Biorremediación: Aplicaciones para el cuidado sustentable del ambiente Dra. Nélida Milly Otiniano García UNIVERSIDAD CÉSAR VALLEJO

DESARROLLO SUSTENTABLE Y GESTIÓN AMBIENTAL Comisión mundial sobre ambiente y desarrollo Informe de nuestro futuro 1987 Cumbre de la tierra (Rio de janeiro 1992) “Satisface las necesidades de la generación presente sin comprometer la capacidad de generaciones futuras para satisfacer sus propias necesidades” De esta manera se evidencia cómo la gestión que se realiza para resolver, mitigar o prevenir los problemas de carácter ambiental, conlleva al logro del propósito del desarrollo sostenible; permitiendo a la humanidad mantener sus sistemas de apoyo y de esta manera atender las necesidades tanto de las generaciones presentes como de las generaciones futuras

De acuerdo con uno de los objetivos de desarrollo sostenible relacionados con la salud pública: Para 2030, se busca reducir sustancialmente el número de muertes y enfermedades producidas por productos químicos peligrosos y la contaminación del aire, el agua y el suelo, a través de la gestión ambiental efectiva, que conlleve al manejo de estos problemas ambientales.

Se necesitan estrategias de gestión ambiental: Para resolver, mitigar o prevenir problemas Permitir al ser humano el desarrollo de sus potencialidades Gestión del patrimonio biofísico y cultural Gestión racional de recursos Implementación de tecnologías correctivas Para corregir el recurso impactado

Se necesitan procesos sustentables para cuidar el aire Evitar la emisión de sustancias tóxicas a la atmósfera. Diseñar dispositivos, (ej. filtros) para minimizar las emisiones de partículas microscópicas al ambiente. Desarrollar procesos de transformación para minimizar las emisiones a la atmósfera. Cuidar la salud del aire en las grandes ciudades.

Procesos sustentables para cuidar el suelo Evitar la disposición de residuos sólidos tóxicos o peligrosos en terrenos a cielo abierto. Tratar sitios contaminados para recuperar la calidad del suelo. Desarrollar procesos de transformación donde se minimicen los residuos sólidos. Cuidar la salud del suelo.

Procesos sustentables para cuidar el agua Evitar descargar el agua contaminada al mar, ríos, lagos y lagunas Tratar el agua residual para reusarla y evitar desperdiciarla Desarrollar procesos de transformación para minimizar el consumo de agua Cuidar el consumo de agua potable

SALUD PROTECCIÓN DEL AMBIENTE PRODUCCIÓN Y ELABORACIÓN DE ALIMENTOS BIOTECNOLOGÍA PRODUCCIÓN Y ELABORACIÓN DE ALIMENTOS AGRICULTURA SILVICULTURA PROTECCIÓN DEL AMBIENTE PRODUCCIÓN DE METABOLITOS SALUD

BIORREMEDIACIÓN REMOCIÓN DE COMPUESTOS CONTAMINANTES Organismos vivos Enzimas Compuestos más simples de fácil asimilación MINERALIZACIÓN (CO2 + H2O)

Implica el uso de una o un conjunto de operaciones unitarias Que alteran la composición de las sustancias contaminantes empleando entes biológicos de manera que reduzcan su toxicidad, movilidad o volumen en la matriz o material contaminado. La biorremediación, se ha convertido en una alternativa atractiva y prometedora a las tradicionales técnicas físico-químicas para la remediación de los compuestos que contaminan un determinado lugar, ya que ha demostrado ser más rentable y puede degradar selectivamente los contaminantes sin dañar su flora y fauna autóctonas.

APLICACIONES DE LA BIOREMEDIACIÓN Suelos o aguas contaminadas con iones metálicos de los elementos Cu, Cd, Al, Zn, As, etc. Suelos o aguas contaminadas con cianuro. Suelos o aguas contaminadas con hidrocarburos Aguas o soluciones contaminadas con altas concentraciones de sulfato Aguas o soluciones contaminadas con compuestos orgánicos utilizados en la minería Tratamiento biológico de residuos Tratamiento biológico de efluentes industriales

Biorremediación de suelos Biolixiviación o recuperación de metales Producción de sustitutos de productos naturales y de la petroquímica Polímeros Biosurfactantes Plásticos Insecticidas biológicos Producción de enzimas para la tecnología (“Tecnología Limpia”) Lipasas (detergentes, ácidos grasos, BIOcatalisis) Proteasas (detergentes, curtiembre) Oxido-reductasas (biocatalisis)

