Biorremediación: organismos que limpian el ambiente
El crecimiento de la población y el avance de las
actividades industriales a partir del siglo XIX trajeron aparejados serios
problemas de contaminación ambiental. Desde entonces, los países generan más desperdicios,
muchos de ellos no biodegradables o que se degradan muy lentamente en la
naturaleza, lo que provoca su acumulación en el ambiente sin tener un destino
seguro o un tratamiento adecuado. De este modo, en lugares donde no existe
control sobre la emisión y el tratamiento de los desechos, es factible
encontrar una amplia gama de contaminantes. Habitualmente, los casos de
contaminación que reciben mayor atención en la prensa son los derrames de
petróleo. Pero, en el mundo constantemente están sucediendo acontecimientos de
impacto negativo sobre el medio ambiente, incluso en el entorno directo,
generados por un gran abanico de agentes contaminantes que son liberados al
ambiente. Un ejemplo lo constituyen
algunas industrias químicas que producen compuestos cuya estructura química
difiere de los compuestos naturales, y que son utilizados como refrigerantes,
disolventes, plaguicidas, plásticos y detergentes. El problema principal de
estos compuestos es que son resistentes a la biodegradación, por lo cual se
acumulan y persisten en el ambiente y lo perjudican tanto como a los seres
vivos, entre ellos el ser humano.
En las últimas décadas, entre las técnicas empleadas para
contrarrestar los efectos de los contaminantes, se comenzó a utilizar una
práctica llamada biorremediación. El término biorremediación fue acuñado a
principios de la década de los ‘80, y proviene del concepto de remediación, que
hace referencia a la aplicación de estrategias físico-químicas para evitar el
daño y la contaminación en suelos. Los científicos se dieron cuenta que era
posible aplicar estrategias de remediación que fuesen biológicas, basadas
esencialmente en la observación de la capacidad de los microorganismos de
degradar en forma natural ciertos compuestos contaminantes.
Entonces, la biorremediación surge como una rama de la
biotecnología que busca resolver los problemas de contaminación mediante el uso
de seres vivos (microorganismos y plantas) capaces de degradar compuestos que
provocan desequilibrio en el medio ambiente, ya sea suelo, sedimento, fango o mar.
Tipos de biorremediación
En los procesos de biorremediación generalmente se emplean
mezclas de ciertos microorganismos o plantas capaces de degradar o acumular
sustancias contaminantes tales como metales pesados y compuestos orgánicos
derivados de petróleo o sintéticos.
Básicamente, los procesos de biorremediación pueden ser de
tres tipos:
1-
Degradación enzimática
Este tipo de degradación consiste en el empleo de enzimas en
el sitio contaminado con el fin de degradar las sustancias nocivas. Estas
enzimas se obtienen en cantidades industriales por bacterias que las producen
naturalmente, o por bacterias modificadas genéticamente que son comercializadas
por las empresas biotecnológicas.
Por ejemplo, existe un amplio número de industrias de
procesamiento de alimentos que producen residuos que necesariamente deben ser
posteriormente tratados.
En estos casos, se aplican grupos de enzimas que hidrolizar
(rompen) polímeros complejos para luego terminar de degradarlos con el uso de microorganismos
(ver en la próxima sección). Un ejemplo lo constituyen las enzimas lipasas (que
degradan lípidos) que se usan junto a cultivos bacterianos para eliminar los
depósitos de grasa procedentes de las paredes de las tuberías que transportan
los efluentes.
Otras enzimas que rompen polímeros utilizados de forma
similar son las celulosas, proteinasas y amilasas, que degradan celulosa,
proteínas y almidón, respectivamente.
Además de hidrolizar estos polímeros, existen enzimas
capaces de degradar compuestos altamente tóxicos. Estas enzimas son utilizadas
en tratamientos en donde los microorganismos no pueden desarrollarse debido a
la alta toxicidad de los contaminantes. Por ejemplo, se emplea la enzima
peroxidasa para iniciar la degradación de fenoles y aminas aromáticas presentes
en aguas residuales de muchas industrias.
2- Remediación
microbiana
En este tipo de remediación se usan microorganismos
directamente en el foco de la contaminación. Los microorganismos utilizados en
biorremediación pueden ser los ya existentes (autóctonos) en el sitio
contaminado o pueden provenir de otros ecosistemas, en cuyo caso deben ser
agregados o inoculados
La descontaminación se produce debido a la capacidad natural
que tienen ciertos organismos de transformar moléculas orgánicas en sustancias
más pequeñas, que resultan menos tóxicas. El hombre ha aprendido a aprovechar
estos procesos metabólicos de los microorganismos. De esta forma, los
microorganismos que pueden degradar compuestos tóxicos para el ambiente y convertirlos
en compuestos inocuos o menos tóxicos, se aprovechan en el proceso de
biorremediación. De esta forma, reducen la polución de los sistemas acuáticos y
terrestres.
