BIORREMEDIACIÓN - microbiologiaunvime

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En las últimas décadas, la liberación de contaminantes al
ambiente, producida principalmente como consecuencia del
desarrollo industrial, ha superado con creces a los mecanismos
naturales de reciclaje y autodepuración de los ecosistemas
receptores. Este hecho ha conducido a una evidente acumulación
de contaminantes en los distintos ecosistemas hasta niveles
preocupantes. Por ello, amén de reducir en todo lo posible la
liberación de contaminantes, hoy en día existe la necesidad de
indagar en la búsqueda de procesos que aceleren la degradación
de los contaminantes presentes en el ambiente. Así, se reducirían
de forma progresiva los efectos perniciosos que producen sobre
los ecosistemas y la salud humana.


Cerca de 1500 millones de toneladas de crudo
son transportados anualmente en buques como
carga, como combustible, o para otros usos.
Una cantidad de crudo, relativamente pequeña,
pero sustancial, nunca alcanza su destino,
siendo éste, el medio ambiente marino, como
consecuencia de accidentes y derrames en
operaciones de descarga (Peet, 1994).
Durante el pasado y presente siglo, la creciente
explotación de petróleo ha traído consigo todo
tipo de accidentes ecológicos que han dañado
los ecosistemas acuáticos causando graves
daños a la salud humana, a la vida silvestre y al
ecosistema en general.


La industria química produce gran cantidad de
compuestos xenobióticos, cuya estructura
química difiere considerablemente de los
compuestos orgánicos naturales. Algunos de
estos compuestos xenobióticos, con grupos
halógenos y nitrogenados, utilizados como
propelentes,
refrigerantes,
disolventes,
bifenoles
policlorados
(PCB),
plásticos,
detergentes, explosivos y plaguicidas, son
resistentes (recalcitrantes) a la biodegradación.
Esto último causa la acumulación del
xenobiótico en los niveles tróficos superiores,
donde provoca graves daños ecológicos.
PROBLEMAS DE
CONTAMINACION AMBIENTAL
CONTAMINACION DEL
SUELO, AGUA Y AIRE
CONTAMINACION DEL AGUA MARINA
www.cco.gov.co/contmar1.htm
Desembocadura Río Mississippi en el Golfo de México-EE.UU. Fuente:
www.earth.rice.edu
• Por vertimientos directos: directamente al mar se vierten residuos
sólidos y aguas residuales, producto de actividades en los buques, los
puertos y zonas urbanizadas en áreas costeras.
CONTAMINACION DE SUELOS Y LA NAPA FREATICA
CONTAMINACION DE AGUAS POR MERCURIO
BIOTA EN EL AGUA QUE ES AFECTADA POR HIDROCARBUROS
Vías de biodegradación del cianuro
LA BIOTA EN EL SUELO
CONTAMINACION POR
RESIDUOS SÓLIDOS URBANOS
ACTIVIDAD MINERA
IMPACTOS AL
AMTIENTE
Suelos contaminados
Recursos hídricos contaminados
Canchas de relave
Desmontes
Aire y gases
residuales
MINERIA
Rellenos sanitarios y vertidos industriales
CONTAMINACION DEL AGUA Y SUELO POR LA
AGRICULTURA Y GANADERIA
Plaguicidas en el suelo
Sustancia
Tiempo para la desaparición
Insecticidas clorados
del 75 al 100%
DDT
Aldrín
Clordano
Heptacloro
Lindano
Insecticidas organofosforados:
Diazinón
Malatión
Paratión
Herbicidas:
2,4-D(ácido 2,4-diclorofenoxiacético)
2,4,5T(ácido2,4,5,triclorofenoxiacético)
Dalapín
Atrazina
Simazina
Propazina
4
3
5
2
3
años
años
años
años
años
12 semanas
1 semana
1semana
4 semanas
20 semanas
8 semanas
40 semanas
48 semanas
1.5 años
PRINCIPALES CAUSAS DE CONTAMINACIÓN DEL AIRE:
Emisiones del transporte urbano (CO, CnHn, NO, SO2, Pb).
Emisiones industriales gaseosas (CO, CO2, NO, SOx).
Emisiones Industriales en polvo (cementos, yeso, etc.).
Basurales (metano, malos olores).
Quema de basura (CO2 y gases tóxicos).
Incendios forestales (CO2).
Fumigaciones aéreas (líquidos tóxicos en suspensión).
Derrames de petróleo (Hidrocarburos gaseosos).
BIORREMEDIACION
BIOTECNOLOGÍA
“Es la integración de ciencias naturales e
ingeniería para llevar a cabo la aplicación de
organismos, células, partes de las mismas y
análogos moleculares, en productos y
servicios”
BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL
Aplicación específica de la Biotecnología al tratamiento de
problemas medioambientales, incluyendo el tratamiento de
aguas, el control de la contaminación y su integración con
tecnologías no biológicas.
Aplicación de la Biotecnología en aspectos medioambientales:
* Seguimiento de la contaminación (biosensores, biomarcadores).
* Tratamiento de los residuos (origen doméstico, agrícola, industrial).
*Tratamiento de
(Biorremediación).
lugares
y
vías
fluviales
ya
contaminados
* Prevención de la contaminación (uso de microorganismos o enzimas,
plantas, biocombustibles, plásticos biodegradables).
BIOTECNOLOGÍA
AMBIENTAL
“Es la aplicación de estos procesos a la
protección y restauración de la calidad del
medio ambiente”
BIORREMEDIACIÓN
La contaminación ambiental puede ser disminuida
con la tecnología de biorremediación. Como en
muchas enfermedades, se requiere evaluar cada
caso para dar un remedio. La biorremediación de
diferentes contaminantes deberá estar basada en el
tipo de químico presente, el uso de organismos y el
desarrollo de las condiciones ambientales más
importantes.
