ES2236988T3 - Uso de quitina y/o sus derivados como biocatalizadores en el saneamiento de suelos y fluidos contaminados. - Google Patents
Uso de quitina y/o sus derivados como biocatalizadores en el saneamiento de suelos y fluidos contaminados.Info
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Abstract
LA INVENCION SE REFIERE A LA UTILIZACION DE QUITINA Y/O DERIVADOS COMO BIOCATALIZADORES O BIOESTIMULANTES PARA ESTIMULAR, ACELERAR, INCREMENTAR Y PROTEGER EL CRECIMIENTO DE UN MICROORGANISMO. SE DESCRIBE ASIMISMO UN PROCEDIMIENTO PARA LA RECUPERACION DE SUELOS Y FLUIDOS CONTAMINADOS POR COMPUESTOS ORGANICOS, QUE CONSISTE EN LA ADICION DE QUITINA Y/O DERIVADOS DE LA MISMA, A DICHOS SUELOS Y FLUIDOS.
Description
Uso de quitina y/o sus derivados como
biocatalizadores en el saneamiento de suelos y fluidos
contaminados.
Esta invención se refiere al uso de quitina y/o
derivados de la misma para la descontaminación de suelos
contaminados por compuestos orgánicos.
El remedio biológico, propuesto como una
tecnología de tratamiento capaz de eliminar o reducir contaminantes
orgánicos en la matriz del suelo, transformándolas por medio de la
acción biodegradable de microorganismos, se considera
universalmente, donde quiera que sea aplicable, la tecnología de
descontaminación más favorable para el medio ambiente que hace el
uso más económico de fuentes de energía; los costes de tratamiento
unitario medio son iguales a un décimo de los costes de incineración
y corresponden al 25 - 30% de los costes de eliminación en un
vertedero recuperable controlado para lavado de suelo (M. C. Leahy
y R. A. Brown: "Bioremediation: optimizing results", Chem.
Engineering, mayo de 1994).
Cuando es aplicable, el remedio biológico
determina la eliminación (mejor que transferencia a otras secciones
ambientales) de contaminación en el suelo; hace posible cumplir con
los criterios de guía, generalmente reconocidos, que favorecen la
tecnología de intervención de descontaminación "in situ"
y/o "en el sitio" sin transporte costoso, dispersivo o
incontrolable a áreas "fuera del sitio" hacia plataformas de
tratamiento o vertederos.
El remedio biológico es un procedimiento para la
limpieza de agua contaminada, aire y especialmente suelo que usa
los mecanismos de auto - purificación ya existentes en la
naturaleza.
Sin embargo, los microorganismos aerobios
naturales y nativos pueden ser versátiles cuando degradan
contaminantes orgánicos en el suelo, se ha considerado que muchos
compuestos clorados, tales como TCE, PCB, hidrocarburos
poliaromáticos (PHA) con alto peso molecular, así como un amplio
intervalo de pesticidas tales como lindano y DDT, no son
susceptibles a la acción biodegradable de microorganismos
modificados genéticamente nativos y/o activados (Chemical
Engineering - mayo 1994, "Bioremediation: optimizing results"
y Rapporto Convengo Nazionales "Verso il manuale communitario per
la bonifica di siti contaminati", Milán 17.01. 1995).
Los expertos están de acuerdo en limitar las
tecnologías de descontaminación de suelo que usan tratamiento
biológico de compuestos hidrocarburos y sin halógenos, haciendo
uso, para otros compuestos orgánicos, de tratamiento térmico
(incineración), tratamiento físico (extracción por vapor o gaseado
del suelo) y tratamiento químico (deshalogenación o extracción con
fluidos en condiciones críticas) mientras que esperan
procedimientos innovadores que harán posible descomponer eficazmente
los compuestos no susceptibles a tratamientos biológicos.
Los procedimientos actuales para el tratamiento
biológico de suelo contaminado son capaces de degradar compuestos
hidrocarburos orgánicos y no clorados mediante oxidación. A través
de una secuencia de etapas metabólicas, los microorganismos ya
presentes en el suelo y activados adecuadamente, oxidan los
compuestos orgánicos a CO_{2} y agua mientras que incorporan
parte del carbono liberado en el desarrollo de una nueva
biomasa.
Todos los factores necesarios esenciales para el
desarrollo del metabolismo de los microorganismos deben estar
presentes para el tratamiento biológico eficaz. Tales elementos son
principalmente carbono, oxígeno, nitrógeno y fósforo junto con
azufre, calcio, potasio y magnesio.
Además, incluso asumiendo que los contaminantes
orgánicos son biodegradables y que están presentes microorganismos
adecuados, muchos otros factores juegan un papel importante en la
consecución de descontaminación exitosa: las características
fisicoquímicas del suelo y la distribución y cantidad de
contaminantes.
Todas estas condiciones han representado una
serie insuperable de limitaciones para el uso y difusión de la
técnica de tratamiento biológico de suelo contaminado.
La mayor limitación se deriva de la naturaleza de
los contaminantes, incluso si los microorganismos nativos pueden
ser muy versátiles cuando descomponen los contaminantes, muchos de
los compuestos orgánicos más significativos simplemente no se
pueden descomponer en duraciones de tiempo razonables y
aceptables.
Entre los contaminantes no degradables se deben
incluir compuestos orgánicos clorados, tales como TCE e
hidrocarburos aromáticos halogenados, tales como PCB, hidrocarburos
poliaromáticos (PAH) con alto peso molecular y muchos pesticidas
(por ejemplo Lindano, DDT, Molinato, Atrazina, Metilparation,
Folpet, Captan, etc).
