LA BIOTECNOLOGÍA Y SUS APLICACIONES AMBIENTALES

Msc. Blgo. Herry Lloclla Gonzales

Según el Convenio sobre Diversidad Biológica de 1992,  la biotecnología podría definirse como

"Toda aplicación tecnológica que utilice sistemas biológicos y organismos vivos o sus derivados para la creación o modificación de productos o

procesos para usos específicos".

APLICACIONES DE LA BIOTECNOLOGÍA

¿QUÉ ES DESARROLLO SOSTENIBLE?

SATISFECER NECESIDADES

DE LAS GENERACIONES

PRESENTES

SIN COMPROMETER POSIBILIDAES DE LAS DEL FUTURO

La expansión de las actividades económicas ha puesto en riesgo la

capacidad de carga del sistema, que tiende a ser sobrepasada

TECNOLOGÍAS DE

TRATAMIENTO

El término “tecnología de tratamiento”“tecnología de tratamiento” implica cualquier operación unitaria o serie de

operaciones unitarias que altera la composición altera la composición de una sustancia peligrosa o contaminantede una sustancia peligrosa o contaminante a

través de acciones químicas, físicas o biológicasacciones químicas, físicas o biológicas de manera que reduzcan la toxicidad, movilidad reduzcan la toxicidad, movilidad

o volumen del material contaminadoo volumen del material contaminado (EPA, 2001).

Al tratamiento para remediar sitios contaminados, utilizando diversas tecnologías se le conoce con el

nombre genérico de remediación remediación

Factores de selección :

El concepto de remediación Hace referencia a la aplicación de estrategias biológicas, físico- químicas para evitar el daño y contaminación de ambientes

C.1) Tto. Biológico o Biorremediación

Actividades metabólicas de :

Bacterias

HongosPlantas

Algas

C.2) Tto. Físico – Químico

En este caso se aprovechan las propiedades físicas y/o químicas de los contaminantes o del medio contaminado, para destruir, separar o contener la contaminación. Ejm. extracción con aire de COV.

C.3) Tto. Térmico

Se utiliza el calor para incrementar la volatilización, separación, quemar, descomponer o fundir (inmovilizar) los contaminantes. Ejm. Tto de suelos con vapor .

QUE ES LA BIORREMEDIACION?

Biorremediación

Vida “Remediar”= Resolver un problema

Bio-Remediar= usar organismos biológicos para resolver un problema.

Biorremediación   Se refiere al espectro de métodos que utilizan organismos

(como bacterias, plantas, hongos, etc.) o productos metabólicos obtenidos a partir de ellos para degradar contaminantes orgánicos peligrosos o convertir contaminantes inorgánicos en compuestos ambientalmente menos tóxicos o no tóxicos.

PRINCIPIO DE LA BIORREMEDIACION

La biorremediación se basa en la idea de que los organismos son capaces de tomar cosas del ambiente y usarlas para su crecimiento, toman sustancias contaminadas del medio ambiente y las conviertan en una forma no tóxica. Algunas bacterias, protistas, y hongos son muy buenos en la degradación de moléculas complejas.

PROCESO DE LA BIORREMEDIACION

1. Los microorganismos producen enzimas que “rompen” la molécula contaminante en partes digeribles.

2. El contaminante es ingerido y digerido por la célula como nutriente junto con otras fuentes de energía.

OBJETIVOConvertir sustancias que son peligrosas para los organismos vivos a productos inertes, de manera que solo queden desechos inofensivos de dichas sustancias.

Ambientes contaminados

Esta estrategia biológica depende de las actividades catabólicas de los organismos, y por consiguiente de su capacidad para utilizar los contaminantes como fuente

de alimento y energía (Van Deuren y col., 1997).

Las rutas de biodegradación de los contaminantes orgánicos, varían en función de la estructura química

del compuesto y de las especies microbianas degradadoras.

El proceso de biorremediación incluye:Reacciones de oxido-reducciónProcesos de intercambio iónico, e incluso Reacciones de acomplejamiento y quelación que resultan en la inmovilización de metales (Eweis y col., 1998).

