I.
TITULO: BIORREMEDIACIÓN DE AGUAS CONTAMINADAS CON RELAVES
MINEROS DE LOS EFLUENTES DEL RÍO HUANCAPETI EN LA CIUDAD DE RECUAY. II.
JUSTIFICACIÓN Los contaminantes como metales pesados (Cd, Hg, Pb, Cu, Ni, Sb, Bi) tienen la capacidad de provocar cambios evolutivos debido a sus efectos dañinos. Son potencialmente contaminantes devastadores ya que contaminan el aire, el agua y la tierra. El manejo inadecuado de los materiales y residuos peligrosos ha generado a nivel mundial, un problema de contaminación de los suelos y cuerpos de agua. Entre las más severas contaminaciones destacan las que se produjeron y todavía se producen por Metales Pesados porque tienden a bioacumularse. En la actualidad las actividades de las transnacionales mineras y otras están causando conflictividad social. Amenaza la vida y el ambiente; desplazan comunidades, se apropian de extensos territorios, de las aguas, de la biodiversidad y desequilibran la seguridad y soberanía alimentaria de las poblaciones afectadas. De acuerdo a los resultados del monitoreo ambiental realizado en varios distritos de minería en el país, caracterizados por la intensidad de las labores mineras a pequeña y gran escala. “La minería ha causado considerables impactos ambientales. Los principales
contaminantes son cianuro, metales pesados y mercurio. Las fuentes más significativas de estos contaminantes son las colas descargadas directa o indirectamente en los ríos, por los sistemas de disposición inadecuados. La descarga de estos contaminantes ha provocado la extinción de toda forma de vida superior en ciertos tramos del ríos; además, en varios lugares, la mala calidad del agua imposibilita su uso como agua potable, para irrigación o criaderos acuáticos”
III.
AMBITO DE ESTUDIO, OBJETIVOS Y FINES 3.1.
ÁMBITO -
3.2.
Río Huancapeti- Recuay.
OBJETIVOS -
Explicar el proceso de remediación de aguas contaminadas con relaves mineros por medio de microorganismos.
3.3.
FINES -
Aplicar los objetivos planteados sobre la biorremediación en los efluentes río Huancapeti en la cuidad de Recuay.
IV.
FORMULACIÓN Y PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Variable independiente: Minería.
Variable dependiente: Contaminación de las aguas del río Huancapeti.
4.1.
FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ¿La contaminación de las aguas por relaves minero en Huancapeti se pueden remediar utilizando microorganismos?
4.2.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Nuestro país, en el que la minera es uno de los principales recursos y forma de ingreso económico. La región Ancash, posee un alto porcentaje de minerales en diversos lugares, y la explotación de este recurso lleva consigo la desmedida contaminación del medio ambiente, principalmente del “agua”, que no solo
causará problemas acuáticos sino también a nivel social, en ese sentido se plantea como una alternativa de solución la Remediación de las aguas contaminadas por relaves mineros usando microorganismos capaces de hacerlo .
V.
MARCO TEÓRICO CONCEPTUAL 5.1.
ANTECEDENTES Biorremediación de aguas contaminadas por metales pesados Muchos metales desempeñan un papel específico como microelementos para el desarrollo de determinadas funciones vitales en los seres vivos. Estos metales, participan como componentes de algunas enzimas, proteínas estructurales y pigmentos, así como en el mantenimiento del balance iónico y potencial de las células. Sin embargo, altas concentraciones de metales pesados suponen un riesgo y una amenaza para la vida. La contaminación del agua, del suelo y del aire por metales pesados es un problema ambiental muy importante debido fundamentalmente a su toxicidad, persistencia, bioacumulación, y efectos sinérgicos en la biota. El vertido incontrolado de residuos, industrias de transformación de metales o la
industria minera, son algunas de las actividades desarrolladas por el hombre y que pueden causar la contaminación del suelo y de las aguas. Los drenajes ácidos de minas son un problema ambiental de primer orden. Es necesario investigar para conseguir una adecuada gestión de los mismos reduciendo o en su caso minimizando su impacto ambiental. Se trata de aguas que, en su mayor parte, presentan altas concentraciones de diferentes metales pesados (Fe, Cd, As, Zn, Cu, S,…) resultado de los procesos de extracción y
tratamiento del mineral. Además de la importancia para el tratamiento de drenajes ácidos de la minería, las aguas residuales urbanas también contienen metales pesados. La información acerca de la eliminación de estos metales mediante el uso de humedales artificiales es muy limitada y se reduce a los metales más comunes, como el cadmio, cobre, hierro níquel, plomo y zinc. Fuente: (Vymazal, 2005).
