Remediación de Pasivos Ambientales mediante Técnicas Biológicas | Biorremediación y Fitorremediación

• Nilson Rolando Garrido Asenjo
• Ago. 8, 2022

 

"La problemática ambiental que vivimos requiere aten­ción impostergable. Numerosas investigaciones fundamen­tan la capacidad de los distintos organismos para acumular, atenuar o degradar diversos tipos de contaminantes. Por ello, la remediación, a través del empleo de sistemas biológicos, es una alternativa destacada para enfrentar la contamina­ción ambiental"

 

La minería es una de las actividades más importantes en el mundo y especialmente en nuestro país, ya que a lo largo de las últimas décadas a servido como motor de crecimiento y desarrollo económico. En el Perú se extraen minerales metálicos y no metálicos, pero son los primeros los que generan mayores divisas para el país, sin embargo; el proceso de beneficio de estos minerales trae consigo una serie de impactos al medio ambiente, mucho debido a su complejidad para recuperar el mineral desde su forma en la que se encuentra en la naturaleza, ya sea que se encuentre como sulfuros, óxidos, sulfatos, etc., cada uno exigirá un método especial para realizar la recuperación del mineral.

 

Un ejemplo claro que se puede observar a lo largo de todo el país, es el procesamiento del oro, para lo cual se lleva un proceso de lixiviación con cianuro, esta técnica ha resultado rentable económicamente ya que permite realizar la recuperación de oro de baja ley, sin embargo, desde el punto de vista ambiental, no es tan rentable, debido a que el cianuro es una sustancia tóxica que puede generar daños irreversibles cuando no se realiza una gestión y manejo adecuado de los residuos de esta sustancia cianurada.

 

Otro problema que se afronta con la actividad minera es la generación del drenaje ácido de mina (DAM), generalmente este drenaje ácido se genera por los residuos que deja la minería polimetálica, donde algunos de los minerales presentes son la pirita, calcopirita y pirrotina, esto debido al proceso de oxidación de los sulfuros. Este drenaje ácido de mina tiene el potencial de contaminar aguas tanto superficiales como subterráneas, por ello ha sido objeto de diversas investigaciones para mitigar los efectos negativos en el medio ambiente, a través de tecnologías basadas en procedimientos físicos, químicos y biológicos; de las cuales las microbiológicas han resultado ser las menos dañinas para el medio ambiente, principalmente porque no requiere la adición de sustancias químicas

 

Asimismo, otra problemática que se ha venido evidenciando son los relaves de mina, los cuales presentan alto contenido de metales pesados convirtiéndolos en un problema ambiental y de salud, por lo que es preciso desarrollar estrategias que permitan su saneamiento. Básicamente los relaves son residuos (roca, agua y reactivos químicos) que se originan y permanecen después de triturar la roca y extraer el metal de importancia económica (Amezcua Ávila, Hernández Costa, & Díaz Vargas, 2020)

 

Estos residuos al depositarse quedan expuestos a los factores ambientales, ocasionando su dispersión a través de la erosión eólica y los escurrimientos superficiales, que junto con los procesos químicos (óxido-reducción, hidrólisis, ácido-base, pueden impactar en la toxicidad de los metales) incrementan la peligrosidad del relave (De la O-Villanueva, y otros, 2013).

 

Entre las características de los relaves destacan la falta de nutrientes necesarios para el establecimiento de la vegetación, el bajo contenido de materia orgánica, un intervalo de pH de 2 a 9 y un alto contenido de elementos potencialmente tóxicos (EPT) (De la O-Villanueva, y otros, 2013). Por lo anterior, se buscan estrategias que minimicen el riesgo a la salud, que sea amigable con el ambiente y relativamente barata.

 

BIORREMEDIACIÓN

Las técnicas de biorremediación consisten principalmente en el uso de diferentes organismos (plantas, levaduras, hongos, bacterias, etc.) con la finalidad de neutralizar sustancias tóxicas, ya sea transformándolas en sustancias menos tóxicas o inocuas para el medio ambiente y la salud humana (Torres Rodríguez, 2003).

 

El objetivo de la biorremediación es estimular a los microorganismos con nutrientes y otros compuestos químicos, para que puedan “destruir” los con­taminantes. En este proceso, las enzimas microbianas están involucradas directamente en la transformación o degra­dación de dichos contaminantes. La eficiencia depende de varios factores como la magnitud y toxicidad de los contami­nantes, la “degradabilidad” de los contaminantes, así como la capacidad con la que se cuenta para monitorear el proceso de biorremediación.

