manejo de residuos
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26-1 COMPOSTAJE.
I) AEROBIO. II) BIOMETANIZACIÓN (COMPOSTAJE ANAEROBIO)
Hoy en día cada vez resulta más fácil el tratamiento y recogida de los residuos urbanos,
por ejemplo en plantas como la de Valdemingomez, donde se lleva a cabo esta labor
mediante cuatro procesos: incineración, reciclado, vertido controlado y compostaje,
¿Qué es el compostaje? Es un proceso controlado y acelerado de descomposición de las
partes orgánicas de los residuos y que puede ser tanto aerobio como anaerobio, dando
lugar un producto estable llamado “compost”. El compost se compone de restos
orgánicos, microorganismos, oxígeno y agua.
Son muchos y muy complejos los factores que intervienen en el proceso biológico del
compostaje, estando a su vez influenciados por las condiciones ambientales, tipo de
residuo a tratar y el tipo de técnica de compostaje empleada. Los factores más
importantes son:
_ Temperatura
_ Humedad
_ PH
_ Oxígeno
_ Relación C/N equilibrada
_ Población microbiana.
El proceso de compostaje se divide en cuatro periodos con respecto a la evaluación de la
temperatura:
- Mesofílico: la masa vegetal está a temperatura ambiente y los microorganismos
mesófilos se multiplican rápidamente, por lo que subirá la temperatura.
- Termofílico: cuando se alcanzan los 40º los microorganismos termófilos trasforman el
nitrógeno en amoniaco; A los 60º desaparecen.
- De enfriamiento: cuando la temperatura es menor de 60º, reaparecen los hongos
termófilos y al bajar de 40º los mesófilos también reinician su actividad.
- De maduración: periodo que requiere meses a temperatura ambiente, durante los
cuales se producen la condensación y polimerización del humus.
El compostaje, según el proceso biológico aeróbico, se desarrolla mediante la actuación
de los microorganismos sobre la materia rápidamente biodegradable, es decir, restos de
cosecha, excrementos de animales y residuos
Urbanos, permitiendo así obtener compost, que es un abono excelente para la
Agricultura, ya que el compost o mantillo se puede definir como el resultado de un
proceso de humificación de la materia orgánica, bajo condiciones controladas y en
ausencia de suelo. El compost es un nutriente para el suelo que mejora la estructura y
ayuda a reducir la erosión y también a la absorción de agua y nutrientes por parte de las
plantas.
BIOMETANIZACIÓN
Tratamiento anaerobio de los residuos de envases que produce metano y residuos
orgánicos estabilizados. Este proceso además de en residuos sólidos urbanos (RSU) se
aplica sobre lodos de depuradoras. La digestión anaerobia es un proceso al que se
someten los RSU para obtener de ellos biogás y compost. Esta degradación implica la
actuación en serie de unas determinadas familias de bacterias:
- Fase hidrolítica: fase principal ya que es imprescindible que la materia orgánica se
encuentre disuelta para que las bacterias seguidamente puedan actuar.
- Fase acetogénica: las moléculas se convierten en ácidos simples (el más importante es
el acético)
- Fase metanogénica: es la única fase estrictamente anaerobia en la que la bacterias
convierten el ácido acético en metano y CO2
Productos del compostaje:
Como resultado de ambas digestiones (aeróbica y anaeróbica) se obtienen compost y
biogás. La fórmula general podría ser la siguiente:
Materia Orgánica + Microorganismos CO2 + CH4 + Microorganismos + NH4 + P +
Biomasa (materia orgánica convertida)
El compostaje aerobio produce un compost de mayor calidad y su puesta en marcha es
sencilla; sin embargo requiere un gasto energético para aportar oxígeno, reduce menos
el volumen de la materia orgánica, requiere grandes superficies, tiene un límite en la
carga que puede tratar y expulsa gases contaminantes a la atmósfera.
El compostaje anaerobio produce energía en forma de biogás, reduce en gran medida el
volumen de la materia orgánica, permite altas velocidades de carga, requiere poco
espacio, pocos equipos mecánicos y no emite gases contaminantes, olores o gérmenes;
sin embargo produce un compost de menor calidad, su arrancado es lento y difícil y las
bacterias anaerobias son sensibles a gran cantidad de sustancias tóxicas.
El biogás por su parte, está compuesto principalmente por CH4, CO2, N2, O2, H2, CO,
NH3, y SH2. El proceso de obtención del biogás es una suma compleja de reacciones
químicas provocadas por el cultivo de una serie de bacterias, y se podría dividir en
cuatro fases en las cuales influirán tanto la temperatura como la humedad.
La principal ventaja es su uso como combustible, y por tanto, la obtención de energía
térmica.
Propiedades del compostaje:
El uso más importante del compost es como fertilizante. Es un buen abono orgánico, es
decir, permite la regeneración de suelos: Los ácidos resultantes hace que se disuelva una
parte de los productos minerales del suelo y sean aprovechables para las plantas.
Además aporta otros elementos como nitrógeno, fósforo, magnesio, hierro...
Otro de los usos es proporcionar estructura al suelo: mejora las condiciones físicas,
químicas y biológicas, aumenta la retención del agua, mayor aireación de las raíces, y
mayor aportación de organismos al suelo.
Además actúa como soporte y alimento de los microorganismos que viven a expensas
del humus; La población microbiana, indicadora de la fertilidad del suelo, se ve, por
tanto, favorecida.
26-2 ETAPAS Y PROCESOS DE UNA EDAR URBANA. PROCESOS DE FANGOS ACTIVOS
Una EDAR es una estación depuradora de aguas residuales que recoge el agua residual
de una población o de una industria y, después de una serie de tratamientos y procesos,
la devuelve a un cauce receptor (río, embalse, mar...).
LÍNEA DE AGUA
Pretratamiento
Consiste en la eliminación de todos aquellos cuerpos de gran tamaño y alta densidad
contenidos en el agua residual.
Para ello se realizan los siguientes procesos
1- Desbaste o retención: el agua atraviesa unas rejas de diferentes tamaño de malla
para retener los materiales más voluminosos.
2- Desarenado: sistema de circulación del agua por cámaras a una velocidad controlada
para provocar la sedimentación de arenas y gravas en el fondo del depósito denominado
desarenador. Posteriormente se eliminarán.
3- Desengrasado: consiste en la eliminación de grasas, aceites y otros materiales
flotantes como pelos o fibras. Se lleva a cabo por los mismos procesos que el desarenado.
Tratamiento primario
Eliminación de la materia en suspensión sedimentable que no ha sido retenida en el
pretratamiento, usando tratamientos físicos y físico-químicos.
En primer lugar, se produce la decantación en los denominados decantadores
primarios con mecanismos de arrastre y extracción de grasas y fangos. Las partículas se
depositan en el fango y con ellas se ven arrastradas bacterias.
En segundo lugar, se complementará con procesos de floculación que consiste en la
unión o aglutinación de las partículas suspendidas en un líquido paraformar “flóculos”.
Puede favorecerse con la unión de agentes químicos (coagulantes) por lo que se hablará
de coagulación. Finalmente, se procede a la neutralización o ajuste de pH.
Tratamiento secundario
El tratamiento secundario o biológico se encarga de reducir, a través de una serie de
procesos, la carga orgánica, presente en las aguas residuales, que el tratamiento
primario no ha sido capaz de eliminar.
Los procesos biológicos empleados son:
1- Procesos anóxicos: en él intervienen una serie de reacciones de digestión y
fermentación que llevan a cabo diferentes especies bacterianas. Este tipo de
descomposición se emplea en el tratamiento de materia orgánica insoluble. Los
principales productos de este tratamiento son metano y CO.
2- Procesos aeróbicos: se trata de la descomposición, realizada por bacterias aeróbicas,
de la materia orgánica hasta formas estables.
Existen otros procesos biológicos aerobios, como el filtro de goteo, el fango activado y el
estanque de estabilización o laguna.
Tratamiento terciario
El tratamiento terciario de aguas residuales consiste en eliminar compuestos orgánicos
e inorgánicos disueltos. Procesos:
1- Electrodiálisis: Consiste en aplicar una corriente directa a través de un cuerpo de
agua separada por membranas altamente permeables a cationes y aniones. Los iones
pequeños pasan a través de las membranas y los grandes migran a las superficies de las
membranas.
2- Ósmosis inversa: Consiste en forzar agua pura a través de una membrana
semipermeable que permite el paso de agua pero no de otro material. Se usa para
desionizar el agua del mar.
3- Intercambio iónico: Los intercambiadores reemplazan los cationes y aniones por H+
y OH- respectivamente. Cada equivalente de sal es reemplazado por un mol de agua.
Desinfección
Se produce para eliminar la mayor cantidad posible de virus y bacterias presentes en las
aguas residuales, y para la eliminación de olores y sabores.
Existen tres principales métodos: la cloración, la ozonización y el uso de la radiación
ultravioleta. Las tres consiguen llegar a un nivel óptimo de calidad del agua.
LÍNEA DE FANGOS
Procesos:
1- Espesado: una vez separados los fangos del agua residual, se espesan para
conducirlos a vertedero o a digestión.