La posibilidad de evitar las limitaciones
intrínsecas atribuidas a la naturaleza de los contaminantes por
medio de tratamiento biológico que usa microorganismos modificados
genéticamente o super - especializados, no se considera ventajosa
por dos razones:
- en el tratamiento biológico a gran escala, la competitividad natural de microorganismos nativos prevalece sobre los microorganismos cultivados en el laboratorio; de hecho, la especialización reivindicada de esto último produce resultados marginales cuando se compara con la capacidad de esparcimiento y colonizadora y los microorganismos no nativos se ajustan a las condiciones específicas de la matriz del suelo;
- los microorganismos modificados genéticamente, incluso si se producen para atacar a la mayoría de los contaminantes resistentes, se deben diseñar para sobrevivir fuera del laboratorio o, como alternativa, las condiciones de la matriz del suelo se debe adaptar de manera que puedan sobrevivir.
Sin embargo, la barrera más difícil se representa
por la evidente cautela de los gobiernos y autoridades de control
que necesitan prueba de la seguridad y protección de los riesgos
asociados a la salud y al ambiente siempre que surja la materia de
microorganismos adaptados o modificados genéticamente.
Por lo tanto, sería deseable siempre hacer uso de
microorganismos nativos y potenciar su capacidad de llevar a cabo
degradaciones de contaminantes orgánicos.
Sorprendentemente, se ha descubierto que el uso
de estimuladores biológicos hace posible descontaminar suelo
contaminado mediante compuestos orgánicos clorados con
microorganismos nativos que, hasta ahora, eran incapaces de
descomponer estos contaminantes. Con el uso de tales estimuladores
biológicos también es posible reducir fuertemente el tiempo
necesario por el microorganismo nativo para descomponer los
contaminantes orgánicos que son susceptibles a la degradación
biológica en los procedimientos disponibles actualmente.
Dichos biocatalizadores y estimuladores
biológicos se seleccionan entre quitina y/o derivados de la misma y
se añaden al suelo en tal cantidad que proporciona una cantidad de
quitina y/o derivados de la misma correspondiente a 0,1 a 5,0 kg por
m^{3} de suelo.
Este procedimiento también se puede aplicar a
compuestos orgánicos que, en los procedimientos hasta ahora
disponibles, no son susceptibles a la acción de degradación
biológica de microorganismos nativos, tales como hidrocarburos
halogenados, hidrocarburos poliaromáticos de alto peso molecular y
pesticidas.
El procedimiento según esta invención permite
reducir fuertemente el tiempo necesario para degradar sustancias
que actualmente se clasifican como difíciles de degradar, tales
como, pero sin limitación, por ejemplo, TCE, PCE, PAH, cloruro de
vinilo, PCB, DDT, clordano, heptacloro. Una disminución muy
significativa del tiempo de procesamiento se logra con el
procedimiento de la presente invención en el caso de sustancias que
se clasifican actualmente como moderadamente degradables, tales
como, pero sin limitación, por ejemplo, aceite nº 6, aceite bruto,
aceites de lubricación, alquitrán de hulla, creosotas,
pentaclorofenol, nitrobenceno, anilina, compuestos alifáticos de
cadena larga, ftalatos.
Los ejemplos de sustancias fácilmente
desagradables a los que el procedimiento presente se puede aplicar
con la consecución de una fuerte reducción de tiempo de
procesamiento se representan por gasolina, carburante, gasóleo,
tolueno, benceno, alcohol isopropílico, metanol, acetona, cetonas,
fenoles, acrilonitrilo.
Otro objeto de la invención es el bioaumento del
suelo obtenido con el uso de quitina y/o derivados de la misma. La
quitina y/o sus derivados se mezclan con los microorganismos
nativos de alguna matriz del suelo y la mezcla así obtenida se
añade después, después de un cierto tiempo, a la matriz del suelo a
descontaminar. Esto da como resultado un bioaumento eficaz y una
capacidad de remedio biológico potenciado. El bioaumento de las
matrices del suelo obtenido mediante la introducción de
microorganismos potenciados es particularmente importante en la
carencia o ausencia de sustratos de inducción.
La quitina y los derivados de la misma también
mejoran la biodisponibilidad de contaminantes por los
microorganismos, ya que ellos mejoran la velocidad de desorción de
los compuestos orgánicos en las partículas de la matriz del suelo.
La biodisponibilidad de contaminantes en el suelo es, de hecho, un
parámetro crítico para la realización de muchos tratamientos
biológicos.
La quitina es un polisacárido cristalino
constituido típicamente por unidades de
B-(I-4)2-acetamido-2-desoxi-n-glucosa,
alguna de las cuales están desaciladas. Este polímero natural se
denomina
poli-N-acetil-D-glucosamina
y es similar a la celulosa excepto que los grupos
c-2-hidroxilo se han reemplazado
completamente por grupos acetamida. Estructuralmente, la quitina
también se considera que se produce en formas alfa (pilas de
cadenas alternativamente antiparalelas) y gamma (pilas de cadenas
dispuestas en conjuntos de tres con dos paralelas y una
antiparalela), además de la forma más común beta (cadena paralela).
De manera similar, tanto los compuestos que contienen quitina como
los derivados de quitina comparten muchas características de este
compuesto precursor, aunque ciertos microbios no lo hacen así con
un derivado específico, otros microorganismos pueden hacerlo
significativamente
mejor.
mejor.
