Proceso de Biorremediación in situ: desafíos y técnicas

¿Qué es la biorremediación in situ?

La biorremediación implica la eliminación, reducción y transformación de contaminantes del agua, el aire y el suelo. Algunos contaminantes incluyen colorantes, gases de efecto invernadero, agroquímicos, desechos nucleares, compuestos clorados, hidrocarburos, metales pesados, plásticos y aguas residuales. La degradación biológica de contaminantes en un sitio contaminado en condiciones naturales a dióxido de carbono, agua o un producto convertido atenuado se conoce como biorremediación in situ. El proceso ambiental in situ es un tipo de biorremediación, pero tiene altas incertidumbres y variabilidad.

Biorremediación in situ y Biorremediación ex situ

El método utilizado para tratar los contaminantes está determinado principalmente por las características de los contaminantes y del sitio contaminado. Según el sitio de tratamiento, la biorremediación se puede clasificar en dos formas: ex situ e in situ. Los términos in situ y ex situ derivan del latín, que significan en el sitio y fuera del sitio, respectivamente. Con la biorremediación in situ, los contaminantes se tratan en el sitio contaminado. En cambio, la biorremediación ex situ es un proceso en el que el suelo o el agua contaminados se transfieren a un lugar diferente para su tratamiento biológico. La tasa de biodegradación y la consistencia de los resultados varían con los métodos in situ debido a factores físicos y químicos controlados, mientras que son más o menos iguales con los métodos ex situ. Como el material contaminado se transfiere a otro lugar para su tratamiento, la remediación ex situ es más cara que la biorremediación in situ. La biorremediación in situ es un método económico, de bajo mantenimiento, sostenible y ecológico para limpiar sitios contaminados.

Técnicas de biorremediación in situ

Se eligen varias técnicas de biorremediación in situ después de sopesar diversos factores, como el estado del lugar, la población autóctona de microorganismos y la naturaleza, cantidad y toxicidad de los contaminantes. La biorremediación in situ se puede dividir en tres categorías:

• Atenuación natural /atenuación: La bioatenuación, también conocida como atenuación intrínseca, se refiere a la transformación de contaminantes en compuestos menos dañinos, principalmente debido a su biodegradación por microorganismos sin intervención humana. También implica reacciones químicas naturales y sorción por el suelo. Las condiciones del sitio pueden tener un impacto significativo en la duración necesaria para la atenuación natural. Algunas especies microbianas en el sitio se adaptan y ajustan naturalmente para degradar los contaminantes. Los criterios críticos del sitio para la biorremediación intrínseca incluyen la consistencia estacional en el flujo de agua subterránea, la disponibilidad de minerales que pueden evitar cambios de pH y altas concentraciones de oxígeno, nitrato, sulfato o hierro férrico. Este método causa menos perturbación del sitio, lo que también reduce el gasto de limpieza posterior. Por lo tanto, es específico para la contaminación, práctico y económico.
• Bioestimulación: En este proceso, se añaden al sitio nutrientes limitantes y aceptores de electrones, como fuentes de oxígeno, nitrógeno, carbono y fósforo, para promover la degradación microbiana de los contaminantes. La principal ventaja de la bioestimulación es que los microorganismos autóctonos ya están presentes en el subsuelo y están bien adaptados y distribuidos. Sus actividades, que antes estaban restringidas debido a las limitaciones de nutrientes, se estimulan con la adición de suplementos, lo que conduce a una biodegradación rápida. El principal desafío de la bioestimulación es hacer que los nutrientes añadidos estén fácilmente disponibles para los microbios subterráneos. Es difícil cuando el sitio contaminado tiene un suelo arcilloso compacto. Por lo tanto, el suelo se afloja y se airea primero utilizando un sistema de aireación (bioventilación) para la distribución adecuada de los nutrientes. La adición de nutrientes también puede estimular el crecimiento de otros microorganismos, que podrían competir con los microbios deseables por la ingesta de nutrientes.
• Bioaumentación: A veces, las especies bacterianas autóctonas son incapaces de degradar los contaminantes. En tales casos, las especies bacterianas que pueden degradar dichos contaminantes se modifican genéticamente en laboratorios o se aíslan del lugar y se adaptan para degradar los contaminantes. Este método de agregar microorganismos modificados para la biorremediación en el sitio contaminado se llama bioaumentación. Es un método ampliamente utilizado para limpiar derrames de petróleo con la ayuda de microorganismos degradadores de petróleo. El éxito de la bioaumentación depende principalmente de la adaptación de los consorcios microbianos (grupo de especies microbianas) al sitio de acción. La proliferación de las especies microbianas depende de las características y la concentración de los contaminantes, la disponibilidad de contaminantes para los microbios, la naturaleza de la población microbiana y el entorno físico.

