Estrategias de biorremediación de hidrocarburos (página 2)

III. Tipo de biorremediación

III.a. Bioestimulación.

Un ejemplo de lo anterior son las investigaciones de Cunningham et al. (2001) en sedimentos de un acuífero en Seal Beach. California, EUA. contaminados con: benceno, tolueno, etilbenceno y xileno (BTEX). Los sedimentos se enriquecieron con nitrato y/ó sulfato + nitrato. El nitrato y el sulfato estimularon la mineralización d benceno; pero el sulfato en aerobiosis no en el caso del etilibenceno, y en anaerobiosis sí. (Cunningham et al., 2000, 2001); Margesin y Schinner (2001) enriquecieron con nutrientes esenciales (N-P-K: 15-15-15) un suelo podzolico alpino contaminado con diesel y lo compararon contra la mineralización del diesel en el suelo durante 3 veranos. Donde los autores reportaron contra la mineralización del diesel en el suelo con nutriente se redujo en un 50 ± 4% y sin nutrientes en un 30± 2%. Pruebas de eliminación con diversos HC contaminantes in Vitro demuestran la capacidad mineralizadora de los consorcios microbianos.

Passman et al. (2001) investigaron el efecto del enriquecimiento con nutrientes esenciales sobre la oxidación de gasolina por un consorcio microbiano a nivel de microcosmos. Los autores reportaron una disminución del 67% aproximadamente de los compuestos oxigenados de la gasolina comparado con el control el cual no contenía nutrientes, y una transformación de isoparafinas y/o parafinas a alquilparafianas.

Vinas et al., (2002) aislaron 3 consorcios microbianos degradadores de: petróleo residual (F1AA); de diesel (TD) y de una mezcla de aromáticos policíclicos (AM) de un suelo. En las pruebas in Vitro se demostró que la fracción saturada se degradó en un 60% por F1AA; en un 48% con TD y en un 34% con AM, en función de la fuente de carbono aplicada en el enriquecimiento. Los consorcios F1AA y TD eliminaron al 100% los n-alcanos y los ramificados, la AM eliminó solo el 9%. La efectividad de la biorremediación en la fracción poliaromática fue de 19% por los AM, de un 11% con TD, y de un 7% por F1AA. Lo que indica diversa capacidad biológica en la biota para eliminar HC.

Riis, 1995 evaluó la capacidad de mineralización de consorcios microbianos aislados de suelos contaminados y sin contaminar enriquecidos con nutrientes esenciales en 5 productos refinados y 4 aceites minerales in Vitro. El diesel se mineralizó en un 95%, los refinados de alto punto de ebullición y los extraídos de suelo contaminado se degradaron entre 40-60% con respecto al control sin nutrientes.

Ghazali et al., (2004) investigaron la biorremediación in Vitro de un suelo contaminado con diesel, petróleo crudo y aceite de motor, por mezclas de bacterias degradadotas de HC [C]:3 bacterias y C2:6 baterías, enriquecidas con nutrientes. La mezcla C2 de Bacillus y Pseudomonas spp., fue más eficiente en la remoción de alcanos de cadena media y larga, y los autores reportaron la mineralización del 100% de alcanos a los 30 días del tratamiento comparado con la mezcla C1.

Capella et al., (2001) investigaron la biorremediación de HC por un consorcio microbiano nativo a nivel de biorreactor en cultivo por lote. La concentración de HC totales se redujo en un 70% con respecto al control sin solución mineral. Los HC saturados y aromáticos fueron degradados en un 70 y 60% respectivamente.

Se han aislado microorganismos de los ambientes naturales, que en cultivo axénico y el enriquecimiento con soluciones minerales se estimula su capacidad degradativa para eliminar ciertos contaminantes, como lo demuestran los reportes de investigaciones in Vitro de: Palittapongampim et al., (1998) investigaron la capacidad degradativa de 5 microorganismos: 3 bacterias y 2 levaduras, aislados de un suelo agrícola contaminado con petróleo crudo ligero, en un medio mineral con aceite crudo (0.5% v/v) como fuente de carbono. De los aislados Candida tropicales 15Y, redujo en un 87.3% la concentración del petróleo total y en un 99.6% la de n-alcanos en 7 días a 25.2°C.

