Biorremediacion basada en metabolismos de distintos grupos de organismos:Ulva Lactuca

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Resumen[editar]

El presente trabajo pretende ofrecer al lector un panorama general acerca de las características básicas que están presentes en un sistema de biorremediación, así como su importancia y sus aplicaciones, haciendo énfasis en rutas metabólicas presentes en algunos organismos. También se pretende destacar el apartado bioquímico de estas reacciones y ofrecer un artículo de difusión que pueda ser fácilmente interpretado por las personas, aunque no estén relacionadas con el ámbito de las ciencias naturales, en especial con la Química y la Biología.

Introducción[editar]

Con el paso de los años, las sociedades y la estratificación del hombre en diversos ambientes, así como sus acciones, han originado desequilibrios entre los diferentes sistemas naturales que estaban presentes, podemos citar el caso de altos niveles de contaminantes presentes en el océano o la deforestación de gran parte de nuestros bosques y selvas, esto nos ha orillado a buscar soluciones que devuelvan el estado natural a las cosas. Muchas de estas soluciones son de nivel industrial, es decir, son procesos bien definidos que siguen una ruta trazada, devolviendo el cambio en el equilibrio de las cosas pero, a su vez, originando nuevos residuos que tienen que ser limpiados de algún modo. Son muy raros los procesos industriales en los que el residuo sea altamente biodegradable, y los que lo consiguen, son procesos que muchas veces son altamente especializados y específicos, lo que no nos permite aplicarlos a larga escala o en panoramas más generales.

Algunas personas se preguntarán ¿Por qué simplemente no dejamos de reproducir los procesos que nos lleven a este desequilibrio biológico?, a pesar de que podemos ofrecer muchas respuestas a esta interrogante, salta a la vista una de las más evidentes, y es que es cierto que estos desequilibrios se producen por necesidades del hombre, necesidades que no pueden ser ignoradas tan fácilmente, como por ejemplo, la necesidad de contar con una fuente de energía, la necesidad de transportarse, de asearse, o incluso la necesidad misma de alimentarse, por ello, nos resulta muy claro, que es muy difícil dejar de producir estos desequilibrios biológicos.

Entonces, ¿Cómo podemos encontrar procesos que puedan remediar los desequilibrios biológicos sin producir residuos que sean dañinos para el ambiente y se puedan aplicar a diferentes procesos?, podría parecer utópico, pero los hay.

La búsqueda de estos procesos ha despertado el interés de una gran cantidad de científicos que están relacionados con estas problemáticas, y ha ido abriendo una gran brecha en la investigación encaminada a encontrar dichos procesos.

El desarrollo de nuevas tecnologías nos ha permitido examinar o analizar los procesos metabólicos de muchos organismos y darnos cuentas de que estos procesos podrían ser aplicables a mayor escala o en conveniencia nuestra. Es por ello que se han desarrollado distintas técnicas que nos permiten aplicar los conocimientos obtenidos a partir del análisis de estos procesos metabólicos para revertir las fluctuaciones en los sistemas biológicos y así lograr volver a alcanzar el equilibrio o al menos aproximarnos a este.

Desarrollo[editar]

Para poder llegar a hablar de biorremediación, debemos introducirnos primero a otras terminologías más básicas, como por ejemplo, ¿Qué es el metabolismo?, ¿De qué manera actúa el metabolismo en los diferentes grupos de organismos? O incluso podemos preguntarnos, ¿Por qué puede ser tan dinámico?.

Es evidente que aunque estas preguntas parezcan fáciles de contestar a simple vista, la realidad, es que detrás de estas, existen muchos fundamentos y definiciones de los que quizá no tengan mucho conocimiento las personas que no están tan relacionadas con la Biología y sus ramas.

En primer lugar tenemos que hablar de los tipos de organismos y de cómo consiguen su alimento, que es, en evidencia, necesario para poder llevar a cabo sus procesos de síntesis o sus funciones más vitales.

Todos los organismos necesitan fuentes de energía y electrones para su crecimiento. Podemos definir dos grandes grupos de organismos, los autótrofos[1] y los heterótrofos, cada uno con su manera singular de conseguir alimentos, si profundizamos en este tema, podemos encontrar que incluso hay organismos que son fotótrofos, quimiótrofos, y otras divisiones que se pueden agrupar en las dos primeras.

La manera de obtener energía es ciertamente una característica destacable para este proyecto, pues es donde nos vamos a enfocar para poder observar cómo una de las consecuencias primarias o secundarias de éstas actividades de los organismos y microorganismos es la degradación de compuestos contaminantes.

Para poder degradar estos compuestos, ya sean orgánicos o inorgánicos, los organismos necesitan de metabolismos especializados o que estén íntimamente relacionados con el tipo de sustrato en el que tienen un un efecto degradativo.

