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PRESENTACIONES EN SIMPOSIOSR

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deMICROBIOLOGÍAMICROBIOLOGÍA

Procesos de biorremediación de suelo y aguacontaminados por hidrocarburos del petróleo yotros compuestos orgánicosRonald Ferrera-Cerrato,* Norma G. Rojas-Avelizapa,** Héctor M. Poggi-Varaldo,***Alejandro Alarcón,* Rosa Olivia Cañizares-Villanueva****

* Área de Microbiología, Colegio de Postgraduados Campus Montecillo. Carretera México-Texcoco km. 36.5. Montecillo, Estado de México. C.P. 56230.ronaldfc@colpos.mx alexala@colpos.mx

** Departamento de Investigación y Postgrado. Centro de Investigación en Ciencia Aplicaday Tecnología Avanzada del IPN, Cerro Blanco 141, CP. 76090. Querétaro, Qro.nrojasa@ipn.mx

*** Grupo de Biotecnología Ambiental, Apdo. Postal 14-740, México D.F., 07000.hectorpoggi2001@yahoo.com

**** Departamento de Biotecnología y Bioingeniería. Centro de Investigación y de EstudiosAvanzados del Instituto Politécnico Nacional (CINVESTAV-IPN):Av. IPN #2508. San Pedro Zacatenco, México, D.F. CP 07360. rcanizar@cinvestav.mx

First version received: 09-05-06; first version revised: 02-06-06.Second version received: 29-06-06.Third version received: 08-08-06; accepted 21-09-06.

Vol. 48, No. 2Abril - Junio. 2006

pp. 179 - 187

RESUMEN. Como respuesta a la creciente contaminación tanto desuelo y agua, generada por derrames accidentales de hidrocarburosdel petróleo, se han implementado diversos sistemas biológicos en-caminados a la limpieza y recuperación de las áreas impactadas porestos contaminantes orgánicos. En esta revisión se discuten los prin-cipios básicos indispensables para el entendimiento de la efectividadde los diversos sistemas de biorremediación de suelos y agua conta-minados con hidrocarburos del petróleo y otros compuestos orgáni-cos. Se discuten experiencias relacionadas con aspectos prácticosdel composteo y manejo de mejoradores del suelo, de la utilizaciónde plantas y la actividad microbiana de la rizósfera como pieza cla-ve en los procesos de fitorremediación, del uso de reactores de sue-los activados y la potencial utilización de microalgas en la descon-taminación de aguas residuales que contengan contaminantesorgánicos.

Palabras clave: Composteo, fitorremediación, reactores de suelosactivados, microalgas, micorriza, petróleo, hidrocarburos policícli-cos aromáticos.

ABSTRACT. Contamination of soil and water with petroleum hy-drocarbons has significantly increased as a result of accidentalspills, thus, several biological systems have been applied to cleanupand rehabilitate the negatively impacted regions. The present re-view discusses the fundamental principles required to understandthe effectiveness of some bioremediation systems applied to soiland water contaminated with petroleum hydrocarbons and other or-ganic pollutants. The practical aspects of several experimental ap-proaches such as composting and soil amendment application, plantutilization and rhizosphere microbial activity as a keystone duringphytoremediation, slurry bioreactors utilization, and potential utili-zation of microalgae to decontaminate wastewater, are also de-scribed.

Key words: Composting, phytoremediation, slurry bioreactors, mi-croalgae, mycorrhiza, crude oil, polycyclic aromatic hydrocarbons.

INTRODUCCIÓN

La contaminación del suelo y agua ha venido en au-mento como resultado de la explotación, refinación, dis-tribución y almacenamiento de petróleo crudo y sus deri-vados. Hasta el año 2004, el volumen de derramesaccidentales de petróleo y sus derivados fue calculado en1.5 millones de toneladas por año, afectando suelo, aguay atmósfera.42 Para tener una idea, la contaminación delsuelo por hidrocarburos del petróleo en el estado de Ta-

basco (México) ha llegado a abarcar 0.07% del área totalde este estado.36,59 El uso de procedimientos biológicospara limpiar suelo y agua contaminada (biorremediación)ha recibido especial atención, por ser de bajo costo y am-bientalmente amigable, comparado con los procedimien-tos químicos y físicos. Sin embargo, la biorremediaciónpuede llevar años para completar la restauración y recu-peración de las áreas impactadas, dependiendo entreotros factores, de la cantidad de contaminante y de con-diciones ambientales que favorezcan la proliferación yactividad de los organismos que se utilicen.