La biorremediación puede:

Emplear organismos propios del sitio contaminado (autóctonos) o de otros sitios (exógenos) Realizarse in situ o ex situEn condiciones aerobias (en presencia de oxígeno) o anaerobias (sin oxígeno)

Los procesos de biorremediación, aunque no todos los compuestos orgánicos son susceptibles a la biodegradación, se han usado con éxito para tratar suelos, agua residual , lodos y sedimentos contaminados con:

Hidrocarburos del petróleo , Solventes (benceno y tolueno), Explosivos (TNT), Clorofenoles (derivados del benceno), Pesticidas , Residuos orgánicos , Conservadores de madera (creosota) e Hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAPs)

Tipos de Biorremediación

Microorganismos

Fuente de carbono: contaminante

Nutrientes: Fosforo, Nitrógeno y otros

Mineralización: contaminante transformado en CO2 y H2O

Mineralización: contaminante transformado en CO2 y H2O

Transformación: contaminante

modificado

Transformación: contaminante

modificado

PROCESO DE BIORREMEDIACIÓN

• ESCASA TRANSPARENCIA

• BAJOS NIVELES DE OXÍGENO

• ALTAS CARGAS ORGANICAS Y NUTRIENTES

• SEDIMENTO HISTÓRICO

AGUA

SEDIMENTO

PROCESO DE BIORREMEDIACION

• TRATAMIENTO BIOLOGICO POTENCIADO Y DIRIGIDO

• APLICACIÓN DEL INÓCULO A DISTINTA PROFUNDIDAD

SEDIMENTO

AGUA

PROCESO DE BIORREMEDIACION

• DIFUSIÓN DEL INÓCULO A TRAVÉS DE LOS INTERSTICIOS

SEDIMENTO

AGUA

PROCESO DE BIORREMEDIACION

• DIFUSIÓN DEL INÓCULO A TRAVÉS DE LOS INTERSTICIOS

SEDIMENTO

AGUA

PROCESO DE BIORREMEDIACION

• INICIO INMEDIATO DE LA ACTIVIDAD

SIGUIENTE

SEDIMENTO

AGUA

PROCESO DE BIORREMEDIACION

• PRIMERAS MANIFESTACIONES EN LA MATRIZ AGUA.

• MEJORA DE LA TRANSPARENCIA

SEDIMENTO

AGUA

PROCESO DE BIORREMEDIACION

• REDUCCIÓN DEL ESPESOR DE LOS SEDIMENTOS

SEDIMENTO

AGUA

PROCESO DE BIORREMEDIACION

• INCREMENTO DE LOS NIVELES DE OXÍGENO EN EL AGUA

• ELIMINACIÓN DE OLORES MOLESTOS

SEDIMENTO

AGUA

PROCESO DE BIORREMEDIACION

• AUMENTO DE LA TRANSPARENCIA

SEDIMENTO

AGUA

PROCESO DE BIORREMEDIACION

• PROLIFERACIÓN DE PLANTAS ACUATICAS

SEDIMENTO

AGUA

PROCESO DE BIORREMEDIACION

• ACUSADA REDUCCIÓN DEL SEDIMENTO

SEDIMENTO

AGUA

PROCESO DE BIORREMEDIACION

• TRANSPARENCIA TOTAL DEL AGUA

SEDIMENTO

AGUA

PROCESO DE BIORREMEDIACION

• RECUPERACION DE LAS CONDICIONES APROPIADAS PARA LA VIDA ACUATICA

SEDIMENTO

AGUA

PROCESO DE BIORREMEDIACION

• RECUPERACION DE LAS CONDICIONES APROPIADAS PARA LA VIDA ACUATICA

SEDIMENTO

AGUA

PROCESO DE BIORREMEDIACION

• RECUPERACION DE LAS CONDICIONES APROPIADAS PARA LA VIDA ACUATICA

SEDIMENTO

AGUA

PROCESO DE BIORREMEDIACION

• RECUPERACION DE LAS CONDICIONES APROPIADAS PARA LA VIDA ACUATICA

SEDIMENTO

AGUA

PROCESO DE BIORREMEDIACION

• RECUPERACION DE LAS CONDICIONES APROPIADAS PARA LA VIDA ACUATICA

SEDIMENTO

AGUA

A. Tecnologías in situ

Las técnicas in situ buscan estimular y crear un ambiente favorable para el crecimiento microbiano a

partir de los contaminantes.

