Biorremediación y tratamiento de efluentes (página 2)

5. Biorremediación de metales pesados

Otra importante área de contaminación es la que originan los metales pesados, en este caso el mecanismo bioquímico microbiano no es la degradación del átomo contaminante, sino que se produce un cambio en el estado de oxidación del metal para su detoxificación. Este cambio en el estado de oxidación permite seguir varias estrategias de biorremediación: a) El metal se vuelve menos soluble y precipita lo que hace que sea menos utilizado por los organismos del ambiente. b) Hace que se vuelva por el contrario más soluble por lo que puede ser removido por permeabilidad. c) Permite que pueda haber una volatilización del átomo. d) Hacerlo en si menos tóxico para los organismos del medio.

Ciclo biogeoquímico del Mercurio Aunque el mercurio es un elemento poco abundante en el ambiente natural, es un producto industrial de amplia utilización y es uno de los componentes activos de los plaguicidas introducidos en el agro y por ende en el medio ambiente. La minería de las minas de mercurio y la combustión de combustibles fósiles libera aprox. 40000 toneladas de mercurio al año. El mercurio está presente en tres estados de oxidación Hg0, Hg+ y Hg2+. El principal mineral de mercurio es el sulfato HgS, llamado cinabrio. La solubilidad de este es demasiada baja por lo que en ambientes anaerobios el mercurio esta en esta forma; pero debido a la aereación sufre una oxidación gracias a los tiobacilos, dando el ion mercurio, Hg2+.

Este Hg2+ es muy tóxico pero los microorganismos convierten el Hg2+ en mercurio elemental Hg0 detoxificandolo. Una reductasa NADP (codificada por plásmidos) asociada al Hg2+ cataliza la siguiente reacción. Hg2+ + NADP + H+ Þ Hg0 + 2H+ + NADP+

Se ha identificado una proteína periplásmica en Pseudomonas spp que atrapa el Hg2+. Ese ion es atrapado en una región de la proteína formada por dos residuos de cisteína formando R-S-Hg-S-R, posteriormente es transportado a través de la membrana plasmática donde es reducido a Hg0. Esto evita que el Hg2+ se incorpore a otros residuos de cisteina de otras proteínas lo que podría desnaturalizarlas provocando la muerte del microorganismo, razón por la cual se usa el mercurio de como antiséptico y desinfectante de heridas. Otras bacterias convierten el Hg2+ en metilmercurio y dimetilmercurio de alta tóxicidad, en esta metilación interviene la vitamina B12 como coenzima de la siguiente forma. Hg0 +CH3-B12 Þ CH3-Hg0metilmercurio CH3-Hg+ +CH3 Þ CH3-Hg-CH3dimetilmercurio El metilmercurio y dimetilmercurio son lipofílicos y se acumulan en los lípidos celulares.

6. Tratamiento De Efluentes

Las aguas residuales son materiales derivados de la actividad industrial y de los residuos domésticos, los cuales por razones de salud pública no pueden ser vertidas a los cursos de aguas corrientes o lagos. A pesar de las recomendaciones y ordenanzas en los últimos años los ambientes naturales han recibido un creciente aporte de efluentes industriales y domésticos que han llevado al deterioro de muchos cursos de agua haciéndolos incompatibles con la vida. Aquellos materiales tóxicos o indeseables deben ser tratados para hacerlos inocuos, los materiales inorgánicos como sedimentos u otros residuos pueden ser tratados por procesos fisico-químicos, pero los residuos con una carga orgánica importante deben sufrir un tratamiento microbiológico para su oxidación. El tratamiento de desechos generalmente involucra etapas múltiples de tratamiento físico y biológico. Tratamiento primario: Consiste en separaciones físicas, en la que el agua se hace pasar por una serie de mayas para eliminar residuos mayores y luego el efluente se deja asentar para permitir que los sólidos suspendidos sedimenten. Tratamiento secundario: Estos son procesos que reducen la demanda bioquímica de oxigeno (DBO) de los desechos originales antes de verterlos a los cursos de aguas, consta de los siguientes procesos. Proceso anaeróbico: Este proceso comprende procesos de digestión y fermentación básicamente realizada por bacterias. El resultado final es la producción de CO2 y CH4 con lo que se logra una disminución del contenido de sustancia orgánica. La descomposición anaeróbica se suele usar para el tratamiento de materiales con mucha sustancia orgánica insoluble como celulosa, fibra, etc.

