Biorremediación para niños

La biorremediación es un método especial que usa seres vivos muy pequeños, como microorganismos (bacterias), hongos o plantas, para limpiar un ambiente que ha sido contaminado. También se pueden usar las enzimas que estos seres vivos producen. El objetivo es que el lugar vuelva a estar como antes de la contaminación.

Imagina que hay un derrame de petróleo. La biorremediación podría ayudar añadiendo nutrientes al suelo o al agua, como nitratos o sulfatos. Esto hace que las bacterias que ya viven allí, o algunas que se añaden, crezcan más rápido y se coman el petróleo, descomponiéndolo. La idea de usar seres vivos para limpiar el ambiente se mencionó por primera vez alrededor de 1930.

La biorremediación tiene muchas ventajas comparada con otros métodos de limpieza que usan productos químicos o procesos físicos. Según la Agencia de Protección Ambiental (EPA), algunas de estas ventajas son:

• No crea muchos residuos nuevos, y los que produce no suelen ser tóxicos.
• Necesita poca energía para funcionar.
• Es más económica que la mayoría de las otras formas de limpiar.
• Puede usarse junto con otras técnicas o después de ellas.
• Causa muy poca alteración en el lugar donde se aplica.
• Es sencilla de llevar a cabo y no requiere mucho equipo.

Sin embargo, la biorremediación puede tardar más tiempo que otros métodos. Además, a veces no logra eliminar por completo todos los contaminantes; siempre queda una pequeña parte que es difícil de degradar. A pesar de esto, la biorremediación es una opción muy atractiva porque es económica, buena para el ambiente y ofrece una excelente relación entre el costo y el beneficio para recuperar lugares contaminados.

Además de usar solo microorganismos, también se pueden emplear plantas (a esto se le llama fitorremediación) y los microorganismos que viven cerca de sus raíces (conocido como rizorremediación). Las plantas no solo ayudan a degradar los contaminantes, sino que también mejoran el suelo alrededor de sus raíces y aumentan el oxígeno, lo que ayuda a que las bacterias del suelo trabajen mejor.

Otra forma de biorremediación que ha crecido mucho es usar compostaje (material orgánico descompuesto) con residuos orgánicos. Añadir compost a un suelo contaminado con productos del petróleo acelera la limpieza que hacen los microorganismos. Es una estrategia económica que también ayuda a manejar los residuos.

La eficiencia y el costo de la biorremediación dependen de muchos factores:

• Las características del suelo: su composición, la cantidad de nutrientes, el oxígeno disponible y la humedad.
• La cantidad de suelo a tratar: grandes cantidades pueden necesitar más equipo y ser más caras.
• Las características del contaminante: su estructura química, la cantidad inicial y el nivel de limpieza que se quiere alcanzar. Esto influye en cuánto tiempo durará el tratamiento y si es posible hacerlo.

Estrategias de Biorremediación: ¿Cómo se Limpia?

Bioestimulación: Ayudando a los Microorganismos Locales

La bioestimulación es la estrategia de biorremediación más usada y la que ha dado mejores resultados para limpiar suelos con hidrocarburos (como los del petróleo). Consiste en mejorar las condiciones del ambiente para que los microorganismos que ya viven en el suelo puedan crecer y descomponer los contaminantes más rápido.

Generalmente, la bioestimulación se enfoca en añadir nutrientes clave como nitrógeno y fósforo al suelo. Por eso, a menudo se asocia con la fertilización. Aunque la cantidad de nitrógeno y fósforo es muy importante, también se estudian otras cosas como la cantidad de agua en el suelo (humedad), el pH (si es ácido o básico), la disponibilidad de oxígeno y la temperatura.

Bioaumento: Añadiendo Microorganismos Especiales

El bioaumento es cuando se añaden microorganismos o grupos de microorganismos (llamados consorcios) a un lugar contaminado. Estos microorganismos tienen la capacidad de descomponer el contaminante, ya sea por completo o en parte. Se usa cuando los microorganismos que ya están en el lugar no son suficientes para limpiar a una velocidad adecuada.

