BIORREMEDIACION

Las medidas biocorrectivas o los sistemas de biorremediación consisten

principalmente en el uso de los microorganismos naturales (levaduras, hongos

o bacterias) y plantas existentes en el medio para descomponer o degradar

sustancias peligrosas en sustancias de carácter menos tóxico o bien inocuo

para el medio ambiente y la salud humana:

BIODEGRADACION

Se refiere al proceso natural mediante el cual bacterias u otros

microorganismos alteran y convierten moléculas orgánicas en otras sustancias,

como ácidos grasos y CO2.

BIORREMEDIACIÓN

Se refiere a la adición de materiales a ambientes contaminados para producir

una aceleración del proceso natural de biodegradación.

Estas degradaciones o cambios ocurren usualmente en la naturaleza (por lo

cual el proceso se denomina "atenuación natural"), sin embargo la velocidad de

tales cambios es baja. Mediante una adecuada manipulación, sistemas

biológicos pueden ser optimizados para aumentar la velocidad de cambio o

degradación y así usarlos en sitios con una elevada concentración de

contaminantes. En general, las manipulaciones involucran producción e

inmovilización de enzimas en determinados soportes y cambios genéticos a

algunas cepas bacterianas.

Diversos contaminantes pueden ser eliminados por biorremediación: pesticidas,

herbicidas, petróleo y sus hidrocarburos derivados, gasolina y metales

pesados, entre otros, lo cual demuestra la validez de esta técnica para proteger

el medio ambiente y reducir el uso de sustancias tóxicas.

Los procesos mediante los cuales funciona la biorremediación se pueden dividir

en 3 grupos:

DEGRADACION ENXIMATICA:

Consiste en la utilización de enzimas en el sitio contaminado con el fin de

degradar las sustancias nocivas. Dichas enzimas son previamente producidas

en bacterias transformadas genéticamente con el gen que codifica para cada

enzima en particular. Esta aplicación de la biotecnología lleva décadas en el

mercado y hoy en día las compañías biotecnológicas ofrecen las enzimas y

también los microorganismos genéticamente modificados.

REMEDIACION MICROBIANA:

Consiste en el uso de los microorganismos directamente en el foco de

contaminación. Estos microorganismos pueden ya existir en ese sitio o pueden

ser originarios de otros ecosistemas en cuyo caso deben ser inoculados en el

sitio contaminado (inoculación). En el primer caso, muchas veces suelen

administrarse más nutrientes (adición de nutrientes) al medio con el fin de

acelerar el proceso de biodegradación. Otra posibilidad es la de introducir

cepas modificadas por técnicas de ingeniería genética, a las cuales se les

introdujo el gen que codifica para una o más enzimas detoxificadoras (Uso de

microorganismos modificados genéticamente).

FITORREMEDIACION:

Consiste en utilizar la capacidad de ciertas plantas (terrestres, acuáticas,

leñosas, etc.) y los cultivos in vitro derivados de ellas con el fin de remover,

contener o transformar productos contaminantes del entorno.

REMEDIACION CON PLANTAS: FITORREMEDIACION

La fitorremediación podría ser definida como el conjunto de métodos para

degradar, asimilar, metabolizar o detoxificar metales pesados, compuestos

orgánicos, radioactivos y petroderivados por medio de la utilización de plantas

que tengan la capacidad fisiológica y bioquímica para absorber, retener

degradar o transformar dichas sustancias a formas menos tóxicas.

Las medidas fitocorrectivas consisten en el uso de plantas y árboles para

limpiar agua y suelo contaminados. Cultivar plantas en un lugar contaminado, y

en algunos casos cosecharlas, como método correctivo es una técnica pasiva

estéticamente agradable que aprovecha la energía solar y se puede usar junto

con métodos de limpieza mecánicos o en algunos casos en vez de métodos de

este tipo. Las medidas fitocorrectivas pueden usarse para limpiar metales,

plaguicidas, solventes, explosivos, petróleo crudo, hidrocarburos poliaromáticos

y lixiviados de vertederos

Las bases conceptuales de la fitorremediación de metales pesados provienen

de la identificación de plantas que hiperacumulan metales. Existen plantas que

tienen esta capacidad intrínseca pero también pueden obtenerse plantas con

estas capacidades por medio de técnicas de Ingeniería Genética. 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.