Requiere
de
un
equipo
multidisciplinario, donde su base principal es la
microbiología. Para desarrollar un plan de
biorremediación
efectivo,
costeable
y
ambientalmente seguro, es necesario tener un
conocimiento de la ecología y de la evolución de las
poblaciones microbianas degradativas.
Las
primeras
observaciones
de
biorremediación fueron con el petróleo,
después con algunos organoclorados y
organofosforados; “se advirtió que los
microorganismos
no
sólo
eran
patógenos, sino que además eran
capaces de absorber compuestos
orgánicos, algunos naturales, otros
sintéticos, y degradarlos, lo que
constituye
el
objetivo
de
la
biorremediación”.
Se pensaba que el petróleo, sustancia natural, no provocaría un
daño ambiental irreparable y tal como se ha ido observando
durante décadas, el crudo después de un largo tiempo es diluido y
asimilado por el medio ambiente.
De esta intrínseca capacidad de la naturaleza para superar algunos
desequilibrios en el ecosistema, surge la biorremediación, como
una tecnología que usa un elemento biológico, en la mayoría de
los casos microorganismos, para eliminar contaminantes de un
lugar, sea este suelo, sedimento, fango o mar. Esta tecnología se
ha transformado en la colaboradora directa de la naturaleza, que
no siempre es capaz de superar por sí sola grandes desequilibrios.
La biorremediación le da una ayuda al medio ambiente en la
mejora de los ecosistemas dañados, acelerando dichos procesos
naturales. Lo que hacen los microorganismos es degradar los
desechos en productos menos tóxicos, además de concentrar e
inmovilizar sustancias tóxicas, metales pesados; minimizar
desechos industriales y rehabilitar áreas afectadas con diversos
contaminantes.
La biorremediación surge como una rama de la biotecnología que
busca resolver los problemas de contaminación mediante el diseño
de microorganismos capaces de degradar compuestos que
provocan desequilibrios en el medio ambiente. Es similar a la
biotecnología, pero en general sus técnicas son específicas para
casos particulares, porque dependen directamente de las
condiciones del ecosistema a recuperar.
A veces, biorremediar un ambiente contaminado puede requerir la
elaboración de un microorganismo genéticamente modificado que
sea eficiente sólo para ese caso.
Un evento más sencillo de biorremediación puede ser el del
petróleo. Los derrames de crudo provocan un desequilibrio al
aumentar la cantidad de carbono, lo que descompensa los niveles
de nitrógeno y fosfato, en esas condiciones metabólicamente no se
puede consumir el carbono. La biorremediación de petróleo
consiste en verter los mismos nutrientes que están
descompensados,
fosfato,
nitrógeno
y
dejar
que
los
microorganismos que ya están presentes “hagan su trabajo”.
Muchos tratamientos biotecnológicos de contaminantes
son considerados biorremediación, sin embargo algunos
autores
diferencian
entre
ambos
procesos.
La
biotecnología es tecnología que usa elementos
biológicos, sea un organismo o una enzima.
“En estricto rigor un sistema de tratamiento de efluentes
o un sistema de compostage no son biorremediación, son
tratamientos biológicos o mixtos para evitar la
contaminación, en cambio la biorremediación se utiliza
para revertir un daño”.
Tanto
el
tratamiento
de
residuos
como
la
biorremediación
usan
microorganismos,
pero
lo
distintivo de la biorremediación es la aplicación de una
tecnología a posteriori, una vez que se ha producido el
daño ecológico.
Todos los contaminantes poseen características que los hacen
capaces de perturbar el medio ambiente y provocar daño a la salud
humana y del planeta. Crear estrategias de biorremediación para
eliminarlos a todos es un camino que se está iniciando para esta
rama de la biotecnología.
Existen grupos de compuestos especialmente peligrosos para el
hombre en los que la biorremediación ha logrado importantes
avances.
Uno de estos grupos son los organoclorados, compuestos
orgánicos no naturales que tienen cloro en su molécula y son
capaces de intervenir en los procesos celulares normales, entre
otros la reproducción.
Son relativamente estables y omnipresentes en el ambiente. Surgen
como subproductos de procesos industriales y eventos naturales
como incendios forestales, erupciones volcánicas, incineradores de
desperdicios sólidos, chimeneas, motores, control de plagas, etc.
También pueden detectarse en la mayoría de los alimentos, como
pollos, carnes rojas, pescados, productos lácteos, aceites vegetales
y verduras.
Biorremediación
La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos
(EPA) define biorremediación como "el proceso en el que
microbios, típicamente bacterias u hongos, degradan químicos
peligrosos a compuestos menos tóxicos o no tóxicos".
Biorremediación es el uso de
organismos
vivos,
componentes
celulares
y
enzimas libres, con el fin de
realizar una mineralización de
compuestos contaminantes.
La biorremediación es la utilización de
tecnologías mediante las cuales se estimula la
biodegradación del contaminante o la
capacidad de recuperación del ecosistema a
través procesos biológicos, con el objeto de
minimizar
las
consecuencias
de
un
contaminante.
Estos
procesos
de
biodegradación pueden ser llevados a cabo por
la microbiota autóctona de la zona contaminada
o por microorganismos adicionados a tal efecto.
En ambos casos, lo que se consigue es una
biotransformación de sustancias peligrosas en
sustancias menos tóxicas o inocuas.
¿QUE ES BIORREMEDIACION?
