Biorremediación: aprovechando la biotecnología en la lucha contra la contaminación

Microbiología

La contaminación del suelo, aguas subterráneas y medio ambiente en general con sustancias químicas tóxicas es un grave problema a nivel mundial. Esto ha llevado a buscar métodos alternativos a la excavación y la incineración para limpiar los lugares contaminados, como por ejemplo la biorremediación

La combinación de métodos fisicoquímicos y microbiológicos (bacterias y hongos) apoyados por plantas (hiperacumuladoras), es un enfoque prometedor para reducir las sustancias químicas acumuladas.

¿Sabes en qué consiste la biorremediación?

Este término fue introducido en 1930 por Tausz y Donath.

Se puede definir como cualquier proceso biotecnológico que utiliza plantas, hongos, levaduras, bacterias o enzimas derivadas de ellos para recuperar un medio ambiente alterado por contaminantes (terrestre y acuático).

La biorremediación se fundamenta en reacciones químicas redox (reducción-oxidación) para el crecimiento de microorganismos y plantas. Estos obtienen energía y biomoléculas mediante la oxidación de compuestos reducidos (contaminantes) catalizando el proceso con enzimas.

Fundamento de la biorremediación
Metabolismo redox como fundamento de la degradación de contaminantes (biorremediación). Fuente: Charo Céspedes Rubio

Los efectos negativos de los contaminantes sobre el medio ambiente y la salud humana son diversos y dependen de la naturaleza de la contaminación. 

Son ejemplos de contaminación del medio ambiente:

  • Contaminación con hidrocarburos del petróleo y compuestos fenólicos: un gran problema en la era de la industrialización y la alta tecnología. Los hidrocarburos líquidos forman una película en la superficie que impide el paso de la luz, la oxigenación y fijación de nitrógeno en el suelo, afectando gran parte de su flora bacteria. Se intenta contrarrestar este daño en superficies donde se ha derramado petróleo crudo con el uso de fertilizantes a base de nitratos y sulfatos que estimulan la producción de bacterias nativas y exógenas facilitando así su descomposición.
Imagen de vertido de petróleo en el mar. Fuente Elisa divulga
  • Contaminación  por acúmulo de oxianiones no metálicos, metálicos y metaloides debido a actividades como: el crecimiento industrial, turismo, desarrollo urbanístico, minería, agricultura, etc. Estas actividades incrementan el consumo de petróleo y derivados, aumentando el nivel de residuos que favorecen la acumulación de desechos tóxicos lo que amenaza la sostenibilidad de los ecosistemas naturales y afecta al desarrollo humano.
Vertido de deshechos industriales en el agua. Fuente: Aquae fundación

Desde esta perspectiva, el uso de microorganismos emerge como una estrategia complementaria a los métodos físicos, mecánicos y químicos que se han venido utilizando.

Ventajas de la biorremediación frente a la remediación química o física:

  • No produce desechos significativos, ni en cantidad ni en toxicidad
  • Tiene poca demanda de energía
  • Es más económica que todas las otras estrategias utilizadas
  • Funciona como complemento o secundaria a otras técnicas
  • No causa daño en el medio ambiente y es un proceso sencillo

Desventajas:

  • Requiere periodos de tratamiento más prolongados que los de tipo físico o químico
  • No se consigue una eliminación completa del contaminante
  • No se puede utilizar cuando las concentraciones de contaminantes son muy altas

Tipos de biorremediación

Según la estrategia

  • Bioestimulación: incorpora nutrientes o modifica variables ambientales (como el pH) para favorecer el crecimiento de los organismos que ya habitan en el medio a tratar.
  • Bioaumentación: incorpora a un ambiente contaminado organismos que tienen la capacidad de degradar el compuesto.

Según donde se hace

  • In situ: se lleva a cabo en el mismo lugar donde está el contaminante, sin necesidad de trasladar el sustrato. Se utiliza cuando hay volúmenes muy grandes de agua o suelo contaminados. Se hace a través de procesos como biolabranza, bioaireación, bioestimulación y bioaumentación.
  • Ex situ: cuando el agua o suelo contaminado se extrae y se trata en instalaciones específicas para ello. Se emplea para volúmenes pequeños, utilizando compostaje, biorreactores y acciones físicas como temperatura, pH o humedad.

