Los microorganismos han participado desde siempre activamente en los procesos de depolución, y de ahí que el mayor impacto de la biotecnología se haya concentrado tradicionalmente en esta área.


Tratamientos de las aguas

Obtención de agua potable

Un conjunto de criterios físicos, químicos y biológicos confiere al agua las características de potabilidad que garantizan en principio su inocuidad para la salud del consumidor. Estos son, entre otros, limpidez, buena calidad organoIéptica y ausencia de gérmenes patógenos.

Desde hace tiempo se están utilizando tecnologías especiales para filtrar, purificar y desinfectar el agua del subsuelo o de la superficie. Sin embargo, las exigencias de potabilidad del agua en los países desarrollados son cada vez más estrictas con respecto a ciertos compuestos específicos, y en particular, con respecto a la cantidad de compuestos nitrogenados presentes, los cuales ejercen efectos nefastos en la salud.

Estos compuestos provienen de distintos componentes solubles del ciclo del nitrógeno: sales amoniacales resultantes de la descomposición de materias orgánicas, de nitritos y sobre todo de nitratos, debido al uso masivo de abonos nitrogenados para la agricultura, los cuales son fijados sólo en parte por la planta. El resto difunde hacia la napa de agua del subsuelo (napa freática), contaminándola. Por otra parte estos compuestos son generados también a partir de los desechos industriales y urbanos.

La eliminación de estos compuestos nitrogenados puede efectuarse por métodos químicos, como la osmosis inversa o el uso de resinas, pero esto no hace más que desplazar el problema, ya que estos son concentrados en otras sustancias. En cambio, su transformación en gas nitrógeno por acción microbiana disminuye efectivamente la cantidad de estos compuestos en el agua. Para este fin es necesario en una primera etapa oxidar las sales amoniacales a nitratos, para luego ser reducidas a nitrógeno gaseoso. La primera operación, llamada nitrificación, se lleva a cabo en presencia de oxígeno, principalmente gracias a la acción de dos tipos de bacterias, Nitrosomonas y Nitrobacter. Esta etapa ocurre en forma espontánea durante los tratamientos clásicos de obtención de agua potable, a nivel del paso del agua a través de un filtro de arena.

La segunda etapa, la desnitrificación, es un proceso anaeróbico, es decir, que se efectúa en ausencia de oxígeno, en el cual los microorganismos, sobre todo del género pseudomonas, se desarrollan adheridos a un filtro sumergido en el agua a tratar conformando el lecho bacteriano. La flora bacteriana va a desarrollares hasta colmar los lechos, lo que hace indispensable lavar los filtros de desnitrificación, filtrar el agua desnitrificada para eliminar toda materia orgánica residual y finalmente reoxigenarla antes de su distribución.

Aparte de los compuestos ricos en nitrógeno, un control especial debe efectuarse per la posible presencia de microcontaminantes (metates, residuos químicos) en el agua tratada. Las cantidades de estos compuestos es muy pequeña y muchas veces su detección es imposible por los métodos tradicionales. En Francia, desde 1984, se está evaluando el posible usa de anticuerpos monoclonales para determinar la concentración de sustancias peligrosas para la salud, como pesticidas, compuestos orgánicos, ricos en cloro o en fósforo, etc. Posteriormente, estos compuestos se hallarán concentrados en forma suficiente para poder set analizados, mediante las técnicas tradicionales.

Por último, mencionamos más arriba el hecho de que el agua debe estar libre de gérmenes patógenas. También, en este sentido se está tratando de implementar el uso de anticuerpos monoclonales para la identificación rápida de los microorganismos presentes en el agua potable, en particular de Escherichia coli. De todo esto se desprende que la obtención de agua potable es cada día un proceso más arduo y que debe responder a criterios más estrictos. Agreguemos, además, que también es necesario descontaminar las aguas servidas antes de su restitución, ya que éstas últimas se mezclarán inevitablemente con las aguas naturales, contaminándolas nuevamente.


contaminación de aguas servidas

Debido a la industrialización creciente y a la concentración de la población en las ciudades, la capacidad de autodepuración que poseen naturalmente los suelos, ríos y otros, para eliminar compuestos orgánicos de toda índole se ha visto sobrepasada y las aguas naturales se encuentran contaminadas por las aguas servidas.