Muchas características de quitina se asemejan a
una biopelícula bacteriana en muchos aspectos. Estas similitudes
son ampliamente responsables de su:
\newpage
- (1)
- compatibilidad universal con todos los microorganismos ensayados,
- (2)
- poblaciones potenciadas de organismos deseados,
- (3)
- supervivencia significativa de organismos nativos y no nativos,
- (4)
- desplazamientos significativos en las poblaciones nativas y no nativas,
- (5)
- mejora en el comportamiento de degradación biológica en todos los casos, y
- (6)
- potencial masivo para uso en el remedio biológico de contaminantes.
Los sustratos quitinosos sirven a los
microorganismos como una superficie ideal de colonización ya que
produce y/o permite:
- a.
- atacar a las superficies quitinosas a través de atracciones hidrófilas físicas y electrostáticas (o repulsión de ciertos microbios),
- b.
- la estructura porosa da como resultado unión de microbios física y química irreversible,
- c.
- mantener las células microbianas en proximidad estrecha permitiendo cambios de metabolitos de microbios homogéneos y heterogéneos que sostienen el crecimiento,
- d.
- llevar o distribuir microbios beneficiosos seleccionados,
- e.
- modificación de aditivos a realizarse que pueden hacer que el sustrato sea más atractivo para microbios beneficiosos específicos,
- f.
- formación más rápida y extensiva de biopelículas exopolimérticas,
- g.
- hacer funcionar la quitina como una barrera bioquímica para proteger muchos microbios,
- h.
- formación de microcolonias para la protección de algunas toxinas que pueden ser letales para habitantes microbianos,
- i.
- atraer polímeros solubles y otros micronutrientes a la superficie,
- j.
- muchos compuestos contaminantes a ser atraídos y absorbidos a sus superficie, y
- k.
- la combinación de capacidades enzimáticas de diversos microbios en un consorcio para degradar un sustrato de crecimiento.
Estos beneficios dan como resultado la producción
de biopelículas exopoliméricas reales que se han mostrado que
protegen y en algunos casos sirven como un sustrato de nutrientes
de reserva. Esta capacidad se combina con la afinidad conocida de la
quitina y derivados de metal pesado, compuestos halogenados, y
fenoles entre otros compuestos contaminantes. La combinación de
estas propiedades proporciona un producto superior debido a su
función biológica.
El uso de quitina y sus derivados en el
tratamiento de residuos, principalmente aguas residuales, ha sido
amplio y unos de tales ejemplos son los siguientes:
El uso de quitina o derivados con o sin carbono
activo para eliminar olores y metales contaminantes de aguas se
muestra en la patente japonesa 61 - 2910; 1986.
El uso de derivado de quitina para la recogida de
iones metálicos pesados se describe en la patente japonesa 61 -
118485; 1986.
El uso de quitina microfúngica en un filtro para
recuperar metales se muestra en la patente de Reino Unido 2199315;
1988.
El derivado de quitina usado como recolector de
metales pesados para mercurio, etc., se muestra en la patente
japonesa 62 - 262743;
Se he descrito el uso de quitina para
descontaminar corrientes líquidas usando sólidos porosos revestidos
de quitina para eliminar contaminantes metálicos o compuestos
orgánicos halogenados (patente de estados Unidos LSU nº 4.775.650;
1988).
Se describe la quitina y derivados para filtros
usados en la clarificación de agua (Unikita, patente japonesa nº 60
- 225688; 1985).
El uso de quitina y/o derivados en otras áreas no
asociadas a la degradación biológica que describen las funciones
asociadas a microbios están limitadas pero unos pocos de tales
ejemplos son los que siguen:
Los derivados de quitina son útiles en la
inmovilización de enzimas de fermentación. Patente japonesa nº 62 -
158484.
Cuando se usa quitina como un sustrato para el
crecimiento de microbios Streptomyces para producir un
inoculante antibiótico fungicida útil para semillas en Brown,
patente de Estados Unidos nº 4.534.965, 1984.
Quitina desmineralizada para uso como nematocida,
Milch, patente de Estados Unidos nº 4.563.207, 1984.
Los efectos fungicidas de quitina y quitosan
sobre hongos con paredes celulares de composición variable (Allan y
Hadwiger, 1979),
Crecimiento potenciado de Actinomyces
sobre placas de agar con quitina por Mitchell, 1963.
Descomposición de quitina en suelos (Okafor,
1966).
Uso de quitina y derivados en formulaciones de
tratamiento de aditivos de suelo y/o semillas se ha descrito de
distinto modo en la bibliografía y varias patentes extranjeras para
agricultura, probablemente debido a los efectos de potenciación de
crecimiento de plantas aparentes, como describe en general
Hadwiger, solicitud de patente de Estados Unidos 795, 702,
1984.
Se ha examinado un derivado de quitina (quitosan)
como un medio de atrapamiento y encapsulación para la formación de
matrices adecuadas para el crecimiento y carga de células vivas.
Esto se dirige como un sistema de distribución de liberación
retrasada o vehículo de enzimas de biocatalizador.
La carga basada en soporte de células/g era muy
alta mientras que el crecimiento de especies inmovilizadas era
aproximadamente 35% de células libres (Rha, Rodríguez - Sánchez, y
Kienzle - Sterzer, Biotechnology of Marine Polysaccharides, MIT,
1984).
