Biorremediación, aplicaciones Biotecnológicas para el Medio Ambiente

La Biorremediación es una rama de la Biotecnología, tiene como aplicación contrarrestar algunos efectos de la contaminación urbana y rural.

Introducción

A manera de introducción al tema haremos un poco de prehistoria, sabemos gracias a las investigaciones realizadas por los geólogos, que la Tierra primitiva carecía de una atmosfera tal y como la conocemos ahora, por lo que los primeros organismos que la habitaron tuvieron que desarrollar mecanismos metabólicos en atmosferas anaeróbicas, es decir carentes de oxigeno, bajo condiciones de temperatura, pH, etc., que actualmente consideraramos como extremas.

Algunos de estos organismos, básicamente bacterias, lograron sobrevivir y mantener de forma estricta o facultativa estos metabolismos de supervivencia, y actualmente aún los encontramos presentes en lugares de la Tierra, que por sus condiciones de luz, temperatura, pH, etc., otros organismos no pueden sobrevivir, y esto que reciben el nombre de organismos extremofilos.

Los biólogos moleculares han estudiado a esto organismos para tratar de identificar como es que logran sobrevivir bajo estas condiciones, cuales son las rutas metabólicas que les permiten tener un intercambio de energía con el medio ambiente.

El conocimiento generado por las investigaciones anteriores ha llevado a los estudiosos ambientales a obtener algunas aplicaciones practicas de las propiedades de los organismos extremofilos, por ejemplo han sido utilizados como bioindicadores de contaminación, ya que la presencia de estos, es una manifestación clara de que las condiciones ambientales han cambiado y no son propicias para el desarrollo de especies nativas o autóctonas, como es el caso de algunos nematodos usados como bioindicadores de aguas contaminadas con hidrocarburos.

Pero la Tierra no solo es habitada por este tipo de organismos, como todos sabemos la presencia del hombre ha impactado el medio ambiente, especialmente por dos eventos:

• Revolución Industrial, que se han hecho patentes especialmente en las zonas urbanas por las grandes concentraciones de población

• Revolución verde, que consistió en un paquete tecnológico desarrollado y aplicado a partir de la década de los años 60´s del siglo pasado, cuyo objetivo fue incrementar la producción de alimentos a partir del uso de agroquímicos, afectando principalmente el medio ambiente rural.

Los problemas ambientales generados por las actividades económicas, tienen diferentes grados de complejidad, pero al margen de esto, las resoluciones a los mismos deben de ser considerados desde una perspectiva sustentable, para ser viables, como lo es el caso de la Biorremediación.

La Biorremediación surge como una rama de la biotecnología que busca resolver los problemas de contaminación mediante el uso de seres vivos (microorganismos y plantas) capaces de degradar compuestos que provocan desequilibrio en el medio ambiente, ya sea  suelo, sedimento, fango o mar.

La biodiversidad de este tipo de organismos ofrece muchos recursos para limpiar el medio ambiente, por lo que esta área está siendo objeto de intensa investigación.

Los procesos de Biorremediación se dividen en tres tipos:

• Degradación enzimática

• Remediación microbiana

• Fitorremediación

  • Fitoextracición

  • Rizofiltración

  • Fitoestabilización

  • Fitoestimulación

  • Fitovolatización

  • Fotodegradación

La primera de ellas la Degradación enzimática, consiste en emplear enzimas en sitios contaminados para degradar sustancias toxicas. Las enzimas se obtienen en procesos industriales por bacterias naturales o modificadas genéticamente. Las enzimas hidrolizan polímeros complejos que posteriormente terminan de ser degradados por microorganismos. Existen enzimas capaces de degradar compuestos sumamente tóxicos, ej. la enzima peroxidasa inicia la degradación de fenoles y aminas aromáticas presentes en aguas residuales de muchas industrias.

