BIOREMEDIACIÓ: CARACTERÍSTIQUES, TIPUS, AVANTATGES I DESAVANTATGES - BIOLOGIA - 2025

La bioremediació és un conjunt de biotecnologies de sanejament ambiental que utilitzen les capacitats metabòliques de microorganismes bacterians, fongs, plantes i / o els seus enzims aïllades, per eliminar contaminants en sòls i aigües.

Els microorganismes (bacteris i fongs) i algunes plantes, poden biotransformar una gran varietat de compostos orgànics contaminants i tòxics, fins a fer-no nocius o innocus. Fins i tot poden biodegradar alguns compostos orgànics fins a les seves formes més simples, com metà (CH ₄) i diòxid de carboni (CO ₂).

Figura 1. Contaminació ambiental per vessament petrolier, posteriorment tractat amb biorremediación.Fuente: commons.wikimedia.org

També alguns microorganismes i plantes, poden extreure o immobilitzar en l'ambient (in situ) elements químics tòxics, com els metalls pesats. A l'immobilitzar la substància tòxica en l'ambient, aquesta deixa d'estar disponible per als organismes vius i per tant no els afecta.

Per això, la disminució de la biodisponibilitat d'una substància tòxica és també una forma de bioremediació, encara que no impliqui l'eliminació de la substància de l'mig.

Actualment hi ha un creixent interès científic i comercial a desenvolupar tecnologies econòmiques i de baix impacte ambiental (o "amigables amb l'ambient"), com la bioremediació d'aigües superficials, subterrànies, llots i sòls contaminats.

Característiques de la bioremediació

Contaminants que poden ser biorremediados

Entre els contaminants que han estat biorremediados, es troben els metalls pesants, substàncies radioactives, contaminants orgànics tòxics, substàncies explosives, compostos orgànics derivats de l'petroli (hidrocarburs poliaromàtics o HPAs), fenols, entre d'altres.

Condicions fisicoquímiques durant la bioremediació

A causa que els processos de bioremediació depenen de l'activitat de microorganismes i plantes vives o dels seus enzims aïllades, s'han de mantenir les condicions fisicoquímiques adequades per a cada organisme o sistema enzimàtic, amb l'objectiu d'optimitzar la seva activitat metabòlica en el procés de bioremediació.

Factors que han d'optimitzar i mantenir-se al llarg de l'procés de bioremediació

-La concentració i biodisponibilitat de l'contaminant sota les condicions ambientals: ja que si és massa alta pot ser perjudicial per als mateixos microorganismes que tenen la capacitat de biotransformarlos.

-La humitat: la disponibilitat d'aigua és fonamental per als organismes vius, així com per a l'activitat enzimàtica de catalitzadors biològics lliures de cèl·lules. Generalment s'ha de mantenir d'un 12 a un 25% d'humitat relativa en sòls en procés de bioremediació.

-La temperatura: ha de trobar-se en el rang que permeti la supervivència dels organismes aplicats i / o l'activitat enzimàtica requerida.

-Els nutrients biodisponibles: indispensables per al creixement i la multiplicació dels microorganismes d'interès. Principalment s'ha de controlar el carboni, fòsfor i nitrogen, així com alguns minerals essencials.

-La acidesa o alcalinitat de l'medi aquós o pH (mesura dels ions H ⁺ en el medi).

-La disponibilitat d'oxigen: en la majoria de les tècniques de bioremediació, s'utilitzen microorganismes aeròbics (per exemple en el compostatge, les biopiles i el "landfarming"), i la ventilació de l'substrat és necessària. No obstant això, poden utilitzar microorganismes anaeròbics en processos de bioremediació, sota condicions molt controlades en laboratori (usant bioreactors).

Tipus de bioremediació

Entre les biotecnologies de bioremediació aplicades es troben les següents:

bioestimulació

La bioestimulació consisteix en l'estimulació in situ d'aquells microorganismes ja presents en el medi que va ser contaminat (microorganismes autòctons), capaços de biorremediar la substància contaminant.

La bioestimulació in situ s'aconsegueix optimitzant les condicions fisicoquímiques perquè passi el procés desitjat, és a dir; el pH, oxigen, la humitat, temperatura, entre d'altres, i agregant els nutrients necessaris.

bioaugmentació

La bioaugmentació implica l'increment de la quantitat de microorganismes d'interès (preferiblement autòctons), gràcies a l'addició de les seves inòculs cultivats al laboratori.

