Tema 12. Biotecnología ambiental PDF

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Profesora Rosario Haro Hidalgo...

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TEMA 12. BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL La biotecnología ambiental es la aplicación de agentes biológicos junto a agentes químicos o procesos físicos o de ingeniería para mantener, proteger o restaurar el medio ambiente. Tiene aplicación en varios ámbitos, como en suelos de uso agrícola o residencial; aguas superficiales o subterráneas para el consumo humano, aguas residuales que comprometan la salud pública, y la protección de la vida acuática; y en gases emitidos por las industrias. Trata de prevenir la acumulación de varios tipos de compuestos contaminantes. Dentro de los compuestos controlados o conocidos, los más abundantes son las moléculas hidrocarbonadas con grupos alifáticos aromáticos PHA. También destacan los biofenoles clorados o PCB, muy utilizados en las industrias; los solventes halógenos, metales pesados, compuestos nitro-aromáticos como el TNT y otros como organofosforados y cianuros. Hay que tener en cuenta los compuestos contaminantes emergentes, medicamentos desechados y excretados, como es el caso deL etinil estradiol, un componente de la píldora, que se excreta en la orina y va a parar a las aguas residuales urbanas. La biotecnología ambiental pretende obtener organismos capaces de eliminar estos compuestos. Los contaminantes pueden ser biogénicos, si son estructuras semejantes a las sintetizados por seres vivos; y xenobióticos, si estructuras o sustituyentes diferentes a los encontrados en la naturaleza.

Biorremediación o biotransformación Se trata de la tecnología que emplea el potencial metabólico de los microorganismos para transformar contaminantes en compuestos más simples poco nada contaminantes, es decir, transformar un sustrato contaminante en un producto menos contaminante, aunque en ocasiones la toxicidad puede incrementarse. La biomineralización es lo que se persigue conseguir, pues consiste en el uso del compuesto contaminante como fuente de carbono y energía, dando lugar a agua y dióxido de carbono. Los microorganismos llevan a cabo la atenuación natural en condiciones normales, es decir se encuentran en ambientes naturales y degradan el compuesto contaminante de forma normal, aunque el compuesto llega a unas cantidades que el microorganismo no puede degradar. Por ello se requiere a la bioestimulación, que pretende estimular el crecimiento de los microorganismos en su medio natural y que estos degraden el compuesto, mediante la inyección de oxígeno en el suelo, por ejemplo, aunque ello puede tener consecuencias como la destrucción de la microbiota anaerobia estricta que habita ese nicho. Si la bioestimulación no es suficiente, se lleva a cabo la bioaumentación, creciéndose la bacteria en el laboratorio y reinsertándose en el medio al que pertenece en mayor cantidad.

Biorremediación del suelo Lo más efectivo a la hora de eliminar contaminantes del suelo es la combinación de plantas y bacterias, lo que se conoce como rhizorremediación. En los suelos contaminados se plantan plantas con comunidades bacterianas que pueden absorber los compuestos contaminantes y proteger a la planta de

dichos compuestos, y además la planta proporciona a las bacterias un nicho donde vivir y un exudado de compuestos que favorecen su proliferación, acelerando considerablemente el proceso de descontaminación.