LOS MICROORGANISMOS EN LOS PROCESOS DE DESCONTAMINACIÓN Petróleo Pseudomonas, Proteus, Bacillus, Penicillium, Cunninghamella, Anillos aromáticos Pseudomonas, Achromobacter, Bacillus, Arthrobacter, Penicillium, Aspergillus, Fusarium, Phanerochaete. Cadmio Staphylococcus, Bacillus, Pseudomonas, Citrobacter, Klebsiella, Rhodococcus. Azufre Thiobacillus Cromo Alcaligenes, Pseudomonas Cobre Escherichia ,Pseudomonas.

Principios Los microorganismos activos metabólicamente catalizan reacciones de eliminación de contaminantes. La eliminación del contaminante depende de la concentración del catalizador o de la biomasa activa. La biomasa activa crece y se sustenta utilizando los contaminantes como sustratos primarios generadores de electrones y energía, que son sus donantes y aceptores de electrones.

La producción de biomasa activa es proporcional a la utilización de sustratos primarios. Figura 1. Fase logarítmica Pseudomonas sp en medio de cultivo con petróleo diesel 2 al 5%, en biorreactor de tanque aireado y agitado Figura 1. Fase logarítmica de Rhodopseudomonas sp en medio de cultivo con petróleo diesel 2 al 5%, en biorreactor de tanque aireado y agitado

Tasa específica de crecimiento u (Hora-1) Tabla1.Tasas específicas de crecimiento de Pseudomonas sp, y Rhodopseudomonas sp, en Medio Mínimo de Davies y en medio de cultivo con petróleo diesel 2 al 5%. Microorganismo Tasa específica de crecimiento u (Hora-1) Control (Medio Mínimo de Davies) Diesel 2 al 5% Pseudomonas sp 1,42 1,30 Rhodopseudomonas sp 1,41 1,37

Eficiencia de Pseudomonas sp y Rhodopseudomonas sp en la degradación de petróleo diesel II Figura 2. Evolución de la biomasa durante la degradación de diesel 2 por Pseudomonas sp y Rhodopseudomonas sp, en biorreactor de tanque aireado y agitado . Figura 1. Variación del % de diesel 2 durante la degradación por Pseudomonas sp y Rhodopseudomonas sp, en biorreactor de tanque aireado y agitado .

TIPOS DE BIORREMEDIACIÓN: Biorremediación in situ, que consiste en tratar el material contaminado en el lugar en que se encuentra. Biorremediación ex situ, cuando el material contaminado es trasladado a otro lugar para realizar o completar su descontaminación.

Sustrato (Contaminante) Medio Ambiente Microorganismos (Biodegradabilidad) (Biodisponilidad, Mobilidad) (Requisitos Fisiológicos) Bioaugmentación añadir microorganismos Surfactantes, Cosolventes, Quelatos Nutrientes N, P, vitaminas Aceptores de electrones O2, NO3- Factores Ambientales H2O, T, pH Donadores de Electrones/Cosustratos H2/CH4 Interrelación de Componentes que Determina el Éxito de la Bioremediación

Biodegradación de contaminantes La biodegradación se define como la reducción catalizada biológicamente de una complejidad de compuestos químicos. Está basada en dos procesos: Crecimiento y cometabolismo Crecimiento: Los contaminantes orgánicos de emplean como única fuente de carbono y energía, este proceso resulta en la completa degradación (mineralización) de los compuestos orgánicos.

Cometabolismo: Metabolismo de un compuesto orgánico en presencia de un sustrato de crecimiento que es usado como fuente primaria de carbono y energía. El compuesto orgánico se degrada sin ningún beneficio nutricional para el microorganismo, pero el producto de la degradación puede servir como sustrato para otros organismos presentes en ese hábitat.

Los microorganismos degradadores de compuestos orgánicos deben poseer las siguientes características esenciales: Procesos metabólicos para optimizar el contacto entre células microbianas y contaminantes orgánicos. Los químicos deben ser accesibles a los organismos que poseen la actividad biodegradante. Por ejemplo, Los hidrocarburos son insolubles en agua, y su degradación requiere la producción de biosurfactantes.