La gran diversidad de microorganismos existente ofrece
muchos recursos para limpiar el medio ambiente y, en la actualidad, esta área
está siendo objeto de intensa investigación.
Existen, por ejemplo, bacterias y hongos que pueden degradar
con relativa facilidad petróleo y sus derivados, benceno, tolueno, acetona,
pesticidas, herbicidas, éteres, alcoholes simples, entre otros. Los metales
pesados como uranio, cadmio y mercurio no son biodegradables, pero las
bacterias pueden concentrarlos de tal manera de aislarlos para que sean
eliminados más fácilmente.
Las actividades microbianas en el proceso de biorremediación
se pueden resumir en el siguiente esquema:
FIG 2: “METABOLISMO MICROBIANO”. Los microorganismos
ingieren contaminantes como fuente de carbono y algunos nutrientes como fósforo
y nitrógeno. La digestión de estos compuesto en sustancias más simples como
parte del metabolismo del microorganismo, puede resultar en la degradación del
compuesto en forma parcial (transformación) o total a dióxido de carbono (CO2)
y agua (H2O).
3. Remediación
con plantas (fitorremediación)
La fitorremediación es el uso de plantas para limpiar
ambientes contaminados. Aunque se encuentra en desarrollo, constituye una
estrategia muy interesante, debido a la capacidad que tienen algunas especies
vegetales de absorber, acumular y/o tolerar altas concentraciones de
contaminantes como metales pesados, compuestos orgánicos y radioactivos. La
fitorremediación ofrece algunas ventajas y desventajas frente a los otros tipos
de biorremediación:
Ventajas:
Las plantas pueden ser utilizadas como bombas extractoras
de bajo costo para depurar suelos y aguas contaminadas.
Algunos procesos degradativos ocurren en forma más rápida
con plantas que con microorganismos.
Es un método apropiado para descontaminar superficies
grandes o para finalizar la descontaminación de áreas restringidas en plazos
largos.
Limitaciones:
El proceso se limita a la profundidad de penetración de las
raíces o aguas poco profundas.
Los tiempos del proceso pueden ser muy prolongados.
La biodisponibilidad de los compuestos o metales es un factor
limitante de la captación.
Las plantas pueden incorporar las sustancias contaminantes
mediante distintos procesos que se representan en la siguiente ilustración y se
explican en la tabla que continúa:
FITORREMEDIACIÓN: Tipos de fitorremediación,
en donde se indica la zona de la planta en donde ocurre el proceso.|
Tipo
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Proceso Involucrado
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Contaminación Tratada
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Fitoextracción
|
Las plantas se usan para
concentrar metales en las partes cosechables (hojas y raíces)
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Cadmio, cobalto, cromo, niquel,
mercurio, plomo, plomo selenio, zinc
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Rizofiltración
|
Las raíces de las plantas se
usan para absorber, precipitar y concentrar metales pesados a partir de
efluentes líquidos contaminados y degradar compuestos orgánicos
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Cadmio, cobalto, cromo, niquel, mercurio, plomo,
plomo selenio, zinc isótopos radioactivos, compuestos fenólicos
|
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Fitoestabilización
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Las plantas tolerantes a
metales se usan para reducir la movilidad de los mismos y evitar el pasaje a
napas subterráneas o al aire.
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Lagunas de deshecho de
yacimientos mineros. Propuesto para fenólicos y compuestos clorados.
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Fitoestimulación
|
Se usan los exudados
radiculares para promover el desarrollo de microorganismos degradativos
(bacterias y hongos)
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Hidrocarburos derivados del petróleo y
poliaromáticos, benceno, tolueno, atrazina, etc
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Fitovolatilización
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Las plantas captan y modifican
metales pesados o compuestos orgánicos y los liberan a la atmósfera con la
transpiración.
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Mercurio, selenio y solventes clorados (tetraclorometano
y triclorometano)
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Fitodegradación
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Las plantas acuáticas y
terrestres captan, almacenan y degradan compuestos orgánicos para dar
subproductos menos tóxicos o no tóxicos.