La efectividad del bioaumento es un tema de debate. A menudo, los microorganismos que se añaden no logran establecerse bien en el ambiente contaminado y desaparecen después de un tiempo. Esto ocurre porque los microorganismos locales ya están adaptados a las condiciones del suelo y no permiten que los nuevos se queden. En muchos casos, el bioaumento da resultados menos buenos que la bioestimulación. A veces, para que funcione mejor, se combina el bioaumento con la bioestimulación. También se usan microorganismos que producen sustancias que ayudan a que los contaminantes sean más accesibles para el resto de la comunidad microbiana.

Agregado de Surfactantes: Haciendo los Contaminantes Accesibles

A veces, aunque el suelo tenga suficientes microorganismos y las condiciones sean buenas, los contaminantes no se eliminan bien. Esto pasa cuando el contaminante está muy pegado a las partículas del suelo, lo que dificulta que los microorganismos lo alcancen.

Para solucionar esto, se añaden surfactantes. Estas sustancias ayudan a que el agua y los compuestos acuosos se mezclen mejor con los contaminantes. Así, los contaminantes se disuelven más fácilmente, lo que los hace más disponibles para las bacterias y acelera su descomposición.

Fitorremediación: El Poder de las Plantas

Esquema de los distintos tipos de fitorremediación

La fitorremediación es una forma de limpiar suelos, aguas residuales o incluso el aire usando plantas, algas o hongos. Es un conjunto de técnicas que utilizan las plantas para reducir, descomponer o atrapar contaminantes orgánicos (naturales o creados por el hombre) e inorgánicos (como metales pesados o sustancias radiactivas) que provienen de las actividades humanas. Las plantas pueden atrapar metales pesados usando la celulosa que tienen.

Las plantas y los microorganismos que viven en sus raíces pueden usarse de varias maneras para la fitorremediación. Hay diferentes métodos que se agrupan en dos tipos: los que concentran los contaminantes (rizofiltración, fitoestabilización y fitoinmovilización) y los que los eliminan (fitodegradación, fitoextracción y fitovolatilización).

Ventajas de la Fitorremediación

La fitorremediación se ha vuelto muy popular en los últimos 10 años, en parte por su bajo costo. Como los procesos biológicos son impulsados por la energía del sol, la fitorremediación es, en promedio, diez veces más barata que métodos que requieren mucha ingeniería (como excavar el suelo). El hecho de que se realice en el mismo lugar contaminado también contribuye a su bajo costo y reduce el riesgo de que las personas o los animales entren en contacto con el suelo contaminado. Además, la fitorremediación es vista por el público como una alternativa "verde" y amigable con el ambiente.

Aunque tiene muchas ventajas, la fitorremediación también tiene limitaciones. Las plantas deben poder crecer en el lugar contaminado y ser capaces de actuar sobre el contaminante. Por lo tanto, las características del suelo, el nivel de toxicidad y el clima deben permitir el crecimiento de las plantas. La fitorremediación también está limitada por la profundidad de las raíces, ya que las plantas solo pueden alcanzar los contaminantes que están a su alcance.

Una forma de aprovechar aún más los recursos es usar plantas muertas y trituradas para tratar aguas contaminadas con metales pesados.

Métodos de Fitorremediación

Fitoestabilización: Atrapando Contaminantes

La fitoestabilización consiste en que las plantas inmovilizan los contaminantes en el suelo. Esto lo hacen absorbiéndolos y acumulándolos en sus raíces, o haciendo que se precipiten (se vuelvan sólidos) en la zona de la raíz. Este proceso reduce el movimiento de los contaminantes y evita que lleguen al agua subterránea o al aire. Es útil en suelos finos con mucha materia orgánica y se usa principalmente en terrenos grandes con contaminación superficial. Sus ventajas son que es más barata, fácil de aplicar y se ve bien. Algunas plantas usadas para esto son Hyparrhenia hirta (para plomo) y Zygophyllum fabago (para zinc).

Fitoextracción: Sacando Metales de la Tierra

La fitoextracción, o fitoacumulación, es cuando las raíces de las plantas absorben metales contaminantes y los acumulan en sus tallos y hojas. El primer paso es elegir la planta adecuada para los metales y el lugar. Una vez que la planta ha crecido, se corta, se quema y las cenizas se llevan a un lugar seguro. Este proceso se puede repetir hasta que la cantidad de metales en el suelo sea aceptable. Algunas plantas usadas son Thlaspi caerulescens (para cadmio) y Alyssum murale (para níquel).

