Entre las posibles técnicas de tratamiento aplicables para la descontaminación de un determinado espacio natural, se encuentran los procesos de degradación biológica, ya que son útiles para muchos tipos de residuos orgánicos, son procesos naturales que no suponen un impacto adicional sobre los ecosistemas.
Los tratamientos de biodescontaminación se basan en la acción de microorganismos o plantas sobre los productos contaminantes. El resultado final de un tratamiento de biodegradación depende de la toxicidad y la concentración inicial de los contaminantes, su biodegradabilidad, las propiedades del suelo contaminado y el sistema de tratamiento seleccionado.
Los contaminantes tratados habitualmente por estos métodos son los compuestos orgánicos volátiles y semivolátiles no halogenados y los derivados del petróleo. Cuando la contaminación incluye altas concentraciones de metales, compuestos orgánicos con alta proporción de cloro o sales inorgánicas, la eficacia del tratamiento se reduce debido a la toxicidad microbiológica de estos compuestos. Los procesos biológicos tienen las ventajas de requerir inversiones de capital moderadas, bajo consumo de energía, ser ambientalmente seguros y no generar residuos.
Algunos microorganismos pueden utilizar derivados del petróleo como fuente de carbono y muchos de ellos producen surfactantes, que pueden emulsionar los aceites en el agua y facilitar su eliminación. También se han utilizado fertilizantes para incrementar la tasa de crecimiento de las poblaciones autóctonas capaces de degradar compuestos derivados del petróleo.
El uso de microorganismos no está restringido únicamente al tratamiento de compuestos orgánicos. En algunos casos, los organismos seleccionados pueden también reducir los cationes tóxicos de los metales pesados, a la forma elemental menos soluble y menos tóxica. Por lo que el tratamiento biológico puede también aplicarse a las aguas superficiales contaminadas por metales pesados.
Técnicas para tratamiento de emplazamientos contaminados.
En general, las técnicas se pueden agrupar en tres categorías:
1) Confinamiento: tiene como finalidad el aislamiento de la fuente contaminante, evitando los lixiviados, polvo o gases; es decir controlando la dispersión de la contaminación. Las medidas que incluye este tipo de actuación son: recubrimiento, revegetación, control de aguas de escorrentía superficial y control de lixiviados y aguas subterráneas.
2) Limpieza: incluye la aplicación de una o varias tecnologías para eliminar los contaminantes del suelo. Se distinguen tres tipos de tratamiento:
a) tratamiento in situ del suelo contaminado,
b) excavación del emplazamiento contaminado, retirada del suelo afectado y tratamiento ex situ del mismo y
c) excavación, retirada y depósito en vertedero controlado.
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3) Estrategia de respuesta: es un tratamiento a largo plazo que incluye actuaciones diversas y modificables en función de una primera evaluación de la situación y de la evolución de la misma durante el tratamiento.
Los métodos existentes para tratar los suelos contaminados pueden ser de naturaleza física, química o biológica y tanto unos como otros pueden aplicarse en el lugar de la contaminación o como tratamiento ex situ. El tratamiento biológico mediante plantas (fitodescontaminación), implica el uso de vegetales superiores para retirar, contener, acumular o degradar los contaminantes ambientales del suelo, aguas subterráneas, aguas superficiales, sedimentos y aire.
El objetivo de las técnicas de recuperación biológica, es la creación de las condiciones ambientales óptimas para que los microorganismos se puedan desarrollar adecuadamente y provocar la máxima destoxificación. La tecnología empleada en cada caso, depende del tipo de microorganismos de que se trate, de las condiciones del espacio contaminado y de la naturaleza y cantidad de contaminante o contaminantes.
Los microorganismos endógenos, son aquellos que se encuentran formando parte del ecosistema que se pretende descontaminar. Cuando en el ecosistema no esté presente la actividad biológica que se requiere para degradar la contaminación producida, pueden incorporarse microorganismos de otra procedencia (microorganismos exógenos).
El tratamiento biológico del entorno contaminado, puede tener lugar en condiciones aerobias o anaerobias. En ambos casos, los productos intermedios que se forman como consecuencia del metabolismo microbiano, pueden ser menos, igual o más contaminantes que los originales.
Procesos de atenuación natural.
La atenuación natural se describe como el conjunto de procesos físicos, químicos y biológicos, que espontáneamente ocurren en un espacio determinado. En condiciones favorables, la atenuación natural reduce, sin la intervención humana, la masa, la toxicidad, la movilidad, el volumen o la concentración de contaminantes en suelo o agua subterránea. Este proceso incluye mecanismos como:
a) Dispersión,
b) Dilución,
c) Adsorción,
d) Volatilización,
e) Estabilización y
f) Transformación o destrucción de contaminantes por vía química o biológica.