Los procesos biológicos de tratamiento de aguas usadas reproducen fielmente los procesos existentes en la naturaleza, amplificándolos, gracias al manejo adecuado de los microorganismos involucrados en la descontaminación. Estos microorganismos van a captarlas sustancias contaminantes, transfiriéndolas del agua hacia ellos, dentro de los cuales se van a concentrar. Como consecuencia de este proceso quedará entonces una cierta biomasa bacteriana, un concentrado de polución, al que se le llama lodo, que deberá ser tratado a su vez (secado, incinerado, etc).

a) Digestión aeróbica

El proceso más simple de tratamiento es el lagunaje simple o con aire forzado que consiste simplemente en esparcir directamente las aguas residuales sobre la tierra, esperando que los microorganismos del suelo permitan una descontaminación eficaz. Este proceso, extensivo, se aplica a las pequeñas comunidades, donde la carga en polución es pequeña y se expanden en terrenos amplios y baratos.

En el caso de grandes ciudades, este sistema es inaplicable, siendo indispensable el uso de procesos sofisticados e intensivos para solucionar el problema de la contaminación. La mayoría de estos tratamientos se realiza en presencia del oxígeno. Se distinguen cuatro etapas (figura 1):

Decantación de las partículas en suspensión, luego de la retención de las partículas más toscas en una rejilla.

Degradación bacteriana o tratamiento secundario. Esta etapa permite la remoción de gran parte de las sustancias disueltas y en estado coloidal presentes en el agua. Los microorganismos responsables de la depuración pueden estar libres en el líquido, como en el caso de los lodos activados, (más del 80% de las estaciones de depuración funcionan con este sistema), o bien fijos sobre un soporte sólido, como en el caso de los discos biológicos o de los lechos bacterianos. Estos dos últimos sistemas se caracterizan por una concentración en biomasa mucha más elevada por unidad instalada, junto con una reducción significativa del consumo energético en comparación con el sistema de lodos activados (figura 2).

Los lodos activados se caracterizan por la formación de flóculos debido al abundante desarrollo bacteriano. Estos flóculos tienen la ventaja de ser fácilmente separables del medio por simple decantación en el clarificador, que constituye la tercera etapa de la purificación.

Clarificación o decantación secundaria, la cual permite eliminar la biosoma, formando otra parte de los lodos (figura 1). Parte de esta biomasa será reciclada como en el caso de lodos activados.

Por último, el agua purificada será sometida a un tratamiento de afinamiento, que permitirá tratar o rectificar parámetros específicos, como nitrificación, desnitrificación, desfosfatación o desinfección, disminución de concentración de metales pesados como mercurio y plomo.

Algunas compañías norteamericanas han desarrollado nuevas cepas bacterianas capaces de degradar una serie de compuestos tóxicos, como fenoles, cianuros, etc. Los japoneses descubrieron recientemente ciertas levaduras que tienen un poder de depuración 100 a 200 veces superior a los lodos activados. Sin embargo, muchos especialistas piensan que, en razón de la complejidad de un medio como el de las aguas servidas y de la permanente variación de su composición, la supervivencia de estas cepas foráneas al medio no puede ser sino limitada. La introducción masiva de microorganismos en este tipo de medios tendría razón de ser, según estos especialistas, únicamente en situaciones particulares como en el caso de un gran aumento en la cantidad de contaminantes. En ese caso, se ha demostrado que el uso de cepas específicas, permiten un rápido retorno a la situación normal en menos de una semana.

Con respecto a la ingeniería genética, sólo la compañía Occidental Petroleum (USA), está trabajando sobre los plasmidios de una cepa de Pseudomonas capaz de degradar compuestos organoclorados. Nadie, en efecto, quiere tomar el riesgo de diseminar en la naturaleza una cepa modificada genéticamente, sobre todo por el hecho de que sólo se conoce en forma más o menos precisa el genoma de E. coli.

b) Digestión anaeróbica

Los lodos generados durante el tratamiento aeróbicos, alrededor de 0.5 kg de materia seca/kg de materia oxidable eliminada, deben ser estabilizados en un digestor anaeróbico, en ausencia de aire (figura 1). La estabilización tiene por objeto suprimir el poder fermentable y su efecto es de disminuir el volumen de los lodos.

