FITORREMEDIACIÓN Segundo Parcial - Quiz Completo PDF

FITORREMEDIACIÓN Unidad 4: BIORREMEDIACIÓN 1-Situación actual de la contaminación ambiental Emisiones de CO2: 40.9 M Tm/año Producto de la quema de combustibles fósiles. Pesticidas: 2.3 M Tm/año Moléculas químicas complejas que se acumulan en el suelo durante décadas. Desechos industriales: 3.400...

FITORREMEDIACIÓN Unidad 4: BIORREMEDIACIÓN 1-Situación actual de la contaminación ambiental Emisiones de CO2: 40.9 M Tm/año Producto de la quema de combustibles fósiles. Pesticidas: 2.3 M Tm/año Moléculas químicas complejas que se acumulan en el suelo durante décadas. Desechos industriales: 3.400 M Tm/año Metales pesados, productos inflamables, tóxicos y corrosivos, descargados directamente a mares y ríos. Aguas residuales: 80% no tratadas Contaminantes orgánicos complejos, metales, antibióticos, grasas y aceites, entre otros. Fuente: United Nations Environment Programme (UNEP), 2023 2-Aspectos fisiológicos y rol ecológico de las plantas PLANTAS 82% de los organismos terrestres Sistema radical: Absorción de nutrientes y partículas disueltas y liberación de exudados radicales a la rizosfera. Maquinaria enzimática: Degradación de compuestos orgánicos complejos, acumulación de sustancias de reserva. Intercambio gaseoso: Interconversión de gases y transpiración. Fotoautótrofos: Elaboran sus compuestos carbonados a partir de CO2, agua y luz solar como fuente de energía. CONTINUO SUELO-PLANTA-ATMÓSFERA 3- La fitorremediación y sus ventajas FITORREMEDIACIÓN Es una técnica de restauración ambiental que utiliza plantas para eliminar, degradar o acumular contaminantes del suelo, el agua o el aire. Efectividad: Especies con hasta 100% de eficacia en la eliminación de contaminantes. Bajo costo: Inversión mínima y máximo provecho. Versatilidad: Útil y efectiva para eliminar una gran variedad de contaminantes. Beneficio ambiental: Solución natural a la contaminación. 4- Características de las plantas fitorremediadoras 5-Mecanismos de fitorremediación FITOEXTRACCIÓN/FITOACUMULACIÓN FITOESTIMULACIÓN RIZOFILTRACIÓN FITOVOLATILIZACIÓN FITODEGRADACIÓN FITOESTABILIZACIÓN Fitoextracción/Fitoacumulación: Las plantas absorben metales pesados del suelo o agua y los acumulan en sus partes aéreas (hojas, tallos). Fitoestimulación: Las plantas estimulan microorganismos en sus raíces que ayudan a descomponer y eliminar contaminantes orgánicos. Rizofiltración: Las raíces de plantas acuáticas o semiacuáticas absorben y eliminan contaminantes del agua (como metales o sustancias tóxicas). Fitovolatilización: Las plantas absorben contaminantes del suelo o agua, los transforman y liberan compuestos menos tóxicos al aire a través de sus hojas. Fitodegradación: Las plantas convierten contaminantes orgánicos en compuestos menos dañinos al descomponerlos o transformarlos. Fitoestabilización: Las plantas absorben contaminantes con sus raíces y los almacenan en la superficie o dentro de los tejidos de las raíces.Factores determinantes de la eficiencia del proceso de Fitorremediación Son 3: 1. Tipo de contaminante 2. Características del sutrato 3. Genotipo de la planta 1. Tipo de contaminante: Metales pesados: Son elementos químicos de naturaleza inorgánica que no se degradan, sino que se acumulan.  o Fitoextracción o Fitoestabilización o Rizofiltración (agua) Pesticidas: Son compuestos químicos orgánicos que pueden ser degradados o acumulados por la planta o por microorganismos. o Nota: Todos los mecanismos de fitorremediación son aplicables en el caso de los pesticidas, pero su selección dependerá del sustrato contaminado. 2. Características del sustrato: El pH del suelo o del agua, su microbiota, el contenido de materia orgánica, la salinidad y otros factores son determinantes. Suelo: Agua: Es un medio líquido, no poroso, con menor densidad de componentes disueltos. En este caso, se aplica la rizofiltración, considerando el destino del contaminante. 3. Genotipo de la planta: Maquinaria enzimática: Define la capacidad degradativa de la planta. o Fitodegradación o Fitovolatilizacion o Fitoestimulación Características morfo-fisiológicas: Incluyen el sistema radical y el ecosistema que habita. o Ejemplo: Los lirios acuáticos tienen la capacidad de fitorremediar el agua. FITORREMEDIACIÓN Unidad 4: BIORREMEDIACIÓN PARTE 2 Diseño de estrategias de fitorremediación Metodologías para el estudio del potencial fitorremediador Fitorremediación y relaciones interespecíficas Diseño de estrategias de fitorremediación 1. Diagnóstico general del entorno o Aspectos geográficos o Aspectos hidrológicos o Características del suelo o Microbiota del suelo o Flora y fauna o Condiciones climáticas o Relación con regiones de frontera o Aspectos sociales 2. Caracterización de contaminantes o Determinación detallada de las propiedades químicas, físicas y microbiológicas de los principales compuestos contaminantes 3. Selección de las tecnologías FR o Requiere de estudios previos sobre el potencial fitorremediador de especies de plantas que cumplan con las características adecuadas para estos procesos o Interacción de la especie con el entorno (biodiversidad, insectos, microbiota, depredadores, acción antropogénica) o Relaciones interespecíficas potenciales que pueden establecerse o Requerimientos especiales por el tipo de mecanismo de FR 4. Evaluación a escala laboratorio 5. Análisis de factibilidad 6. Evaluación a escala piloto 7. Factibilidad técnica y económica 8. Determinar si se aplicará in situ o ex situ 9. Escalado del proceso biotecnológico 10. Factibilidad técnica y económica Aplicación Diseño de estrategias de fitorremediación 1. Diagnóstico general del entorno 2. Caracterización de contaminantes 3. Selección de las tecnologías FR 4. Evaluación a escala laboratorio 5. Análisis de factibilidad 6. Evaluación a escala piloto 7. Factibilidad técnica y económica 8. Determinar si se aplicará in situ o ex