2- Digestión de fangos: tiene dos fases: aerobia y anaerobia.
3- Deshidratación: es la eliminación completa del agua de los lodos.
LÍNEA DE GAS
Producción de metano y es consecuencia directa de la respiración anaerobia.
La metanogénesis se utiliza como primera fase en el tratamiento de aguas residuales
con alto contenido en materia orgánica biodegradable. El objetivo primordial es la
reducción de contenido en sólidos y materia orgánica del agua residual en ausencia de
oxígeno. La depuración la realizan bacterias anaerobias, que retienen la mayor parte de
los sólidos en suspensión que se depositan en el fondo. El proceso tiene lugar en varias
etapas:
1- Hidrólisis
2- Formación de ácidos
3- Formación de metano
26-3 TECNOLOGÍAS AEROBIAS “BLANDAS O DE BAJO COSTE” EMPLEADAS PARA LA
DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES.
MICROORGANISMOS DEPURADORES
El tratamiento biológico de las aguas residuales trata de estabilizar la materia orgánica.
Los microorganismos degradan muchos compuestos que no son metabolizados por
organismos superiores empleando complejos procesos basados en su nutrición. En
función del uso del oxígeno molecular los organismos se dividen en aerobios, anaerobios
y facultativos, siendo los sistemas aerobios los que más energía liberan.
Los microorganismos que intervienen en la depuración de aguas los podemos clasificar
en 3 grupos: animales, vegetal y protistas.
Bacterias: Forman el nivel trófico básico en todo sistema de tratamiento biológico. Su
principal ventaja competitiva reside en su extraordinaria capacidad metabólica. Su
pequeño tamaño y la proporción entre el área que ocupan y el volumen es lo que las
hace tan eficaces en términos de nutrientes y el intercambio catabólico con el medio en
el que están. Su rápida reproducción es también una importante ventajas
distinguiéndose varias fases en su crecimiento. El género dominante en el tratamiento
de agua residual son las aerobias heterótrofas Gram negativas con forma alargada y
flagelación polar.
Algas: La presencia de fitoplancton es importante en la depuración de aguas ya que al
realizar la fotosíntesis liberan oxígeno utilizado por bacterias aerobias y heterótrofas.
Zooplancton: Conjunto de organismos animales que viven en el seno de las aguas. Entre
ellos se encuentran: protozoos, rotíferos y crustáceos. Todos ellos son indicadores del
estado del agua en cuanto a cantidad de materia orgánica y contenido de oxígeno.
Hongos: Su capacidad de vivir en ambientes con pH bajo los convierte en importantes
agentes en el tratamiento de aguas residuales industriales.
Entre los microorganismos que habitan en un mismo medio se establecen distintos tipos
de relaciones interespecíficas. Las condiciones físicas, químicas, biológicas y
nutricionales afectan al crecimiento de los microorganismos presentes en el medio,
destacando la temperatura, el pH y el O2.
FILTRO VERDE
Se denomina filtro verde a una tecnología de bajo coste y explotación que se basa en que
el suelo es un soporte de sales, aire, agua, microorganismos y de las raíces de las plantas,
cuya acción conjunta provoca de manera natural la depuración de los efluentes
contaminados a través de acciones físicas, químicas y biológicas. En él ocurren una serie
de fenómenos que se superponen a lo largo del año y el agua depurada no es reutilizable
inmediatamente.
En conclusión, es una tecnología de alto rendimiento en la eliminación de materia
orgánica y bacteriológica, que no necesita personal especializado ni equipos mecánicos
para su control, no produce lodos, los costes de instalación se pueden sufragar con la
venta de los productos obtenidos en la actividad asociada a él, posee un reducido
impacto ambiental y una operación, mantenimiento y construcción sencillos.
BIODISCOS
Se trata de una tecnología de biopelícula fijada consistente en una serie de discos que
giran en torno a un eje horizontal que se sitúa dentro de un recipiente lleno de agua, de
forma que al girar, quedan expuestos sucesivamente al aire y al agua residual.
El grosor de la biopelícula está determinado por la difusión de nutrientes a través de la
membrana, y alcanzando una determinado grosor las bacterias se autoalisan y la
biopelícula se desprende pudiendo ser retirada en una fase posterior de aclarado por
sedimentación.
Al final del proceso se consigue disminuir entre un 80-90 % de la DBO. La eficiencia de
los CBR se ve reducida por la falta de oxígeno, un bajo pH, una baja emperatura, las
lluvias y la presencia de sustancias tóxicas o un exceso de SH2.
LAGUNAJE O LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN
Método de depuración de aguas residuales consistente en almacenar el agua durante un
tiempo variable para que sea tratada biológicamente por los mismos microorganismos
presentes en el medio acuático, mediante reacciones físicas, químicas y biológicas.
Las lagunas se clasifican en anaerobias o estanques profundos, facultativas y aerobias de
maduración, las cuales constituyen un tratamiento terciario en el proceso de
depuración.
De estas últimas destacamos: toda la masa de agua está en condiciones aerobias, debido
a la fotosíntesis que realizan las algas y a la aireación. Su función fundamental es reducir
la DBO5 a los niveles mínimos y eliminar bacterias patógenas gracias a la radiación
ultravioleta solar. Otros objetivos son la nitrificación, cierta eliminación de nutrientes y
la clarificación y oxigenación del efluente. También puede ser un sustituto de la
cloración. El tiempo de retención está condicionado por el grado de depuración
bacteriana que se quiere alcanzar.
Ventajas del lagunaje.
- Altos rendimientos en la disminución de DBO5, sólidos en suspensión, nutrientes y
patógenos.
- Permite regular y almacenar agua sanitaria y apta para el riego.
Inconvenientes del lagunaje.
- Superficies de aplicación relativamente extensas.
- Elevadas pérdidas de agua por aireación.
- Difícil adaptación a los climas fríos.
LECHOS DE TURBA
Este método se basa en la absorción y adsorción de la turba y en la actividad bacteriana
que se desarrolla en su superficie.
El proceso completo se compone de un pretratamiento, un tratamiento primario, un
tratamiento secundario y opcionalmente uno terciario.
Sus ventajas son que no produce olores ni ruidos, no afecta a la estética del paisaje, no
presenta problemas al ser aplicado a climas fríos, tiene alta descontaminación
bacteriana y su bajo coste de construcción y de mantenimiento lo convierten en un
método muy económico.
LECHOS BACTERIANOS
Es un sistema de depuración biológica aerobia, basada en la biodegradación de los
compuestos orgánicos contaminantes a otros más simples por acción de las bacterias,
normalmente heterótrofas.
En este proceso se genera una biopelícula compuesta por el agua a depurar, los
microorganismos y nutrientes, que se desarrollará cuando se ponga el material de
soporte en contacto con el agua residual, que se separará por decantación.
26-4 ELIMINACIÓN DE NITRÓGENO EN AGUAS RESIDUALES
Parte importante de la depuración de aguas residuales es la eliminación del nitrógeno,
que tiene importantes consecuencias ambientales como es la eutrofización.
Esta se lleva a cabo mediante una autodepuración en la que intervienen bacterias, que se
encargan de convertir los distintos compuestos nitrogenados en nitrógeno atmosférico.
Existen distintos procesos que parten fundamentalmente del amonio (NH4 ), por ser la
forma más común en la que aparece el nitrógeno en disolución a pH neutro, para llegar a
nitrógeno atmosférico (N2).Estos son nitrificación-desnitrificación y proceso
ANAMMOX.
NITRIFICACIÓN-DESNITRIFICACIÓN
Nitrificación
Es la oxidación de amonio a nitrato con consumo de oxígeno. Lo realizan bacterias
nitrificantes aerobias estrictas autótrofas y quimioautótrofas.
Dentro de las autótrofas destaca el género nitrosomonas que se encargan del proceso de
la nitritación:
NH4+ + 3/2 O2 NO2- + 2H+ + H2O
Posteriormente el género nitrobacter realiza la nitratación:
NO2- + ½ O2 NO3-
Las bacterias quimioautótrofas utilizan el proceso de nitrificación para obtener energía
para reducir el dióxido de carbono para crear materia orgánica. La reacción es:
20CO2 + 14 NH4+ 4C5H7NO2 + 10NO3- + 24H+ + 2H2O
Algunas bacterias heterótrofas también pueden realizar la nitrificación, pero al ser muy
pocas no las incluiremos.
Desnitrificación
Es el proceso por el cual los nitratos y nitritos obtenidos en el proceso anterior se
reducen a nitrógeno atmosférico u óxido nitroso, siendo este último muy contaminante.
Lo realizan principalmente bacterias heterótrofas anaerobias facultativas o
aerotoloerantes, tanto Gram + como Gram -. La secuencia seguida es:
NO3 NO2 NO N2O N2
Proceso
Este modo de eliminación de nitrógeno se basa en alternar nitrificación con
desnitrificación.
Comienza con nitrificación, con aireación en el reactor. Esto provoca un aumento de
potencial redox, y cuando disminuyen la concentración de amonio y la velocidad de
nitrificación se detiene la aireación. Las bacterias consumen el oxígeno disponible.
