El petróleo (petróleo crudo) es un combustible fósil líquido. Es un producto de materia orgánica en descomposición, como algas y zooplancton. Es una de las principales fuentes de energía en el mundo, y también es utilizada por la industria química para fabricar una gran cantidad de productos de consumo. Sin embargo, la perforación petrolera así como su transporte pueden causar accidentes que conducen a la contaminación del medio ambiente. Los derrames de petróleo constituyen una amenaza crítica para los ecosistemas marinos, comprometiendo su equilibrio ecológico y biodiversidad. No obstante, entre el 60% y el 90% de los componentes del petróleo se biodegrada por microorganismos que los utilizan como fuente de energía y que se encuentran de forma natural esparcidos por todos los océanos. Por lo tanto, es una buena idea aprovechar y utilizar estos organismos para limpiar el petróleo en el mar. Así pues, en este artículo, explicamos en qué consiste la técnica de biodegradación y biorremediación de hidrocarburos o petróleo en el mar.
¿Qué es la biorremediación y la biodegradación de petróleo crudo en el mar?. Definición y explicación del proceso
En primer lugar, debemos indicar la pequeña diferencia que hay entre biodegradación y biorremediación. La biodegradación o degradación biológica, es la descomposición de ciertas sustancias orgánicas a compuestos menores por organismos vivos de forma natural en el medio ambiente; mientras que la biorremediación es el uso o aprovechamiento que hace el ser humano de la biodegradación para la eliminación de una sustancia (perjudicial) del medio.
Las técnicas de biorremediación en el mar son una tecnología de descontaminación basada en la utilización de microorganismos vivos que poseen la capacidad de eliminar los contaminantes y transformarlos en productos inocuos o mineralizarlos a CO2 y H2O.
El agua de mar contiene una variedad de microorganismos marinos capaces de metabolizar los compuestos del petróleo. Éstos incluyen bacterias, mohos, levaduras, hongos, algas unicelulares y protozoos que pueden utilizar hidrocarburos como el petróleo como fuente de carbono y energía. Dichos organismos se distribuyen ampliamente por todos los océanos del mundo, aunque tienden a ser más abundantes en aguas costeras contaminadas crónicamente, como aquellas con tráfico regular de embarcaciones o que reciben descargas industriales y aguas residuales sin tratar.
Los microorganismos hidrocarbonoclásticas (HCB) (que es así como se denominan), pueden usar los hidrocarburos para sus necesidades energéticas, crecimiento y reproducción, produciendo enzimas específicas que lo rompen en moléculas más simples y menos tóxicas, como agua y dióxido de carbono. Este es, predominantemente, un proceso adaptativo, generalmente dictado por las condiciones ambientales.
Una vez que el hidrocarburo como fuente de alimento se agota, el área queda descontaminada, mueren las bacterias y se integran de nuevo en el medio natural como fuente de alimento para otros organismos vivos.
En la técnica de biorremediación de petróleo en el mar se estimula la acción de los microorganismos presentes de forma natural (bioestimulación) o se introducen en el medio (bioaumentación), a menudo con la ayuda de fertilizantes y biosurfactantes, para que se alimenten de los hidrocarburos y aceleren su eliminación del ecosistema marino. Los fertilizantes (nitrógeno y fósforo principalmente) estimulan la actividad de los microorganismos nativos o introducidos, mientras que los biosurfactantes reducen la tensión superficial del agua, permitiendo que el petróleo se difunda mejor y sea más accesible para los microorganismos, lo que acelera el proceso de degradación.
Después, se lleva a cabo un seguimiento continuo del proceso mediante análisis para evaluar la eficiencia de la biorremediación y determinar cuándo se ha completado la limpieza.
Ventajas de la biorremediación de hidrocarburos en el mar
En cuanto a sus ventajas, la biorremediación del mar es una alternativa no invasiva y más ecológica, en comparación con métodos mecánicos o químicos, ya que aprovecha los procesos naturales de degradación del medio ambiente y los productos finales son, en general, sustancias inofensivas. También es más efectiva y económica, requiere poca energía y puede funcionar como complemento de otras técnicas de eliminación de contaminantes en ambientes marinos. Asimismo, cabe señalar que aporta información al monitoreo de la calidad del agua.
Cuáles son los tipos de biorremediación del agua y qué microorganismos degradan el petróleo
Dependiendo del lugar o ubicación, podemos establecer dos tipos de biorremediación del agua: la biorremediación in situ, que es la que se realiza directamente en el sitio contaminado, y la biorremediación ex situ, en la que se extrae el agua contaminada y se trata en otro lugar; siendo siempre preferible la biorremediación in situ, ya que es más rentable y más eficaz en la remediación de un área extensa.