situ 9. Escalado del proceso tecnológico 10. Factibilidad técnica y económica Metodologías para el estudio del potencial fitorremediador Su selección depende de: El tipo de sustrato contaminado a tratar (suelo, lodo, agua)  El tipo de contaminante que se pretende fitorremediar La especie de planta que se evalúa como fitorremediador El mecanismo de fitorremediación que se busca implementar La disponibilidad de recursos con los que cuenta el investigador La escala a la que se desea realizar la evaluación La aplicación que tendrá la investigación Ejemplo: Sustrato contaminado: Lodos residuales de una fábrica de papel Tipo de contaminante: Metales pesados Especie de planta que se evalúa como fitorremediador: o Chenopodium album L. o Ricinus communis o Ranunculus sceleratus o Rumex dentatus Mecanismo de fitorremediación: Fitoextracción / fitoacumulación La escala: Laboratorio Aplicación: Eco restauración de suelos contaminados (no remediación de DI) Materiales y métodos 1. Muestreo: Efluente y muestras. Aleatorio (representativo) 2. Análisis fisicoquímico del sustrato contaminado (ANTES Y DESPUÉS DE FR): o pH, TSS, TDS, conductividad eléctrica (EC), cloruro, sodio y potasio del lodo y lixiviados o Instrumento: Electrodo selectivo de iones Thermo Orion Model, 960 3. Contenido de lignina: o Método Pearl and Benson, 1940 (reacción colorimétrica con compuestos de lignina) 4. Detección de metales: HPLC 5. Análisis morfológico de las partículas de sustrato por microscopía electrónica 6. Medición de la capacidad acumuladora de metales: o Espectrofotómetro de absorción atómica basado en la ley de Beer-Lambert 7. Cálculo del Factor de Bioconcentración (BCF) y del Factor de Traslocación (TF) 8. Análisis morfohistológico: Microscopio de transmisión electrónica Fitorremediación y relaciones interespecíficas Beneficios: Disminución de efectos perjudiciales de la exposición directa de la planta a los metales pesados Aumento en cantidad y variedad de mecanismos de fitorremediación Potenciación de características esenciales de las plantas fitorremediadoras (biomasa, tolerancia a estrés, capacidad acumuladora, sistema de absorción y transporte, maquinaria enzimática) Ampliación del área fitorremediada Mecanismos de detoxificación de metales pesados de plantas y micorrizas en simbiosis: 1. Secreción de agentes quelantes que unen metales en el suelo (glomalina, histidina y ácidos orgánicos) 2. Unión de metales pesados a componentes de la pared celular 3. Membrana como barrera selectiva al paso de iones 4. Transportadores de iones específicos en la membrana 5. Quelatos en el citosol (metaloproteínas, ácidos orgánicos, aminoácidos y chaperonas) 6. Exportación por mecanismos de transporte activo específicos y no específicos 7. Secuestro de metales pesados en las vacuolas 8. Transporte y acumulación en las hifas del hongo 9. Exportación por el hongo e importación de metales a la célula vegetal Aplicaciones curiosas de la Fitorremediación: Biopicinas Edificios verdes UNIDAD 5: BIORREMEDIACIÓN DE DIFERENTES ECOSISTEMAS Un ECOSISTEMA es un complejo dinámico de comunidades de plantas, animales y microorganismos y su entorno no vivo que interactúan como una unidad funcional. Su funcionamiento depende de la interacción constante entre factores bióticos y abióticos: procesos naturales como la fotosíntesis, la descomposición, el ciclo del agua y el ciclo de los nutrientes regulan las condiciones ambientales y el soporte de la vida. NOTA: Se delimitan de acuerdo con el factor abiótico principal que lo compone. ECOSISTEMA TERRESTRE Donde el suelo y la atmósfera son los componentes físicos más importantes. ECOSISTEMA ACUÁTICO Es aquel que se encuentra en cuerpos de agua, ya sean de agua dulce o salada, donde el agua es el principal componente abiótico. Se delimitan de acuerdo con el factor abiótico principal que lo compone. ECOSISTEMA ARTIFICIAL Es un ambiente creado, manejado o alterado intencionalmente por los seres humanos para obtener beneficios económicos, sociales o recreativos. ECOSISTEMA MIXTO Es una zona de transición que combina características tanto de los ecosistemas terrestres como de los acuáticos, integrando elementos de ambos entornos. Ecosistema terrestre Definición: Un ecosistema terrestre es aquel que se desarrolla en la superficie terrestre, donde el suelo y la atmósfera son los componentes físicos más importantes. Características distintivas: Factor abiótico dominante: Suelo y aire. Biodiversidad: Depende del clima, la disponibilidad de agua y la estructura del suelo. Los ecosistemas terrestres pueden tener una alta biodiversidad en regiones como los bosques tropicales o baja biodiversidad en zonas desérticas. Variabilidad climática: Está fuertemente influenciado por la temperatura, la precipitación y otros factores climáticos. Productividad primaria: La fotosíntesis en plantas terrestres es la base de las redes tróficas. Ecosistema acuático Definición: Un ecosistema acuático es aquel que se encuentra en cuerpos de agua, ya sean de agua dulce o salada, donde el agua es el principal componente abiótico. Características distintivas: Factor abiótico dominante: Agua (dulce o salada). Biodiversidad: Alta en sistemas marinos como los arrecifes de coral y baja en áreas de aguas profundas o ambientes extremos. Factores limitantes: La disponibilidad de luz (especialmente en aguas profundas), el oxígeno disuelto y la temperatura del agua son críticos para las especies acuáticas. Productividad primaria: La fotosíntesis es realizada por algas y plantas acuáticas, con fitoplancton como uno de los principales productores primarios en los océanos. Tipos de ecosistemas acuáticos: 1. Ecosistemas marino. 