TRATAMIENTOS BIOLOGICOS DE SUELOS CONTAMINADOS: CONTAMINACION POR HIDROCARBUROS. APLICACIONES DE HONGOS EN TRATAMIENTO DE RECUPERACION
Biological treatments of contaminated soils: hidrocarbons contamination. Fungal applications
El resultado de un tratamiento de biodegradación depende en gran medida de la toxicidad y la concentración inicial de los contaminantes, su biodegradabilidad, las propiedades del suelo contaminado y el sistema de tratamiento seleccionado.
Los contaminantes tratados habitualmente por estos métodos son los compuestos orgánicos volátiles y semivolátiles no halogenados y los derivados del petróleo. Cuando la contaminación incluye altas concentraciones de metales, compuestos orgánicos con alta proporción de cloro o sales inorgánicas, la eficacia del tratamiento se reduce debido a la toxicidad microbiológica de estos compuestos.
Aunque el esfuerzo social y las políticas en mate- ria ambiental deben continuar por la vía de la presión al sector industrial para que se reduzca la producción de residuos tóxicos, la biotecnología ofrece buenas perspectivas para descontaminar los efluentes industriales. Los microorganismos pueden ser modificados para producir principalmente determinadas enzimas que contribuyan a metabolizar los compuestos producidos como consecuencia de la actividad industrial y que son tóxicos para otras formas de vida. Incluso, se pueden diseñar rutas metabólicas alternativas para la biodegradación de residuos complejos. Puesto que el tratamiento de residuos es una actividad industrial establecida, la genética y la enzimología podrían unirse a la experiencia de la ingeniería en este campo.
Técnicas para tratamiento de emplazamientos contaminados
En general, se pueden agrupar en tres categorías: confinamiento, limpieza y estrategia de respuesta.
El confinamiento tiene como finalidad el aislamiento de la fuente contaminante, evitando la salida de líquidos (lixiviados), polvo o gases; es decir controlando la dispersión de la contaminación. Es el tratamiento que se aplica habitualmente en el caso de contaminaciones provocadas por los vertederos incontrolados de residuos industriales.
La limpieza incluye la aplicación de una o varias tecnologías para eliminar los contaminantes del suelo. Se distinguen tres tipos de tratamiento:
1) Tratamiento in situ del suelo contaminado
2) Excavación del emplazamiento contaminado, retirada del suelo afectado y tratamiento ex situ del mismo
3) Excavación, retirada y depósito en vertedero controlado.
En el primer caso, la contaminación se trata en el lugar en el que se ha producido y en el segundo caso hay que proceder a una excavación del suelo contaminado o a un bombeo del agua contaminada antes de proceder a su tratamiento. En general, el tratamiento in situ es menos costoso y permite que se utilice el espacio durante el mismo, por lo que se aplica cada vez con más frecuencia a pesar de que habitualmente requiere largos períodos de tiempo.
Los métodos existentes para tratar los suelos contaminados pueden ser de naturaleza física, química o biológica y tanto unos como otros pueden aplicarse en el lugar de la contaminación o como tratamiento ex situ. Su clasificación:
1. Tratamientos in situ
– Fisicoquímicos:
a) Extracción con vapor
b) Lavado
c) Solidificación y estabilización
d) Separación electrocinética
– Biológicos:
a) Biodescontaminación
b) Fitodescontaminación
2. Tratamientos ex situ
– Térmicos:
a) Desorción térmica
b) Incineración
– Fisicoquímicos:
a) Extracción con disolventes
b) Lavado
c) Oxido-reducción
d) Deshalogenación química
e) Solidificación y estabilización
– Biológicos:
a) Laboreo agrícola
b) Biopilas
c) Biodegradación en reactor
El objetivo de las técnicas de recuperación biológica, es la creación de las condiciones ambientales óptimas para que los microorganismos se puedan desarrollar adecuadamente y provocar la máxima destoxificación. La tecnología específica empleada en cada caso, depende del tipo de microorganismos de que se trate, de las condiciones del espacio contaminado y de la naturaleza y cantidad de contaminante o contaminantes. Distintos microorganismos degradan diferentes tipos de compuestos y sobreviven en diferentes condiciones.
