Kitabı oku: «Las agrociencias como soporte a una producción agropecuaria sostenible»

Biorremediación ambiental: los microorganismos en el saneamiento del suelo

Alejandro Islas-García1

Resumen

LA DEGRADACIÓN QUÍMICA ES UNA de las causas principales del deterioro de suelos a nivel mundial, provocada, en principio, por diferentes actividades humanas, que generan residuos químicos vertidos intencional o accidentalmente en el ambiente. Los compuestos orgánicos, como hidrocarburos, plaguicidas, colorantes, y los compuestos clorados son contaminantes con propiedades tóxicas, persistentes y bioacumulativas, por lo que son necesarias acciones correctivas para mitigar sus efectos adversos. La biorremediación de suelos contaminados es una de las alternativas verdes y amigables con el ambiente, debido a que utiliza a los microrganismos para degradar los compuestos tóxicos orgánicos. La biodegradación de un contaminante es un proceso bioquímico complejo y su resultado dependerá de la interacción de factores ambientales fisicoquímicos y biológicos, que determinarán su eficiencia metabólica. Existen diversos géneros de microorganismos capaces de metabolizar compuestos orgánicos con estructuras químicas: biorremediadores, los cuales son las bacterias, levaduras y hongos. A su vez, los principales factores del suelo que limitan su efectividad son la estructura, el pH, temperatura, oxigenación, nutrientes, humedad y capacidad microbiológica de degradación. Para aplicar con éxito la biorremediación en el campo, es indispensable realizar pruebas iniciales, como caracterizar el suelo impactado y conducir experimentos de biofactibilidad y biodegradabilidad en el laboratorio; de esta manera, se precisará el tipo de acondicionamiento en el desarrollo microbiológico y se disminuirán los periodos de restauración del suelo contaminado. Los casos de éxito demuestran que esta tecnología microbiológica es una opción ambiental responsable en el tratamiento y disminución de sitios impactados con contaminantes orgánicos a nivel mundial.

Palabras clave: biorremediación, contaminantes orgánicos, biodegradación, suelo.

Abstract

Chemical degradation is one of the main sources of deterioration in soils worldwide, mainly caused by different human activities that generate chemical waste, accidentally or intentionally spilled into the environment. Organic compounds, such as hydrocarbons, pesticides, dyes, and chlorinated compounds are pollutants with toxic, persistent and bioaccumulative properties, so corrective actions are necessary to mitigate their adverse effects. The bioremediation of contaminated soils is one of the green and environmentally friendly alternatives because it uses microorganisms to perform the degradation of organic toxic compounds. The biodegradation of a contaminant is a complex biochemical process and its result will depend on the interaction between different physicochemical and biological environmental factors that will determine its metabolic efficiency. There is various genre of microorganisms capable of metabolizing organic compounds with different chemical structures; the main bioremediators are bacteria, yeasts and fungi. The main soil factors that limit effectiveness are structure, pH, temperature, oxygenation, nutrients, moisture and microbiological degradation capacity. For the application of bioremediation in the field it is essential to carry out initial tests to guarantee its success, such as characterizing the impacted soil and bioactivity and biodegradability experiments in the laboratory, this to determine the type of conditioning necessary for microbiological development and decrease the restoration periods of contaminated soil. Successful cases show that this microbiological technology is an environmentally responsible option for the treatment and reduction of sites impacted with organic pollutants worldwide.

Keywords: bioremediation, organic compounds, biodegradation, soil.

Introducción

La formación del suelo es un procedimiento complejo, en el que influyen procesos ambientales, fisicoquímicos y biológicos, que se conjuntan para que, en un periodo largo, se formen los perfiles de suelo característicos de cada ecosistema (Chinchilla et al., 2011). En contraste, la degradación causada por actividades humanas toma una parte de este tiempo y ocasiona la pérdida de biodiversidad, productividad biológica y capacidad de producir servicios y recursos para el ambiente y la humanidad (Emadodin y Bork, 2011).

La degradación química es una de las principales causas de deterioro en suelos a nivel mundial, provocada, en principio, por la industrialización y la agricultura. De igual modo, la deforestación y el sobrepastoreo tienen una destacada contribución (figura 1). Al respecto, Richmond (2015) menciona que, en el planeta, hay 240 Mha, degradadas a nivel químico por nutrientes (136 Mha), salinización (77 Mha), contaminación (21 Mha) y acidificación (6 Mha). Todas estas formas están vinculadas a algunas actividades humanas, como derrames accidentales, fugas, manejo inadecuado de residuos o aplicación directa de compuestos químicos. La degradación por contaminación se relaciona a compuestos inorgánicos (metales pesados y metaloides) y compuestos orgánicos (hidrocarburos, hidrocarburos aromáticos policíclicos, plaguicidas, colorantes y antibióticos, Saha et al., 2017).

