizar proteínas. Los hongos están mejor adaptados a un entorno algo más ácido
que las bacterias.
3.5.Humedad: Todos los organismos necesitan agua. Se discute bastante en la
bibliografía cuál es la cantidad de agua necesaria. Se comprueba que ocurre
biorremediación en un amplio margen de niveles de humectación. La humedad óptima
en un suelo depende fundamentalmente del tipo de suelo y puede ser estimada usando
como criterio una proporción respecto a la capacidad de campo.
3.6.Nutrientes: Además de carbono, hidrógeno y oxígeno (que constituyen casi el 80%
de la materia seca celular) son necesarios otros nutrientes: N y P los principales,
pero también K, Ca, S, Mg y oligoelementos. Estos nutrientes habrán de existir en el
medio si se quiere desarrollar una población microbiana para la remediación, pero,
además, habrán de encontrarse en proporción adecuada. En caso contrario, alguno
de ellos actuará como limitante, impidiendo un mayor crecimiento de la masa microbiana.
3.7.Otros factores: Se pueden mencionar la salinidad (natural en el medio o como
consecuencia de la contaminación), la presión (caso de trabajar a gran profundidad
de columna de agua) o la presencia de sustancias diversas. En todos los casos, es
preferible potenciar las capacidades de degradación de los microorganismos
preexistentes, adaptados a dichas condiciones.
Estrategias de biorremediacion de suelos.
Los procesos que tienen lugar durante la biorremediación ocurren naturalmente
sin que intervención tecnológica alguna: es lo que se denomina biorremediación
pasiva, intrínseca o atenuación natural. Pero cuando se aborda un proyecto de
biorrecuperación interesa alcanzar los objetivos de limpieza (más o menos
exigentes) en plazos lo más breves que sea posible. Para ello se interviene
aplicando soluciones tecnológicas diversas para activar el proceso:
biorremediación activa. En lo que sigue, se desarrolla la biorremediación
activa en dos grandes estrategias, no excluyentes, sino más bien complementarias:
bioaumento y bioestimulación.
1. Atenuacion Natural: Todos los ecosistemas presentan un cierto grado
de resiliencia: la capacidad para retornar a las condiciones previas a una perturbación.
Es decir, es la capacidad de los ecosistemas de absorber perturbaciones sin alterar
significativamente sus características de estructura y funcionalidad, es decir, pudiendo
regresar a un estado similar al original una vez que la perturbación ha terminado.
Los suelos, como ecosistemas, también presentan, en mayor o menor grado, esta
capacidad y ante la perturbación que supone una contaminación reaccionan en el
sentido de recuperar un estado parecido al original. Esta reacción espontánea
implica una variedad de procesos naturales, físicos, químicos y biológicos, que bajo
condiciones favorables y actuando sin intervención humana, van eliminando
y/o transformando los contaminantes. Estos procesos incluyen dispersión,
dilución, sorción, volatilización y la destrucción, estabilización o transformación
química o biológica de contaminantes. Con ello se consigue reducir la masa,
la toxicidad, la movilidad, el volumen y/o la concentración de los contaminantes
en el suelo o el agua subterránea.
De hecho, se ha venido confiando en esta capacidad, directa o indirectamente,
al utilizar tecnologías de confinamiento o aislamiento: por un lado impiden la
migración de los
contaminantes y por otro dejan tiempo a que estos procesos puedan ir actuando.
Tras la contaminación, la naturaleza puede trabajar a través de cuatro vías
principales en el proceso de recuperación:
1. Las sustancias contaminantes pueden adherirse o sorberse sobre la matriz
sólida del suelo.Esto no limpia, pero puede impedir que los contaminantes
alcancen el agua subterránea.
2. Algunos contaminantes pueden evaporarse. Estos gases se escapan al aire
dejando el suelo. Al alcanzar la superficie, la luz del sol puede provocar su
fotodegradación.
3. Según la contaminación se mueve a través de suelo y del agua subterránea,
puede mezclarse con ésta, lo que reduce la contaminación por dilución.
4. Los organismos utilizan algunas sustancias químicas contaminantes como
alimento, lo que las transforma en materiales inocuos, en general.