Depuración de aguas residuales El agua ha de ser depurada debido a que es un vehículo transmisor de microorganismos patógenos de forma directa o indirecta si se elaboran con ella alimentos. Además, las reservas de agua dulce del planeta son mínimas, por ello hay que garantizar un abastecimiento eficaz y con garantías sanitarias y un saneamiento de las aguas residuales que minimicen el impacto del medio ambiente. El agua residual es aquella que procede del uso doméstico, industrial, agrícola o de servicios, pudiéndose incluir las aguas de las lluvias, que no pueden ser vertidas a ríos o lagos debido a problemas de salud, económicos o ecológicos. El tratamiento de aguas residuales es necesario para evitar el desequilibrio ecológico de ríos y lagos. Estos ecosistemas constan de fuentes autóctonas de nutrientes proporcionados por organismos fotosintéticos; y alóctonas, proporcionados por los sedimentos arrastrados por las corrientes. La adición de nutrientes como materia orgánica, fósforo y nitrógeno puede tener distintas consecuencias dependiendo de la cantidad de estos compuestos en el agua:  Si están presentes en bajas cantidades, los microorganismos fotosintéticos aumentan su proliferación, generando más oxígeno que puede ser utilizado junto con la materia orgánica por los organismos quimioheterótrofos. Esto llevaría a la autodepuración de las aguas.  Si por el contrario los nutrientes se vierten en grandes cantidades, los microorganismos quimioheterótrofos consumen rápidamente el oxígeno disponible en el medio para oxidar la materia orgánica que se les aporta, llevando a la anaerobiosis del ecosistema por la falta de oxígeno y a la muerte de la vida animal, lo que trae consigo la proliferación de microorganismos patógenos para el ser humano. En el caso de que las fuentes de nitrógeno y fósforo superen a las de material orgánico, puede darse la eutrofización de las aguas.

Efectos que produce el vertido de aguas residuales sobre un río  Tapizado de la vegetación de las riberas con sólidos gruesos (plásticos, restos de alimentos)  Acumulación de sólidos en suspensión sedimentables en fondo y orillas (arenas y materia orgánica)  Consumo de oxígeno disuelto por descomposición de la materia orgánica  Formación de malos olores (metabolismo anaeróbico)  Entrada de elevado número de microorganismos incluido patógenos  Contaminación de compuestos químicos incluidos tóxicos

Componentes de interés del agua residual  Material en suspensión (MES), corresponde al 0,02% y ha de ser retirado para evitar que llegue al reactor de la depuradora.

 Materia orgánica biodegradable, corresponde a la mayoría de los componentes, procedentes de restos de la alimentación, como proteínas, carbohidratos y grasas, que suelen ser biodegradables aunque si están disueltos son más difíciles de eliminar.  Sustancias orgánicas estables o refractarias al tratamiento Incluye a compuestos fenólicos, pesticida, hidrocarburos clorados. En el medio ambiente su toxicidad limita el uso de las aguas para riego.  Sustancias inorgánicas disueltas como Na, Ca, Mg, Cl, B. Son los componentes del agua residual más difíciles de eliminar. Se estima la materia disuelta total y la conductividad eléctrica. Un exceso de salinidad es perjudicial para ciertos cultivos.  Elementos nutritivos, N, P y K. Su presencia en el agua aumenta su valor para su uso en riegos. En medios acuáticos puede dar lugar a eutrofización. Un vertido excesivo en el terreno puede dar lugar a contaminación con nitrógeno de las aguas subterráneas.  Actividad del ión hidronio (pH) El pH del agua residual afecta a la solubilidad de los metales así como la alcalinidad del suelo. Lo normal en esta agua es un pH 6.5-8.5, aunque la presencia de agua residual industrial puede modificar el pH de forma significativa.  Patógenos Se analizan organismos indicadores como coliformes totales y coliformes fecales. Bacterias, virus o protozoos pueden producir numerosas enfermedades transmisibles

Parámetros que permiten estimar la cantidad de materia orgánica de las aguas El parámetro más utilizado es la DBO o demanda biológica de oxígeno, una medida indirecta. Es la cantidad relativa de oxígeno disuelto necesaria para que los microorganismos realicen la oxidación completa de toda la materia orgánica e inorgánica presente en una muestra de agua. Actualmente se comercializan sensores que miden la cantidad de CO2 generada y el descenso del oxígeno, lo que se puede medir como un cambio en la presión del tarro sellado herméticamente. También se emplea una medida directa, la DQO o demanda química de oxígeno, es decir, la cantidad de oxígeno requerida para oxidar completamente la materia orgánica utilizando oxidantes químicos como el dicromato potásico en presencia de un ácido como el sulfúrico, midiéndose la presencia de dicromato potásico antes y después de la reacción. También se emplean compuestos que cambian de color tras la reacción, lo que puede medirse gracias al espectrofotómetro.