Figura 1. Principales tipos y causas de degradación de suelos en el mundo

Fuente: datos tomados de Gruver (2013).

Las fuentes antropogénicas de contaminación del suelo son los productos y subproductos químicos utilizados en actividades industriales, desechos domésticos y municipales e incluyen aguas residuales, agroquímicos y productos derivados de la gasolina. Estos químicos se liberan al medio ambiente mediante derrames de petróleo, lixiviación de vertederos, uso de fertilizantes y pesticidas, irrigación con aguas residuales no tratadas o aplicación de aguas residuales en el suelo (Rodríguez-Eugenio et al., 2018).

De acuerdo con Duarte et al. (2018), existe una amplia gama de contaminantes orgánicos en el suelo, pero los más abundantes contienen hidrocarburos (alcanos, alquenos, cicloalcanos y benceno, tolueno, etilbenceno y xileno: BTEX), hidrocarburos aromáticos policíclicos (benzo[a]pireno, antraceno y fenantreno), compuestos clorados (bifenilos policlorados, dioxinas y furanos) y plaguicidas (atrazina, DDT, endosulfán, heptacloro, lindano, entre otros). Estos contaminantes orgánicos se caracterizan por ser tóxicos, persistentes, bioacumulativos y de fácil dispersión a larga distancia; razón por la cual algunos se anexan en la lista de compuestos orgánicos persistentes, establecidos por el Convenio de Estocolmo, en función de su eliminación y reducción de producción, utilización, importación, exportación y emisión al medio ambiente (Magulova y Priceputu, 2016).

La caracterización y localización de sitios contaminados están en ascenso alrededor del mundo. En el periodo de 1999 al 2012, se observó un aumento de 500 a 1500 publicaciones anuales referentes a la contaminación del suelo (Guo et al., 2014). Durante el 2013 al 2020, de acuerdo con la base de datos ScienceDirect, se divulgaron 4250 publicaciones relacionadas con la contaminación y el monitoreo del suelo; esto demuestra un incremento de 386 a 750 publicaciones al año en investigaciones sobre evaluación y remediación de suelos contaminados. Asimismo, estos trabajos crean mayor conciencia, en cuanto a la implementación de soluciones conjuntas para mitigar, desde los sectores sociales y gubernamentales, esta problemática de interés mundial.

Biorremediación microbiana del suelo

Las tecnologías de remediación de suelo se dividen en físicas, químicas y biológicas. Las físicas y químicas tienen como ventaja un menor tiempo requerido en la eliminación de los contaminantes de la matriz afectada; sin embargo, se corre el riesgo de que solo sean transferidos a otro medio o que los residuos generados requieran tratamientos posteriores que incrementan los costos del proceso (Xu y Lu, 2010). La remediación microbiológica es una tecnología utilizada en todos los continentes (excepto Antártida), porque es uno de los métodos preferidos en el tratamiento de áreas contaminadas. Se emplea en el 31 % de todas las metodologías de tratamiento ambiental y, junto con la fitorremediación, representa el 51 %, superior a metodologías químicas y físicas (Elekwachi et al., 2014). Asimismo, el mercado global y los servicios de estas tecnologías verdes tendrán un crecimiento del 8,3 % hasta el 2025, pero son métodos subutilizados y deberían ser más desarrollados, por ser amigables con el ambiente (Arora, 2018).

La remediación con microorganismos constituye una tecnología de tratamiento que incorpora contaminantes a los procesos bioquímicos de los organismos. Estos los metabolizan de forma aeróbica o anaeróbica hasta transformarlos en compuestos estables no tóxicos a un precio más accesible (Sarkar et al., 2005; Sales da Silva et al., 2020).

La biorremediación se basa en la capacidad de los microorganismos para descomponer contaminantes orgánicos, en presencia de condiciones ambientales óptimas, en el suministro equilibrado de nutrientes y en aceptores de electrones (Adams et al., 2015). Hay tres estrategias fundamentales en la biorremediación: atenuación natural, bioestimulación y bioaumentación (figura 2). En cada una, los microorganismos endógenos o exógenos, modificados o no genéticamente, participan en la degradación de los contaminantes orgánicos en el suelo, sea de manera activa (mediante estimulación) o de manera pasiva (sin estimulación). Los periodos de restauración del suelo contaminado son cortos cuando se adecuan sus condiciones o se utilizan microorganismos con mayor capacidad degradativa (Martínez-Álvarez et al., 2017; Aparicio et al., 2018). En cambio, la atenuación natural tiende a ser un proceso más lento, debido a que depende de la adaptación de los microorganismos a las condiciones del suelo sin intervención humana (Varjani y Upasani, 2019). Por lo tanto, no es suficiente en la remediación de sitios contaminados en un plazo razonable (Mulligan y Yong, 2004).

