Por tierra, mar y aire
De una manera muy genérica se definen tres escenarios básicos en los que los habitantes de este planeta nos podemos encontrar con contaminantes. El primer escenario es el aire, donde además de encontrarnos diferentes gases tóxicos nos podemos enfrentar a diferentes tipos de partículas en suspensión. El segundo escenario es el agua, donde se pueden encontrar contaminantes en disolución, pero también todo tipo de elementos sólidos en suspensión desde micro a macro elementos. Por último, tenemos el suelo, donde la situación es más compleja, pues los contaminantes se pueden hallar en muchos estados de biodisponibilidad en función de parámetros físico-químicos (abióticos) del suelo (e.g., humedad, pH, temperatura, redox, etc.). En realidad, para muchos contaminantes existe un cierto intercambio entre su localización en el aire, el agua o el suelo en función de las condiciones ambientales. Por ejemplo, los óxidos de azufre y nitrógeno (SOX, NOX) pueden pasar de contaminar la atmósfera a contaminar el suelo y el agua formando la denominada lluvia ácida6. Un pesticida en el suelo puede ser arrastrado a un acuífero o a una corriente de agua tras una lluvia intensa. Un metal contaminante del agua puede pasar al suelo si la usamos para regadío. Los esteroides que consumimos pasan a formar parte de los vertidos urbanos por diferentes vías3,4.
La biotecnología ha desarrollado múltiples herramientas para eliminar los distintos tipos de contaminantes, aunque no todas son igualmente eficientes. En general, los contaminantes más complicados de degradar biotecnológicamente son los denominados xenobióticos, es decir, productos que no forman parte de los seres vivos y que en general se sintetizan químicamente. Son compuestos muy recalcitrantes a la biodegradación, ya que a priori no forman parte de ningún proceso metabólico que haya tenido tiempo para evolucionar. Un ejemplo bien conocido son los plásticos derivados del petróleo, que generan problemas tanto cuando se encuentran en grandes fragmentos como en micropartículas. Aunque hoy en día se están desarrollando enzimas que puedan destruir algunos de estos plásticos, todavía sigue siendo este un problema que está más cerca de resolverse por una adecuada gestión de los residuos que por los tratamientos biotecnológicos que podamos aplicar.
Cada contaminante, un problema biotecnológico diferente
Podemos distinguir dos grandes grupos de contaminantes, a saber, los contaminantes inorgánicos, y los contaminantes orgánicos, entendiendo por estos últimos los contaminantes que contienen carbono. En ambos casos encontramos compuestos gaseosos como por ejemplo H2S, SOX, NOX, CO, CH4, o los clorofluorocarbonos (CFC), pero incluso el CO2 o el O3, que según se encuentren en concentraciones altas son también tóxicos. Algunos compuestos en función de la temperatura ambiente pueden encontrarse en forma gaseosa, como por ejemplo los compuestos orgánicos volátiles (VOC), muchos de ellos compuestos aromáticos (e.g., tolueno, benceno, estireno, etc.), que se utilizan como disolventes para múltiples aplicaciones5.
Para la eliminación de los contaminantes gaseosos la biotecnología ofrece distintas soluciones que en general pasan por el desarrollo de biofiltros (biorreactores, digestores) que contienen consorcios de microorganismos en cultivo que mineralizan o transforman el contaminante en una sustancia menos tóxica. Los biofiltros también se han utilizado para la depuración de aguas. En cierta forma los lodos de las depuradoras utilizan el mismo concepto si bien las tecnologías de los biofiltros y de los sistemas de tratamiento de aguas son algo diferentes.
La eliminación de los contaminantes inorgánicos, esencialmente metales, también se puede realizar mediante procedimientos biotecnológicos. Los metales tóxicos se eliminan llevando sus iones a estados de oxidación que sean menos tóxicos o menos biodisponibles, lo que implica disminuir su solubilidad, a veces simplemente convirtiéndolos en su forma metálica insoluble o a veces metilándolos y volatilizándolos. Se pueden realizar estos procesos de descontaminación de suelos o aguas utilizando microorganismos, pero también utilizando plantas, en cuyo caso se trata de procesos de fitorremediación. Las plantas solas o en combinación con la rizosfera son capaces de eliminar no solo metales sino otros contaminantes del suelo. Se han utilizado biofiltros para la eliminación de metales de aguas residuales y en ese caso el metal acumulado en el biofiltro puede ser retirado fácilmente.