Como alternativa de limpieza de suelos contamina-dos con hidrocarburos del petróleo se ha acudido a lautilización de elementos biológicos que contribuyen ala oxidación, degradación, transformación y completamineralización de estos contaminantes. Los métodos detratamiento biológico dependen de la capacidad de losorganismos para degradar los contaminantes orgánicos aproductos inocuos como dióxido de carbono, agua y bio-masa. Para asegurar el éxito en el uso de la biorremedia-ción de suelos se debe poner especial atención a las limi-tantes que pueden dificultar su aplicabilidad como lo esla disponibilidad de nutrientes, contenido de arcilla, oxi-

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genación, así como la disponibilidad del contaminantepara los organismos.30

Existen muchas estrategias encaminadas a la limpiezade suelos tales como la adición de fertilizantes, tensoacti-vos, agentes de volumen, compuestos de liberación deoxígeno, inóculos especializados y otros (por ejemplo, lamicroemulsion fertilizante INIPOL EPA 22) productos co-mercialmente disponibles. De igual forma, el uso de acon-dicionadores o mejoradores orgánicos del suelo tienecomo objetivo principal el adicionar nutrientes y materialde fácil degradación en el suelo (composteo) con el fin dereducir la densidad aparente de los suelos y facilitar su re-mediación.15

Otra alternativa de limpieza de suelos contaminadoscon hidrocarburos del petróleo se fundamenta en la utiliza-ción de plantas, lo que se conoce como fitorremediación.El principio de la fitorremediación es establecer especiesvegetales tolerantes y estimular la actividad microbianade la rizósfera, con el fin de favorecer la oxidación y de-gradación de los contaminantes orgánicos en el suelo.

El uso de reactores de suelos activados (RSA, o “slurrybioreactors”, por su denominación en inglés) constituyeotra alternativa para la limpieza de suelos y sedimentoscontaminados.

La contaminación del ambiente, aunada a las necesida-des de alimento y energía, ha conducido a la posibilidadde explorar la recirculación y recuperación de aguas resi-duales. Dentro de este contexto, la biorremediación asisti-da con microalgas resulta particularmente atractiva debidoa su capacidad fotosintética, que les permite convertir laenergía solar en biomasa, misma que incorpora nutrientescomo nitrógeno y fósforo causantes de la eutroficación.Los procesos que utilizan microalgas y cianobacterias, es-tán enfocados principalmente a la remoción de nutrientesy de metales pesados presentes en las aguas residuales.52,54

No obstante, también se encuentra bien documentada sucapacidad para remover elementos radioactivos a partir deefluentes.

Este trabajo tiene como objetivo presentar una breve re-visión crítica de algunos procesos de biorremediación(composteo, fitorremediación, tecnología de reactores desuelos activados, y utilización de microalgas) de suelo, se-dimentos y agua contaminados con hidrocarburos del pe-tróleo y otros compuestos orgánicos. Se hace especial én-fasis en los resultados obtenidos en cada uno de los puntosque conforman esta breve revisión, por parte de los cuatrogrupos de investigación mexicanos que participan en estemanuscrito.

Caracterización y biorremediación de sitios contaminados conresiduos de perforación

Uno de los grandes problemas que enfrentan las activi-dades de Petróleos Mexicanos (PEMEX) es la generaciónde residuos peligrosos, los cuales representan el 22% delas emisiones y descargas totales de esta industria. De esteporcentaje, el 86% se compone de tres tipos de residuos;72% corresponde a lodos y recortes de perforación (resi-duos de perforación), 8% a lodos aceitosos provenientesde refinerías y 6% a aceites gastados de refinerías y com-plejos petroquímicos.31 Tan solo en el año 2000, se estimaque se generaron 125,867 toneladas de residuos peligro-sos (lodos y recortes) durante el procesamiento del petró-leo.31

En décadas pasadas, la disposición de los residuos de per-foración dio lugar a la contaminación ambiental al ser depo-sitados en fosas a cielo abierto, las cuales fueron construidascon materiales permeables que permitieron la filtración de loshidrocarburos. Aun cuando la composición de los lodos y re-cortes de perforación no es exactamente conocida, debido aque esta depende del régimen de perforación, tipo de roca,etc., existe evidencia de su toxicidad y efecto negativo al am-

biente.20 La caracterización mineral, química y reológica deestos residuos demuestra que están formados por bentonita,materia orgánica, derivados de almidón y celulosa, polímerossintéticos de poliacrilamida, sales de potasio y de sodio. Elanálisis reológico indica que los lodos son sistemas multifasey polidispersos.17 Previamente se ha reportado el uso de lo-dos de perforación de tipo inverso durante la perforación deciertos perfiles en el estado de Tabasco, los cuales contienenun tipo de aceite similar al diesel en concentraciones deaproximadamente el 10% y son sumamente arcillosos.1 A di-ferencia de las regulaciones en los Estados Unidos, las nor-mas ambientales Mexicanas señalan a los residuos de perfora-ción base-diesel como residuos peligrosos. Por lo tanto, esnecesario realizar investigación, innovación y/o adaptaciónde tecnologías para la remediación de las áreas que han sidoafectadas por este tipo de residuos.

