Biorremediación: qué es, tipos, ventajas y desventajas
¿Qué es la biorremediación?
La biorremediación es todo proceso biotecnológico que emplea las capacidades metabólicas de microorganismos bacterianos, hongos, plantas y/o sus enzimas aisladas, para eliminar contaminantes en suelos y aguas, y volverlos a su condición natural.
Los microorganismos y algunas plantas, pueden biotransformar una gran variedad de compuestos orgánicos contaminantes y tóxicos, hasta hacerlos no dañinos o inocuos. Incluso pueden degradar algunos compuestos orgánicos hasta sus formas más simples, como el metano (CH4) y el dióxido de carbono (CO₂).
Algunos microorganismos y plantas también pueden extraer o inmovilizar en el ambiente (in situ) elementos químicos tóxicos, como los metales pesados. Al inmovilizar la sustancia tóxica en el ambiente, esta deja de estar disponible para los organismos vivos y, por consiguiente, no los afecta.
Por ello, la disminución de la biodisponibilidad de una sustancia tóxica es también una forma de biorremediación, aunque no implique la eliminación de la sustancia del medio.
Factores que deben optimizarse y mantenerse a lo largo del proceso de biorremediación
– La concentración y biodisponibilidad del contaminante bajo las condiciones ambientales: si es demasiado alta, puede ser perjudicial para los mismos microorganismos que tienen la capacidad de biotransformarlos.
– La humedad: la disponibilidad de agua es fundamental para los organismos vivos, así como para la actividad enzimática de catalizadores biológicos libres de células. Generalmente, se debe mantener de un 12 a un 25% de humedad relativa en suelos en proceso de biorremediación.
– La temperatura: debe encontrarse en el rango que permita la sobrevivencia de los organismos aplicados y/o la actividad enzimática requerida.
– Los nutrientes biodisponibles: indispensables para el crecimiento y la multiplicación de los microorganismos de interés. Principalmente, se debe controlar carbono, fósforo y nitrógeno, así como algunos minerales esenciales.
– La acidez o alcalinidad del medio acuoso o pH (medición de los iones H+ en el medio).
– La disponibilidad de oxígeno: en la mayoría de las técnicas de biorremediación, se utilizan microorganismos aeróbicos (por ejemplo, en el compostaje, las biopilas y el landfarming), y la aireación del sustrato es necesaria. Sin embargo, pueden utilizarse microorganismos anaeróbicos en procesos de biorremediación, bajo condiciones muy controladas en laboratorio (usando biorreactores).
Tipos de biorremediación
Entre las biotecnologías de biorremediación aplicadas se encuentran las siguientes:
Bioestimulación
La bioestimulación consiste en la estimulación in situ de aquellos microorganismos ya presentes en el medio contaminado (microorganismos autóctonos), capaces de biorremediar la sustancia contaminante.
La bioestimulación se logra optimizando las condiciones fisicoquímicas para que ocurra el proceso deseado, es decir, el pH, oxígeno, la humedad, temperatura, entre otros, agregando los nutrientes necesarios.
Bioaumentación
La bioaumentación implica el incremento de la cantidad de microorganismos de interés (preferiblemente autóctonos), gracias a la adición de sus inóculos cultivados en el laboratorio.
Posteriormente, una vez inoculados los microorganismos de interés in situ, se deben optimizar las condiciones fisicoquímicas (tal como en la bioestimulación), para promover la actividad degradadora de los microorganismos.
Compostaje
El compostaje consiste en mezclar el material contaminado con suelo no contaminado, complementado con agentes mejoradores de origen vegetal o animal, y nutrientes. Esta mezcla forma conos de hasta 3 m de altura, separados entre sí.
Debe controlarse la oxigenación de las capas inferiores de los conos, a través de su remoción regular de un sitio a otro con maquinaria. También se deben mantener las condiciones óptimas de humedad, temperatura, pH, nutrientes, entre otros.
Biopilas
La técnica de biorremediación con biopilas es igual a la del compostaje descrita arriba, excepto por:
– La ausencia de agentes mejoradores de origen vegetal o animal.
– La eliminación de la aireación por movimiento de un sitio a otro.
Las biopilas permanecen fijas en un mismo lugar, siendo aireadas en sus capas internas a través de un sistema de tuberías, cuyos costos de instalación, operación y mantenimiento deben ser considerados desde la fase de diseño del sistema.
Landfarming
La biotecnología denominada landfarming consiste en mezclar el material contaminado (lodos o sedimentos) con los primeros 30 cm de suelo no contaminado de un terreno extenso.
