tcnicas de remediacin biolgicas

7/25/2019 Tcnicas de Remediacin Biolgicas

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Autores: Ana Mara Manacorda- Daniela Cuadros Microbiologa AmbientalAo 2005

Tcnicas de Remediacin Biolgicas

Uno de los rasgos caractersticos de la sociedad moderna es la creciente emisin de productosqumicos al medio ambiente. Existen dos fuentes principales para estas emisiones: los productosqumicos creados para uso ambiental y el material residual.

Una de las caractersticas de los tiempos modernos es la gran produccin de materialessintticos que son difciles de degradar y/o son txicos para el ambiente. Con el fin de mejorar surendimiento, los compuestos han sido diseados especficamente para tener una larga vida til yno reaccionar con los productos qumicos ambientalmente ms comunes. Estas mismascaractersticas evitan su degradacin. Las estructuras compuestas resistentes al ataque qumico,que por lo tanto consiguen una mayor longevidad y un mantenimiento eficaz de la estructura,caractersticas deseables, son resistentes a las enzimas de la mayora de los microbios. Enalgunos casos, por ejemplo los PCBs (bifenilos policlorados) estas caractersticas han sidoresponsables, en parte, de su presencia continua en zonas donde su produccin y uso se hadetenido.

Los procesos de fabricacin poco eficaces tambin han dado lugar a escapes accidentales deproductos y precursores txicos.

Los materiales residuales emitidos directamente desde fuentes industriales y agrcolas, soncausa de contaminacin de suelos y aguas de todo el mundo.

Una estrategia para minimizar la contaminacin sera disminuir la reactividad y peligrosidad delcontaminante y en forma simultnea, reducir su vertido al medio ambiente. Dado que esto nosiempre es posible de llevar a cabo, se han desarrollado tcnicas de remediacin , quebsicamente podemos clasificarlas en:

o In situ. El tratamiento se realiza en el lugar que se encuentra el residuo contaminante.

o Ex situ. El tratamiento se realiza en un lugar diferente al lugar en que se encuentra elresiduo, dicho lugar no es una planta de tratamiento.

o En planta. El tratamiento se realiza en una planta de tratamiento de residuos especiales.

Las dos ltimas alternativas son las ms costosas, en trminos econmicos y ambientales.

Una nica tecnologa no siempre rene las mejores condiciones para reducir todos loscontaminantes presentes en un sitio a remediar, por lo que se suele emplear una secuencia detecnologas.

Actualmente, las soluciones viables y permanentes para los problemas de evaluacin sonbastante limitadas. Si bien existen mtodos fsicos, qumicos y biolgicos (Tabla 1) para eltratamiento de residuos, los dos primeros suelen ser ms caros. Durante muchos aos, elentierro en vertederos (relleno sanitario) de los residuos peligrosos ha sido un procesorazonablemente rentable. Cabe aclarar que esta metodologa no es un mtodo de remediacin,pues simplemente traslada problemas de un lugar a otro. Sin embargo, han surgido diferenciasde pensamiento en la aplicacin de estos mtodos, dadas por algunos desperfectos (hoy en daestos sistemas son ms seguros) o por la falta de espacios disponibles, agregndole a ello losaltos costos producto del transporte y de la separacin de materiales txicos. Aunque laincineracin soluciona algunos problemas de los vertederos, especialmente el almacenamiento,genera otros problemas, como el de emisin de contaminantes al aire. Asimismo, al igual que enlos vertederos, al costo especfico de este tipo de tratamiento hay que agregarle el de separacin

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y transporte. Esto nos lleva a que utilicemos algunos procesos naturales de degradacin, losprocesos de remediacin biolgica.

Un factor principal que influye en el alto costo de los mtodos de remediacin / limpieza es el usode mtodos ineficaces.

TABLA 1MTODOS FISICOQUMICOS PARA LA DESCONTAMINACIN DE SUELOS CONTAMINADOS POR

HIDROCARBUROS.

METODOLOGA PRINCIPIOS TCNICA COMENTARIOSTermal Destruccin y/o evaporacin

del contaminanteIncineracin Excavaciones necesarias; solo

para mantillos; tratamiento degases; costoso

Extraccin Remocin de contaminantesen solucin

Torres de percolacin Necesaria excavacin; solopara mantillos; disposicin delo extrado; eficiencia noconocida; muy costoso;

Extraccin de vapor Remocin de voltiles Tambores de rotacin; in situ Solo voltiles; potencialmente

para subsuelos; tratamiento devapores

Extraccin con airecaliente

Remocin de voltiles Tambores de rotacin; in situ Solo voltiles; potencialmentepara subsuelos

Oxidacin qumica Alteracin por remocin delcontaminante

In situ; cmaras de reaccin No hay informacin para HC

Control de aguasubterrnea

Bombeado del acufero paraimpedir el flujo

Bombeado con o sin contenidofsico; remocin directa decompuestos del agua

Prevenir la migracin de HC;no remover compuestos enzonas insaturadas; muy usado

Inundamiento Levantamiento de HC a lasuperficie sobre la cima de lanapa fretica

Riesgo de desprendercontaminantes; ineficiente

Adsorcin Bombeado del aguasubterrnea a travs delcarbn activado.

Costoso; requiere disposicinde residuos; eficiencia noconocida.

Extraccin dedetergentes

En suelos excavados o in situmediante surfactantes

Costoso; eficiencia noconocida.