El tratamiento de aguas contaminadas por metales pesados tiene como principal objetivo la reducción o eliminación de esos contaminantes hasta un nivel en el que no causen efectos adversos en el medio ni sobre la salud humana. Junto a los sistemas tradicionales de tratamiento en la actualidad se investiga y trabaja en la aplicación de estrategias in situ con la finalidad de reducir costes y evitar la dispersión de contaminantes. Los humedales artificiales son una de las alternativas a los sistemas convencionales y presentan un gran potencial para el tratamiento del agua. Se han empleado ampliamente para el tratamiento de aguas residuales urbanas. Así mismo, se han aplicado al tratamiento pasivo de contaminación difusa incluyendo los drenajes ácidos de minas. Su capacidad para eliminar metales de drenajes ácidos de minas está documentada. Fuente: (Stoltz y Greger, 2002).
Se estima que a finales del siglo XX unos 100 humedales artificiales habían sido construidos para el tratamiento de drenajes ácidos de la minería. Sin embargo, la eficacia de estos humedales para el tratamiento de aguas con metales pesados, y concretamente para los drenajes ácidos de minas, ha sido variable y a menudo impredecible. Algunos investigadores incluso consideran los
humedales artificiales como una tecnología no sostenible para el tratamiento de esta agua debido a la naturaleza no biodegradable de los contaminantes. Fuente: (Kosolapov, et al, 2004).
La movilización e inmovilización de los metales en los humedales depende de diferentes procesos que de forma independiente o interactuando entre ellos hacen que el proceso de eliminación de metales en los humedales sea muy complejo y no bien conocido. Por tanto, la eliminación de metales pesados en humedales es el resultado de diferentes procesos biogeoquímicos, que incluyen procesos aeróbicos y anaeróbicos en la columna de agua, en la superficie de plantas vivas y en descomposición y en el sustrato. Fuente: (Sobolewski, 1999).
Entre ellos está la sedimentación, floculación, absorción, precipitación, coprecipitación, intercambio iónico, complejación, oxidación y reducción, la actividad microbiana, y la de las plantas. El que ocurran y con que intensidad unos u otros fenómenos depende del tipo de humedal c onstruido, de los valores de pH, del estado Red-Ox, de la composición del influente, de las especies vegetales presentes y de la actividad microbiana. Hay autores para los cuales en el caso de metales pesados la eliminación o reducción de su toxicidad se debe principalmente a procesos microbiológicos. Fuente: (Groudeva; 2000).
Los microorganismos procariotas han coexistido con los metales pesados desde los comienzos de la vida. Para ello han desarrollado diferentes adaptaciones para poder vivir en gran variedad de ambientes con altas concentraciones de metales. En relación con la contaminación de las aguas, contribuyen a la formación de compuestos insolubles y/o químicamente inertes impidiendo así que estos contaminantes pasen a contaminar otros medios. Los mecanismos implicados en estos procesos son principalmente reacciones red-Ox, precipitación, o la bioacumulación y bioabsorción de metales por parte de las bacterias. A pesar de las distintas experiencias e investigaciones realizadas en los últimos años muchos aspectos fundamentales sobre el funcionamiento de los humedales artificiales no se conocen todavía. En particular, los mecanismos de eliminación de los metales y las interacciones entre ellos son hoy en día un gran desconocido.
5.2.
BASE TEÓRICA 5.2.1. Biorremediación La biorremediación puede definirse como el uso de organismos vivos, componentes celulares y enzimas libres, con el fin de realizar una mineralización, una transformación parcial, la humificación de los residuos o de agentes contaminantes y una alteración del estado redox de los metales.