El proceso puede ser resumido de la siguiente forma, (ver figura 1). 1) Digestión inicial de las macromoléculas por proteasas, polisacaridasas y lipasas extracelulares hasta sustancias solubles. 2) Fermentación de los materiales solubles hasta ácidos grasos. 3) Fermentación de los mismos a acetato, CO2 y H2. 4) Formación de CH4 a partir de H2, CO2 y acetato.

La formación de metano es llevada a cabo un grupo de microorganismos anaeróbicos obligados muy especializados, las bacterias metanogénicas, (en la tabla 3, se muestran los distintos grupos que pueden ser encontradas). Los procesos de descomposición operan en forma semicontinua en tanques cerrados llamados digestores de lodo, dentro de los cuales se introduce el material no tratado y del cual se retira el material ya tratado a intervalos. El tiempo de retención en el tanque puede ser de 2 semanas a un mes. Posteriormente el residuo sólido el cual está formado por material indigerible y masa bacteriana, se elimina periodicamente, se seca y luego se quema o se entierra. Proceso aeróbico: El sistema aeróbico de tratamiento más común es el llamado de lodos activados. Aquí, las aguas de desecho se mezclan y aerean en un gran tanque con el fin de acelerar el proceso de degradación. En estos ambientes se desarrollan hongos, bacterias formadoras de limo principalmente Zoogloea ramigera típica de este proceso y bacterias filamentosas. El tiempo de permanencia del residuo en los tanques de lodos activados es de 5 a 10 horas el cual es demasiado corto para la oxidación total del mismo. El proceso principal es la adsorción de los materiales solubles al material celular microbiano. Esto permite una reducción de la DBO del líquido (de 75 a 90%), pero la DBO general (líquido + sólido) se reduce muy poco. La gran reducción de la DBO se produce en el digestor anaeróbico, al cual se transfiere el agregado. Tratamiento terciario: Es un proceso de elevado costo económico que involucra un tratamiento fisico-químico que incluye filtración, precipitación y cloración lo que permite reducir los niveles de fosfatos y nitratos del efluente final. La calidad final de las aguas residuales es tal que no llega a sostener un desarrollo microbiano extensivo y en muchos casos se llega a bombear al suministro de agua algunas ciudades.