Inmovilizacin Uniendo HC in situ Uniendo qumicos;solidificacin de suelos

Costoso; no muy testeado; noremueve los contaminantes

Segn Hudrey y Polland (1993) las tcnicas de remediacin se pueden agrupar en tres grandescategoras:

1. Inmovilizacin y confinamiento

2. Movilizacin

3. Destruccin.

Esta ltima implica la eliminacin del material contaminante empleando un tratamiento biolgicoo uno no biolgico. Los tipos de residuos que pueden ser destruidos son los orgnicos; mientrasque los inorgnicos no pueden ser destruidos, solo se puede cambiar su estado de oxidacin ode combinacin con otras sustancias.

Las tcnicas de remediacin biolgicas emplean procesos naturales para eliminar las sustanciasqumicas dainas del medio ambiente y abarcan dos mtodos: la biorremediacin y lafitorremediacin.

La biorremediacin consiste en emplear microorganismos y manipular sus actividadesmetablicas, para eliminar los contaminantes o al menos convertirlos en especies qumicas

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menos agresivas, minimizando el compromiso ambiental y facilitando la continuidad de losprocesos biodegradativos enzimticos responsables de la accin autodepurativa del ambiente.

La fitorremediacin consiste en utilizar plantas, sistemas microbianos de las plantas,enmiendas del suelo y tcnicas agronmicas para contener, inmovilizar, remover, estabilizar y/o

degradar compuestos contaminantes del ambiente.En ocasiones lo ms rpido y rentable es utilizar una combinacin de tcnicas, para ello esnecesario evaluar la zona, incluyendo la hidrogeologa, la composicin del suelo, lascaractersticas de la poblacin microbiana, el clima, las caractersticas del contaminante, etc.

Dado que son muchos los sitios que requieren remediacin a altos costos, la USEPA (Agenciade Proteccin Ambiental de Estados Unidos) entre otros organismos internacionales, estpromoviendo mtodos alternativos de limpieza, ms rpidos, ms efectivos, con mnimaagresividad al medio ambiente y al menor costo que las opciones tradicionales de remediacin,tales como excavacin y disposicin final en un relleno sanitario.

BIORREMEDIACIN

Los microorganismos indgenas son los principales descomponedoresdel ecosistema, actividadque existi naturalmente en el ambiente con anterioridad a la disposicin de xenobiticos en l,por lo que los procesos de degradacin han sido tradicionalmente utilizados con aplicacionesambientales. Un ejemplo de ello es el tratamiento de barros activados que aprovechan lacapacidad degradativa de los microorganismos.

Los microorganismos participantes son principalmente bacterias, y en menor medida, hongosnativos (filamentosos y levaduras) y algas. Estos son capaces de degradar una amplia variedadde sustratos orgnicos que adems se encuentran presentes en casi todas las superficies

materiales.Muchos contaminantes tienen estructuras similares a las presentes en compuestos naturales yes por ello que son fcilmente degradados por los microorganismos del suelo y del agua. Sinembargo, existen otros compuestos con estructuras o sustituyentes ms complejos de origenxenobitico1, que son difcilmente catabolizados (compuestos recalcitrantes, dado que seacumulan y persisten en la naturaleza).

A los microorganismos que viven en el suelo y las aguas superficiales, subsuperficiales yprofundas (lugares donde es aplicable este tipo de tratamiento), les gusta comer ciertassustancias qumicas dainas como las que se encuentran en derrames de gasolina y petrleo.Cuando esta digestin es total, estas sustancias qumicas se convierten en agua y gases

inofensivos como el CO2.

Para que los microbios puedan eliminar las sustancias qumicas dainas, el suelo y las aguasdeben tener la temperatura, los nutrientes (fertilizantes) y la cantidad de oxgeno apropiados.Esas condiciones permiten que los microbios crezcan y se multipliquen y que consuman mssustancias qumicas. Cuando las condiciones no son las adecuadas, los microbios crecen muydespacio o mueren. Incluso pueden crear sustancias qumicas ms dainas; para que esto noocurra, se deben controlar las condiciones del sitio. Tambin puede ser necesario agregarpoblacin microbiana multiplicada in vitro.

1Cualquier producto ajeno al organismo que produce un efecto sobre l. Esta definicin no incluye alimentos yalgunos autores incluyen a los frmacos.

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Compuestos que pueden ser biodegradados

Existen diversas opiniones en relacin a si los microorganismos tienen lmites en suscapacidades digestivas o si son capaces de degradar cualquier compuesto que el hombre puedaproducir. Indudablemente, la verdad se sita entre estos dos puntos de vista extremos. Noobstante los microorganismos pueden degradar multitud de compuestos bajo condicionesdiferentes. Muchos compuestos sintticos pueden tambin modificarse o transformarse medianteel uso de una bacteria, hongo o de algn tipo de poblacin microbiana trabajando en asociacin.Estos procesos varan desde la putrefaccin de comida hasta la limpieza de derrames depetrleo en las playas costeras. En muchos casos estos procesos son beneficiosos y esenciales.Despus de todo, gran parte del procesos cclico, orgnico e inorgnico, necesario para elmantenimiento del ecosistema es consecuencia de la actividad microbiana. Adems de podermodificar o degradar un compuesto, el rendimiento tiene que ser alto.

Muchos productos qumicos xenobiticos son resistentes al ataque microbiano y/o son txicos

para los microorganismos. Sin embargo, en zonas contaminadas con diversos compuestosxenobiticos se han aislado algunos microorganismos que pueden degradar muchos de ellos condiversa facilidad y velocidad, entre los que encontramos cloruro de etileno, PCBs, gasolina yotros derivados del petrleo, compuestos con 2 y 3 grupos nitro, incluyendo herbicidasnitrogenados y trinitrotolueno, hidrocarburos policlorados, incluyendo: pentaclorofenol,tetracloroetileno, dicloroetileno, cloruro de vinilo, tetracloroetano, creosota y fluoranteno.