En resumen se refiere a los varios usos de las plantas para limpiar o corregir

sitios extrayendo contaminantes del suelo y el agua. Las plantas actúan como

filtros o trampas y pueden descomponer o degradar contaminantes orgánicos o

estabilizar contaminantes metálicos.

La fitorremediación ofrece algunas ventajas y desventajas frente a los otros

tipos de biorremediación:

Ventajas:

1. Las plantas pueden ser utilizadas como bombas extractoras de bajo

costo para depurar suelos y aguas contaminadas.

2. Algunos procesos degradativos ocurren en forma más rápida con

plantas que con microorganismos.

3. Es un método apropiado para descontaminar superficies grandes o para

finalizar la descontaminación de áreas restringidas en plazos largos.

Limitaciones:

1. El proceso se limita a la profundidad de penetración de las raíces o

aguas poco profundas.

2. Los tiempos del proceso pueden ser muy prolongados.

3. La biodisponibilidad de los compuestos o metales es un factor limitante

de la captación.

4. la fitotoxicidad es un limitante en áreas fuertemente contaminadas.

5. Se requiere comprender mejor la naturaleza de los productos de

degradación (fitodegradación).

Tipos de fitorremediación, en donde se indica la zona de la planta en donde ocurre el

proceso.

TIPOS DE FITORREMDIACION Y CONTAMINANTES TRATADOS

TIPO PROCESO INVOLUCRADO CONTAMINACION TRATADA

Fitoextracción Las plantas se usan para concentrar metales en las partes cosechables (hojas y raíces)

Cadmio, cobalto, cromo, niquel, mercurio, plomo, plomo selenio, zinc

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

Cadmio, cobalto, cromo, niquel, mercurio, plomo, plomo selenio, zinc isótopos radioactivos, compuestos fenólicos

Fitoestabilización Las plantas tolerantes a metales se usan para reducir la movilidad de los mismos y evitar el pasaje a napas subterráneas o al aire.

Lagunas de deshecho de yacimientos mineros. Propuesto para fenólicos y compuestos clorados.

Fitoestimulación Se usan los exudados radiculares para promover el desarrollo de microorganismos degradativos (bacterias y hongos)

Hidrocarburos derivados del petróleo y poliaromáticos, benceno, tolueno, atrazina, etc

Fitovolatilización Las plantas captan y modifican metales pesados o compuestos orgánicos y los liberan a la atmósfera con la transpiración.

Mercurio, selenio y solventes clorados (tetraclorometano y triclorometano)

Fitodegradación Las plantas acuáticas y terrestres captan, almacenan y degradan compuestos orgánicos para dar subproductos menos tóxicos o no tóxicos.

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. 

MEDIDAS CORRECTIVAS PARA METALES PESADOS:

En lugares contaminados con metales, se usan plantas para estabilizar o retirar

los metales del suelo y del agua subterránea por medio de dos mecanismos:

fitoextracción y rizofiltración

RIZOFILTRACION:

Es una técnica, aún en proceso de investigación, para descontaminar agua con

presencia de metales. Aunque la rizofiltración es una técnica parecida a la

fitoextracción en esta las plantas que se utilizan para descontaminar se cultivan

en invernaderos con las raíces sumergidas en agua, en vez de en tierra.  

Cuando el sistema radicular de la planta está bien desarrollado se recoge el

agua contaminada del emplazamiento a restaurar, se transporta hasta el lugar

de crecimiento de las plantas (invernadero) y se colocan las plantas en esa

agua. Las raíces van a absorber los contaminantes del agua. A medida que las

raíces se van saturando en agua se van cortando y eliminando.

Por ejemplo se utilizaron semillas de girasol para descontaminar residuos

radiactivos en una laguna en un experimento piloto en Chernobyl (Ucrania).

