Biorremediación

A biorremediación refírese en senso amplo a calquera proceso no que se emprega un sistema biolóxico (normalmente bacterias, microalgas, fungos no caso da micorremediación e plantas no caso da fitorremediación), vivo ou morto, para eliminar contaminantes ambientais do aire, auga, solo, fume de chemineas, efluentes industriais etc. , en situacións naturais ou artificiais. A capacidade natural dos organismos para adsorber, acumular e degradar os contaminantes comúns ou novos motivou o uso de recursos biolóxicos no tratamento do ambiente contaminado. En comparación cos métodos de tratamento fisicoquímico convencional, a biorremediación pode ofrecer vantaxes, xa que pretende ser sustentable, ecoamigable, barata e escalable.
A maioría da biorremediación pasa inadvertida e realízana organismos nativos. As investigacións sobre biorremediación están moi centradas en estimular o proceso inoculando organismos nun sitio contaminado ou subministrando nutrientes para promover o seu crecemento. A remediación ambiental é unha alternativa á biorremediación.
Aínda que os contaminantes orgánicos son susceptibles á biodegradación, os metais pesados non se poden degradar, senón que deben ser oxidados ou reducidos. As biorremediacións típicas supoñen oxidacións. As oxidacións potencian a hidrosolubilidade dos compostos orgánicos e a súa susceptibilidade a unha maior degradación por unha ulterior oxidación e hidrólise. Finalmente, a biodegradación converte hidrocarburos en dióxido de carbono e auga. Para os metais pesados a biorremediación ofrece poucas solucións. Os contaminantes que conteñen metais poden eliminarse, polo menos parcialmente, con varias técnicas de biorremediación. O principal desafío para as biorremediacións é a velocidade: os procesos son lentos.
As técnicas de biorremediación poden clasificarse como (i) técnicas in situ, que tratan os sitios contaminados directamente, e (ii) técnicas ex situ, que se aplican a materiais escavados. En ambas as estratexias engádense nutientes adicionais, vitaminas, minerais, e tampóns de pH para potenciar o crecemento e o metabolismo dos microorganismos. Nalgúns casos, engádense cultivos microbianos especializados (bioestimulación). Algúns exemplos de tecnoloxías relacionadas coa biorremediación son a fitorremediación, o bioventing, a bioatenuación, o biosparging, a compostaxe (biopías e biopías en ringleiras), e o landfarming. Outras técnicas de remediación inclúen a desorción térmica, a vitrificación, o air stripping (extracción co correntes de aire), a biolixviación, a rizofiltración, e o lavado de solos. O tratamento biolóxico ou biorremediación, é unha estratexia similar usada para tratar o lixo, incluíndo augas residuais, residuos industriais e residuos sólidos. O obxectivo final da biorremediación é eliminar compostos nocivos para mellorar a calidade do solo e da auga. Técnicas in situ
Bioventing
O bioventing (que se podería traducir como bioventilación) é un proceso que incrementa o fluxo de oxíixeno ou aire na zona insaturada dun solo, isto á súa vez incrementa a velocidade de degradación natural in situ do hidrocarburo contaminante que se quere eliminar. O bioventing é unha biorremediación aeróbica que é a forma máis común dos procesos de biorremediación oxidativa nos que o oxíxeno se proporciona como un aceptor de electróns para a oxidación do petróleo, hidrocarburos poliaromáticos (PAHs), fenois e outros contminantes reducidos. O oxíxeno é xeralmente o aceptor de electróns preferido debido ao rendemento de enerxía máis alto e porque o oxíxeno cómpre para o funcionamento dalgúns sistemas de encimas para iniciar o proceso de degradación. Os microorganismos poden degradar unha ampla variedade de hidrocarburos, como os compoñentes da gasolina, queroseno, gasóleo (diésel), e combustible para avións a reacción. En condicións aeróbicas ideais, as velocidades de biodegradación de compostos alifáticos de peso molecular baixo ou moderado, alicíclicos, e aromáticos poden ser moi altas. A medida que aumenta o peso molecular do composto, increméntase simultaneamente a resistencia á biodegradación. Isto resulta nunha maior contaminación en compostos volátiles grandes debido ao seu alto peso molecular e unha maior dificultade para eliminalos do ambiente.