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Municiones (TNT, DNT, RDX, nitrobenceno, nitrotolueno),
atrazina, solventes clorados, DDT, pesticidas fosfatados, fenoles y nitrilos,
etc.
|
Se conocen alrededor de 400 especies de plantas con
capacidad para hiperacumular selectivamente alguna sustancia. En la mayoría de
los casos, no se trata de especies raras, sino de cultivos conocidos. Así, el
girasol (Heliantus anuus) es capaz de absorber en grandes cantidades el uranio
depositado en el suelo. Los álamos (género Populus) absorben selectivamente
níquel, cadmio y zinc. También la pequeña planta Arabidopsis thaliana de gran
utilidad para los biólogos es capaz de hiperacumular cobre y zinc. Otras
plantas comunes que se han ensayado con éxito como posibles especies
fitorremediadoras en el futuro inmediato son el girasol, la alfalfa, la
mostaza, el tomate, la calabaza, el esparto, el sauce y el bambú. Incluso
existen especies vegetales capaces de eliminar la alta salinidad del suelo,
gracias a su capacidad para acumular el cloruro de sodio.
En general, hay plantas que convierten los productos que
extraen del suelo a componentes inocuos, o volátiles. Pero cuando se plantea
realizar un esquema de fitorremediación de un cuerpo de agua o un área de
tierra contaminados, se siembra la planta con capacidad (natural o adquirida
por ingeniería genética) de extraer el contaminante particular, y luego del
período de tiempo determinado, se cosecha la biomasa y se incinera o se le da
otro curso dependiendo del contaminante. De esta forma, los contaminantes
acumulados en las plantas no se transmiten a través de las redes alimentarias a
otros organismos.
Uso de organismos modificados genéticamente en
biorremediación
En los últimos años, los avances en ingeniería genética han
permitido el desarrollo de organismos transgénicos. Y la biorremediación hace
uso de esta nueva tecnología para resolver varios problemas de contaminación.
El futuro promete aún más.
Muchos grupos de investigación están desarrollando en el
laboratorio, plantas y microorganismos genéticamente modificados para ser
mejores agentes de biorremediación, es decir que degraden mejor o más
eficientemente a los agentes contaminantes.
Por ejemplo, se puede utilizar material genético de
bacterias resistentes a metales para insertarlo en el genoma de una planta que,
entonces, adquiriría esta nueva característica.
Un grupo de investigación utilizó un gen llamado merA, que
codifica para la enzima reductasa del ion mercúrico, altamente tóxico, que
cataliza su reducción hasta la forma volátil y poco tóxica de mercurio
elemental, gaseoso en condiciones de temperatura no muy elevadas. Estos investigadores,
consiguieron la transferencia del gen bacteriano merA a cultivos de Liriodendro
tulipifera (álamo amarillo). El gen se expresó adecuadamente en ese material
vegetal, de modo que las plántulas regeneradas germinaron y crecieron
vigorosamente en los medios de cultivo, que contenían niveles de iones mercurio
que son normalmente tóxicos, siendo capaces de captarlo en su forma iónica y de
reducirlo en el interior de la planta, tras lo cual era liberado en la forma
gaseosa no tóxica.
Esta investigación ha abierto el camino para que en el
futuro sea posible realizar plantaciones arbóreas transgénicas que, mediante
este proceso de fitovolatilización u otros parecidos, sean capaces de
descontaminar terrenos con altos niveles de contaminantes.
Se están perfeccionando nuevos métodos de biotecnología para
el tratamiento del agua, que eliminarán los compuestos que contengan fósforo,
nitrógeno y azufre. Este bioprocesamiento se está extendiendo a varios procesos
industriales, entre ellos los de las industrias petroquímicas, químicas y
mineras, con el uso de bacterias oxidantes.
La biorremediación mediante bacterias ofrece grandes
posibilidades de limpiar y descontaminar sistemas complejos y gracias a sus
ventajas económicas y ambientales será una de las tecnologías más desarrolladas
durante este siglo. Se están utilizando cepas especializadas de microorganismos
de alta actividad para tratar agentes contaminantes en diferentes sectores,
como las industrias que utilizan catalizadores, las textiles, las curtiembres,
el procesamiento de celulosa y almidón, la galvanoplastia, la minería, el
desengrasado y recubrimiento de superficies y la impresión.
Nuevos desarrollos biotecnológicos en plantas y bacterias
Entre los desarrollos biotecnológicos que se están llevando
a cabo para procesos de fitorremediación se encuentran los siguientes:
Rizofiltración
para la extracción de Uranio de aguas subterráneas en Asthabula, Ohio, EEUU.