Comienza, entonces, la desnitrificación. En este proceso las bacterias hacen disminuir el
potencial redox. Cuando se alcanza el punto de concentración de nitratos cero, se
conserva entre 10 y 30 minutos en condiciones anaerobias, para que se dé la
desfosfatación, ya que este método esta muy relacionado con la eliminación del fosfato.
Posteriormente se vuelve a airear y comienza de nuevo la nitrificación.
PROCESO ANAMMOX
Es un proceso alternativo al anterior, este consiste en la eliminación del nitrógeno
amoniacal, sin consumo de oxígeno, es un proceso litoautrófico, sin necesidad de fuentes
de carbono:
NH4+ + NO2- N2 + H2O
Se puede usar unido a la desnitrificación y se podría eliminar nitrógeno y materia
orgánica en un mismo reactor. Este proceso comenzaría con una oxidación parcial
controlada de amonio a NO2, para la que sí que se necesita oxígeno. De tal modo que la
desnitrificación eliminaría el óxido y el proceso Anammox eliminaría amonio y parte del
óxido. Las reacciones simplificadas de los procesos que tendrían lugar en el reactor son:
foe: fuente orgánica de electrones
-Desnitrificación
-ANAMMOX
Con este método se reduce en un 25% el consumo de oxígeno y en un 40% la demanda
de carbono para la desnitrificación. Actualmente está en fase de puesta a punto.
26-5 ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DEL AZUFRE EN AGUAS RESIDUALES Y FLUENTES
GASESOS Y ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DEL FÓSFORO
El azufre y el fósforo son nutrientes esenciales para la vida; interviniendo sobre todo en
la formación y estabilización de proteínas (enlaces disulfito) y ácidos nucleicos,
respectivamente.
AZUFRE
En la biosfera, el azufre es imprescindible para la síntesis de ciertas moléculas orgánicas,
y solo algunas plantas, bacterias y hongos son capaces de incorporarlo directamente
como sulfato y transformarlo a radical sulfhídrico(-HS), es decir azufre orgánico.
El azufre es un elemento que se puede considerar tóxico si se encuentra en grandes
proporciones a nivel atmosférico o de las aguas. Son tantos los procesos biológico como
físico-químicos que pretenden eliminar el azufre de la atmósfera. Los tratamientos
biológicos del sulfuro de hidrógeno se realizan en reactores tipo biofiltro percolador. La
oxidación depende de la población microbiana y de la concentración de oxígeno, y tiene
lugar según la reacción: H2S +2O2 SO42- + 2H+
El azufre puede llegar a la atmósfera por causas naturales(volcanes)o causas
antropogénicas (quema de combustibles fósiles,centrales térmicas),generando
problemas como la lluvia ácida ,el smog sulfuroso, por lo que deducimos que los cambios
sobre el ciclo biogeoquímico del azufre provocan grandes consecuencias globales. Por
eso es importante comprender el ciclo del azufre y el papel tan importante que juegan
las bacterias en él. Las bacterias desempeñan las principales funciones tanto en los
procesoso oxidativos como en los reductores del ciclo. Las bacterias oxidadoras del
sulfuro y del azufre, que a menudo son quimiolitotrófas producen sulfato y las bacterias
reductoras utilizan el sulfato como aceptor de electrones en la respiración anaeróbica,
produciendo sulfuro de hidrógeno.Dado que el sulfuro es tóxico y reacciona tambien con
varios metales, la reducción de sulfato es un importante proceso biogeoquímico.El
dimetil-sulfuro es el principal compuesto de azufre con significado ecológico.
La producción de protones implica un descenso del pH que favorece que los organismos
encargados de la oxidación del H2S (habitualmente del género Thiobacillus)carezcan de
competencia y puedan colonizar el medio.
Para asegurar una velocidad óptima de degradación debe adicionarse un agente
basificante que mantenga el pH entre 1 y 3. Estos tratamientos biológicos resultan
económicos, pero son menos eficaces que los físico-químicos.
Mediante el proceso de la reducción desasimilatoria de sulfato, el sulfato(SO42-)es
reducido a sulfuro de hidrógeno(H2S) en ausencia de oxigeno, actuando el sulfato como
aceptor de electrones. Para retirar el azufre de las aguas, primero es necesario un
tratamiento primario, mediante el cual retiramos todas las sustancias sedimentables.
Luego se procede a la eliminación biológica del azufre. En ausencia de oxígeno, la
bacteria Desulfovibrio, género que posee flagelación polar, sin esporas y es gran
negativo, realiza la reducción desasimilatoria de sulfatos: consiste en pasar el sulfato a
sulfuro. A partir de aquí, hay 2 rutas posibles según el agua presente o carezca de
oxígeno. Si lo hacemos en un ambiente óxico, actuarán las quimiolitrótofas las cuales
pasan los sulfuros a azufre elemental(S0),que depositarán como gránulos en el interior o
exterior de sus células. Si lo hacemos en un ambiente anóxico, actuarán las bacterias
fototróficas anoxigénicas y algunas cianobacterias, que también lo transformaran en
azufre elemental. Cuando estas bacterias estén cargadas de azufre morirán y tendremos
que retirarlas del fondo para dar paso a otra nuevas .
FÓSFORO
La proporción de fósforo en la materia viva es relativamente pequeña, sin embargo el
papel que desempeña es vital. Su principal reserva se encuentra en la corteza terrestre y
en las rocas marinas. En las rocas fosfatadas terrestres, por disolución, el fósforo se
libera en forma de fosfatos al suelo, donde es asimilado por las plantas y pasa a partir de
éstas a los siguientes niveles tróficos. Parte del fósforo, por escorrentía, va a parar a los
océanos acumulándose en forma de rocas fosfatadas o siendo asimilado por el
fitoplacton. Su retorno al medio terrestre se produce en pequeñas cantidades y de forma
muy lenta(guano y procesos biológicos). Cabe destacar que el ciclo del fósforo no
interviene en la atmósfera.
Por otro lado, este fósforo también puede ir a parar a ríos y lagos, donde unido a los
aportes procedentes de vertidos urbanos (detergentes) y agrícolas(abonos), junto con
los nitratos, produce la eutrofización: una proliferación excesiva de algas y otros
organismos cuya descomposición consume gran parte del O2 y produce gases tóxicos
que conducen a la muerte de la flora y fauna de ese ecosistema.
Por lo tanto, la solución más eficaz apara evitar este problema ambiental es la
depuración de las aguas. Uno de los métodos más utilizados actualmente y que posee
numerosas ventajas (económicas, ambientales...etc.) frente a los procesos químicos, es la
eliminación biológica del fósforo. Para ello se utiliza microorganismos acumuladores de
este elemento. El más común es Acinetobacter , un cocobacilo gram-negativo con
metabolismo aerobio no fermentativo, oxidasa negativa y catalasa positiva que vive en
un rango de temperaturas de entre 5 a 50 ºC . Además, su rápido crecimiento y
ubicuidad hace que sea la bacteria elegida para este proceso.
Éste, se basa en la alternancia de una fase anaerobia y otra aerobia. En la primera,
Acinetobacter, al estar sometida a condiciones de estrés, hidroliza polifosfatos
acumulados y libera fosfatos al agua, tomando materia orgánica del medio con la energía
obtenida. En la fase aerobia, Acinetobacter oxida la materia orgánica generando una
energía que usa para acumular fosfastos del medio en su interior y forman gránulos de
polifosfatos. La clave del proceso reside en que la cantidad de fósforo absorbido en la
fase aerobia es superior a la que se desprende en la fase anaerobia, eliminándose así un
alto porcentaje de fósforo de las aguas contaminadas.
Las bacterias, que quedan como sacos de fósforo, se acumulan en los fangos que se
eliminan por decantación.
La parte del fósforo que no ha podido ser eliminada mediante el procedimiento
biológico, es sometida a procesos de tipo químico. En ellos se precipita el fósforo
mediante la adición de sales (férricas, alumínicas...) y cal. Actualmente también se
desarrollan procesos que aunan el procedimiento biológico y el químico llamados
procesos mixtos, como el PHOSTRIP.
26-7 DEPURACION ANAEROBIA DE AGUAS RESIDUALES. PRINCIPIOS Y REACTORES
La depuración anaerobia de aguas residuales es una combinación de varios procesos, de
los cuales destacan la digestión anaerobia, que es una fermentación de la materia
orgánica llevada a cabo por microorganismos en ausencia de oxigeno. Los subproductos
de esta fermentación son una mezcla de gases (principalmente CO2 y CH4) que
constituyen el biogás, y también se produce biomasa que es retenida, consiguiéndose así
la depuración.
La depuración anaerobia utiliza como aceptores de electrones compuestos orgánicos
como nitratos, sulfatos, etc. Dentro de este proceso podemos destacar:
- desnitrificación: proceso llevado a cabo por bacterias desnitrificantes en ausencia de
oxigeno, formándose CO2, H2, O2 y N2.