Biorremediación
Los problemas ambientales mayores se encuentran cuando los contaminantes se liberan de manera accidental al medio ambiente, y es necesario realizar un proceso de limpieza (biorremediación) in situ de las zonas contaminadas. Casos muy conocidos son los vertidos accidentales de petróleo o de residuos industriales (e.g., lindano). En estos casos se pueden utilizar técnicas de bioestimulación que consisten en estimular con nutrientes el desarrollo de la microbiota autóctona para que elimine el contaminante, o la bioaumentación que consiste en inocular microorganismos a la carta que eliminen de forma selectiva el contaminante. También se pueden usar procedimientos de biorremediación ex situ como el landfarming (biolabranza), que consiste en acotar una zona de terreno donde se transporta el suelo o los lodos contaminados y se trata de manera controlada. También se utilizan las biopilas (montañas del suelo contaminado) que funcionan a modo de grandes reactores al aire libre equivalentes al compostaje. Estos procesos se suelen combinar con sistemas de humectación y ventilación para favorecer la degradación. A veces se añaden enzimas degradadoras al suelo mediante canalizaciones para eliminar el contaminante, pero estos procesos son muy costosos.
La biodegradación y la biología molecular
El método tradicional para estudiar la biodegradación de contaminantes implica por lo general el aislamiento de uno o más microorganismos capaces de mineralizar, biotransformar o al menos inmovilizar el contaminante objetivo. Como solo una pequeña fracción de los microbios del ambiente pueden cultivarse mediante métodos de cultivo convencionales no siempre es fácil aislar un microorganismo degradador en un cultivo puro.
Desde hace muchos años en el grupo de biotecnología medioambiental hemos trabajado para entender mejor los procesos de degradación bacteriana de contaminantes tanto en presencia como en ausencia de oxígeno, o lo que es lo mismo su biodegradación aeróbica o anaeróbica1,7,8. Comprender cómo funcionan y coordinan estos dos tipos de rutas y cómo se regulan ha sido objeto de nuestro interés. Uno de los aspectos básicos que hemos aprendido sobre las rutas de biodegradación es que se construyen alrededor de un número reducido de rutas centrales muy bien reguladas que actúan a modo de embudo catabólico.
En los últimos años, las técnicas ómicas de la biología molecular nos han permitido avanzar muy deprisa de manera que una vez que se aísla un microorganismo con capacidad biodegradadora de un contaminante, en muy poco tiempo podemos tener una idea bastante precisa de la ruta metabólica responsable. Las tecnologías de la ingeniería metabólica apoyadas en la biología sintética, la ingeniería de proteínas y la metagenómica nos permiten combinar diferentes genes/enzimas procedentes de distintos organismos para crear nuevas rutas a la carta que, una vez acondicionadas en microorganismos que funcionan como chasis modelo, permiten degradar contaminantes que hasta la fecha no tienen una ruta de degradación natural. Poco a poco se va imponiendo también la utilización de consorcios microbianos a la carta de manera que la ruta de degradación se distribuye entre varios chasis.
Los microorganismos modificados genéticamente de momento no se pueden utilizar en biorremediación a campo abierto, ya que a pesar de haberlo intentado exhaustivamente no se han podido encontrar aún sistemas de contención biológica o genética 100% eficaces2, pero sí se pueden usar en sistemas contenidos, como pueden ser los biofiltros o los biorreactores.
Perspectivas de futuro
El mercado mundial relacionado con la biorremediación es un mercado creciente que se estima podría llegar a los 55,6 miles de millones de dólares en 2028 y, si bien estas cifras varían entre la mitad y el doble según las distintas fuentes, nos dan una idea del orden de magnitud. El 30% de este mercado está liderado por compañías americanas (e.g., Altogen Labs, Drylet, Green Apple Environmental Technologies, Oil Spill Eater International, Aquatech International, InSitu Remediation Services Limited, Ivey International, PROBIOSPHERE, REGENESIS, Sarva Bio Remed, Sevenson, Environmental Services, Soilutions, Sumas Remediation Services, Xylem). Algunas empresas con actividad en España que se dedican a la remediación de suelos emplean con mayor o menor intensidad las técnicas de biorremediación (e.g., Hydrolysis, Litoclean, Regenesis, Emgrisa, Geocisa, Insuma, Kepler, Envirotecnics, Invesoil, GMC Ingeniería, Geotecnia 2000, Suez, AMS, Sereco).
El futuro de la eliminación de los contaminantes pasa primero por establecer normas para reducir su producción, su consumo y su vertido al medio ambiente, sustituyendo los compuestos contaminantes por otros menos tóxicos, aplicando los principios de la química verde y el reglamento REACH.