Tipos de Biotratamientos

Los diferentes biotratamientos pueden ser agrupados bsicamente en:

1)

Biorremediacin in situ.a) Biorremediacinnatural.

b) Biorremediacin con bioaumentacin.

2) Tratamiento del terreno o Landfarming.

3) Biorreactoresen suspensin.

4) Bioventeo.

1. Biorremediacin in situ.

Consiste en estimular la actividad de la poblacin microbiana degradadora nativa del suelo, poradicin y manejo de nutrientes y oxgeno. Se aplica en suelo superficial, insaturado y en aguasubsuperficial.

Puede ser efectiva para un amplio rango de hidrocarburos del petrleo. Mientras hay algunasexcepciones notables, los constituyentes ms solubles en agua, de cadena corta y bajo pesomolecular, son degradados ms rpidamente que aquellos compuestos de cadena larga, altopeso molecular y menor solubilidad.

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Se realiza el manejo de nutrientes minerales (como el nitrgeno y fsforo), aceptores deelectrones (habitualmente oxgeno), contenido de humedad y sustratos primarios del suelo parasubsidiar y mantener la actividad biolgica.

En el caso de aguas subterrneas, el agua tratada es mezclada con un aceptor de electrones y

nutrientes, entre otros compuestos requeridos, para luego ser reinyectados. Pueden sernecesarias galeras de infiltracin o pozos de inyeccin para reinyectar agua. Toda el aguaextrada puede ser reinyectada sin tratamiento y la remediacin puede ocurrir in situ. El aguaextrada no reinyectada puede ser descargada directamente a al fuente de agua o puede sertratada (servicios pblicos), as como aquellos subproductos solubles, contaminantesmovilizados y nutrientes no utilizados (reutilizacin o tratamiento).

Existen varios modos de biorremediacin in situ: forma aerbica, forma anxica, anaerbica ycometablica. La primera se ha demostrado que es la ms eficiente para reducir niveles decontaminantes alifticos (Ej.: hexano) e hidrocarburos aromticos del petrleo (.: benceno,naftaleno), muy frecuentes en gasolinas y gasoil. En el modo de tratamiento aerbico, el agua

subterrnea es oxigenada por uno de los siguientes mtodos: dispersin directa de oxgeno,previo a la reinyeccin o adicin de perxido de hidrgeno directamente en un pozo de inyeccino en el agua inyectada. Los modos anaerbicos, aerbicos, anxicos y cometablicos son amenudo usados para la remediacin de otros compuestos tales como solventes clorados, perogeneralmente son ms lentos que los aerbicos rompiendo los hidrocarburos del petrleo.

Los parmetros clave que determinan la efectividad de la biorremediacin in situ para aguassubterrneas son:

Conductividad hidrulica del acufero

Biodegradabilidad2de los compuestos del petrleo

Locacin de la contaminacin del petrleo en la superficie

En general, el medio acufero determina la conductividad hidrulica. La biorremediacin engeneral es efectiva en medios acuferos permeables, sin embargo, dependiendo de la extensinde la contaminacin, puede ser efectiva en medios limosos o arcillosos menos permeables.

La locacin, distribucin y disposicin de la contaminacin en la subsuperficie puede influenciarsignificativamente la probabilidad de xito de la biorremediacin.

El excesivo calcio, magnesio o hierro en el agua subterrnea puede reaccionar con el fosfato, elcual es suministrado como un nutriente en la forma de tripolifosfato, o con el dixido de carbono(producido por los microorganismos en la respiracin aerbica). Los productos de estasreacciones pueden afectar negativamente la operacin de un sistema de biorremediacin in situ.Cuando el calcio, magnesio o hierro reaccionan con el fosfato o el CO2, se forma sarro ocristalina precipitada; produciendo una compresin en los canales de flujo, pudiendo daar losequipos (ej, pozos de inyeccin. Adems la precipitacin de fosfatos de calcio o de magnesiounidos a compuestos fosforados no se encuentran disponibles por los microorganismos para serusados como nutrientes.

2Medida de su disponibilidad para ser metabolizado (o cometabolizado) por bacterias degradadoras de

hidrocarburos u otros microorganismos las caractersticas qumicas de un contaminantes pueden dictar subiodegradabilidad. La biodegradabilidad de compuestos orgnicos depende de su estructura qumica y suspropiedades qumicas y fsicas.

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El oxgeno introducido como aceptor de electrones, puede reaccionar disolviendo el Fe(II) a unaforma insoluble del mismo (oxido frrico), precipitado que puede ser dispuesto en el flujo decanales del acufero, reduciendo su permeabilidad y dejando pozos de inyeccin inoperables.

Entonces, el manejo de O2, nutrientes y rgimen de agua es fundamental para contener

hidrulicamente a la zona contaminada y prevenir la migracin de contaminantes mviles o demetabolitos potencialmente txicos fuera del sistema.

Deben realizarse monitoreos peridicos para verificar la desaparicin del contaminante y laposible lixiviacin de productos de degradacin potencialmente txicos.