Los microorganismos denominados endógenos, son aquellos que se encuentran formando parte del ecosistema que se pretende descontaminar. Para estimular el crecimiento de estos microorganismos y forzar la degradación de los contaminantes.
Procesos de atenuación natural
La atenuación natural se puede describir como el conjunto de procesos físicos, químicos y biológicos, que espontáneamente ocurren en un espacio determinado, con posterioridad a la aparición de la contaminación en el mismo.
Se puede considerar que en un proceso de atenuación natural, intervienen o pueden intervenir los cinco grupos de mecanismos siguientes:
1. Biodegradación.
2. Transformación química. La tasa de transformación química depende de diferentes variables tales como pH, temperatura y naturaleza del contaminante.
3. Estabilización. Los contaminantes quedan químicamente ligados por un agente estabilizante y se dificulta o impide su migración.
4. Volatilización. Puede contribuir al proceso de atenuación natural mediante transferencia de
VOC
5. Dispersión y dilución.
La capacidad real del fenómeno de atenuación natural para promover la descontaminación de un emplazamiento determinado, depende de que uno o más de los mecanismos donde puedan funcionar a la velocidad suficiente como para evitar que la pluma de contaminación alcance un receptor. Por lo que se realizara un estudio previo para identificar los siguientes aspectos:
1. Las características del suelo, tales como tipo, conductividad hidráulica y contenido orgánico.
2. Características del las aguas subterráneas, tales como dirección, gradiente y velocidad de flujo, temperatura, pH y oxígeno disuelto.
3. Grado de contaminación vertical y horizontal en el suelo y el agua.
4. Una revisión detallada de receptores y vías de migración, en el área geográfica del emplazamiento.
Tratamiento biológico in situ de suelos contaminados
El tratamiento in situ no requiere excavar y retirar el suelo contaminado, por lo cual provoca menos liberación de polvo y contaminantes y permite descontaminar mayor volumen de suelo por tratamiento que las técnicas ex situ.
En este tipo de tratamiento se persigue la adecuada oxigenación y aporte de nutrientes a los microorganismos del suelo. Existen dos métodos para incorporar el oxígeno al suelo. Uno es la inyección directa de aire en el suelo que está por encima de la capa freática y el otro consiste en suministrar oxígeno en forma líquida como peróxido de hidrógeno.
Cuando lo que se bombea es aire, se hace a través de unos pozos perforados en la zona contaminada. El número, localización y profundidad de los pozos, depende de los factores geológicos y de ingeniería del proceso. A la vez que el aire, también deben bombearse al suelo nutrientes como nitrógeno y fósforo.
En el caso de adición de peróxido de hidrógeno, hay que tener en cuenta que se trata de un compuesto químico, que puede difundirse a las aguas subterráneas y contaminar acuíferos. Por lo tanto, este sistema sólo se utiliza si el agua subterránea está ya contaminada. La inyección del peróxido puede hacerse a través de tuberías y difusores o de pozos en el caso de que la contaminación del suelo sea profunda.
Tratamiento biológico de aguas subterráneas
Con este tratamiento se pretende aumentar la velocidad del proceso de degradación natural. El dispositivo para tratar aguas subterráneas consiste en un pozo para extraer el agua contaminada, un sistema superficial de tratamiento en el que se añaden al agua oxígeno y nutrientes y otros pozos adicionales de reinyección del agua tratada para que los microorganismos lleven a cabo la actividad degradadora de los contaminantes.
Tratamiento biológico ex situ de suelos contaminados
Las técnicas ex situ pueden ser más rápidas, más fáciles de controlar.
Técnicas de tratamiento en fase sólida como en forma de lodos.
1. Tratamientos de lodos. El suelo contaminado se combina con agua y otros aditivos en un biorreactor. Se controlan las condiciones de tratamiento y se añaden nutrientes y oxígeno. Cuando finaliza el tratamiento, se separa el agua de los sólidos que son retornados al emplazamiento o sometidos a un tratamiento posterior si contienen todavía algún tipo de contaminante. Este proceso puede ser relativamente rápido si se compara con otros tratamientos biológicos, sobre todo, cuando se trata de terrenos arcillosos y es especialmente útil cuando se requiere un tratamiento rápido.