Figura 2. Estrategias de biorremediación

Fuente: autor.

Hay 160 géneros de microorganismos estudiados que se involucran en la remediación de contaminantes orgánicos, sean individuales o en consorcios, los cuales incluyen las siguientes bacterias, hongos y levaduras: Flavobacterium, Achromobacter, Rhodococcus, Micrococcus, Bacillus, Allescheria, Corynebacterium, Pseudomonas, Aeromonas, Acinetobacter y, en menos ocasiones, Mycobacterium, Aspergillus, Fusarium, Pleurotus, Mucor, Penicillium, Rhodotorula, Debaryomyces y Cándida. Las bacterias son más usadas que los hongos y las levaduras (Rahman et al., 2001; Vasudevan y Rajaram, 2001; Chikere et al., 2011; Kumar et al., 2018). Cabe destacar que la cantidad de microrganismos importantes identificados en la biorremediación aumenta cada año, lo que implica un incremento de publicaciones en el área; además, los estudios metagenómicos distinguen especies no cultivables.

Los contaminantes orgánicos más estudiados, con respecto a su biodegradación, son hidrocarburos y plaguicidas, porque son los mayores deterioradores de suelos a nivel mundial. Debido a lo anterior, existen diversos trabajos acerca de la identificación y seguimiento de comunidades microbianas implicadas en la biorremoción de estos y otros contaminantes orgánicos (cuadro 1). Estas investigaciones presentan los géneros o especies de microrganismos o consorcios involucrados. Los microorganismos empleados en los procesos de restauración de suelos son aerobios, anaerobios y metilotrofos, que, mediante diferentes caminos metabólicos, obtienen una fuente de carbono y energía por medio de contaminantes, como hidrocarburos aromáticos policíclicos, solventes clorados, explosivos, colorantes, bifenilos policlorados hidrocarburos y plaguicidas (Tomei y Daugulis, 2013).

Condiciones ambientales óptimas

Existen varios factores que limitan la efectividad y el éxito de un proceso de biorremediación: la disponibilidad del sustrato, temperatura, pH, oxígeno, humedad, porosidad del suelo, textura, permeabilidad, disponibilidad de los nutrientes como nitrógeno (N), fósforo (P), hierro (Fe) y las comunidades microbianas presentes en el suelo. Por ello, se deben conocer las características fisicoquímicas del sitio y la concentración del contaminante (Acuña et al., 2012). Además, es necesario determinar la población de microorganismos capaces de tolerar y usar el contaminante como fuente de energía; en este sentido, los organismos capaces de desarrollarse en presencia de hidrocarburos se denominan hidrocarburoclastas, mientras que los que crecen en plaguicidas reciben el nombre de plaguicidaclastas (Islas-García et al., 2015). Destaca la capacidad de los organismos para tomar dichos compuestos como fuente de carbono a concentraciones que no les son tóxicas.

Los nutrientes se clasifican en macronutrientes y micronutrientes; los primeros son compuestos requeridos en cantidades grandes y forman parte de las macromoléculas de las células, como carbohidratos, lípidos y ácidos nucleicos. Entre los macronutrientes principales se encuentran el N y P; por lo tanto, una limitación de estos resulta en la reducción de la actividad microbiana y su presencia es fundamental en la biorremediación. La cuantificación de N y P, junto con la materia orgánica (MO), es importante para precisar qué nutrientes presentan un déficit en el suelo, pues no permitirían el desarrollo adecuado de los microorganismos autóctonos o alóctonos que participan en la biorremediación.

Cuadro 1. Microorganismos involucrados en la biorremediación de contaminantes orgánicos en el suelo

Fuente: autor.

La MO es del 5 % del volumen total del suelo y es un factor clave en su dinámica y fertilidad, porque actúa sobre las propiedades físicas y químicas, mientras aporta nutrientes mediante la mineralización y su capacidad de cambio de cationes, los cuales funcionan como una reserva nutricional. A su vez, la MO opera sobre las propiedades biológicas, debido a que mantiene la actividad microbiana del suelo (Julca-Otiniano et al., 2006).