La inoculación de Rhodococcus y Pseudomonas a un medio mineral, combustible y diesel aumentó la mineralización de estos contaminantes. Sin embargo el incremento en el número de microorganismos, no estimuló la mineralización, lo que indica que la estabilidad de las poblaciones depende del tipo de microorganismos que lo compone. (Baryshnikoba et al., 2001).

III.b Bioaumentación.

Estrategia de biorremediación en la cual se inoculan en suelo y/ó agua microorganismos autóctonos ó modificados por ingeniería genética que mineralizan HC, estimulados por el enriquecimiento con nutrientes esenciales. L actividad de los microorganismos inoculados depende de factores abióticos como: el pH, la temperatura, la solubilidad, la concentración y complejidad de los HC y de los nutrientes, y de factores bióticos como: la depredación, el parasitismo y la competencia por la población microbiana nativa, que disminuye la densidad de la microbiota introducida (Walter, 1997). Ejemplo de lo anterior son las investigaciones en suelos agrícolas contaminados con diesel a donde se adicionaron microorganismos de la composta y d lodos activados, los cuales incrementaron la mineralización de diesel (Namkoong et al., 2002). Pruebas con diversos HC contaminantes in Vitro demuestran la capacidad mineralizadora de los consorcios microbianos nativos. Singer et al., (2000) investigaron el efecto de la inoculación de 2 especies bacterianas primero cultivadas en carvona, ácido salicílico y detergente, en la biorremediación de un suelo contaminado con bifenilos policlorados (BPC), el resultado fue la degradación de los BPC en un 55-59% con respecto al suelo control sin inocular bacterias. Lucas et al., (2003), investigaron la biodegradación natural de gas en un suelo antártico por bioaumentación y bioestimulación de la microbiota nativa in Vitro. La primera con la cepa psicrotolerante (B-2-2), la cual mineralizó los HC en un 75%. El enriquecimiento con nitrógeno y fósforo a altas concentraciones inhibió el crecimiento microbiano. Los resultados demuestran que la biota nativa del suelo antártico tiene la capacidad de degradar algunos componentes del contaminante y que la bioaumentación es una estrategia factible para mejorar la biorremediación.

Gallego et al., (2003) estudiaron la degradación de una mezcla de: 2-clorofenol, fenol y m-cresol por cultivos axénicos y mezclas de microorganismos nativos en un biorreactor por cultivo en lote y continuo. Los HC individuales se mineralizaron al 100% por los cultivos axénicos a las 27h., la mezcla de 2-clorofenol (100mg/l-1), fenol (50mg/1-1), y m-cresol (50mg/1-1), fue mineralizada por el consorcio microbiano en un 99.8% en el reactor por lote y continuo a las 36h. lo que indica que la mineralización los contaminantes fue debido a la actividad concertada de los diferentes microorganismos del consorcio.

IV. Factores que influyen en la biorremediación

IV.a. Concentración de los hidrocarburos

Un factor fundamental limitante es la concentración de los productos contaminantes de los HC en aguas y suelos. Su elevada concentración impide la actividad de la microbiota nativa (Admón. et al., 2001), y es por tanto necesario una remoción mecánica, sin la cual no es posible realizar ninguna operación por vía biológica.

Cuando no se realiza la remoción mecánica no se logra resultados positivos como los que reportaron Seklemova et al., (2001) al estudiar el efecto del enriquecimiento con nutrientes minerales sobre la actividad mineralizadora de la microbiota nativa, en un suelo forestal contaminado con diesel a concentración de: 6000 mg/kg-1 , 4000 mg/kg-1 y 2000 mg/kg-1. La falta de resultados indica que la solución mineral no fue suficiente para estimular la mineralización de los HC por la alta concentración de los productos de los HC que inhibió la actividad metabólica.

Ijah y Antai evaluaron el efecto de diferentes concentraciones: 10, 20, 30, 40% v/w de petróleo crudo ligero nigeriano (PCLN) derramado en un suelo agrícola. La población bacteriana disminuyó con el aumento en la concentración del petróleo. La degradación de los productos de los HC fue de 26.7-13.3% después de 16 días. En el suelo contaminado con PCLN a concentración de 10% y 20% los productos de los HC se mineralizaron rápidamente, al 30% ligeramente. Mientras que a concentración del 40% fue mínima su mineralización en 12 meses.