A maioría dos procesos de biorremediación implican reaccións de oxidación-redución nas que se engade un aceptor de electróns (comunmente oxíxeno) para estimular a oxidación dun contaminante reducido (por exemplo, hidrocarburos) ou adiciónase un doante de electróns (xeralmente un substrato orgánico) para reducir contaminantes oxidados (nitrato, perclorato, metais oxidados, solventes clorados, explosivos e propelentes). Nas dúas estratexias, poden engadirse nutrientes adicionais, vitaminas, minerais e tampóns de pH para optimizar as condicións para o crecemento dos microorganismos. Nalgúns casos, engádense cultivos microbianos especializados (bioaumento) para aumentar máis a biodegradación.
As estratexias para a adición de oxíxeno baixo o nivel feático poden consistir en facer recircular auga aireada a través da zona de tatamento, a adición de oxíxeno puro ou peróxido, e o air sparging (~salferido de aire). Os sistemas de recirculación adoitan consistir nunha combinación de pozos de inxección ou galerías e un ou máis pozos de recuperación onde se trata a auga subteránea extraída, oxixenada, corrixida con nutrientes e reinxectada. Porén, a cantidade de oxíxeno que se pode proporcionar por este método está limitada pola baixa solubilidade do oxíxeno na auga (de 8 a 10 mg/L para auga en equilibrio co aire a temperaturas típicas). Poden proporcionarse maiores cantidades de oxíxeno ao poñer en contacto coa auga oxíxeno puro ou adicionar peróxido de hidróxeno (H2O2) á auga. Nalgúns casos, inxéctanse lodos líquidos de peróxido de magnesio ou calcio sólidos baixo presión a través de perforacións no solo. Estes peróxidos sólidos reaccionan coa auga liberando H2O2, que despois se descompón liberando oxíxeno. O air sparging implica a inxección de aire baixo presión baixo o nivel feático. A presión da inxección do aire debe ser grande dabondo como para superar a presión hidrostática da auga e a resistencia ao fluxo de aire a través do solo.
Bioestimulation
A biorremediación poden levala a cabo bacterias que están presentes no lugar de forma natural. Na bioestimulación, a poboación destas útiles bacterias pode incrementarse engadindo nutrientes.
As bacterias poden usarse en principio para degradar hidrocarburos. No caso concreto de verteduras de petróleo no mar, o nitróxeno e o fósforo foron nutrientes clave na biodegradación. A biorremediación de hidrocarburos ten o inconveniente de ser moi lenta.
A biorremediación pode supoñer a actuación dun consorcio microbiano. Dentro do consorcio, o produto xerado por unha especie podería ser o substrato para outra especie.
A biorremediación anaerobia pode teoricamente empregarse para tratar diversos contaminantes oxidantes como os etilenos clorados (tetracloroetileno, tricloroetileno, dicloroeteno, cloruro de vinilo), etanos clorados (tricloroetano, dicloroetano), clorometanos (tetracloruro de carbono, cloroformo), hidrocarburos cíclicos clorados, varios enerxéticos (como o perclorato, RDX, TNT), e nitrato. Este proceso implica a adición dun doante de electróns para: 1) diminuír os aceptores de electróns do ambiente, como o oxíxeno, nitrato, ferro e manganeso oxidados e sulfato; e 2) estimular a redución biolóxica ou química dos contaminantes oxidados. A elección do substrato e do método de inxección depende do tipo de contaminante e da súa distribución no acuífero, da hidroxeoloxía e os obxectivos da remediación. O substrato pode engadirse usando instalacións de pozos convencionais, pola tecnoloxía de impulso directo, ou pola escavación e recheo como nas barreiras reactivas permeables ou biopozos. Os produtos de liberación lenta compostos de aceites comestibles ou substratos sólidos tenden a permanecer no lugar durante un amplo período de tratamento. Os substratos solubles ou produtos da fermentación solubles de substratos de liberación lenta poderían migrar por advección e difusión, proporcionando zonas de tratamento máis amplas pero de vida máis curta. Os substratos orgánicos engadidos son primeiro fermentados a hidróxeno (H2) e ácidos graxos volátiles. Os ácidos graxos volátiles, como o acetato, lactato, propionato e butirato, proporcionan carbono e enerxía para o metabolismo bacteriano.