Figura 1. Producción de ramnolípidos por Pseudomonas sp, en diferentes fuentes nitrogenadas, utilizando petróleo diésel 2 como sustrato.

Para sobrevivir en contacto con estos compuestos tan hidrofóbicos, y poder colonizar la interfase petróleo-agua, las bacterias deben ser capaces de modificar sus membranas formando vesículas para introducir el petróleo al interior de la célula.

Principales bacterias y hongos degradadores de petróleo : Nocardia Pseudomonas Marinobacter Vibrio Acinetobacter Sphingomonas

Compuesto Xenobiótico acceptor de electrones Productos Mineralizados Primero: perdida de carácter xenobiótico; Después: metabolismo típico Compuesto Xenobiótico Intermediario Metabôlico enzimas especificas catabolicas monooxigenasas dioxigenasas hidrolasas dehidrogenasas amidasas transferasas NH4+, Cl-, SO42- acceptor de electrones O2, NO3-, SO42- NAD(P)H ATP Productos Mineralizados Celulas, Crecimiento CO2, H2O Ruta Alta Ruta Baja Biodegradación de Compuestos Xenobióticos

BIORREMEDIACIÓN DE 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.

La Biotecnología aporta posibilidades para inmovilizar los metales en formas no biodisponibles, para concentrar los metales diluidos utilizando una biomasa diseñada con ese fin, para convertir los iones metálicos tóxicos en formas químicas más inocuas, o para reubicar de forma extensiva los metales (por ejemplo, volatilizándolos).

Se han reportado como reductores de Cr (VI): Alcaligenes, Bacillus, Corynebacterium, Enterobacter, Escherichia, Micrococus, Pseudomonas, Vibrio, entre otras

Figura 1. Reducción de Cromo total de aguas residuales de curtiembre por Pseudomonas sp, en biorreactor de tanque agitado.

Figura 3. Curva de crecimiento de Pseudomonas sp, durante la biorremediación de aguas residuales de curtiembre en biorreactor de tanque agitado. Figura 2. Reducción de Cromo VI de aguas residuales de curtiembre por Pseudomonas sp, en biorreactor de tanque agitado.

FITORREMEDIACIÓN

PRODUCTOS QUE PUEDEN SER TRATADOS CON FITORREMEDIACIÓN PRODUCTOS INORGÁNICOS METALES TÓXICOS RADIONUCLEÓTIDOS PRODUCTOS ORGÁNICOS SOLVENTES CLORADOS EXPLOSIVOS HIDROCARBUROS DE PETRÓLEO PESTICIDAS PRODUCTOS QUE PUEDEN SER TRATADOS CON FITORREMEDIACIÓN

DEGRADACIÓN DE COMPUESTOS ORGÁNICOS PERSISTENTES (COPs)

TECNOLOGÍAS PARA ELIMINAR GASES CONTAMINANTES TECNOLOGÍAS BIOLÓGICAS:BIOFILTRACIÓN TECNOLOGÍAS FÍSICO QUÍMICAS ADSORCIÓN ABSORCIÓN CONDENSACIÓN OXIDACIÓN TOTAL (INCINERACIÓN

VENTAJAS DE LA BIORREMEDIACIÓN Bajo costo, Poco gasto de energía, Escasa producción de aguas residuales, Simplicidad de operación; No requieren de suplementos nutritivos complejos, Escaso uso de químicos y No se requiere ninguna fuente de combustión. Las unidades de Biorremediación pueden diseñarse para encajar en cualquier escenario industrial. Es poco invasiva, sus componentes estructurales no son una amenaza para el ambiente.

DESVENTAJAS: Si la biodegradación es incompleta, pueden generarse intermediarios metabólicos con un poder contaminante similar o peor que el mismo contaminante, y algunos compuestos incluso, pueden inhibir la biorremediación. A veces es difícil predecir el tiempo que se requiere para un proceso adecuado y el seguimiento y control de la velocidad y/o extensión del proceso es costoso.

Finalmente: Un proceso sustentable es aquel que es eficiente, representa un beneficio social y cumple con la reglamentación ambiental. Para desarrollar procesos sustentables es necesario investigar disciplinadamente y realizar mediciones confiables. La responsabilidad de cuidar el medio ambiente es de todos.

GRACIAS POR SU ATENCIÓN NOTINIANO@ucv.edu.pe