Tabla 3) Característica de las bacterias metanogénicas

7. Bibliografia consultada

Acea, M. L., and Alexander, M. 1988. "Growth and survival of bacteria introduced into carbon amended soil". Soil Biol. Biochem. 20:703-709. Alexander, M. 1977. Introduction to soil microbiology. Second edition. John Wiley and Sons, New York, NY. Archival, F. 1983. "Lactobacillus plantarum, An organism not requiring iron". FEMS Microbiol. Lett. 19:29-32. Atkinson, C. F., Jones, D. D. and Gauthier, J. J. 1996. "Biodegradabilities and microbial activities during composting of municipal solid waste in bench-scale reactors". Compost Science & Utilization 4(4):14-23. Atlas, R. M. 1981. "Microbial degradation of petroleum hydrocarbons: An environmental perspective." Microbiol. Rev. 45(1):180-209. Bahme, J. B., and Schroth, M. N. 1976. "Spatial-temporal colonization patterns of a rhizobacterium on underground organs of potato". Phytopathology 77:1093-1100. Bakker, A. W., and Schippers, B. 1987. "Microbial cyanide production in the rhizosphere in relation to potato yield reduction and Pseudomonas spp-mediated plant growth stimulation". Soil. Biol. Biochem. 19:451-457. Barr, D. P., Aust, S. D. 1992. "Mechanisms white rot fungi use to degrade pollutants".Environm. Sci. Technol. 28:79-78. Bashan, Y. 1986. "Migration of rhizosphere bacteria Azospirillum brasilense and Pseudomonas fluorescens towards wheat roots in the soil". J. Gen. Microbiol. 132:3404-3414. Becker, J. O., Hedges, R. W., Messens, E. 1985. "Inhibitory effects of pseudobactin on the uptake of iron by higher plants". Appl. Environ. Microbiol. 49:1090-1093. Berg, R. K., Loynachan, T. E, Zablotowics, R. M. and Lieberman, M.T. 1988. "Nodule occupancy by introduced Bradyrhoizobium japonicum in Iowa soil". Agron. J. 80:876-882. Boero, G. 1979. "Phosphatase activity and phosphorus availability in the rhizosphere of corn roots". In Soil Root Interface, ed. Harley and Russell, Londres, 23. Brock, T. D., Madigan, M. T.1991. Microbiologia. Sexta edición. Prentice Hall Inc. Brown, M. E. 1994. "Seed and root bacterizaction". Annu. Rev. Phytopathol. 12:181-197. Buddenhagen, L. M., Kelman, A. 1964 "Biological and physiological aspects of bacterial wilt caused by Pseudomonas solanacearum". Ann. Rev. Phyt. 2:203-230. Burr, T. J., Schroth, M. N., Suslow, T. 1978. "Increased potato yields by treatment of seedpieces with specific strains of Pseudomonas fluorescens and P. putida". Phytopatology 68:1377. Campbell, R. 1989. Biological Control of Microbial Plant Pathogens, Cambridge, Cambridge University Press, 218 pp. Chalutz, Edo 1990. "Postharvest biocontrol of green and blue mold and sour rot of citrus fruit by Debaryomyces hansenii". Plant Disease. 74(22):134-137. Cerniglia, C. E., Sutherland, J. B. Crow, S. 1992. "Metabolism of aromatic hydrocarbons". Winkelman (ed.) Microbial degradation of natural products, 193-217, Weinheim. Cook, R. J. 1986. "Plant health and the sustainability of agriculture, with especial reference to disease control by beneficial microorganisms". Biological Agriculture and Horticulturae. 3:211-232. Cook, R. J., Baker, K. F. 1983. The nature and practice of biological control of plant phatogens, St. Paul, Minn., American Phytopathological Soc., 539 pp. Crawford, S. L., Johnson, G. E. and Goetz, F. E. 1993. "The potential for bioremediation of soils containing PAHs by composting". Compost Science & Utilization 1 (3):41-47. de Weger, L. A., van der Vlught, C. I., Wijfjes, A. H., Bakker, P. A., Schippers, B., Lugtenberg, B. 1987. "Fagella of the plant-growth-stimulating Pseudomonas fluorescens strain are required for colonization of potato roots". J. Bacteriol. 169: 2769-2773. Eklund, E. 1970. "Secondary effect of some pseudomonads in rhizoplane of peat grown cucumber plants". Acta Agric. Scand. Suppl. 17:1-57. Elad, Y., Baker, R. 1985. "The Rol of competition for iron and carbon in suppression of chlamydospore germination of Fusarium sp. by Pseudomonas spp.". Ecol. Epidemiol. 75:1053-1059. Ferrari, M. D. 1996. "Biodegradación de hidrocarburos aromáticos policíclicos y su aplicación en la biorremediación de suelos y lodos contaminados". Revista Argentina de Microbiología 28:83-98. Frioni, L. 1990. Ecología Microbiana del Suelo. Dept. Publ. y Ediciones de la Univ. de la Rep. Montevideo, Uruguay. Gardner, J. M., Chandler, J. L. and Feldman, A. W. 1984. "Growth promotion and inhibition by antibiotic-producing fluorescent Pseudomonas on citrus root". Plant Soil. 77:103-113. Ganeshamurthy, A. N. 1998. "An evaluation of sulfur efficiency parameters in soybean and wheat cropping systems in relation to fertiliser sulfur on a Typic Hapluster". Aust. J. Agric. Res. 49:33-40. Ganeshamurthy, A. N. 1996. "Critical plant sulfur limit and effect of applied sulfur on grain and oil yields of soybean in Vertic Ustochrepts". J. Ind. Soc. Soil Sc. 44:290-294. Geels, F. P., Lamers, J. G., Hoekstra, O. and Schippers, B. 1986. "Potato plant response to seed tuber bacterization in the field in various rotations". Neth. J. Plant Pathol. 