Biorremediacin natural. La biorremediacin corre por cuenta de los microorganismos nativospresentes en el suelo y agua, cuyo metabolismo es incentivado fundamentalmente por elaumento de la disponibilidad del O2 y del sustrato orgnico (contaminante), incrementos que selogran con el laboreo mecnico realizado en el suelo superficial. Tambin se la denominabioestimulacin y consiste bsicamente en el manejo de las condiciones ambientales de manerade controlar factores limitantes del crecimiento microbiano y del metabolismo del contaminante

en cuestin. Es necesario un conocimiento profundo de la ecologa microbiana (control devariables ambientales). Este proceso suele utilizarse para tratar aerbicamente, contaminantespresentes en la zona vadosa y en las mrgenes de la pluma en donde el oxgeno no constituyeun factor limitante.

Biorremediacin con bioaumentacin. Utiliza el suelo contaminado, trabajado peridicamentemediante tcnicas de laboreo y suplementado con agua y nutrientes (si es necesario),constituyendo un sistema aerbico en un lecho previamente acondicionado. El suelo aspreparado se siembra con determinados microorganismos (seeding) para incrementar lavelocidad natural de degradacin de un contaminante. Estos microorganismos pueden sernativos o pueden ser de otra procedencia (con las capacidades metablicas deseadas). En

ambos casos los microorganismos son multiplicados en laboratorio e inoculados luego en elsuelo a tratar. Para mejorar la aireacin de la mezcla suelo- residuo se realizan tareas de laboreo(arado y roturado). Para el que proceso sea efectivo, los microorganismos incorporados alambiente comprometido deben ser capaces de adaptarse a la matriz del suelo, sobrevivir, crecer,multiplicarse y conservar sus capacidades metablicas.

2.Tratamiento del terreno o Landfarming

Figura1. Fuente: www.nichols.ab.ca/landfarm.html

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Utilizada para el tratamiento de residuos oleosos y fangos aceitosos provenientes de refineras.La tcnica consiste en dispersar el contaminante a biodegradar sobre la capa arable (15-20 cmsuperficiales) de un terreno destinado a tal fin. Las recomendaciones y limitaciones son lasmismas que las explicadas anteriormente en el mtodo de biorremediacin in situ.

Se trabaja con sta tcnica para todos los hidrocarburos del petrleo, siendo menos efectivapara petrleos pesados (grandes tanques):


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La eleccin de la secuencia de tratamiento especficos a desarrollar depender del tipo yconcentracin de los contaminantes. Por lo general la prctica comn consiste en clasificar losprocesos en tratamiento de aguas residuales en tres categoras:

Tratamiento Primario: tratamiento de materiales fcilmente aislables para tratamientos

posteriores.

Tratamiento Secundario: el ms importante. Separa el grueso de los slidos ensuspensin, los materiales orgnicos (peligrosos y no peligrosos) y otros materialessolubles.

Tratamiento Terciario: para eliminar cualquier contaminante que no se haya eliminadoanteriormente.

Existen distintos tipos de biorreactores, la diferencia fundamental se basa en la presencia o node O2dentro del mismo. Los reactores anaerobios son cerrados para impedir el ingreso de O2yla eliminacin de olores (asociados a la fermentacin anaerobia). Deben presentar un sistema de

ventilacin o de recogida de gases.

Los reactores aerbicos poseen biomasa en suspensin con un sistema de aireacin o difusoresque proporcionan O2a microorganismos.

Mientras que la degradacin aerobia se lleva a cabo con mltiples organismos que trabajan maso menos en forma independiente y paralela, los organismos anaerobios viven en consorcios oasociaciones. Esto provoca que los reactores anaerobios sean ms propensos a los fallos. Dadoesto por sobrecarga hidrulica, orgnica o txica del reactor, aunque suelen tolerar mayorvelocidad de carga (no requieren un alto gasto de energa para la dispersin del aire ) y generanmenor biomasa por unidad de residuos degradados.

Si bien este tratamiento permite tratamientos en tiempos reducidos con relacin a lostratamientos in situ, su principal desventaja es el alto costo en funcin de los pequeosvolmenes que es posible tratar.

En cuanto al diseo, se han diseado distintos reactores, ya sean con cultivos cerrados ocontinuos, conectados a secuencia a un sistema computarizado para monitorear, controlar ymejorar la biooxidacin de barros activados provenientes de plantas de tratamiento de residuosmunicipales (emplendose la tasa de produccin de CO2 como parmetro para controlar laoperacin del biorreactor).

4. Bioventeo

Consiste en la inyeccin de aire y oxgeno al suelo para estimular la biodegradacin aerbica delcontaminante. Es aplicable a contaminantes presentes en suelos subsuperficiales y aguassubterrneas, ya sean hidrocarburos de petrleo, acetona, tolueno y naftaleno o mezclas dehidrocarburos aromticos polinucleares (PAH).

En algunos casos el aire a presin se inyecta por debajo de la tabla de agua y a medida que vallenando los poros desplaza el agua de la matriz del suelo y con ella los contaminantes. Debetenerse en cuenta que la volatilizacin tambin contribuye a la desaparicin del contaminante.Los compuestos que presentan baja presin de vapor difcilmente se volatilicen por lo que sudesaparicin se le atribuye a la biodegradacin incentivada por el bioventeo.

El proceso de bioventeo estimula la actividad biolgica in situy promueve la biorremediacin.

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Generalmente se encuentra aplicado en la zona vadosa y es aplicado para aquellos qumicosque son biodegradados aerbicamente, aunque en principio se ha utilizado para sitioscontaminados con petrleo.