Este objetivo generalmente puede lograrse con:

El suministro de aire u oxígeno (bioventeo)El suministro de nutrientes (bioestimulación)El suministro de microorganismos (bioaumentación) y/o humedad, además del control de Tº y Ph

BIORREMEDIACION

ATENUACION NATURAL IN SITU EX SITU

BIOESTIMULACION BIOAUMENTACION

BIOESTIMULACIONBIOESTIMULACION BIOAUMENTACION

Se utilizan microorganismos endógenos para degradarcontaminantes (subsuelo/aguas subterráneas contaminadas).Se estimula la actividad biológica de la bacteria por medio de la inyección de aire a través de los pozos. Estos se instalan en varios puntos del área contaminada, y a través de ellos se inyectan tambiénnutrientes.

Se adiciona un consorcio de microorganismosdegradadores del contaminante.Este consorcio desarrollado en el laboratorio es enriquecido con nutrientes en una solución bioactiva, la cual esinyectada a una profundidad determinada en los pozos monitoreados.

ALTAMENTE EFECTIVOSALTAMENTE EFECTIVOS

Bioventeo

El bioventeo es una tecnología relativamente nueva

Su objetivo es estimular la biodegradación natural de cualquier compuesto biodegradable en condiciones

aerobias.

El aire se suministra en el sitio contaminado a través de:

pozos de extracciónpor movimiento forzado (extracción o inyección) con bajas velocidades de flujo

El fin es proveer solamente el oxígeno necesario para sostener la actividad de los microorganismos

degradadores

Aplicaciones

Se utiliza para:

Tratar compuestos orgánicos biodegradables semivolátiles (COSs) o no volátiles.

Favorecer la degradación de contaminantes adsorbidos

Degradar COVs, por medio de su movimiento a través del suelo biológicamente activo

Remediar suelos contaminados con HTPs, solventes no clorados, pesticidas y conservadores de la madera, entre algunos otros químicos

Bioestimulación

La bioestimulaciónbioestimulación implica la circulación de soluciones acuosas (que contengan nutrientes y/u oxígeno) a través del suelo contaminado,

para estimular la actividad de los microorganismos autóctonos, y mejorar así la biodegradación de contaminantes orgánicos o

bien, la inmovilización de contaminantes inorgánicos in situ (Van Deuren y col., 1997)

Aplicaciones

Se ha usado con éxito para remediar suelos contaminados con

GasolinaCOVsCompuestos organicos sintetico (COSs), y Pesticidas

Estudios a escala piloto, han mostrado la biodegradación de suelos contaminados con desechos de municiones.

Limitaciones

Esta tecnología no es recomendable porque pueden provocar limitaciones en la transferencia de O2 para suelos arcillosos altamente estratificados o demasiado heterogéneos

BioaumentaciónEsta tecnología se utiliza cuando se requiere el tratamiento inmediato de un sitio contaminado, o cuando la microflora autóctona es insuficiente en número o capacidad degradadora.

Consiste en la Consiste en la adición de microorganismos vivos, que , que tengan la capacidad para degradar el contaminante en tengan la capacidad para degradar el contaminante en cuestión, para promover su biodegradación o su cuestión, para promover su biodegradación o su biotransformación. biotransformación.

El tamaño del inóculo a utilizar, depende de:tamaño de la zona contaminada, la dispersión de los contaminantes y la velocidad de crecimiento de los microorganismos degradadores (Riser-Roberts, 1998).

Aplicaciones

Se ha usado para tratar suelos contaminados con

Herbicidas (2,4-D, clorofam)Insecticidas (lindano, clordano, paratión), clorofenoles (PCP) y Nitrofenoles, BPCs, HTPs y HAPs (Alexander, 1994)

También se ha aplicado efectivamente para tratar desechos con concentraciones relativamente altas de metales (Eweis y col., 1998).

BiolabranzaDurante el proceso de biolabranza, la superficie del suelo contaminado es tratado en el mismo sitio por medio del arado. El suelo contaminado se mezcla con agentes de volumen y nutrientes, y se remueve periódicamente para favorecer su aireación.

Diferencia entre le biolabranza y el composteoDiferencia entre le biolabranza y el composteo

En la biolabranzabiolabranza, se mezcla el suelo contaminado con suelo limpioEn el composteocomposteo generalmente se realiza sobre el suelo (Van Deuren y col., 1997).