Estación depuradora de aguas residuales (EDAR) Una depuradora se asemeja a un biorreactor que opera en continuo. Es una estación que recoge las aguas residuales de una población o una industria, devolviéndola a un cauce receptor tras una serie de tratamientos. Existe una legislación europea que regula el funcionamiento de las estaciones depuradoras y que depende de los equivalentes de población. La DBO ha de estar por debajo de 20 para que la comisaría de aguas autorice el vertido a la cuenca hidrográfica correspondiente. Los objetivos de la estación son la eliminación de materiales y sólidos en suspensión (MES), la disminución de la materia orgánica disuelta, del nitrógeno, del fósforo, y la eliminación de los microrganismos, que pueden ser patógenos.

TRATAMIENTOS CONVENCIONALES Este tipo de tratamientos se emplean en grandes ciudades, en poblaciones con hospitales e industrias. Consumen energía eléctrica y requieren mano de obra especializada. Se dividen a su vez en tratamientos primarios, secundarios y terciarios.

Tratamiento primario Tratamiento primario preliminar o físico Trata de separar sólidos en suspensión de la fase acuosa.   

Desbaste, se vale de rejas de gruesos de distintos diámetros de separación entre barrotes para retirar los distintos sólidos, de 20 a 10 y de 50 a 150 milímetros. Desarenado, se extraen partículas minerales de 200 micras, circulándose el agua en una cámara a cierta a velocidad que permita su depósito y evacuación. Desgrasado, la grasa y los aceites flotan en la superficie debido a la desemulsión que provoca la inyección de aire a presión, de tal forma que pueden ser retirados con rasquetas fácilmente.

Tratamiento primario químico Se pretende eliminar la mayor parte de la materia en suspensión sedimentable, reduciéndose de un 20 a un 30% la DBO. Ayuda a que los compuestos coloidales floculen y precipiten mediante químicos en tanques de mezcla con electroagitadores, donde el agua se mezcla con las sales de aluminio, hierro y calcio como floculantes. De ahí pasan a tanques de floculación, donde la agitación es muy lenta, y parte de las sustancias coloidales disueltas pasan a ser sólidos en suspensión sedimentables. Los decantadores tienen un brazo que se mueve lentamente para permitir la sedimentación por acción de la gravedad y arrastrar y eliminar por el fondo el material sedimentado. Los decantadores utilizados son dinámicos si los fangos se arrastran hacia unas purgas por puentes móviles con rasquetas que recorren el fondo; o circulares, de más de 15 metros de diámetro, empleados para volúmenes de más de 20.000 litros, con una profundidad de 3 a 5 metros, donde el agua entra por el centro y sale por la periferia, dirigiéndose los fangos a un pozo. En ambos casos los tiempos de retención son van de 3 a 5 horas.

Tratamiento secundario o microbiológico En este proceso se persigue la transformación de la materia orgánica disuelta en sólidos sedimentables en forma de biomasa, más fáciles de eliminar, y además el atrapamiento de sólidos coloidales y en suspensión utilizando biofilms. En condiciones ideales, los microorganismos se agregan y forman una estructura flocular estable y sedimentable. Parte de los minerales del agua quedan también atrapados en la biomasa y se sedimentan. Se consigue una reducción de entre el 90 y el 95% de la DBO. Los tipos de tratamientos secundarios pueden ser aerobios (fangos activados, lechos bacterianos o percoladores, o filtro por goteo, y contactores biológicos rotativos) y anaerobios.