Es uno de los mtodos considerado de mayor costo-beneficio para la remediacin de la zona

vadosa.La mayor parte del residuo de hidrocarburos en el sitio contaminado se encuentra en la zonavadosa del suelo, en el margen de capilaridad e inmediatamente por debajo de la tabla de agua.Las fluctuaciones estacionales de agua diseminan residuos en las reas de por debajo o haciaarriba de la tabla de agua.

Figura 3. Proceso deBioremediacin in situ de aguay sueloFuente:http://superfund.pharmacy.arizona.edu/toxamb/c4-3-1-1.html

VARIABLES RELEVANTES IMPLICADAS

Muchos son los compuestos que son medioambientalmente benignos, pero fraccionessignificativas son txicas o mutagnicas. Estas ltimas son las que ms nos interesan enremover o destruir ante derrames de petrleo, por ejemplo. Como hemos visto, labiorremediacin es una tecnologa que ofrece grandes promesas en convertir compuestostxicos en productos no txicos, sin trastornos ms all del ambiente local.

Para la aplicacin efectiva de cualquiera de estas estrategias en la biorremediacin de losambientes contaminados, debe considerarse:

La posibilidad de que el residuo puede encontrarse asociado a una o mas de las fasesque componen el suelo.

La presencia en el contaminante de una mezcla compleja de compuestos orgnicos einorgnicos con diverso grado de toxicidad

La seleccin de la tcnica debe basarse en el anlisis de diversos factores relacionados entre s:

1. Composicin qumica del residuo (vara segn sea su origen, grado de procesamiento ytiempo de exposicin a la intemperie). Los HC se clasifican en: saturados, aromticos, resinas yasfaltenos, siendo los dos ltimos componente caractersticos de los combustibles pesados.

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Los compuestos inorgnicos presentan, en comparacin con los orgnicos, un rango devariacin mucho menor, pudiendo cambiar su estado de oxidacin y su habilidad paracombinarse con las molculas orgnicas, por lo que los estudios analticos del contenido demetales no son adecuados para inferir la movilidad del contaminante orgnico en el ambiente nisu potencial riesgo para la salud. Cuando los contaminantes orgnicos e inorgnicos se

encuentran mezclados pueden interferir en el resultado de sus perfiles analticos.

Procesos como la evapotranspiracin, la prdida fotoqumica, hidrlisis y biotransformacindisminuyen la contaminacin, aunque quedando en el ambiente aquellos compuestosrecalcitrantes (de difcil tratamiento por mtodos biolgicos).

La susceptibilidad a la biotransformacin es funcin de la estructura qumica, grado y naturalezade la sustitucin y del peso molecular del hidrocarburo. En grado decreciente la secuencia debiodegradacin sera: n-alcanos, alcanos de cadena ramificada, alquenos ramificados,compuestos n-alquilaromticos de bajo PM, monoaromticos, alcanos cclicos, aromticospolinucleares y asfaltenos (estos ltimos son los ms persistentes).

2. Textura y estructura del suelo. Dependiendo de la estratificacin vertical del suelo,contenido de materia orgnica, la aireacin (porosidad), el contenido de agua, rgimenhidrolgico (infiltracin y capacidad de retencin de agua, tipos de minerales presentes, latemperatura, la aptitud para el laboreo, etc. son los suelos ms recomendables para mtodos debiotransformacin/ biorremediacin (suelos francos y arcillosos).

3. Complejidad del sitio contaminado. Existe gran variabilidad en la composicin relativa dela matriz del suelo a lo largo de un perfil, lo cual se traduce en la variacin de su capacidad deconduccin de los fluidos. Por lo tanto, la migracin de los contaminantes no es uniforme atravs de un medio tan heterogneo (migracin discontinua, dada por la afinidad de compuestosa diferentes fases del suelo y por la topografa) .

4. Toxicidad del residuo: beneficio o perjuicio? La presencia del residuo hidrocarbonado enel suelo estimula el desarrollo de la flora microbiana degradadora; sin embargo una cargaexcesiva puede tener efectos txicos, provocando inhibicin metablica con la consiguientedisminucin o supresin de la actividad de degradacin y/o muerte de la comunidad. Esimportante establecer la concentracin ptima del residuo en el suelo para realizar con xito eltratamiento de biorremediacin. Concentraciones superiores al 10% pueden ser inhibitorias parael proceso de biodegradacin. La toxicidad podra estar dada por la presencia de alcoholes ysolventes clorados.

5. Biodisponibilidad 3 de los contaminantes a biodegradar. Los suelos durante mucho

tiempo han sido expuestos a la contaminacin con PAH, estos quedan retenidos en la estructuradel mismo, dificultando la degradacin microbiana por falta de accesibilidad al sustrato. Paradesadsorber estos compuestos, se utilizan surfactantes, que son compuestos tensioactivosbiodegradables que estimulan la biodegradacin de petrleo poniendo en evidencia elmetabolismo sinergstico.

6. Biodegradabilidad del contaminante. Se considera que los hidrocarburos son compuestosbiodegradables. La fraccin ms liviana (mineralizada) y voltil es ms rpidamente degradadaque la fraccin ms pesada. Algunos contaminantes no constituyen la fuente de carbono yenerga para el desarrollo microbiano y sin embargo son de alguna manera incorporados a las

3Fraccin de sustrato que efectivamente puede ser oxidado por los microorganismos. Como la biodegradacinocurre en fase acuosa, se ve afectada por los coeficientes de particin entre la fase oleosa y acuosa, acuosa yorgnica del suelo y por la adsorcin a la matriz del suelo.