92:257-272. Gichuru, M. P. and Sanchez, P. A. 1988. "Phosphate rock fertilization in tilled and no-till low-input systems in the humid tropics". Agron. J. 80:943-947. Gill, P. R. and Warren, G. J. 1988. "An iron-antagonized fungistatic agent that is not required for iron assimilation from a fluorescent rhizosphere pseudomonad". J. Bacteriol. 170:163-170. Gutterson, N., Layton, T. J., Ziegle, J. S. and Warren, G. J. 1986. "Molecular cloning of genetics determinant for inhibition of fungal growth by a fluorescent Pseudomonad". J.Bacteriol. 165:696-703. Hayman, D. S. 1975. "Phopsphorus cycling by soil microorganisms and plant roots". In Soil Microbiology. N. Walker (ed.) Butterworths, Londres and Boston, 67-91. Honrubia, M. 1992. "Manual para Micorrizar Plantas en Viveros Forestales" Proyecto LUCDEME VIII. Monografía 54. Murcia-España. Hornby, D. 1990. Root Diseases. In: The Rhizosfhere, J. M. Linch (ed.), Chichester, England, John Wiley, 233-258. Howell, C. R., and Stipanovic, R. D. 1979. "Control of Rhizoctonia solani on cotton seedlings with Pseudomonas fluorescens and with an antibiotic produced by the bacyerium". Phytopathology 69:480-482. Howell, C. R., and Stipanovic, R. D. 1980. "Suppression of Pythium ultimatum- induced damping off of cotton seedlings by Pseudomonas fluorescens and its antibiotic pyoluterin". Phytopathology 70:712-715. Jacq, V., Dommergues, Y. R. 1970. "Sulfato-réduction rhizosphérique et spermatosphérique: influence de la densité apparente du sol". Acad. Agr. France, mayo, 511-519. Janisiewicz, W., Yourman, L., Roitman, J., Mahoney, N. 1991. "Postharvest control of blue and gray mold of apples and pears by dip treatment with Pyrrolnitrin, a metabolite of Pseudomonas cepacia". Plant Disease. 75(5):490-494. Julian, G., Cameron, H. J., Otsen, R. A. 1983. "Role of chelation by ortho dihydroxy phenols in iron absortion by plant roots". J. Plant Nutr. 6:163-175. Kiyohiko Nakasaki, Shigeki Fujiwara and Hiroshi Kubota. 1994. "A newly isolated thermophilic bacterium, Bacillus Licheniformis HA1 to accelerate the organic matter decomposition in high rate composting". Compost Science & Utilization 2(2):88-96. Kelman, A. 1976. "The relationship of pathogenicity in Pseudomonas solanacearum to colony appearance on a tetrazolium medium". Phytopatology 44(12):693-695. Klingmuller, W. (ed.) (1988) Risk Assessment for Deliberate Release, Berlin, Springer-verlag, 193 pp. Kloepper, J. W., Schroth, M. N., Miller, T. D. 1980. "Effects of rhizosphere colonization by plant growth-promoting rhizobacteria on potato plant development and yield". Phytopatology 70:1078-1082. Martins, O. M., Takatsu, A., Reifschneider, F. J. B. 1988. "Virulencia de biovares I e II de Pseudomonas solanacearum ao tomateiro". Fitopatologia Brasileira. 13(3):249-252. Matsumura, F. 1982. "Degradation of pesticides in the environment by microorganisms and sunlight". In: Biodegradation of Pesticides, F. Matsumura and C. Krishnamurti (eds.) Plenum Publish. Corp., NY, 67-87. Menzie, C. A.,Potocki, B. B., and J.Santodonato. 1992. "Exposure to carcinogenic PAHs in the environment". Environ. Sci. Technol. 26:1278-1284. Miller, M. H., Mitchell, W. A.M., Stypa, M. and Barry, D. A. 1987. "Effects of nutrient availability and subsoil bulk density on corn yield and nutrient absortion". Can. J. Soil Sci. 67:281-292. Misaghi, Y. J., Olsen, M. W., Cotty, J. P. and Donndelinger, C. R. 1988. "Fluorescent siderophore mediated iron deprivation- a contingent biological control mechanism. Soil Biol. Biochem. 20:573-574 Moletta René. 1993. "La digestion anaérobie du plus petit au plus grand". Biofutur – janvier. Morgan, P., and Watkinson, R.J. 1989. "Hydrocarbon Degradation in Soils and Methods for Soil Treatment". Critical Reviews in Biotechnology.8(4):305-333. Lethbridge, G. 1989. An industrial view of microbial inoculants for crop plants. In: Microbial Inoculation of Crop Plants, R. Campbell and R. M. MacDonald (eds.), Oxford, IRL Press, 11-28. Lin, W., Okon, Y. and Hardy, R. W. 1983. "Enhanced mineral uptake by Zea mays and Sorgum bicolor roots inoculated With Azospirillum Brasilense". Appl. Environ. Microbiol. 