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Biotecnología gris: biotecnología relacionada al ambiente
Mantenimiento de la diversidad y remoción de contaminantes
En biotecnología ambiental para biorremediación se pueden usar organismos geneticamente modificados o también comunidades mixtas que se seleccionan directamente del ambiente.
Prevencion de la contaminación
Tratamiento biológico de residuos: Tratamiento de aguas residuales Los efluentes son producidos por las actividades humanas (cloacas). El contaminante fundamental que encontramos en la cloaca es materia orgánica. Un heterotrofo puede usar la materia organica como energia para realizar mineralizacion completa (dioxido de carbono y agua). Con el carbono que usa como energia construye compuestos orgánicos. Estos compuestos orgánicos los pueden oxidar para obtener energia y liberar dioxido de carbono y agua, o utilizarlo para sintetizar nuevas celulas (generar biomasa). Las células van a necesitar materia organica (sustrato, el contaminante), un aceptor de electrones y nutrientes. Todo esto lo hace un tipo de bacteria en particular que se selecciona y se crean comunidades mixtas.
Demanda biologica de oxigeno (DBO)
Es la cantidad de oxígeno requerida para la oxidacion microbiana de la materia organica facilmente biodegradable. Se mide incubando el efluente con la materia organica y las bacterias, dando tiempo para que pueda generar biomasa, y vamos a medir cuánto oxígeno se gastó en esa oxidación. Esto sirve para saber el efecto de la materia organica en el ambiente (capacidad de depuración). El efecto más grave que tiene tirar materia organica en un sistema puede generar daños en esos organismos: si el oxígeno disuelto es menor a 8,0 mg/L los organismos empiezan a sufrir. Tiene que existir capacidad de depuración.
Cuando comienza a disminuir la concentración de DBO, aumenta la concentración de oxígeno. Pluma : cómo se expande el contaminante en el medio ambiente. (ejemplo: humo de la chimenea, mancha negra del contaminante en un río) Si la DBO es muy alta: ● el oxígeno es consumido por los miocroorganismos ● el agua se vuelve anaeróbica ● la autodepuración en ausencia de oxígeno es más lenta ● los procesos de fermentacion y consumo de fuentes alternativas de electrones generan malos olores, sabores y colores ● mueren los organismos que necesitan oxígeno ● se producen metabolitos tóxicos (H2S ácido sulfhídrico) que afectan a la regeneración fotosintetica (producida por algas, perderíamos esta fuente de oxígeno)
Tratamiento de aguas residuales cuando llegan a la planta de tratamiento
1. Tratamiento preliminar
Mejora la fluidez, elimina particulas, grasa y arena (partículas con un determinado tamaño grueso). Se eleva el líquido, pasa por unas rejas gruesas, luego por unas rejas más finas y se dirige a un tanque donde se produce el desarenado y el desengrasado. Lo primero que sedimenta es la arena al fondo del tanque, la grasa flota por tener menor densidad que el agua.
2. Tratamiento primario
Elimina sólidos suspendidos (elimina la mayor parte de materia organica del efluente). Se hace luego de eliminar la arena porque estas particulas son de menor tamaño y además le doy más tiempo en este proceso.
3. Tratamiento secundario
Disminuye la materia organica disuelta mediante tratamiento biologico. Se puede realizar en distintos timpos de reactores: ○ Lagunas facultativas/aireadas (artificiales): requiere más superficie, el sistema es con células suspendidas. Bajo costo de construcción, los microorganismos se encuentran suspendidos pero es ineficiente y requiere altos tiempos de retención hidraulica (requiere que el efluente pase mucho tiempo en ese reactor, así que es ideal para los lugares con poco caudal de agua). Funcionamiento: superficie del agua expuesta al sol, las algas producen oxígeno mediante fotosíntesis. Este oxígeno lo utilizan para respirar las bacterias, utilizando el efluente para generar biomasa. El líquido final de esta laguna sale con menor cantidad de materia orgánica, pero pueden aparecer bacterias o algas en el efluente. Generalmente este tratamiento no tiene tratamiento primario, por lo tanto todo sedimenta en el fondo de la laguna (generando todo lo que mencioné arriba de olores, acido sulfhídrico, etc). Cada tanto es necesario vaciar la laguna para eliminar el fondo de sedimentación. Una forma de mejorar el tratamiento en lagunas