LANDFARMINGLANDFARMING

Aplicaciones

Los contaminantes tratados con éxito por biolabranza, incluyen :

DieselGasolinasLodos aceitososPCP, creosota y Coque, Además de algunos pesticidas y HTPs (Alexander, 1994).

Tecnología de gran escala. Se practica en USA, Canadá, Reino Unido, Holanda, Suiza, Dinamarca, Francia y Nueva Zelanda (Reiser-Roberts, 1998).

Limitaciones

La biolabranza debe manejarse con cuidado para prevenir la contaminación de acuíferos, superficies de agua, aire o en la cadena alimenticia.

El mayor problema es la posibilidad de lixiviados de los contaminantes hacia suelo y agua.

Por la incorporación de suelo contaminado en suelo limpio, se genera un gran volumen de material contaminado.

No es recomendable su uso para contaminantes diluidos, ni tampoco cuando no todos los contaminantes son biodegradables (Van Deuren y col., 1997).

B. Tecnologías ex situ

Los procesos de biorremediación ex situ, incluyen:

(i) Procesos de biodegradación en fase de lodos, en donde el suelo se mezcla con agua (para formar un lodo), microorganismos y nutrientes; y

(ii) Procesos de biodegradación en fase sólida, en donde los suelos se colocan en una celda de tratamiento (composteo) o sobre membranas impermeables (biolabranza), en donde se agrega agua y nutrientes (EPA, 2001).

Biorremediación en fase sólida

(composteo)

El composteo es un proceso biológico controlado, por el cual pueden tratarse suelos y sedimentos contaminados con compuestos orgánicos biodegradables, para obtener subproductos inocuos estables.

El material contaminado se mezcla con agentes de volumen (paja, aserrín, estiércol, desechos agrícolas), que son sustancias orgánicas sólidas biodegradables, adicionadas para mejorar el balance de nutrientes, así como para asegurar una mejor aireación y la generación del calor durante el proceso.

Aplicaciones

El composteo se ha usado con éxito para remediar suelos contaminados con:

PCPGasolinasHTPsHAPs. Se ha demostrado también la reducción, hasta niveles aceptables, en la concentración y toxicidad de explosivos (TNT).

El uso de estrategias de composteo, se ha adoptado seriamente hasta los últimos 3 a 5 años (Van Deuren y col., 1997; Semple y col., 2001).

Biorremediación en fase de lodos

(biorreactores)

Los biorreactores

Pueden usarse para tratar suelos heterogéneos y poco permeables, o cuando es necesario disminuir el tiempo de tratamiento, ya que es posible combinar controlada y eficientemente, procesos químicos, físicos y biológicos, que mejoren y aceleren la biodegradación (Reiser-Roberts, 1998).

Uno de los reactores más utilizados para biorremediar suelos es el biorreactor de lodos, en el cual el suelo contaminado se mezcla constantemente con un líquido, y la degradación se lleva a cabo en la fase acuosa por microorganismos en suspensión o inmovilizados en la fase sólida.

El tratamiento puede realizarse también en lagunaslagunas construidas para este fin o bien en reactores sofisticados con control automático de mezclado (Alexander, 1994).

Ejemplo 1: Lagunas Facultativas

Disposición en las lagunas Facultativas

•Las lagunas facultativas deben utilizar entradas y salidas múltiples para aproximarse al flujo de tipo pistón.

•Las entradas y salidas múltiples promueven la distribución uniforme de lodos depositados en el fondo.

Ejemplo: Lagunas Aereadas

Lagunas aireadas

Proceso de Fangos Activados

Puede definirse como una

masa floculenta que se

produce cuando un agua

residual se aerea de forma

continua

Está compuesta por

microorganismos que son

capaces de romper y

metabolizar los principales

contaminantes presentes

en el agua residual.

Microorganismos

(bacterias)

Materia

orgánica

Oxigeno

(aereadores)

Licor Mezcla

LODOS ACTIVADOS

Aplicaciones

Los biorreactores de lodos aerobios, se utilizan principalmente para tratar:

HTPsCOSs no halogenados y COVs.

Se utilizan también reactores secuenciales de lodos aerobios /anaerobios para tratar:BPCsCOSs halogenadospesticidas y desechos de artillería (Van Deuren y col., 1997).