 

La biorremediación, puede llevarse a cabo en el lugar contaminado, proceso conocido como biorreme­diación in situ, o bien en un lugar especialmente preparado, conocido como biorremediación ex situ. En este último la matriz contaminada se transfiere a otro lugar (Costa Ruiz, Nuñes Gastelum, Delgado Rios, & Martinez Martinez, 2018).

 

Figura 1
Biorremediación de suelos.

 

Biorremediación In Situ

Básicamente existen cuatro métodos de biorremedia­ción in situ: atenuación natural, bioventeo, bioestimulación y bioaumentación. El proceso de atenuación natural se refiere al proceso intrínseco de biorremediación, depende de diversos factores físicos, químicos y biológicos que, bajo condiciones favorables, actúan sin la intervención del huma­no para reducir la masa, volumen, toxicidad o concentración de los contaminantes.

 

Mientras tanto, el bioventeo consiste en suministrar aire e incluso nutrientes al área contaminada mediante la adecuación de una red de ductos y tuberías, se caracteriza por proveer tasas “mo­deradas” de aire para estimular el metabolismo aerobio de los microorganismos y promover la oxidación de los com­puestos contaminantes, al mismo tiempo que se minimiza la volatilización de los contaminantes a la atmósfera.

 

Por su parte, la bioestimulación es una estrategia muy similar al bioventeo, se basa en aumentar la actividad de las bacterias endógenas de los suelos contaminados al proveer­les nutrientes, oxígeno, surfactantes o agua, o al modificar otras variables ambientales. Sin embargo, el proceso de bioestimulación tiene sus limitacio­nes debido a que en ocasiones los suelos no cuentan con los microorganismos adecuados para degradar los contaminan­tes o la concentración de estos últimos es elevada.

 

Finalmente, se conoce por bioaumentación al proceso mediante el cual se añaden microorganismos al ambiente contaminado con el objetivo de acelerar la biorre­mediación. Éste se puede llevar a cabo mediante: a) el enriquecimiento o aislamiento de microorganismos del sitio objetivo, su subsecuente cultivo y re-inoculación; b) la exclusión de microorganismos; y c) la in­troducción de microorganismos genéticamente modificados.

 

Biorremediación Ex Situ

Dentro de los métodos de biorremediación ex situ se encuentran la técnica de tratamiento de suelos comúnmente denominado “landfarming”, el composteo, las biopilas y los biorreactores. El landfarming consiste en remover el suelo contaminado y verterlo sobre una cama previamente pre­parada en cuyo fondo se encuentre una geomembrana (que se utiliza como aislante para evitar filtraciones al subsuelo). En general, las superficies de suelo excavadas oscilan los 10-35 cm. Una vez que el suelo se ha vaciado en la cama, se estimulan los consorcios microbianos para que inicien con la degradación de los contaminantes.

 

Por su parte, el composteo es un proceso de degradación de residuos orgánicos basado en el metabolismo microbiano anaerobio, típicamente se lleva a cabo a temperaturas entre 55 – 65 °C. Las temperaturas elevadas son producto de la actividad biológica.

 

Otra de las estrategias de biorremediación ex situ son las biopilas, ésta consiste en mezclar suelos contaminados con suelos previamente preparados, para después colocarlos en un área determina­da; la biorremediación se lleva a cabo utilizando aireación. Diversos parámetros como la humedad, nutrientes, calor, oxígeno y pH son controlados. Cabe señalar que la aireación y el propio sistema de control de nutrientes se pueden rea­lizar ya sea por vacío o por presión positiva.

 

Finalmente, se puede hacer uso de la tecnología de biorreactores para tratar materiales sólidos (suelos, sedimen­tos, lodos) o aguas contaminadas. En esencia, las matrices contaminadas son transferidas a recipientes con inóculos, nutrientes y parámetros controlados para su biorremedia­ción. Los biorreactores de sólidos en suspensión, son unos de los más usados para biorremediar suelos contaminados debido a su capacidad para controlar las condiciones de operación y para aumentar la actividad microbiana.

 

Figura 2
Principales estrategias de biorremediación.