Podemos definir al metabolismo como una serie de caminos o secuencias de enzimas que podemos considerar como una sola unidad, con cada enzima usando un sustrato que le es propio (hay que recordar que incluso a nivel molecular, cualquier pequeño cambio constitucional en algún compuesto o sitio activo, es reconocido solamente por un tipo particular de enzima o activador), y que es el resultado de un proceso catalítico producido por una enzima.[2]

La degradación de compuestos contaminantes por medio de acción microbiana se puede definir como el proceso mediante el cual los microorganismos utilizan los compuestos contaminantes para obtener su alimento, en otras palabras existen organismos que utilizan los elementos que consideramos como contaminantes para realizar sus funciones más vitales.

Todos los organismos necesitan energía y la producción de esta, necesita materia prima, materia que es afectada por una serie de procesos especializados que están presentes en el organismo donde se necesita la energía, para finalmente transformar esta materia prima en ella.

Es entonces cuando el ser humano puede aprovechar estas propiedades presentes en algún organismo a su conveniencia, el uso de estos organismos en situaciones donde existen altos niveles de contaminación del tipo que sea específica para interactuar con el metabolismo de este organismo nos permitirá reducir de manera significativa la cantidad de contaminantes presentes.

Conocer diversos metabolismos que implique el uso de diferentes contaminantes como requerimiento básico nos permite evaluar las diferentes situaciones y aplicar medidas específicas con más bases y que tengan una mayor tasa de éxito.

Como todo proceso tecnológico, la biorremediación tiene ventajas y desventajas. Una ventaja importante es su bajo costo en relación con otros tratamientos. Es difícil hacer una comparación de costos, porque es necesario conocer las características de cada sitio en particular, pero en términos generales se puede decir que la biorremediación es por lo menos diez veces más económica que la incineración, y tres veces más económica que algunas tecnologías fisicoquímicas de inmovilización. Ello está dado por varios factores, como un menor gasto de energía, bajo costo de los nutrientes y la operación bajo condiciones ambientales, hace que su uso sea muy práctico para los países en vías de desarrollo.[3]

Por otra parte, es una tecnología limpia, ya que los contaminantes pueden ser transformados hasta compuestos inocuos como el dióxido de carbono.

Las desventajas de la biorremediación consisten principalmente en que no se puede aplicar en el campo cuando hay compuestos radioactivos, cuando los compuestos orgánicos contaminantes son altamente halogenados, cuando existen metales pesados que inhiben la actividad microbiana o cuando las condiciones microambientales son desfavorables. Debido a que cada microorganismo tiene sus características, la tolerancia que presentan ante cada situación es muy particular. También pueden ocurrir fenómenos de inhibición de la actividad microbiana a concentraciones muy altas de contaminantes orgánicos.[4]

A continuación mostraré un ejemplo de proceso de biorremediación que ha tenido un alto nivel de cumplimiento en nuestras expectativas acerca de reducir los niveles de contaminación en distintas partes utilizando diferentes microorganismos para este fin.

Biorremediación como un proceso de saneamiento en lugares contaminados por petróleo[editar]

En las últimas décadas, paralela al desarrollo de la industria petrolera, ha aumentado la contaminación en los ecosistemas marinos. El vertimiento de petróleo crudo y sus derivados provocan efectos negativos a corto, mediano y largo plazo. La eliminación natural de los contaminantes puede tardar años, e incluso no ocurrir. Para acelerar este proceso y garantizar la reparación del ecosistema dañado, se emplean técnicas de biorremediación. Esta variante emergente de la biotecnología ambiental, se basa en el empleo de la actividad metabólica microbiana (bacterias, hongos, levaduras, algas y tapetes microbianos) para degradar los hidrocarburos del petróleo. Su aplicación tiene dos propósitos esenciales: la bioestimulación de la población autóctona viable, y la bioaumentación (introducción de poblaciones microbianas viables). En el desarrollo de esta tecnología (biotecnología ambiental), se han formulado varios productos comercializables para la limpieza de desastres: fertilizantes construidos por nutrientes con funciones bioestimuladoras; bioproductos conformados por microorganismos; y productos químicos con la función de aumentar o estimular la población microbiana que interviene en el proceso de biodegradación.[5]

La biodegradación del petróleo es un proceso natural que demora meses o años según las condiciones, la complejidad molecular de sus componentes y la acumulación. La biodegradación de contaminantes depende de factores abióticos o físico-químicos que agrupan a los que se relacionan con el contaminante (estructura química, concentración y biodisponibilidad) y las condiciones medioambientales (disponibilidad de oxígeno y nutrientes, pH, temperaturas, presión, salinidad, presencia de metales pesados); mientras que los bióticos dependen de los microorganismos (población microbiana: concentración e interacciones).[5]

Cuando hay un vertido de petróleo en ambientes que presentan bajas concentraciones de nutrientes inorgánicos se suelen producir elevados cocientes carbono/ nitrógeno y/o carbono/fósforo, los cuales son desfavorables para el crecimiento microbiano.[6]

El petróleo es una fuente de nitrógeno, esta interviene en la síntesis de aminoácidos y enzimas (Moléculas necesarias para la actividad vital del organismo). Los microorganismos la obtienen en forma natural como amonios, nitratos, nitritos, compuestos orgánicos que contienen nitrógeno molecular, además de estar presentes en la materia orgánica como grupos aminos. Prácticamente todos los microorganismos emplean el amonio como fuente nitrógeno porque entra directamente al metabolismo (Es más fácil obtener energía de esta molécula). Se considera que por lo general la adición de nitrógeno y fósforo, tiene un efecto positivo incrementando las poblaciones microbianas y las tasas de biodegradación del contaminante.[5]

En esta muy general forma es como algunos tipos microorganismos aprovechan el petróleo como fuente de nitrógeno para sintetizar otras moléculas como enzimas o proteínas que necesitan en sus actividades vitales. Ahora explicaré de forma ejemplificada este proceso, para ello utilizaré un trabajo titulado Bioremediation of nitrogenous compounds from oilfield wastewater by Ulva lactuca (Chlorophyta).