Sin embargo el uso general, para llevar, atrapar,
proteger, y colonizar microorganismos bien en el ambiente o
introducidos con quitina y/o derivados de la misma en el ambiente
particularmente en el campo si la degradación biológica es un nuevo
concepto de enorme importancia ecológica y económicamente.
Las características y las ventajas de esta
invención se describirán en detalle, también con el uso de ejemplos
y figuras, la figura representando esquemáticamente el procedimiento
descrito en la presente invención.
De manera ventajosa, el procedimiento según esta
invención va más allá de los límites de la presente solicitud para
el uso de remedio biológico, extendiéndose la técnica de
tratamiento biológico a los casos de suelo contaminado por
sustancias orgánicas no susceptible a la acción de microorganismos
nativos; la extensión de remedio biológico a estos casos, que son
los más numerosos y peligrosos, pueden ofrecer la mejor solución a
muchas situaciones de contaminación ambiental, sitios en desuso,
vertederos no controlados y suelo contaminado accidental-
mente.
mente.
Además, en el caso de suelos contaminados por
sustancias orgánicas que son susceptibles a la acción de
microorganismos nativos en los procedimientos disponibles
actualmente, la aplicación del procedimiento según la presente
invención produce un fuerte incremento de la velocidad de
degradación biológica, de este modo acortando significativamente el
tiempo implicado en la descontaminación de los suelos.
El procedimiento según la presente invención se
basa en el uso sin precedentes de quitina y/o derivados de la misma
como estimuladores biológicos que promueven la actividad
biodegradadora de microorganismos nativos.
La quitina y derivados de cualquier peso
molecular o tamaño de partícula son útiles en nutrición,
supervivencia, y colonización de microorganismos beneficiosos. La
quitina se puede personalizar fácilmente para microorganismos
individuales con el fin de estimular su crecimiento mediante
combinación con nutrientes específicos, sales, vitaminas, enzimas,
emulsionantes, aceleradores, retenedores de humedad, u otras
sustancias estimulantes de crecimiento o metabolismo reconocido que
potencian selectivamente ciertos microbios (nativos y/o no nativos)
en el ambiente contaminado. Del mismo modo, el compuesto también
se puede combinar con sustancias que inhiben competidores o
predadores conocidos del microbio beneficioso para incrementar
eficazmente la colonización de las poblaciones microbianas
presentes naturalmente o añadidas artificialmente al sitio
contaminado.
La quitina también se puede personalizar para su
vida eficaz en el suelo. La quitina que se ha purificado e
hidrolizado considerablemente es un compuesto altamente bioactivo.
En esta realización, estimula en gran medida el crecimiento
microbiano y actividad enzimática y es altamente eficaz como una
superficie colonizadora de microorganismos, sin embargo, se degrada
más rápidamente en el suelo que la quitina menos hidrolizada. La
quitina hidrolizada se puede producir mediante diversos
procedimientos enzimáticos, químicos, mecánicos, o energía de
microondas entre otros.
Aunque es más costoso producir que cualquier
quitina procesada o ciertamente el complejo de proteína - quitina
parcialmente procesada (quitina desmineralizada), su potencial para
uso en la limpieza general de emergencia de derrames contaminantes,
cuando el tiempo es esencial, representa un avance importante en el
remedio biológico útil. Sustancialmente la quitina no degradada y
derivados son más beneficiosos en ciertas circunstancias. La
funcionalidad residual a largo plazo para microorganismos en
quitina se requiere para lograr algunas
detoxificaciones/degradaciones de remedio biológico complejas.
La quitina se puede usar para atrapar los
microbios en un microambiente que proporciona una superficie
adecuada para colonización, inmovilización, humedad, nutrientes,
protección física de ciertos contaminantes, y protección bioquímica
contra algunos microbios predadores. Estas funciones sirven para
potenciar el comportamiento global del de (los) microbio (s) en el
ecosistema. La quitina puede o no puede estar modificada por los
microorganismos específicos que se están introduciendo.
La quitina y/o derivados se pueden añadir al
ambiente para quelar ciertos materiales contaminantes,
particularmente metales pesados tóxicos, compuestos halogenados y
fenoles entre otros con una afinidad conocida para quitina y/o
derivados. En este caso, la quitina atrapa y se une a los metales,
sirve como biopelícula artificial temporal para microbios que
degradan tales elementos, bien nativos o introducidos
ambientalmente. La eficacia del biocatalizador microbiano y
vehículo usado de esta manera se incrementa en gran medida mediante
su atracción para "atrapamiento" final de ambos contaminantes y
microbio en el mismo microambiente.
La quitina o sus derivados también pueden servir
como una absorción o sustrato de absorción mediante la que el
contaminante es arrastrado a los microorganismos que colonizan la
quitina por lo tanto simplificando su función de búsqueda de
comida. Esto aumenta significativamente la velocidad y eficacia de
acción microbiana (por ejemplo, remedio biológico). Además, el
biocatalizador microbiano proporciona una protección física de
dosis excesivamente altas de contaminante que podrían ser tóxicas
para el organismo. Se proporciona protección secundaria contra
organismos predadores debido a los efectos bactericidas del
biocatalizador microbiano. Además, esto se puede modificar
suplementando el biocatalizadoir microbiano con antibióticos u otros
compuestos que permiten actividad metabólica máxima de los
microorganismos beneficiosos.