La destoxificación de los residuos de perforación pormétodos tradicionales es difícil, especialmente aquélloscon baja permeabilidad, reductividad, alto contenido departículas dispersas y coloidales, y de difícil acceso al oxí-

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Estudios realizados recientemente en el InstitutoMexicano del Petróleo demostraron el potencial de apli-cación de las tecnologías de biorremediación en sitioscontaminados con lodos y recortes de perforación me-diante la aplicación de la tecnología de composteo enbiopilas. El estudio se desarrolló en tres etapas, en la pri-mera se llevó a cabo la caracterización de la contamina-ción del sitio de estudio, el cual se denomina Paredón 31y se ubica en Cárdenas, Tabasco. En forma paralela serealizó, la determinación de parámetros físicos, químicosy microbiológicos del sitio y la selección de los residuosagroindustriales en su calidad de acondicionadores o me-joradores a utilizar durante el estudio de composteo. Losresultados de esta etapa corroboraron que las fuentes decontaminación eran principalmente lodos y recortes deperforación base diesel.4 Este estudio indicó además lapresencia dominante de hidrocarburos alifáticos con altogrado de ramificación, hidrocarburos policíclicos aromá-ticos metilados y sus análogos con heteroátomos de azu-fre. La selección de los residuos agroindustriales se basóprincipalmente en la disponibilidad y su bajo valor co-mercial. La segunda etapa del proyecto involucró una se-rie de pruebas de tratabilidad con el fin de establecer yseleccionar las mejores condiciones de remoción de hi-drocarburos. Se diseñaron diferentes lotes experimenta-les para determinar el efecto de diferentes variables comofueron tipo y cantidad de residuo agroindustrial, relaciónresiduo/suelo, relación C/N/P, contenido de humedad,fuentes de oxígeno o aireación y tensoactivos. Los resul-tados permitieron seleccionar aquellas variables y nivelesque mejoraron en forma importante la remoción de hi-drocarburos, y establecer los intervalos de las variablesmás significativas para maximizar los valores de remo-ción. Se seleccionó un residuo agroindustrial con untiempo de degradación prolongado para evitar la com-pactación de suelo y mejorar su aireación. La tercera eta-pa consistió en implementar el sistema de composteo enbiopilas donde se construyeron 4 biopilas de 1 toneladacada una. Los resultados observados a nivel de campodemostraron la factibilidad de este tratamiento para la re-moción de hidrocarburos del petróleo al lograrse una re-ducción máxima del 94% después de 180 días de trata-miento, respecto a la concentración inicial.

geno.17 Los métodos de extracción generalmente no ga-rantizan altas eficiencias de remoción de los contaminan-tes orgánicos. Otros métodos incluyen disposición en re-llenos, tratamiento de tierra/labranza, encapsulamiento/estabilización, destrucción térmica o reciclado y sistemasde recuperación o lavado.29

El uso de procesos biológicos ha sido propuesto para ladestoxificación de residuos y remediación de sitios afectadosdebido a que han demostrado ser más prácticos y económica-mente factibles para el manejo y tratamiento de diferentes ti-pos de residuos de las actividades de exploración y produc-ción de petróleo. Los métodos de tratamiento biológicodependen de la capacidad de los microorganismos para de-gradar residuos aceitosos a productos inocuos (dióxido decarbono, agua y biomasa) a través de reacciones bioquímicas.Sin embargo, existen algunas limitantes que dificultan suaplicabilidad como son la disponibilidad de nutrientes, elalto contenido de arcillas, aireación y la disponibilidad delcontaminante, sin mencionar la edad de la contaminación.30

Existen muchas estrategias que pueden utilizarse en estascondiciones tales como la adición de fertilizantes, tensoac-tivos, agentes de volumen, compuestos de liberación deoxígeno, inóculos especializados y otros productos comer-cialmente disponibles; sin embargo, los estudios para ladestoxificación de lodos y remediación de suelos contami-nados con residuos de perforación son escasos.25,29 Comoparte de los esfuerzos que se han realizado para mejorar oacelerar la remediación de suelos, se han aplicado acondicio-nadores o mejoradores orgánicos (excretas, residuos agroin-dustriales, de jardín y del procesamiento de alimentos) cuyoobjetivo principal es adicionar nutrientes y material de fácildegradación al suelo.15 Estos materiales además disminuyenla densidad de los suelos, incrementan la porosidad y la di-fusión de oxígeno, y permiten la formación de agregadosestables. Tales cambios en un suelo incrementan la airea-ción y la disponibilidad de agua, favoreciendo la actividadmicrobiana aerobia.19 Esta tecnología denominada compos-teo ha probado ser efectiva para remediar suelos contamina-dos con hidrocarburos policíclicos aromáticos (HPA) e hi-drocarburos del petróleo como el diesel.3,15,50,56 Sinembargo, la relación suelo/acondicionador/mejorador, rela-ción C/N/P y contenido de humedad deben evaluarse paraevitar un retraso o inhibición de la actividad microbiana.53