Fangos activados (aerobio) Es el tratamiento más convencional, y trata de favorecer el crecimiento de los microorganismos aerobios, por lo que el factor limitante es la aireación. El método de fangos activados más utilizado consta de dos reservorios, una piscina donde se promueve la agitación y con ello la aireación y distribución del oxígeno; y un segundo contenedor o clarificador final, un decantador donde no hay movimiento y se deja reposar el medio para que las bacterias vayan al fondo y formen el fango. Hay otro método en el que en vez de utilizar dos tanques se utiliza solo uno. Se conoce como aireación extensa, donde el agua tiene que tener un tiempo de retención mucho mayor que en el método anterior, ya que se forma un gradiente de concentración de materia orgánica a lo largo de la piscina, de tal forma que al final de esta la DBO es muy reducida. Se emplea en poblaciones pequeñas, ya que es un método muy lento para limpiar grandes cantidades de agua.

Contactores biológicos rotativos (aerobio) Se basan en el montaje de una serie de discos de pizarra o de algún metal que se instalan parcialmente sumergidos en piscinas donde está el agua residual, de tal forma forma que la parte superior se oxigena y la parte inferior recoge materia orgánica, formándose biopelículas en sobre el disco a medida que este gira lentamente gracias a un rotor. Este tratamiento se lleva a cabo en pequeñas poblaciones, ya que es lento y los volúmenes que se tratan son pequeños a pesar de que la

eliminación de la DBO sea muy eficaz. El microorganismo está embebido en el biofilm mientras el agua con las sustancias se filtra a través de la capa, tomando la bacteria los nutrientes.

Filtro por goteo (aerobio) Se construyen grandes contenedores rellenos de un material particulado, antiguamente eran trozos pequeños de piedra, que se riega con el agua residual. Alternativamente a las piedras se utilizan anillas de plástico con muchos agujeros, lo que aumenta la relación superficie/volumen para favorecer el crecimiento bacteriano con biofilms que permiten la depuración del agua.

Fangos activados El tratamiento es muy eficaz, elimina hasta el 95% de la DBO y el 90% del MES, el 90% de las bacterias potencialmente patógenas, parte de los virus y metales pesados, y el único problema es la eliminación de fósforo y nitrógeno junto a algunos virus, quistes, protozoos y huevos de parásitos. Las bacterias naturales que arrastra el agua crecen en los tanques, aunque existen estárters para añadir al agua. Es importante el tiempo de retención que ha de estar el agua en los reactores biológicos, pues marcará el flujo del agua en el sistema. Hay un sistema conocido como tornillo de Arquímedes, un tornillo sin fin, cuya función es recuperar los fangos del decantador antes de que vayan al tanque de decantación para evitar que las bacterias se laven debido a un flujo excesivo, de tal forma que permite establecer un equilibrio. Tienen la función de retornar el fango al reactor biológico para reinocularlo, ya que si el flujo es muy alto se puede lavar la población.

Se vale de distintos reactores biológicos para conseguir una buena aireación, como electroagitadores o inyectores de aire, con tiempos de retención de entre 5 y 10 horas. En una decantación secundaria se separan el agua, que puede ir a un tratamiento terciario, a un digestor o directamente al efluente; y los fangos, parte de los cuales retornan al tanque de aireación o a la planta de tratamiento.

Los fangos son grandes flóculos o agregaciones de uno o más microorganismos. Las bacterias filamentosas son muy importantes para dar forma al flóculo, pero también aquellas que producen exopolisacárido. En el EPs quedarán retenidas partículas, que aunque no sean consumidas, quedarán atrapadas por el flóculo, como virus, compuestos que no pueden ser degradados y bacterias patógenas. Son ecosistemas microscópicos, formados por microorganismos procariotas y eucariotas como protozoos y hongos, y organismos microscópicos. Los microorganismos principales son las bacterias aerobias, que pueden ser heterótrofas (que respiren activamente y consuman la materia orgánica presente) o autótrofas (de menor importancia, pero importantes algunas desnitrificantes). Dentro de las heterótrofas, las más importantes son las del género Pseudomonas, concretamente Zooglea ramigera, la bacteria principal para la formación del flóculo al excretar EPS, decantable al formar flóculos de 2 a 4mm. Hay otras bacterias filamentosas como Flavobacterium cytophaga, proteobacterias como Alcaligenes, con capacidad desnitrificante, y alunas G(+) como Bacillus. Destacan autótrofas nitrificantes, Gram (-) como Nitrosomonas y Nitrobacter; quimiolitotrofos filamentosos como Beggiatoa thiotrix, y cianobacterias filamentosas como Anabaena o Nostoc. Los protozoos contribuyen de forma importante a reducir la DBO. La mayoría son ciliados libres como Paramecium y fijos como Vorticella. Se alimentan de bacterias, regulando la población bacteriana, y además son indicadores de la ausencia de tóxicos al ser altamente sensibles a estos compuestos.