En general, el tiempo de permanencia en el digestor se divide en dos fases: una digestión primaria o fase acidogénica, que dura de 12 a 16 días, seguida de una fase metanogénica de 4 días.

La fermentación metanogénica permite la transformación de la materia orgánica en un gas combustible compuesto esencialmente de metano (60-70%) y gas carbónico. Esta fermentación se lleva a cabo en varias etapas (hidrólisis, acidogénesis, metanogénesis), gracias a la actividad de una flora microbiana anaeróbica compleja y heterogénea.

La producción de biogas es de 300 a 700 litros/kg de materia oxidable tratada. Esto permite reducir en forma significativa los costos energéticos ligados al condicionamiento térmico de los lodos, calefaccionamiento de los locales y mantenimiento de los digestores a 35°C, temperatura óptima de la actividad microbiana. Finalmente, los lodos estabilizados son parcialmente deshidratados y vendidos como abono agrícola.

Varias industrias agroalimenticias, generadoras de aguas servidas fuertemente contaminadas, han invertido recientemente en instalaciones anaeróbicas que les permiten obtener simultáneamente descontaminación y producción de gas. Por ejemplo, las conserverías de legumbres Bonduelle, situada en el forte de Francia, producen durante el período de alta producción, 720 m³ de afluentes concentrados por día, equivalente a una polución por día de 18 toneladas. En 1982, con la participación del Instituto de Investigaciones Agropecuarias, INRA, Francia, fueron implementados dos fermentadores de digestión anaeróbica de 2500 m3 cada uno, los cuales reemplazan el costoso sistema de lagunaje con aireación forzada existente hasta la fecha. Más de 50 000 m³ son tratados anualmente, con una eficiencia de 86% en la remoción de los contaminantes y con una producción de alrededor de 550 m3 de gas/tonelada de contaminante eliminado. Esto ha permitido a la empresa una economía de 20% de su consumo energético total.

En Holanda, un sistema anaeróbico de lecho bacteriano, concebido por los investigadores de la Escuela de Agricultura de Wageningen, está siendo utilizado para el tratamiento de las aguas residuales generadas por las industrias azucareras. La técnica ha sido exportada a Alemania, Austria y USA, y se está estudiando su aplicación a otras industrias agroalimenticias que posean efluentes con una concentración en polución inferior a 10 g/litro, como es el caso de las industrias de la papa, destilerías, cervecerías, almidonerías, etc.

Por último, varios procesos de digestión anaeróbica de los efluentes de papelera han sido estudiados. A pesar de que algunos sistemas de este tipo han sido implementados en los países escandinavos, por ejemplo, estudios recientes muestran que la remoción de los compuestos clorofenólicos presentes en los efluentes no es completa sino que selectiva de la fracción de bajo peso molecular, la menos importante cuantitativamente. A este respecto, los procesos aeróbicos que utilizan hongos que degradan las ligninas son los únicos capaces de eliminar los compuestos clorofenólicos de alto peso molecular. Las capacidades de este tipo de microorganismos no han sido aún explotadas a nivel industrial, pero son el objeto de activos trabajos de investigación en varios institutos internacionales y nacionales.


tamiento de Basuras

La acumulación de basura en los sitios destinados a su descarga, produce un ambiente anaeróbico en el cual se genera biogas en forma natural. Esta liberación de gas se efectúa en función de las condiciones del medio, las cuales están en permanente evolución. Las cantidades producidas pueden alcanzar hasta 200 litros/kg de basura. Este gas, luego de su recuperación, puede ser purificado (eliminación del gas carbónico, sulfuros, etc.) y aprovechando como gas de cañería por inyección en la red de distribución urbana y/o como combustible en las industrias cercanas al depósito de basura.

Desde 1978, este tipo de experiencias se han multiplicado en Europa y en USA. En este último caso, se calcula que el potencial energético del biogas que puede ser obtenido de los vertederos es del orden de los 5 millones de tep (toneladas equivalente petróleo).

Otra forma de reciclar las inmensas cantidades de materia orgánica que son eliminadas en los depósitos de basura, es la transformación biológica de las materias fermentables en un abono orgánico interesante para la agricultura, el composto.