Se puede considerar que en un proceso de atenuación natural, intervienen o pueden intervenir los cinco grupos de mecanismos siguientes:
1. Biodegradación.
2. Transformación química
3. Estabilización. 105
4. Volatilización.
5. Dispersión y dilución.
La atenuación natural es considerada una alternativa aceptable en comparación con otros métodos más activos, siempre y cuando se puedan cumplir unos objetivos de descontaminación en un intervalo de tiempo aceptable. Uno de los componentes más importantes de la atenuación natural es la biodegradación.
La capacidad real del fenómeno de atenuación natural para promover la descontaminación de un emplazamiento determinado, depende de que uno o más de los mecanismos puedan funcionar a la velocidad suficiente como para evitar que la pluma de contaminación alcance un receptor. Por lo tanto, se tiene que realizar un estudio previo para identificar los siguientes aspectos:
1. Las características del suelo,
2. Características de las aguas subterráneas,
3. Grado de contaminación vertical y horizontal en el suelo y el agua, comportamiento histórico de la pluma y capacidad de atenuación de la pluma en las condiciones del emplazamiento.
4. Una revisión detallada de receptores y vías de migración en el área geográfica del emplazamiento.
Tratamiento biológico in situ de suelos contaminados.
Tiene algunos inconvenientes como: mayor lentitud, dificultad de mantener las condiciones y dependencia del tipo de suelos. En este tipo de tratamiento se persigue la adecuada oxigenación y aporte de nutrientes a los microorganismos del suelo. A menudo, las técnicas de tratamiento in situ requieren años para alcanzar los objetivos de descontaminación fijados, dependiendo fundamentalmente de la biodegradabilidad de los contaminantes de que se trate.
Tratamiento biológico de aguas subterráneas.
Con este tratamiento se pretende aumentar la velocidad del proceso de degradación natural, que tiene lugar en el suelo embebido de agua que se encuentra por debajo de la capa freática.
Tratamiento biológico ex situ de suelos contaminados.
Las técnicas ex situ pueden ser más rápidas, más fáciles de controlar y aplicables a un mayor abanico de contaminantes y suelos que las técnicas in situ. Sin embargo, requieren excavación y acondicionamiento del suelo contaminado antes e incluso, a veces, después de la fase de tratamiento biológico. Incluyen técnicas de:
1. Tratamientos de lodos.
2. Tratamientos en fase sólida.
Biodisponibilidad de los contaminantes e interacciones con la matriz del suelo.
La biodisponibilidad en cada compartimento ambiental (agua, sedimentos, suelo o aire) juega un papel diferente. Por ejemplo:
a) La disponibilidad de un compuesto orgánico en agua se reduce cuando se une a partículas suspendidas o a sedimentos,
b) La biodisponibilidad de un metal en un sedimento o en un suelo puede aumentar cuando el pH disminuye,
c) En el aire, los hidrocarburos aromáticos policíclicos que están ligados pueden resultar inaccesibles a las superficies respiratorias.
En general, se puede decir que la evolución y comportamiento de los compuestos orgánicos en el suelo, vienen determinados por los siguientes factores: características del suelo, propiedades de los compuestos y factores ambientales como temperatura y precipitación.
Para intentar sistematizar los distintos tipos de interacciones de los compuestos orgánicos en la matriz del suelo, se toma en cuenta lo siguiente:
1. Residuo ligado covalentemente.
2. Residuos solubles ligados covalentemente.
3. Residuos adsorbidos.
4. Residuos inmovilizados (atrapados).
Proceso de envejecimiento de la contaminación.
El envejecimiento de los compuestos en el suelo depende de diversos factores tales como: cantidad y naturaleza de la materia orgánica, constituyentes inorgánicos del suelo, fundamentalmente estructura y tamaño de poro, microflora del suelo, concentración de contaminante, procesos de adsorción y atrapamiento en los microporos del suelo o en los complejos húmicos de la materia orgánica. Se ha comprobado que el humedecimiento y el secado sucesivo del suelo, también contribuyen al proceso de envejecimiento.
El resultado final del proceso de envejecimiento es la movilización de compuestos desde los compartimentos más accesibles del suelo, a los menos accesibles o a los inaccesibles, con lo cual se produce una reducción en la capacidad de extracción de dichos compuestos.
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Valoración de la biodisponibilidad
La biodisponibilidad de un compuesto orgánico puede ser evaluada con dos perspectivas distintas, químicas o biológicas.