Esta evolución natural y espontánea del suelo (y agua subterránea) se denomina
de varias formas: biorremediación pasiva, intrínseca o natural, reducción natural o
atenuación natural. La atenuación natural ocurre en la mayoría de sitios
contaminados y con la mayoría de los contaminantes. No obstante, deben existir
condiciones apropiadas para que los sitios se vayan depurando. Si no se dan
dichas condiciones, esta “autolimpieza” no avanzará a suficiente velocidad ni
alcanzará unos niveles de concentración que supongan riesgo aceptable.
Este proceso se incluye dentro de los de biorremediación porque la principal
contribución a la recuperación es la degradación por la actividad de los
microorganismos autóctonos, en general, por el concurso de poblaciones
microbianas mixtas, que operan bajo complejas regulaciones simbióticas.
La velocidad de la transformación de moléculas complejas en moléculas sencillas
está en función de la masa microbiana activa. Ya se ha mencionado varias
veces en este apartado la velocidad o el factor tiempo. Esta es la principal
limitación: los procesos de atenuación natural son excesivamente lentos para lo
que la mayoría de ocasiones interesa. Hablamos de años y, más bien, decenios.
Sólo en los casos en que el terreno no va a tener uso y por su ubicación u
otras circunstancias puede restringirse el acceso de personas (lo cual evita
todo riesgo para la salud humana), se puede emplear la atenuación natural
como única alternativa de recuperación. Es más frecuente, utilizar la atenuación
natural como una segunda etapa de recuperación, tras una primera fase en la
que se aplica alguna otra tecnología y se elimina con ella la mayor parte de la
contaminación. En general, funciona mejor en los casos en que es
posible eliminar la fuente de contaminación (p. ej., residuos enterrados que
pueden desenterrarse) y, por tanto, dejan de incorporarse contaminantes al
terreno. No obstante lo dicho, es posible que la atenuación natural que dé los
mismos resultados y con casi la misma rapidez que otros métodos, al menos,
que otros métodos de biorremediación. Cuando pueda esperarse que la
atenuación natural consiga los objetivos de recuperación en un tiempo
razonable comparado con el de otros métodos más activos, podrá ser
considerada una alternativa aceptable. Si las condiciones resultan
ser óptimas para la acción de los microorganismos, esta estrategia sería la
más apropiada, y no habría necesidad de acudir a ninguna de las estrategias
mejoradas que veremos a continuación. Los procesos involucrados en la
atenuación natural operan siempre en todos los suelos contaminados, aunque
se aplique otro tipo de tecnologías de tratamiento, pero su contribución a la
consecución de los objetivos de remediación varía en las diferentes situaciones.
Mientras que en algunos casos la atenuación natural podría satisfacer
del todo los objetivos de recuperación, en otros casos su contribución será escasa
o nula. Por tanto, antes de escoger una alternativa de recuperación, es necesario
evaluar cuidadosamente el emplazamiento contaminado para determinar qué grado
de atenuación natural es esperable. En ocasiones se emplea la terminología de
la EPA que la denomina atenuación natural monitorizada (MNA)10 o supervisada.
El término monitorizada pone énfasis en la necesidad de control o supervisión por
parte de los técnicos responsables para verificar periódicamente que la atenuación
natural está funcionando. Como ventajas cabe citar que no es necesario
excavar ni construir (sólo lo necesario para el aislamiento adecuado de la zona y la
eliminación de la fuente, cuando es posible), no genera residuos que haya que
eliminar a continuación como otros métodos, disminuye mucho el contacto
de los trabajadores con la contaminación, afecta menos a la población y al medio
ambiente, requiere menos equipamiento y trabajo que la mayoría de los otros
métodos y, por tanto, resulta más económica. Es evidente que la supervisión y
control durante años tiene un coste, pero en conjunto sigue siendo menor que el de
otros métodos. No obstante, estas ventajas pueden ser compartidas con las
estrategias de biorremediación mejorada que vamos a comentar y el incremento de
coste que pueda suponer la aportación de nutrientes, oxígeno y otros
acondicionadores puede ser compensado con creces por la disminución
de plazos para alcanzar los objetivos de la remediación, y el consiguiente
ahorro de años de control del emplazamiento.