2. Ecosistemas de agua dulce. Ecosistema mixto Definición: Un ecosistema mixto es una zona de transición que combina características tanto de los ecosistemas terrestres como de los acuáticos, integrando elementos de ambos entornos. Características distintivas: Factor abiótico dominante: Agua y suelo, en combinación o alternancia. Alta productividad: Estos ecosistemas suelen ser altamente productivos debido a la interacción entre los recursos acuáticos y terrestres. Biodiversidad: Suelen albergar una gran diversidad biológica debido a la confluencia de organismos de ambos ecosistemas (acuático y terrestre). Ejemplos: Manglares, estuarios, humedales, pantanos, llanuras de marea. Servicios ecosistémicos clave: Regulación de inundaciones, protección costera, filtración de contaminantes, zonas de cría para peces y mariscos. Ecosistema artificial Definición: Un ecosistema artificial es un ambiente creado, manejado o alterado intencionalmente por los seres humanos para obtener beneficios económicos, sociales o recreativos. Características distintivas: Factor abiótico dominado por humanos: Los humanos controlan gran parte de los elementos abióticos y bióticos, como el agua, los nutrientes, el tipo de suelo y la flora/fauna introducida. Biodiversidad limitada: La biodiversidad suele ser baja y controlada, con especies seleccionadas o introducidas para maximizar la producción o el rendimiento. Dependencia de intervención humana: Requiere intervención constante para mantener su funcionalidad, como en la agricultura o los parques urbanos. Ejemplos: Agroecosistemas (campos de cultivo), jardines urbanos, acuicultura, invernaderos, reservas forestales manejadas. Productividad primaria: Está dirigida hacia la producción de alimentos, madera o materias primas, en lugar de mantener una biodiversidad natural equilibrada. ECOSISTEMAS TERRESTRES: Esenciales para mantener el equilibrio climático, biológico y los ciclos naturales en el planeta Incluyen: Los ecosistemas terrestres, especialmente los bosques, son los principales sumideros de carbono. Las plantas absorben dióxido de carbono (CO₂) durante la fotosíntesis, lo que contribuye a mitigar el cambio climático. Los bosques almacenan aproximadamente el 45% del carbono terrestre, jugando un papel clave en la reducción de gases de efecto invernadero. Las plantas terrestres producen oxígeno durante la fotosíntesis, esencial para la vida en el planeta. Los ecosistemas verdes contribuyen significativamente a la producción de oxígeno. Los ecosistemas terrestres albergan una gran parte de la biodiversidad del planeta, desde microorganismos del suelo hasta mamíferos, insectos y plantas. Según la Convención sobre la Diversidad Biológica (CDB), la mayor parte de las especies conocidas habitan en estos ecosistemas, especialmente en los bosques tropicales, que son los ecosistemas con mayor biodiversidad. Los ecosistemas terrestres desempeñan un papel vital en el ciclo del agua. Las plantas ayudan en la transpiración y la formación de nubes, mientras que los suelos de los ecosistemas actúan como reservorios que filtran y almacenan agua, regulando su disponibilidad y reduciendo el riesgo de inundaciones. Los ecosistemas terrestres son fuentes de recursos como alimentos, madera, fibras y medicinas que sustentan la economía global y las necesidades humanas. La agricultura, la silvicultura y otros usos del suelo dependen de la salud de estos ecosistemas. CONTAMINACIÓN DE ECOSISTEMAS TERRESTRES Bosques Tipo de contaminación: Deforestación y fragmentación del hábitat: Aunque la deforestación no es un contaminante químico, está vinculada al deterioro del ecosistema debido a la tala indiscriminada y la expansión agrícola. Lluvia ácida: Provocada por la emisión de gases como el dióxido de azufre (SO₂) y los óxidos de nitrógeno (NOₓ), que se mezclan con el vapor de agua en la atmósfera. Contaminación por pesticidas: El uso de productos químicos en plantaciones cercanas afecta la flora y fauna del bosque. Consecuencias: Pérdida de biodiversidad: Los bosques albergan una gran parte de la biodiversidad terrestre, y la deforestación y la fragmentación de los hábitats causan la extinción de muchas especies. Disminución de la capacidad de secuestro de carbono: Reduce la capacidad de los ecosistemas de absorber dióxido de carbono, lo que contribuye al cambio climático. Degradación del suelo: La erosión del suelo aumenta cuando se eliminan los árboles, lo que reduce la fertilidad y causa deslizamientos. Praderas y sabanas Tipo de contaminación asociada a la actividad antrópica: Sobrepastoreo: El exceso de ganado degrada la vegetación y provoca erosión. Fertilización excesiva: La escorrentía de fertilizantes ricos en nitrógeno y fósforo contamina el suelo y los cuerpos de agua cercanos. Quema incontrolada: Las prácticas de quemas agrícolas o naturales aumentan los niveles de CO₂ y de partículas en el aire (roza, tumba y quema). Consecuencias: Desertificación: El sobrepastoreo y la mala gestión del suelo pueden llevar a la desertificación, haciendo que las tierras productivas se conviertan en áreas áridas. Pérdida de hábitat: La biodiversidad en las praderas se reduce drásticamente cuando la vegetación nativa es destruida, afectando a especies como grandes herbívoros y depredadores. Contaminación del agua: Los fertilizantes que escurren hacia ríos y lagos cercanos pueden causar eutrofización, dañando los ecosistemas acuáticos. Desiertos Tipo de contaminación: Contaminación por metales pesados: La minería en zonas desérticas puede liberar mercurio, plomo y otros metales pesados en el suelo y en los cuerpos de agua subterráneos. Sobreexplotación de los recursos hídricos: La extracción excesiva de agua para la industria afecta los acuíferos subterráneos. Contaminación por desechos sólidos: En algunas áreas desérticas, los vertederos ilegales de basura pueden acumular contaminantes y plásticos. Consecuencias: Degradación de los acuíferos: La sobreexplotación de los recursos hídricos afecta a las plantas y animales adaptados a condiciones de escasez de agua, provocando una pérdida de biodiversidad. Contaminación del suelo y agua: Los metales pesados y los plásticos pueden persistir en el ambiente, afectando la vida silvestre y las comunidades humanas dependientes de esos recursos. Reducción de la fertilidad del suelo: La escasez de agua y la contaminación pueden reducir la capacidad del suelo para sustentar la vida de cualquier organismo. Consecuencias globales de la contaminación en los ecosistemas terrestres: 1. Pérdida de biodiversidad: La contaminación y la destrucción de los hábitats naturales son las principales causas de la extinción de especies, lo que afecta a la estabilidad y resiliencia de los ecosistemas. 2. Cambio climático: La degradación de los ecosistemas terrestres contribuye al cambio climático, ya que se reduce la capacidad de los bosques y otros ecosistemas para absorber carbono, y aumenta la emisión de gases de efecto invernadero. 3. Desertificación y pérdida de suelo fértil: La erosión del suelo y la desertificación, impulsadas por la contaminación y las malas prácticas agrícolas, reducen la disponibilidad de tierras productivas para la agricultura, lo que amenaza la seguridad alimentaria global. 4. Alteración de los ciclos hidrológicos: La contaminación y la destrucción de los ecosistemas afectan el ciclo del agua, provocando problemas como la escasez de agua, inundaciones y la contaminación de fuentes hídricas. 5. Impacto en la salud humana: La contaminación de los ecosistemas terrestres no solo afecta a la biodiversidad, sino también a las comunidades humanas que dependen de ellos para obtener alimentos, agua y otros recursos vitales. Los contaminantes tóxicos en el suelo y el agua pueden provocar enfermedades y poner en riesgo la vida de las personas. ECOSISTEMAS ACUÁTICOS Almacenamiento del líquido vital, regulación de temperatura y biodiversidad Incluye: - Ecosistemas de agua dulce. - Ecosistemas de agua salda. ECOSISTEMAS DE AGUA DULCE Ríos y arroyos Suministro de agua dulce: Los ríos y arroyos son la principal fuente de agua potable para consumo biológico, así como para la agricultura, la industria y otros usos esenciales. Transporte y conexión: Sirven como corredores ecológicos que conectan diferentes hábitats acuáticos y terrestres, permitiendo la migración de especies y el intercambio de nutrientes. Ciclo de nutrientes: Los ríos y arroyos transportan nutrientes esenciales desde las montañas hacia los océanos, apoyando la productividad de otros ecosistemas. Lagos y lagunas Almacenamiento de agua: Actúan como reservorios naturales que almacenan agua dulce, siendo esenciales para la regulación hídrica, el abastecimiento humano, el riego y la recreación. Mantenimiento de la biodiversidad: Proporcionan hábitats únicos que albergan una gran variedad de especies acuáticas, muchas de ellas endémicas. Regulación climática local: Ayudan a moderar las temperaturas locales y el clima mediante la absorción de calor durante el día y su liberación durante la noche. ECOSISTEMAS DE AGUA SALADA Océanos Regulación climática global: Regulan el clima al absorber grandes cantidades de dióxido de carbono (CO₂) y calor, distribuyendo la energía a través de corrientes marinas, lo que modera las temperaturas globales. Producción de oxígeno: A través de la fotosíntesis de organismos como el fitoplancton, los océanos producen más del 50% del oxígeno en la atmósfera terrestre. Biodiversidad y productividad: Los océanos son el hogar de una gran diversidad de especies, muchas de las cuales son fundamentales para la pesca y la alimentación humana. Arrecifes de coral Biodiversidad: Los arrecifes de coral albergan aproximadamente el 25% de todas las especies marinas, convirtiéndose en uno de los ecosistemas más biodiversos del mundo. Protección costera: Actúan como barreras naturales que protegen las costas de la erosión, marejadas ciclónicas y tsunamis, absorbiendo el impacto de las olas. Recursos económicos: Son vitales para la pesca y el turismo, generando ingresos importantes para muchas comunidades costeras. Unidad 5: Biorremediación de diferentes ecosistemas: Comprendiendo la toxicidad de los metales pesados: Implicaciones en la salud humana, los ecosistemas marinos y estrategias de biorremediación. Ejemplos: - Mercurio - Arsénico - Plomo - Níquel - Cadmio - Cromo Aumento de metales pesados en el ambiente: Causas del Incremento: Urbanización acelerada e industrialización. Emisiones industriales, agricultura intensiva, minería y quema de combustibles fósiles. Impacto Directo: Contaminación de aguas y suelos. Transferencia a través de la cadena alimenticia hacia los seres humanos y otros organismos. Impactos tóxicos de los metales pesados: Efectos en organismos vivos: Daños en membranas celulares y proteínas. Generación de radicales libres que afectan funciones celulares. Impacto en la salud humana: Daños en órganos esenciales, alteración de procesos fisiológicos y riesgos de enfermedades crónicas. Impacto a ecosistemas: La contaminación con metales pesados es tóxica, persistente, y bioacumulativa. Sus efectos son difíciles de revertir. Efectos en ecosistemas marinos: Los metales pesados como mercurio, plomo y cadmio afectan la biodiversidad marina, alteran cadenas alimenticias y pueden provocar la muerte de especies. La bioacumulación en organismos marinos representa un riesgo para la salud humana a través del consumo de pescado contaminado Métodos de remediación de metales pesados: Se analizan métodos convencionales como Estos métodos son efectivos pero generan residuos tóxicos y tienen altos costos y consumo energético. Biorremediación como alternativa: La biorremediación utiliza organismos vivos para adsorber y descomponer metales pesados, siendo más ecológica y económica que otros métodos. Procesos como la bioacumulación y la biosorción son clave en la reducción de metales sin generar subproductos tóxicos. Se sugiere la integración de tecnologías avanzadas, como la nanotecnología, para mejorar la