Bioatenuación
Durante a bioatenuación, a biodegradación ocorre de forma natural coa adición de nutrientes ou bacterias. Os microbios nativos do lugar presentes determinarán a actividade metabólica e actúan como atenuación natural. Aínda que na bioatenuación non hai unha intervención antropoxénica, o sitio debe ser monitorizado.
Biosparging
O biosparging (que se podería traducir por biosalferido ou bioinxección) é o proceso de remediación de augas subterráneas inxectando oxíxeno e posibles nutrientes. Cando se inxecta oxíxeno, as bacterias do lugar son estimuladas a aumentar a taxa de degradación. Porén, o biosparging enfócase nas zonas contaminadas saturadas, especificamente relacionadas coa remediación de augas subterráneas.
Entre os primeiros grupos ou institucións que adoptaron a biorremediación de baixo custo están UNICEF, produtores de enerxía, subministradores de auga, e gobernos locais, que utilizaron tabletas de bacterias aeróbicas que simplemente se botaban na auga. Técnicas ex situ
Biopías
As biopías, de xeito similar ao bioventing, úsanse para eliminar contaminantes do petróleo introducindo microorganismos aerobios en solos contaminados ou usando os que xa existen no solo. Neste caso, o solo é escavado e despois amontoado formando pías ou moreas cun sistema de aireación. Este sistema de aireación potencia a actividade microbiana ao introducir oxíxeno con presión positiva ou eliminar oxíxeno con presión negativa.
Biopías en ringleiras (windrows)
Os sistemas de biopías en ringleiras (ou windrows na literatura inglesa) son similares ás técnicas de compostaxe nas que o solo é periodicamente escavado e volteado para mellorar a aireación. Esta acción periódica de darlle a volta ao solo (poñer arriba a parte que estaba abaixo) permite que os contaminantes presentes nel se distribúan uniformemente, o cal acelera o proceso de biorremediación.
Tratamento do terreo (landfarming)
O tratamento do terreo coñecido como landfarming é un método comunmente usado para vertidos de lodos de residuos, solos ou sedimentos contaminados. Este método dispersa o solo contaminado e airéao volteándoo ciclicamente, o que potencia a degradación microbiana. Os lodos contaminantes poden ser transportados a un lugar onde se realizará o tratamento, mesturándoos alí co solo e iniciando o procedemento. Este proceso tamén pode realizarse sobre o propio solo que foi contaminado, pero os solos contaminados tratados deben ser pouco profundos para que se poida estimular a actividade microbiana. Porén, se a contaminación chega a zonas máis profundas de 1, 5 metros, deberá escavarse o solo e traelo á superficie. Aínda que é unha técnica ex situ, pode ser considerada tamén unha técnica in situ, xa que este tipo de tratamento pode realizarse no mesmo sitio onde se produciu a contaminación. In situ fronte a ex situ
As técnicas ex situ adoitan ser máis caras debido aos custos de escavación e transporte ao lugar de tratamento, mentres que as técnicas in situ realízanse no sitio onde se produciu a contaminación, de tal xeito que só teñen custos de instalación. Aínda que hai menos custo hai tamén menor capacidade de determinar a escala e a extensión do contaminante. Os contaminantes son os que finalmente determinan que método de biorremediación se debe usar. A profundidade e extensión do contaminante son outros factores importantes. Metais pesados
Os metais pesados son introducidos no medio ambiente tanto por actividades antropoxénicas coma por factores naturais. As actividades antropoxénicas inclúen as emisións industriais, lixo electrónico e minaría. Ente os factores naturais están a meteorización dos minerais, a erosión do solo solo e os lumes forestais. Os metais pesados, como o cadmio, cromo, chumbo e uranio son diferentes dos compostos orgánicos e non se poden biodegradar. Porén, os procesos de biorremediación poderían usarse para minimizar a mobilidade deste material na subsuperficie, rebaixando o potencial de exposición humana e ambiental a el. Os metais pesados debido a estes factores están presentes predominantemente en corpos de auga debido á escorredura superficial e son captados pola fauna e flora mariña.