En cuanto a la depuración de los gases contaminantes, los procesos de captura y eliminación mediante el uso de zonas verdes en las azoteas o en los muros de los edificios, y el empleo de sistemas de biofiltros para la depuración del aire en el interior de las viviendas, son tecnologías que poco a poco se van imponiendo en muchas comunidades. En este sentido, los consorcios microbianos donde alguno de sus componentes son microalgas o cianobacterias aparecen como una alternativa muy interesante de estudio, ya que los organismos fotosintéticos son auto-sostenibles.
Se ha trabajado mucho en el uso de bacterias para los procesos de biorremediación, pero no tanto en el empleo de hongos y de enzimas. La utilización de hongos es muy interesante, ya que muchos secretan enzimas fuertemente oxidantes (e.g., lacasas, peroxidasas, etc.) que pueden contribuir a modificar en primera instancia el contaminante de manera que pueda ser posteriormente degradado más fácilmente por el ecosistema natural. Las enzimas son un elemento esencial para los procesos de biodegradación y a medida que su producción se pueda hacer más económica mediante procesos fermentativos eficientes, la adición directa de enzimas selectivas en los lugares contaminados puede ser un método de pre-tratamiento muy útil para facilitar el trabajo de los organismos autóctonos.
Conocer mejor el funcionamiento de los consorcios naturales de microorganismos de manera que se puedan crear consorcios a la carta entre bacterias y hongos más eficaces contra un contaminante concreto puede ayudar a reducir de manera más rápida la contaminación de una determinada zona mediante la adición de estos consorcios por bioaumentación. En este sentido las potentes tecnologías ómicas (e.g., metabolómica, transcriptómica, proteómica) aportando datos y la biología de sistemas aportando el modelado de estos datos, nos van a permitir ir entendiendo de manera más precisa el funcionamiento de nichos complejos y de esta manera acelerar los procesos de biodegradación, ya sea mejorando los consorcios, añadiendo nutrientes esenciales o controlando las condiciones abióticas del entorno.
La posibilidad de utilizar la biología sintética para crear organismos genéticamente modificados (OGMs) con nuevas rutas metabólicas a la carta combinada con las modernas técnicas de modificación genética mediante la tecnología CRISPR están de momento fuera del alcance para la biorremediación a campo abierto, ya que la legislación actual es enormemente restrictiva en cuanto a la liberación de OGMs al medio ambiente. Sin embargo, estas tecnologías sí que pueden ser utilizadas para el desarrollo de sistemas de descontaminación contenidos, si bien es verdad que con un recorrido aplicativo más corto.
José Luis García López
Profesor de Investigación del CSIC en el CIB Margarita Salas
Referencias:
1.- Carmona M, Zamarro MT, Blázquez B, Durante-Rodríguez G, Juárez JF, Valderrama JA, Barragán MJ, García JL, Díaz E. (2009) Anaerobic catabolism of aromatic compounds: a genetic and genomic view. Microbiol Mol Biol Rev. 73(1):71-133.
2.- García JL, Díaz E. (2014) Plasmids as tools for containment. Microbiol Spectr. 2(5).
3.- Ibero J, Galán B, Díaz E, García JL. (2019) Testosterone degradative pathway of Novosphingobium tardaugens. Genes 10(11):871.
4.- Ibero J, Galán B, Rivero-Buceta V, García JL. (2020) Unraveling the 17β-estradiol degradation pathway in Novosphingobium tardaugens NBRC 16725. Front Microbiol. 11:588300.
5.- Jiménez JI, Miñambres B, García JL, Díaz E. (2002) Genomic analysis of the aromatic catabolic pathways from Pseudomonas putida KT2440. Environ Microbiol. 4(12):824-41.
6.- Martínez I, Mohamed ME, Rozas D, García JL, Díaz E. (2016) Engineering synthetic bacterial consortia for enhanced desulfurization and revalorization of oil sulfur compounds. Metab Eng. 35:46-54.
7.- Sanz D, García JL, Díaz E. (2020) Expanding the current knowledge and biotechnological applications of the oxygen-independent ortho-phthalate degradation pathway. Environ Microbiol. 22(8):3478-3493.
8.- Valderrama JA, Durante-Rodríguez G, Blázquez B, García JL, Carmona M, Díaz E. (2012) Bacterial degradation of benzoate: cross-regulation between aerobic and anaerobic pathways. J Biol Chem. 287(13):10494-10508.