La quitina y/o sus derivados también sirven como
un sustrato de carbohidratos para la producción microbiana de
exopolisacáridos. La regulación de esta función es muy importante
en condiciones ambientales encontradas. Por ejemplo, las bacterias
en cultivo producen grandes cantidades de exopolisacáridos cuando
la concentración de nitrógeno y temperatura son bajas, y existe
abundancia de carbohidratos (F. A. Troy II Annual Review
Microbiology, 1979). Estos exopolímeros, frecuentemente ricos en
proteína, forman como un lodo o biopelícula de mucus exudado por un
diverso intervalo de plantas y animales desde bacterias y hongos a
pescado.
La mayoría de los exopolímeros microbianos son
exopolímeros y usualmente están negativamente cargados debido a la
presencia de ácidos. Estructuralmente, los exopolímeros pueden ser
hebras fibrosas, mallas fibrosas, o geles. La producción de
exopolímeros es mayor en las fases estacionarias de crecimiento.
Funcionalmente es importante para los microbios en el procedimiento
de unión a superficies, depuración de nutrientes y en algunos casos
almacenamiento, colonización microbiana, y para protección del
ambiente. Estos exopolímeros protegen el organismo de la desecación
en suelos (cuando totalmente hidratadas pueden mantener hasta
aproximadamente 250 veces su peso en agua), virus o bacteriófagos,
y de diversos antibióticos. También pueden funcionar como una
barrera de difusión mediante va que el oxígeno se puede excluir,
sustancias tóxicas se pueden excluir, o intercambio iónico se puede
alterar principalmente para el beneficio de organismo transpirante.
Algunos exopolímeros realmente contienen enzimas bacteriolíticas o
antibióticos para proteger el organismo de patógenos. Los
exopolímeros son frecuentemente una ayuda al movimiento en un medio
acuático.
Sin embargo la capacidad de diversos microbios de
utilizar exudados de otros microbios para su propia ventaja, es
bien conocida y se produce frecuentemente. Por su misma naturaleza
se atraen otros microbios y atacan a las matrices de glicocalix que
forman colonias heterogéneas cuando se reúnen condiciones adecuadas
para su crecimiento. Esto frecuentemente conduce a relaciones
simbióticas y dependientes en crecimiento microbiano y
proliferación. Una condición en la que esto es ideal existe, cuando
estas funciones están relacionadas con la nutrición de diversos
microbios y uno parcialmente se degrada y el otro usa ese compuesto
degradado como nutriente o metabolito para posterior degradación.
Este tipo de cascada de degradación de compuesto es muy importante
para la velocidad y degradación total de contaminantes orgánicos
complejos.
La quitina o sus derivados puede servir como
catalizador para las enzimas producidas por microorganismos que son
útiles en su respiración, replicación o en la reducción de
compuestos contaminantes. Esta función se muestra mediante el
crecimiento microbiano potenciado y una degradación más rápida de
compuestos contaminantes por microorganismos en un ambiente de
cultivo puro en laboratorio. También se muestra mediante tiempos de
decoloración disminuido de tintes en el laboratorio que indica
poblaciones aumentadas y/o producciones de enzimas
incrementadas.
Típicamente, se usa una cantidad de quitina como
un biocatalizador microbiano en una enmienda de suelo puede variar
en concentración entre tan bajo como 0,001% y 10,0% (p/p de suelo)
o más del suelo. La eficacia de coste del biocatalizador microbiano
es ampliamente una función de la dosificación. La decisión de cuando
usar dosis altas en una situación real probablemente se dispone
mediante un tipo y localización de vertido, tamaño de vertido,
riesgo para el público, y riesgo para el ambiente frente al coste.
El biocatalizador microbiano básico en altas concentraciones (10,0%
p/p de suelo) en suelos por ejemplo se puede llevar a cabo bien en
exceso de 30 \textdollar por pie cúbico (0,0283 metros cúbicos)
de suelo tratado para materiales sólo. La eficacia de quitina y
derivados en concentraciones bajas (0,2% p/p) se potencia
dramáticamente mediante incorporación homogénea en otra enmienda de
nutrientes tal como celulosa, almidón, glucosa, otros polisacáridos
u otras sustancias tóxicas para el sustrato microbiano y/o como
extendedor. Sin embargo, la eficacia ambiental (velocidad notable y
reducción de contaminante total para remedio biológico) del
biocatalizador microbiano se potencia significativamente a menudo
mediante adición de proporciones más altas de quitina (hasta 100%)
de la enmienda de suelo.
Después de una primera etapa opcional de
determinación en el sitio y evaluación de la biodegradabilidad de
los contaminantes individuales mediante los microorganismos nativos
ya presentes adaptados, si es necesario, a las condiciones óptimas
para su desarrollo el procedimiento en el primer aspecto de la
invención incluye las siguientes
etapas:
etapas:
el suelo contaminado en profundidad se lleva a la
superficie, preferiblemente sin arar, de manera que se trate en el
sitio o se lleve a una plataforma de eliminación para el
tratamiento fuera del sitio; el suelo se mezcla con material verde
(vegetal) para formar pilas, la quitina y/o derivados del mismo se
añaden a la masa de suelo contaminado y material vegetal y las
pilas se tratan con procedimientos de compostaje convencional y, si
se requiere, se deja extendido recubierto con una hoja transpirante
y a prueba de agua. En una realización alternativa, una parte de
mezcla de material suelo/vegetal se añade a la quitina y/o
derivados y se introduce en un reactor de mezcla para producir un
inóculo super - activo, que después se añade al resto de la
mezcla.
La etapa de generar un inóculo super - activo
representa un bioaumento eficaz de los microorganismos, que es
particularmente adecuado para suelos que están altamente
contaminados y relativamente pobre en microorganismos nativos.