5.2.2. ¿En qué consiste la biorremediación? La naturaleza tiene mecanismos de autorregulación. Cuando un ecosistema es dañado o perturbado por la presencia de cualquier agente físico, químico o biológico, éste utiliza mecanismos de recuperación, como bacterias y hongos y algunas plantas y protistas como las algas que pueden degradar a los agentes dañinos. La biorremediación puede clasificarse in situ o ex situ. La primera consiste en tratar el material contaminado en el lugar en que se encuentra sin trasladarlo a otra parte. Algunos ejemplos de estas tecnologías consisten en operaciones de compostaje, la ventilación biológica, la filtración por raíces o la estimulación biológica. En los procesos ex situ el material contaminado es trasladado a otro lugar para realizar o completar su descontaminación. El tratamiento se efectúa en un biorreactor donde se realiza el proceso en forma controlada, es decir se suministran nutrientes, se inoculan los microorganismos deseados, se mantiene una aireación continua y se controla el pH y la temperatura, en los valores adecuados para el crecimiento de los microorganismos. El proceso de biorremediación puede ser supervisado usando métodos como la medición del potencial redox en el suelo o el agua junto con la medición del pH, temperatura,
contenido
de
oxígeno,
concentraciones
de
productos
de
degradación (como el anhídrido carbónico). Pero la biorremediación en el agua se ve afectada por la disponibilidad de nutrientes debido a que éstos generalmente se encuentran en bajas concentraciones, por lo que generalmente es necesario adicionar fósforo y nitrógeno como forma de estimular el crecimiento de los microorganismos que potencialmente degradarán los compuestos tóxicos. Entre los procesos más interesantes, la descomposición microbiana de hidrocarburos es de considerable importancia económica y ambiental.
Los hidrocarburos varían en su habilidad de ser degradados y sus derrames en el agua tienden a formar láminas en la superficie en donde el viento y el oleaje crean microscópicas
emulsiones.
Esto
permite
que
los
microorganismos
predominantemente bacterias (pseudomonas, corinebacterias y micobacterias), algunas levaduras y hasta algas verdes tengan una mayor superficie de contacto con la partícula, facilitando el acceso a la misma y permitiendo su degradación. No todos los contaminantes son fáciles de biorremediar por medio de microorganismos. Por ejemplo, los metales pesados como el cadmio y el plomo y el mercurio no son absorbidos o capturados por estos organismos. La incorporación de algunos de estos metales dentro de la cadena alimentaria (bioacumulación) agrava el problema. Se puede usar la remediación por medio de plantas o fitorremediación. Es muy útil en estos casos porque es posible usar plantas transgénicas que concentren estas toxinas en sus partes aéreas (sobre la tierra), las cuales pueden ser cosechadas y eliminadas.
5.2.3. Impacto ambiental
El impacto ambiental de los contaminantes metálicos en las aguas es estrictamente dependiente de la capacidad de complejamiento de éstos con componentes del medio ambiente y su respuesta a las condiciones fisicoquímicas y biológicas de su entorno. Los metales son especies químicas no degradables. Por tal motivo, una vez volcados al medio ambiente, sólo pueden distribuirse entre los entornos aire - agua - suelo, a veces cambiando su estado de oxidación, o incorporarse a los seres vivos. Los procesos de adsorción y la formación de complejos en medios naturales son responsables de que la mayor parte de los vestigios de metales pesados se acumulen en los sólidos en suspensión, incorporándose rápidamente a los sedimentos, donde se presentan los mayores niveles de concentración de estos contaminantes. Como resultado de estas interacciones, los sedimentos juegan un papel muy importante en la regulación de la calidad del agua. Por su parte, las aguas intersticiales, en contacto directo con los sedimentos, actúan como fuente o sumidero de estos contaminantes y en ellas se observan concentraciones intermedias entre las aguas superficiales y los sedimentos. (1)
(1)
Revista: Química Viva. Vol. 2, número 3, 2003.
[email protected]
5.2.3. La utilidad de los microorganismos El empleo de microorganismos en medios definidos en procesos de descontaminación es conocido, sin embargo las interacciones que suceden en ellos necesitan más estudios, por ejemplo el efecto de agregar nutrientes específicos a los ambientes mineros; aunque si existen experiencias agregando nutrientes para tratar compuestos tóxicos en otras actividades productivas. Es una alternativa para descontaminar los relaves de cianuración, muchos de ellos son bacterias sulfato reductoras (BSR) que producen sulfuro de hidrógeno el cual reacciona con los sulfatos en solución produciendo sulfuros de metal los cuales son estables y pueden precipitar, además se conocen otros microorganismos con capacidad de degradar cianuro. Fuente: HURTADO, Jasmín y BERASTAIN, Arturo. Optimización de la biorremediación en relaves. Lima: Revista peruana de biología, 2012.
5.2.4. Movilización de los metales pesados a.
Biolixiviación
Este mecanismo de solubilización es utilizado en la industria minera. Por intermedio de la acción microbiana, los metales presentes en los minerales resultan extraídos en fase acuosa. Tal es el caso de la obtención de Cu por la oxidación de las menas de Cu2S (calcocita) a CuSO4 por intermedio de la acción de las bacterias Thiobacillus ferroxidans y Thiobacillus thiooxidans.
5.2.5. Inmovilización de metales pesados Dentro de la amplia diversidad microbiana, existen microorganismos resistentes y microorganismos tolerantes a metales. Los resistentes se caracterizan por poseer mecanismos de detoxificación codificados genéticamente, inducidos por la presencia del metal (27). En cambio, los tolerantes son indiferentes a la presencia o ausencia de metal. Tanto los microorganismos resistentes como tolerantes son de particular interés como captores de metales en sitios contaminados, debido a que ambos pueden extraer los contaminantes. La resistencia o tolerancia experimentada por microorganismos es posible gracias a la acción de diferentes mecanismos. Estos fenómenos son: biosorción, bioacumulación, biomineralización, biotransformación y quimiosorción mediada por microorganismos.
a. Biosorción La
biosorción
es
un
fenómeno
ampliamente
estudiado
en
la
biorremediación de diversos metales pesados como el cadmio, cromo, plomo, níquel, zinc y cobre. Los microorganismos utilizados como biosorbentes, aislados a partir de ecosistemas contaminados, retienen los metales pesados a intervalos de tiempo relativamente cortos al entrar en contacto con soluciones de dichos metales. Esto minimiza los costos en un proceso de remediación, ya que no requiere el agregado de nutrientes al sistema, al no requerir un metabolismo microbiano activo. La biomasa capaz de participar en estos procesos es fácilmente extraíble de sistemas acuosos como cursos de aguas o efluentes de diversos orígenes, por lo
que el proceso global de biorremediación sería rentable. Es por ello que la búsqueda de este tipo de microorganismos se encuentra en crecimiento constante, junto con el estudio de sistemas biosorbentes como por ejemplo la utilización de consorcios microbianos, o sistemas mixtos formados por microorganismos y macromoléculas (polímeros) sorbentes, que incrementarían los rendimientos en la captación de mezclas de metales pesados. Los fenómenos de biosorción se caracterizan por la retención del metal mediante
una
interacción
físicoquímica
del
metal
con
ligandos
pertenecientes a la superficie celular. Esta interacción se produce con grupos funcionales expuestos hacia el exterior celular pertenecientes a partes de moléculas componentes de las paredes celulares, como por ejemplo carboxilo, amino, hidroxilo, fosfato y sulfhidrilo. Es un mecanismo de cinética rápida que no presenta una alta dependencia con la temperatura y en muchos casos puede estudiarse en detalle mediante la construcción de los modelos de isotermas de Langmuir y Freundlich.
b. Bioacumulación Este mecanismo celular involucra un sistema de transporte de membrana que internaliza al metal pesado presente en el entorno celular con gasto de energía. Este consumo energético se genera a través del sistema H+ATPasa. Una vez incorporado el metal pesado al citoplasma, éste es secuestrado por la presencia de proteínas ricas en grupos sulfhidrilos llamadas metalotioneínas o también puede ser compartimentalizado dentro de una vacuola, como ocurre en hongos. Algunos ejemplos de este proceso son muy interesantes, como el caso de acumulación de uranio por la bacteria Pseudomonas aeruginosa, el cual fue detectado íntegramente en el citoplasma, al igual que en la levadura Saccaromyces cerevisiae.