NO3- NO2 NxOy N2
- carbohidratos: oxidación en CO2 y ácidos orgánicos y reducción en aldehídos, cetonas y
alcoholes.
- Reducción de sulfatos: proceso realizado por bacterias sulforreductoras.
SO42- SO32- SxOy Sº H2
La conversión biológica de la depuración anaerobia tiene tres etapas fundamentales:
· Hidrólisis: transformación de moléculas de elevado peso molecular en compuestos
orgánicos de cadena molecular más corta, que pueden servir como fuente de carbono y
de energía.
· Acidogénesis: conversión por parte de bacterias de los compuestos que proviene de la
hidrólisis, en compuestos de menor peso molecular como el ácido acético o el hidrógeno.
· Metanogénesis: proceso llevado a cabo por bacterias metanogénicas, que son
anaerobias estrictas, en el cual los productos resultantes de la acidogénesis son
transformados en CO2 y CH4. Las bacterias metanogénicas tienen un crecimiento lento, lo
que supone un factor limitante para este proceso.
Condiciones ambientales:
· Nutrientes: necesarios para el crecimiento y actividad de las bacterias:
Carbono, Nitrógeno, Fósforo, Azufre y algunas sales minerales.
· Temperatura: el rango óptimo es 35ºC (mesofílico) y 50-60ºC (termofílico)
· pH: el valor optimo está entre 6,6-7,6
· Ausencia de Oxigeno
· Ausencia de tóxicos como amoniaco, detergentes, metales pesados, pesticidas, etc.
· Potencial red-ox muy negativo
Energética: las bacterias necesitan energía para realizar estos procesos. Esa energía la
obtienen del sustrato.
Cinética: la velocidad de crecimiento de los microorganismos que intervienen en la
depuración anaerobia es muy lenta.
Ventajas del proceso:
- El producto final es la formación de biogás, que tiene un alto valor energético.
- Como es un proceso realizado a altas temperaturas, se pueden eliminar más cantidad
de patógenos que en otros procesos.
- El residuo final tiene un alto contenido en nutrientes que se pueden utilizar como
fertilizantes o para fabricar compostaje.
Desventajas del proceso:
- Largo periodo de arranque y estabilización del proceso
- El lento crecimiento de las bacterias hace que sea un proceso lento.
REACTORES/DIGESTORES
Definición: sistema aislado de forma variada estabilizado a una temperatura
determinada para que, un conjunto de microorganismos degrade la materia orgánica y
poder recoger el biogás producido.
Cultivos en suspensión: la biomasa está flotando. Los reactores más usados son:
- Proceso anaerobio de contacto: similar al proceso aerobio de lodos activados, puede
tratar aguas poco concentradas en materia orgánica y recoger bastante biogás. El
residuo se mezcla con un fango recirculante y se digiere en el reactor.
Tras el proceso, el fango se retira para su uso con el siguiente residuo.
- Proceso UASB: reactor anaerobio muy usado, indicado para tratar aguas residuales con
hidratos de carbono diluidos obteniendo elevada concentración de lodos y porque es
capaz de soportar elevadas cargas volumétricas. El residuo entra por la parte inferior del
reactor y fluye hacia arriba atravesando un manto de flujo formado por partículas. El
biogás asciende y produce una recirculación antes de ser capturado. Después, el liquido
se extrae y se separan los sólidos por sedimentación.
Cultivos fijos: las bacterias están fijas. Los digestores más representativos son:
- Filtros anaerobios: el flujo del agua se hace pasar por el reactor en sentido ascendente o
descendente y los microorganismos se encuentran, bien sobre una superficie inerte
formando un gran filtro o bien sobre pequeñas partículas que flotarían en el residuo.
- Sistema de lecho móvil: las bacterias se encuentran unidas a un material inerte y el flujo
del residuo entra de forma ascendente, a una velocidad que modifica la superficie en
contacto y el volumen. Si el reactor es de lecho fluidizado, el material será pequeñas
partículas que cambiarán de posición con el tiempo y así aumentará el volumen. Si es de
lecho expandido, el material no cambiará su posición, pero la velocidad causará un
aumento menos importante del volumen. En ambos, la recirculación juega un papel
importante.
26 -8 MICROBIOLOGÍA DE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA. VENTAJAS Y DESVENTAJAS
FRENTE A LOS PROCESOS AEROBIOS
La digestión anaerobia es un proceso biológico degradativo en el cual, por medio de una
compleja serie de reacciones bioquímicas, una gran variedad de microorganismos (en su
mayoría bacterias) transforman materia orgánica en un efluente líquido estabilizado y
un gas, principalmente mezcla de CH4 y CO2, conocido como biogás.
Este proceso se da de forma espontánea en la naturaleza, y es condición indispensable
que los microorganismos se encuentren en condiciones anóxicas, es decir, un medio sin
presencia de oxígeno. El efluente líquido es una mezcla de biomasa y materia sólida en
suspensión difícil de degradar (la totalidad de los elementos minerales y gran parte del
fósforo y del nitrógeno). El biogás puede utilizarse como fuente de energía. La fórmula
general de la digestión anaerobia es:
Materia orgánica + Microorganismos _ Biogás + NH3 + P + Elementos minerales +
Biomasa + Microorganismos
La digestión anaerobia agrupa dos procesos:
_ Fermentación: degradación anaeróbica de materia orgánica sin variación del estado
neto de oxidación de los compuestos generados.
_ Respiración anaerobia: Respiración en la cual el aceptor final de electrones de no es
O2 si no otros compuestos como NO2-, NO3- , Fe3+, SO22-, CO32-, etc.
Etapas de la digestión anaerobia
1. Etapa hidrolítica: Se produce la degradación de moléculas orgánicas complejas
(proteínas, celulosa, lignina, etc.) dando lugar a moléculas orgánicas simples y solubles
(aminoácidos, ácidos grasos, azucares, etc.)
2. Etapa homo-acetogenica: A partir de los productos anteriores (tanto mono como
pluricarbonados) aparecen productos como acetato y H2.
3. Etapa metanogénica: Producción de metano y dióxido de carbono,
fundamentalmente a partir de acetato y/o metanol.
Dada complejidad de este proceso y la necesidad de un equilibrio tan preciso entre
diversas poblaciones de bacterias y productos hasta el punto que el sustrato de una
población es el producto otra población, son muchos los compuestos (por ejemplo la
necesidad de H2 para la metanogénesis) y variables (pH, temperatura, presiones
parciales de los gases disueltos, concentración de compuestos potencialmente tóxicos,
etc.) que intervienen en el proceso.
Microbiología de la digestión anaerobia:
Bacteria hidrolíticas: o Gram +: géneros Clostridium , Staphylococcus y bacteroides
Bacterias fermentativas acidogénicas: o Gram +: géneros como Lactobacillus,
Streptococccus, y Staphylococcus. o Gram -: géneros como Escherichia y Salmonella.
B. Acetogénicas: Sintrofobacterias como Syntrophobacter wolinii.
B. Metanogénicas: Gram + y Gram – de diferentes formas. Géneros como
Methanobacterium, Methanosarcina y algunos Clostridium.
Ventajas e inconvenientes de la digestión anaerobia frente a la digestión aerobia
Ventajas
· Digestión anaerobia resulta mucho más económica, no se requiere consumo de
oxígeno.
· En digestión anaerobia: poco espacio requerido, bajo coste de mantenimiento y
aplicable a escala muy variable.
· Fango resultante ocupa menos volumen y secado más fácil que aerobia
· En digestión aerobia el exceso de biomasa debe ser tratado mediante un tratamiento
secundario, casi siempre anaerobio.
· En digestión anaerobia puede recuperarse gran cantidad de energía en forma de biogás
· En digestión anaerobia se produce baja emisión de aerosoles, gérmenes y olores.
· Digestión anaerobia: DBO es reducido a un 80% y DQO es reducido a un 50%.
Inconvenientes
· Digestión anaerobia está mucho más limitada que aerobia. En digestión anaerobia, las
bacterias anoxigénicas deben controlar el pH de su medio, proceso difícil de realizar por
las bacterias, además de esconderse del oxígeno.
· En digestión anaerobia precisa de bacterias concretas y coordinadas, en digestión
aerobia se utilizan muchas más bacterias, todas las que el sistema pueda permitir.
· En digestión anaerobia el arrancado es lento y difícil
· Menor eficiencia que los sistemas aerobios
· Alta sensibilidad de arqueas y metanogénicas a presencia de compuestos tóxicos,
causando muchos problemas a los digestores.
Aplicaciones ambientales
· Tratamiento de residuos sólidos y líquidos
· Biodegradación de hidrocarburos del petróleo.
· Acuíferos
· Producción de combustibles
· Producción de energía
26- 9 COMPUESTOS XENOBIÓTICOS Y RECALCITRANTES. GRUPOS. DEGRADACIÓN
Y PERSISTENCIA EN EL MEDIO AMBIENTE. BIOTRANSFORMACIÓN Y
BIODEGRADACIÓN. SINTROFÍA Y CO-METABOLISMO.