Como alternativa, los estimuladores biológicos
según la invención, las sustancias nutrientes y el cultivo de
microorganismos nativos se pueden añadir directamente a las pilas
de suelo y material verde sin la necesidad de la generación de un
inóculo super - activo en un reactor. La elección entre las dos
alternativas dependerá de las condiciones del sitio y el nivel y
tipo de contaminantes.
Durante este procedimiento, puede ser útil
controlar los parámetros funcionales tales como temperatura,
humedad, cantidad de contaminantes y sus respectivos metabolitos,
con el fin de mantener condiciones óptimas del procedimiento de
degradación biológica aerobio.
El resultado final también se puede evaluar
mediante bioevaluación a través del ensayo del crecimiento de
diversas especies vegetales.
De manera ventajosa, el suelo descontaminado
usando el procedimiento según la invención se puede reutilizar en
vista de la recuperación del suelo contaminado, incluso para usos
agrícolas.
En otra realización posible de esta invención, el
suelo contaminado, excavado y desmenuzado si es necesario, se
mezcla con material compuesto de origen vegetal. Los ensayos
preliminares de laboratorio pueden ser útiles para indicar la
cantidad adecuada.
Después la mezcla se forma en pilas, parte de las
cuales se toman para activarse en un reactor de mezcla.
La adición de estimuladores biológicos,
nutrientes concentrados y cultivos de microorganismos nativos
microactivados, transforma el material en el mezclador, se mantiene
a condiciones de temperatura y humedad óptima, en un inóculo super
- activo que, después de una duración de tiempo preestablecida, se
retira del biorreactor y se distribuye en las pilas alineadas.
El material después se mezcla homogéneamente y se
trata como compost tradicional. Preferiblemente, el material se deja
extendido pero protegido con láminas que garantizan transpiración e
impermeabilidad.
Los controles periódicos, preferiblemente
diarios, de la temperatura de las pilas de compost, la aireación
mecánica periódica, adición de más inóculo si es necesario y
corrección de la humedad todo permitirá regular la descomposición de
los contaminantes y su desaparición completa se puede controlar
mediante análisis llevados a cabo a intervalos regulares hasta que
se han alcanzado los objetivos del tratamiento de
descontaminación.
Los ensayos pilotos llevados a cabo en campos
abiertos indican, según los contaminantes presentes y su cantidad,
tiempos de tratamiento medios de entre 12 y 24 semanas con el fin
de alcanzar valores compatibles con un correcto equilibrio riesgo -
beneficio (análisis de riesgo) o con remedio biológico completo del
suelo.
La compatibilidad del material obtenido al final
del tratamiento con los objetivos inicialmente establecidos, se
confirma posteriormente llevando a cabo ensayos de fototoxicidad
sobre especies vegetales particularmente sensibles, durante las
etapas de germinación y desarrollo de biomasa, a residuos de los
contaminantes y sus metabolitos en el sustrato de cultivo.
La figura ilustra una realización típica del
procedimiento descrito en esta invención. Es obvio para el experto
en la técnica que el punto esencial de esta invención es el uso de
los estimuladores biológicos descritos anteriormente. Por lo tanto,
cualquier variación en el procedimiento, descrito aquí
esquemáticamente a modo de ejemplos, cae dentro del alcance de esta
invención.
Fundamentalmente, los suelos contaminados se
tratan de manera que se obtiene un sustrato para el inóculo, con
técnicas de recogida convencionales o muestreo adecuado. Si se
considera necesario o deseable, el material contaminado se puede
muestrear para análisis preliminar de la concentración de los
contaminantes, de manera que se optimice la cantidad preferible de
estimuladores biológicos a añadir.
El sustrato de inóculo se trata en un reactor
adecuado para reforzar la población de microorganismos nativos. En
general, el tiempo de tratamiento varía entre 24 a 36 horas. El
sustrato se produce con procedimientos convencionales que incluyen,
además de estimuladores biológicos de esta invención, por ejemplo,
la adición de material vegetal, uno o más cultivos de
microorganismos nativos aerobios y preferiblemente nutrientes
concentrados.
Una vez que este sustrato de inóculo está listo,
se descarga del reactor y se mezcla con el material contaminado y
otro material vegetales, si es necesario.
Después, el material contaminado e inoculado se
distribuye, por ejemplo, en forma de pilas, para la siguiente etapa
de compost. Como se ha mencionado antes, el uso de un inóculo no es
obligatorio, ya que estimuladores biológicos según la invención en
ciertos casos se puede añadir directamente a la mezcla de suelo
contaminado y material verde a enviar a la etapa de compost. La
etapa de compost no requiere ninguna medida particular y se lleva a
cabo procedimientos convencionales siguientes. Durante esta etapa,
se pueden llevar a cabo algunos ensayos para controlar los
parámetros esenciales, tales como temperatura, gas (por ejemplo,
oxígeno y/o dióxido de carbono) y humedad. Además también se pueden
llevar a cabo análisis de contaminantes para seguir la curva de
degrada-
ción.
ción.
Una vez que se ha terminado la descontaminación,
el suelo se puede usar como compost o suelo para cultivo y
recuperación del ambiente, enriquecimiento de suelo para el cultivo
de plantas ornamentales.
En otra realización de la presente invención, el
procedimiento se puede complementar con el procedimiento de
descontaminación de burbujeo de aire, extracción de suelo con vapor
(SVE) y/o ventilación biológica, permitiendo la degradación
biológica in situ de los compuestos orgánicos no susceptibles
a remedio biológico.
Los siguientes ejemplos ilustran adicionalmente
la invención
La quitina y derivados se ensayan junto con otros
polisacáridos carbohidratos fermentables comunes y otros compuestos
a razón de un gramo de compuesto (200 micrones o menos de tamaño de
partícula) en 100 ml de agua destilada para determinar la eficacia
de exposición prolongada a tales medios de nutriente. Se obtuvieron
discos (12 mm) del organismo, Phellinus weirii desarrollado
sobre placas de SO mm de agar Sabouraud Dextrose (Prepared Media
Laboratory, Tualatin, OR) y muestras tomadas después de crecimiento
en placa uniforme. Estos discos se expusieron a los compuestos
anteriores durante hasta 96 horas con discos retirados a 4, 14, 48,
72 y 96 horas después se crecieron en el mismo tipo de agar. Las
áreas de crecimiento (predominantemente circular) se midieron en un
estudio ciego a 24 y 48 horas después de la retirada de los
compuestos en solución estéril. La tabla más adelante resume los
resultados de crecimiento como porcentaje de control colocado en
agua estéril.
\newpage
\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
\cr}
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
En la tabla anterior es fácilmente evidente que
los compuestos basados en quitina producen una colonización más
rápida y crecimiento en 24 horas con la excepción de quitosan. Su
inhibición desapareció en gran parte después de 48 horas. Con este
organismo, solamente la quitina microcristalina mostró
considerablemente menos actividad que otras formas de quitina en la
promoción de crecimiento microbiano.
\newpage
En un ensayo paralelo al ejemplo 1 se examinó la
eficacia de añadir otros compuestos. La tabla más adelante resume
los resultados de estos ensayos:
La adición de otros compuestos beneficiosos para
el organismo se pueden observar fácilmente en al tabla anterior.
Aunque no todos los compuestos pueden beneficiar a todos los
microbios el potencial para personalizar la quitina de sustrato con
otros compuestos es frecuentemente muy beneficioso. Hay que hacer
notar en este ensayo que la respuesta excepcional de dióxido de
silicio con solamente cuatro horas de exposición al compuesto que
dio como resultado crecimiento de aproximadamente dos veces (196%)
que el crecimiento control.
Este ejemplo demuestra la eficacia de quitina
tanto con un microbio no nativo como añadido solo a los suelos
naturales que se contaminan con pentaclorofenol. El microbio no
nativo cuando se usa es Phellinus wairii. Se añade quitina
molida en un porcentaje de 10% (p/p) de suelo seco con los efectos
siguientes:
Aunque la acción de la quitina con microbios de
suelo nativo y pentaclorofenol no está completamente explicada por
su reducción inicial drástica y posterior elevación de niveles
detectables, se cree que absorbe el pentad del suelo y permite
temporalmente la inmovilización del compuesto. Los microbios nativos
son probablemente mejores en la degradación de la quitina porque
produce su liberación inherente o el regreso de pentaclorofenol a
los suelos donde se está detectando. Debido al diseño del ensayo el
ensayo se terminó a las seis semanas. La adición de un organismo con
una función metabólica conocida para la degradación del
contaminante, sin embargo era altamente exitosa en reduciendo la
concentración del contaminante hasta por debajo de 10% de
contaminación original con un tratamiento solamente y sin aireación.
El biocatalizador era aproximadamente tres veces como eficaz en la
reducción total del contaminante en el microbio solo.
Se llevaron a cabo ensayos en una mezcla de arena
y aceite tierra homogénea contaminada artificialmente para
determinar la eficacia de concentración de quitina en un intervalo
de porcentajes de 0,5%, 2,5%, y 6% (p/p de arena) y contaminada con
una solución de pentaclorofenol al 6% (PCP) en aceites minerales
ligeros. También es evidente la capacidad de quitina para absorber
el PCP de la arena y por lo tanto reducir los niveles de
contaminantes. Sin embargo, esta protección es solamente temporal, a
menos que esté disponible la reducción por microorganismos. Los
controles se controlaron de manera doble y se tomaron las medias de
las dos lecturas, 770 y 820 mg/kg. Todas las lecturas en "dos
semanas" están en mg/kg o partes por millón (ppm).
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\vskip1.000000\baselineskip
Este ejemplo indica que los microbios que se
añadieron separadamente no estaban protegidos por la quitina sola
hasta que su porcentaje excedió del 2,9% pero menor que 6%. Sin
embargo, la concentración de PCP, se usa en un porcentaje letal
normalmente para el microorganismo. La concentración de PCP usada
se considera hostil para el microbio. Las propiedades adsorbentes
de la quitina para este contaminante de fenoles se muestran bien
incluso a porcentajes muy bajos. La combinación con otros
polisacáridos (celulosa) permitió que los microbios sobreviviesen
en porcentajes de dosis muy bajos de quitina al 0,5% con serrín al
2%. Debido al amplio intervalo de coste entre los dos compuestos,
parece que es altamente rentable cuando se usa de esta manera.
Se examinó la quitina por su capacidad de
mantener microorganismos viables de un hongo no formador de esporas
en un amplio intervalo de condiciones adversas que se podrían
encontrar en el ambiente. Todos los porcentajes se muestran como
porcentaje (p/p) de composición añadida al suelo. Todos los
componentes de composiciones se muestran como porcentaje de la
composición total. Todas las lecturas "% de control" se
registran como porcentaje (organismos viables) de composición frente
a un control de celulosa tratado de manera similar.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Este ejemplo demuestra que la invención es útil
en la conservación de la viabilidad de organismos sujetos a estrés
similar a los que se pueden encontrar en el ambiente y por
consiguiente puede ser un indicio eficaz de supervivencia.