Según qué se utiliza

  • Fitorremediación mediante el uso de plantas de diferentes tipos:
    • Algunas sintetizan exudados radiculares que estimulan el crecimiento y supervivencia de microorganismos, facilitándoles la biodegradación de los contaminantes orgánicos.
    • Otras absorben los contaminantes a través del sistema radicular, lo que permite a los microorganismos crecer y penetrar capas más profundas del suelo.
    • También se pueden inocular bacterias degradadoras de contaminantes en semillas de plantas mejorando la eficacia de la bioaumentación.
    • Ejemplos de plantas utilizadas: Thlaspi caerulescens que absorbe cadmio y Chrysopogon zizanioides que absorbe zinc y plomo.
  • Enzimática: mediante el uso exclusivo de enzimas como las mono- o di-oxigenasas, reductasas, dehalogenasas, fosfotriesterasas.
  • Microbiana: uso de bacterias y hongos capaces de metabolizar los compuestos contaminantes mediante su degradación, estimulación del crecimiento de las plantas y apoyo al suministro de nutrientes. Estos microorganismos se adaptan al medio contaminado utilizando esos compuestos como fuente de carbono.
    • Un ejemplo de un hongo utilizado es el Pycnoporus sanguineus que tiene una alta eficacia en la absorción de metales pesados en solución acuosa, en particular plomo, cadmio y cobre. También las cianobacterias (Spirulina) y las algas verdes se utilizan en biorremediación de hidrocarburos.
Clasificación de la biorremediación. Fuente: Charo Céspedes Rubio.

En cualquiera de estos tipos los resultados dependen de las características físico-químicas de la zona a tratar, la extensión de la misma y la clase de contaminante.

En cuanto a la biorremediación microbiana, existen varias opciones para los procesos. Me centraré en el papel de la Pseudomonas, bacteria que destaca debido a su gran versatilidad en el uso de fuentes de carbono.

¿Hablamos entonces de las Pseudomonas?

La Pseudomonas es un bacilo Gram negativo, oxidasa y catalasa positiva. Degrada la glucosa, flagelado y anaerobio estricto que puede crecer a una temperatura mínima de 4 ºC, óptima de 35 ºC y máxima de 41 ºC en un 30 a 90% de humedad y un pH menor de 6.

Puede vivir en diversos ambientes; (tanto terrestres como acuáticos) e incluso, en tejidos animales y vegetales. Tienen la capacidad de metabolizar el nitrato. Algunas son psicrófilas (amantes del frío) y otras siderófilas (transportadoras de hierro. .

Comprenden el 3 al 15 % de las bacterias presentes en el suelo. Las cepas de Pseudomonas procesan, integran y reaccionan a múltiples condiciones cambiantes del medio ambiente (físico-químicas y biológicas), coordinándose mediante quorum sensing. Por todo esto, tienen una gran versatilidad metabólica clave para reducir contaminantes en diversos ambientes..

Representación de Pseudomona auriginosa. Fuente: Microbiome signaturas.

Además de su uso en biodegradación, también se emplean en procesos industriales como fabricación de bioplásticos y técnicas de biocontrol.

Estas bacterias tienen la capacidad de metabolizar compuestos aromáticos mono y policíclicos, gracias a las oxigenasas que descomponen estructuras termodinámicamente estables y químicamente inertes.

También presentan un elevado número de oxidorreductasas en su genoma, lo que las hace excelentes candidatas para la descomposición de oxianiones. Detecta y adsorbe en mayor o menor medida iones metálicos como mercurio, plomo, cobre, cobalto, cadmio, cesio…

Especies de Pseudomonas más utilizadas

Principales especies de Pseudomona utilizadas en biorremediación. Fuente: Charo Céspedes Rubio.

Pseudomonas aeruginosa

Es un patógeno oportunista que afecta al humano, especialmente a pacientes inmunodeprimidos, causando complicaciones sobre todo en vías respiratorias.

Varias de sus cepas tienen gran capacidad desintoxicante de contaminantes orgánicos e inorgánicos del suelo, siendo muy útil en procesos de descontaminación por metales pesados. Su resistencia a hidrocarburos alifáticos y aromáticos, metales pesados, antimicrobianos y detergentes, la hacen sobrevivir y colonizar ambientes difíciles de alanzar por otros microorganismos.