Por otro lado, con respecto a los microorganismos degradadores de hidrocarburos, algunos son denominados “facultativos”, debido a que pueden cambiar su alimentación habitual por petróleo, pero también existen los “obligados”, que metabolizan estrictamente petróleo y solo crecen utilizando los hidrocarburos como sustrato. En el mar podemos encontrar los siguientes microorganismos degradadores de petróleo:
- Bacterias hidrocarbonoclásticas (HCB): constituyen el grupo principal o predominante de microorganismos que degradan el petróleo. La concentración de estas bacterias aumenta significativamente en áreas de derrame de petróleo. Uno de los representantes mejor estudiados de este grupo es Alcanivorax borkumensis Yakimov et al. 1998; el único que tiene su genoma secuenciado. Esta especie contiene genes individuales responsables de descomponer ciertos alcanos en productos inofensivos (de ahí que su nombre signifique “devoradora de alcanos”). También es capaz de degradar aeróbicamente el hexadecano, uno de los muchos hidrocarburos presentes en el petróleo; así como posee genes para dirigir la producción de una capa de biosurfactante alrededor de la célula para potenciar la emulsificación del aceite. Otras bacterias degradadoras de hidrocarburos son: las Pseudomonas Migula, 1894; Rhodococcus Zopf, 1891; Bacillus Cohn, 1872; Micrococcus Cohn 1872; Streptomyces Waksman & Henrici, 1943; Acinetobacter Brisou & Prévot, 1954; Chromobacterium Schröter, 1872; y Agrobacterium. Sin embargo, una de las complicaciones que se ha encontrado en el uso de bacterias para biorremediación de petróleo en el mar, es que hay bacterias que pueden materializar y degradar cierto tipo de hidrocarburos, pero otros no; así como otras bacterias sí que pueden degradarlo todo, pero en un proceso demasiado lento por el que se pierde eficacia. Ante esta situación, se plantea como solución la necesidad de crear una bacteria que sea capaz de eliminar cualquier tipo de hidrocarburo, que no tenga un impacto nocivo sobre el medio ambiente, que carezca de necesidades metabólicas específicas y que puda crecer prácticamente en cualquier medio. Numerosos grupos de investigación trabajan para encontrar una solución que ayude a modificar diferentes tipos de bacterias con el fin de aumentar sus capacidades que permitan la biorremediación. No obstante, cabe indicar que el principal obstáculo que enfrenta todo el campo de los microorganismos diseñados para la degradación no es el inevitable avance de mejores tecnologías, sino más bien la propagación y aceptación de los éxitos ya logrados. Las pruebas a gran escala de microorganismos modificados genéticamente se han visto obstaculizadas por preocupaciones ambientales públicas y restricciones legislativas, que también afectan el estándar de la investigación fundamental y, en consecuencia, el avance general en el campo.
- Hongos y levaduras: dentro de este grupo tenemos a organismos como Candida, Saccharomyces, Verticillium, Penicillium, Luhworthia, Corollasporium, Trichosporon, Rhodotorula, Cryptococcus, Cladosporium y Aspergillus.
- Microalgas: aquí tenemos a miembros del género Chlorella, Chlamydomonas, Sphingomonas, Selenastrum y Scenedesmus.
Limitaciones o desventajas de la biorremediación y biodegradación de petróleo en el mar a tener en cuenta
A pesar de las ventajas mencionadas del uso de la biodegradación para la eliminación de petróleo en mar, algunos factores podrían limitar su capacidad para extraer plenamente los productos petrolíferos. Las características principales que pueden afectar a la eficiencia de la degradación microbiana incluyen las propiedades fisicoquímicas del entorno, la disponibilidad de microorganismos y la concentración y las características químicas de los contaminantes. Por lo tanto, podrían verse influenciadas por el entorno (factores ambientales) y por los microorganismos y sus necesidades nutricionales (factores biológicos). Aquí os las indicamos:
- Características del hidrocarburo y su biodisponibilidad: Algunos hidrocarburos son más biodegradables que otros dependiendo de su susceptibilidad al ataque microbiano. Por ejemplo, los alcanos, que tienen estructuras lineales o ramificadas simples, se degradan más fácilmente que los aromáticos, que tienen estructuras en forma de anillo. Del mismo modo, los hidrocarburos más pequeños, que son más solubles y volátiles, se degradan más fácilmente que los más grandes, que tienden a formar gotas o bolas de alquitrán. Por lo tanto, el tipo y la composición del petróleo derramado pueden afectar la velocidad y el alcance de la biodegradación en las profundidades marinas. Por otra parte, la insolubilidad del petróleo en el agua limita el acceso de los microorganismos, por ello, se pueden usar biosurfactantes para aumentar la disponibilidad del contaminante y acelerar la degradación.