Rizofiltración: Limpiando el Agua con Raíces

La rizofiltración usa plantas para eliminar contaminantes del agua a través de sus raíces. Estas plantas se cultivan en agua (sin tierra, lo que se llama hidroponía). Cuando sus raíces están bien desarrolladas, se colocan en el agua contaminada con metales, y las raíces los absorben y acumulan. Cuando las raíces están llenas, las plantas se recogen y se desechan de forma segura. Hay muchas plantas acuáticas que pueden acumular contaminantes, como Scirpus lacustris (para cadmio, cobre, plomo) y Lemna gibba (para plomo, arsénico, cobre).

Fitovolatilización: Evaporando Contaminantes

La fitovolatilización ocurre cuando los árboles y otras plantas absorben agua junto con contaminantes. Algunos de estos contaminantes pueden llegar a las hojas y evaporarse o pasar a la atmósfera. Este proceso ha ayudado a eliminar contaminantes como compuestos orgánicos volátiles (benceno, tolueno), arsénico, selenio y mercurio. Plantas como Salicornia bigelovii y Brassica juncea se han usado para limpiar lugares con selenio, y Arabidopsis thaliana para el mercurio.

Fitoestimulación: Activando Microorganismos

En la fitoestimulación, las raíces de las plantas activan a los microorganismos que están en la zona contaminada, y estos microorganismos son los que descomponen los contaminantes.

Fitodegradación: Descomponiendo Contaminantes

En la fitodegradación, las plantas y los microorganismos asociados a ellas descomponen los contaminantes orgánicos en sustancias inofensivas, o los convierten en dióxido de carbono (CO₂) y agua (H₂O). En este proceso, los contaminantes son procesados dentro de los tejidos de las plantas, y las plantas producen enzimas que ayudan a esta descomposición. La fitodegradación se ha usado para eliminar explosivos, hidrocarburos y pesticidas.

Biorremediación de Hidrocarburos: Limpiando Derrames

La biorremediación de hidrocarburos se usa para reducir o eliminar la contaminación de suelos con petróleo, diésel, aceite y grasas. Esta contaminación puede venir de derrames accidentales o industriales.

Los hidrocarburos son compuestos hechos principalmente de carbono e hidrógeno. Son muy importantes para el desarrollo humano, pero sus derrames pueden causar problemas ambientales graves en ecosistemas terrestres y acuáticos. En los suelos, la contaminación por hidrocarburos puede reducir o impedir el crecimiento de plantas, cambiar las poblaciones de animales y microorganismos, y contaminar el agua subterránea.

Las principales estrategias para limpiar hidrocarburos son la bioestimulación y el bioaumento. La bioestimulación, como ya vimos, añade nutrientes (nitrógeno y fósforo) para que los microorganismos crezcan. También se puede mejorar añadiendo agua, oxígeno y otros elementos. Usar lodos residuales (biosólidos) como fuente de nutrientes puede ayudar a los microorganismos del suelo a descomponer los hidrocarburos, usándolos como alimento.

Biorremediación de Metales Pesados: Protegiendo la Salud

La industria moderna, al satisfacer las necesidades de la población, a veces contamina el ambiente con metales pesados. Estos metales afectan la calidad del agua y del suelo. Además, pueden entrar en la cadena alimentaria y afectar la salud humana, incluso en pequeñas cantidades. Por eso, es muy importante eliminar los metales pesados de manera eficiente para un desarrollo sustentable. La biorremediación es una excelente alternativa a los métodos tradicionales, que suelen ser caros y menos eficientes.

Biosorción: Atrapando Metales con Materiales Biológicos

La biosorción es un proceso donde materiales biológicos (como bacterias, algas, levaduras u hongos) atrapan rápidamente iones de metales de soluciones acuosas. Esto ocurre en la superficie de estos materiales y no depende de su metabolismo. Puede funcionar en un amplio rango de pH (de 3 a 9) y temperatura (de 4 a 90 °C). Este proceso no necesita mucha inversión y los costos de operación son bajos. Además, los materiales biológicos suelen ser baratos y se pueden obtener de la agricultura o de residuos industriales.

Las ventajas de la biosorción, comparada con otros métodos, incluyen su bajo costo, alta eficiencia, poca producción de lodos químicos o biológicos, no necesita añadir nutrientes extra, el material que atrapa los metales se puede reutilizar y permite recuperar los metales.

