INTRODUCCIÓ
Actualment la
nostra societat està molt influenciada per la industrialització i l’elevat grau
de desenvolupament tecnològic. Això comporta un seguit de conseqüències
negatives que desemboca en un problema mediambiental important: la
contaminació. En aquest treball ens centrarem en el tractament dels metalls
pesants i la seva reincorporació al cicle biològic per mitjà de mecanismes
microbiològics. Entenem per metalls pesants tots aquells elements metàl·lics
que són perjudicials pel medi ambient, són d’altes densitats i tòxics pels
essers humans en quantitats elevades, com per exemple poden ser el mercuri, el
plom i el cadmi.
BIOREMEDIACIÓ I PROBLEMÀTICA DE METALLS PESANTS
Davant d’aquesta
problemàtica han aparegut diversos processos de bioremediació, és a dir, una
manera natural i eficaç de degradar contaminants orgànics o extreure’n els
inorgànics per netejar el medi contaminat, utilitzant agents biològics com a
vector, principalment microorganismes, fongs i/o plantes. En el nostre cas
explicarem l’ús de microorganismes per a la bioremediació de metalls pesants,
tractant una sèrie de tècniques i mecanismes que poden modificar els seus
estats oxidatius fent disminuir el volum i els graus de toxicitat, i permeten reduir les
problemàtiques de contaminació per metalls en els sòls i en les aigües
superficials o subterrànies.
MICROORGANISMES I MECANISMES MICROBIOLÒGICS
En el cas dels
metalls pesats, ja que es tracten d’espècies químiques no biodegradables,
trobem dos principals mecanismes d’actuació:
1. Mobilització dels metalls pesants: Mecanisme
en el qual es passa d’una fase sòlida inicialment insoluble a una fase líquida final
que és soluble. Dintre d’aquest trobem la Biolixivació.
Biolixivació:
És la
mobilització dels metalls a través de l’excreció d’àcids orgànics o amb
reaccions de metilació.
Figura 1: Processos
de Biolixivació emprats en la biomineria. A: solubilització del mineral; B:
obtenció de Cu metàl·lic i C: recuperació i recirculació de Fe3+.
Mitjançant l’acció de
microorganismes, s’extreuen els metalls i minerals quan estan en fase aquosa,
per tant passarem d’un estat sòlid insoluble a un estat líquid soluble. Aquest
procés es duu a terme depenent del microorganisme i dels metalls en qüestió:
S’ utilitzen bacteris com ‘Thiobacillus
ferroxidans’ o ‘Thiobacillus thiooxidans’ en la recuperació de Cu,
Ni, Zn y Cd, tant en condicions aeròbies
com anaeròbies, ja que poden utilitzar el catió Fe3+ com
últim acceptor d’electrons en lloc de l’O2. Aquests microorganismes són acidòfils, és a dir, que tenen
un pH òptim de entre 2,5 i 5,5 aproximadament.
També existeixen alguns fongs com el ‘Trichoderma
harzianum’ que poden solubilitzar MnO2, Fe2O3
y Zn metàl·lic mitjançant l’alliberació de quelats (compost format per un ió
metàl·lic, lligams covalents i d’estructura heterocíclica orgànica). La ‘Ralstonia
eutropha’ és una bactèria que és capaç d’acumular metalls pesants, fent una prèvia
solubilització dels mateixos mitjançant la alliberació de sideròfors (pèptids
que són alliberats al medi amb l’objectiu de captar Fe, és a dir, quelants
fèrrics).
I un altre cas seria la utilització
combinada de la solubilització del Pb, mitjançant el fong ‘Aspergillus niger’,
amb l’acumulació de metall dissolt per part de les plantes que creixen en sòls
contaminats. Això es coneix amb el nom de fitoremediació, on la retenció del
metall es duu a terme per l’acumulació de vegetals.
2. Immobilització dels metalls pesants: Mecanismes
mitjançant els quals es passa d’una fase aquosa a una de sòlida.
Bioadsorció:
La bioadsorció és un fenomen que s’utilitza
per tractar metalls pesants com: cadmi, crom, plom, níquel, zinc i coure. Els
microorganismes emprats en aquest tractament retenen els metalls pesants a
intervals de temps relativament curts al entrar en contacte amb solució
d’aquests metalls.
Aquest procés es troba en creixement continu,
ja que és rentable econòmicament, juntament amb altres vies en estudi de
sistemes bioadsorbents, com per exemple la utilització de consorcis microbians
o sistemes mixtos que utilitzen microorganismes i macromolècules absorbents.
El funcionament d’aquest mecanisme es duu a
terme per mitjà d’una interacció fisicoquímica entre els microorganismes i els
metalls, units per lligands des de la superfície cel·lular. Això només passa si
tenim grups funcionals que pertanyents a molècules com carboxil, hidroxil,
amino, fosfat o sulfhidril. A més es diferència per ser un mecanisme ràpid i
que no depèn excessivament de la temperatura.
Bioacumulació:
Aquest mecanisme
cel·lular consta d’integrar el metall pesant que es troba a la superfície cel·lular
dins del microorganisme utilitzant el sistema de transport de membrana, tenint així
un consum d’energia. Aquest consum
d’energia es genera a través del sistema H+ -ATPasa.