Impacto ambiental de la biorremediación in situ

Durante el proceso de biodegradación, los microbios ejercen ciertos efectos sobre el entorno físico y químico del lugar tratado. Algunos de estos efectos son:

• Alteraciones químicas: Cuando los microorganismos utilizan contaminantes orgánicos y aceptores de electrones, se producen compuestos inorgánicos. Como resultado, la concentración de carbono inorgánico aumenta mientras que la de aceptores de electrones disminuye.
• Crecimiento de depredadores: Durante el tratamiento, la cantidad de bacterias aumenta en el sitio remediado. Por lo tanto, los organismos que se alimentan de estas bacterias, principalmente protozoos, también pueden aumentar en número. La alta población de protozoos en el sitio también es un indicador de biorremediación.
• Alteración del hábitat natural: cuando se trata un sitio mediante técnicas de biorremediación in situ, la zona se altera debido a la intervención humana. Esto puede afectar temporalmente el hábitat natural de los organismos que viven en el sitio, lo que provoca su migración desde el mismo.

Desafíos de la biorremediación in situ

La biodegradación de contaminantes mediante el método in situ requiere menos esfuerzo que los métodos ex situ. A pesar de la facilidad del proceso, existen ciertos desafíos, entre ellos:

• Contención de contaminantes: Reducir la concentración de contaminantes a niveles deseables requiere mucho tiempo, desde meses hasta años. Durante este tiempo, los contaminantes pueden propagarse fuera de la zona de biorremediación, especialmente en la temporada de lluvias. Se toman algunas medidas para prevenir la propagación de contaminantes, como la construcción de barreras físicas que bloquean el movimiento de la columna y también interrumpen el flujo de agua subterránea. También se utilizan controles hidrodinámicos, como pozos de extracción, para evitar el flujo de agua.
• Factores físicos: En el proceso de tratamiento, las condiciones físicas cambian con frecuencia, lo que causa dificultades y afecta la tasa de biodegradación. En la temporada de lluvias, las fuertes lluvias provocan anegamientos, lo que podría limitar la disponibilidad de oxígeno en el subsuelo y perturbar la acción microbiana. Se perforan agujeros en todo el sitio para un suministro adecuado de oxígeno. Además, durante el verano, la larga estación seca y las altas temperaturas pueden secar el suelo, interrumpiendo así el proceso de biorremediación.
• Dificultad de monitoreo: Es físicamente difícil monitorear la acción microbiana y los contaminantes en la capa subterránea del sitio. Para minimizar las incertidumbres que implica la biorremediación in situ, se han propuesto muchos modelos para la evaluación adecuada de todos los cambios que ocurren durante el tratamiento. Esto incluye un mayor muestreo, un conocimiento profundo de los procesos microbianos de degradación, la evaluación de la formación del producto y un plan de acción flexible para incorporar las incertidumbres.
• Exposición a la fauna silvestre: el lugar contaminado se deja intacto durante un período prolongado, pero la fauna silvestre puede sentirse atraída por él, lo que podría provocar que la fauna silvestre quede expuesta a contaminantes y, a la larga, les cause daños.