Rizofiltración
a nivel de cultivo in vitro para detoxificar compuestos fenólicos en aguas
contaminadas (por ejemplo los derivados de los herbicidas tradicionales y
contaminantes como el 2,4-D) en la Universidad Nacional de Río Cuarto, Córdoba
por el grupo de investigación de la Dra. Elizabeth Agostini.
Fitovolatilización
de mercurio (Hg) por medio de plantas transgénicas (Arabidopsis thaliana) que fueron
transformadas con dos genes provenientes de microorganismos que pueden
transformar el mercurio iónico en mercurio más estable.
Plantas
transgénicas de tabaco con genes provenientes de bacterias que le permiten
detoxificar TNT y GTN en suelos de campos minados.
Plantas
transgénicas de Arabidopsis thaliana que toleran la acumulación de cadmio,
arsénico y mercurio. Bacterias
Pseudomonas transgénicas que son capaces de degradar compuestos tóxicos que
contienen cloro en compuestos menos nocivos.
Microorganismos
capaces de degradar TNT, un explosivo de gran potencia y muy agresivo para el
entorno.
Bacterias
capaces de reducir las formas altamente tóxicas de mercurio en otras menos
tóxicos y volátiles.
Bacterias
que transforman metales del suelo en formas menos tóxicas o insolubles. Por
ejemplo: la reducción de cromo (Cr+6 a Cr+3).
La
utilización de la bacteria Deinococcus radiodurans para eliminación de
elementos radiactivos presentes en el suelo y aguas subterráneas. Este
microorganismo es un extremófilo que resiste condiciones extremas de radiación,
sequedad, agentes oxidantes y diversos compuestos mutagénicos.
Cianobacterias
a las que se le han introducido genes de bacterias Pseudomonas con capacidad de
degradar diferentes hidrocarburos o pesticidas.
ACTIVIDADES
Actividad 1. Revisión de conceptos Elegir la/s respuesta/s
correctas en las siguientes opciones múltiples:
1- En la limpieza de aguas residuales se emplean microorganismos
porque...
a-...son descomponedores naturales.
b-...emplean todas las sustancias como alimentos.
c-...obtienen energía aún de los compuestos venenosos.
d- Ninguna opción es correcta.
2- La biorremediación involucra...
a-...el uso de organismos vivos.
b-...el uso de compuestos sintéticos.
c-...el uso de “remedios”.
d-...el uso de componentes celulares.
e-...el uso de enzimas libres.
3- Algunas estrategias para ayudar al ecosistema a
remediarse pueden ser...
a-...agregar nutrientes para estimular el crecimiento de las
poblaciones naturales.
b-...permitir que el ecosistema naturalmente logre su
saneamiento.
c-...introducir microorganismos exógenos dentro del
ecosistema.
d- Todas las respuestas son correctas.
4- Existen microorganismos que pueden...
a-...recuperar metales preciosos.
b-...limpiar vertidos peligrosos.
c-…vivir en las raíces de las plantas y degradar compuestos
tóxicos.
2- La biorremediación involucra...
a-...el uso de organismos vivos.
b-...el uso de compuestos sintéticos.
c-...el uso de “remedios”.
d-...el uso de componentes celulares.
e-...el uso de enzimas libres.
3- Algunas estrategias para ayudar al ecosistema a
remediarse pueden ser...
a-...agregar nutrientes para estimular el crecimiento de las
poblaciones naturales.
b-...permitir que el ecosistema naturalmente logre su
saneamiento.
c-...introducir microorganismos exógenos dentro del
ecosistema.
d- Todas las respuestas son correctas.
4- Existen microorganismos que pueden...
a-...recuperar metales preciosos.
b-...limpiar vertidos peligrosos.
c-…vivir en las raíces de las plantas y degradar compuestos
tóxicos.
Actividad 3. Análisis de noticias
En la siguiente actividad se propone analizar los siguientes
textos y responder las preguntas que se realizan a continuación.
Artículo 1
Descubren las bases moleculares de la acumulación y la tolerancia a metales
pesados en plantas
Publicado el 11/12/2003 en la sección Novedades de Biotecnología del sitio
“Por qué Biotecnología” www.porquebiotecnologia.com.ar
Científicos del Instituto Max
Planck difundieron la semana pasada un estudio en el que se develan las bases
moleculares de la acumulación de metales y la tolerancia a los mismos en las plantas. El estudio se realizó comparando
los perfiles de expresión de los genes de Arabidopsis thaliana y Arabidopsis
alleri. A. alleri es una planta que vive de forma natural en suelos con
alto contenido en cadmio y zinc y que muestra además una gran tolerancia a
otros metales pesados. La planta acumula estos metales en las vacuolas
celulares de determinados tejidos. La investigación se basa en el parentesco
entre A. alleri y A. thaliana, ya que se conoce el genoma
completo de esta última especie, considerada modelo para investigación en
fisiología y genética vegetal. A. thaliana tiene una tolerancia limitada
a los metales pesados, acumulándolos en cierta medida en sus raíces, mientras
que A. alleri los acumula en mucha mayor proporción y también en su
parte aérea. Comparando la homeostasis de los metales de ambas plantas y sus
ARN mensajeros utilizando chips genéticos (microarrays) se han identificado las
secuencias que corresponden a las proteínas claves en el secuestro y la
detoxificación de los metales, así como en su traslocación dentro de la planta.
