Biorremediación y su uso contra la contaminación ambiental
Introducción
La contaminación ambiental es un problema emergente simultáneo a medida que la civilización moderna se desarrolla rápidamente. El problema se agrava día a día.
También ha aumentado la concentración de contaminantes y toxinas no biodegradables. La amenaza que representa la contaminación por hidrocarburos resultante de las actividades de las refinerías de petróleo, liberaciones accidentales de productos derivados del petróleo, y los fenómenos naturales son alarmantes.
Para mitigar el riesgo de contaminación, Se han emprendido estrategias de gestión eficaces. Sin embargo, estas estrategias no son ecológicas, son caros, y son menos eficaces.
Por otro lado, mediante la utilización de diferentes microorganismos para limpiar los contaminantes del medio ambiente y el agua, La biorremediación se considera una de las más prometedoras, popular, eficaz, y estrategias sostenibles en el campo hoy.
En biorremediación, microbios específicos alimentan y digieren los contaminantes químicos tóxicos. Está demostrando ser una de las herramientas más exitosas y respetuosas con el medio ambiente para limpiar lugares inaccesibles para los humanos.
Una parte integral de la biorremediación es la biotecnología, que proporciona mecanismos naturales para descontaminar el medio ambiente, tierra, y agua. Cuando los contaminantes son desechos industriales, Se aplican mecanismos de biotecnología a la biorremediación. Los científicos están haciendo más esfuerzos para mejorar la capacidad de los microbios para metabolizar toxinas.
Metales pesados naturales en el medio ambiente
El término "metal pesado" se aplica a 53 de los 90 elementos naturales. De estos Hay cuatro micronutrientes esenciales para el crecimiento de las plantas:Cobre (Cu), Manganeso (Mn), Hierro (Fe), y zinc (Zn).
Metales pesados esenciales (Ni, Pb, Fe, Minnesota, Cu y Zn) son los micronutrientes que son esenciales para importantes actividades bioquímicas y fisiológicas del crecimiento de las plantas Pawan Kumar, 1995
Sin embargo, si sus concentraciones son superiores a las requeridas para un crecimiento normal, serán tóxicos. Adicionalmente, metales como el mercurio (Hg), Cadmio (Cd), y el plomo (Pb) son tóxicos incluso en concentraciones muy bajas.
Metales pesados no esenciales (Cd, Hg, Pb, Cr y as) no tienen una función biológica o fisiológica conocida y, por lo tanto, se consideran no importantes para el crecimiento y desarrollo de las plantas Pawan Kumar, 1995
Toxicidad de metales pesados para humanos y animales
Los metales pesados en ambas categorías son tóxicos para las plantas, humanos, y animales en concentraciones excesivas. Por lo tanto, concentraciones más altas de metales pesados esenciales y no esenciales en el sistema biológico podrían afectar negativamente el crecimiento y el desarrollo, así como causar efectos adversos para la salud.
Estos metales pueden existir como entidades individuales o en amalgama con diferentes constituyentes del suelo que podrían comprender iones metálicos solubles en la solución o iones intercambiables que se absorben en la superficie de compuestos metálicos orgánicos o inorgánicos como fosfatos y carbonatos Mridul Ghosh, 2005
Existen diferentes efectos asociados con la toxicidad por metales pesados, tal como Selenio toxicidad (9 mg / día), que puede resultar en uñas deformadas en humanos y enfermedades alcalinas en animales.
Los efectos tóxicos de Cadmio (200 microgramos / kg-1 de peso fresco) interrumpen las funciones normales del zinc y el calcio. La toxicidad del cadmio es la causa de " itai-itai ", una enfermedad de trastorno multisistémico, que causa osteoporosis severa y fragilidad ósea.
Los " Minamata ”La enfermedad (Japón 1953-60) también puede ser causada por mercurio toxicidad (> 0,1 microgramos / kg de peso corporal). Mucha gente murió a causa del pescado contaminado con mercurio.
Se observaron anomalías tisulares en el sistema nervioso central, feto y glóbulos rojos, ya que son más susceptibles a la contaminación por metilmercurio (27-102 ppm).
Una dosis tóxica de arsénico (3 mg / día) puede causar cáncer de piel, hiperqueratosis, hiperpigmentación, pie negro, y cáncer de órganos internos.
Los radicales libres son producidos por metales de transición activos redox (p. Ej., Fe2 + y Cu2 +). Esencialmente, reemplazan otros metales esenciales en enzimas y pigmentos.