En los últimos años, la biosorción se ha convertido en una tecnología económica y ecológica para tratar el agua y las aguas residuales. Se han desarrollado muchos materiales biológicos que se usan con éxito para eliminar metales, colorantes y otros contaminantes. Muchos tipos de biomasa microbiana, vegetal y animal, como bacterias, cianobacterias, algas, levaduras, hongos y líquenes, son muy interesantes para eliminar y recuperar iones de metales pesados debido a su buen rendimiento, bajo costo y disponibilidad. Estos materiales biológicos tienen una gran capacidad para unirse a los iones metálicos.

Precipitación de Metales: Haciéndolos Inofensivos

Muchos cambios que los microorganismos causan en los metales, como la reducción o la alquilación, no tienen una función biológica conocida. Ocurren a través de procesos que no están directamente relacionados con la transformación de metales, pero que cambian su capacidad de disolverse, moverse y su toxicidad. Por lo tanto, pueden usarse para limpiar. Hay dos formas principales de precipitación de metales: la precipitación reductora y la biomineralización.

• Precipitación reductora: Es un mecanismo que permite a los microorganismos reducir la movilidad y toxicidad de un metal o metaloide. Lo hacen transformándolo a una forma menos soluble. Muchos microorganismos que hacen esto usan los metales como "alimento" durante su respiración sin oxígeno, convirtiendo formas muy solubles en formas insolubles. Esto hace que el contaminante se precipite (se vuelva sólido) y se vuelva menos tóxico. Por ejemplo, algunas bacterias pueden reducir el cromo y el uranio, lo que ayuda a eliminarlos del agua y el suelo.
• Biomineralización: Es la formación de precipitados metálicos insolubles gracias a la interacción con productos del metabolismo de los microorganismos. La biomineralización de metales y metaloides en forma de minerales de azufre, hidróxido, fosfato y carbonato tiene aplicaciones para la biorremediación. Un ejemplo es el uso de bacterias que, al respirar, producen sulfuros que se unen a metales tóxicos como el cobre, el mercurio, el cadmio y el plomo, haciéndolos insolubles y menos tóxicos.

Biolixiviación: Disolviendo Metales para Eliminarlos

La biolixiviación usa microorganismos que viven en ambientes ácidos y que se alimentan de hierro y azufre para disolver metales de materiales sólidos. Es una técnica muy usada en la industria minera para extraer metales preciosos y otros metales de minerales. También tiene potencial para limpiar sedimentos acuáticos contaminados con metales, que son un problema ambiental importante.

Los sedimentos son más difíciles de tratar que los minerales. Los metales contaminantes en los sedimentos suelen estar unidos a componentes diferentes de los que se encuentran en los minerales. Por eso, los conocimientos de biolixiviación de la minería solo se pueden aplicar parcialmente a la biolixiviación de sedimentos. Las bacterias con estas capacidades pertenecen a varios grupos, como Acidithiobacillus y Sulfobacillus. También hay arqueas que pueden hacer esto, como Sulfolobus y Ferroplasma acidiphilum.

Biorremediación de Contaminación por Colorantes: Aguas Más Limpias

Los colorantes son usados por muchas industrias, como la textil, la del cuero, la papelera y la alimenticia. Con el aumento de la población mundial, la producción textil sigue siendo una industria importante que usa mucha agua y produce aguas residuales muy contaminadas. Si estas aguas se liberan sin tratamiento, pueden causar un impacto ecológico grave. Se ha visto que el uso de colorantes sintéticos ha aumentado rápidamente en la industria textil porque son más baratos de producir y más estables. Además, se pueden crear muchos colores diferentes.

Sin embargo, los colorantes disueltos en el agua impiden que la luz del sol penetre (lo que afecta la fotosíntesis) e impiden el crecimiento de plantas y animales acuáticos al interferir con la disolución de gases. Aunque la mayoría de los colorantes son estables en el ambiente, algunos se descomponen o transforman en los sedimentos. Estos colorantes y sus productos de transformación pueden afectar la vida acuática y la salud humana a través del agua potable. Por eso, es importante saber qué pasa con los colorantes residuales y sus productos de descomposición en los ríos y sus sedimentos.