IV.b. Solubilidad de los hidrocarburos

Otro factor que limita la mineralización de los productos los HC es la solubilidad de sus componentes. Por ello se recomienda detergentes químicos y biológicos que al reducir la tensión superficial, aumentan la solubilidad de los productos tóxicos de los HC y su disposición para su mineralización por la microbiota nativa. Un ejemplo es el reportado por Moran et al., (2000), donde evaluaron el efecto de minerales esenciales y un detergente en la degradación de HC por la biota nativa de un suelo agrícola a nivel matraz y reportan que los minerales y el detergente estimularon la mineralización natural de los productos de los HC de tipo alifácticos en un 35.5% y en el caso de los aromáticos en un 41%. El detergente facilito la degradación de alcanos de cadena larga.

IV.c. Concentración de nutrientes en la estimulación de la actividad biológica natural.

Los HC son una fuente importante de carbono y energía para la microbiota nativa, sin embargo la concentración de otros nutrientes (nitrógeno y fósforo) para estimular el crecimiento microbiano es mínima (Prince et al., 2002). La alta concentración de carbono en suelos y aguas contaminados por HC disminuyen la disponibilidad de nutrientes inorgánicos rápidamente (Margesin et al., 1999), y en consecuencia la actividad mineralizadora del consorcio microbiano. Una estrategia para equilibrar la concentración de nutrientes y estimular la mineralización de los HC por la biota nativa es la bioestimulación (Trinidade et al., 1990).

IV.d. Disponibilidad de oxígeno.

La degradación de productos de los HC por consorcios microbianos y hongos se lleva a cabo por oxidación de los contaminantes por oxigenasas dependientes de oxigeno molecular, por lo que un factor crítico limitante en la biorremediación de los productos contaminantes de los HC es la disponibilidad de oxígeno (Leía and Colwell, 1990). Su solubilidad en el agua es baja (8mg/l), ya que la oxidación de 1 litro de HC disminuye drásticamente su concentración en 385,000 -400,000 lts de agua (Atrás, 1997). En acuíferos contaminados con productos de HC, la adición de oxígeno "in siuo" se realiza con difusores de aireación forzada.

Jamison et al., 1975, utilizaron este tipo de aireación en un suministro de agua subterránea contaminada con gasolina. El enriquecimiento con nutrientes esenciales, sin aireación, no estimuló la degradación de los HC, En cambio, el enriquecimiento con nutrientes y oxígeno, favoreció la eliminación de hasta 1000 barriles de gasolina (Atrás, 1997).

Otra forma de superar las limitaciones de oxígeno es aplicar peróxido de hidrógeno (H2O2); siete veces más soluble que el oxigeno molecular, Un mol de H2O2 equivale aproximadamente a 0.5 moles de O2. Su hidrólisis libera oxígeno y estimula la actividad microbiana de oxidación de productos de HC. Berwangen y Barrer investigaron el efecto del H2O2 como fuente de oxígeno en la biorremediación "in situ" de aguas subterráneas saturadas con metano. El H2O2 estimuló la actividad biológica aerobia y la mineralización de benceno, tolueno, etibenceno y o-, m- y p- xileno por la biota nativa (Atlas, 1997). En otro estudio, Barenschece et al., observaron que los productos de los HC del diesel de un suelo contaminado se degradaron entre 4 y 7 veces más rápido cuando se añadió H2O2, que con nitrato como fuente de O2. La adición de H2O2 incrementó el número de microorganismos aerobios degradadores de los productos de HC, medido por la producción de CO2 y la disminución de la concentración de los HC en un 70-80% (Atlas, 1997).

De manera general la biorremediación considera las siguientes estrategias para resolver el problema de contaminación ambiental por HC (Vogel, 1996. Walter, 1997, Dua 2002).

V. Aplicaciones de la biorremediación

V.a. Biorremediación in situ.