Además de extraer metales del agua esta técnica puede ser utilizada para

eliminar residuos industriales, escorrentía de tierras agrícolas, drenaje de

minas de ácidos y contaminantes radiactivos. 

ANEXOS:

USO DE ORGANISMOS MODIFICADOS GENETICAMENTE EN BIORREMDIACION

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 BIOTECNOLOGICOS 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.

FITORREMEDIACIÓN y TRANSGÉNICAS

Debido a la excesiva contaminación por metales pesados se esta trabajando en

ingeniería genética para conseguir plantas transgénicas que puedan ser

utilizadas en fitorremediación, ya que así se podrán obtener una gran

diversidad de plantas que puedan acomplejar los metales pesados como

anteriormente hemos indicado.

Desde el punto de vista del diseño experimental en campo abierto estos

ensayos no difieren de cualquier otro “screening” genético para uno o varios

rasgos fenotípicos pero lo que añade la transgenia a dicho ensayo son las

necesidades de cumplimentar una serie de requisitos legales que en Europa

han de seguir la normativa del Decreto EEC 220/90 sobre la liberación

internacional de organismos modificados genéticamente y que son la aplicación

de la regulación que la administración de EE.UU. puso en marcha

anteriormente. En definitiva dicha regulación hace que los ensayos de campo

de plantas transgénicas:

Son supervisados y manejados por personal experto.

Hay obligación de hacer publico el cultivo de esta planta, así como el

sitio, duración, ecetera de ese cultivo.

Hace necesario identificar el posible daño ambiental si lo hubiera.

En España, y mas concretamente en Castilla y León, se publico el Decreto

42/1999 (BOCyL 10-03-1.999) cuyo titulo Utilización confinada, liberación

voluntaria y comercialización de organismos modificados genéticamente para

prevenir riesgos para la salud humana y el medio ambiente, nos da a conocer

la posibilidad de cultivo o no de plantas transgénicas en esta comunidad.

A continuación veremos como se modifican, actúan y usan plantas

transgénicas para la descontaminación de diferentes compuestos químicos.

Existen hasta 400 plantas que tienen distintos grados de eficiencia en la

acumulación de sustancias tóxicas y se espera que aumenten en número y

utilización para la descontaminación de aguas y suelos. También existen

plantas que lo hacen naturalmente.

FITODESCONTAMINACION DE MERCURIO Y METILMERCURIO

El mercurio inorgánico en suelos y sedimentos contaminados es relativamente

inmóvil, aunque los procesos biológicos y químicos pueden transformarlo a

metilmercurio más tóxico y más bioasimilable. Además el metilmercurio

provoca neurotoxicidad en vertebrados y es traspasado de la presa al

depredador a través de los tejidos que han sido contaminados.

Las estrategias tradicionales para la descontaminación de esos suelos son

costosas y pueden destruir el lugar, de manera que como alternativa se

propone el uso de plantas transgénicas.

Como veremos, algunas de estas plantas (las descontaminadoras de productos

con mercurio) poseen un gen bacteriano modificado de la reductasa, merA, son

capaces de convertir el Hg(II) tomado por las raíces en Hg(0) mucho menos

tóxico y volátil que se elimina a la atmósfera. Otro tipo de plantas usan el gen

merB de la liasa, modificado de bacterias y puede convertir el metilmercurio

tomado por las raíces de la planta en sulfhidril mercurio(II) limitante. Las

plantas que expresan ambos genes son capaces de convertir el mercurio y el

metilmercurio iónicos en mercurio elemental volátil.

La fitodescontaminación de metilmercurio a través de la expresión del merB en

Arabidopsis da resistencia a los organomercuriales.

El metilmercurio es un tóxico ambiental que causa degeneración neurológica

severa en animales. Es producido por las bacterias en los suelos y los

sedimentos que se han sido contaminado por mercurio.

Para aumentar el potencial de las plantas de extraer y desintoxicar este

producto químico usamos una planta modelo de thaliana de Arabidopsis,

expresando gen modificado de bacterias llamado merBpe que actúa

codificando la liasa organomercurial (MerB) bajo el control de un promotor de la

planta. MerB cataliza la lisis del protón en el enlace del carbono-mercurio,

eliminando el ligando orgánico y lanzando Hg(II), una especie menos móvil del

mercurio.

