Biorremediación: Conceptos y Aplicaciones en la Descontaminación Ambiental

Biorremediación: Concepto y Factores Clave

La biorremediación es la utilización de organismos vivos para reducir o eliminar riesgos medioambientales debido a la acumulación de compuestos tóxicos o residuos peligrosos.

Factores que Influyen en la Biorremediación:

• Propiedades del contaminante: Como su biodegradabilidad.
• Presencia de microorganismos adecuados: Ya sean autóctonos del medio o añadidos al ecosistema.
• Disponibilidad del contaminante: Accesibilidad para los organismos.
• Naturaleza físico-química del medio contaminado: pH, temperatura, humedad, etc.
• Toxicidad: Afecta la capacidad del organismo para asimilar el contaminante.

Tipos de Biorremediación

Según la Comunidad Bacteriana Implicada:

• Biorremediación natural: Realizada por organismos autóctonos del medio afectado, puede ser aerobia o anaerobia.
• Bioestimulación: Se introducen modificaciones en el medio, como el aporte de nutrientes o aire, para potenciar la biorremediación natural.
• Bioaumentación: Se introducen microorganismos especializados al medio contaminado.

Según el Lugar de Aplicación:

• In situ: La biorremediación se realiza directamente en el lugar contaminado.
• Ex situ: Se extrae la tierra o el agua contaminada para tratarla en otro lugar.
• Combinado: Una mezcla de ambas estrategias.

Mecanismos Complementarios en Biorremediación

Cometabolismo

Implica enzimas al inicio de una ruta metabólica que no son específicas, por lo que pueden degradar distintos compuestos contaminantes. Un ejemplo son las oxigenasas implicadas en la degradación aerobia de hidrocarburos.

Sintrofismo

Es la acción conjunta de varios microorganismos sobre un sustrato para degradarlo, combinando sus actividades metabólicas.

Biorremediación de Metales Pesados

Los metales pesados son especies químicas no biodegradables que, a partir de bajas concentraciones, son tóxicos. Sin embargo, pueden cambiar de estado de oxidación por las condiciones físico-químicas del medio. Los microorganismos actúan según el estado de oxidación y los compuestos que formen el metal.

La interacción con metales pesados puede resultar en:

• Movilización del metal: Por ejemplo, mediante biolixiviación.
• Inmovilización del metal: A través de biomineralización, bioadsorción o secuestro.
• Transformación del metal: Mediante biotransformación.

Mecanismos de Biorremediación de Metales Pesados:

• Bioadsorción: Los metales se adsorben pasivamente sobre componentes de la pared celular o sobre exopolisacáridos. Es un proceso reversible, no afectado por inhibidores del metabolismo, pero sí por las condiciones físico-químicas.
• Secuestro intracelular: Implica un sistema de transporte de membrana que introduce el metal pesado del entorno celular con gasto de energía, secuestrándolo en el citoplasma por proteínas específicas o en vacuolas (en el caso de hongos).
• Biomineralización: Precipitación de metales, ya sea porque una bomba expulsa el metal tóxico al exterior celular y hay un flujo de H+ hacia el interior, o porque se forman sulfuros o fosfatos que favorecen la precipitación del metal.
• Biotransformación: Cambio químico en el metal pesado (en su estado de oxidación o metilación), mediado por enzimas microbianas.

Biorremediación de Vertidos de Petróleo

El petróleo es una mezcla natural de hidrocarburos que incluye saturados alifáticos o alicíclicos, hidrocarburos aromáticos ciclados como el benceno, asfaltenos y resinas complejas.

Microorganismos que Degradan Petróleo:

• Bacterias no hidrocarbonoclásticas no específicas: Degradan hidrocarburos, azúcares y aminoácidos en el suelo (ej. Pseudomonas) o en agua marina (ej. Vibrio).
• Bacterias hidrocarbonoclásticas específicas: Solo degradan hidrocarburos, son marinas (ej. Cycloclasticus).

Degradación Aerobia de Hidrocarburos:

• Degradación de alcanos: Estos pasan a ácidos grasos. Los grupos metilo terminales se oxidan de forma progresiva. La monooxigenasa es la enzima que introduce un hidroxilo a partir de oxígeno y reduce otro átomo de oxígeno a agua, finalizando en la beta-oxidación de los ácidos grasos formados.
• Degradación de compuestos aromáticos: Moléculas muy estables. Se introducen uno o dos grupos OH por monooxigenasas, hidroxilasas o dioxigenasas, dando una estructura menos estable que es atacada por una segunda dioxigenasa y se metaboliza mediante el ciclo de Krebs.

Degradación Anaerobia de Hidrocarburos:

Es más lenta que la degradación aerobia.

• Alcanos: En bacterias desnitrificantes y sulfatorreductoras por respiración anaerobia, pueden existir rutas diferentes a la beta-oxidación del ácido graso.
• Compuestos aromáticos: En bacterias desnitrificantes y sulfatorreductoras por respiración anaerobia. En el caso del tolueno, se activa para pasar a acetil-CoA y entrar al ciclo de Krebs.