La Remediación microbiana, es mediante el uso directo de microorganismos, pueden ser autóctonos o provenir de otros ecosistemas, en cuyo caso deben ser agregados o inoculados. Ejemplo, bacterias y hongos que pueden degradar petróleo y sus derivados, benceno, tolueno, acetona, pesticidas, herbicidas, éteres, alcoholes simples, entre otros compuestos. Los metales pesados como uranio, cadmio y mercurio no son biodegradables, pero las bacterias pueden concentrarlos de tal manera de aislarlos para que sean eliminados más fácilmente.

La Fitorremediación ó Remediación con plantas, consiste en el uso de plantas para limpiar ambientes contaminados. Lo anterior se basa en el aprovechamiento de la capacidad algunas especies vegetales de absorber, acumular y/o tolerar altas concentraciones de contaminantes como metales pesados, compuestos orgánicos y radioactivos. Dadas las condiciones actuales de contaminación y a la biodiversidad de especies vegetales, esta es un área la Biotecnología que se encuentra en pleno desarrollo.

La utilización de plantas para remediar sitios contaminados, ya sea a nivel de mantos acuíferos o suelo, presenta la ventaja de ser tecnología de bajo costo, ya que las plantas actúan como bombas extractores, esto mismo permite que puedan ser usadas para descontaminar superficies grandes o bien actuar en la etapa final de descontaminación a largo plazo en áreas restringidas. También tienen ventaja en comparación con algunos organismos, ya que las plantas pueden tener procesos degradativos más rápidos.

Pero al igual que todas las tecnologías la Fitorremediación presenta limitantes, ya que el proceso se ve limitado en suelo y agua a la profundidad de desarrollo de raíces. Con respecto a otros métodos de descontaminación el tiempo del proceso puede ser muy prolongado.

Las plantas presentan diferentes mecanismos para incorporar las sustancias contaminantes en función de los órganos y procesos metabólicos empleados.

Durante la Fitoextracción, las plantas concentran metales como Cadmio, Cobalto, Cromo, Níquel, Mercurio, Plomo, Selenio y Zinc, en las partes cosechables (raíces y hojas).

En la Rizofiltración, las raíces de las plantas absorben de los efluentes líquidos contaminados, además de los metales arriba mencionados, isotopos radioactivos y compuestos fenoles, los cuales precipitan y concentran, además de contribuir a la degradación de compuestos orgánicos.

Las plantas que son tolerantes a ciertos metales presentes en aguas de desecho de yacimientos mineros, así como a fenoles y compuestos clorados, se usan en Fitoestabilización, con la finalidad de reducir la movilidad de los contaminantes impidiendo que lleguen a la atmósfera o aguas subterráneas.

Mediante la Fitoestimulación, se promueve el desarrollo de microorganismos degradativos como bacterias y hongos, para lo cual se les aplican exudados radiculares. Entre los contaminantes que pueden ser tratados mediante esta Biorremediación encuentran hidrocarburos derivados del petróleo.

El Mercurio, Selenio y los solventes clorados, pueden ser tratados por Fitovolatización, que es cuando las plantas captan y modifican estos contaminantes, liberándolos a la atmósfera mediante el proceso de transpiración.

También los campos con explosivos (TNT, DNT, RDX, Nitrobenceno y Nitrotolueno), pueden ser tratados exitosamente mediante la Fitorremediación, para esto ha sido de gran utilidad la Fitodegradación lograda por plantas acuáticas y terrestres, que tienen la capacidad de captar, almacenar y degradar compuestos orgánicos, metabolizándolos en subproductos no toxicos ó menos tóxicos. Mediante este procedimiento también se puede tratar otro tipo de contaminates como Atrazina, solventes clorados, DDT, pesticidas fosfatados, fenoles y nitrilos, entre otros.

A la fecha los investigadores han encontrado alrededor de 400 especies de plantas con la capacidad de acumular selectivamente determinadas sustancias. Entre ellas se menciona al Girasol (Heliantus anuus) que absorbe grandes cantidades el uranio en suelos, los Alamos (género Populus) absorben selectivamente níquel, cadmio y zinc y Arabidopsis thaliana que acumula cobre y zinc.