Remoción o destrucción de contaminantes
por
Organismo vivos o sus enzimas producidas
tales como
Bacterias
Protozoarios
Plantas
Hongos
Algas
Biorremediación
Es el manejo ecológico integral, que el hombre
conscientemente proyecta con el fin de aplicar soluciones
viables y sostenibles encaminadas a la recuperación y
preservación de un ecosistema degradado, combinando
para ello las potencialidades que le brindan sus
conocimientos y la capacidad que tienen algunos
organismos vivos de ayudar a la recuperación del medio
ambiente.
La contaminación ambiental puede ser disminuida
con la tecnología de biorremediación. Como en
muchas enfermedades, se requiere evaluar cada
caso para dar un remedio. La biorremediación de
diferentes contaminantes deberá estar basada en el
tipo de químico presente, el uso de organismos y el
desarrollo de las condiciones ambientales más
importantes.
Requiere
de
un
equipo
multidisciplinario, donde su base principal es la
microbiología. Para desarrollar un plan de
biorremediación
efectivo,
costeable
y
ambientalmente seguro, es necesario tener un
conocimiento de la ecología y de la evolución de las
poblaciones microbianas degradativas.
¿Hay que darle una mano a la Naturaleza?
La biorremediación le da una mano al medio ambiente en
el mejoramiento de los ecosistemas dañados,
acelerando dichos procesos naturales. Lo que hacen los
microorganismos es degradar los desechos en
productos menos tóxicos, además de concentrar e
inmovilizar sustancias tóxicas, metales pesados;
minimizar desechos industriales y rehabilitar áreas
afectadas con diversos contaminantes.
APLICACIONES
ANTECEDENTES HISTÓRICOS DE LA
BIORREMEDIACIÓN
A mediados del siglo XX se desarrollaron las primeras investigaciones
encaminadas a estudiar el potencial de los microorganismos para
biodegradar contaminantes (Zobell, 1946; Davis, 1956). Este “uso”
intencionado
recibió
entonces
el
nombre
de
biorremediación
("bioremediation"). Las primeras técnicas que se aplicaron fueron similares
al "landfarming" (¨labranza‟) actual y sus actores, lógicamente, compañías
petrolíferas.
Las primeras patentes, fundamentalmente para remediación de vertidos de
gasolina, aparecen en los años 70. En los años 80 se generalizó el uso del
aire y peróxidos para suministrar oxígeno a las zonas contaminadas
mejorando la eficiencia de los procesos degradativos. Durante los años 90
el desarrollo de las técnicas de "air sparging" (burbujeo de oxígeno) hizo
posible la biorremediación en zonas por debajo del nivel freático. Al mismo
tiempo, la implementación en la práctica de aproximaciones experimentales
en el laboratorio permitió el tratamiento de hidrocarburos clorados, los
primeros intentos con metales pesados, el trabajo en ambientes
anaerobios, etc. Paralelamente, se desarrollaron métodos de ingeniería que
mejoraron los rendimientos de las técnicas más populares para suelos
contaminados ("landfarming", "composting", etc.) (Riser-Roberts, 1998).
En la actualidad, la biorremediación enfrenta un nuevo reto: el de convencer
a las compañías y a los organismos oficiales de su alto potencial. En
algunos países, la biorremediación fue una técnica poco reconocida y
marginada, hoy en día se ha convertido en una verdadera industria. Esta
“industria” busca seguir mejorando en sus líneas interdisciplinares, que se
pueden resumir en los siguientes puntos:
•Integración en el proceso de técnicas innovadoras que ayuden a
comprender y controlar los fenómenos de transporte de nutrientes y otros
posibles aditivos.
•Desarrollo de técnicas rápidas de biología molecular que permitan
caracterizar las poblaciones indígenas de los emplazamientos contaminados
así como su potencial enzimático (Theron y Cloete, 2000; Watanabe, 2001).
•Exploración de las implicaciones del concepto de biodisponibilidad
("bioavailability") definido por las propiedades físico-químicas de los
contaminantes. Se trata de un factor que en muchos casos está limitando la
biodegradación y en otros reduciendo la toxicidad de los contaminantes.
•Desarrollo definitivo de técnicas de bioaumentación realmente útiles (Major
et al., 2002).
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA BIORREMEDIACIÓN
Ventajas
•Mientras que los tratamientos físicos y buena parte de los químicos
están basados en transferir la contaminación entre medios gaseoso,
líquido y sólido, en la biorremediación se transfiere poca contaminación
de un medio a otro.
•Es una tecnología poco invasiva y generalmente no requiere
componentes estructurales o mecánicos que signifiquen una amenaza
para el medio.
•Comparativamente, es económica, viable y al tratarse de un proceso
natural, suele tener aceptación por parte de la opinión pública.
Desventajas
•La biodegradación incompleta puede generar
intermediarios metabólicos inaceptables, con un poder
contaminante similar o incluso superior al producto de
partida y algunos compuestos contaminantes son tan
resistentes
que
pueden
incluso
inhibir
a
biorremediación.
•Es difícil predecir el tiempo requerido para un proceso
adecuado y el seguimiento y control de la velocidad y/o
extensión del proceso es dispendioso.
AMBITO DE APLICABILIDAD
Es muy amplio, pudiendo considerarse como objeto cada uno de los
estados de la materia (Atlas y Unterman, 1999):
Sólido. Con aplicaciones sobre medios contaminados como suelos o
sedimentos, o bien directamente en lodos, residuos, etc.
Líquido. Aguas superficiales y subterráneas, aguas residuales.
Gases. Emisiones industriales, así como productos derivados del
tratamiento de aguas o suelos.
También se puede realizar una clasificación en función de los contaminantes
con los que se puede trabajar (Alexander, 1999; Eweis et al., 1999):
Hidrocarburos de todo tipo (alifáticos, aromáticos, BTEX, PAHs,...).
