Aplicación de la biotecnología ambiental – momento individual c padilla

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Cristian Padilla García
Biólogo, Universidad del Magdalena
Estudiante Universidad de Manizales
Maestría en Desarrollo Sostenible y Medio Ambiente
Santa Marta, Magdalena, Colombia
Octubre del 2017
Electiva I: Biotecnología Ambiental
Trabajo Colaborativo:
Aplicación de la biotecnología Ambiental – Momento Individual
LA FITORREMEDIACIÓN COMO HERRAMIENTA PARA MEJORAR LA CALIDAD
DEL AGUA CONTAMINADA POR CARBÓN MINERAL EN LAS PLAYAS DE SANTA
MARTA, COLOMBIA.
INTRODUCCIÓN
El mantenimiento y la preservación de los recursos naturales que al mismo tiempo
facilitan el desarrollo de las diversas actividades humanas en las sociedades
desarrolladas se han convertido en uno de los retos más importantes del siglo XXI.
Esta gestión del medio ambiente, debidamente coordinada y complementaria del
desarrollo social, la entendemos y definimos actualmente como sostenibilidad. Este
nuevo y complejo concepto económico, social y ecológico entorno a las relaciones
entre las sociedades y el medio ambiente se ha ido consolidando progresivamente
como una demanda social imperativa.
Hay diferentes actividades biotecnológicas que nos están aportando nuevas
herramientas metodológicas con el fin de poder responder a este reto de un desarrollo
socioeconómico sostenible, respetuoso con el medio ambiente y la preservación de
los recursos naturales. Así, definimos la biotecnología ambiental como el conjunto de
actividades tecnológicas que nos permiten comprender y gestionar los sistemas
biológicos (principalmente los sistemas microbianos) en el medio ambiente con el fin de
proveer a la sociedad de productos y servicios.
A nivel mundial, diferentes tecnologías han sido evaluadas para el tratamiento de
aguas contaminadas con hidrocarburos, pero no obstante el uso de tratamientos
fisicoquímicos donde se emplea carbón activado, microorganismos, sustancias
químicas, aire y otros, implican relativos altos costos de inversión y operación
(Sursula et al., 2002) que dificultan su aplicación.

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LA FITORREMEDIACIÓN COMO ALTERNATIVA EFICIENTE
La fitorremediación es una alternativa emergente, que representa un menor costo-
efectivo, posee ventajas estéticas, captura gases de efecto invernadero, no requiere de
una fuente de energía diferente a la solar y tiene una gran aplicabilidad bajo diferentes
rangos de concentración de contaminantes (Schnoor, 1997; Guendy, 2008).
La fitorremediación se basa entonces, en el uso de plantas y su interacción con
los microorganismos que se ubican en la rizósfera, con el fin de remover,
transformar, secuestrar o degradar sustancias contaminantes contenidas en los
suelos, sedimentos, aguas superficiales y subterráneas (Susarla et al., 2002); es por
esto que en varios países se han estado construyendo humedales para el tratamiento
de aguas contaminadas con compuestos orgánicos e inorgánicos de compleja
degradación.
La problemática de contaminación de aguas por residuos de hidrocarburos,
aunque ha sido considerablemente estudiada a nivel europeo, requiere de
evaluación en las condiciones del trópico, lo que demuestra la necesidad de investigar
en el tratamiento de aguas contaminadas con hidrocarburos, empleando soluciones
económicas, factibles y sencillas como la fitorremediación.
Esta tecnología se hace más efectiva a través de la manipulación genética, lo que
mejora la capacidad de remediación de las plantas (Cherian y Oliveira; 2005). Se han
diseñado especies vegetales con una mayor capacidad de degradación de
contaminantes orgánicos o de acumulación de metales pesados.
Algunas plantas genéticamente modificadas (GM) están adaptadas específicamente
para la fitorremediación de Cd, Hg o bifenilos policlorados (PCB's) (Macek et al, 2007).
CONTAMINACIÓN POR COMBUSTIBLES FÓSILES
Dentro de estos se encuentran los contaminantes organicos que abarcan hidrocarburos
aromáticos policíclicos (PAH's), PCB's, dioxinas, hidrocarburos de petróleo, disolventes
clorados, compuestos aromáticos que se emplean en la producción de colorantes,
explosivos, productos farmacéuticos, plaguicidas (herbicidas, insecticidas y fungicidas),
surfactantes, entre otros. En comparación con los compuestos inorgánicos, estos
contaminantes son menos tóxicos para las plantas, ya que son menos reactivos y se
acumulan en menor proporción (Cherian y Oliveira; 2005).