En esos primeros centímetros de suelo la degradación de las sustancias contaminantes es favorecida gracias a su aireación y mezcla. Para estas labores se utiliza maquinaria agrícola, como los tractores de arado.
Fitorremediación
La fitorremediación, también llamada biorremediación asistida por microorganismos y plantas, es un conjunto de biotecnologías basadas en la utilización de plantas y microorganismos para remover, confinar o disminuir la toxicidad de sustancias contaminantes en aguas superficiales o subterráneas, lodos y suelos.
Durante la fitorremediación puede ocurrir la degradación, extracción y/o estabilización (disminución de la biodisponibilidad) del contaminante. Estos procesos dependen de las interacciones entre las plantas y los microorganismos que habitan muy cerca de sus raíces, en una zona denominada rizosfera.
La fitorremediación ha sido especialmente exitosa en la remoción de metales pesados y sustancias radioactivas de suelos y aguas superficiales o subterráneas (o rizofiltración de aguas contaminadas).
Biorreactores
Los biorreactores son recipientes de tamaño considerable, que permiten mantener condiciones fisicoquímicas muy controladas en medios de cultivo acuosos, con el objetivo de favorecer un proceso biológico de interés.
En los biorreactores pueden cultivarse, a gran escala y en el laboratorio, microorganismos bacterianos y hongos para luego aplicarlos en procesos de bioaumentación in situ. También pueden cultivarse microorganismos con el interés de obtener sus enzimas degradadoras de sustancias contaminantes.
Micorremediación
Se denomina micorremediación al uso de microorganismos fúngicos (hongos microscópicos), en procesos de biorremediación de una sustancia contaminante tóxica.
Debe considerarse que el cultivo de hongos microscópicos suele ser más complejo que el de bacterias y, por tanto, implica mayores costos. Además, los hongos crecen y se reproducen más lentamente que las bacterias, siendo entonces la biorremediación asistida por hongos un proceso más lento.
Biorremediación comparada con tecnologías físicas y químicas convencionales
Ventajas
– Las biotecnologías de biorremediación son mucho más económicas y amigables con el ambiente que las tecnologías químicas y físicas de saneamiento ambiental convencionalmente aplicadas.
– La aplicación de la biorremediación tiene un menor impacto ambiental que las prácticas fisicoquímicas convencionales.
– Entre los microorganismos aplicados en procesos de biorremediación, algunos pueden llegar a mineralizar los compuestos contaminantes, asegurando su desaparición del medio, algo difícil de conseguir en un solo paso con los procesos convencionales fisicoquímicos.
Desventajas
– Capacidades metabólicas microbianas existentes en la naturaleza: dado que solamente se ha aislado el 1% de los microorganismos existentes en la naturaleza, una limitación de la biorremediación es precisamente la identificación de microorganismos capaces de biodegradar una sustancia contaminante específica.
– Desconocimiento del sistema aplicado: en la biorremediación se trabaja con un sistema complejo de dos o más organismos vivos, que generalmente no es completamente conocido.
– Algunos microorganismos estudiados han biotransformado los compuestos contaminantes en subproductos aún más tóxicos. Por esto, es necesario estudiar previamente en el laboratorio los organismos biorremediadores y sus interacciones a profundidad.
Además, se deben hacer pruebas piloto a pequeña escala (en campo) antes de aplicarlos masivamente, y monitorear los procesos de biorremediación in situ, para garantizar que ocurra correctamente el saneamiento ambiental.
– Extrapolación de resultados obtenidos en el laboratorio: debido a la alta complejidad de los sistemas biológicos, no siempre se pueden extrapolar los resultados obtenidos en pequeña escala en el laboratorio a procesos en campo.
– Particularidades de cada proceso de biorremediación: cada proceso de biorremediación implica un diseño experimental específico, según las condiciones particulares del sitio contaminado, el tipo de contaminante a tratar y los organismos a aplicar.
Es necesario que estos procesos sean dirigidos por grupos interdisciplinarios de especialistas, entre los cuales debe haber biólogos, químicos, ingenieros, entre otros.
El mantenimiento de las condiciones fisicoquímicas ambientales para favorecer el crecimiento y la actividad metabólica de interés, implica una labor permanente durante el proceso de biorremediación.
– Por último, los procesos de biorremediación pueden tardar más tiempo que los procesos fisicoquímicos convencionales.
Referencias
- Boopathy, R. (2000). Factors limiting bioremediation technologies. Bioresource Technology.
- Eweis J. B., Ergas, S. J., Chang, D. P. Y. and Schoeder, D. (1999). Principios de Biorrecuperación. McGraw-Hill Interamericana de España.
- McKinney, R. E. (2004). Environmental Pollution Control Microbiology. M. Dekker.