Algunos iones metálicos (Hg2 +, Cu2 +) puede interferir con la estructura y función de las proteínas al reaccionar con grupos tiol.
Hay algunos metales que existen como isótopos radiactivos (238U, 137Cs, etc.) que plantean riesgos para la salud.
Las concentraciones de metales pesados en el suelo y sus límites reglamentarios estándar se muestran en la siguiente tabla:
Elementos
Concentración (mg / kg)
Límite reglamentario estándar (mg / kg)
Arsénico
0,1-102
20
Cadmio
0,1-345
100
Cromo
0,005-3950
100
Cobre
0.03-1550
600
Dirigir
1-6900
600
Mercurio
0,001-1800
270
Zinc
0,15-5000
1500
Salt et al., 1998
Métodos tradicionales de mejora de metales pesados
En cuanto a la remediación de metales pesados, los enfoques más comunes y convencionales son los vertederos, Tratamiento térmico, excavación y entierro, intercambio iónico, el cultivo de la tierra, extracción química, lavado del suelo, y extracción y tratamiento de aguas subterráneas.
Las soluciones tradicionales son indeseables porque implican altos costos, son intrusivos por naturaleza, no siempre se puede implementar, puede destruir la estructura del suelo y la CIC, desestabilizar los ecosistemas, son estéticamente poco atractivos, y producir resultados mediocres.
Fitorremediación de metales pesados
El concepto de utilizar la naturaleza para limpiar la naturaleza se basa en un medio ambiente, económico, tecnología impulsada por energía solar que es estéticamente agradable y rentable.
¿Qué es la fitorremediación?
Un método para eliminar, degradante, o contener contaminación química del suelo, sedimentos, agua subterránea, Superficie del agua, e incluso el aire utilizando plantas y sus microorganismos asociados.
Descontaminar el suelo y el agua contaminados de forma natural a través de:
Uso de plantas verdes para eliminar contaminantes del medio ambiente o hacerlos inofensivos Salt et al., 1998
¿Qué se utiliza en fitorremediación?
Es más, Los microorganismos del suelo junto con las plantas también se utilizan para la remediación de contaminantes orgánicos e inorgánicos.
La fitorremediación tiene los siguientes objetivos:
Para reducir los niveles de contaminación de varios contaminantes en el suelo y el agua.
Para acumular contaminantes en plantas cosechadas que puedan ser removidos y para mejorar o mantener las condiciones físicas del sitio.
Mejora química y biológica del suelo.
Tipos de fitorremediación
En el caso de contaminantes orgánicos, La fitorremediación utiliza mecanismos como la fitoestabilización, fitovolatilización, rizodegradación, y rizofiltración.
Para contaminantes inorgánicos, los mecanismos de fitorremediación son la fitovolatilización, fitoestabilización, rizofiltración, y fitoacumulación.
A continuación se muestran algunos tipos de fitorremediación:
1. Fitoestabilización
Las raíces de las plantas tienen el potencial de estabilizarse, inmovilizar, y se unen a las partículas tóxicas del suelo, reduciendo así su biodisponibilidad.
Las especies de plantas pueden inmovilizar contaminantes en el agua subterránea y el suelo al absorber y acumular contaminantes, o precipitando residuos metálicos dentro de la zona de la raíz.
Idealmente, este proceso se utiliza para eliminar los metales tóxicos de los suelos, sedimentos, y lodos.
2. Fitoextracción
A través del proceso de fitoextracción, ciertas especies de plantas pueden acumular altas concentraciones de contaminantes metálicos, junto con los nutrientes excedentes en los brotes y raíces cosechados, del sustrato o del suelo contaminado.
Este proceso es óptimo para metales, no metales, radionucleidos, metaloides, contaminantes orgánicos en suelos, sedimentos, y medio de lodos Raman Hinchman, 1995
3. Fitovolatilización
La capacidad de las plantas para absorber y posteriormente volatilizar partículas contaminantes a la atmósfera. Partículas de metal en el suelo, agua subterránea, sedimentos, y los lodos pueden eliminarse mediante este proceso.
4. Fitotransformación
Implica la absorción metabólica de contaminantes junto con los nutrientes por parte de la planta y la posterior descomposición de los contaminantes, ya sea internamente por el metabolismo de la planta o externamente por los efectos inducidos por la planta Raman Hinchman. 1995
En suelos agua subterránea, sedimentos y lodos, este proceso se puede utilizar para reducir moléculas orgánicas complejas, descomponiéndolos en moléculas contaminantes más simples.