Biorremediación de Xenobióticos

Los xenobióticos son compuestos químicos no naturales derivados de la industria, como los derivados aromáticos clorados y nitrogenados. Son escasamente biodegradables debido a su estructura, toxicidad y persistencia, lo que lleva a su acumulación.

Mecanismos de Deshalogenación:

• Oxidativa: El halógeno se elimina y se reemplaza por iones hidroxilo.
• Hidrolítica: El halógeno se sustituye por un ion hidroxilo.
• Reductiva: El halógeno se reemplaza por un hidrógeno.

Fitorremediación: Uso de Plantas para la Descontaminación

La fitorremediación es el empleo de plantas para eliminar, degradar o contener contaminantes en suelos, aguas, etc.

Mecanismos de Fitorremediación:

• Fitoestabilización: El compuesto se adsorbe o precipita en las raíces por microorganismos asociados a estas.
• Fitoextracción: El contaminante se absorbe y almacena en raíces, tallos u hojas.
• Fitodegradación: El contaminante se transforma en otro compuesto propio de la planta.
• Fitovolatilización: El contaminante es absorbido por la planta y liberado a la atmósfera en forma volátil.

Estas técnicas son no destructivas, pasivas, de bajo coste, beneficiosas para el suelo y pueden servir para combatir la polución.

Tecnologías Limpias y Sostenibilidad Ambiental

Tecnologías Limpias: Reducción de la Contaminación en Origen

Las tecnologías limpias permiten eliminar o reducir la contaminación en su origen mediante:

• Cambios en los procesos: Sustitución de métodos químicos por enzimas o microorganismos.
• Producción de materiales sostenibles: Como plásticos biodegradables, biocombustibles o bioelectrogénesis (electricidad generada por microorganismos).
• Control biológico: Uso de material biológico para el control de plagas y enfermedades.
• Mejora biológica de la producción agrícola: Mediante el uso de microorganismos.
• Recuperación de recursos naturales: Como la recuperación de metales.
• Desulfuración: Del carbón y el petróleo.

Química Verde: Hacia Procesos Industriales Sostenibles

La química verde se enfoca en el desarrollo y uso de procesos industriales menos contaminantes. Sustituye procesos químicos por biotecnológicos con microorganismos o enzimas para reducir el gasto energético y de agua, así como la producción de compuestos contaminantes.

Ejemplos de Aplicación de Enzimas:

• Técnicas: En detergentes.
• Alimentación: En la producción de zumos, cervezas.
• Alimentación animal: En la fabricación de pienso.

Biología Sintética: Rediseño de Sistemas Biológicos

La biología sintética es el rediseño de sistemas biológicos para nuevos propósitos y aplicaciones. Integra disciplinas como la biología, la ingeniería y la bioinformática.

Ejemplo: Síntesis de índigo a través de la leguminosa Indigofera tinctoria, donde se obtiene índigo por síntesis química y también de forma natural. Actualmente, se estudia la posibilidad de clonar en E. coli genes de otros organismos para una producción más responsable del índigo.

Energías Renovables y Biocombustibles

Las energías renovables son aquellas que se obtienen de fuentes naturales «inagotables»; unas por la gran cantidad de energía que contienen y otras porque son capaces de regenerarse por medios naturales.

Biocombustibles:

Cualquier combustible que, al menos en un 80%, derive de organismos vivos recolectados en los 10 años que preceden a su producción. Es energía solar almacenada, una fuente de energía renovable que depende del sol, biodegradable y biocombustible. Los biocombustibles de segunda y tercera generación se obtienen de otras fuentes como microalgas o cultivos que no se usan como alimento.

• Biodiésel: Biocombustible compuesto por ésteres metílicos, formado a partir de ácidos grasos y metanol. Los de primera generación proceden de plantas oleaginosas que se transforman en ésteres metílicos, generando glicerina. Emite menos gases que el gasóleo. Los biodiésel de segunda generación no proceden de plantas comestibles, y los de tercera proceden de microalgas.
• Bioetanol: Biocombustible obtenido de la fermentación de azúcares de materia orgánica vegetal con bacterias o levaduras. Los azúcares pueden ser almidón de cereales, celulosa y hemicelulosa. Requiere enzimas y altas temperaturas para obtener etanol.
• Biogás: Biocombustible de segunda generación rico en metano, generado del tratamiento anaerobio de residuos urbanos e industriales. Se reduce la DBO por el uso de microorganismos anaerobios.
• Biohidrógeno: Hidrógeno producido por algas, bacterias o arqueas que genera electricidad. Puede darse por biofotólisis, fotofermentación o fermentación en oscuridad.
• Bioelectrogénesis: Generación de electricidad usando procariotas capaces de donar electrones a un metal.