El suelo y agua contaminados con HC es tratado en el sitio lo que implica: el enriquecimiento con nutrientes esenciales, cambio de la humedad y suplir la demanda de oxígeno para estimular el metabolismo de los HC por la microbiota nativa. Se tratan extensiones de suelo con un mínimo de transporte.

Tratamientos de biorremediación in situ en donde la oxigenación es clave para la eliminación de los HC.

2. Bioventilación o "bioventing". En este caso se realiza una aireación forzada mediante el enriquecimiento de nutrientes y la inyección de aire en la zona no saturada del suelo o el agua subtèrranea a través de pozos de inyección. La mineralización de los HC depende del enriquecimiento con minerales que estimulan la actividad oxidativa de de la microbiota nativa de cada sitio, requiere de un aumento en la disponibilidad de oxigeno, así como la volatilización de los HC. Una alta concentración de arcilla y la solubilidad de los HC son factores que limitan su utilización, pero no en aguas superficiales ni subtèrraneas
3. Bioaspersión "biosparging". En esta estrategia inyecta aire bajo presión, lo que aumenta la concentración de oxígeno y se enriquece el suelo y/o el agua contaminados con minerales, lo que favorece la mineralización de los HC por los microorganismos nativos. La bioaspersión es viable en amientes contaminados con diesel, gasolina etc., en el caso de aceites lubricantes su degradación por la microbiota nativa es más lenta. Es una técnica de bajo costo y adaptable en su diseño construcción a los diferentes suelos y aguas contaminadas.

V.b. Biorremediación ex situ. El agua y/ó suelo contaminados por HC se extraen y transportan a otros sitios o a un reactor en el laboratorio. Se enriquecen con nutrientes para estimular la mineralización de los HC por la microbiota nativa, con la adición de detergente y oxigeno (Brubaker, 1995).

Tratamientos de biorremediación ex situ

2. Practicas culturales "landfarming". Es una técnica en la cual el suelo contaminado con HC es removido y colocado sobre una capa de suelo no contaminado enriquecido con nutrientes minerales. Los dos suelos son mezclados periódicamente para favorecer la oxigenación y la mineralización de los HC por los consorcios microbianos nativos.
3. Compostaje. El suelo contaminado es removido y mezclado con residuos orgánicos agrícolas o estiércol animal. Estos residuos orgánicos ricos en una diversa microbiota facilitan la mineralización de los HC.
4. Biopilas. Se forman con suelo contaminado y materia orgánica (composta) que se someten a aireación de manera continua, girando la pila ó de forma pasiva por tubos perforados; el enriquecimiento con nutrientes se realiza con fertilizante, estiércol o composta. Se enriquece con paja o astillas de madera para aumentar la permeabilidad y porosidad del suelo. Este método es utilizado en zonas limitadas de terreno.
5. Biorreactores. Son sistemas cerrados donde se puede optimizar la temperatura, la concentración de minerlaes y de HC para la oxidación de los HC por los microorganismos nativos estimulada por la adición de nutrientes esenciales, detergente, y oxigenación (Brubaker, 1995). Este método reduce la dispersión de los microorganismos y de los productos de degradación y su mineralización rápida. En los birreactores el metabolismo de los microorganismos es más eficaz en términos de control, peor más costoso en términos de construcción y operación (Levin y Gealt, 1997).

VI. Conclusión

La biorremediación es una alternativa de restauración ambiental que se recomienda para eliminar mezclas de HC, que requiere de una acción integral de factores fisicoquímicos y biológicos, no es una estrategia simple ni barata, sin embargo la inversión en tiempo y dinero para la conservación de los ambientes naturales vale la pena.

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Agradecimientos.

Al proyecto 2.7 (2006-2007 )de la CIC-UMSNH el apoyo a esta investigación, a SUMA del estado de Michoacán, a COSUSTENTA y V Phytoorganic por las facilidades.

Se dedica este trabajo: a mis estudiantes de La UANL, U de G, y CONALEP, a mi padre JM SanchezMarin.

Autor:

Sánchez-Yáñez, Juan Manuel

Microbiología Ambiental Instituto de Investigaciones Químico Biológicas (*autor correspondiente syanez[arroba]umich.mx)). Ed. B-3., CU. Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Morelia, Mich, México.