Fuente: Fuente: Costa et al (2018)

 

FITORREMEDIACIÓN

Es un término definido en 1991 por lo que se le considera relativamente nuevo, deriva de fito (griego, planta) y remediare (latín, remediar el daño), por lo tanto, se puede considerar que la fitorremediación consiste en remediar el daño mediante el uso de planta, Bernal (2014) define a la fitorremediación como el conjunto de tecnologías por medio de las cuales se utilizan varias plantas que tengan la capacidad fisiológica y bioquímica para asimilar, metabolizar, desintoxicar o inmovilizar metales pesado, compuestos orgánicos, radioactivos y petroderivados, contaminantes del suelo, el agua o el aire para transformarlos a formas menos nocivas

 

La fitorremediación se basa en el uso de plantas que acumulan elevadas concentraciones de metales en sus tejidos para contener, remover o neutralizar contaminantes, mediante mecanismos de captura de metales propios de estas plantas y por los microorganismos que se desarrollan en la rizosfera (Marrero Coto, Amores Sánchez, & Coto Pérez, 2012).

 

Es una variación de la biorremediación, que tiene aún muy poca aplicación, a pesar de ser una técnica económica y sustentable, esta cosiste en cultivar plantas o árboles en lugares contaminados o degradados para limpiar agua, suelo o aire (Bernal Figueroa, 2014). Asimismo; Marrero et al (2012) indican que la forma en que se lleva a cabo la fitorremediación es a través de la captura de elementos tóxicos mediante diversos mecanismos. Esto ocurre a través de transportadores altamente específicos presentes en sus raíces con una gran capacidad para absorber distintos contaminantes.

 

Existen varias técnicas de fitorremediación aplicables a suelos contaminados con metales pesados: fitoextracción, rizofiltración, fitoestabilización, fitodegradación, rizodegradación, fitorrestauración y fitovolatización.

 

Figura 3
Proceso de fitorremediación en suelos.

 

 

Factores de Bioacumulación y Translocación

Gonzales et al (2017) indican que, para la elección de especies vegetales útiles en la remediación, las variables de interés que se han utilizado son la concentración de EPT en la parte aérea y radical, y los factores de bioacumulación. De esta forma, si se opta por la fitoestabilización se recomienda que las plantas sean exclusoras de EPT (o acumulen muy bajas concentraciones) en su parte aérea.

 

Con esto se busca que la mayor concentración de los EPT esté inmovilizada en la rizósfera (parte de influencia de la raíz) o en la raíz misma. Pero, en el caso de la fitoextracción, se sugiere que las plantas acumulen alta concentración de EPT en la parte aérea (plantas acumuladoras). Idealmente, para una extracción eficiente y económicamente redituable, las plantas deben ser hiperacumuladoras.

 

Para poder clasificar a las plantas bajo este contexto, lo que se hace generalmente es determinar la concentración de EPT en la raíz y la parte aérea, así como en el suelo o residuo. A partir de esta información se pueden obtener factores de bioacumulación. Los más comunes son el factor de bioconcentración (FBC) y el de translocación (FT). El FBC es la relación de la concentración de EPT en el suelo entre la concentración en tejido vegetal.

 

El FT es la relación de la concentración de EPT en la parte aérea respecto a la concentración en la raíz. Si el valor de FT es menor de 1, la mayor parte del contaminante se acumula en la raíz y no se transloca (mueve) hacia la parte aérea. En este caso la planta es exclusora.

 

Si por el contrario el FT es mayor de 1, el contaminante se almacena principalmente en la parte aérea y no en la raíz; entonces, se trata de una planta acumuladora. Se menciona que cuando el FBC y el FT (ambos) son mayores de 1, la planta se clasifica como acumuladora. Si el FBC y FT son menores de 1, es una planta exclusora.

 

En muchos casos, tal vez por confusión, acumulación e hiperacumulación se manejan como sinónimos; sin embargo, son conceptos diferentes. Las plantas hiperacumuladoras son capaces de acumular cantidades excesivas de EPT en su follaje. Erróneamente se clasifica como hiperacumuladora a aquella planta que acumula en su raíz altas concentraciones de EPT. Lo correcto es considerar la acumulación en la parte aérea de la planta. Para que se considere como tal, la acumulación de EPT en la parte aérea debe ser >1 % del peso seco de la planta.

 

Tabla 1
Criterios de clasificación de plantas de acuerdo con su concentración de EPTs en

Clasificación	Zn	Cd	Pb	Ni	Co	Cu
	mg/kg
Normal en sitios no contaminados	1-400	0.1-2.4	0.2-20	0.02-5	0.02-1	5-20
Fitotóxico	150-200	5-10	10-20	20-30	60-170	15-20
Hiperacumulación	10 000	100	1 000	1 000	1 000	1 000
Hiperacumulación (nuevo enfoque)	3 000	100	1 000	1 000	300	300

Fuente: Gonzales et al (2017)

 

CONCLUSIONES

Existen una gran variedad de tecnologías que se pueden usar para tratar los efluentes mineros con cianuro, entre las que la biorremediación esta ganando mayor campo e importancia, principalmente por los resultados que se obtienen y porque es una tecnología amigable con el medio ambiente. La especie de microorganismo que entrega mejores resultados al momento de biodegradar el cianuro es el Pseudomonas y Bacillus, sin embargo; para que el proceso sea exitoso se debe controlar los factores de temperatura, pH, concentración de cianuro inicial, composición del medio, oxígeno y tiempo de exposición.