Ejemplos de biorremediación in situ

La biorremediación in situ es la mejor y más económica forma de contener, reducir y eliminar contaminantes. Como los contaminantes del lugar terminan contaminando las aguas subterráneas, los residentes de la zona quedan expuestos a ellos, lo que provoca problemas de salud. Por lo tanto, el tratamiento de dichos lugares es necesario. Los resultados de los métodos in situ se muestran en los dos ejemplos siguientes:

• Derrame de combustible para aviones JP-4 en Hanahan: en 1975, aproximadamente 83.000 galones de combustible para aviones JP-4 se derramaron en el Punto de Suministro de Combustible de Defensa (DFSP), una instalación militar en Hanahan. El combustible para aviones JP-4 contiene principalmente BTEX (benceno, tolueno, etilbenceno y xileno) y tres trimetilbencenos. Los hidrocarburos de petróleo acabaron contaminando las aguas subterráneas con altos niveles de plomo y arsénico. En 1987, se realizó un análisis en profundidad, que incluía el potencial de biorremediación in situ para la limpieza. Para estimular la biodegradación de los contaminantes, se inyectó oxígeno y agua enmendada con nitrato en el subsuelo. Con la ayuda de la biorremediación junto con la remediación hidráulica, el nivel de contaminantes se redujo sustancialmente a los niveles deseados en 1992.
• Contaminación por petróleo crudo en Texas: Durante los años de funcionamiento de una instalación de almacenamiento en Texas, se contaminaron con petróleo crudo aproximadamente 1500 yardas cúbicas de suelo de la zona. El nivel de contaminación alcanzó los 1000 mg/kg de aceite y grasa. Después del estudio de optimización, se inició el tratamiento en el sitio utilizando técnicas de biorremediación. Se utilizaron cloruro de amonio y fosfato dipotásico como bioestimulantes. Se construyeron celdas de biotratamiento de 100 por 120 pies, que tenían una altura de 3 a 5 pies. La mezcla de nutrientes y humedad aumentó la biodegradación de los contaminantes del petróleo. Después del tratamiento durante 8 semanas, el nivel de contaminación se redujo a 59 mg/kg, que estaba por debajo del límite permisible de 75 mg/kg.

Resumen de la lección

La biorremediación, que significa la descomposición de contaminantes utilizando microorganismos, se puede clasificar en dos tipos según el sitio de tratamiento, es decir, in situ y ex situ. Estos términos se derivan del latín, que significa «en el sitio» y «fuera del sitio», respectivamente. La biorremediación in situ se refiere a la degradación de contaminantes en el sitio contaminado utilizando microorganismos en condiciones naturales. Mientras que en la biorremediación ex situ, el suelo contaminado se excava y la biodegradación ocurre en un lugar distinto del sitio contaminado. Por lo tanto, los métodos ex situ son más caros que los in situ. Durante el proceso de biorremediación in situ, los microorganismos catalizan la reacción redox en la que se oxida el contaminante y se reduce el aceptor de electrones, y el sustrato y la energía producidos en esta reacción son utilizados por los microbios para su crecimiento y proliferación. Los contaminantes se degradan principalmente a través de la respiración aeróbica (usando oxígeno), la respiración anaeróbica (ausencia de oxígeno) o la fermentación.

La biorremediación in situ se implementa utilizando tres procesos: atenuación natural (bioatenuación), bioestimulación y bioaumentación. La atenuación natural ocurre sin intervención humana cuando los microbios en el sitio contaminado se adaptan y degradan los contaminantes durante un período. En la bioestimulación, se suministran nutrientes como carbono, oxígeno, nitrógeno, etc. para mejorar el proceso de biorremediación in situ. Mientras que en la bioaumentación, se agregan microbios bien adaptados o diseñados al sitio para la biorremediación. La biorremediación in situ tiene desafíos como la contención de contaminantes, condiciones climáticas cambiantes, dificultad en el monitoreo y exposición de contaminantes a la vida silvestre. Incluso con los desafíos, la biorremediación in situ es preferida sobre otros métodos porque es más económica.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador