Contaminación Ambiental y Ecológica

Contaminación Ambiental

• Emisiones de CO2: 40.9 millones de toneladas métricas/año, resultado de la quema de combustibles fósiles.
• Pesticidas: 2.3 millones de toneladas métricas/año, moléculas químicas complejas que se acumulan en el suelo durante décadas.
• Desechos industriales: 3,400 millones de toneladas métricas/año, incluyendo metales pesados, productos inflamables, tóxicos y corrosivos, descargados directamente a mares y ríos.
• Aguas residuales: El 80% no es tratado, contienen contaminantes orgánicos complejos, metales, antibióticos, grasas y aceites, entre otros.
• Fuente: Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (UNEP), 2023.

Fisiología y Rol Ecológico de las Plantas

• Plantas: 82% de los organismos terrestres.
• Sistema radical: Absorbe nutrientes y partículas disueltas, libera exudados radicales a la rizosfera.
• Maquinaria enzimática: Degrada compuestos orgánicos complejos, acumula sustancias de reserva.
• Intercambio gaseoso: Interconvierte gases y realiza transpiración.
• Fotoautótrofos: Elaboran compuestos a partir de CO2, agua y luz solar.
• Continuo Suelo-Planta-Atmósfera

Fitorremediación

• Técnica de restauración ambiental: Usa plantas para eliminar, degradar o acumular contaminantes del suelo, agua o aire.
• Especies con eficacia de hasta el 100% en la eliminación de contaminantes.
• Bajo costo: Inversión mínima, máximo provecho.
• Versátil: Útil y efectiva para diversos contaminantes.
• Beneficia al medio ambiente: Es una solución natural a la contaminación.

Plantas Fitorremediadoras

• Toleran efectos tóxicos de metales y contaminantes.
• Resistentes al estrés biótico y abiótico.
• Alta capacidad de absorción, sistema radical abundante.
• Producen mucha biomasa; mayor biomasa, mayor efectividad.
• Fáciles de cultivar.
• No atractivas para herbívoros.

Mecanismos de Fitorremediación

• Rizofiltración
• Fitoextracción
• Fitoestimulación
• Fitovolatilización
• Fitodegradación
• Fitoestabilización

Fitoextracción/Fitoacumulación

• Absorción, translocación y acumulación de contaminantes inorgánicos (principalmente metales pesados) desde el suelo o agua a las partes aéreas.

Fitoestimulación

• Estimula la actividad de microorganismos del suelo en la rizosfera, que degradan y detoxifican contaminantes orgánicos.

Rizofiltración

• Absorbe, concentra y precipita contaminantes presentes en agua (cuerpos de agua naturales, aguas subterráneas o efluentes industriales), utilizando raíces de plantas acuáticas o semiacuáticas.

Fitovolatilización

• Absorbe contaminantes del suelo o agua a través de las raíces, los transforma y libera compuestos volátiles menos tóxicos a la atmósfera a través de hojas y otros tejidos aéreos.

Fitodegradación

• Transforma o degrada contaminantes orgánicos en compuestos menos tóxicos o inofensivos, presentes en suelo, sedimentos o agua.

Fitoestabilización

• Absorbe contaminantes a través de las raíces, acumulándolos en la superficie o interior de los tejidos radiculares.

Factores Determinantes de la Eficiencia de la Fitorremediación

• Tipo de contaminante
• Características del sustrato
• Genotipo de la planta

Tipo de Contaminante

• Metales pesados: Elementos químicos inorgánicos que no se degradan, sino que se acumulan.
• Pesticidas: Compuestos químicos orgánicos que pueden ser degradados o acumulados por plantas o microorganismos.

Características del Sustrato

• Suelo: Sólido, poroso, mezcla de minerales, materia orgánica, aire y agua. Todos los mecanismos, excepto la rizofiltración, se aplican en el suelo.
• Agua: Medio líquido, con menor densidad de componentes disueltos. En este caso, se aplica la rizofiltración.

Genotipo de la Planta

• La información genética determina todas las capacidades biorremediadoras.
• Maquinaria enzimática: Define la capacidad degradativa de la planta.

Diseño de Estrategias de Fitorremediación

• Diagnóstico general del entorno: Aspectos geográficos, hidrológicos, características del suelo, microbiota, flora, fauna, clima, relaciones con regiones fronterizas, aspectos sociales.
• Caracterización de contaminantes: Propiedades químicas, físicas y microbiológicas de los compuestos.
• Selección de tecnologías FR: Estudios previos sobre el potencial de especies vegetales. Interacción con el entorno y relaciones interespecíficas. Requerimientos especiales por el mecanismo.
• Evaluación a escala laboratorio.
• Análisis de factibilidad.
• Evaluación a escala piloto.
• Factibilidad técnica y económica.
• Aplicación in situ o ex situ.
• Escalado del proceso biotecnológico.
• Factibilidad técnica y económica.

Metodologías para el Estudio del Potencial Fitorremediador

• Depende del tipo de sustrato contaminado (suelo, lodo, agua).

Ecosistemas

• Ecosistema terrestre: Suelo y atmósfera son los componentes físicos más importantes. Incluye bosques templados, tropicales, boreales (taiga), praderas, sabanas, desiertos y tundras.
• Ecosistema acuático: Cuerpos de agua dulce o salada; el agua es el componente abiótico principal. Incluye ríos, arroyos, lagos, lagunas, océanos y arrecifes de coral.
• Ecosistema mixto: Zona de transición entre terrestres y acuáticos. Incluye manglares, estuarios, humedales, pantanos y llanuras de marea.
• Ecosistema artificial: Creado o alterado por humanos para obtener beneficio económico, como agroecosistemas (cultivos), jardines, acuicultura, invernaderos y reservas forestales manejadas.

Tipos de Contaminación (Ejemplos)

• Bosques: Deforestación, fragmentación del hábitat, lluvia ácida, pesticidas.
• Praderas/Sabanas: Sobrepastoreo, fertilización excesiva, quemas incontroladas.
• Desiertos: Metales pesados, sobreexplotación de recursos hídricos, desechos sólidos.

Contaminación de Ecosistemas (Efectos)

• Pérdida de biodiversidad.
• Disminución de la capacidad de secuestro de carbono.
• Degradación del suelo.
• Alteración de ciclos hidrológicos.
• Impacto en la salud humana.

Metales Pesados (Efectos)

• Daños en las membranas celulares y proteínas.
• Generación de radicales libres.
• Daños a órganos esenciales, alteración de procesos fisiológicos y riesgos de enfermedades crónicas.
• Impacto en ecosistemas marinos (biodiversidad, cadenas alimenticias).

Métodos de Remediación de Metales Pesados

• Convencionales como precipitación química, extracción por solventes y electrodiálisis (con residuos tóxicos, alto costo y consumo energético)
• Biorremediación (más ecológica y económica).

Biorremediación (Ejemplos de técnicas)

• Bioacumulación/Biosorción
• Biotransformación de metales en microorganismos (secuestro de metales pesados en vacuolas).
• Microplásticos (presencia en agua potable, sal marina, alimentos) y estrategias de biorremediación.

Técnicas de Biorremediación (In situ y ex situ)

• In situ: Bioventilación, bioestimulación, bioaumentación, biosparging, fitorremediación.
• Ex situ: Biopilas, bioreactores de fase de lodos, compostaje, filtros biológicos, landfarming, windrows.

Métodos Físicos/Químicos Convencionales de Remediación

• Incineración, solidificación/estabilización, filtración, aireación/desorción térmica, electroremediación
• Extracción y lavado de suelos, adsorción con carbón activado, oxidación química, coagulación, intercambio iónico.

Biorremediación (Desafíos)

• Complejidad de contaminantes, heterogeneidad del sitio, tasas de degradación lentas, aplicabilidad limitada, riesgo de contaminación secundaria, desafíos regulatorios y monitoreo.

Métodos Biorremediadores (Ejemplos)

• Bioventilación: Incrementa el oxígeno para la degradación microbiana aerobias de compuestos orgánicos en suelos no saturados.
• Biosparging: Inyección de aire en zonas saturadas para promover la biodegradación en aguas y suelos subterráneos.
• Bioestimulación: Aumenta la degradación microbiana añadiendo nutrientes u aceptores de electrones.
• Bioaumentación: Introduce microorganismos específicos para degradar contaminantes.
• Fitorremediación: Utiliza plantas para absorber, estabilizar o volatilizar contaminantes.
• Compostaje: Mezcla de suelo contaminado con materiales orgánicos para degradación microbiana mediante fermentación y descomposición.
• Biopilas: Acumulación de suelo contaminado bajo control para optimizar biodegradación.
• Bioreactores de fase de lodos: Mezclas de suelo/agua para degradación en un reactor controlado.
• Landfarming: Extensión de suelo contaminado para su degradación aeróbica.
• Windrows: Pilas de suelo para mejorar la aireación.
• Biofiltros: Medios filtrantes con microbios para degradar contaminantes gaseosos o líquidos.

Desulfurización de Hidrocarburos

• Métodos como Hidrotratante (HDS), oxidación, adsorción, Biodesulfuración. Proceso Claus.