Además de las especies anteriores, se han hecho ensayos con otras plantas comunes que tienen el potencial de ser usadas en Fitorremediación, tal es el caso de alfalfa, mostaza, tomate, calabaza, esparto, sauce y bambú. Incluso existen gramíneas capaces de eliminar la alta salinidad del suelo, gracias a su capacidad para acumular el cloruro de sodio.

Como se puede apreciar los mecanismos de la fitorremediación pueden ser variados, ya sea que la planta procese al contaminante a través de su metabolismo o bien que tallos y raíces generan condiciones idóneas para el desarrollo de organismos que actúen directamente sobre los contaminantes.

El procedimiento de fitorremediación de un cuerpo de agua parte de la selección de la especie vegetal con capacidad natural o adquirida de extraer determinados contaminantes, pasado el tiempo necesario en que la planta ha realizado su trabajo, la biomasa cosechada puede ser incinerada o dársele otro tratamiento, cualquiera de los procedimientos serán determinados por el tipo de contaminante. El beneficio que se obtiene con esto, es sacar al contaminante de las cadenas tróficas.

Cuando el procedimiento de descontaminación va enfocado al tratamiento de metales, se llega a usar una combinación de fitorremediaciones como: fitoextracción, rizofiltración y fitoestabilización. Para el caso de compuestos de hidrocarburos la propuesta es combinar fitodegradación, rizofiltración y fitovolatización.

Las investigaciones en Ingeniería Genética han potencializado la capacidad natural de los organismos extremofilos que tienen aplicación en el campo de la biorremediación.

Consideremos la posible generación de plantas trasngenicas desarrolladas con genes de bacterias resistentes a metales u otros tipos de sustancias consideradas como contaminantes. Las investigaciones van enfocadas al aprovechamiento del gen merA presente en algunas bacterias actinomicetos, lo cual les confiere resistencia y capacidad de desintoxicación al mercurio. Este gen se encarga de codificar la ezima reductasa la cual cataliza la reducción del mercurio hasta una forma volátil y poco toxica. Un grupo de investigadores publicaron en Nature Biotechnology sus resultados al transferir el gen mera en cultivos de tejidos y plántulas de Liriodendro tulipifera logrando un crecimiento vigoroso en medios con altas concentraciones de iones mercurio el cual fue capatado y reducido por las plantas.

Los estudios con plantas herbáceas también han dado buenos resultados en el campo de la fitorremediación. En el centro de investigaciones Brookhaven National Laboratory han estado usando plantas de mostaza india (Brassica juncea) y de col (Brassica oleracea) para descontaminar terrenos que poseen un alto contenido de los isótopos radiactivos cesio-137 y estroncio-90. La Rizofiltración se esta aplicando en Asthabula, Ohio, EEUU.para la extracción de Uranio de aguas subterráneas.

Las aplicaciones biotecnológicas con microorganismos van desde el tratamiento de aguas para eliminar compuestos con fósforo, nitrógeno y azufre, hasta su implementación en diversos procesos de industrias petroquímicas, textil, procesamiento de celulosa y almidón, imprentas, químicas y mineras, para lo cual se están usando bacterias oxidantes.

La Biorremediación con microorganismos y plantas es considerada como una de las tecnologías con más desarrollo durante el presente siglo. Ya que aunque se encuentra en una etapa inicial, se ha venido incrementando rápidamente, y de acuerdo con los analistas su crecimiento anual en el mercado esta pronosticado en un 50%.

Las condiciones actuales de contaminación en todo el planeta crean cada día una mayor demanda de tecnologías consideras como limpias, económicas y accesibles, tal es el caso de la Biorremediación, lo que por su naturaleza le confiere sustentabilidad.

Ing. Agr. Norma Ordoñez

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