Los compuestos xenobióticos son generalmente recalcitrantes. Las razones de su
persistencia son :
- Químicas: sustituyentes extraños (Cl o otros halógenos), enlaces inusuales (carbonos
cuaternarios), anillos aromáticos muy condensados o excesivos tamaños moleculares
(plásticos).
- Físicas: insolubilidad.
- Celulares: carencia de permeasas específicas, toxicidad, etc.
Muchos compuestos xenobióticos habituales en operaciones industriales, actividades
urbanas o en explotaciones agrícolas , son persistentes en el medio ambiente y pueden
llegar a causar graves problemas de contaminación.
Clasificación
Pesticidas:
· Insecticidas Organofosfatados
· Insecticidas De Cloruros Orgánicos Sólidos (Ddt)
· Herbicidas Clorofenolólicos
· Herbicidas Nitrofenólicos Y Nitrocresólicos
Detergentes Sintéticos
Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos
Hidrocarburos Alifáticos Clorados
· Difenilos Policlorados (Pcb)
· Pentaclorofenol
· Dioxinas
Hidrocarburos Aromáticos Nitrados: Explosivos
Inorgánicos:
· Metales, No Metales, Aniones Con Oxígeno, Radionucleidos.
La eliminación de toxicidad de compuestos peligrosos orgánicos e inorgánicos es a
menudo intervenida de forma natural mediante las reacciones catalizadas por
microorganismos. Los mecanismos de eliminación de toxicidad varían mucho,
dependiendo del compuesto, de las especies de microbios que intervienen y de las
condiciones presentes del entorno. Muchos compuestos orgánicos e inorgánicos se
transforman como donantes de electrones primarios o como aceptores de electrones;
son parte de los electrones y energía de metabolismo normales de una célula. Sin
embargo, algunos compuestos son transformados mediante cometabolismo o por un
cambio en las condiciones ambientales en las que intervienen indirectamente los
microorganismos. Estas transformaciones son aparte del metabolismo normal, pero las
células aún deben llevar a cabo la transferencia de electrones y la energía de
metabolismo. En ocasiones, las transformaciones conducen a la formación de
compuestos que son más peligrosos que los progenitores. Por ello, es esencial el total
conocimiento de la diversidad de contaminantes presentes y del mecanismo de su
evolución en el sistema que se considera.
El cometabolismo es la transformación de un compuesto orgánico por un
microorganismo que es incapaz de usar el substrato como fuente de energía o como un
elemento nutritivo esencial. Se encarga de controlar la degradación de compuestos
químicos biológicamente resistentes, como por ejemplo el tricloroetileno (TCE),
contaminante extendido en los ambientes subterráneos.
El sintrofismo es la asociación en la que el crecimiento de un organismo depende de o
mejora con los factores de crecimiento, nutrientes o sustratos aportados por otro
organismo que vive cerca. A veces, ambos se benefician. Este tipo de mutualismo se
denomina también alimentación cruzada o fenómeno del satelitismo.
La sintrofía permita a las poblaciones microbianas realizar actividades, como la síntesis
de un producto, que no podrían llevar a cabo por separado
Biodegradación de contaminantes ambientales problemáticos
Detergentes sintéticos
Existen tres tipos básicos de detergentes sintéticos: aniónicos, catiónicos y no iónicos.
Los más importantes son los detergentes no iónicos los cuales,tienen una solubilidad
que depende de polímeros de óxido de etileno unidos a un extremo hidrófobo que
disuelve las grasas. Un motivo de preocupación en los últimos años ha sido el
descubrimiento de que los detergentes no iónicos del tipo alquilato tienden a persistir
en aguas naturales.
La relativa persistencia de alquilfenoles polietoxilados está relacionada con el grupo
hidrófobo alquilo ramificado unido al anillo aromático. El alto grado de ramificación de
estos grupos alquilícos imparte resistencia a la biodegradación.
Pesticidas
El principal problema con respecto a productos químicos fueron los pesticidas clorados,
siendo el de mayor importancia el DDT.
Dos características de los pesticidas clorados que conducen a un gran perjuicio son su
resistencia a la biodegradación y su hidrofobia.
La tendencia de los pesticidas clorados a su gran reparto entre el suelo y tejidos grasos
fue anteriormente reconocida como uno de los aspectos de su resistencia a la
biodegradación por microorganismos.
La estructura química de los pesticidas clorados los hace resistentes a reacciones de
transformación biológica, especialmente en condiciones aerobias (las condiciones
anaerobias son más favorables para biodegradarlos). Los sustituyentes clorados y la
gran ramificación bloquean los lugares de ataque de las enzimas.
En la actualidad la deshalogenación reductora se produce en condiciones anaerobias
fuertemente reductoras para todos los compuestos aromáticos y alifáticos clorados,
aunque las condiciones de reducción fuerte no se producen en todas partes en el medio
ambiente.
Los pesticidas basados en fósforo son en general muy tóxicos, pero expuestos al agua
se hidrolizan bastante rápidamente de forma química o mediante enzimas.
Los pesticidas de carbamato se transforman rápidamente en el medio ambiente
mediante hidrólisis.
Los pesticidas de s-triacina son biodegradables.
Hidrocarburos
Los compuestos orgánicos constituidos exclusivamente de carbono e hidrógeno se
denominan hidrocarburos.
Son biodegradables de forma aerobia. La tasa de biodegradación aerobia depende de la
complejidad de la molécula. Los hidrocarburos grandes muy ramificados, o que
contienen muchos anillos aromátios son difíciles de degradar. Uno de los aspectos de su
escasa biodegradabilidad es su baja solubilidad en agua, además, la compleja estructura
hace difícil que los organismos encuentren el lugar para realizar el ataque enzimático
inicial.
El paso inicial en la degradación de hidrocarburos por bacterias es, una oxigenación. La
ventaja para los microorganismos es que los productos de las reacciones de oxigenación
están más disponibles.
En general, las reacciones anaerobias son bastante lentas comparadas con las aerobias,
pero se producen y tiene importancia en el caso de los hidrocarburos aromáticos. Está
surgiendo la evidencia de que los hidrocarburos alifáticos también pueden degradarse
en ausencia de oxígeno.
Los compuestos BTEX (hidrocarburos aromáticos) se biodegradan en condiciones
aerobias. En todas las trayectorias de los hidrocarburos aromáticos intervienen
reacciones de oxidación.
Los hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH) se forman por la combustión
incompleta de materia orgánica, de forma natural, y por actividad humana. Son
biodegradables en condiciones aerobias.
Disolventes clorados y otros hidrocarburos alifáticos halogenados
Estos compuestos (CAH) son resistentes a la biodegradación por varios motivos: porque
no son compuestos naturales y aun no han evolucionado los sistemas enzimáticos, por
su resistencia a la degradación química, y por su enlace carbonohalógeno.
A pesar de esto su biodegradación es posible, usándose estos compuestos como
donantes de electrones, aceptores de los mismos o bien por cometabolismo.
El cometabolismo aerobio de hidrocarburos alifáticos clorados, como por ejemplo la
transformación de TCE por bacterias metanotróficas. Esta transferencia se produce en
dos fases: la primera es la oxidación del metano, y la segunda se corresponde con la
eliminación del cloro mediante el cometabolismo.
Hidrocarburos aromáticos clorados:
Estos compuestos con un solo anillo son de fácil degradación en condiciones aerobias, a
diferencia de la biodegradación anaerobia que es bastante más compleja.
La degradación de los difenilos policlorados (PCB) puede ser tanto en condiciones
anaerobias como aerobias. Los compuestos menos clorados se biodegradan mejor en
presencia de oxígeno, al contrario que los más clorados que tienen una degradación
anaerobia. En condiciones aerobias la molécula de difenilo se degrada añadiendo
oxigenasa de oxígeno elemental a uno de los anillos aromáticos produciendo grupos
hidroxilo. Si esta oxidación continúa se produce la esconsión de uno de los anillos,
pudiéndose producir ácido benzoico. Este ácido oxida su anillo, se escinde y continúa la
oxidación.
Los PCB con pocos átomos de cloro en la molécula pueden entrar fácilmente en la
trayectoria de la oxidación aerobia del difenilo, pero mayores cloraciones hacen difícil el
ataque mediante enzimas del anillo.
El primer paso de la oxidación aerobia del pentaclorofenol (PCP) es la deshalogenación
oxigenolítica, o sustitución de un grupo OH por un Cl. Este primer paso se produce por
mediante hidrólisis o por la acción de una enzima oxigenasa.
26-10 BIORREMEDIACIÓN: BIOESTIMULACIÓN Y BIOAUMETACIÓN
BIORREMEDIACIÓN
La biorremediación es la utilización de tecnologías mediante las cuales se estimula la
degradación de un contaminante o la capacidad de recuperación del ecosistema,
mediante procesos biológicos. Estos procesos de biodegradación, pueden ser llevados a
cabo por la microbiota autóctona de la zona contaminada o por microorganismos
adicionados al efecto; en ambos casos se consigue una biotransformación de sustancias
peligrosas en sustancias menos tóxicas o inocuas.