Son muy utilizadas en la limpieza de petróleo y derivados gracias a que los convierte en subproductos simples como dióxido de carbono y agua. Utiliza y degrada n-alcanos entre 11 y 40 átomos de carbono, llegando a un 60% de efectividad usando el CO2 como sustrato.

La P. auriginosa tiene gran capacidad para remediar estanques de desechos con bajas concentraciones de cobre (hasta un 30%) y de arsénico de aguas subterráneas (hasta en un 60%).

Pseudomonas putida

Es fácil de manipular genéticamente. Se considera un saprófito del suelo y metabólicamente es muy versátil. Degrada fácilmente organofosforados. Especialmente la cepa KT2440, se utiliza cada vez más como huésped para biotransformaciones a nivel industrial y medioambiental. El fundamento de su rendimiento se basa en su metabolismo redox, su capacidad para tolerar distintas tensiones fisicoquímicas, su rápido crecimiento, su metabolismo versátil, su naturaleza no patógena y la disponibilidad de herramientas moleculares para modificarla genéticamente.

Estos atributos la hacen una excelente candidata en procesos de ingeniería en la producción de sustancias químicas o la degradación de contaminantes ambientales. Además, se han introducido modificaciones en las propiedades físicas de las células para mejorar su rendimiento catalítico, convirtiéndola en un elemento clave para la biología sintética.

Pseudomonas fluorecens

Es una especie con gran facilidad para oxidar sustratos. Promueve el crecimiento de las plantas y tiene un gran potencial de degradación de compuestos orgánicos debido a la presencia de plásmidos y transposones autotransmisibles.

Pseudomonas syringae

Es un patógeno  con más de 50 variantes que se ha encontrado en suelos limpios y contaminados. Predomina en la rizosfera (parte del suelo que rodea las raíces) de las plantas, también en ambientes acuáticos (agua dulce y salada), lo que hace que tenga una amplitud notable de hospedadores.

En cuanto a la virulencia, emplea conjuntos de proteínas efectoras secretadas de tipo III (T3SE) que varían en composición y función. Estas proteínas actúan sobre varios objetivos intracelulares de las plantas para promover la patogénesis, pero también pueden ser factores de virulencia cuando son detectados por los complejos inmunes del hospedador.

Algunos casos donde se han utilizado Pseudomonas

En Perú 2020

Se hizo un estudio de un suelo contaminado con hidrocaburo para remediarlo utilizando Pseudomonas.

La empresa de Petróleos de la Selva (Ex Maple gas) proporcionó el suelo contaminado. Se cuantificó la concentración de hidrocarburo que contenía antes del proceso de biorremediación. Se aislaron cepas de Pseudomonas presentes en ese suelo y se multiplicó su número mediante el uso de biorreactores.

Se observó que la cantidad de bacterias iba disminuyendo conforme degradaban el contaminante, pues se iba reduciendo este “nutriente”.

En Ecuador 2018

Se evaluó la capacidad de P. fluorescens en suelos de la Amazonía ecuatoriana contaminados con hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAPs) y con hidrocarburos totales de petróleo (TPHs).

Se analizaron muestras In situ y Ex situ mediante bioaumentación de P. fluorescens observando mayor degradación con mayor concentración de bacterias.

En Long Beach California 2006

Aplicaron biorremediación in situ en suelos contaminados con aceite diésel mediante el uso de microorganismos autóctonos adicionando nutrientes y oxígeno (bioestimulación) e inoculando más bacterias presentes en el mismo suelo (bioaumentación), consiguiendo mayor degradación del contaminante. En este caso utilizaron Bacilus cereus, B. fusiformis, Acinetobacter junii y Pseudomonas.

Conclusiones

La biorremediación con Pseudomonas se presenta como una alternativa sostenible, eficiente y rentable a los métodos tradicionales de limpieza ambiental. Su capacidad para degradar una amplia gama de contaminantes, incluyendo hidrocarburos, metales pesados y compuestos orgánicos volátiles, la convierte en una solución versátil y adaptable a diversos escenarios.

Al aprovechar el poder de los microorganismos, la biorremediación ofrece numerosos beneficios ambientales, como la reducción de la contaminación del suelo y del agua, restaurando los ecosistemas. Además, su enfoque natural y ecológico minimiza el impacto ambiental a largo plazo, lo que la convierte en una opción atractiva para un futuro más sostenible.

Bibliografía

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