Posteriorment, un cop inoculats els microorganismes d'interès in situ, s'han d'optimitzar les condicions fisicoquímiques (tal com en la bioestimulació), per promoure l'activitat degradadora dels microorganismes.

Per a l'aplicació de la bioaugmentació, s'han de considerar els costos de l'cultiu microbià en bioreactors al laboratori.

Tant la bioestimulació com la bioaugmentació, poden combinar-se amb totes les altres biotecnologies que a continuació es descriuen.

compostatge

El compostatge consisteix a barrejar el material contaminat amb sòl no contaminat complementat amb agents milloradors d'origen vegetal o animal, i nutrients. Aquesta barreja forma cons de fins a 3 m d'alçada, separats entre si.

S'ha de controlar l'oxigenació de les capes inferiors dels cons, a través del seu remoció regular d'un lloc a un altre amb maquinària. També s'han de mantenir les condicions òptimes d'humitat, temperatura, pH, nutrients, entre d'altres.

biopiles

La tècnica de bioremediació amb biopiles és igual a la de compostatge descrita anteriorment, excepte per:

• L'absència d'agents milloradors d'origen vegetal o animal.
• L'eliminació de la ventilació per moviment d'un lloc a un altre.

Les biopiles romanen fixes en un mateix lloc, sent airejades en les seves capes internes a través d'un sistema de canonades, els costos d'instal·lació, operació i manteniment han de ser considerats des de la fase de disseny de sistema.

Landfarming

La biotecnologia anomenada "landfarming" (traduït de l'anglès: llaurat de la terra), consisteix a barrejar el material contaminat (fangs o sediments) amb els primers 30 cm de sòl no contaminat d'un terreny extens.

En aquests primers centímetres de sòl la degradació de les substàncies contaminants és afavorida gràcies a la seva ventilació i barreja. Per a aquestes tasques s'utilitza maquinària agrícola, tal com els tractors d'arada.

El principal desavantatge de l'landfarming consisteix que requereix necessàriament grans extensions de terrenys, que podrien usar-se per a la producció d'aliments.

fitoremediació

La fitoremediació, també anomenada bioremediació assistida per microorganismes i plantes, és un conjunt de biotecnologies basades en la utilització de plantes i microorganismes per remenar, confinar o disminuir la toxicitat de substàncies contaminants en aigües superficials o subterrànies, llots i sòls.

Durant la fitoremediació pot ocórrer la degradació, extracció i / o estabilització (disminució de la biodisponibilitat) de l'contaminant. Aquests processos depenen de les interaccions entre les plantes i els microorganismes que habiten molt a prop de les seves arrels, en una zona denominada rizósfera.

Figura 2. Bioremediació d'aigües contaminades amb plantes i microorganismes. Font: Wikyhelper, from Wikimedia Commons

La fitoremediació ha estat especialment reeixida en la remoció de metalls pesants i substàncies radioactives de sòls i aigües superficials o subterrànies (o rizofiltració d'aigües contaminades).

En aquest cas, les plantes acumulen en els seus teixits els metalls de l'mig i després són collides i incinerades sota condicions controlades, de manera que el contaminant passa d'estar dispers en l'ambient, a ser concentrat en forma de cendres.

Les cendres obtingudes poden ser tractades per recuperar el metall (si és d'interès econòmic), o poden abandonar-se en llocs de disposició final de deixalles.

Un desavantatge de la fitoremediació és la manca de coneixement a profunditat de les interaccions que ocorren entre els organismes implicats (plantes, bacteris i possiblement fongs micorízics).

D'altra banda, s'han de mantenir condicions ambientals que satisfacin les necessitats de tots els organismes aplicats.

bioreactors

Els bioreactors són recipients de mida considerable, que permeten mantenir condicions fisicoquímiques molt controlades en mitjans de cultiu aquosos, amb l'objectiu d'afavorir un procés biològic d'interès.

En els bioreactors poden conrear-se, a gran escala i al laboratori, microorganismes bacterians i fongs per després aplicar-los en processos de bioaugmentació in situ. També poden conrear microorganismes amb l'interès d'obtenir els seus enzims degradadores de substàncies contaminants.

Els bioreactors s'utilitzen en processos de bioremediació ex situ, a l'barrejar el substrat contaminat amb el medi de cultiu microbià, afavorint la degradació de l'contaminant.