Este descubrimiento puede ser clave para conseguir plantas que crezcan en
condiciones hostiles, lo que podría tener su aplicación práctica en agricultura
de ciertas zonas y en la descontaminación (biorremediación) de suelos.
Preguntas guía
para analizar el Artículo 1:
1. ¿Qué especies se utilizaron en esta
investigación
2. ¿Por qué creen que seleccionaron
estas dos especies?
3. ¿Cuáles
son las características particulares de cada una de ellas?
4. ¿Por qué se comparan los ARNm de las
dos especies5. ¿Cuáles son
las potenciales aplicaciones de este descubrimiento en el área agronómica y el
cuidado del medio ambiente
Artículo 2
Modifican bacterias que viven en las plantas para
ayudar con la limpieza del medio ambiente
Publicado el 15/04/2004 en la sección Novedades de Biotecnología del sitio
“Por qué Biotecnología” www.porquebiotecnologia.com.ar
El uso de plantas para limpiar
o restaurar el medio ambiente se denomina fitorremediación, y como toda
tecnología, suele tener sus limitaciones. Por ejemplo, los compuestos
contaminantes o sus metabolitos pueden matar o dañar a las plantas, o volver al
medio ambiente por evaporación en las hojas. Pero un grupo de investigadores
del Departamento de Energía del Laboratorio Nacional Brookhaven de Estados
Unidos y sus colegas de Bélgica encontraron una manera para mejorar el proceso:
transferir genes de bacterias del suelo que normalmente degradan contaminantes
a bacterias que residen en las plantas. Mostraron que esta estrategia puede
emplearse en fitorremediación y, usando estas bacterias “reforzadas”,
aumentaron la capacidad de las plantas de degradar tolueno. “Lo que hicimos fue
introducir los genes correspondientes a una vía metabólica de degradación en
bacterias que residen en las plantas. Inoculando las plantas con estas
bacterias, denominadas “endófitas”, podríamos hacer que las plantas sean
capaces de degradar una gran variedad de contaminantes orgánicos”, dijo Daniel
van der Lelie, uno de los investigadores en el proyecto. Los científicos
empezaron introduciendo los genes de una bacteria que degrada tolueno en otra
bacteria que coloniza naturalmente las raíces y tallos de una planta modelo. Seleccionaron
las bacterias endófitas que habían adquirido la capacidad de degradar tolueno y
las usaron para inocular las plantas. Al cabo de un tiempo, confirmaron que las
raíces y brotes estaban colonizados por bacterias capaces de crecer en un medio
de cultivo con tolueno. Probaron, además, que las plantas inoculadas también
podían crecer en presencia de tolueno, en condiciones en las que las plantas
sin inocular morían. Aún más, vieron que las plantas inoculadas con las
bacterias endófitas modificadas liberaban tres o cuatro veces menos tolueno a
la atmósfera. El próximo paso es probar la técnica en álamos y sauces, que son
árboles de raíces profundas usados en fitorremediación. “En los árboles, los
contaminantes suelen demorar muchas horas o días hasta alcanzar las hojas. Eso
nos da el tiempo suficiente como para conseguir una degradación eficiente con
las bacterias endófitas”, agregó van der Lelie. Los científicos ya aislaron 150
especies de bacterias que viven como endófitas en los álamos, e iniciaron experimentos
para ver cuáles serían las más fáciles de modificar genéticamente.
Preguntas guía
para analizar el Artículo 2:
1. ¿Cuáles son los individuos
estudiados que se mencionan en el artículo y cuáles son las características de
cada uno de ellos
2. ¿Cuál de ellos son los que
metabolizan sustancias contaminantes?
3. En el artículo se menciona que
usarán “bacterias reforzadas”. ¿Qué quieren decir estos términos?
4. Las plantas utilizadas en este
estudio, ¿son transgénicas?
5. ¿Cuáles son las perspectivas que
tienen los investigadores a partir de los resultados obtenidos?