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Los mecanismos involucrados en la remoción de contaminantes son de tres tipos:
físicos (sedimentación, filtración, adsorción, volatilización), químicos (precipitación,
hidrólisis, reacciones de óxido-reducción o fotoquímicas) y biológicos (resultado del
metabolismo microbiano, del metabolismo de plantas o de procesos de bioabsorción).
Algunos compuestos orgánicos son utilizados por los microorganismos como fuente de
carbono (Viñas, 2005). Los compuestos alifáticos se degradan fácilmente por
oxidaciones sucesivas. Cuando se incluyen como sustituyentes aléanos de cadena
larga, se forman estructuras ramificadas estancamente inaccesibles a la degradación.
Los compuestos aromáticos o cíclicos se degradan a partir de la ruptura del anillo. La
incorporación de halógenos disminuye la degradabilidad por estabilización del anillo
aromático. El orden decreciente de biodegradación es, generalmente, n-alcanos >
isoprenoides >aromáticos de bajo peso molecular > cicloalcanos > poliaromáticos >
moléculas polares (Leahy y Colwell, 1990).
Otro fenómeno importante es el relacionado con la atracción electrostática entre las
cargas eléctricas de las raíces de las plantas con las cargas opuestas de partículas
coloidales, las cuales se adhieren a la superficie de la raíz donde son absorbidas y
transportadas a las partes aéreas donde se metabolizan o volatilizan. El tipo de planta y
las propiedades físicas y químicas de estos compuestos son parámetros importantes
que determinan el destino de los contaminantes (Eapen et al., 2007).
Para la fitorremediación de contaminantes orgánicos se toma en cuenta los siguientes
aspectos: 1) el metabolismo de los contaminantes al interior y al exterior de la planta
(rizósfera), 2) los procesos que conducen a la completa degradación de los
contaminantes (mineralización), y 3) la absorción de los contaminantes (Reichenauer y
Germida, 2008).
Las plantas metabolizan los compuestos orgánicos a través de tres pasos
secuenciales:
Fase I. Involucra la conversión/activación (oxidación, reducción e hidrólisis) de los
compuestos orgánicos lipofílicos (Komives y Gullner, 2005).
Fase II. Permite la conjugación de los metabolitos de la fase I a una molécula hidrofílica
endógena como los azúcares, aminoácidos y glutationa (Diet y Schnoor, 2001).
Fase III. Promueve la compartimentalización de los compuestos orgánicos modificados
en las vacuolas o formación de enlaces con los componentes de la pared celular como
la lignina y la hemicelulosa. Las enzimas, en la planta, que catalizan la primera fase de

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las reacciones son las monoxigenasas P450 y las carboxilesterasas. De la segunda
fase, en la que ocurre la conjugación por enzimas como la glutationa S-transferasa,
resulta la formación de compuestos solubles y polares. La tercera fase del metabolismo
de la planta es la compartimentalización y almacenamiento de los metabolitos solubles
en las vacuolas o en la matriz de la pared celular. La glutationa S-conjugasa es la
encargada de este proceso (Cheriany Oliveira, 2005).
TECNOLOGÍAS DE FITORREMEDIACIÓN
Las fitotecnologías se basan en los mecanismos fisiológicos básicos que tienen lugar
en las plantas y en los microorganismos asociados a ellas, tales como: traspiración,
fotosíntesis, metabolismo y nutrición (Tabla 1).
Tabla 1. Mecanismos de fitorremediación.
Según Thangavel y Subhuram (2004), dependiendo del tipo de contaminante, las
condiciones del sitio y el nivel de limpieza requerido; las tecnologías de fitorremediación
se pueden utilizar como medio de contención (rizofiltración, fitoestabilización y
fitoinmovilización) o eliminación (fitodegradación, fitoextracción y fitovolatilización).

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CONTAMINACIÓN POR CARBÓN EN LAS PLAYAS DE SANTA MARTA
La industria de los combustibles fósiles mueve grandes cantidades de dinero alrededor
del mundo; sin embargo, es necesario tener en cuenta lo que envuelve dicha industria.
Durante estas operaciones, los materiales pueden contaminar el medio ambiente
circundante a través de filtraciones accidentales o deliberadas y descarga regulada de
residuos a cuerpos de agua, tierra, aire o ecosistemas. De esta manera, durante las
últimas décadas los hidrocarburos han dado lugar a una amplia liberación de
contaminantes en el medio ambiente; Oyarzun & Oyarzun (2011) afirman: “el contenido
de dióxido de carbono en la atmósfera se ha incrementado casi en un 30% desde el
inicio de la revolución industrial”. Además estos pueden interferir en el desarrollo de
forrajes, cultivos y flora natural al afectar la fertilidad del suelo.
En la bahía de Santa Marta, tres empresas (Drummond, Puerto Nuevo y Sociedad
Portuaria de Santa Marta) desarrollan actividades referentes a la exportación del
carbón mineral procedente de los departamentos del Cesar y La Guajira. El carbón es
transportado hasta los muelles a través del tren y tractomulas, luego se apila al aire
libre (Figura 1), posteriormente es transportado por una banda hasta las barcazas de
tránsito (Figura 2).
Figura 1. Acopio del carbón a cielo abierto.