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clulas y biotransformados, proceso denominado cometabolismo4 (cooxidacin ocotransformacin).

7. Uso de aceptores de electrones alternativos (O2, NO3-, SO4-2, CO2). El oxgeno es elhabitual aceptor final de electrones en el metabolismo microbiano de los contaminantes, debido a

que en la mayora de los casos la degradacin de los hidrocarburos se lleva a cabo en aerobiosispor accin de las enzimas oxigenasas. Sin embargo muchos microorganismos son capaces deemplear otros aceptores de electrones tales como los iones nitrato, sulfato o el dixido decarbono. Las ventajas que presenta el empleo de los mismos es su mayor solubilidad en agua,su menor toxicidad para los microorganismos y adems son econmicos. Algunos compuestosse degradan solamente en presencia de O2, pero otros necesitan condiciones reductoras o bienson degradados tanto en condiciones aerbicas como anaerbicas.

8. Condiciones climticas (Temperatura ptima de biodegradacin: 30 y 40C; se hademostrado que temperaturas menores aumentan la viscosidad del residuo mientras quetemperaturas mayores pueden afectar a las clulas bacterianas ya sea por disfuncin enzimtica

o por alteracin de la membrana plasmtica).9. Salinidad. Algunos residuos provenientes de la actividad hidrocrburfera tienen altocontenido en sales, generalmente cloruros de Na, K, Ca, Sr y Ba (ej. agua de purga), quienespueden alterar la estructura proteica de las membranas microbianas, afectando su estabilidad yactividad enzimtica.

10.pH delsuelo (valores ptimos para la mineralizacin del hidrocarburo entre 6,5 y 8). A pHextremadamente cidos, los metales pesados pueden lixiviar.

11.Presencia de metales ecotxicos (metales como el Pb, As, Cs, Ba, Hg, Zn, Cu, Ni, V y Seson frecuentes en los residuos de petrleo). A diferencia de los compuestos orgnicos, los

metales no son biodegradables, aunque pueden cambiar su estado de oxidacin. La toxicidadocurre por inhibicin enzimtica., competencia y sustitucin con otros metales o por formacin dequelatos.

12.Agua subterrnea. El agua subsuperficial5migra por formaciones rocosas permeables ysuelos totalmente saturados. Es necesario conocer la distancia al acufero al realizar unabiorremediacin in situ o por landfarming (evitar la posible migracin de lixiviados).

Metabolismo microbiano de los hidrocarburos

Debido a la actividad humana, se han volcado al ambiente grandes cantidades de residuosorgnicos, ya sean de origen domiciliario y provenientes de la industria qumica. Particularmenteestos ltimos presentan distinto grado de toxicidad segn sea su complejidad qumica o su unincon distintos metales. Gran parte de ellos, especialmente los relacionados estructuralmente concompuestos naturales son degradados por los microorganismos del suelo y del agua. Sinembargo, una importante proporcin de los mismos sobre todo aquellos con estructuras de ms

4A medida que los microorganismos utilizan un sustrato primario, fortuitamente transforman otros compuestos delos cuales no son capaces de obtener energa. As, si se aportasen los sustratos necesarios para sostener elmetabolismo los microorganismos podran transformar al mismo tiempo y gratuitamente aquellos residuos que pors solos no constituyen fuente de carbono y energa

5aquella que se encuentra sobre la zona insaturada del suelo. Se recarga con agua de lluvia, por una falla, porprecolacin a travs de la columna de suelo o por la entrada de agua dulce o de mar a travs de estratospermeables

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reciente aparicin en el ambiente o con sustituyentes que se encentran raramente en lanaturaleza (xenobiticos) son catabolizados lentamente y as acumulan y persisten en lanaturaleza.

La biorremediacin constituye una herramienta muy til para reducir este impacto ya que se han

aislado y caracterizado un gran nmero de microorganismos del suelo y del agua capaces dedegradar un amplio rango de compuestos orgnicos, as como de desarrollar actividadesoxidativas frente a nuevos compuestos.

Algunos gneros bacterianos con capacidad hidrocarburoltica incluyen: Acinetobacter sp.,Aeromonas sp., Arthrobacter parafineus, Desulfobacterium cetonicum, Enterobacteriaceae,Nocardia sp., Rhodococcus sp., Pseudomonas sp.,entre otros.

Al conjunto de caminos metablicos por medio de los cuales los tejidos incrementan la polaridadde un txico se le denomina biotransformacin. Podemos decir que la biotransformacin de untxico consiste fundamentalmente en convertir un xenobitico no polar en un compuesto solubleen agua. Este es el mecanismo ms comn que usan los organismos para eliminar los txicos

ambientales.

Al igual que la absorcin y distribucin, dos procesos de transferencia, la biotransformacintambin se lleva a cabo utilizando los mecanismos existentes en los tejidos. Se usa la mismamaquinaria bioqumica con la que se metabolizan los compuestos endgenos de estructuraqumica similar.

En algunos casos, la biotransformacin resulta en la produccin de un metabolito que es mstxico que el compuesto original, al proceso se le denomina bioactivacin. Si estos metabolitosse acumulan y vencen las defensas del organismo entonces pueden producir un dao que semanifieste en una respuesta txica.

El estudio de las reacciones que constituyen la biotransformacin es de gran importancia, porquenos permiten entender los mecanismos por medio de los cuales los tejidos se defienden de lostxicos que logran penetrar y tambin cmo es que en algunas ocasiones sucede lo contrario yde hecho se incrementa la toxicidad en el interior del cuerpo. Estas reacciones se agrupan endos conjuntos a los cuales se le denominan Biotransformacin Fase Iy Biotransformacin FaseII.