Hidrocarburos clorados (PCBs, TCE, PCE, pesticidas, herbicidas,...).
Compuestos nitroaromáticos (TNT y otros).
Metales pesados. Estos no se metabolizan por los microorganismos de
manera apreciable, pero pueden ser inmovilizados o precipitados.
Otros contaminantes. Compuestos organofosforados, cianuros, fenoles, etc.
Requerimientos de la biorremediación:
Interrelación de Componentes que Determina
el Éxito de Bioremediación
Bioaumentación
añadir
microorganismos
Sustrato
(Contaminante)
Microorganismos
Surfactantes,
Cosolventes,
Quelatos
Medio Ambiente
(Requisitos Fisiológicos)
Factores
Ambientales
H2O, T, pH
Nutrientes
N, P,
vitaminas
Aceptores de
electrones
O2, NO3-
Donadores de
Electrones/Cosustratos
H2/CH4
Procesos de biorremediación
BIORREMEDIACIÓN “IN SITU”
Este tipo de tratamiento normalmente es la opción más adecuada para la
recuperación de suelos, ya que no es necesaria la preparación y excavación
del material contaminado. No obstante, antes de decidir el tipo de
tratamiento deben valorarse numerosos factores entre los que se destacan:
•
•
•
•
•
•
•
Impacto ambiental en la zona.
Actividades industriales que pueden verse afectadas.
Costos comparativos con otros tratamientos.
La dificultad de acceso a la zona contaminada para proveer de
oxígeno y nutrientes.
La determinación del porcentaje de tratamiento.
La velocidad del proceso.
El potencial peligro de extensión de la contaminación.
El método de la biorremediación “In Situ” de suelos se puede dividir en dos
tipos: tratamiento de compuestos volátiles y tratamiento de compuestos
semivolátiles y no volátiles.
Las técnicas más usadas son:
•
Bioventeo o Bioaireación o Bioventing
•
Inyección de aire a presión o Biosparging
•
Atenuación natural
•
Bioestimulación
•
Bioaumentación
Bioventing o inyección de aire
Consistente en la ventilación forzada del suelo mediante la inyección a presión de
oxígeno (aire) en la zona no saturada del suelo a través de pozos de inyección. Debido
a la aireación del suelo se va a favorecer la degradación de los hidrocarburos por dos
motivos: por volatilización, facilitando la migración de la fase volátil de los
contaminantes, y por biodegradación, ya que al incrementar la oxigenación del suelo
se van a estimular la actividad bacteriana.
Los factores a tener en cuenta en la aplicación del bioventing o inyección de aire
natural son:
– El principal problema es la biodisponibilidad de los microorganismos. Cuanto menor
es la solubilidad de los contaminantes menor será la biodisponibilidad.
– Los aportes de oxígeno deben ser suficientes, así como la existencia de fuentes de
carbono, aceptores de electrones y energía suficientes.
– Deben existir unas condiciones óptimas de pH (6 y 8), de humedad (12-30% en peso),
potencial redox mayor de -50 mV, temperatura entre 0 y 40 ºC y los nutrientes del suelo
en relación N:P de 10:1.
– Necesidad de tiempos de actuación cortos (meses) y coste medio-alto.
Biosparging o Inyección de aire a presión
Consiste en inyectar aire a presión en la parte inferior para deslazar el
agua de los espacios intersticiales de la matriz del suelo. Esta inyección
genera principalmente dos efectos:
1. El aire inyectado absorbe gran cantidad de los hidrocarburos volátiles
presentes en el agua y el suelo.
2. El aire eleva los niveles de oxígeno del agua
biodegradación de los contaminantes (Matthews, 1993).
mejorando
la
Con la inyección de aire a presión se llevan a cabo dos mecanismos de
remoción del contaminante, la volatilización de compuestos de la zona
insaturada y la fase acuosa y la biodegradación. El mecanismo gobernante
depende de las características de los contaminantes.
DESCONTAMINACIÓN DE EMISIONES GASEOSAS
Tecnologías para la eliminación de gases
contaminantes
Tecnologías fisicoquímicas
ADSORCIÓN
ABSORCIÓN
CONDENSACION
OXIDACION TOTAL (INCINERACIÒN)
Tecnologías biológicas
BIOFILTRACION
BIOFILTRACION
El proceso de biofiltración se basa en la acción beneficiosa
de los microorganismos, los cuales metabolizan
contaminantes volátiles orgánicos e inorgánicos, esto se
lleva a cabo pasando por un medio orgánico conocido como
empaque o medio de empaque, el cual se encuentra dentro
de la estructura del biofiltro. Con un monitoreo y control de
las propiedades del flujo de entrada, el flujo de gas de
salida, así como el crecimiento microbiano, muchos
compuestos pueden realizar su biodegradación de una
forma completa, efectiva y a bajo costo.
Este grupo de tratamientos biológicos emplea microorganismos que llevan a cabo
la degradación de las sustancias contaminantes de las fuentes emisoras,
normalmente mediante procesos oxidativos. Prácticamente todas las sustancias
son biodegradables, pero a la hora de elegir un tratamiento biológico, lo
importante es estudiar si la velocidad de degradación de las sustancias
contaminantes emitidas es lo suficientemente elevada como para que el proceso
resulte verdaderamente eficiente.
ELIMINACION DE CONTAMINANTES AEREOS
MEDIANTE FILTROS BIOLOGICOS
SUSTANCIA
PORCENTAJE ELIMINADO
Sulfuro de hidrógeno
> 99
Sulfuro de dimetilo
> 91
Terpeno
> 98
Gases organosulfurados
> 95
Etilbenceno
> 92
Tetracloroetileno
> 86
Clorobenceno
> 69
Nitrobenceno
> 95
BTX (benceno, tolueno, xileno)
> 95
Metanol
> 98
Estireno
> 90
Formaldehido
> 95




Los contaminantes son destruidos, reduciendo la toxicidad
del sistema.