Fitorremediación de suelos contaminados por hidrocarburos

La fitorremediación tiene diversas clasificaciones conbase en la actividad fisiológica de las plantas al enfrentarlos contaminantes.32,51 De este modo se tienen plantas quecon capaces de remover contaminantes inorgánicos y acu-

mularlos en sus tejidos (fitoextracción/fitoacumulación/fi-tominería). Otras especies contribuyen a la disminución dela migración de contaminantes en aguas subterráneas; asílas plantas son utilizadas como un “sistema de bombeo”

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de agua contaminada mediante el proceso de transpiración(fitobombeo). Una alternativa para la remediación de sue-los contaminados con metales pesados es el uso de plantascuyos exudados radicales contribuyen a la precipitaciónde los metales y por consiguiente, reducen su biodisponi-bilidad quedando estabilizados en la matriz del suelo (fi-toestabilización). Algunas plantas poseen la característicade liberar enzimas específicas o cofactores enzimáticosque propician que un contaminante orgánico recalcitrantesea transformado o degradado (fitotransformación/fitode-gradación). Cuando las plantas poseen el mecanismo paraconvertir un contaminante del suelo o agua a una formaelemental volátil menos tóxica, como lo es el caso de sele-nio (Se) o mercurio (Hg), ocurre un proceso de volatiliza-ción, el cual es asistido por algunos microorganismos.

Como parte principal de la fitorremediación, el sistemaradical de las plantas tiene un papel preponderante en lacapacidad de adaptación, supervivencia, absorción de nu-trimentos y agua en suelos contaminados. De manera parti-cular, la rizósfera tiene especial importancia en la degra-dación de compuestos orgánicos de origen natural yxenobióticos. El sistema radical además de liberar enzimasque inician la oxidación de los contaminantes orgánicos,también contribuye significativamente a la estimulaciónde la actividad de grupos microbianos responsables de laoxidación, degradación y completa mineralización de loscontaminantes en el suelo.48,49 A todo este efecto del siste-ma radical en la degradación de compuestos orgánicos víaestimulación de la actividad microbiana en la rizósfera, sele ha denominado rizodegradación.

Como una consecuencia de la extracción, conduc-ción, almacenamiento de petróleo crudo y sus deriva-dos, la contaminación del suelo ha sido inevitable, porlo que ha tenido impactos negativos en los ecosiste-mas de Veracruz y Tabasco, por ejemplo. Por tal razón,el Área de Microbiología del Colegio de Postgradua-dos (CP), ha venido desarrollando una serie de investi-gaciones desde el punto de vista básico, encaminadasal entendimiento de la remediación de hidrocarburosdel petróleo a través del establecimiento de plantas se-leccionadas y al estudio de la microbiota asociada a larizósfera contaminada.

Algunas especies de plantas probadas con éxito en la fi-torremediación de suelos contaminados con hidrocarburosdel petróleo son: Zea mays L., Panicum maximun Jacq., Pas-palum virgatum L., Echinochloa polystachya H.B.K., Sorg-hum vulgare L., Phaseolus vulgaris L., Phaseolus cocci-neus L., Chamaecrista nictitans (L.) Moench., Brachiariabrizantha (Hochst. ex A. Rich) Stapf., Triticum aestivum L.,Hordeum vulgare L., entre otras. En lo que respecta a micro-organismos de vida libre, los estudios realizados se han en-focado al aislamiento de bacterias y hongos filamentosos de

zonas contaminadas y con capacidad de degradar petróleocrudo y fracciones específicas como los HPA. Bacterias he-terotróficas y bacterias fijadoras de nitrógeno atmosféricode vida libre, algunas cianobacterias, y hongos filamento-sos de los géneros Penicillium, Trichoderma, o Aspergillusque han sido caracterizados como degradadores de petróleocrudo y benzo[a]pireno, tanto en medios de cultivo líqui-dos como en la rizósfera de plantas crecidas en suelo conta-minado.36,16