La Fase I biotransforma los xenobiticos conviertindolos en substratos de las enzimas de laFase II, al mismo tiempo que los hacen ms hidrfilos. La Fase II son reacciones de conjugacinen las cuales un metabolito con enlaces de alta energa sede un grupo funcional polar al

xenobitico, o su producto de transformacin por la Fase I. En el ejemplo de la destoxificacindel benceno, la oxidacin a fenol es una reaccin de la Fase I y la sulfatacin del fenol es unareaccin de la Fase II.

El metabolismo de los hidrocarburos comienza con la oxidacin del metilo sustituido en el C1,con la posterior oxidacin del cido carboxlico aromtico, formndose luego cadenas cortas decidos carboxlicos, piruvato y aldehdos (oxidasas y dehidrogenasas).

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mucho menor que el producido por las tcnicas convencionales, de forma que se consigueminimizar el impacto ambiental.

Este proceso es aplicable con el uso de plantas como as tambin de semillas. En un estudiorealizado en la Universidad Complutense de Madrid, se emple semillas de la familia lupinus,

entre otros, para la fitorremediacin, observndose que adems de una gran capacidad deadsorcin de Cd, Pb, Cr y Zn, son capaces de germinar en reas altamente contaminadas yadems pueden modificar el pH (en los experimentos realizados lo han variado de 2 a 5,5).

La fitorremediacin es ms eficaz en los sitios donde hay baja concentracin de contaminantes.Al tomar por las races el agua y los nutrientes que se hallan en los suelos, y las aguassubterrneas, las plantas extraen del suelo las sustancias qumicas perjudiciales. La cantidad decontaminacin que puede eliminar una planta depende entre otros factores de la profundidadhasta la que puedan crecer sus races. Las races de los rboles penetran ms profundo que lade las plantas ms pequeas, por lo tanto se emplean las races de los primeros para eliminarlos contaminantes que se encuentran a mayor profundidad.

Una vez extradas del suelo y dentro de la planta, las sustancias qumicas se ven sometidas auno o varios procesos:

Se almacenan en las races de los tallos y las hojas,

Se transforman en sustancias qumicas menos perjudiciales en el interior de la planta,

Se transforman en gases que se liberan al aire cuando la planta transpira (respira)

La fitocorreccin o fitorremediacin puede tener lugar incluso sin que las races de la plantaextraigan las sustancias qumicas. Por ejemplo, los qumicos pueden pegarse o sorberse a las

races de las plantas. Tambin pueden transformarse en sustancias qumicas menos dainasmediante la accin de los organismos o microbios que viven en las races de las plantas. Sedeja que las plantas crezcan y que extraigan o sorban las sustancias qumicas. Luego se lascorta y destruye o se las recicla cuando los metales almacenados en ellas pueden volverse autilizar. Por lo general los rboles se dejan crecer y no se cortan.

Las plantas que se cultivan para la fitocorreccin tambin pueden contribuir a impedir que lassustancias qumicas dainas pasen de un sitio contaminado a otras zonas. Las plantas limitan lacantidad de sustancias qumicas que puede arrastrar el viento o la cantidad de lluvia que penetraen el suelo o que fluye hacia otros sitios.

El tiempo que demora descontaminar un sitio mediante el empleo de la fitocorreccin depende

de diversos factores, que varan de un sitio a otro:

Tipo y cantidad de plantas que se emplean

Tipo y cantidad de sustancias qumicas dainas presentes

Dimensin y profundidad de la zona contaminada

Tipo de suelo y condiciones reinantes.

El beneficio de esta tecnologa es que requiere menos equipamiento y trabajo que otros mtodosya que las plantas hacen la mayor parte de la tarea. Adems, los rboles y las plantas pueden

hacer ms atractivos los sitios. Se puede limpiar un sitio sin necesidad de cambiar el suelocontaminado ni de extraer el agua subterrnea contaminada por bombeo.

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Ventajas Desventajas

Tcnica a aplicar in situ Limitado a suelos superficiales

Pasiva, se realiza a expensas de la energa solar El aumento de la concentracin de ciertoscontaminantes puede ser txico para lasplantas.

Mas econmica que otros tratamientos Ms lentos que otros tratamientos

Ms rpido que la atenuacin natural Podra transferir la contaminacin alecosistema.

Alta aceptacin popular Bioacumulacin de contaminantes

No es efectivo para compuestos adsorbidos

dbil y fuertemente.

An en investigacin

Resulta poco familiar a entes reguladores.

Enzimas y exudados

Las plantas pueden eliminar al ambiente suelo, enzimas y exudados que ayudan a degradar loscontaminantes orgnicos. La produccin de estos exudados demanda a la planta de 10-20 % de

la fotosntesis anual.

Se han identificado cinco sistemas enzimticos: dehalogenasa, nitroreductasa, peroxidasa,lacasa y nitrilasa. Se ha demostrado que los sistemas nitroreductasa y lacasa intervienen en ladegradacin de residuos de TNT (2,4,6 trinitrotolueno) y que la planta incorpora luego parte delas molculas en nuevo tejido vegetal o en detrito orgnico que pasa a formar parte del detritoorgnico del sedimento.

El sistema enzimtico dehalogenas ayuda a reducir solventes clorados como TCE(tricloroetileno) para formar el ion cloruro, CO2y H2O.