Relativamente fáciles de diseñar y construir
Requiere de menor inversión
No requiere de un confinamiento posterior
Limitaciones



HPAs de 5 ó 6 anillos presentan resistencia a la degradación.
No se aplica a concentraciones >50,000 mg de TPH/Kg suelo.
Presencia de metales pesados (>2,500 mg/Kg suelo).
En general, la contaminación de suelos, agua y aire
por productos, compuestos o desechos orgánicos de
la industria petrolera pueden ser tratados y
recuperados ecológicamente con la biorremediación,
basada en la estimulación de los organismos
apropiados.


In situ de bajo costo.
Procesos físico químicos de interacción
contaminante - suelo y procesos de
biodegradación de forma natural en el medio
(biotransformación natural).
ATENUACIÓN NATURAL
Su característica principal es la utilización de los procesos fisicoquímicos
de interacción contaminante-suelo y los procesos de biodegradación que
tienen lugar de forma natural en el medio. Estos procesos se conocen como
procesos de biotransformación natural que van a reducir la concentración
de los contaminantes y entre los que se encuentran la dilución, dispersión,
volatilización, adsorción, biodegradación y aquellas reacciones químicas
que se producen en el suelo y que contribuyen de alguna forma a la
disminución de la contaminación.
Esta técnica se aplica en aquellos casos en los que exista contaminación
producida por hidrocarburos de tipo halogenado o no halogenado. La
atenuación natural puede darse en presencia (condiciones aeróbicas) o
ausencia de oxigeno (condiciones anaeróbicas). En presencia de oxígeno
los microorganismos convierten en última instancia los contaminantes en
dióxido de carbono, agua y masa celular microbiana (mineralización). En el
caso de escasez de oxígeno, los microorganismos dependen de otros
aceptores de electrones disponibles (nitrato, sulfato, formas oxidadas de Fe
o Mn,...). Se trata de una biodegradación anaerobia, cuyos mecanismos y
significado se están comenzando a comprender en los últimos años (Heider
et al., 1999).
ATENUACIÓN NATURAL
Biorremediación intrínseca: se deja que el propio ambiente natural resuelva
el problema si se determina que en el propio ambiente hay las poblaciones y
condiciones optimas( temperatura, pH, nutrientes etc...). Aún así se sigue un
control para asegurarse que no se producen compuestos tóxicos secundarios.




Existencia de condiciones geológicas y
geoquímicas favorables.
Necesidad de reducción de masa en
intervalo razonable de tiempo en superficie
y subsuperficie.
Confirmación de existencia de tipo y
número
de
poblaciones
de
microorganismos que puedan biodegradar
contaminantes.
Concentración de oxígeno disuelto en agua.
Bioestimulación
Consiste en la estimulación de las poblaciones microbianas
indígenas existentes en el suelo mediante la adición de
nutrientes, regulación de condiciones redox, cambio de pH, u
otras condiciones diversas sobre las que se puede influir.
En este sistema, el agua subterránea es conducida a la superficie
por medio de un sistema de pozos de extracción, se acondiciona
en un reactor para volverla a inyectar y estimular la degradación
bacteriana de los contaminantes del subsuelo y del acuífero. En
el reactor en superficie se agregan al agua: nutrientes, oxígeno,
microorganismos previamente seleccionados y adaptados, y el
efluente se retorna al subsuelo por medio de pozos de inyección,
aspersores superficiales o galerías de infiltración distribuidas a
lo largo y ancho del sitio que se requiere remediar. Algunas
veces esta técnica utiliza biosurfactantes para ayudar al lavado
de contaminantes del suelo (Zitrides, 1990); (Cole, 1994).
Las características determinantes en la selección, el éxito o el
fracaso de esta técnica de remediación son:
Tipo de suelo. Los suelos deben ser lo más homogéneos posible,
con un valor de porosidad y permeabilidad al aire adecuado (> 1010 cm2).
Deben existir unas condiciones óptimas de pH (6 y 8), de
humedad (12-30% en peso), temperatura entre 0 y 40 ºC y los
nutrientes del suelo en relación N:P de 10:1.
Ventajas.
Esta técnica es muy útil en el tratamiento de extensas zonas
contaminadas de centros industriales donde no es posible o
conveniente parar el proceso operativo para realizar el tratamiento
requerido.
Bioaumentación
Otras líneas de investigación han llevado a la introducción de
microorganismos aclimatados o incluso modificados genéticamente en el
medio, con el fin de mejorar la biodegradación (Walter, 1997; Atlas y
Unterman, 1999). Esta técnica funciona en condiciones de laboratorio o
biorreactor, pero en ambientes externos (suelo o agua) su implantación
depende de una serie de factores (Alexander, 1999).
Presencia de toxinas, nutrientes y condiciones ambientales, movilidad
y/o distribución de los microorganismos y la presencia de abundante
materia orgánica.
Los microorganismos añadidos deben sobrevivir a los depredadores y
competir con éxito con la población autóctona antes de ocupar los nichos
potenciales.
En general, los ambientes más selectivos y la utilización de consorcios
microbianos favorecen la bioaumentación.
Ventajas.
No requiere área adicional para llevar a cabo el tratamiento, ni el
uso de maquinaria pesada.
Desventajas.
El tamaño de la población de microorganismos degradadores
crece rápidamente como respuesta a la contaminación del medio y
es muy difícil, si no imposible.