Hoy día trasiegan por los mares cerca de 2 mil millones de toneladas de petróleo crudo. Su descarga accidental y a gran escala constituye una importante causa de contaminación de las aguas marinas. La mayor responsabilidad de la contaminación por crudos suele ser de los barcos superpetroleros que lo transportan (responsables del 22% del total); aunque el vertimiento de otros barcos y la explotación de las plataformas petrolíferas marinas, también son una importante aportación de vertidos. Se estima que de cada millón de toneladas de crudo embarcadas, se vierte una tonelada. (Barrios San Martín Y. 2011)

El agua contaminada con petróleo es un producto derivado en muchos casos de la producción de este. La biorremediación por microalgas parece ser una opción para remediar este mal y el género Ulva tiene un gran potencial como agente en la biorremediación por su alta capacidad de absorción de nitrógeno. En el trabajo que voy a utilizar como ejemplo se evaluó la eficiencia de la biorremediación de compuestos nitrogenados en tres concentraciones por Ulva. En este trabajo, todos los compuestos que contenían nitrógeno fueron removidos en su periodo final. Pero en los periodos que comprendieron el rango temporal en el que fue evaluado el experimento se mostró una actividad de biorremediación por encima de la media en las aguas contaminadas. Lo refuerza la idea de que la capacidad de biorremediación de Ulva lactuca es muy alta y la proponen como una gran opción si se trata de este residuo como contaminante presente en un sistema. Además también propone que estos procesos son de bajo costo y que la aplicación de estas técnicas también tiene como efecto la producción de gran cantidad de biomasa que puede ser utilizada para otros fines.[7]

Como este hay muchos trabajos que nos permiten darnos cuenta de la importancia de los procesos metabólicos de algunos microorganismos y de las aplicaciones que estos pueden tener, que a demás de reducir costos en muchos procesos y obtener económicamente más ingresos, además de que estos procesos no generan en la mayoría de los casos más compuestos contaminantes.

Conclusión[editar]

Los procesos metabólicos de muchos microorganismos y sus requerimientos de materia prima en forma de contaminantes nos permiten utilizar estos a nuestra conveniencia. Diversos estudios han demostrado que muchos microorganismos tienen la habilidad o la capacidad suficiente para realizar la biorremediación, proceso que en pocas palabras se puede resumir en el uso de factores bióticos para el saneamiento de partes contaminadas con materia orgánica principalmente. A la par de esta propiedad también se le puede sumar el hecho de que estos procesos producen menos contaminación comparado con procesos físicos o fisicoquímicos.

Los procesos de biorremediación en ambientes económicos también son más factibles, ya que además de tener costos de producción destacablemente más reducidos, podemos obtener en algunos casos biomasa que es utilizada en otros procesos y que se puede vender generando aún más ganancia.

Como expectativa tengo que las personas generen un cambio a nivel mental para comenzar a entender a estos organismos que muchas veces pasan desapercibidos o que muchas personas piensan como insignificantes, además de impulsar las metodologías de biorremediación para su aplicación en gran escala y el desarrollo de estas por parte de las mentes interesadas para generar procesos más baratos y con más beneficios tanto para el ambiente como para nosotros mismos.

Referencias[editar]

  1. Prescott Lansing, Microbiology, pp 101
  2. Prescott Lansing, Microbiology pp 154
  3. Dua M, Singh A, Sethunathan N, Johri AK. Biotechnology and bioremediation: successes and limitations. Appl Microbiol Biotechnol. 2002;59(2-3):143-52.
  4. Saval S. La biorremediación como alternativa para la limpieza de suelos y acuí- feros. Ing Cienc Ambient. 1998;34:6-9.
  5. 5,0 5,1 5,2 Barrios San Martín, Y. (2011). Biorremediación: una herramienta para el saneamiento de ecosistemas marinos contaminados con petróleo. Biotecnología Aplicada, 28(2), pp.60-68.
  6. Martínez-Alonso M, Gaju N. El papel de los tapetes microbianos en la biorrecuperación de zonas litorales sometidas a la contaminación por vertidos de petróleo. Ecosistemas. 2005;14(2):79-91.
  7. de Oliveira, V., Martins, N., Guedes, P., Pollery, R. and Enrich-Prast, A. (2016). Bioremediation of nitrogenous compounds from oilfield wastewater by Ulva lactuca (Chlorophyta). Bioremediation Journal, 20(1), pp.1-9.