c. Biomineralización Los microorganismos son capaces de precipitar metales y radionuclidos como carbonatos e hidróxidos, mediante un mecanismo de resistencia codificado en plásmidos. Este mecanismo aparece por el funcionamiento
de una bomba que expulsa el metal tóxico presente en el citoplasma hacia el exterior celular en contracorriente a un flujo de H+ hacia el interior celular. Esto produce una alcalinización localizada sobre la superficie celular externa y por lo tanto la precipitación del metal pesado. Otra forma de precipitar los metales es a través de la formación de sulfuros o fosfatos, como resultado de alguna actividad enzimática celular. Un ejemplo de ello es la precipitación de sulfuros metálicos en reactores con cultivos mixtos de bacterias reductoras de sulfato o la acumulación de CdS en la pared celular de las bacterias Klebsiella planticola y Pseudomonas aeruginosa.
d. Biotransformación Este es un proceso que involucra un cambio químico sobre el metal pesado, como por ejemplo en el estado de oxidación o metilación. Esta transformación biológica de los metales pesados que resultan tóxicos mediada por enzimas microbianas puede dar como resultado compuestos poco solubles en agua o bien compuestos volátiles. El ejemplo más claro es el ciclo del Hg en la naturaleza, donde la bacteria Pseudomonas aeruginosa puede reducir el catión Hg2+ a Hg0, y otros organismos pueden luego metilarlo dando como producto el CH3Hg+ y (CH3)2Hg, que son volátiles y aún más tóxicos que el propio Hg.
5.3.
TÉRMINOS CONEPTUALES
5.3.1. El uso de microorganismos en biorremediación La biorremediación es el proceso de limpieza de la contaminación mediante el uso de organismos vivos en lugar de detergentes o métodos de recolección. Los microbios son útiles en esta área, ya que pueden usarse en un amplio rango de tipos de contaminación. Algunos microbios se están utilizando en la solución de los problemas de contaminación y más especies de microorganismos se encuentran en estudio.
5.3.2. Fundamentos de la biorremediación Los microorganismos necesitan tomar nutrientes de su entorno para crecer y dividirse. Los microbios metabolizan estos nutrientes, lo que significa que las sustancias que toma el microbio se rompen y el microbio excreta sustancias diferentes. En la biorremediación, las sustancias que se excretan son menos dañinas que el contaminante original. Básicamente, los microbios se comen la contaminación y limpian el área.
5.3.3. Tipos de biorremediación Los microorganismos realizar biorremediación en alguna de las tres maneras existentes. A veces los microbios en una zona contaminada se adaptan a la contaminación natural y la descomponen como parte de su fuente de alimento o se adaptan a las toxinas que le son suficientes para sobrevivir y convertir la contaminación en sustancias que son inofensivas para los mismos microbios y otras formas de vida. Este sistema natural se llama atenuación natural. Si los microbios no descomponen naturalmente el contaminante, la adición de nutrientes puede estimular la biorremediación. Este proceso se llama bioestimulación. Por último, los seres humanos artificialmente pueden añadir una población microbiana nueva a un zona para tratar el contaminante. Esto se conoce como bio-aumentación.
5.3.4. Ventajas Los microorganismos son relativamente baratos de producir y utilizar en comparación con otras medidas de control de la contaminación. El vertedero se reduce cuando el suelo contaminado no necesita ser eliminado y no se utilizan
materiales para absorber o recoger el contaminante. Los microbios se auto replican y su uso tiende a ser más respetuoso con medio ambiente y con menos efectos secundarios que otros métodos de control.
5.3.5. Desventajas Los microorganismos en biorremediación pueden tomar varios años para limpiar completamente el área contaminada. Incluso después de que la limpieza se ha completado, los propios microorganismos pueden necesitar ser cosechados para eliminar contaminantes tales como el uranio que se ha almacenado en ellos. El clima también puede jugar un papel en la eficiencia del proceso, ya que los microbios aplicados pueden ser barridos o muertos a través de una sequía.