Un cop el metall
ja es troba dins el citoplasma del microorganisme és recobert per proteïnes
riques en grups sulfhídrics anomenats metal·lotioneïnes o per un vacúol, com en
els fongs.
Un exemple seria la bactèria Pseudomonas
aeruginosa que acumula urani al citoplasma, igual que la llevadura Saccaromyces
cerevisiae.
Biomineralització:
Es basa en l’obtenció de
metalls, carbonats de calci, fosfats i hidròxids mitjançant microorganismes que els fan precipitar fóra
del citoplasma a través d’una bomba cel·lular, on al mateix temps entren
protons H+ provocant una alcalinització de la superfície cel·lular
externa, i la conseqüent precipitació dels metalls pesants. També es pot dur a
terme per mitjà d’enzims que fan precipitar els metalls formant sulfurs i fosfats, com per exemple en cultius
mixtes de bactèries reductores de sulfat o l’acumulació de CdS en la paret cel·lular
de les bactèries Klebsiella planticola i Pseudomonas aeruginosa.
Biotransformació:
Es tracta d’un procés en el que intervenen
enzims microbians, en el qual el metall en qüestió (normalment tòxic) pateix un
canvi químic que pot donar com a resultat composts poc solubles en aigua o
composts volàtils.
Un bacteri capaç de realitzar una
biotransformació a la naturalesa, és el Pseudomonas aeruginosa que pot reduir el
catió Hg2+ a Hg0. Seguint en aquest procés hi ha una sèrie de microorganismes
que uneixen un metil (CH3) a la molècula anterior aconseguint així composts
volàtils i en alguns casos més tòxics que el compost inicial.
Figura 2: Biotransformacions
en el cicle biogeoquímic del mercuri (Hg).
Això pot servir en casos com el del Cr (VI),
un contaminant molt utilitzat en industria (automòbil, siderúrgia…) i de màxima
prioritat degut a que és molt tòxic (molt, cancerigen) i al estar en solució aquosa
no perd el seu potencial tòxic. Amb la utilització de microorganismes es pot passar de Cr(VI) a Cr(III) que no
és tòxic.
Figura 3: Esquema general dels diferents tipus de mecanismes
microbiològics d’immobilització de metalls pesants.
Video 1
CONCLUSIONS
La bioremediació pot ser una
alternativa molt eficaç per a reduït l’impacte ambiental que generen els
residus produïts per l’home.
El fet d’aconseguir que els
microorganismes redueixin al màxim les substàncies contaminants al medi millora
la diversitat dels ecosistemes considerablement.
Hauriem de conscienciar-nos
d’utilitzar més els mètodes de bioremediació, ja que són menys costosos
econòmicament en vers els altres processos d’eliminació de metalls pesants (
restauració ). Un altre avantatge sobre la bioremediació és que es pot efectuar
in-situ , és a dir, no cal moure el
material a tractar de lloc. Convindria invertir més temps i capital en la
investigació de nous microorganismes capaços de bioremeditzar metalls pesants,
per a garantir una millora en el camp de les contaminacions per metalls
pesants.
Noticies
relacionades sobre l’evolució de la bioremediació dels metalls pesants:
-
Universidad técnica Federico Santa María ( 2012 ). Científicos de la USM crean bacterias para
la biorremediación de metales pesados. Recuperat el 27/11/2013 , des de http://www.dgc.usm.cl/2012/09/28/cientificos-de-la-usm-crean-bacteria-para-biorremediacion-de-metales-pesados/
-
CONICET (Consejo Nacional de Investigaciones Científicas
y Técnicas ) (2013). Descubren
levaduras capaces de ser utilizadas en procesos de biorremediación. Recuperat
el 29/11/2013, des de http://www.conicet.gov.ar/descubren-levaduras-capaces-de-ser-utilizadas-en-procesos-de-biorremediacion/
BIBLIOGRAFIA
Washington, D.C. : American Society for Microbiology, cop.
1999 2nd ed. Manual of industrial microbiology and biotechnology
New York ; Environmental
microbiology, Wiley-liss 1992
Biorremediación:
aspectos generales. Biorremediación de: metal·les pesados, vertidos de Petróleo
y xenobióticos. Fitorremediación. 18 de Novembre del 2013. http://personal.us.es/jvinar/Tema%2022Bt%200708.pdf
BIORREMEDIACIÓN. 20 de
Novembre del 2013. http://www2.uah.es/tejedor_bio/bioquimica_ambiental/biorremediacion.pdf
Aplicación de técnicas
de biorremediación para el tratamiento de residus Industriales con alto
contenido de metales pesados. 2011. Tesis doctoral. 22 de Novembre del
2013. http://sedici.unlp.edu.ar/bitstream/handle/10915/2706/Documento_completo.pdf?sequence=1
Bioremediación de metales pesados. Dr. Jim Field.
(2010). Departamento de ingeniería química y ambiental (Universidad de
Arizona). 24 de Novembre del 2013. http://binational.pharmacy.arizona.edu/sites/binational.pharmacy.arizona.edu/files/all_files/Biorem-MP.pdf