eficiencia de la biorremediación. Métodos convencionales de remediación de metales pesados: Proceso Ventajas Desventajas Proceso electroquímico Requiere menos mano de obra, energía eficiente y amigable con el medio ambiente. Altas inversiones y alto costo de mantenimiento. Coagulación y flotación Bajo costo y fácil de operar. Alto consumo y costo de mantenimiento y baja eficiencia. Intercambio iónico Alta eficiencia en la eliminación de metales, requiere menos tiempo y no se producen residuos. Tiene baja selectividad y es altamente sensible a los cambios de pH. Métodos químicos Método económico y fácil de manejar. Produce subproductos tóxicos y requiere especialización en su eliminación. Biosorción y bioacumulación de iones metálicos dentro de células bacterianas: Biotransformación de metales pesados en microorganismos: captura inicial en exopolisacáridos, transporte celular y conversión enzimática a formas menos tóxicas, mitigando su impacto ambiental. Este proceso se divide en tres etapas principales: 1. Captura inicial en exopolisacáridos (EPS): Los metales pesados en el ambiente son inicialmente capturados por los exopolisacáridos, que son polímeros que la bacteria secreta al exterior. Estos EPS actúan como una barrera protectora y tienen la capacidad de unirse a los metales. 2. Transporte celular: Una vez capturados por los EPS, los metales pesados son transportados al interior de la célula bacteriana a través de la membrana celular. Este transporte puede ser pasivo (sin gasto de energía) o activo (con gasto de energía), dependiendo del metal y del tipo de bacteria. 3. Conversión enzimática: Dentro de la célula, los metales pesados son transformados en formas menos tóxicas mediante enzimas. Estas enzimas catalizan reacciones químicas que modifican la estructura del metal, reduciendo su toxicidad. Microplásticos en el medio ambiente: Una revisión crítica sobre su destino, toxicidad, implicaciones, gestión y estrategias de biorremediación. Microplásticos Los microplásticos son partículas de plástico de menos de 5 mm de tamaño, que pueden ser primarios (creados directamente en pequeñas dimensiones) o secundarios (provenientes de la degradación de plásticos más grandes) (Microplásticos ambiente). Los microplásticos, presentes desde los años 70, se encuentran en agua potable, sal marina y alimentos, impactando tanto la fauna acuática como la salud humana a través de la cadena alimentaria. Fuentes de microplásticos Fuentes de Microplásticos: Provienen de la degradación de plásticos más grandes, uso de microesferas en productos personales, fibras de tejidos sintéticos, desgaste de neumáticos y residuos mal gestionados. Distribución Ambiental: Se encuentran en suelo, agua, aire y pueden transferirse entre estos, afectando tanto ecosistemas terrestres como marinos. Contaminación Atmosférica: Los microplásticos en el aire también contaminan el agua y el suelo a través de la deposición atmosférica y aerosoles marinos. Principales Orígenes Terrestres: Incluyen basura en calles, vertido inadecuado, y residuos de industrias, actividades recreativas y pesqueras. Impacto Ecológico y Toxicidad de los Microplásticos Indigestión: Los microplásticos pueden ser ingeridos por organismos acuáticos, causando bloqueos en su sistema digestivo y problemas de salud. Toxicidad química: Los microplásticos pueden contener aditivos químicos y contaminantes que se liberan en el ambiente y son absorbidos por los organismos, causando efectos tóxicos. Disrupción alimentaria: La acumulación de microplásticos en la cadena alimentaria puede afectar la disponibilidad de alimento para los organismos y alterar las redes tróficas. Alteración de procesos ecológicos: Los microplásticos pueden interferir con procesos ecológicos esenciales, como la fotosíntesis y la reproducción de organismos. Efectos en la salud: Presencia en el Cuerpo Humano: Se ha encontrado la presencia de microplásticos en diferentes partes del cuerpo humano, como la sangre, los pulmones y el intestino, lo que genera preocupación sobre sus posibles efectos en la salud. Contaminación en Alimentos y Bebidas: Los microplásticos contaminan los alimentos y bebidas que consumimos, lo que representa una vía de exposición directa para los seres humanos. Liberación de Sustancias Tóxicas: Los microplásticos pueden liberar sustancias químicas tóxicas que se acumulan en los organismos y pueden causar problemas de salud a largo plazo. Plásticos (sphere): Biodegradación de plásticos por microorganismos, posiblemente bacterias. Se muestran tres etapas: 1. Adhesión (Attachment): Las bacterias se adhieren a la superficie del plástico. 2. Crecimiento (Growth): Las bacterias se multiplican y forman una biopelícula sobre el plástico. 3. Desprendimiento (Detachment): Las bacterias, o sus enzimas, degradan el plástico, lo que resulta en la fragmentación del material y la liberación de las bacterias. La toxicidad de los microplásticos está determinada por:  Tamaño y forma Composición química Propiedades de superficie Biorremediación de microplásticos Son todas aquellas técnicas que involucran el uso de microorganismos con la finalidad de romper/degradar los polímeros en compuestos más simples: Una revisión exhaustiva de las técnicas de biorremediación sostenibles: Soluciones ecológicas para la gestión de residuos y la contaminación. Desafíos en la Biorremediación Sostenible Complejidad de Contaminantes: Mezclas químicas difíciles de degradar, requieren organismos especializados. Heterogeneidad del Sitio: Variaciones de pH, temperatura y nutrientes dificultan estrategias adaptables. Lentas Tasas de Degradación: Adaptación microbiana lenta y limitaciones de nutrientes ralentizan el proceso. Aplicabilidad Limitada: Efectiva para orgánicos; limitada para metales y elementos radiactivos. Riesgo de Contaminación Secundaria: Pueden liberarse subproductos tóxicos de la degradación. Desafíos