Els microorganismes cultivats en els bioreactors, poden fins i tot ser anaeròbics, en aquest cas, el mitjà de cultiu aquós ha de mancar d'oxigen dissolt.

Figura 3. Bioreactor. Font: es.m.wikipedia.org

Entre les biotecnologies de bioremediació, l'ús de bioreactors és relativament costós, a causa de el manteniment de l'equip i els requeriments per al cultiu microbià.

Micorremediación

S'anomena micorremediación a l'ús de microorganismes fúngics (fongs microscòpics), en processos de bioremediació d'una substància contaminant tòxica.

S'ha de considerar que el cultiu de fongs microscòpics sol ser més complex que el de bacteris i per tant implica majors costos. A més, els fongs creixen i es reprodueixen més lentament que els bacteris, sent llavors la bioremediació assistida per fongs un procés més lent.

Bioremediació versus tecnologies físiques i químiques convencionals

-Avantatges

Les biotecnologies de bioremediació són molt més econòmiques i amigables amb l'ambient que les tecnologies químiques i físiques de sanejament ambiental convencionalment aplicades.

Això vol dir que l'aplicació de la bioremediació té un menor impacte ambiental que les pràctiques fisicoquímiques convencionals.

D'altra banda, entre els microorganismes aplicats en processos de bioremediació, alguns poden arribar a mineralitzar els compostos contaminants, assegurant la seva desaparició de l'mig, una cosa difícil d'aconseguir en un sol pas amb els processos convencionals fisicoquímics.

-Desventajas i aspectes a considerar

Capacitats metabòliques microbianes existents a la natura

Atès que només s'ha aïllat l'1% dels microorganismes existents en la naturalesa, una limitació de la bioremediació és precisament la identificació de microorganismes capaços de biodegradar una substància contaminant específica.

Desconeixement de sistema aplicat

D'altra banda, en la bioremediació es treballa amb un sistema complex de dos o més organismes vius, que generalment no és completament conegut.

Alguns microorganismes estudiats han biotransformado els compostos contaminants en subproductes encara més tòxics. Per això, cal estudiar prèviament al laboratori els organismes biorremediadores i les seves interaccions a profunditat.

A més, s'han de fer proves pilot a petita escala (en camp) abans d'aplicar-los massivament, i finalment s'han de supervisar els processos de bioremediació in situ, per garantir que passi correctament el sanejament ambiental.

Extrapolació de resultats obtinguts al laboratori

A causa de l'alta complexitat dels sistemes biològics, no sempre es poden extrapolar els resultats obtinguts en petita escala al laboratori a processos en camp.

Particularitats de cada procés de bioremediació

Cada procés de bioremediació implica un disseny experimental específic, segons les condicions particulars de el lloc contaminat, el tipus de contaminant a tractar i els organismes a aplicar.

Cal llavors que aquests processos siguin dirigits per grups interdisciplinaris d'especialistes, entre els quals han de trobar biòlegs, químics, enginyers, entre d'altres.

El manteniment de les condicions fisicoquímiques ambientals per afavorir el creixement i l'activitat metabòlica d'interès, implica una tasca permanent durant el procés de bioremediació.

temps necessari

Finalment, els processos de bioremediació poden trigar més temps que els processos fisicoquímics convencionals.

referències

1. Adams, GO, Tawari-Fufeyin, P. Igelenyah, I. (2014). Bioremediation of Spent oil contaminated soils using poultry litter. Research Journal in Engineering and Applied Sciences3 (2) 124-130
2. Adams, O. (2015). «Bioremediation, Biostimulation and Bioaugmentation: A Review». Internation Journal of Environmental Bioremediation and Biodegredation. 3 (1): 28-39.
3. Boopathy, R. (2000). «Factors limiting bioremediation technologies». Bioresource Technology. 74: 63-7. doi: 10.1016 / S0960-8524 (99) 00.144-3.
4. Eweis JB, Ergas, SJ, Chang, DPY and Schoeder, D. (1999). Principis d'Biorrecuperación. McGraw-Hill Interamericana d'Espanya, Madrid. pp 296.
5. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA and Brock, T. (2015). Brock biology of Microorganisms. 14 ed. Benjamin Cummings. pp 1041.
6. McKinney, RE (2004). Environmental Pollution Control Microbiology. M. Dekker. pp 453.
7. Pilon-Smits E. 2005. Phytoremediation. Annu. Rev. Plant Biol. 56: 15-39.