Los microorganismos simbióticos han recibido pocaatención como elementos biológicos en la estimulaciónde la capacidad de fitorremediación de algunas especiesvegetales. De este modo, investigaciones con hongosmicorrízicos arbusculares (HMA) han sido conducidasrecientemente, a partir de la observación de que estoshongos se encuentran presentes en la rizósfera de plan-tas creciendo bajo condición de contaminación por de-rrames de petróleo. Sin embargo, el papel de estos hon-gos en la fitorremediación de contaminantes orgánicosno ha sido del todo estudiado ni comprendido. Estudiospioneros en México conducidos en el CP, han mostradoque la simbiosis micorrízica arbuscular no es afectadapor la presencia de benzo[a]pireno como contaminanteen la rizósfera de Echinochloa polystachya. No obstan-te, la contribución de HMA en la disipación de esteHPA es cuestionada, al determinarse que el contenidode benzo[a]pireno en la rizósfera micorrizada fue mayorque el observado en plantas sin la inoculación deHMA.2 Este efecto, sugiere que los HMA pueden parti-cipar en la estabilización de HPA en la rizósfera, dismi-nuyendo así, tanto sus efectos tóxicos como su biodis-ponibilidad. Estudio mas profundos se están llevando acabo para entender este comportamiento así como elefecto de los HMA en la fisiología de plantas expuestasa contaminantes orgánicos.

Actualmente, en el CP, se están llevando a caboinvestigaciones para evaluar el potencial de dife-rentes microorganismos en la degradación de hi-drocarburos tanto en suelo como en agua. Se hanaislado actinomicetos de zonas contaminadas yprobado su capacidad en sistemas de fitorremedia-ción de petróleo crudo. La inoculación de algunascepas de actinomicetos ha estimulado el crecimien-to de Dolichos lablab L. (Fabaceae) en condicionesde contaminación con petróleo crudo, y la degra-dación de este contaminante en la rizósfera. Porotra parte, también se ha evaluado la capacidad dela simbiosis Azolla-Anabaena (sistema simbióticofijador de nitrógeno atmosférico) para tolerar con-centraciones de HPA y a la fecha, se cuenta con da-tos preliminares de su capacidad de adaptación a lapresencia de fenantreno.

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Los reactores de suelos activados (RSA) son una técnicade biorrestauración ad situ o ex situ que se lleva a cabo ensistemas ingenieriles que consisten en biorreactores, instala-ciones de acondicionamiento del suelo contaminado, e ins-talaciones de tratamiento y acondicionamiento de emisio-nes.10,39,40 Los reactores de suelos activados se utilizan paratratar zonas contaminadas donde el suelo presenta alto con-tenido de arcilla (≥20%) y materia orgánica (≥4%), o cuan-do los compuestos tóxicos son muy recalcitrantes y se en-cuentran en concentraciones muy altas, o bien cuando eltratamiento se quiera terminar en un lapso relativamentecorto. En el reactor de suelos activados el tratamiento de losmateriales contaminados se realiza en fase acuosa y es man-tenido en suspensión mediante agitación, lo cual permitemayor transferencia de masa, y tiempos de tratamiento rela-tivamente menores. Los parámetros ambientales pueden serbien controlados y se puede utilizar la bioestimulación y labioaumentación, además se consigue aumentar la disponi-bilidad del contaminante con la adición de solventes y ten-soactivos o por la producción de biotensoactivos en elmismo reactor.

Las desventajas más notorias de los RSA están relaciona-das con los relativamente mayores costos de la tecnología,mismos que dependen del manejo y acondicionamiento delsuelo, con la construcción y operación de los biorreactores, ycon el eventual tratamiento de emisiones gaseosas.10 Comoen todo proceso de biorremediación, los microorganismosson el corazón del proceso de RSA. Los RSA mayoritaria-mente funcionan con consorcios microbianos, muchos prove-nientes de la propia microflora nativa, y otros enriquecidos oinoculados con consorcios especializados en la biodegrada-ción de los contaminantes de interés (bioaumentación). Losgrupos microbianos importantes identificados en RSA inclu-yen bacterias del grupo de las pseudomonadales, actinomice-tos, bacterias metanótrofas y deshalorrespiradoras, algunas ar-queas como las metanogénicas, y más recientemente aunqueno en escala comercial, hongos ligninolíticos.

Respecto al problema de la disponibilidad de contami-nantes adsorbidos al suelo, el Grupo de Biotecnología Am-biental (CINVESTAV) ha hecho contribuciones en la carac-terización de la histéresis contaminante-suelo, por medio deconceptos y protocolos de coeficiente de histéresis (CH) yfactor de disponibilidad (FD) que ayudan a seleccionar RSAcomo técnica de restauración de suelos.33,34,39 Cuando la his-téresis es muy grande (CHe≥6), el tratamiento del suelo con-taminado en RSA es recomendable puesto que las técnicas insitu resultarían inefectivas o muy lentas. Cuando CHe≥6 se

recomienda utilizar tensoactivos o solventes para facilitar ladesorción de contaminantes. Por otro lado, el FD provee uncriterio cuantitativo para elegir entre tratamientos de desor-ción de un determinado sistema suelo-contaminante. CuandoFDe≥1.5, el tratamiento de desorción de interés es más venta-joso que el tratamiento de referencia.

Con base en lo anterior, se han identificado varias áreasprometedoras de investigación sobre RSA en el futuro:40 i)desarrollo de procesos basados en la utilización de aceptoresde electrones secuenciales o combinados para aumentar ladegradación de contaminantes recalcitrantes y tóxicos (pla-guicidas y compuestos organoclorados, explosivos, etc.), ii)estudios más profundos sobre la disponibilidad de contami-nantes y su cometabolismo microbiano en presencia de otrasfuentes de carbono, iii) seguimiento e identificación por me-dio de técnicas de biología molecular (PCR-DGGE, PCR-TGGE, ARDRA, etc.) de las comunidades microbianas exis-tentes en el sistema; de esta manera se podrá hacer elseguimiento y profundizar en el estudio de los efectos de bio-estimulación, enriquecimiento y bioaumentación sobre eldesempeño microbiológico y su relación con el desempeñopurificador de los RSA, y iv) desarrollo de ensayos de eco-toxicidad multiespecies para complementar la evaluación dela efectividad del proceso de biorremediación empleado.

El Grupo de Biotecnología Ambiental ha realizado ex-perimentos con RSA a escala-laboratorio, aplicados a la res-tauración de un suelo pesado contaminado con 300 mg 2,4-D kg-1 de suelo. Se evaluó el efecto del aceptor deelectrones (RSA aerobio y RSA sulfato-reductor) y de laadición de sacarosa como fuente de carbono degradable;cada tipo de RSA fue inoculado con consorcios aclimata-dos previamente a 2,4-D.37,38 En este estudio, el reactor desuelos activados aerobio (RSA-A) mostró mayor eficienciade remoción del 2,4-D (>95%) en comparación con el reac-tor de suelos activados sulfato-reductor (RSA-SR) que tuvo25% de remoción, en 14 días de tratamiento. Sin embargo,la velocidad de remoción específica del RSA-SR fue 4 vecesmayor que en el RSA-A. El efecto de la sacarosa en la remo-ción del 2,4-D dependió del aceptor de electrones utiliza-do: la remoción aerobia no se vio afectada por la presenciade sacarosa, sin embargo en el RSA-SR incrementó signifi-cativamente. Los microorganismos degradadores de 2,4-Destuvieron presentes en los reactores durante el tratamientoen el orden de Log UFC de 6 a 8 en el RSA-A, y Log UFC 5a 7 en el RSA-SR. Sólo en el RSA-SR se detectaron metabo-litos producto de la transformación del 2,4-D como el 2,4-diclorofenol, 4-clorofenol, y fenol.38

Factibilidad de reactores de suelos activados para labiorrestauración de suelos pesados

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La ubicuidad de las microalgas en aguas residuales mu-nicipales, agropecuarias e industriales, así como su papelen el suplemento de oxígeno fotosintético para los micro-organismos heterótrofos que degradan los residuos, dioorigen primero, a las lagunas algales de oxidación y esta-bilización y después, al desarrollo del concepto de lagunaalgal de alta tasa (HRAP, por sus siglas en inglés) propues-to por Oswald y su grupo en la Universidad de Californiaen Berkeley, para el tratamiento de desechos orgánicos,con la producción de algas para alimentación animal.26-28

La aplicación del concepto de HRAP se generalizó en losaños setentas en países como Israel, India, Tailandia y pos-teriormente, fue retomada en los Estados Unidos de Nor-teamérica. Las lagunas se utilizaron por primera vez paraevitar que las aguas residuales invadieran lugares no de-seados. El papel de las algas en el tratamiento de aguas re-siduales empezó a investigarse en Texas y California des-pués de la Segunda Guerra Mundial. La economía de lossistemas HRAP parecía muy prometedora, porque los nu-trientes y la fuente de carbono eran proporcionados por lasaguas residuales, mientras que los gastos de construccióny operación del sistema, se compensaban con los benefi-cios del tratamiento de las aguas y su recuperación, ade-más de la producción de biomasa.

Las investigaciones iniciadas en 1968 en la Universi-dad Hebrea de Jerusalén fueron continuadas en el Tech-nion de Haifa desde 1970 y constituyen uno de los traba-jos más extensos sobre el tratamiento de aguas residualesde tipo municipal en lagunas de alta tasa.45-47 En ellos, seincluyeron tanto estudios de laboratorio como en intem-perie, con operación continua en lagunas de diferente ta-maño, para el tratamiento de desechos animales, desechoslácteos y desechos industriales nitrogenados.46

En relación con los procesos que utilizan desechos ani-males se pueden distinguir dos tipos de enfoque, uno queconsiste en tratar los efluentes de las explotaciones pecua-rias intensivas en lagunas de alta tasa, controlando las es-pecies de algas dominantes. Otro consiste en cultivar de-terminadas especies de algas en estanques fertilizados condesechos animales, ya sea frescos o después de haber sidodigeridos aerobia- o anaerobiamente. Dentro del primerenfoque destaca el tratamiento terciario de residuales por-cinos, el cual no obstante que se ha venido estudiandodesde la década de los años 70’s, continúa vigente debidoal creciente consumo de carne de cerdo con el consecuen-te aumento de los desechos generados por esta actividadpecuaria.5,13 Otros estudios han utilizado diferentes resi-

duos animales, así como células inmovilizadas en diferen-tes soportes para eliminar nitrógeno y fósforo de residua-les agropecuarios.6,11,12,21,23

Las microalgas más utilizadas en dichos estudios perte-necen a los géneros Chlorella y Scenedesmus, aunquetambién se reporta el uso de Nannochloris sp., así como decianobacterias filamentosas Fischerella, Phormidium ySpirulina. Los estudios a nivel piloto sobre el biotrata-miento de residuales agropecuarios se han hecho casi ex-clusivamente en lagunas HRAP,45,55 en tanto que a nivellaboratorio se emplean biorreactores de diversos diseños,entre los que se encuentran los cilíndricos,41 triangula-res18 y los de tipo carrusel.6,7

El Grupo de Biotecnología de Microalgas (CINVES-TAV) ha tenido algunas contribuciones relacionadas con eltratamiento terciario de aguas residuales porcinas, en losque ha explotado el potencial de las cianobacterias Phormi-dium sp. y Spirulina maxima. Previo a su utilización, los re-siduales porcinos fueron sometidos a procesos de estabiliza-ción aerobia y digestión anaerobia. Para el cultivo de losorganismos se emplearon reactores prototipo, modelo carru-sel de 30 L de capacidad total, fabricados en fibra de vidrio.Los resultados obtenidos indicaron que el crecimiento delas cianobacterias disminuyó la demanda química de oxíge-no (DQO) de los residuales dando como resultado un efluen-te terciario cuya calidad hace posible su vertimiento a cuer-pos de agua o su utilización en actividades de regadío y delimpieza. Para Phormidium sp., los mejores resultados de re-moción de nutrientes se obtuvieron utilizando residualanaerobio diluido al 25% y residual aerobio diluido al 50%y resultaron superiores (~ 30%) en cultivo por lote que enlote cíclico. En tanto que el mayor crecimiento de Spirulinamaxima se obtuvo en residual aerobio diluido al 50% convalores promedio de remoción en cultivo por lote similaresa los de Phormidium sp.

Algunos autores han propuesto un sistema integral a ni-vel industrial para el tratamiento terciario de aguas resi-duales utilizando microalgas, donde la biomasa obtenidasirva como alimento de peces.9 En los últimos 10 años, seha venido investigando la capacidad de las microalgaspara biotransformar y biodegradar contaminantes orgáni-cos como hidrocarburos, plaguicidas, etc., que resultan dealta peligrosidad para los seres vivos.22 Los contaminantesorgánicos en el medio acuático son biodegradados por di-versos microorganismos, incluyendo algas, las cuales handemostrado que son capaces de biotransformar y biodegra-dar contaminantes aromáticos comúnmente encontrados

El papel de las microalgas en la biorremediación de aguascontaminadas

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en aguas naturales y residuales.43 Las microalgas y ciano-bacterias proveen carbono reducido y nitrógeno a la mi-crobiota presente en los ecosistemas acuáticos, lo que in-crementa el potencial de degradación y eliminación decontaminantes. En adición, ciertas algas, cianobacterias ybacterias fotosintéticas son útiles como indicadores decontaminación ambiental y por lo tanto, tienen aplicaciónen pruebas de toxicidad.43

La utilización de organismos fotosintéticos para la oxida-ción de compuestos orgánicos incluyendo los HPA, ha sidodemostrada. Microalgas como Prototheca zopfii, Selenastrumcapricornutum, Scenedesmus acutus y Ankistrodesmusbraunii, Chlamydomonas ulvaensis, Chlorella pyrenoidosay Scenedesmus brasiliensis, el fitoflagelado Euglena gracilisy las cianobacterias Anabaena cylindrica, Phormidiumfoveolarum, Oscillatoria sp. (cepa JCM) y Agmenellum qua-druplicatum PR-6, han mostrado ser eficientes para degradardiversos compuestos orgánicos incluyendo derivados del pe-tróleo y HPA.8,14,24,35,57,58

Respecto al problema de la contaminación por HPA, elGrupo de Biotecnología de Microalgas (CINVESTAV) tie-ne experiencias relacionadas con la capacidad de la ciano-bacteria Spirulina maxima para remover HPA utilizandofenantreno como modelo, ya que es un compuesto alta-mente tóxico para los organismos acuáticos. Cuando laconcentración de fenantreno fue de 100 ppm, se logró unaremoción de 4.72% a las 72 horas de exposición, mientrasque a 200 ppm la remoción fue de 4.34% en el mismotiempo de incubación. La presencia del contaminante noafectó de manera directa el contenido de proteína ni elcrecimiento de la cianobacteria, no obstante, la clorofila aresultó ser un factor de respuesta importante en el compor-tamiento del cultivo expuesto a fenantreno.