Las plantas transgénicas que expresan el merBpe crecen vigorosamente en

una amplia gama de concentraciones del cloruro de monometilmercurio y del

acetato de fenilmercurio. Las plantas que carecían de ese gen fueron inhibidas

o muertas con las mismas concentraciones de organomercuriales.

El desarrollo del álamo amarillo para la fitodescontaminación del mercurio.

Observamos que las bacterias resistentes al mercurio expresan el gen merA al

contacto con mercurio iónico también a otro menos tóxico como el mercurio

elemental. La expresión del gen merA en plantas transgénicas puede

proporcionar un acercamiento ecológico compatible para la remediación de la

contaminación del mercurio. Se transformaron embriones del álamo amarillo

con tres formas modificadas del merA por bombardeo de micro proyectiles.

Todas las formas modificadas del merA confirieron resistencia al mercurio

tóxico, aunque se vio que la estabilidad de la expresión de merA aumentaba

proporcionalmente al grado de modificación de la secuencia de codificación del

gen. Las plantas que contenían el gen modificado merA18 germinaron y

crecieron vigorosas en los medios que contenían niveles normalmente tóxicos

de mercurio iónico y eliminando el mercurio elemental aproximadamente 10

veces más que las plantas no transformadas.

FITODESCONTAMINACION DE CADMIO

La expresión de la sintetasa de glutatión en mostaza india realza la

acumulación y tolerancia del cadmio.

Una de las formas por la cual las plantas desintoxican los metales pesados

está en el secuestro con los péptidos de los metales pesados que atan a los

llamados fitoquelantes o su precursor, el glutatión. Para desarrollar en estas

plantas transgénicas la acumulación y/o tolerancia de metales pesados se usó

Escherichia coli que tiene la sintetasa de codificación del glutatión en el gen

gshII (GS) expresándolo en el citosol de la mostaza india (Brassica juncea).

Las plantas transgénicas del GS acumulan considerablemente mas cadmio que

las de tipo salvaje, además las plantas GS demostraron tolerancia alta al Cd en

las etapas de semilla y de planta adulta.

FITODESCONTAMINACION DE TRICLOROETILENO

Para la fitodescontaminación del contaminante orgánico tricloroetileno (TCE) se

examinó un álamo híbrido que fue modificado genéticamente usando un gen

humano del citocromo P450. Como promotor se usó el 35S del virus del

mosaico de la coliflor.

Esta modificación varía el rango de compuestos asimilables que además del

TCE incluye el dibromo etileno, benceno, estireno, cloroformo y otros

compuestos menos tóxicos o no tóxicos por una reacción oxidativa. Los

productos de la reacción son finalmente transportados a los tallos y hojas.

FITOSDESCONTAMINACION DE NIQUEL

Alyssum pintodasilvae especie hiperacumuladora de níquel; aunque esta planta

no sea transgénica también es usada en la descontaminación de níquel, ya que

es tóxico impidiendo la capacidad de absorber y traslocar diversos elementos

esenciales y sin embargo es altamente beneficioso para el crecimiento y

desarrollo de A. Pintodasilvae.

FITODESCONTAMINACION DE TNT

La fitodescontaminación de TNT (2,4,6-Trinitrotouleno) se ha conseguido

expresando el gen de la nitrorreductasa de bacterias en plantas de tabaco.

Gracias a la enzima nitrorreductasa codificada por este gen se cataliza la

reducción de TNT a hidroxiaminodinitrotolueno (HADNT)

También tenemos otros contaminantes como el arsénico debido a que hasta

1968 se usaba como herbicida e insecticida por lo que aun se encuentra en

altas concentraciones en los suelos donde se aplicaron estos productos. Se

está experimentando con el uso de un helecho (Pteris vittata) que acumula

grandes cantidades de arsénico aunque se desconoce el mecanismo y la razón

de dicha acumulación ya que es altamente tóxico para los seres vivos

BIBLIOGRAFIA

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