5. Rizofilteración
La rizofiltración es el proceso de absorción de sustancias tóxicas, junto con el exceso de nutrientes, del medio de crecimiento o del sitio contaminado por las raíces de las plantas.
Las partículas contaminantes se depositan sobre las raíces de la planta o se absorben en la zona de las raíces por precipitación o adsorción.
El proceso es ideal para eliminar el exceso de nutrientes, rieles, y contaminantes radionúclidos de las aguas superficiales, agua subterránea, y aguas residuales.
6. Rizodegradación:
La rizodegradación es el proceso por el cual las partículas contaminantes del suelo se descomponen mediante la acción de microbios, así como la absorción adicional de contaminantes por las raíces de la planta.
Utiliza microorganismos para consumir y metabolizar sustancias orgánicas y proporcionar nutrición y energía.
Las sustancias naturales liberadas por las raíces de las plantas como los ácidos, los azúcares y los alcoholes contienen una fracción de carbono orgánico que sirve como fuente de energía para los microorganismos residentes del suelo y crean una masa de raíces espesa que absorbe grandes cantidades de agua Irena Shtangeeva, 2004
Mecanismo de fitorremediación
La utilización de plantas para la rehabilitación de un sitio contaminado implica varios mecanismos.
Los sistemas de raíces juegan un papel clave en la prevención de la toxicidad inducida por contaminantes. Los contaminantes son absorbidos por las plantas a través del sistema radicular.
Para permitir la absorción y acumulación de agua y nutrientes, la rizosfera proporciona una superficie suficiente.
Similar, Los investigadores están examinando si los árboles se pueden utilizar para eliminar eficazmente los contaminantes de las capas más profundas del suelo que son más fáciles de penetrar por las raíces más profundas de los árboles en comparación con las plantas pequeñas.
Al liberar compuestos orgánicos e inorgánicos (exudados) en la rizosfera, las raíces de las plantas también modifican la interfaz suelo-raíz.
Como resultado de los exudados de las raíces, los microorganismos se multiplican, las partículas del suelo se vuelven más estables, y los contaminantes se vuelven más fácilmente biodisponibles.
Los exudados vegetales afectan la movilidad y biodisponibilidad de los contaminantes en la rizosfera al modificar las características del suelo, cambiar la composición química, liberando compuestos orgánicos y aumentando la actividad microbiana asistida por plantas.
Más adelante en el artículo, Se discuten las ventajas y desventajas de la fitorremediación.
Ventajas de la fitorremediación
El uso de plantas ofrece numerosas ventajas sobre los métodos de remediación convencionales.
En suelo y agua, esta tecnología es eficaz, eficiente, y medios de degradación respetuosos con el medio ambiente, menguante, o contaminantes desintoxicantes.
Debido a sus bajos costos de mantenimiento y recolección, es un método económico.
Es una tecnología neutra en carbono, ya que no genera emisiones adicionales de dióxido de carbono más allá de los rangos incorporados originalmente en la combustión de biomasa vegetal.
La aceptación social es alta y estéticamente agradable.
Además de abordar el problema de la eliminación de sustancias tóxicas del medio ambiente, esta técnica también se puede utilizar para recuperar metales comercialmente importantes del suelo.
La biomasa vegetal también se puede utilizar para generar energía, convirtiéndola en una tecnología lucrativa.
Una técnica como esta se puede utilizar para remediar metales, solventes, pesticidas, petróleo crudo, hidrocarburos poliaromáticos, lixiviados de vertedero, y explosivos.
Desventajas de la fitorremediación
Dado que se inducen altos niveles de contaminación por toxicidad en las células vegetales, obstaculizar el crecimiento de las plantas, Esta técnica se puede utilizar mejor en sitios con niveles de contaminación bajos o moderados.
El proceso lleva mucho tiempo.
Las especies de plantas hiperacumuladoras tienen una capacidad limitada para absorber contaminantes del suelo debido a su baja biomasa y a su lenta tasa de crecimiento.
Un proceso mal administrado puede preparar el escenario para la entrada de compuestos tóxicos en la cadena alimentaria.
Los iones metálicos fuertemente unidos tienen una biodisponibilidad limitada, limitando su eliminación.