Las tendencias de investigación sobre biorremediaciónde aguas contaminadas con hidrocarburos utilizando mi-croalgas y cianobacterias, se enfocan principalmente a: i)aislamiento in situ de microalgas degradadoras, ii) uso depigmentos de microalgas como biomarcadores de conta-minación, iii) análisis de las enzimas involucradas en pro-cesos de remoción de contaminantes, y iv) diseño de reac-tores para el tratamiento de aguas contaminadas conhidrocarburos. Actualmente existe escasa aportación sobreel diseño de equipo para remover compuestos orgánicosde aguas residuales industriales en base a condiciones decultivo apropiadas para el crecimiento y actividad de lasmicroalgas.

CONCLUSIONES

Para lograr la limpieza de un suelo contaminado con re-siduos de perforación con alto contenido de hidrocarburosrecalcitrantes del petróleo (superiores a 50,000 mg/kg-1),

alto contenido de materia orgánica y arcillas, usando lametodología de composteo en biopilas, se deben realizarlos estudios de tratabilidad necesarios para seleccionaraquellas variables significativas como son el tipo, canti-dad de residuo agroindustrial, cantidad de nutrientes y unvalor óptimo de humedad. Lo anterior permitirá estimulary mantener la actividad microbiana con capacidad de de-gradación y por tanto, la remoción de hidrocarburos.

Durante la fitorremediación de suelos contaminadoscon hidrocarburos del petróleo, los microorganismos aso-ciados a la rizósfera y aquéllos denominados como sim-bióticos obligados, representan una alternativa biológicapara incrementar el potencial de remediación de los com-puestos contaminantes. El aislamiento y selección, y pos-terior inoculación de los ecotipos microbianos mejoradaptados (bioaumentación) a contaminantes orgánicos esuna excelente alternativa con bajo costo y nulos efectosambientales. El entendimiento de la aplicación de fuentesinorgánicas u orgánicas de nutrimentos en la fitorremedia-ción (bioestimulación), requiere de mayor estudio para po-der crear protocolos de manejo que sean compatibles conaquellos protocolos de inoculación en plantas, con la fina-lidad de incrementar la eficiencia de la degradación de hi-drocarburos del petróleo en el suelo.

Con respecto a los RSA, estos sistemas constituyen unaalternativa recomendable para la biorrestauración de sue-los contaminados con agroquímicos y otros compuestosque presenten adsorción irreversible sobre la matriz sólidao cuando los suelos tienen altos contenidos de arcilla ymateria orgánica (suelos pesados) impidiendo la aplica-ción de técnicas in situ o cuando la restauración debeefectuarse en tiempos cortos.

En el caso de aguas contaminadas, el biotratamientocon microalgas constituye una realidad y es útil como tra-tamiento terciario de aguas residuales. En los estudios queutilizan lagunas (HARP), se observa en general una depen-dencia entre los tiempos de retención y la remoción de nu-trientes, además de una tendencia al aprovechamiento delas aguas tratadas y de la biomasa producida, es decir, unagestión integral de los residuos. No obstante, en investi-gaciones recientes se concluyó que el biotratamiento conmicroalgas a escala piloto no es funcional, debido a que elflujo de influente que se utiliza es muy bajo, lo que limi-taría su aplicación industrial. Asimismo, se observa unatendencia a utilizar agua residual diluida, lo que generaproblemas con la reproducibilidad y escalamiento de losprocesos a base de microalgas. Por lo anterior, es necesariodestacar la importancia de llevar a cabo estudios que de-muestren la aplicación del biotratamiento con microalgasa nivel industrial y que involucren una gestión sustenta-ble de residuos, garantizando la seguridad de los subpro-ductos.

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SUSTRAÍDODE-M.E.D.I.G.R.A.P.H.I.C

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Las microalgas y cianobacterias comienzan a jugar unpapel cada vez más importante en el tratamiento de aguascontaminadas con compuestos orgánicos y fracciones delpetróleo. Sin embargo, es necesario profundizar en el estu-dio de su comportamiento, fisiología, interacción con elambiente, metabolismo, co-metabolismo, producción ma-siva, así como en los parámetros cinéticos que involucrenla degradación de los compuestos orgánicos, con el fin dedesarrollar un proceso rentable a nivel industrial.

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Correspondencia:

Ronald Ferrera-CerratoÁrea de Microbiología, Colegio dePostgraduados Campus Montecillo.Carretera México-Texcoco km. 36.5.Montecillo, Estado de México. C.P. 56230.Tel-Fax (595) 952-0287.Correo electrónico: ronaldfc@colpos.mx