2.El bioaumento :(o bioaumentación11) consiste en la adición al medio
(suelo, agua) al objeto de optimizar la biodegradación de microorganismos
alóctonos vivos especializados, cuya eficiencia en la degradación del
contaminante esté probada. Se incrementa la población nativa de microorganismos
del sistema incorporando un inóculo de otros adaptados selectivamente,
desarrollados para que tengan la capacidad para degradar los contaminantes
en cuestión, compuestos previamente considerados como no o
difícilmente biodegradables. Estos microorganismos pueden ser naturales o
modificados genéticamente, aunque esta última opción no está libre de crítica y
controversia.
La inoculación adicional de cultivos específicos pretende colaborar con la actual
biomasa o restituirla en casos de mortandad. El bioaumento no sustituye la población
de organismos existentes, pero incrementa su habilidad de degradar compuestos o
responder en ciertas situaciones, dando como resultado una mejora del tratamiento.
Recordemos lo ya mencionado sobre la relativa facilidad de transferencia de
plásmidos, incluso entre especies diferentes. Esta tecnología se utiliza cuando la
microflora autóctona es insuficiente en número o capacidad degradadora o cuando
se requiere el tratamiento inmediato de un sitio contaminado sin tiempo para esperar
a que la población autóctona desarrolle una capacidad apropiada para degradar la
contaminación. La bioaumentación modifica es el tiempo de aclimatación, es decir,
el que tardan los microorganismos nativos a adaptarse al contaminante, que se
reduce, haciendo que la biodegradación comience antes y se evite el riesgo tóxico
hacia plantas, animales y humanos. El tamaño del inóculo a utilizar depende de la
extensión de la zona a recuperar, de la dispersión de los contaminantes y de la
velocidad de crecimiento de los microorganismos degradadores.
Hay que reconocer que es un enfoque discutido. Por un lado, hay que recordar que
la introducción de microorganismos (bacterias y hongos) específicos es una práctica
agrícola que se realiza desde hace décadas con propósitos diversos: suministrar
nutrientes, estimular el crecimiento de los vegetales, p. ej., mediante la producción
de hormonas vegetales, controlar patógenos, mejorar la estructura del suelo, etc.
Además, las características de los inóculos anunciadas por quienes los
comercializan, parecen impresionantes:
→ Mezclas microbianas concentradas (200 millones/g)
→ de más de 50 especies, aclimatadas específicamente
→ de microbios de los que se encuentran naturalmente, no patógenos
→ de rápida multiplicación: espontáneamente en minutos al ponerlos en
condiciones adecuadas
→ efectivos en amplios rangos de temperatura (50-100ºF) y de pH (4-10)
→ capaces de degradar un amplio número de contaminantes
→ dejando como subproductos únicamente CO2, agua y trazas de sales.
Sin embargo, hay investigadores como Lee y Merlin (1999)12 o Van Hamme
et al. (2003)13 que concluyen que ”varias investigaciones, de laboratorio y de
campo, han indicado que la adición decultivos microbianos comerciales no
aumenta significativamente las velocidades de degradación de petróleo respecto
a lo que se consigue por enriquecimiento con nutrientes de la población microbiana
natural (bioestimulación)”. Con frecuencia se indica que los inóculos microbianos
funcionan mejor si se trata de organismos obtenidos en el ambiente en el que se
van a aplicar. Para incrementar la eficiencia in situ del bioaumento se propone
caracterizar fisicoquímica y biológicamente el emplazamiento de forma completa,
al objeto de poder desarrollar un inóculo con las mayores garantías de éxito.
Es decir, que los inóculos no se han de desarrollar con vocación universal.
Se propone también una aclimatación al medio previa
a la inoculación. Hace falta estudiar mejor qué densidad de microorganismos
inoculados es conveniente. Una alternativa en estudio es la incorporación de los
organismos encapsulados en algún soporte físico que los proteja de actividades
microbianas hostiles. El diseño mediante ingeniería genética de microorganismos es,
en opinión de algunos, una alternativa de futuro al permitir la incorporación al medio
de capacidades de degradación superiores a las que pueden desarrollar los
microorganismos naturalmente. La primera patente de un organismo modificado por
ingeniería genética que se reconoció en el mundo14 era de una bacteria utilizable
para biorremediación. Es decir, esta posibilidad se contempla desde el nacimiento
mismo de la ingeniería genética. No obstante, parece recomendable restringir el uso
de estos organismos modificados a aplicaciones ex situ por los riesgos asociados
a su desarrollo y proliferación no controlados, con la posibilidad de transferir genes
modificados a los organismos autóctonos y alterar el pool genético de la comunidad.