Los factores que afectan a la biorremediación, pueden clasificarse en:
- Ambientales. Son los necesarios para proporcionar las condiciones óptimas para el
crecimiento de los microorganismos que llevan a cabo la biorremediación, y son: la
temperatura, el pH, los nutrientes, el oxígeno, la humedad...
- Físicos. Los de mayor importancia son: la disponibilidad del contaminante para los
microorganismos, la presencia de agua y la provisión de un aceptor de electrones
adecuado.
- Químicos. El más importante es la estructura molecular del contaminante, cómo ésta
afecta a sus propiedades químicas y físicas, y su capacidad para ser biodegradado.
Contaminantes físicos químicos y biológicos
La actividad industrial y el desarrollo tecnológico produce necesariamente residuos y la
contaminación sistemática del medio ambiente por esos residuos . Los problemas
actuales de contaminación ambiental por especies químicas tienen su origen
mayoritario en:
- El desarrollo a gran escala de la química de síntesis desde comienzos del siglo XX, que
introduce en la naturaleza un tipo de enlaces químicos prácticamente desconocidos en la
Biosfera (xenobióticos), sobre todo de átomos de carbono unidos covalentemente a
grupos muy electronegativos (halógenos y grupos nitro y amino), lo que confiere una
extraordinaria estabilidad a los productos resultantes.
- Las explotaciones mineras y metalúrgicas masivas , cuyos procesos transforman a los
metales desde formas biológicamente inactivas, a especies iónicas con una alta
reactividad en sistemas vivos.
- La extracción y combustión de enormes cantidades de minerales fósiles (carbón y
petróleo) como la base energética de todas las sociedades industrializadas, con la
consiguiente descarga de CO2 y las deposiciones ácidas de nítrico y sulfúrico.
- La demanda social y utilización masiva de polímeros sintéticos (típicamente los
plásticos), formados a base de productos del petróleo en combinación con aditivos de
síntesis.
- Las prácticas de agricultura intensiva, con su requerimiento tanto de abonos
nitrogenados y de fuentes de fosfato de pesticidas y herbicidas para el control de plagas.
Un problema asociado es el de los residuos resultantes de la manufactura y consumo de
productos vegetales o de origen vegetal.
- La emisión de productos farmacéuticos al medio ambiente como consecuencia de la
producción y el consumo creciente de moléculas bioactivas de síntesis o semi-síntesis.
Las nuevas biotecnologías pueden proporcionar un cierto remedio a muchos problemas
de contaminación intensiva y extensiva, pero el deterioro medioambiental causado por
la actividad industrial no es simplemente un problema técnico o científico.
La generación de residuos es algo consustancial a la existencia de las actividades
petroquímicas y metalúrgicas sin las cuales nuestra sociedad actual no sería viable
Estrategias de Biorremediación: bioestimulación y bioaumentación
La bioestimulación es la estrategia, en biorremediación, que consiste en adecuar
(optimizar) las condiciones ambientales (tanto del sedimento como del agua) que
componen el entorno de las bacterias. Modificando los factores ambientales
(temperatura, concentración de oxígeno, nutrientes etc...) del entorno natural a tratar, se
consigue que la velocidad de crecimiento de los microorganismos aumente y la
degradación de los contaminantes, o su transformación, sea más eficaz.
La principal ventaja en que es una técnica in situ, y relativamente fácil y barata de
aplicar.
La principal desventaja es que es un proceso lento, que requiere de un control técnico
exhaustivo.
La bioestimulación se aplica para biorrecuperar suelos contaminados o aguas
subterráneas.
A) Suelos contaminados
Aplicada a suelos pueden emplearse diferentes técnicas, como son la bioventilación y el
tratamiento en lechos. Cuando se aplican estas técnicas hay que realizar un estudio
previo de las condiciones del terreno: pH, humedad, permeabilidad, temperatura, de la
naturaleza del contaminantes...
- Bioventilación: consiste en una biodegradación aeróbica estimulada por oxígeno
introducido a través de la ventilación del suelo. El aire entra a través de los pozos de
inyección o “bio plugs”, al igual que se inyectan nutrientes y soluciones especificas
preparadas en laboratorio. Es un proceso muy efectivo para una completa restauración
ambiental.
- Tratamiento en lechos: consiste en esparcir los suelos contaminados excavados en una
capa delgada sobre una superficie determinada, estimulando la actividad microbiana
aeróbica mediante la aireación y/o la adición de minerales, nutrientes y humedad
B) Aguas subterráneas
Aplicado a la recuperación de acuíferos in situ las técnicas existentes consisten
fundamentalmente en añadir oxígeno, nutrientes o bacterias (bioestimulación) a aguas
contaminadas. Se utilizan cuatro métodos:
- Infiltración de materiales dentro del acuífero: consiste en esparcir un vertido con
nutrientes sobre la superficie del suelo siguiendo una serie de zanjas. Estos, por
infiltración (transporte vertical), bajarán hasta el acuífero (este método se utiliza en
acuíferos poco profundos). Normalmente ésta técnica se utiliza para añadir nitratos.
Desventajas: sólo crecerán bacterias anaerobias o facultativas; los productos de la
fermentación se mueven más que los contaminantes y podría extender la zona
contaminada; el número de compuestos degradados a través de este método es limitado.
- Bombeo, tratamiento y recirculación: consiste en combinar la recuperación con
bombeo (ex situ) más un tratamiento y la biorrecuperación (in situ) con inyección de
oxígeno y nutrientes. El agua contaminada se bombea a un colector, se trata, se le
adiciona oxígeno, nutrientes y en algunos casos bacterias, y se inyecta de nuevo en el
acuífero. Esto permite el desarrollo de una biodegradación in situ y un gran incremento
en la velocidad de recuperación del acuífero. Normalmente se agrega peroxido de
hidrógeno (H202) como aceptor de electrones.
- Difusión de aire: método que consiste en añadir oxígeno y a veces nutrientes en la zona
contaminada por difusión de aire. Se utilizan dos métodos:
. Difusión hasta el acuífero in situ (DAI) forzando la entrada de aire hacia el interior del
mismo.
. Elevación del agua a la zona superficial del pozo succionando aire, lomque provoca una
circulación de agua aireada, o aireación interna del pozo (AIP).
- Biobarriers: una barrera permeable reactiva es básicamente una barrera que permite
el paso del agua subterránea pero que impide el movimiento de los contaminantes. Eso
se logra consiguiendo unas condiciones químicas que degraden o inmovilicen los
compuestos más recalcitrantes, librando al agua subterránea de su carga contaminante.
La bioaumentación es un procedimiento que consiste en la aumentación bacteriana
mediante la adición de cultivos especializados, desarrollados para proveer mayor
reducción orgánica o capacidad de degradar componentes previamente considerados
biodregadables, con el objetivo no de reemplazar la biomasa existente, sino de aumentar
su eficiencia. Cuando la actividad necesaria para degradar un contaminante concreto no
esta presente de forma natural en la zona contaminada, se le puede añadir
microorganismos provenientes de otras fuentes cuya efectividad haya sido ensayada.
Es una estrategia de la biorremediación que se utiliza normalmente a continuación de un
desastre ambiental o para mejorar un tratamiento; realizados en suelo, sedimento, fango
o mar. Para la selección de microorganismos adecuados, capaces de degradar un
componente específico, existen fundamentalmente tres métodos: enriquecimiento
selectivo (aumentar la población de un microorganismo específico con relación a la
inoculación inicial), utilización de productos comerciales (comprar” variedades
microbianas muy adaptadas), ingeniería genética (la elaboración en el laboratorio de un
microorganismo genéticamente modificado que sea eficiente sólo para ese caso).
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 donde se ha avanzado considerablemente en la generación de bacterias
recombinantes capaces de degradar estos contaminantes.
26 – 11 DEGRADACIÓN DE HIDROCARBUROS. BIORREMEDIACIÓN DE VERTIDOS
PETROLÍFEROS
Hidrocarburo: Compuesto orgánico natural o sintético compuesto por átomos de
carbono e hidrógeno q por lo tanto están muy reducidos. Requerirán de oxidación para
su degradación. La importancia de la contaminación producida por estos compuestos
está determinada por sus características mutagénicas, carcinogénicas y tóxicas.
Además, su propiedad de escasa solubilidad dificulta aún más la biodegradación natural.
Biodegradación: Proceso natural mediante el cual organismos degradan compuestos
hidrocarbonados en otras sustancias como CO2, H2O y otros compuestos poco nocivos
para el medio ambiente.
La biorremediación consiste principalmente en el uso de diferentes organismos (plantas,
levaduras, hongos, bacterias, etc.) del medio para neutralizar sustancias toxicas, bien
transformándolas en sustancias de carácter menos tóxico o bien convirtiéndolas en
inocuas para el medio ambiente y la salud humana. Podría decirse que la
"biorremediación" es un proceso optimizado de biodegradación.
Una de las medidas biocorrectoras más empleada es la utilización de microorganismos
para la descontaminación de suelos. Estos sistemas de descontaminación se basan en la
absorción de las sustancias orgánicas por parte de dichos microorganismos, los cuales
las utilizan como la fuente de carbono necesaria para su crecimiento y de energía para
sus funciones metabólicas.