Los objetivos perseguidos por la compostación son la estabilización de los desechos orgánicos, la eliminación de los gérmenes patógenos y la producción de un abono utilizable en el campo sin perjuicio para el medio ambiente.

Para este fin es necesario eliminar, antes de la fermentación, la mayor cantidad posible de material indeseable o no fermentable como restos de vidrios, metales, plásticos, etc., cuya presencia disminuye fuertemente la calidad del producto final.

La compostación es un proceso microbiano complejo en el cual participa una flora variada y heterogénea, compuesta de bacterias, bacterias filamentosas y hongos. La actividad transformante de estos microorganismos es altamente dependiente de la cantidad de oxígeno disponible, la cual debe mantenerse sobre 10%, a fin de evitar la formación local de zonas anaeróbicas, lo que provoca la generación de sustancias malolientes (amoníaco, ácido sulfúrico, etc.).

La fermentación aeróbica de los sustratos orgánicos provoca una elevación progresiva de la temperatura (tabla 1). Este factor, engendrado por el proceso microbiano, es a su vez el causante de la modificación ecológica del medio. En efecto, los primeros microorganismos que colonizan el sustrato van a ser sustituidos progresivamente por otros capaces de resistir altas temperaturas (45-550°C). La temperatura de los andenes de composto sigue subiendo hasta alcanzar 70-75°C, temperatura a la cual la casi totalidad de los microorganismos son destruidos o inactivados, los microorganismos patógenos de todo tipo así como las larvas y huevos de insectos también son eliminados; de ahí el rol sanitario de la compostación. Posteriormente, el composto se enfría lentamente hasta alcanzar una temperatura de equilibrio, al llegar a su estado final (tabla 1).

Durante el proceso, la mitad del carbono presente en los residuos es oxidado a gas carbónico por respiración microbiana. La cantidad de nitrógeno en cambio, que es bastante baja en general al principio de la compostación, menos del 1% del peso seco, varía poco durante la fermentación, observándose pérdidas ínfimas por volatilización de gas amoníaco. De esta forma, la razón carbono/nitrógeno disminuye progresivamente de un valor inicial de 30-40 a 15-20 en el producto terminado.

Varios otros factores influencian el desarrollo de la fermentación, tales como una disponibilidad suficiente de agua, el pH (el cual pasa de 5,5 a 7,5), el tamaño de las partículas, etc., pero sin duda que el factor determinante del éxito del proceso está ligado a una aireación adecuada. Los procesos de compostación intentan por lo tanto maximizar este parámetro. Estos procesos pueden ser divididos esquemáticamente en función del tiempo de compostación en dos principales:

Fermentación natural o compostación lenta, que se practica por apilamiento de la basura en montículos alargados, de una altura de 2-3 metros. Todos los meses, aproximadamente, tractores especiales equipados de palas mecánicas dan vuelta los andenes para airearlos. El proceso total de compostación dura de 2 a 6 meses.

Fermentación controlada en cámara o compostación acelerada. La primera etapa del proceso es mucho más rápida en este sistema, (de 4 a 15 días), gracias al uso de un homogeneizador que, junto con mezclar la basura, la humidifica y airea simultáneamente. Posteriormente, el producto es estabilizado al exterior en un dispositivo similar al utilizado en la fermentación natural. Este sistema permite obtener un composto más homogéneo y aséptico, y además en menos tiempo que por el método clásico.

En conclusión, la fabricación de composto a partir de basura, se ha transformado en una técnica biológica elaborada que permite eliminar una cantidad creciente de desechos sin un impacto negativo para el medio ambiente, y al mismo tiempo disminuir el costo energético de la agricultura, ofreciéndole un producto que contiene un buen valor fertilizante, permitiendo la regeneración de suelos empobrecidos en humus, al reaprovisionarlos de materia orgánica. En este sentido, necesariamente debemos desarrollar la investigación y las tecnologías necesarias, tanto para el tratamiento de las aguas (agua potable, aguas servidas y descontaminación), como para el tratamiento de las basuras. La biotecnología y la ingeniería genética, son herramientas indispensables para ello.



liografía


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