Los hongos normalmente no están presentes, sólo en condiciones de pH ácido, deficiencia de nitrógeno y presencia de productos tóxicos, Penicillium y Cephalosporium. Los virus suelen ser de origen humano y la mayoría son eliminados al quedar atrapados en el flóculos. La microfauna está compuesta por animales microscópicos como rotíferos, nematodos y ácaros. Consumen bacterias y protozoos, constituyendo el siguiente eslabón en la cadena trófica que se crea en el medio, controlando la población de estos dos organismos. Los rotíferos también ayudan a la formación del flóculo al excretar sustancias mucosas.

Problemas biológicos de los fangos activados La cantidad de agregados que entran en el decantador es considerable, y cualquier interferencia como un cambio de densidad o la generación de corrientes de convección hace que el flóculo se fugue del decantador con el efluente. Puede darse la anaerobiosis por una agitación mínima, cambios de pH por la lluvia o por demasiados lavados. Hay muchos factores que pueden alterar el equilibrio del crecimiento entre bacterias filamentosas y las que forman el EPS. Lo que suele ocurrir es que se formen floculos sin microorganismos filamentosos, con lo que el tamaño de estos no es lo suficiente como para sedimentar; o que haya exceso de filamentos y ocurra lo mismo, en ambos casos flotan en vez de sedimentar.

Esponjamiento filamentoso (Bulking) El fango activo se fuga con el efluente del decantador, es decir, los sólidos no son retenidos en este ya que sedimentan lentamente y no se compactan. Es un problema difícil y lento de solventar. Puede estar relacionado con un desequilibrio de nutrientes, bajo pH, mala aireación, etc. Se pueden adicionar coagulantes como sales metálicas o floculantes como polielectrolitos para solucionarlo. También se pueden adicionar microorganismos vivos.

Espumamiento biológico (Foaming) Se produce una espuma densa de coloración variable que se desborda del reactor biológico. Se acumulan los flóculos en el decantador secundario. Puede deberse a secreciones de polímeros

extracelulares descontroladas, al comportamiento de las bacterias filamentosas como material hidrofóbico o grasas que forman micelas o una elevada aireación. Al microscopio se observan elevados niveles de microorganismos filaentosos, que suelen aparecer libres formando filamentos cortos o largos enrollados.

Sistemas anaerobios de tratamiento secundario El objetivo es la disminución del contenido en materia orgánica de los fangos y eliminar microorganismos patogénicos. Consigue reducir la DBO en un 90% y disminuye el volumen de fango, permitiendo su desecación, siendo un proceso lento, de entre 2 semanas y un mes, muy sensible a agentes tóxicos. Se lleva a cabo en tanques cerrados, digestores anaeróbicos o biorreactores. Se suele realizar en dos digestores, en el primero las bacterias anaeróbicas degradan la materia orgánica hasta metano, y el segundo sirve como espesador, la producción de gas es mínima, aunque algunas estaciones puede autoabastecerse con el biogás generado.

Procesos microbianos que tienen lugar En primer lugar actúan bacterias de los géneros Clostridium, Lactobacillus y Bacteroides, microbios con capacidad para degradar polímeros complejos, c...