Aspectos biológicos de la valoración de la biodisponibilidad
Para que la biodegradación tenga lugar deben cumplirse dos requisitos:
1. El compuesto debe ser accesible al organismo u organismos de que se trate.
2. El compuesto como tal debe ser biodegradable.
Valoración de la eficiencia de un tratamiento biológico de descontaminación.
Un aspecto imprescindible en cualquier programa de biodescontaminación, es la evaluación del éxito obtenido después de la aplicación del tratamiento. Algunos de estos factores difíciles de valorar son los siguientes:
1. La concentración de los substratos,
2. El ambiente y
3. El grado de lixiviación.
Química de los hidrocarburos del petróleo.
Existen tres grupos mayoritarios en los hidrocarburos del petróleo: alcanos (parafinas), alquenos (olefinas) e hidrocarburos aromáticos.
Las parafinas son uno de los principales constituyentes del crudo y se encuentran en los diferentes productos refinados del petróleo: gasolina, queroseno, diesel, aceites combustibles etc. Hay tres tipos de parafinas: alcanos lineales, alcanos ramificados y naftenos (sus átomos de carbono están dispuestos en uno o más anillos).
Las olefinas se forman durante el proceso de refino del crudo. Estas moléculas se caracterizan por tener dobles enlaces en su estructura.
Los hidrocarburos aromáticos pueden ser de un solo anillo o contener varios anillos aromáticos, tienen gran movilidad y presentan una baja solubilidad en agua, siendo la mayor parte de ellos lipofílicos.
Tratamiento biológico de contaminaciones por petróleo y sus derivados.
Algunas de las consideraciones generales con relación a cualquier proceso de degradación biológica de compuestos derivados del petróleo son:
1. La biodegradación de todos los hidrocarburos requiere la disponibilidad de aceptores electrónicos.
2. La biodegradación de alcanos así como las rutas metabólicas implicadas están bien identificadas.
3. Muchas bacterias producen surfactantes como respuesta a la presencia de hidrocarburos.
4. En algunas ocasiones, aunque no se produzca una biodegradación considerable, se pueden producir biotransformaciones beneficiosas.
Hay que conocer los compuestos contaminantes que están presentes y cuáles de ellos deben ser eliminados. Hay que decidir qué tipo de microorganismos van a ser empleados y hay que diseñar el método que va a permitir evaluar el grado de éxito del tratamiento aplicado. En general, se puede establecer un sistema de evaluación en tres etapas que incluye:
1) Estudios básicos de laboratorio,
2) Estudios con microcosmos usando material del emplazamiento contaminado y
3) Evaluación del tratamiento en sistemas de mayor escala ya sea plantas piloto o instalaciones in situ.
Aplicaciones de hongos en tratamientos de biodescontaminación.
El elevado valor de la relación superficie/volumen celular de los hongos filamentosos les convierte en eficaces degradadores en determinados nichos como los suelos contaminados. Por otra parte, los hongos tienen una capacidad muy notable para acumular metales pesados.
Entre los basidiomicetos, se encuentran las especies con las características más adecuadas para ser utilizadas en diferentes procesos biotecnológicos, incluidos los de biodescontaminación.
Los hongos de podredumbre blanca disponen de una capacidad muy relevante de degradar mayoritariamente la lignina, un polímero polifenólico heterogéneo, que es uno de los tres componentes principales de los sustratos lignocelulósicos.
Los hongos ligninolíticos más eficaces se encuentran entre los basidiomicetos. Cuentan con una batería de enzimas extracelulares, oxidasas y peroxidasas, que contribuyen, en determinadas condiciones, a despolimerizar la compleja estructura de la lignina.
Entre los diferentes xenobióticos que pueden ser transformados por hongos basidiomicetos, se encuentran fundamentalmente: pesticidas, hidrocarburos aromáticos, compuestos orgánicos clorados, etc. Se ha mostrado la capacidad de estos organismos para decolorar efluentes de industrias aceiteras, textiles o papeleras. También, se ha estudiado la capacidad de estos hongos para degradar o modificar diferentes sustratos tales como, pulpas papeleras, clorofenoles, hidrocarburos policíclicos aromáticos, lignina kraft, sustratos lignocelulósicos, etc.
El hecho que P. chrysosporium haya demostrado su capacidad para degradar fenantreno en condiciones no ligninolíticas y que otros hongos oxiden antraceno por algún sistema independiente de lignina peroxidasa, sugiere que este grupo de hongos posee mecanismos para degradar polímeros aromáticos, alternativos a los conocidos para degradar la lignina de la madera.