La estructura del suelo (granulometría y textura) suele afectar la entrada efectiva de aire, agua, nutriente y la movilidad del contaminante durante la biodegradación. Los suelos con partículas de mayor tamaño (arenas) son los más fáciles de tratar, porque favorecen la permeabilidad y difusión de oxígeno, mientras que un suelo con baja permeabilidad (limos y arcillas) impedirá los movimientos de agua, nutrientes y oxígeno, al formarse complejos húmicos que disminuyen la disponibilidad de microorganismos y la menor remediación y absorción de contaminantes (Vidali, 2001; Volke-Sepúlveda et al., 2005).

La humedad es un factor prioritario en el crecimiento y actividad biológica de los microorganismos que contribuyen a la biodegradación de contaminantes del suelo, esto debido a que el agua participa en diversos procesos metabólicos, al tiempo que funciona como solvente y portador de nutrientes (Choi et al., 2003; Fernández et al., 2006). Al respecto, Molina-Barahona et al. (2004) demostraron que este factor favorece el crecimiento de microorganismos degradadores, incluso si se mejoran los porcentajes de remoción en suelos contaminados; sin embargo, si se encuentra en exceso, disminuye el intercambio gaseoso a través del suelo.

Por su parte, el pH también afecta la solubilidad y disponibilidad de macro y micronutrientes en el suelo, así como la presencia de otros grupos de microorganismos; de modo que, en suelos ácidos, se favorece la presencia de hongos mientras que, en suelos alcalinos, es común encontrar bacterias (Volke-Sepúlveda et al., 2005).

La aireación en el proceso de biorremediación es fundamental, puesto que el oxígeno es el mejor aceptor de electrones. Por consiguiente, en un mismo substrato orgánico, los microorganismos, que emplean el oxígeno como agente oxidante, generan más energía que aquellos que usan nitratos, sulfatos u otros aceptores de electrones alternativos, para alcanzar una mayor velocidad, que implica un consumo superior del contaminante. Por lo tanto, la biorremediación aerobia es más eficiente que la biorremediación de contaminantes orgánicos en forma anaerobia (Gómez et al., 2008).

La temperatura óptima para desarrollar la actividad microbiana y la biorremediación se encuentra en el intervalo de 20-40 °C. La temperatura afecta las reacciones bioquímicas y la velocidad de degradación de los contaminantes, por lo que un incremento resulta útil. La degradación se duplica cuando la temperatura se incrementa en 10 °C, pero hacerlo en el campo implica un incremento en los costos del proceso. Por encima de los 40 °C, los microorganismos pueden morir, provocar cambios poblacionales en el suelo, desnaturalizar enzimas y proteínas, cuando decrece la biorremediación; por el contrario, con temperaturas menores a 7 °C se inhibe la biodegradación. Para mantener temperaturas adecuadas, se usan cubiertas de plástico, paja o restos de vegetación (Gómez et al., 2008; Sutar y Das, 2012).

Si se toma en cuenta que cada sitio contaminado tendrá suelos con características fisicoquímicas y biológicas particulares, el éxito de la biorremediación dependerá de los parámetros adecuados de los microorganismos degradadores y del tipo de contaminante. En el cuadro 2, se establecen las condiciones óptimas de temperatura, humedad, oxígeno, pH y nutrientes, para que los microorganismos biodegraden los hidrocarburos y plaguicidas, compuestos más estudiados a nivel mundial.

Cuadro 2. Requerimientos fisicoquímicos en la biorremediación de contaminantes orgánicos del suelo

Fuente: datos tomados de Gavrilescu (2005) y Sutar y Das (2012).

Biodegradación de contaminantes orgánicos

El fundamento bioquímico de la biorremediación se basa en que, en la cadena respiratoria o transportadora de electrones de las células, se producen reacciones de óxido-reducción, cuyo fin es la obtención de energía. La cadena se inicia con un sustrato orgánico (contaminantes orgánicos), que es externo a la célula y que es donador de electrones; de modo que la actividad metabólica de la célula degradada consume dicha sustancia. En condiciones aerobias, el oxígeno es el aceptor de electrones más usado por los microorganismos y, en las reacciones anaerobias, los nitratos, el hierro (III), los sulfatos y el dióxido de carbono son los aceptores principales (Maroto y Rogel, 2001).

La biodegradación de compuestos orgánicos en condiciones aeróbicas, tanto en bacterias como en hongos, está catalizada por enzimas oxidoreductasas e hidrolasas. Las bacterias usan enzimas monooxigenasas, dioxigenasas, deshidroclorinasa, fosfatasas e hidrolasas, entre otras (Das y Chandran, 2010; Lovecka et al., 2015; Kumar et al., 2018). Los hongos utilizan monooxigenasas, celulasas, xilanasas, manganeso peroxidasas y catalasas para metabolizar estos contaminantes (Govarthanan et al., 2017; Al-Hawash et al., 2018).