45:1775-1779. Loper, J. E., Buyer, J. S. 1991. "Siderophores in microbial interactions on plant surfaces". Mol. plant-Microbe Interact. 4:5-13. Lynch, J. M. 1988. "Biological control of plant diseases: Achievement and prospects. Brighton Crop Protection Conference- Pests and Diseases 1989, (2): 587-596. Okon, Y. and Hadar, Y. 1987. "Microbial Inoculants as Crop-Yield Enhancers. CRC Crit. Rev. Biotechnol. 6:61-85. Okon, Y., Fallik, E., Sarig, S., Yahalom, E. and Tal, S. 1988. "Plant growth promoting effects of Azospirillum. In: Nitrogen Fixation: Hundred Years After ( H. Botha, F. J. Bruijn and W. E. Newton, Eds.). Gustav Fischer, Stuttgart, West Germany, pp. 741-746. Orlando, J. A and Neilands, J. B. 1982. "Ferrichrome compounds as a source of iron for higher plants, p 123-129. In H. Kehl (ed.), Chemistry and biology of hidroxamic acids. S. Karger, Basel. O´Sullivan, D, J., and O´Gara, F. 1992. "Traits of fluorescent Pseudomonas spp. Involved in suppression of plant root pathogens".Microbiological Rev. 56(4):662-676. Palleroni, N. J., Kunisawa, R., Contopoulo, R. and Doudoroff, M. 1973. "Nucleic-acid homologies in geneus Pseudomonas". Int. J. Syst. Bacteriol. 23:333-339. Peixoto, A. R. 1997. "Controle biológico da murcha bacteriana do tomateiro por Pseudomonas spp. fluorecentes". Ciencia Rural. 27 (1):153-160. Powell, P. E., Szanislo, P. J., Cline, G. R. and Reid, C. P. P. 1982. "Hydroxamate siderophores in the iron nutrition of plants". J. Plant Nutr. 5:653-673. Racke, K. D.and Frink, C. R. 1989. "Fate of organic contaminants during sewage sludg composting". Bull. Environ. Contam. Toxicol. 42:526-533. Robbs, C. F. 1991. "Bactérias como agentes de controle biológico de fitopatógenos. In: BETTIOL, W. (Ed.). Controle Biológico de Plantas. Jaguariúna: EMBRAPA-CNPDA. 121-133. Sauchelli, V. 1965. "Phosphates in Agriculture", Reinhold, N. Y.. Seatz, L. F. and Turges, A. J. 1963. "Corn response to time and rate of phosphorus applications". Soil Sci. Soc. Am. Proc. 27:669-670. Senior, E. and Balba, M. T. M. 1990. "Refuse decomposition. In: Senior, E. (ed.) Microbiology of landfill sities. CRC Press, Boca Raton, FL, 18-57. Sneh, B., Dupler, M. and Baker, R. 1984. "Chlamydospore germination of Fusarium oxysporum f. sp. cucumerinum as affected by fluorescent and lytic bacteria from Fusarium suppressive soils". Phytopathology. 74:1115-1124. Suslow, T. V. and Schroth, M. N. 1982. "Rhizobacteria of sugarbeets: Effects of seed application and root colonization on yield". Phytopatology. 72:199-206. Suslow, T. V., Kloepper, J. W., Schroth, M. N. and Thomas, J. B. 1979. "Benefical bacteria enhance plant growth. Calif. Agric. 33:15-17. Tandon, H. L. 1991. "Sulfur Research and Agricultural Production in India". (The Sulfur Institute: Washington DC.). Thorneley, R. N. 1992. "New light on nitrogenase". Nature 360:532-533. Valo, R., and Salkijona-Salonene, M. 1986. "Bioreclamation of chlorophenol-contaminated soil by composting". Appl. Microbiol. Biotech. 25:68-75. Voisard, C., Kell, C., Kaas, D. and Defago, G. 1989. "Cyanide production by Pseudomonas fluorescens helps suppress black root rot of tobacco under gnotobiotic conditions". EMBO J. 8:351-358. Williams, R. T., and Keehan, K. R. 1993. "Hazardous and industrial waste composting". In Hoitink and Keener (Eds.), Science and Engineering of Composting: Desing, Environmental, Microbiological and Utilization Aspects. 363-381. Renaissance Publications, Worthington, Ohio. Weaver, R. W. and Frederick, L. R. 1974. "Effect of inoculum rate on competitive nodulation of Glycine max L. Merrill. II. Field studies". Agron. J. 66:233-236.

Resumen La biorremediación es una práctica que está tomando importancia a nivel mundial dado que el aumento de la actividad industrial está degradando cada vez más los ecosistemas naturales. El empleo de microorganismos conocidos para el tratamiento de desechos potencialmente tóxicos ya es una práctica habitual en países desarrollados. La biorremediación es una forma natural de degradación de compuestos químicos que se encuentran en la naturaleza y es la forma en que se reciclan los nutrientes en los ambientes naturales. Los derrames de hidrocarburos constituyen una amenaza para la vida, sin embargo existen en a naturaleza microorganismos capaces de metabolizarlos. Esta revisión intenta reunir a criterio del autor los principales aspectos de la biorremediación y su potencial en el tratamiento de desechos industriales. Palabras claves: Biorremediación, microorganismos, hidrocarburos, tratamientos de efluentes.

Autor:

Lic. Mauricio González Piana

(Biólogo especializado en microbiología)