BIORREMEDIACIÓN “EX SITU”
Dos son los tratamientos que se distinguen cuando el procedimiento se
realiza fuera del lugar donde está la contaminación: tratamiento por vía
sólida y tratamiento por vía suspensión. La biorrecuperación vía sólida se
puede realizar por dos métodos: tratamiento en lechos y tratamiento por
compostaje. La diferencia fundamental entre ambos es el sistema de
aireación, mientras que en el primero sólo se pueden tratar las capas de suelo
menos profundas, en el compostaje se requiere la formación de grandes
apilamientos de material degradable. En el tratamiento vía suspensión se
excava el material contaminado y se traslada a un reactor. La característica de
este método es la suspensión en un medio acuoso del suelo contaminado, es
decir, el tratamiento se lleva a cabo bajo condiciones de saturación de agua.
La ventaja de estos procedimientos frente a los primeros radica en la
posibilidad de optimizar mejor los parámetros microbiológicos, así como el
control del proceso; a cambio, lógicamente, de un mayor costo.


Biopilas, se refiere a la formación de
montículos del material a ser biotratado
mediante la adición de nutrientes y aire en
pilas.
Composteo, adición de material orgánico
a las biopilas.
BIORREMEDIACION ¨ex situ¨
Bioceldas o biopilas
Es un tratamiento de biorremediación en condiciones no saturadas, que
consiste en la reducción de la concentración de contaminantes derivados
del petróleo en suelos excavados mediante el uso de la biodegradación a
partir de la construcción de un sistema cerrado que permita controlar
lixiviados, hidrocarburos volátiles y algunas variables de diseño mediante el
suministro de nutrientes y oxígeno a través de la pila del suelo. La técnica
consiste en la formación de pilas de material biodegradable de dimensiones
variables, formadas por suelo contaminado y materia orgánica (compost) en
condiciones favorables para el desarrollo de los procesos de biodegradación
de los contaminantes. En el fondo de la pila el sistema cuenta con un
aislante que generalmente son geomembranas o canales plásticos para el
control de lixiviados. Estas pilas de compost pueden ser aireadas de forma
activa, volteando la pila, o bien de forma pasiva, mediante tubos perforados
de aireación, con distribución permanente de nutrientes, microorganismos y
aire. En principio, las biopilas se pueden aplicar a la mayoría de los
compuestos orgánicos, siendo más eficaz en los compuestos de carácter
más ligero.



Ex situ en condiciones no saturadas
Suelos excavados
Formación de pilas de material biodegradable
(suelo contaminado + materia orgánica)
1.
2.
3.
4.
5.
Fase de investigación y caracterización de la
contaminación y del emplazamiento.
Análisis y elección de la medida
biocorrectiva.
Diseño y evaluación del sistema
Control y seguimiento
Análisis e interpretación de resultados.
Casi todos son eubacterias.
 Poseen actividades de peroxidasas y
oxigenasas.
 La oxidación subsecuente cambia
las propiedades de los compuestos,
haciendolos susceptibles de ataques
secundarios
y
facilitando
su
conversión a bióxido de carbono y
agua.

Bacterias
Hongos
Achrornobacter
Acinetobacter
Actinomyces
Aeromonas
Alcaligenes
Arthrobacter
Bacillus
Beneckea
Brevebacterium
Coryneforms
Erwinia
Flavobacterium
Klebsiella
Lactobacillus
Allescheria
Aspergillus
Aureobasidium
Botrytis
Candida
Cephalosporium
Cladosporium
Cunninghamella
Debaromyces
Fusarium
Gonytrichum
Hansenula
Helminthosporium
Mucor
Leumthrix
Moraxella
Nocardia
Peptococcus
Pseudomonas
Sarcina
Spherotilus
Spirillum
Streptomyces
Vibrio
Xanthomyces
Oidiodendrum
Paecylomyses
Phialophora
Penicillium
Rhodosporidium
Rhodotorula
Saccharomyces
Saccharomycopisis
Scopulariopsis
Sporobolomyces
Torulopsis
Trichoderma
Trichosporon
Todos los ecosistemas acuáticos y marinos contienen algún tipo de microorganismos
degradadores de petróleo
Degradación de
Hidrocarburos por
diversos tipos de
bacterias
Se han generado bacterias recombinantes
capaces de mineralizar los PCB las cuales
producen enzimas generadas por ingeniería
genética que son eficientes con algunos PCB.
Estos estudios se han realizado a nivel de
laboratorio y no han sido aplicados en
problemas ambientales concretos, pero todo
el conocimiento generado se ha enviado a
Alemania,
donde
ha
sido
utilizado
experimentalmente con gran éxito para
biorremediar sitios contaminados.
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En la actualidad la biorremediación es una de las
técnicas que más se están usando para tratar de
solucionar los graves problemas de deterioro
ambiental que presentan un gran número de
compuestos en el agua.
El problema empieza en las grandes descargas que se
depositan en los numerosos drenajes que componen
una ciudad, pues su destino final siempre son los
diferentes Ríos, Lagunas o Mares que se encuentren
cerca del centro poblacional.
Uno de estos contaminantes tóxicos que se vierten al
drenaje son los aceites usados (los que usan los
coches), desconociéndose realmente los enormes
volúmenes que se tiran.
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Existen muchas investigaciones dedicadas a demostrar la
degradación de aceites por medio de bacterias, por lo que se inicio
un experimento; en el Laboratorio de Acuacultura y Manejo
Ambiental de Bioshabitat.com, con el fin de valorar el efecto que
ejercen las bacterias para degradar los aceites gastados a partir de
la cuantificación de biomasa.
Los resultados obtenidos indican que en un lapso de tiempo corto,
sí existe producción de biomasa (crecimiento del microorganismo)
en presencia de aceite en el agua.