 

El tratamiento del DAM, es una actividad fundamental a tener en cuenta durante el diseño, operación y cierre de mina, debido a que la generación del DAM puede generar graves consecuencias medioambientales, especialmente, si llega a sistemas fluviales o a acuíferos subterráneos ya que tienen acceso directo a los seres vivos. Su tratamiento se puede realizar mediante tecnología de biorremediación usando técnicas biológicas que resultan amigables con el medio ambiente, si bien es cierto que hasta la fecha no existen investigaciones a gran escala, se ha visto mediante las pruebas que los resultados son positivos.

 

La fitorremediación es una técnica prometedora para realizar el saneamiento y restauración de suelos con concentraciones elevadas de metales pesados. El uso de estas plantas y microorganismos rizosféricos puede ser una estrategia de saneamiento ambiental factible en cualquier lugar. Claro que esta, su aplicación en un lugar determinado requerirá de un estudio profundo para determinar las plantas que mejor resultado otorguen.

 

La implementación de técnicas de fitorremediación es recomendable, debido a que generalmente no altera los ecosistemas, se realiza sin atentar contra ellos, es una técnica pasiva, amigable y sostenible con el medio ambiente; y se puede usar junto con métodos mecánicos tradicionales o en algunos casos en reemplazo de ellos; sin embargo, debe realizarse de forma controlada para evitar el paso de elementos en exceso a la cadena trófica.

 

El conocimiento de los procesos fisiológicos en la planta y los compuestos tóxicos, permite que se puedan seleccionar especies vegetales con mayores niveles de tolerancia hacia contaminantes específicos; y adicionalmente, por medio de modificaciones genéticas se puede incrementar la biomasa vegetal, su morfología, densidad radicular o penetración en profundidad, así como favorecer la existencia de asociaciones específicas entre microorganismos y raíces.

 

REFERENCIAS

Amezcua Ávila, A. V., Hernández Costa, E., & Díaz Vargas, P. (2020). Fitorremediación de residuos de mina contaminados con metales pesados. Revista Iberoamericana de Ciencias, 79-92. Obtenido de https://www.researchgate.net/publication/343380921

 

Bernal Figueroa, A. A. (2014). Fitorremediación en la recuperación de suelos: una visión general. Revista de Investigación Agraria y Ambiental, 5(2), 245-258. doi:https://doi.org/10.22490/21456453.1340

 

De la O-Villanueva, M., Meza Figueroa, D., Maier, R. M., Moreno, D., Gómez Álvarez, A., Del Río Salas, R., . . . Montijo, A. (2013). Procesos erosivos en jales de la Presa I de Nacozari de García, Sonora y su efecto en la dispersión de contaminantes. Boletín de la Sociedad Geológica Mexicana, 65(1), 27-38. Obtenido de https://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1405-33222013000100004

 

Costa Ruiz, K., Nuñes Gastelum, J. A., Delgado Rios, M., & Martinez Martinez, A. (2018). Biorremediación: Actualidad de conceptos y aplicaciones. Revista de Ciencias Biológicas y de la Salud, 21(1), 37-44. doi:https://doi.org/10.18633/biotecnia.v21i1.811

 

Gonzales Chávez, M. C., Carrillo Gonzáles, R., & Sánchez López, A. (2017). Definiciones y problemática en la investigación cinetífica en aspectos de fitorremediación de suelos. Agroproductividad, 10(4), 3-7. Obtenido de https://revista-agroproductividad.org/index.php/agroproductividad/article/view/987/845

 

Marrero Coto, J., Amores Sánchez, I., & Coto Pérez, O. (2012). Fitorremediación, una tecnología que involucra a plantas y microorganismos en el saneamiento ambiental. ICIDCA. Sobre los Derivados de la Caña de Azucar, 46(3), 52-61. Obtenido de http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=223124988007

 

Torres Rodríguez, D. (2003). El papel de los microorganismos en la biodegradación de compuetsos sólidos. Ecosistemas | Revista Científica y Técnica de Ecología y Medio Ambiente, XII(2), 1-5. Obtenido de http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=54012219