O cromo (Cr[VI]) e o uranio (U[VI]) hexavalentes poden ser reducidos a formas menos móbiles ou menos tóxicas (por exemplo, Cr[III], U[IV]). De xeito similar, a redución de sulfato a sulfuro (sulfuroxénese) pode usarse para inmobilizar certos metais (por exemplo, zinc, cadmio).
A mobilidade de certos metais como o cromo (Cr) e o uranio (U) varía dependendo do estado de oxidación do material. Poden usarse microorganismo para rebaixar a toxicidade e mobilidade do cromo reducindo o cromo hexavalente, Cr(VI) a trivalente Cr(III). A redución das especies máis móbiles do U(VI) produce derivados U(IV) menos móbiles. Os microorganismos usados neste proceso debido á taxa de redución destes metais adoita ser lento en ausencia de interaccións microbianas Están realizándose investigacións para desenvolver métodos para eliminar metais da auga aumentando a sorción do metal nas paredes das células. Esta estratexia foi avaliada para o tratamento do cadmio, cromo, e chumbo. Tamén se exploraron bacterias modificadas xeneticamente para usalas no secuestro do arsénico. Os procesos de fitoextracción concentran os contaminantes na biomasa para a súa posterior eliminación.
As extraccións de metais poden en principio realizarse in situ ou ex situ, aínda que se prefire in situ porque é menos caro escavar o substrato.
A biorremediación non é específica para os metais. En 2010 houbo unha vertedura masiva de petróleo no Golfo de México. Utilizáronse poboacións de bacterias e arqueas para rexuvenecer a costa despois da vertedura de petróleo. Estes microorganismos co tempo desenvolven redes metabólicas que poden utilizar hidrocarburos como os do petróleo como fonte de carbono e enerxía. A biorremediación microbiana é unha técnica moderna moi efectiva para restaurar sistemas naturais eliminando toxinas do ambiente. Pesticidas
Dos moitos xeitos que hai de tratar a contaminación por pesticidas, a biorremediación promete ser a máis efectiva. Moitos sitios en todos o mundo están contaminados con agroquímicos. Estes agoquímicos moitas veces son resistentes á biodegradación, debido ao seu deseño. Isto prexudica a todos os seres vivos con problemas de saúde como cancro, irritacións da pel, cegueira, parálise e doenzas mentais. Un exemplo é o lindano que se utilizou comunmente como insecticida no século XX. Houbo un caso de contaminación de terras por lindano en Galicia no Porriño. . A exposición a longo prazo supón unha grave ameaza para as persoas e o ecosistema circundante. O lindano reduce as bacterias beneficiosas do solo, como as cianobacterias fixadoras de nitróxeno. Tamén causa problemas no sistema nervioso central en mamíferos máis pequenos, como convulsións, atordoamento e mesmo a morte. O que o fai tan daniño para ditos organismos é a rapidez con que se distribúe polo cerebro e tecidos graxos. Se ben posteriormente o lindano quedou limitado fundamentalmente a usos específicos, aínda se produce e usa en moitas partes do mundo.
As actinobacterias son candidatos prometedores para usalas en técnicas in situ para eliminar pesticidas. Cando se agrupan certas cepas de actinobacterias, a súa eficiencia na degradación de pesticidas aumenta. Tamén é unha técnica reutilizable que se reforza por medio do uso continuado ao limitar o espazo de migración destas células para actuaren en áreas específicas e non esgota totalmente a súa capacidade de limpeza. Malia os resultados alentadores obtidos, as actinobacterias só se utilizaron en situacións de laboratorio controladas e cómpre un maior desenvolvemento para atopar a rendibilidade e escalabilidade do seu uso. Limitacións da biorremediación
A biorremediación pode utilizarse para mineralizar contaminantes orgánicos, para transformar parcialmente os contaminantes ou para alterar a súa mobilidade. Os metais pesados e os radionúclidos xeralmente non poden ser biodegradados, pero poden ser biotransformados a formas menos móbiles. Nalgúns casos, os microbios non mineralizan completamente o contaminante, podendo producir un composto máis tóxico. Por exemplo, en condicións anaerobias, a deshaloxenación redutiva de tricloroetileno (TCE) pode producir dicloroetileno (DCE) e cloruro de vinilo (VC), que se sospeita ou se sabe que son carcinóxenos. Porén, os microorganismos Dehalococcoides poden reducir o DCE e o VC ao produto non tóxico eteno. As vías moleculares para a biorremediación son de considerable interese. Ademais, coñecer ben estas vías axudará a desenvolver novas tecnoloxías coas que se poden tratar os sitios que teñen unha distribución desigual dunha mestura de contaminantes.