El floculante se hizo presente; en pequeñas cantidades, al octavo
día de la investigación y ya para el quinceavo día se observaba
mucha materia orgánica en suspensión.
Como dato importante se pudo observar que a partir del octavo día
de la investigación, el olor de aceite gastado; que se hacia presente
en todo el laboratorio, fue disminuyendo y al final desapareciendo.
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En el proyecto se efectuó una biorremediación del
subsuelo y del acuífero afectados con combustible
diesel.
Estudios posteriores indicaron que el producto tóxico
se filtró bajo los muros de contención del dique y se
expandió
al
subsuelo,
incluyendo
el
agua
subterránea.
Las acciones remediativas que se llevaron a cabo
fueron las siguientes:
· Recuperación de producto libre o “diesel” del agua
subterránea
· Biorremediación “In-Situ” en suelos contaminados
· Biorremediación “In-Situ” del agua subterránea
contaminada
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Los mecanismos que rigen la evolución de los plaguicidas en el
suelo son diversos.
Descomposición química, que tiene lugar por procesos de
oxidación, reducción, hidroxilación, de alquilación, rotura de
anillos, hidrólisis e hidratación.
Descomposición fotoquímica, que se produce por efecto del
espectro de luz ultravioleta de la luz solar. Las fuentes de luz y su
intensidad regulan el grado de descomposición de un compuesto.
Descomposición microbiana, la acción de los microorganismos del
suelo sobre los plaguicidas es probablemente el mecanismo de
descomposición más importante. Los microorganismos del suelo,
bacterias, algas y hongos, obtienen alimento y energía para su
crecimiento por descomposición de estos compuestos orgánicos
sobre todo cuando carecen de otras fuentes.
Descomposición por las plantas y organismos, como consecuencia
de los procesos metabólicos que tienen lugar en las plantas.
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La bioventilación es una biorremediación “in-situ” que utiliza
microorganismos endógenos para degradar contaminantes tanto del
subsuelo como de las aguas subterráneas contaminadas.
Mediante esta técnica, la actividad biológica de la bacteria endógena se
estimula por medio de la inyección de aire a través de los pozos de
ventilación. Estos se instalan en varios puntos del área contaminada, y
a través de ellos se inyectan nutrientes y soluciones específicas
preparadas en laboratorio.
Se cumplieron dos condiciones para aplicar el sistema de bioventilación
como tecnología remediativa en este lugar (AEE). En primer lugar se
determinó que era posible la producción y provisión de oxígeno a
través de la zona vadosa del subsuelo. Luego se demostró que los
microorganismos endógenos del lugar tenían la capacidad de utilizar el
oxígeno para biodegradar la contaminación de hidrocarburos en una
proporción aceptable. Además, fue necesario determinar la
conductividad hidráulica y la permeabilidad intrínseca para saber cuán
efectivo sería el sistema de bioventilación en el lugar afectado.
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Para poder acelerar el proceso biorremediativo, se desarrolló un
consorcio de microorganismos degradadores de diesel bajo
condiciones anaeróbicas.
Se cultivaron bacterias endógenas desnitrificadoras del lugar
contaminado. Estas bacterias fueron enriquecidas con
nutrientes en una solución bioactiva, la cual fue inyectada a una
profundidad de 14 y 18 pies en los pozos monitoreados.
Los derrames de crudo provocan un desequilibrio al aumentar
la cantidad de carbono, lo que descompensa los niveles de
nitrógeno y fosfato, en esas condiciones metabólicamente no se
puede consumir el carbono. La biorremediación de petróleo
consiste en verter los mismos nutrientes que están
descompensados, fosfato, nitrógeno, en algunos casos
biodesinfectantes, y dejar que los microorganismos que ya
están presentes “hagan su trabajo”, para recupera el equilibrio y
regenerar el ambiente.
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La complejidad técnica del proyecto se presentó
cuando se encontró contaminación en suelos
saturados. La biorremediación de hidrocarburos
en suelos saturados usualmente está limitada por
la disponibilidad de oxígeno.
En este caso se pueden utilizar otros receptores
alternativos de electrones en sustitución del
oxígeno
para
la
degradación
de
los
hidrocarburos, implementándose el uso de
sistemas anaerobios.
Se examinó la efectividad de otros nutrientes
para estimular la respiración anaerobia y lograr
la remediación de suelos contaminados con
hidrocarburos.
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La reducción biológica de sulfatos llevada a cabo por un grupo de
bacterias heterótrofas, anaeróbias conocidas como BSR (Bacterias
Sulfato Reductoras).
La reducción biológica de sulfatos mejora la calidad del agua ácida
:
· Producción de SH que reacciona con los metales disueltos para
formar sulfuros metálicos indisolubles.
· El pH se eleva debido a la producción de bicarbonato como
consecuencia de la oxidación de los nutrientes orgánicos.
· Un efecto neutralizador del pH es apreciado porque los iones
hidronios son consumidos por la reducción del sulfato. El sulfato
es eliminado de las corrientes acuosas al transformarse en SH.
· Las condiciones anaeróbias imposibilitan el crecimiento de
bacterias generadoras de ácido (T. Ferrooxidans), luego se
previene la producción ácida.
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Se define como BIORREACTOR un lugar que
permite el crecimiento controlado de
microorganismos
SERVICIOS QUE SE OFERTAN A EMPRESAS
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Intervención de los microorganismos, en
especial las mixobacterias, en procesos de
Biomineralización y de Biorremediación.
Uso de la biomasa microbiana en la
bioadsorción de metales pesados y empleo
de las mismas en sistemas de biofiltros
sumergidos.
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Uso de la biomasa microbiana en la
bioadsorción de metales pesados y empleo
de las mismas en sistemas de biofiltros
sumergidos.