Se formaron pilas después de activación en el
reactor.
La etapa de compost duró 3 meses.
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\vskip1.000000\baselineskip
Pedian ® es un inoculador para el compost
producido mediante una concentración de polisacáridos, que contiene
aproximandamente10,5% en peso de quitina y 10,5% en peso de quitosan
y conocido en el mercado para compost de desecho de hojas y jardín
junto con madera, desecho de cocina, abono.
Pedian ® contiene 210 g de polisacáridos/kg (105
g de quitina + 105 g de quitosan).
Natrel ® es un sustrato altamente concentrado
producido por materia prima orgánica de la industria de
alimentación.
El progreso de la descomposición de los diversos
contaminantes se proporciona en esta memoria descriptiva más
adelante (en mg/kg).
\vskip1.000000\baselineskip
Este ensayo difiere del ejemplo 6 en la presencia
de lindano, considerado uno de los más resistentes al tratamiento
biológico. También se controlaron los metabolitos relativos.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
El progreso de la descomposición de los diversos
contaminantes se proporciona más abajo (en mg/kg).
\vskip1.000000\baselineskip
El suelo que proviene de un sitio industrial (300
toneladas) se trató de acuerdo con esta invención. El procedimiento
de remedio biológico comenzó el 14 de junio.
El progreso de descomposición de los diversos
contaminantes se proporciona más adelante (en mg/kg).
Se formaron pilas de un suelo contaminado con
hidrocarburos, PHA y fenoles después de activación en el
reactor.
La etapa de compost duró 33 días.
Tipo de suelo (pH = 6,3) arena - lodo
Estimuladores biológicos usados
natrel (como nutriente encentrado)
pedian
70% en volumen de suelo contaminado se mezcló con
25% en volumen de materia vegetal y 5% en volumen de perlita; la
mezcla así obtenida se inoculó con los estimuladores biológicos
anteriormente mencionados (2,5 kg de pedian/m^{3} de suelo
contaminado y 1,0 l de natrel/m^{3} de suelo contaminado).
El progreso de descomposición de los diversos
contaminantes se proporciona más adelante (en mg/kg).
\vskip1.000000\baselineskip
\hskip4mm% de s. s. = porcentaje de sustancia seca
\vskip1.000000\baselineskip
El período estimado para alcanzar el 99% de
degradación fue de 90 días.
La medición de las cantidades de cada
contaminante en la mezcla contaminada de material suelo/vegetal
proporcionó los siguientes valores:
Se formaron pilas de un suelo contaminado con
hidrocarburos después de la activación en el reactor.
La etapa de compostaje duró 20 días
Tipo de suelo arena - lodo
Estimuladores biológicos usados
natrel (como nutriente encentrado)
pedian
80% en volumen de suelo contaminado se mezcló con
15% en volumen de materia vegetal y 5% en volumen de perlita; la
mezcla así obtenida se inoculó con los estimuladores biológicos
anteriormente mencionados (2,5 kg de pedian/m^{3} de suelo
contaminado y 1,0 l de natrel/m^{3} de suelo contaminado).
El progreso de descomposición de los diversos
contaminantes se proporciona más adelante (en mg/kg).
El tiempo estimado para alcanzar el 99% era 45
días.
Claims (7)
1. El uso de quitina o un derivado de la misma,
sola o en combinación con adyuvantes seleccionados entre nutrientes,
sales, vitaminas, enzimas, emulsionantes, aceleradores y
mantenedores de humedad, para el remedio biológico de suelos
contaminados por contaminantes difíciles de degradar seleccionados
entre compuestos orgánicos clorados e hidrocarburos
poliaromáticos.
2. Uso según la reivindicación 1, en el que la
quitina o derivados de la misma se añaden en cantidades de 0,1
a
5,0 kg por m^{3} de suelo.
5,0 kg por m^{3} de suelo.
3. Uso según las reivindicaciones 1 - 2, en el
que los compuestos orgánicos clorados se seleccionan entre el grupo
constituido por TCE, PCE, PAH, cloruro de vinilo, PCB, DDT,
clordano, heptacloro.
4. Uso según las reivindicaciones 1 - 2, en el
que la quitina se combina con nutrientes seleccionados entre
celulosa, almidón, glucosa.
5. Un procedimiento para el remedio biológico de
suelos contaminados por sustancias difíciles de degradar
seleccionadas entre compuestos orgánicos clorados e hidrocarburos
poliaromáticos, que comprende:
- a)
- llevar el suelo contaminado en profundidad a la superficie, de manera que se trate en el sitio o se lleve a una plataforma de eliminación para el tratamiento fuera del sitio;
- b)
- mezclar el suelo con material vegetal para formar pilas;
- c)
- añadir quitina y/o derivados de la misma al resto de la masa (suelo contaminado y material vegetal);
- d)
- tratar dichas pilas según procedimientos de compostaje convencionales.
6. Un procedimiento según la reivindicación 5, en
la que al etapa c) se lleva a cabo sobre una parte de la mezcla de
la etapa b) en un reactor, para producir un inóculo super - activo,
que se añade después al resto de la mezcla.
7. Un procedimiento según las reivindicaciones 5
- 6, que comprende además las etapas de burbujeo de aire, extracción
del suelo por vapor y/o ventilación biológica.
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