Contaminación con nutrientes: Eutroficación En los cuerpos de agua naturales hay bacterias y algas naturalmente pero si agrego en gran medida nitrogeno y fosforo (que proviene de la materia organica del tratamiento de efluentes o fertilizantes) se produce un crecimiento desmedido de estas poblaciones ( blooms ). Rellenos sanitarios: tratamiento de residuos sólidos Los residuos sólidos pueden ser orgánicos o inorgánicos. El líquido lixiviado del fondo debe ser drenado y eliminado para evitar su acumulación. También ocurre metanogénesis para la producción de biogas (metano y dioxido de carbono). El metano escapa al ambiente y contribuye al efecto invernadero, además es peligroso por ser combustible con peligro de producir incendios o explosiones. Los gases de relleno sanitario (LFG) son subproductos de la descomposición de los residuos pero también pueden ser utilizados como fuente de energia renovable** transformándolos en energía eléctrica. ** otra manera de aprovechamiento energetico de residuos sólidos urbanos es la producción de biogas (cuando termina la producción de biogas queda barro en el fondo del reactor que se puede utilizar como fertilizante por ejemplo pero la calidad debe ser la mejor posible para asegurar que no haya patógenos a través del aumento de la presión, una especie de autoclave) Tratamiento de residuos sólidos: compostaje ● Proceso microbiologico que conviere la materia organica putrescible en un producto estable similar al humus de volumen reducido que puede utilizarse para mejorar el suelo ● Requiere separacion de residuos organicos de inorganicos y mezcla con agentes de volumen para que la pila no se compacte demasiado y pueda ser permeable al oxígeno ● Se realiza en pilas estáticas, aireadas o reactores de alimentación continua
Biorremediación
La biorremediación es una rama de la biotecnología que trata el uso de organismos vivos como los microorganismos para eliminar contaminantes y toxinas del suelo y el agua. Parámetros que influyen en la toxicidad: ● efecto del pH (pH menores a 8 atraviesan las membranas biológicas) ● estabilidad: persistencia en el ambiente ● Matriz/Bioacumulación: coeficiente de particion octanol-agua. Parámetro que permite estimar toxicidad, bioacumulación y absorción en suelos. Un contaminante en una solución con estos compuestos, dependiendo de sus caracteristicas se va a disolver más en agua o en octanol. ● Biodisponibilidad ● Bioacumulación/Biomagnificación: bioacumulación se relaciona con que un organismo tenga en su interior mayor concentración de contaminante que en el medio donde se encuentra. La biomagnificacion es la bioacumulación pero que se transmite por toda la cadena trófica.
● Aromaticidad: el aumento del número de compuestos aromáticos genera que el contaminante esté menos biodisponible y sea menos biodegradable. Si es menos aromático tiene menos posibilidades de ser soluble en agua y poder ser parte del lixiviado para drenaje. Técnicas de biorremediación La biorremediación puede ser in situ (en el lugar a depurar) o ex situ (otro lugar que no es donde se produjo la contaminación). Metodos in situ: evitan la dispersión del contaminante debido al traslado, son más económicos. Su grado de conversión es menor que el ex situ y su cinética es lenta. ● Bioestimulación: agregado de oxígeno y nutrientes ● Bioaumentación: agregado de oxígeno, nutrientes y bacterias (nativos, exogenos o geneticamente modificados). También puede realizarse ex situ. Se utiliza para contaminantes muy recalcitrantes. ● Bioventilación: adición de oxígeno en la zona no saturada donde hay poros. Se usa para suelos contaminados con hidrocarburos, pesticidas etc. que sean semi volatiles o no volatiles y biodegradables. ● Bioburbujeo: similar a bioventilación pero se realiza en zonas saturadas. Metodos ex situ: alta eficiencia de biorremediación, facilidad de control de las condiciones para que sean óptimas y hay mayor seguridad con los contaminantes peligrosos. Como desventaja tiene el transporte de estos contaminantes de un sitio contaminado a otro. Se utiliza para hidrocarburos generales, kerosene, fenoles, etc. ● Landfarming (biolabranza): se lleva el suelo a un sitio distinto y se estimula la actividad degradatoria de la microflora nativa con arado, agregando nutrientes y riego superficial. Los contaminantes tratados con biolabranza no deben ser demasiado volátiles para no pasar a la atmósfera e incluyen diesel, gasolina, lodos aceitodos, PCP (pentaclorofenol), etc. ● Compostaje: mezcla con material para aportar volumen y materia organica para elevar la temperatura. A diferencia del compost para alimentos, esta pila está tapada para evitar que los contaminantes se dirijan a la atmósfera y ademas está sellado por debajo para evitar filtraciones al suelo. El compostaje se usa para remediar suelos contaminados con pentaclorofenol, gasolinas, etc. También sirve para reducir hasta niveles aceptables la concentración y toxicidad de explosivos. Requiere menor superficie de terreno que el landfarming , además se puede usar en climas más frios y los tiempos son más cortos de tratamiento. Ambos son sencillos y económicos pero en ninguno de los casos se puede alcanzar la eliminación completa porque el tiempo requerido no sería aceptable. ● Biorreactor: biorreactores aerobicos en suspensión. Se pueden agregar nutrientes y microorganismos. Es un método más complicado que los otros dos. También sirve para remover metales pesados a través de la remediacion de agua subterránea contaminada con ellos. El tiempo de tratamiento es corto y se controlan las condiciones ambientales además de poder tratar compuestos volatiles o semivolatiles pero requiere un alto costo de inversión y operativo. Con el agregado de surfactantes mejora la biodisponibilidad.