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Obtención de microorganismos manipulados
genéticamente.
Mejora de razas de interés industrial
mediante técnicas clásicas y técnicas de
biología molecular.
BIORREMEDIACIÓN
Consiste en el uso de los microorganismos naturales
(levaduras, hongos y bacterias) existentes en el
medio para descomponer o degradar sustancias
peligrosas hasta sustancias de carácter menos
tóxico o bien inocuas.
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Se emplea en casos de contaminación por
plaguicidas, gasoil, gasolina, aceites pesados y
algunos compuestos halogenados.
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Los microorganismos responsables de la degradación de
contaminantes en suelo y aguas son: bacterias, hongos y
protozoos. Alrededor de 22 géneros de bacterias y 31 géneros
de hongos han sido identificados como capaces de degradar
hidrocarburos.
Existen dos metodologías de biorremediación: la aumentada y
la no aumentada.
En la biorremediación
aumentada el tratamiento
implica estar continuamente
añadiendo microorganismos.
En la no aumentada se utilizan
sustancias químicas para
activar a los microorganismos
que están presentes de forma
natural en el suelo.
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Los suelos contaminados son excavados y tratados en
espacios abiertos.
El suelo es aireado mediante volteo y los lixiviados que se
pudieran generar, filtrados y recogidos para su reutilización.
Este sistema permite un buen control del proceso de
degradación biológica de los contaminantes, mediante la
construcción de una celda en la cuál se coloca el material
contaminado y un sistema de riego y aplicación de productos
especialmente destinados a acelerar el ciclo de vida de los
microorganismos y, por consiguiente, la degradación de el
(los) contaminante(s) en un periodo de tiempo relativamente
menor.
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La aireación se consigue a través de labranza o arado del
terreno. Es frecuente la adición de bacterias alóctonas
degradadoras de hidrocarburos para acelerar el proceso y la
estimulación de la actividad de los microorganismos
incrementa la degradación de los productos de petróleo
adsorbidos.
Este proceso requiere que el suelo esté bien mezclado para
aumentar la superficie de contacto entre los compuestos
orgánicos y los microorganismos, y suficientemente oxigenado
para que se produzca la biodegradación aeróbica, pudiendo
añadirse nuevos aportes de suelo con hidrocarburos para su
degradación y el mantenimiento de la actividad biológica.
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La celda se construye sobre la superficie de un terreno
previamente acondicionado, donde se colocan “liners” de
polietileno de alta densidad (HDPE) y un sistema de recogida de
lixiviados. Algunas veces se opta por colocar una cama de arena,
para proteger el “liner” contra rasgaduras y evitar así la
dispersión del contaminante.
BIOPROCESOS
Land farrning
zona de laboreo
70 cm
migración impedida
Membrana PVC 800
Presencia de
sustancias
inhibidoras de esta
degradación
Temperatura del
medio
Cantidad de oxígeno
en el medio
pH del medio
concentración de
nutrientes en el
medio
concentración del
contaminante
solubilidad de los
contaminantes
presentes.
Biodegradabilidad de
los contaminantes
presentes
•Residuos provenientes de industrias petroquímicas, agroindustrias,
frigoríficos, residuos alimenticios en general.
•Residuos de industrias petroleras.
•Residuos de industrias químicas y farmacéuticas.
•Barros y fondos de tanques de combustibles e hidrocarburos en general.
•Suelos contaminados por derrames de hidrocarburos.
•Disposición final de agroquímicos.
Se construye una celda de
tratamiento.
Se transfirieren a ésta los suelos a
tratar.
Se prepara una solución acuosa con
los insumos.
El trabajo concluye al lograr los
máximos permisibles establecidos en
la normatividad vigente.
El muestreo y la determinación
analítica de los parámetros
establecidos en la normatividad
vigente serán realizados por
laboratorios acreditados
Periódicamente se aplica agua para
humedecer la mezcla, y se continúa
con la aireación-mezcladohomogeneización mecánica de los
suelos en tratamiento.
El suelo ya tratado y acondicionado
será depositado en el lugar del cual
fue extraído.
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En cuanto al tiempo necesario para la descontaminación, en el
caso de contaminaciones por hidrocarburos derivados del
petróleo, una expectativa realista para conseguir una reducción
razonable de los niveles de contaminación sería de un período
comprendido entre 90 y 150 días, aunque dependiendo de los
factores anteriormente citados ese período podría alargarse
hasta los 18 meses.
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Una de las ventajas de estas técnicas es su bajo costo. La
biorremediación tiene un costo estimado entre el 30 y 50%
más bajo que otras técnicas convencionales de limpieza.
Este tratamiento presenta una serie de limitaciones,
generalmente relacionadas con parámetros que puedan
decelerar la actividad biológica durante la biodegradación.
Con los actuales avances en el campo de la ingeniería
genética, se podrán crear microorganismos más eficientes y
específicos para conseguir la degradación de los
contaminantes.
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Marine Microbiology: A Monograph on Hydrobacteriology
Claude Ephraim ZoBell Chronica Botanica Company, 1946
http://www.biodiversitylibrary.org/item/40379#page/9/m
ode/1up
http://www.eoi.es/blogs/franciscojosemancebo/2011/12/
02/evolucion-de-la-biorremediacion-en-ambientescontaminados-con-materia-organica/
ZoBell’s contribution to petroleum microbiology Catherine
Bass Environmental Microbiology Research Group, Hatherly
Laboratories, University of Exeter, EX4 4PS UK
Remediation of Petroleum Contaminated Soils: Biological,
Physical, and Chemical Processes Hardcover – May 13,
1998, by Eve Riser-Roberts.

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