Mientras que los métodos tradicionales para tratar colorantes usan procesos químicos o físicos (como la oxidación química, la adsorción o la separación por membranas), los tratamientos que usan microorganismos para la biorremediación incluyen diversas bacterias, hongos y algas. La mayoría de las veces, lo hacen mediante biosorción, mientras que otros los absorben, acumulan o degradan.

Biorremediación en el Campo: De la Teoría a la Práctica

Uno de los objetivos de ciencias aplicadas como la biotecnología es llevar el conocimiento y los descubrimientos del laboratorio a aplicaciones reales. Este paso es a menudo difícil y no siempre se promueve en la ciencia. Sin embargo, la biotecnología busca ser aplicada para crear productos o brindar servicios.

En este sentido, la biorremediación está diseñada para ser aplicada en un lugar real con el fin de recuperar un área después de un evento de contaminación. Obviamente, llevar las investigaciones del laboratorio al campo es complicado, ya que las variables que no se pueden controlar en el campo pueden dificultar los experimentos y distorsionar los resultados.

A continuación, se describen las dos estrategias de biorremediación de suelos en el campo más usadas y que han dado mejores resultados.

Landfarming: Limpiando el Suelo en Capas

Esquema de un proceso de landfarming. Adaptado de EPA (1994)

El landfarming es un método para limpiar suelos contaminados con hidrocarburos del petróleo. Reduce la concentración de estos contaminantes tanto por evaporación como por biodegradación. Consiste en extender el suelo contaminado en una capa delgada sobre una superficie. Se favorece la actividad microbiana añadiendo oxígeno y/o nutrientes, minerales o aumentando la humedad. Generalmente, se usa un material aislante debajo para evitar que el contaminante se mueva al suelo de abajo.

Esta estrategia ha demostrado ser efectiva, pero como los hidrocarburos ligeros se eliminan por evaporación, las emisiones al aire deben controlarse para que la contaminación no solo se traslade del suelo al aire.

Implementar y diseñar esta estrategia es muy sencillo y tiene costos bajos (entre 30 y 60 dólares por tonelada). Sin embargo, no suele ser muy eficiente para suelos muy contaminados. Además, las emisiones de compuestos volátiles deberían ser recogidas y filtradas antes de liberarse a la atmósfera, lo que encarece el proceso. Este método se usó en un caso de contaminación masiva en Kuwait después de la Guerra del Golfo, logrando eliminar más del 80% de los contaminantes, aunque la mayor parte de la eliminación fue por evaporación debido a las altas temperaturas.

Biopilas: Montones de Suelo Contaminado

Esquema de un proceso de biorremediación utilizando biopilas Adaptado de EPA (1994).

La biorremediación con biopilas consiste en excavar el suelo contaminado y amontonarlo en "pilas" en un área de tratamiento específica. Esta área debe estar aislada del suelo circundante para evitar que el contaminante se filtre. En estas pilas, también se favorece la biodegradación microbiana mediante la aireación (mezclando o forzando el aire, y añadiendo materiales que aumentan la porosidad del suelo como astillas de madera), el agregado de nutrientes o el ajuste de la humedad. Estas pilas pueden cubrirse para aumentar la temperatura del suelo y mantener la humedad estable.

Comparada con el landfarming, esta técnica también es sencilla de diseñar y llevar a cabo. Tiene la ventaja de necesitar tiempos de tratamiento más cortos y un área de tratamiento mucho más pequeña. El costo promedio es similar al landfarming (entre 30 y 90 dólares por tonelada), pero al permitir sistemas cerrados que capturan los gases que se evaporan, se convierte en una opción más práctica y viable. Sin embargo, el uso de biopilas aún requiere tratar los elementos volátiles antes de liberarlos. Además, es difícil lograr porcentajes de eliminación superiores al 95%, ya que es común que algunos compuestos sean difíciles de degradar. La efectividad de la biopila dependerá de una combinación de: i) las condiciones climáticas (viento, nieve, temperatura), ii) las características del suelo (pH, cantidad de microorganismos, salinidad, humedad, nutrientes) y, iii) las características del contaminante (su capacidad de evaporarse, estructura, concentración y toxicidad).

Véase también

En inglés: Bioremediation Facts for Kids

• Fitorremediación
• Biodegradabilidad