2. Tratamientos en fase sólida. Para que se pueda realizar un tratamiento en fase sólida, se requiere que el área de aplicación disponga de sistemas colectores adecuados para evitar cualquier contaminación en caso de escapes. La humedad, el calor, los nutrientes y el oxígeno se controlan para aumentar el rendimiento del proceso de biodegradación. Los sistemas de fase sólida son relativamente fáciles de mantener y operar, re- quieren grandes espacios y en general son de más larga duración que los tratamientos en forma de lodos.
Valoración de la eficiencia de un tratamiento biológico de descontaminación
Factores difíciles de valorar son los siguientes:
1. La disminución de la concentración de los substratos no es una medida inequívoca de la degradación ocurrida ya que una parte importante de los mismos puede perderse por volatilización o por transformación, con la subsiguiente aparición de metabolitos intermedios o finales.
2. El ambiente es siempre de una gran heterogeneidad y por lo tanto es muy difícil encontrar un método de muestreo que sea representativo e ilustre con aproximación el proceso que ha tenido lugar.
3. El grado de lixiviación es muy difícil de evaluar, ya que los ecosistemas suelen ser suficientemente abiertos como para que se pueda establecer un balance certero de las concentraciones de substratos iniciales y de los metabolitos producidos, incluyendo dióxido de carbono, amoniaco o metano, que pasan a la atmósfera.
Tratamiento biológico de contaminaciones por petróleo y sus derivados
1. La biodegradación de todos los hidrocarburos requiere la disponibilidad de aceptores electrónicos: oxígeno, peróxido de hidrógeno, en ecosistemas terrestres, y nitrato o sulfato, en las condiciones anaerobias que prevalecen en los estratos profundos del suelo.
2. La biodegradación de alcanos así como las rutas metabólicas implicadas están bien identificadas. El conjunto de compuestos degradables incluye los de cadena ramificada como el pristano
3. Muchas bacterias producen surfactantes como respuesta a la presencia de hidrocarburos. Este hecho se ha comprobado tanto en bacterias que degradan alcanos como en las degradadoras de policíclicos aromáticos.
4. En algunas ocasiones, aunque no se produzca una biodegradación considerable, se pueden producir biotransformaciones beneficiosas.
Aplicaciones de hongos en tratamientos de biodescontaminación
Los hongos de podredumbre blanca disponen entre otras, de una capacidad muy relevante, que es la de degradar mayoritariamente la lignina, un polímero polifenólico heterogéneo que es uno de los tres componentes principales de los sustratos lignocelulósicos. En algunos casos, el resultado final de su acción confiere una apariencia blanquecina a la madera atacada como consecuencia de la desaparición de la lignina. Aunque existen algunos ascomicetos degradadores de lignina, los hongos ligninolíticos más eficaces se encuentran entre los basidiomicetos.
Para ello, cuentan con una batería de enzimas extracelulares, oxidasas y peroxidasas, que contribuyen, en determinadas condiciones, a despolimerizar la compleja estructura de la lignina . La oxidación y ruptura de la molécula de lignina tiene como finalidad principal eliminar dicha barrera química y posibilitar el acceso a los polisacáridos de la madera que constituyen una importante fuente de energía.
La peculiar irregularidad estructural del polímero de lignina, hace que estas enzimas se caractericen por unos mecanismos de acción no específicos que oxidan los anillos aromáticos constitutivos de dicho polímero.
Las enzimas que participan en este proceso son: lignina peroxidasa, peroxidasa dependiente de Mn y lacasa, una fenoloxidasa que contiene principalmente cobre. El patrón de expresión de esas actividades enzimáticas depende de los diferentes organismos, mientras unos secretan LiP y MnP, otros secretan MnP y lacasas. Existen otras enzimas asociadas con las anteriores en la degradación de lignina de una manera indirecta: glioxal oxidasa y superóxido dis- mutasa que producen H2O2, compuesto requerido para la actividad de LiP y MnP. Finalmente,otras enzimas actúan como nexos de unión entre las distintas vías de degradación de la lignocelulosa: glucosa oxidasa, aril alcohol oxidasa, celobiosa quinona oxidorreductasa y celobiosa deshidrogenasa. Leonowicz ha propuesto un modelo de interacción de estas enzimas en el proceso de degradación de lignina por hongos ligninolíticos .