- Disponibilidad de nutrientes: En ambientes de agua dulce y marinos, los derrames de petróleo disminuyen los niveles de fósforo y nitrógeno y aumentan drásticamente los niveles de carbono, lo que impacta el proceso de biodegradación. En consecuencia, se necesitan nutrientes adicionales para acelerar la biodegradación de los contaminantes. Sin embargo, hay que tener en cuenta los efectos perjudiciales del uso excesivo de NPK en el proceso de degradación de hidrocarburos.
- pH o grado de acidez: Las fluctuaciones del pH del medio también podrían afectar las actividades enzimáticas y disminuir la eficiencia del proceso de biodegradación. Hay un amplio rango del pH óptimo para la biodegradación, de 6,5 a 8, en la mayoría de los ambientes acuáticos, marinos y terrestres.
- Presencia de oxígeno: La concentración de oxígeno es una variable limitante de la velocidad para la biodegradación. En las primeras etapas del catabolismo de hidrocarburos aromáticos, cíclicos y alifáticos por hongos y bacterias, las oxigenasas oxidan el compuesto, lo que requiere O₂. Además, estudios también han reportado que la biodegradación anaeróbica es menor y más lenta que la biodegradación aeróbica.
- Salinidad: Esta influye en la biodegradación, ya que afecta la diversidad y el crecimiento microbianos. Además, tiene un efecto desfavorable sobre algunas enzimas necesarias para la descomposición de hidrocarburos. Así pues, se ha visto que la tasa de descomposición de hidrocarburos disminuyó con el aumento de la salinidad entre un 3,3% y un 28,4%, y esto se relacionó con una disminución gradual de las actividades metabólicas microbianas.
- Temperatura: Esto también puede influir en el proceso de biodegradación al controlar la velocidad de las reacciones catalizadas de las enzimas. A bajas temperaturas, la velocidad de degradación tiende a disminuir debido a la reducción de la actividad enzimática. Sin embargo, las altas temperaturas, garantizan que la tasa de metabolismo de los hidrocarburos alcance su pico máximo. Las mayores tasas de degradación se registraron entre 20°C y 30°C en el medio marino y entre 15°C y 20°C en ambientes de agua dulce. Asimismo, las bajas temperaturas también aumentan la viscosidad del petróleo y disminuyen la volatilidad de los hidrocarburos nocivos de bajo peso molecular, lo que reduce la degradación microbiana. Generalmente, el agua más profunda tiene una temperatura más baja, una presión más alta y una menor disponibilidad de oxígeno que el agua menos profunda. Estas condiciones pueden ralentizar la actividad metabólica y el crecimiento de los microbios que degradan el aceite, así como la difusión y disolución de los componentes del hidrocarburo. Sin embargo, algunos microbios pueden adaptarse a estas duras condiciones y degradar el petróleo a baja temperatura y alta presión.
- Composición y concentración de los microorganismos que pueden degradar los hidrocarburos, como algas, hongos, levaduras y bacterias; y las enzimas implicadas, su afinidad por el contaminante y su accesibilidad.
Además, cabe mencionar que el uso de estrategias de biorremediación generalmente conduce a periodos de tratamiento mucho más prolongados que los de índole fisicoquímica. Asimismo, a través del uso de sistemas biológicos, no se logra una eliminación completa del contaminante, sino que siempre hay una fracción recalcitrante que no es degradada en el proceso. Y siempre hay que tener presente la seguridad ambiental, por lo que es crucial asegurar que los microorganismos o aditivos utilizados no causen efectos negativos en el ecosistema.
Finalmente, aunque es evidente que la biodegradación y biorremedicación no puede eliminar las acumulaciones grandes de hidrocarburos, es la estrategia más atractiva con una interesante relación costo/beneficio para la recuperación del medio marino contaminado. Por tanto, la biorremediación es una estrategia prometedora y ecológica para limpiar derrames de petróleo, complementando a otras técnicas más convencionales.
Fuentes: Adedeji, J.A.; Tetteh, E.K.; Opoku Amankwa, M.; Asante-Sackey, D.; Ofori-Frimpong, S.; Armah, E.K.; Rathilal, S.; Mohammadi, A.H.; Chetty, M. Microbial Bioremediation and Biodegradation of Petroleum Products—A Mini Review. Appl. Sci. 2022, 12, 12212. https://doi.org/10.3390/app122312212; SEOS, Blog “Curiosidades de la Microbiología”, Wikipedia, Periódico Unal, y Aquae Fundación