Los parámetros críticos a considerar en un tratamiento biológico son: tipo y
concentración de contaminante, concentración de microorganismos, concentración de
nutrientes, aireación, condiciones macro ambientales, presencia de inhibidores y
biodisponibilidad del contaminante
Bioaugmentación: Este proceso implica incrementar drásticamente la masa microbiana
del suelo mediante la adición de microorganismos similares a los presentes en el suelo
obtenidos mediante cultivo en reactores biológicos. Los microorganismos se obtienen
del suelo contaminado del lugar
Biosurfactantes: Se utilizan para la emulsificación, el aumento de la detergencia, la
humectación y la dispersión de fase, así como la solubilidad. Estas propiedades son
especialmente importantes en la biorremediación, la dispersión del vertido en el terreno
y la optimización de la recuperación de petróleo (EOR, del inglés enhanced oil recovery).
Los biosurfactantes de origen microbiano de más amplio uso son glucolípidos. Estos
compuestos tienen regiones hidrofóbicas e hidrófobas específicas, y la estructura del
compuesto las características finales dependen de las condiciones de crecimiento
particulares, así como de la fuente de carbono utilizada.
Estos biosurfactantes son excelentes agentes de dispersión y se han utilizado frente al
vertido petrolífero del EXXON Valdez.
Bacterias:
Gran parte de las bacterias degradadoras tanto de petróleo como de alguno de sus
derivados son aerobias, por ser la biodegradación del petróleo también un proceso
aerobio principalmente, aunque también encontraremos otras anaerobias, las bacterias
principales y trascendentales en degradación de hidrocarburos son:
Pseudomonas: son Eubacterias gram negativas aerobias y muy importantes por su
función de degradación de compuestos antropogénicos. Una de ellas, significativa en la
degradación de petróleo: pseudomonas putida.
Arthrobacter: son bacterias que suelen habitar suelos al igual que Acromobacter.
También importantes son: Actinomyces, Flaviobacterium y Corynebacterium.
Métodos biológicos de degradación de compuestos tóxicos
Biofiltración
El proceso de biofiltración se basa en la entrada de aire contaminado a birreactores en
los cuales la flora microbiana convierte los contaminantes orgánicos volátiles en dióxido
de carbono, agua y biomasa. Puesto que los microorganismos desarrollan su actividad
en medio líquido, la biodegradación debe tener lugar en fase acuosa.
Bioventing o inyección de aire
Arroyo et al. (2001) definen como bioventing un tratamiento de biorrecuperación in situ
consistente en la ventilación forzada del suelo mediante la inyección a presión de
oxígeno en la zona edáfica no saturada mediante 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
va a estimular la actividad microbiana
Biosparging
El biosparging es definido por Wilson (1999) como un método in situ que combina el
efecto de la ventilación con la utilización de microorganismos autóctonos para degradar
compuestos orgánicos absorbidos por el suelo en la zona saturada. En el
biosparging el aire y los nutrientes se inyectan en la zona saturada para mejorar la
actividad de los microorganismos presentes. Ésta técnica se utiliza para la limpieza de
los compuestos orgánicos en suelos y agua subterránea. Se ha demostrado la eficiencia
del biosparging para la degradación de herbicidas como la atrazina (Crawford et al.
2000).
26-13 METALES PESADOS Y MEDIO AMBIENTE. CONTROL MICROBIOLÓGICO DE LA
CONTAMINACIÓN POR METALES PESADOS Y BIOMINERÍA.
INTRODUCCIÓN
Hablar de interacción entre bacterias y metales pesados parece una contradicción. Sin
embargo la tecnología no solamente aplica organismos vivos y sus componentes a
procesos industriales tradicionales, tales como la producción de alimentos o
medicamentos; sino que cada vez podemos relacionarla más con el medio ambiente. La
biotecnología ambiental aplica procesos biológicos modernos para la protección y
restauración de la calidad del ambiente. Ejemplos claros son los procesos de
biorremediación, eliminación de contaminación en aguas residuales, purificación del
aire, tratamiento de suelos y de residuos sólidos.
METALES PESADOS
Como es sabido gran diversidad de metales son requeridos por sistemas biológicos para
el funcionamiento adecuado de los organismos. En el caso particular de los metales
pesados, éstos son incorporados y acumulados intracelularmente por los
microorganismos sin que se sepa bien porqué absorben y almacenan dichos elementos
tóxicos.
Un metal pesado no es tóxico en su forma elemental, pero puede ser perjudicial si se
presenta a concentraciones mayores que las requeridas, si forma una sal o si está en
combinación química. En general un metal pesado suele ser tóxico a concentraciones
encontradas en ambientes contaminados, ya que un microorganismo tiene mecanismos
de especificidad para acumular Cu, Zn, Ni, Co, etc a partir de sus alrededores.
El funcionamiento incorrecto de este sistema altamente especializado repercute en el
balance osmótico celular, en membranas celulares, en el crecimiento y función
metabólica, pudiendo provocar daños importantes en un organismo (malformaciones,
intoxicaciones, elementos cancerígenos, etc.)
IMPLICACIONES MICROBIANAS
Las bacterias tradicionales utilizan compuestos orgánicos (azúcares, aminoácidos, etc.)
para obtener energía y materia. Viven en condiciones de temperatura y acidez
favorables, y en general no establecen interacciones con los metales pesados. Pero existe
otro tipo de bacterias que obtienen su energía de la oxidación de compuestos
inorgánicos y su materia del dióxido de carbono atmosférico.
Son las bacterias mineras que no sólo sobreviven en condiciones de acidez intolerables
para otras especies, sino que además, como producto de su metabolismo se obtiene
ácido sulfúrico y compuestos reductores y oxidantes. Estas condiciones permiten que
dichos microorganismos puedan desarrollarse en ambientes con altas concentraciones
de metales pesados.
Nos referiremos entonces a estas bacterias en particular, a las estrategias que utilizan
para concentrar metales a partir de una disolución y para separarlos de contaminantes
disueltos. En consecuencia, analizaremos una actividad antropogénica como la minería,
actividad que por supuesto acumula grandes cantidades de elementos metálicos.
BIOMINERÍA-CONTROL MICORBIOLÓGICO
Definimos biotecnología como el empleo de sistemas biológicos en los diversos procesos
industriales.
La biominería es la aplicación de la biotecnología a la actividad minera para obtener la
disolución y recuperación de sustancias minerales útiles como carbón, hierro, cobre,
estaño, oro, plata, etc. contenidas en las menas. Esta tecnología microbiana presenta
ciertas ventajas sobre los métodos no biológicos: requiere menos inversión de capital,
bajos costos de operación, relativa ausencia de contaminación ambiental. El
inconveniente principal es la lentitud relativa del proceso; la recuperación de metales
por medios biológicos puede tardar décadas, mientras que por procesos de extracción y
fundición podrían obtenerse en pocos años.
Los organismos responsables de la disolución de los metales a partir de minerales son
principalmente organismos quimiosintéticos y autotróficos pertenecientes al género
Thiobacillus. La especie más destacada es la T. ferroxidans (bacilo, Gram -,
quimioautotrófico, oxida iones ferroso y azufre para obtener energía, fija dióxido de
carbono para obtener carbono, es aerobio, acidófilo: pH entre 1.5 y 3.0, su temperatura
óptima oscila entre 25 y 35ºC).
Esta especie y otras similares llevan a cabo la biolixiviación
La lixiviación microbiana es un proceso que utiliza microorganismos para oxidar
minerales sulfurados, producir una disolución natural y liberar los valores metálicos de
las rocas que los contienen para luego poder ser extraídos. A partir de esta tecnología
bacteriana se extraen metales como uranio, cobre, zinc, níquel, cobalto presentes en
menas o en un concentrado mineral. El producto final de la biolixiviacion es una solución
ácida que contiene el metal valor en su forma soluble.
Mecanismos:
Lixiviación bacteriana directa: Se oxida sulfuro insoluble a ácido sulfúrico. El metal se
disuelve. Este proceso se lleva a cabo únicamente por medio de microorganismos, sin
intervención de sulfato férrico. Biolixiviacion indirecta: Transcurre lentamente y en
ausencia de microorganismos, aunque éstos favorecen el proceso. Este mecanismo es
responsable de la disolución de varios minerales sulfurados de cobre de importancia
económica.
La biooxidación de sulfuros como aplicación de procesos biotecnológicos (proceso
aerobio).
Muchos sulfuros metálicos pueden ser atacados por acción bacteriana produciendo los
correspondientes sulfatos solubles. De esta forma ciertas bacterias pueden degradar la
pirita (FeS2) y la arsenopirita (FeAsS) en las que oro y/o plata se encuentran
encapsulados.
Algunos sulfuros que se oxidan: sulfuros de cobre, de zinc, de plomo, de níquel, de
antimonio, de metales raros y sulfuros de metales preciosos anteriormente
mencionados (pirita y arsenopirita).
RECUPERACIÓN DE METALES
La biorrecuperación de los metales presentes en las soluciones se lleva a cabo por medio
de distintos microorganismos capaces de adsorber, precipitar y acumular metales
intracelularmente.