Regulatorios: Normativas variables complican permisos y aumentan costos. Monitoreo y Verificación: Métodos actuales de monitoreo son poco precisos y limitados en tiempo real. Para abordar estos desafíos y llenar los vacíos existentes en la tecnología de biorremediación, los esfuerzos de investigación en curso deben centrarse en varios frentes: Ecología y Genómica Microbiana: Selección y desarrollo de microbios específicos para la degradación de contaminantes. Bioinformática y Modelado: Utilización de herramientas computacionales para optimizar y predecir la eficiencia de los tratamientos de biorremediación. Diseño de Biorreactores: Desarrollo de nuevos sistemas de biorreactores que mejoren la eficiencia de la degradación de contaminantes. Bioestimulación y Bioaumentación: Aplicación de técnicas para estimular el crecimiento de microorganismos degradadores o introducir microorganismos específicos para acelerar la degradación de contaminantes. Monitoreo Avanzado: Desarrollo de métodos de monitoreo más precisos y en tiempo real para un seguimiento efectivo de los procesos de biorremediación. Unidad 5: BIORREMEDIACIÓN DE DIFERENTES ECOSISTEMAS Estrategias de Biorremediación Métodos físicos convencionales para la remediación de ecosistemas contaminados: Método Descripción del Funcionamiento Tipos de Contaminación Incineración Combustión controlada destruye compuestos orgánicos. Residuos sólidos y líquidos orgánicos. Solidificación/Estabilización Inmoviliza contaminantes en una matriz sólida (cemento o cal). Metales pesados y, en menor medida, hidrocarburos en suelos. Filtración Filtros físicos retienen partículas y ciertos metales. Aguas con partículas y metales suspendidos. Aireación o Desorción Térmica Calor volatiliza contaminantes orgánicos volátiles (VOCs). Suelos con compuestos volátiles (hidrocarburos). Electroremediación Campo eléctrico moviliza contaminantes hacia electrodos para extracción. Suelos y aguas subterráneas con metales y orgánicos. Incineración: Combustión controlada que destruye compuestos orgánicos. Se utiliza para residuos sólidos y líquidos orgánicos. Solidificación/Estabilización: Inmoviliza contaminantes en una matriz sólida, como cemento o cal. Es adecuada para metales pesados y, en menor medida, hidrocarburos en suelos. Filtración: Los filtros físicos retienen partículas y ciertos metales. Se aplica en aguas con partículas y metales suspendidos. Aireación o Desorción Térmica: Utiliza calor para volatilizar contaminantes orgánicos volátiles (VOCs). Es útil para suelos con compuestos volátiles, como hidrocarburos. Electroremediación: Un campo eléctrico moviliza contaminantes hacia electrodos para su extracción. Se emplea en suelos y aguas subterráneas con metales y compuestos orgánicos. Métodos químicos convencionales para la remediación de ecosistemas contaminados: Método Descripción del Funcionamiento Tipos de Contaminación Extracción y Lavado de Suelos Uso de soluciones químicas para disolver y remover contaminantes del suelo. Suelos contaminados con metales y compuestos orgánicos. Adsorción con Carbón Activado Carbono activado adsorbe compuestos orgánicos y ciertos metales. Aguas contaminadas con compuestos orgánicos y metales. Precipitación Química Adición de reactivos químicos para precipitar contaminantes como metales pesados. Aguas residuales con metales pesados. Oxidación Química Uso de agentes oxidantes para descomponer contaminantes en compuestos menos tóxicos. Aguas y suelos con contaminantes orgánicos persistentes. Coagulación Coagulantes químicos aglomeran partículas y coloides para facilitar su sedimentación. Aguas turbias con sólidos suspendidos y metales. Intercambio Iónico Resinas intercambian iones contaminantes por iones benignos. Aguas con metales pesados y contaminantes específicos. Extracción y Lavado de Suelos: Usa soluciones químicas para disolver y remover contaminantes del suelo. Se enfoca en suelos contaminados con metales y compuestos orgánicos. Adsorción con Carbón Activado: El carbono activado adsorbe compuestos orgánicos y ciertos metales. Se utiliza en aguas contaminadas con estos contaminantes. Precipitación Química: Se añaden reactivos químicos para precipitar contaminantes, como metales pesados. Es adecuada para aguas residuales con estos contaminantes. Oxidación Química: Emplea agentes oxidantes para descomponer contaminantes en compuestos menos tóxicos. Se aplica en aguas y suelos con contaminantes orgánicos persistentes. Coagulación: Utiliza coagulantes químicos para aglomerar partículas y coloides, facilitando su sedimentación. Es efectiva en aguas turbias con sólidos suspendidos y metales. Intercambio Iónico: Resinas intercambian iones contaminantes por iones benignos. Se usa en aguas con metales pesados y contaminantes específicos. Métodos biológicos para la remediación de ecosistemas contaminados: Las tecnologías biológicas para eliminar contaminantes (biorremediación) son más económicas y menos invasivas que otras técnicas (químicas o físicas), lo que reduce el impacto ecológico. Aunque son beneficiosas económicamente, la inversión en investigación y aplicación de bioprocesos es menor comparada con técnicas de saneamiento tradicionales. Los principales desafíos incluyen: Mejorar la caracterización y estabilidad de los microorganismos. Establecer criterios y métodos aceptados para su aplicación ambiental. Modelizar para facilitar la transición de estudios de laboratorio a campo. Desarrollar mejores técnicas de monitoreo de contaminantes y sus metabolitos. Clasificación de los tipos de remediación biológica (biorremediación) de acuerdo con el lugar en el que se hace: 1. In situ Este tipo de biorremediación se realiza directamente en el sitio contaminado sin necesidad de extraer el material afectado. Bioventilación Bioestimulación Bioaumentación Fitorremediación Biosparging 2. Ex situ Este tipo requiere la remoción del suelo o agua