Aplicaciones: Se ha usado bioaumento para tratar suelos contaminados con
herbicidas (2,4-D,clorofam), insecticidas (lindano, clordano, paratión), clorofenoles
(PCP) y nitrofenoles, PCBs, petróleo y derivados y HAPs. También se ha aplicado
efectivamente para tratar desechos con concentraciones relativamente altas de metales.
Limitaciones:Antes de llevar a cabo la bioaumentación en un sitio, deben realizarse
cultivos de enriquecimiento, aislar microorganismos capaces de cometabolizar o
utilizar el contaminante como fuente de carbono, y cultivarlos hasta obtener grandes
cantidades de biomasa (Alexander, 1994)
3.Bioestimulacion: responde a la idea de “aplicar biorremediación, pero creando
condiciones”. Es decir, intentar que se alcancen las condiciones para que la
biodegradación transcurra de forma idónea. Se denomina también biorremediación
mejorada (enhanced bioremediation) o acelerada. La bioestimulación consiste
en estimular a los microorganismos autóctonos de un ambiente natural
por medio de la adición de nutrientes y otros aditivos, de humedad y la aireación del
sistema para
así mejorar la eliminación del los contaminantes. A veces se añade a esta definición la
idea de que estos parámetros se deben, además, controlar para ir regulando su adición.
Es de destacar que esta estrategia de descontaminacion utiliza los agentes biologicos
propios del suelo, en la idea de que los microorganismos indigenas, una vez adaptados
y aclimatados, desarrollaran la capacidad de degradar los contaminantes, acelerando
el proceso mediante los aportes mencionados.
Vamos a repasar los principales aportes que se emplean en bioestimulacion:
Oxigeno. Se puede proporcionar inyectando aire al suelo de forma directa, o
como peroxido de hidrogeno (liquido) o peroxido de manganeso (solido)
que lo proporcionan al descomponerse en el suelo. La ventaja del peroxido
de hidrogeno es que puede incorporarse a las disoluciones nutritivas
en los casos en que se usan (de forma continua o discontinua). Se puede aplicar
en pozos, tuberias o difusores. En los procesos ex situ, se puede proceder
ademas con aradas, volteos, etc., segun la tecnica de biorremediacion empleada.
Humedad. Ya se han comentado las necesidades de humedad. El aporte de agua
se puede hacer mediante diversos sistemas de riego, de forma continua o discontinua,
y siempre mejor si se va controlando el nivel de humedad.
Nutrientes. Se pueden aportar de distintas formas: productos naturales con
contenidos apropiados de nutrientes, residuos organicos, fertilizantes en granulos o
briquetas, abonos de liberacion lenta, fertirrigacion, etc. En algunos casos se han
empleado fertilizantes especificamente disenados para la biorremediacion. Es conocido
el Inipol EAP22, empleado en la biorremediacion del petroleo vertido del Exxon Valdez
en Alaska: se trata de un fertilizante oleofilico con capacidad de adherirse a la interfase
hidrocarburo-agua e incluye, ademas de los nutrientes, un surfactante.
Se han desarrollado otros mejorados, con mayor poder emulsionante y menor toxicidad
del surfactante, que son de utilidad en los casos de contaminaciones costeras y similares,
en que no son de aplicacion fertilizantes solubles o de liberacion lenta.
Ademas, tambien puede incorporarse al suelo para estimular la biorremediacion:
¨ otros aceptores de electrones diferentes al O2,
¨ acidos o bases para ajuste del pH,
¨ los ya citados surfactantes,
¨ cometabolitos para activar ciertos enzimas,
¨ etc.
Limitaciones: Esta tecnologia no es recomendable para suelos arcillosos, altamente
estratificados o demasiado heterogeneos, ya que pueden provocar limitaciones en
la transferencia de O2. Otros factores que pueden limitar su aplicacion serian:
que el tipo del suelo no favorezca el crecimiento microbiano, que se produzca
incremento en la movilidad de los contaminantes, o que se puedan
obstruir los pozos de inyeccion a causa del crecimiento microbiano.