Para a biodegradación cómpre que exista unha poboación microbiana coa capacidade metabólica de degradar o contaminante. Os procesos biolóxicos usados para estes microbios son altamente específicos, e, polo tanto, deben terse en conta tamén factores ambientais e hai que regulalos. Pode ser difícil extrapolar os resultados dos estudos de tests a pequena escala a grandes operacións de campo. En moitos casos, a biorremediación leva máis tempo do que outras altenativas como o depósito en vertedoiros de lixo e a incineración. Outro exemplo é o bioventing, que é barato para biorremediar sitios contaminados; porén, este proceso é de grande envergadura e pode tardarse en descontaminar un sitio algúns anos.
Outra importante desvantaxe é atopar a especie máis axeitada para realizar a biorremediación. Para impedir a introdución e espallamento de especies invasoras no ecosistema, necesítase unha especie nativa do lugar. Ademais ten que ser unha especie suficientemente abundante para limpar o sitio sen esgotar a poboación. Finalmente, a especie debería ser resistente dabondo como para soportar as condicións ambientais. Estes criterios específicos poden facer difícil realizar a biorremediación dun sitio contaminado. En industrias agrícolas o uso de pesticidas é un factor da máxima importancia para a contaminación directa do solo e a contaminación por escurridura superficial de auga. A limitación da remediación de pesticidas é a baixa biodispoñibilidade. Alterar o pH e a temperatura do solo contaminado é unha medida para incrementar a biodispoñibilidade, o cal á súa vez incrementa a degradación de compostos nocivos.
O composto acrilonitrilo prodúcese en moitas instalacións industriais, mais é un contaminante dos solos. Os microorganismos que conteñen nitrilo hidratases (NHases) degradan os daniños compostos de acrilonitrilo orixinando substancias non polucionantes.
Dado que as experiencias con contaminantes nocivos son limitadas, son necesarias prácticas de laboratorio para avaliar a efectividade, deseños de tratamento e tempos de tratamento estimados. Os procesos de biorremediación poden durar de varios meses a varios anos dependenedo do tamaño da área contaminada. Enxeñaría xenética
O uso da enxeñaría xenética para crear organismos deseñados especificamente para a biorremediación está en fase de investigación preliminar. Poden inserirse dúas clases de xenes no organismo: xenes degradativos, que codifican proteínas necesarias para a degradación de contaminantes, e xenes reporteiros, que codifican proteínas capaces de monitorizar os niveis de contaminación. Modificáronse numerosos membros do xénero Pseudomonas co xene lux para a detección do hidrocarburo poliaromático naftaleno. Un test de campo da liberación do organismo modificado tivo éxito a escala moderadamente grande.
Hai certa preocupación sobre a liberación e contención dos organismos modificados xeneticamente no medio ambiente debido a posibles transferencias horizontais de xenes. Os organismo modificados xeneticamente están controlados nalgúns países; por exemplo, nos Estados Unidos de América clasifícanse e contrólanse segundo a Lei de Control de Substancias Tóxicas de 1976 pola Axencia de Protección Ambiental dos Estados Unidos. Establecéronse medidas para afrontar estes posibles problemas. Os organismos poden ser modificados de tal xeito que só poidan sobrevivir e crecer nun conxunto específico de condicións ambientais. Ademais, o rastreo de organismos modificados pode facerse máis fácil inserindo xenes de bioluminescencia para a súa identificación visual.
Creáronse organismos modificados xeneticamente para tratar verteduras de petróleo e para degradar certos plásticos (PET). Manufactura aditiva
As tecnoloxías de manufactura aditiva como a bioimpresión ofrecen beneficios distintivos que poden ser aproveitados en biorremediación para desenvolver estruturas con características deseñadas a medida para sistemas biolóxicos e as necesidades de limpeza medioambiental, e aínda que a adopción desta tecnoloxía en biorremediación está nas súas etapas máis iniciais, esta área está experimentando un enorme crecemento.