Aunque las enzimas aisladas son capaces de transformar rpidamente el sustrato, laremediacin debe involucrar a toda la planta, ya que las enzimas aisladas son destruidas einactivadas por pH bajo, altas concentraciones de metales y toxinas bacterianas. La presencia delas plantas ayuda a neutralizar el pH, los metales son bioadsorbidos o quelados y las enzimaspermanecen protegidas en el interior de las clulas vegetales o adsorbidas a su superficie.

Existen diversos mtodos de tratamiento por fitorremediacin, los cuales se podran resumir enaquellos que remedian metales y los que sirven para el tratamiento de compuestos orgnicos.

1. Remediacin de metales (remocin)

a) Fitoextraccin

b) Rizofiltracin

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2. Tratamiento de compuestos orgnicos

a) Fitodegradacin

b) Biodegradacin rizosfrica aumentada

c) Bombas orgnicas

d) Fitovolatilizacin

Figura 5.Mecanismosde tratamiento porfitorremediacin

Fitoextraccin

Es la captacin de iones metlicos por las races de la planta y su acumulacin en tallos y hojas.Hay plantas que absorben selectivamente grandes cantidades de metales (principalmente Ni, Zny Cu) acumulando en los tejidos concentraciones mucho ms altas que las presentes en el sueloo en el agua. Este proceso se ha utilizado para eliminar hidrocarburos de agua y suelo concultivos alfalfa, lamos, enebro.

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Figura 6. Fitoextraccin

En la zona contaminada se plantan las especies que se seleccionan. Cuando las plantas crecense recolectan y se incineran. Las cenizas se pueden lavar para recuperar los metales o bien,pueden confinarse en vertederos de txicos, con la ventaja de que ocuparn un espacio muchomenor que el que se usara si se desechara el suelo contaminado.

Rizofiltracin

Es similar a la fitoextraccin, pero en lugar de cultivar las plantas en el suelo, se cultivan eninvernaderos por procesos hidropnicos. Las plantas se cultivan en tanques con agua y cuandopresentan un gran sistema radical se reemplaza el agua limpia por agua contaminada, para queabsorban los txicos (quedan fijados en sus races). A medida que las races se saturan deltxico se van cortando y eliminando.Esta metodologa se emplea para rehabilitacin de sitios contaminados con metales, para eltratamiento de descargas industriales, para agua de escurrimiento de la agricultura, el drenajecido de las minas y contaminacin radioactiva. Este mtodo se prob satisfactoriamente para

eliminar iones radioactivos en las lagunas contaminadas en el accidente de la planta nuclear deChernobyl. Usaron plantas de girasol.

Fitodegradacin

Es un proceso por medio del cual las plantas degradan compuestos orgnicos. Los compuestosson absorbidos y metabolizados (por oxidasas y halogenasas, principalmente). Muyfrecuentemente los metabolitos que producen tienen actividad de fitohormonas (aceleran elcrecimiento de las plantas). Se han encontrado plantas que degradan residuos de explosivos,disolventes clorados como el TCE, herbicidas, etc.

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Figura 7.Mecanismos detratamiento por fitorremediacin

Biodegradacin rizosfrica aumentada

Las plantas tambin favorecen la degradacin microbiolgica en la rizsfera. La flora microbianadel suelo es ms abundante en las cercanas de las races, por lo que los procesos similares a labiodegradacin tienen lugar a una velocidad mayor que en el resto del suelo, sin necesidad deestimular artificialmente la actividad microbiana. Los microorganismos consumen compuestosorgnicos contaminantes como fuente de carbono y energa, mientas que las races de lasplantas liberan compuestos que sirven como fuente de nutrientes para los microorganismos de la

rizsfera (la raz ayuda a aumentar la actividad microbiana). Asimismo, se produce un procesode descompactacin del suelo, mejorando el transporte, humedad y aireacin del mismo.

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Figura 8. BiodegradacinRizosfrica Aumentada

Bombeo biolgico / Bombas orgnicas

Cuando las races de los rboles llegan hasta el manto fretico absorben una gran cantidad deagua, y con ellas los contaminantes presentes. Hay una variedad de lamo (Populus deltoides)que absorbe ms de un metro cbico de agua por da. Esta caracterstica de los rboles se

puede utilizar para impedir que las aguas superficiales contaminadas lleguen a los acuferos quese usan para suministro de agua potable, o bien para que se prevenga que aguas contaminadaslleguen a sitios donde pudieran causar problemas. Posteriormente, estas plantaciones deben serdispuestas en rellenos sanitarios, teniendo especial cuidado de sus lixiviados.

Figura 9. Bombas orgnicas

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Fitovolatilizacin

Cuando los rboles absorben agua contaminada con compuestos orgnicos voltiles, eliminan lagran mayora del COV en la evapotranspiracin de las hojas. Los lamos transpiranaproximadamente el 90% del TCE que absorben. El resultado neto de este proceso es, el que

los rboles transfieren a la atmsfera el TCE que se encuentra en el acufero.

Figura 10. Fitovolatilizacin

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Bibliografa

Altamirano, M. G.1999. Biorremediacin de suelos contaminados con hidrocarburos. Ctedra deMicrobiologa Ambiental. Instituto Universitario en Ciencias para la Salud. Universidad Nacionaldel Comahue, Neuqun.

Pea, C. E. y col. 2001. TOXICOLOGIA AMBIENTAL. Evaluacin de Riesgos y RestauracinAmbiental. Web-mail: http://superfund.pharmacy.arizona.edu/toxamb/c4-3-1-2.html

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tcnicas de remediacin biolgicas

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