contaminada para su tratamiento en otro lugar y su retorno posterior al sitio si es necesario. Biopilas Bioreactores (lodos) Compostaje Filtros Biológicos (Biofiltros) Landfarming Descripción detallada de dos técnicas de biorremediación “In situ” Bioventilación (Bioventing) Técnica que consiste en la inyección o extracción de aire en el suelo contaminado, con el fin de aumentar la concentración de oxígeno. Este oxígeno adicional permite que los microorganismos aerobios presentes en el suelo degraden compuestos orgánicos contaminantes, como los hidrocarburos. Aplicación: Es particularmente útil para tratar suelos no saturados, es decir, áreas donde el agua no está presente en grandes cantidades, y es adecuada para contaminantes orgánicos volátiles (VOCs) y semivolátiles. Ventajas y Limitaciones: Tiene la ventaja de ser una técnica relativamente económica y menos invasiva, pero su eficacia depende de la permeabilidad del suelo y puede requerir varios años para lograr la remediación completa. Bioaspersión (Sparging) Similar a la bioventilación, el biosparging consiste en inyectar aire directamente en la zona saturada del suelo (por debajo del nivel freático). Este aire se dispersa en burbujas que migran hacia la zona no saturada, proporcionando oxígeno que promueve la actividad microbiana y la biodegradación de contaminantes. Aplicación: Es especialmente efectiva en la remediación de suelos y aguas subterráneas contaminadas con compuestos orgánicos, como los hidrocarburos, en áreas saturadas donde la bioventilación no es viable. Ventajas y Limitaciones: Puede degradar compuestos orgánicos de manera eficiente, pero la efectividad depende de la porosidad del suelo y puede ser menos práctica en suelos con baja permeabilidad. Tabla con resumen de las diversas técnicas de biorremediación “In situ”: Método Descripción Tipos de Contaminación Bioventilación Inyección o extracción de aire en el suelo para aumentar el oxígeno y promover la actividad microbiana. Hidrocarburos en suelos no saturados. Biosparging Bombeo de aire en la zona saturada para ayudar a los microorganismos a degradar contaminantes en el agua. Hidrocarburos en suelos y aguas subterráneas saturadas. Bioestimulación Adición de nutrientes o aceptores de electrones para aumentar la degradación microbiana natural. Contaminantes orgánicos en suelos altamente contaminados. Bioaumentación Introducción de microorganismos específicos para degradar contaminantes cuando la microflora local es insuficiente. Hidrocarburos y metales en suelos. Fitorremediación Uso de plantas para absorber, estabilizar o volatilizar contaminantes en suelos y aguas. Metales pesados y contaminantes orgánicos en suelos y aguas. Bioventilación: Consiste en la inyección o extracción de aire en el suelo para aumentar el oxígeno y promover la actividad microbiana. Se aplica en suelos no saturados con hidrocarburos. Biosparging: Bombeo de aire en la zona saturada para ayudar a los microorganismos a degradar contaminantes en el agua. Es útil para hidrocarburos en suelos y aguas subterráneas saturadas. Bioestimulación: Se añaden nutrientes o aceptores de electrones para potenciar la degradación microbiana natural. Es efectiva en contaminantes orgánicos en suelos altamente contaminados. Bioaumentación: Introducción de microorganismos específicos para degradar contaminantes cuando la microflora local es insuficiente. Se utiliza para hidrocarburos y metales en suelos. Fitorremediación: Uso de plantas para absorber, estabilizar o volatilizar contaminantes. Es adecuada para metales pesados y contaminantes orgánicos en suelos y aguas. Descripción detallada de las técnicas de biorremediación “Ex situ” Compostaje Descripción: En este método, el suelo contaminado se mezcla con materiales orgánicos como residuos vegetales o estiércol en un ambiente controlado. Los microorganismos presentes en la mezcla descomponen los contaminantes orgánicos a través de procesos de fermentación y degradación, generando temperaturas elevadas que aceleran la biodescomposición. Aplicación: Es efectivo para tratar suelos contaminados con residuos orgánicos, pesticidas y algunos hidrocarburos. Ventajas y Limitaciones: Ofrece una degradación eficiente de contaminantes orgánicos y mejora la calidad del suelo. Sin embargo, no es adecuado para contaminantes inorgánicos, como metales pesados, y requiere monitoreo de humedad y temperatura. Biopilas Descripción: Este método implica la acumulación de suelo contaminado en pilas y la adición de nutrientes y, en algunos casos, la aireación. Estas pilas son manejadas y a veces volteadas para mejorar la oxigenación, facilitando la actividad microbiana que degrada los contaminantes. Aplicación: Es comúnmente utilizado para la remediación de suelos contaminados con hidrocarburos y otros compuestos orgánicos. Ventajas y Limitaciones: Las biopilas permiten un control eficiente de las condiciones ambientales, como humedad y temperatura, para optimizar la biodegradación. Sin embargo, puede requerir espacio y mantenimiento para monitorear el proceso, y el movimiento de pilas puede resultar costoso. Bioreactores de Fase de Lodos (Slurry Phase) Descripción: En los bioreactores de fase de lodos, el suelo contaminado se mezcla con agua y se transforma en una suspensión en un reactor. Dentro del reactor, se añaden nutrientes, oxígeno y otros compuestos para acelerar la degradación de los contaminantes bajo condiciones estrictamente controladas. Aplicación: Este método es adecuado para suelos altamente contaminados con pesticidas y otros contaminantes recalcitrantes. Ventajas y Limitaciones: Los bioreactores ofrecen un control preciso del ambiente de degradación, lo cual es ideal para contaminantes difíciles de tratar. Sin embargo, es costoso y requiere equipos específicos para manejar la mezcla y los residuos generados. Landfarming Descripción: El suelo contaminado se extiende en una