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Figura 2. Transporte del carbón a las barcazas en el muelle a través de bandas
transportadoras.
Luego del depósito en las barcazas estas transportan el carbón hacia los buques que lo
llevaran a su destino definitivo en Europa, Asia o Norte América, los cuales se
encuentran mar adentro y con un sistema de grúas hidráulicas elevan y giran las
barcazas para extraer el carbón.
Este combustible fósil es sometido a sistema de transporte durante el cual desprende
gran cantidad de material particulado grueso y fino (polvillo) al medio ambiente,
contaminando a su vez suelo, aire y agua. Este último es precisamente unos de los
recursos más afectados, donde los daños han sido muchos pero no se han podido
cuantificar debido a la complejidad y hermetismo con el que las empresas y
autoridades manejan el caso.
A pesar de la imposibilidad para cuantificar la contaminación se tienen reportes y
evidencias tomadas por particulares y grupos de ambientalistas a cerca de derrames y
hundimientos de barcazas, lo cual ha ocasionado de manera permanente una nube de
carbón en el mar (Figura 3). Lo cual desencadena en eventos negativos para el
ecosistema marino toda vez que impide la penetración de los rayos solares afectando
directamente al plancton y la fotosíntesis que son los pilares de la red trófica. Además
estas partículas se acumulan en los tejidos animales y vegetales siendo incorporados a
la red trófica mediante los peces, sin tener aun claro el daño que pueden causar a la
salud humana.

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Figura 3. Evidencia de contaminación por carbón en la bahía de Santa Marta.

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PROPUESTA DE SOLUCIÓN APLICANDO LA BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL
Dentro de la biotecnología ambiental se han desarrollado varias líneas buscando
brindar solución a los problemas de contaminación antrópica, para este caso específico
por tratarse de un hidrocarburo se sugiere un tratamiento de las aguas contaminadas
con especies vegetales de micrófitos, de raíces largas que sean capaces de acumular
las partículas de carbón suspendido en la columna de agua.
La Fitoestabilización es una herramienta perteneciente a la Fitorremediación y se
refiere al uso de plantas para reducir la biodisponibilidad de los contaminantes en el
entorno, inmovilizándolos en el agua a través de las raíces. Este mecanismo es
principalmente aplicable a compuestos hidrófobos, contaminantes metálicos y de
tamaño inapropiado para ser incorporado a la planta, ya que en ocasiones es
recomendable inmovilizar el compuesto, debido a su incompleta o difícil
biodegradación tal como es el caso del carbón mineral.
Aun no se tiene suficiente información sobre los procesos de fitoestabilización en
Colombia, sin embargo experiencias en otros lugares sugieren el uso de pastos y
plantas freáticas. Con la anterior información se puede obtener información básica para
avanzar en investigaciones orientadas a producir solución a la problemática planteada,
ensayando con especies de algas y pastos marinos como la Thalassia.
Plantas Transgénicas y Fitorremediación
Los organismos genéticamente modificados (OGM), comúnmente conocidos como
transgénicos, juegan un papel importante en diversos ámbitos de la vida actual. Las
plantas transgénicas se han diseñado para producir una gran variedad de productos.
Otro uso importante de las plantas GM es para la prevención y remoción de la
contaminación medioambiental.
Las plantas GM empleadas con este propósito reducen significativamente la cantidad
de agroquímicos necesarios para los cultivos (Montagu, 2005, Vain, 2006). Un ejemplo
de estas plantas es el maíz Bt. La denominación Bt deriva de Bacillus thuringiensis, una
bacteria que habita en el suelo y cuyas esporas contienen proteínas tóxicas para
ciertos insectos, como el gusano barrenador (Di atrae a saccharalis). El maíz Bt se
produce al insertar a la planta, el gen cry extraído de la bacteria Bt. Este gen codifica
para la síntesis de proteínas Cry, las cuales se activan en el sistema digestivo del
insecto alterando su equilibrio osmótico y provocando su parálisis, por lo que el insecto
deja de alimentarse y muere a los pocos días (Macek et al, 2007).