La biorremediación es una de las tecnologías limpias utilizadas para eliminar los
contaminantes metalicos de los efluentes mineros a partir de materiales de origen
biológico.
- BIOACUMULACION O ACUMULACIÓN INTRACELULAR
Es una técnica de biorremediación en la que distintos metales se incorporan al interior
de las células de microorganismos. Ciertas bacterias del género Pseudomonas presentan
enzimas que reducen los iones metalicos (cationes) a las formas neutras y así los
vuelven mucho menos tóxicos.
La absorción o sorción al interior de especies metálicas se produce por distintos
mecanismos de acumulación al interior de células de biomasa viva.
- BIOADSORCION
Es otra técnica que utiliza polímeros naturales con capacidad de unir iones de metales
pesados a la superficie celular. Este proceso involucra bacterias, hongos y algas y se
realiza sobre biomasa seca ya que los grupos funcionales de las macromoléculas de las
paredes celulares se mantienen activos aún cuando el microorganismo ya no vive.
Se intercambian iones sobre la superficie de la biomasa utilizada e iones de la disolución
acuosa contaminada
- PRECIPITACIÓN EXTRACELULAR (proceso anaerobio)
Algunas bacterias tienen la capacidad de precipitar el metal contenido en una solución.
Los microorganismos reductores de metales (bacterias sulfato reductoras) producen
una reducción directa de las formas oxidadas de los metales. Estas formas oxidadas son
altamente solubles en las aguas subterráneas y al ser reducidas se vuelven insolubles y
precipitan.
26-14 BIOPELÍCULAS. IMPORTANCIA ECOLÓGICA Y AMBIENTAL. BIOCORROSIÓN
BIOPELICULAS
Los microorganismos crecen incluidos en biopelículas. Estas biopelículas se forman
cuando las poblaciones microbianas están encerradas dentro de una matriz, compuesta
por polisacáridos que contienen uno o más ácidos urónicos aniónicos, que facilitan la
adherencia de unas células con otras o a la superficie.
El desarrollo de una biopelícula se inicia cuando una superficie sólida se sumerge en un
medio acuático y las moléculas orgánicas son absorbidas por dicha superficie, formando
así una película macromolecular acondicionada. Esta les permite coexistir en ambientes
en los que las poblaciones individuales no podrían vivir ya que atrapan por difusión
nutrientes producidos por células vecinas.
Ejemplo: pseudomonas aeruginosa, notable formadora de biopelículas.
Las poblaciones se mueven dentro de las biopelículas y nuevos microorganismos
desplazaran a los originales basándose en una secuencia de acontecimientos físicos y
biológicos. Este proceso recibe el nombre de EPIBIOSIS.
IMPORTANCIA EN LA SALUD Y EL MEDIO AMBIENTE
El desarrollo de biopelículas tiene implicaciones significativas en la salud humana y en
diversas industrias:
- Estas células bacterianas están protegidas ante ataques del sistema inmunitario y los
antibióticos provocando enfermedades. Asimismo los implantes médicos también son
un buen medio para la evolución de biopelículas.
- En la industria los “biofilms” pueden reducir el flujo de cualquier liquido que circule a
través de tuberías y acelerar la corrosión de los propios tubos.
También degradan objetos sumergidos tales como componentes estructurales de
plataformas petrolíferas, barcos e instalaciones costeras. La calidad del agua potable
puede verse amenazada por las biopelículas.
Por todo ello, el control de biopelículas requiere un gran esfuerzo y hasta ahora solo se
dispone de un repertorio limitado de instrumentos para combatirlos, entre los cuales
esta: el descubrimiento de nuevos antibióticos capaces de penetrar en ellos y fármacos
que interfieran en la comunicación intracelular.
Actualmente existe una clase de compuestos químicos estables y no tóxicos para los
humanos capaces de acabar con estas biopelículas llamados furanonas.
La colonización, crecimiento y posterior actividad de las bacterias modifican las
condiciones ambientales de las superficies, ya que consumen nutrientes, producen
desechos y sintetizan materiales.
En las biopelículas de nueva formación el rápido uso de los nutrientes conduce a un
aumento de biomasa bacteriana provocando un aumento de la demanda de oxigeno
proliferando por tanto, microorganismos anaerobios.
BIORREMEDIACION DE CONTAMINANTES DEL AIRE:
La biorremediacion es una nueva solución biotecnológica a los problemas de
contaminación que emplea microorganismos. Tres tipos de dispositivos: filtros
biológicos, filtros biológicos de goteo y biopurificadores.
AUTORES
26-1 COMPOSTAJE. I) AEROBIO. II) BIOMETANIZACIÓN (COMPOSTAJE ANAEROBIO)
Andrea de Assas Gaupp, Dina Dandachli, Gema de la Rosa Paredes, María Flores Galindo, María
García-Matamoros, Marta Rapún Allué, Laura Santidrián del Álamo, Aurora Tradacete García,
Jorge Vázquez Romero, Juan José Verdejo Barón
26-2 ETAPAS Y PROCESOS DE UNA EDAR URBANA. PROCESOS DE FANGOS ACTIVOS
Laura González Ibáñez, Ana Loranca Gómez, Ana Muñoz Galán, Miguel A. NievaFdez. de Mera,
Gorka de la Nuez Aurrecoechea, Sara Quintana Freire, Cristina San Miguel Avedillo, Sara Sepulcro
Montoro y Verónica Viejo San Segundo.
26-3 TECNOLOGÍAS AEROBIAS “BLANDAS O DE BAJO COSTE” EMPLEADAS PARA LA
DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES.
Guillermo Alonso Navajo, Lucía Cañas Muñoz, José Antonio Ferreiro Cortiñas, Ruth Fuertes Ramos,
Sara García Gil, Víctor García Herranz, Alfonso Gozalo Aragón, Laura Molinero Merino, Francisco
Ropero Pires
26-4 ELIMINACIÓN DE NITRÓGENO EN AGUAS RESIDUALES
Olga García Sanz, Alba Martín, Belén Rodríguez Pérez, Laura Gallego, Isabel Casares Torres, Carlos
Calvo, Inés Núñez Barbero, Cristina Clemente, Paloma Fernández, Maria Luisa López
26-5 ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DEL AZUFRE EN AGUAS RESIDUALES Y EFLUENTES GASESOS Y
ELIMINACIÓN BIOLÓGICA DEL FÓSFORO
Clara Arancón, Marta Casado, Lara Fernández, Eva García, Marina García, Alba González, Elisa
Guerrero, Alberto Morán, MªPaz de San Miguel
26-7 DEPURACION ANAEROBIA DE AGUAS RESIDUALES. PRINCIPIOS Y REACTORES
Ricardo Arpa, Elena Candelas, Irene García, Verónica García, Azucena García, Alfredo García, Luis
Francisco Fernández, Elena Hernández.
26 -8 MICROBIOLOGÍA DE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA. VENTAJAS Y DESVENTAJAS FRENTE A
LOS PROCESOS AEROBIOS
Ana Isabel García Sancristobal, Diego Gómez Conde, Luis González Muñoz, Alejandro Herrero
Pizarro, María Hortal Robles, Javier Pereira Hernández, Maria Dolores Sarrablo Castillo
26- 9 COMPUESTOS XENOBIÓTICOS Y RECALCITRANTES. GRUPOS. DEGRADACIÓN Y
PERSISTENCIA EN EL MEDIO AMBIENTE. BIOTRANSFORMACIÓN Y BIODEGRADACIÓN.
SINTROFÍA Y CO-METABOLISMO
¿?
26-10 BIORREMEDIACIÓN: BIOESTIMULACIÓN Y BIOAUMETACIÓN
Yolanda Aparicio Castellanos, Mª Luz Codesal Codesal, Cristina Encinas Fernández,Margarita
Loma del Amo, Henar Méndez Pérez, Luis Galán Gómez
26 – 11 DEGRADACIÓN DE HIDROCARBUROS. BIORREMEDIACIÓN DE VERTIDOS
PETROLÍFEROS
Laura Aguado Clemente, Cristina Cabrera Ravina, Marta Hernández-Abad Alarcó, Victoria
Monteagudo Cuesta, Adhara Montalbán Benitez, José Pahissa López
26-13 METALES PESADOS Y MEDIO AMBIENTE. CONTROL MICROBIOLÓGICO DE LA
CONTAMINACIÓN POR METALES PESADOS Y BIOMINERÍA.
Barbero Roucet Jorge, Hernández Caballero Denís, Martín González Natalia, Morales Pauli Mª
Florencia, Robledillo Colmenares Natalia, Ruiz de la Fuente Cristina
26-14 BIOPELÍCULAS. IMPORTANCIA ECOLÓGICA Y AMBIENTAL. BIOCORROSIÓN
Marta Condado, Marta Hernández, Patricia Rigueira, Ángela García, Javier Álvaro Ruíz de Eguilaz,
Paz de Arespacochaga Fernández, Javier Hedo, Jaime Paredes, Alvaro Riesgo Castro.