capa sobre el terreno y se somete a aireación mediante arado o volteo regular para estimular la actividad microbiana aerobia que degrada los contaminantes. Aplicación: Es utilizado para suelos contaminados con hidrocarburos y algunos contaminantes orgánicos volátiles. Ventajas y Limitaciones: Es una técnica relativamente económica y fácil de implementar en grandes áreas. Sin embargo, depende de las condiciones ambientales, como temperatura y precipitación, y puede no ser tan efectiva en suelos con contaminantes no orgánicos o en ambientes con bajas temperaturas. Windrows Similar a las biopilas, los windrows consisten en pilas de suelo que se giran regularmente para mejorar la aireación y promover la degradación de contaminantes. A diferencia de las biopilas, los windrows se construyen en líneas largas que facilitan el manejo y volteo. Aplicación: Es adecuado para suelos contaminados con hidrocarburos y otros compuestos orgánicos. Ventajas y Limitaciones: Proporciona buena aireación y es relativamente simple de operar, pero la necesidad de volteo regular puede aumentar los costos y el riesgo de liberación de gases contaminantes en suelos con compuestos volátiles. Biofiltros Los biofiltros consisten en medios filtrantes que contienen microorganismos capaces de degradar contaminantes. El aire o agua contaminada se hace pasar a través del filtro, donde los microorganismos metabolizan los compuestos tóxicos presentes. Aplicación: Es adecuado para la remediación de aire contaminado con compuestos orgánicos volátiles (VOCs) y aguas residuales. Ventajas y Limitaciones: Los biofiltros son efectivos para tratar contaminantes gaseosos y líquidos de manera continua, pero el medio filtrante puede saturarse, requiriendo reemplazo o regeneración periódica. Tabla con resumen de las diversas técnicas de biorremediación “Ex situ”: Método Descripción Tipos de Contaminación Compostaje Descomposición de contaminantes orgánicos con microorganismos en condiciones controladas. Suelos y sedimentos con residuos orgánicos. Biopilas Acumulación de suelo en pilas con nutrientes y aireación para estimular microbios. Suelos con hidrocarburos y compuestos orgánicos. Bioreactores de Fase de Lodos Mezcla de suelo y agua en un reactor con control de condiciones para degradar contaminantes. Suelos con pesticidas y contaminantes recalcitrantes. Landfarming Suelo contaminado se extiende en superficie y se degrada aeróbicamente. Suelos con hidrocarburos y orgánicos volátiles. Windrows Pilas de suelo volteadas regularmente para mejorar la degradación aeróbica. Suelos con hidrocarburos y compuestos orgánicos. Biofiltros Filtros con medios que contienen microbios para degradar contaminantes. Aire y aguas residuales con compuestos orgánicos volátiles. Compostaje: Descomposición de contaminantes orgánicos con microorganismos en condiciones controladas. Se aplica en suelos y sedimentos con residuos orgánicos. Biopilas: Acumulación de suelo en pilas con nutrientes y aireación para estimular microbios. Se usa en suelos con hidrocarburos y compuestos orgánicos. Bioreactores de Fase de Lodos: Mezcla de suelo y agua en un reactor con control de condiciones para degradar contaminantes. Es útil para suelos con pesticidas y contaminantes recalcitrantes. Landfarming: Extiende suelo contaminado en superficie para su degradación aeróbica. Se emplea en suelos con hidrocarburos y orgánicos volátiles. Windrows: Pilas de suelo que se voltean regularmente para mejorar la degradación aeróbica. Se aplica en suelos con hidrocarburos y compuestos orgánicos. Biofiltros: Filtros con medios que contienen microbios para degradar contaminantes. Es eficaz en aire y aguas residuales con compuestos orgánicos volátiles. Tratamiento de suelos contaminados con hidrocarburos: Al suelo contaminado se le realiza un análisis de laboratorio para conocer el nivel de contaminación del mismo y así definir el proceso de remediación y biodegradabilidad. Los niveles de contaminación se miden con TPH, unidad de medida que calcula los miligramos de hidrocarburo presentes en un kilo de suelo. Los suelos pueden ir desde un nivel bajo de contaminación que oscila entre los 10,000 TPH hasta un nivel elevado mayor 60,000 TPH. Cuando los suelos tienen una contaminación alta, se aplican métodos fisicoquímicos. Tratamiento de aguas contaminadas con hidrocarburos: Para tratar aguas contaminadas con hidrocarburos, se pueden combinar varios de estos métodos en un proceso de tratamiento que suele incluir: 1. Separación inicial física. 2. Absorción o adsorción de restos de hidrocarburos. 3. Tratamientos químicos o biológicos para descomponer compuestos persistentes. 4. Filtración final para asegurar la eliminación completa. Nota: La elección del método o combinación de métodos depende del tipo y concentración de los hidrocarburos, el volumen de agua contaminada y las condiciones del sitio. Mecanismos de desulfurización de hidrocarburos La desulfurización es el proceso de refinamiento mediante el cual se elimina el azufre de los combustibles fósiles, como el petróleo, el gas natural y el carbón, para reducir las emisiones de compuestos de azufre (principalmente dióxido de azufre, SO₂) que contribuyen a la contaminación del aire y la lluvia ácida. Desulfurización Hidrotratante (HDS): Es el método principal para eliminar el azufre de los combustibles líquidos y se basa en la hidrogenación de compuestos de azufre para formar H₂S. Oxidación: Convierte el azufre en compuestos polares para extraerlos fácilmente.  Biodesulfurización: Usa microorganismos para extraer azufre sin afectar el hidrocarburo. Adsorción: Captura compuestos de azufre en materiales porosos. Proceso Claus: Convierte H₂S en azufre elemental y es usado para manejar gases de refinerías. Vía 4S (Biodesulfurización): Desulfurizan sin afectar la estructura del hidrocarburo (HC) con microorganismos como: Rhodococcus Pseudomonas Gordonia