Micorremediación y compostaje como estrategias promisorias para la limpieza de suelos contaminados con Cr (VI)

TATARIN, ANA SILVIA

Jornada; JORNADA DOCTORAL FRANCO AMERICA AUSTRAL; 2020

Micorremediación y compostaje como estrategias promisorias para la limpieza de suelos contaminados con Cr (VI)La rápida industrialización ha llevado a la sobreexplotación de los recursos, así como a la eliminación no controlada de desechos industriales en el medio ambiente. La contaminación por metales pesados se ha convertido en un problema mundial, con diferentes niveles de contaminación y gravedad. Cualquier elemento metálico con densidad relativamente alta comparada con el agua y tóxico, incluso en bajas concentraciones, se denomina "metal pesado" (Lenntech, 2004). La mayoría de los metales pesados como el arsénico (As), Cadmio (Cd), Plomo (Pb), Mercurio (Hg) y Cromo (Cr) son muy conocidos por su toxicidad, baja biodegradabilidad, persistencia en la naturaleza y tendencia a la bioacumulación (Garg et al., 2007). Aquellas sustancias que presentan bioacumulación son porque presentan concentraciones crecientes a medida que avanzan en los niveles tróficos de la cadena alimenticia.El Cr es un metal duro de color gris acero que se encuentra naturalmente en la corteza terrestre en forma de mineral de cromita. Es un metal de transición y pertenece al grupo VI de la tabla periódica como el primer elemento del grupo. Existe en varios estados de oxidación que van desde Cr (II) a Cr (VI). Entre estos estados, Cr (III) y Cr (VI) son los más comunes y altamente estables. Naturalmente, el Cr se encuentra en todo tipo de componentes ambientales. incluyendo aire, agua y suelo, pero en cantidades mínimas.El cromo hexavalente [Cr (VI)] tiene una amplia gama de aplicaciones en las industrias del acero inoxidable, procesos de galvanoplastía, tintes y curtiembres de cueros, así como en procesos de conservación de la madera. Las curtiembres son una de las industrias más importantes que utilizan compuestos de Cr para curtir cueros de animales y, por lo tanto, son los principales contribuyentes a su contaminación. El Cr utilizado en el proceso no es absorbido completamente por el cuero y una gran proporción de él se escapa hacia los efluentes. Aproximadamente 40 millones de toneladas de desechos que contienen Cr se generan por año en las curtiembres de todo el mundo (Papp, 2004). Estos desechos son eliminados en gran parte por las industrias en suelo y en cuerpos de agua sin el tratamiento requerido. Para la población en general, la exposición al Cr ocurre a través de las emisiones al aire (industriales, emisiones de automóviles, humo de cigarrillos y otros) y contaminación del agua a través de vertidos industriales y lixiviación de las aguas residuales, resultante de la eliminación incorrecta de residuos industriales de Cr, llegando a las poblaciones locales (Welling et al., 2015). La contaminación del agua es la ruta de exposición más crítica porque en comparación con la inhalación, que generalmente se limita a la exposición ocupacional, la exposición oral a través del agua contaminada afecta a toda la población. Es así que el Cr ingresa en todos los compartimentos ambientales (aire, agua, suelo, etc.) ya sea través de algunos procesos naturales, como por resultado de actividades antropogénicas. El Cr, siendo necesario para el metabolismo normal de azúcares, lípidos y proteínas en los mamíferos, se convierte en un micronutriente esencial en la dieta de animales y humanos. Sin embargo, no hay ningún requisito conocido de Cr en vías metabólicas de plantas y microorganismos. Aunque los niveles altos de Cr son siempre tóxicos, el nivel de toxicidad depende de su estado de oxidación. Es así que el Cr (VI) se considera altamente tóxico ya que provoca efectos nocivos graves en la salud. La Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (US-EPA) identificó al Cr (VI) como uno de los diecisiete productos químicos que representan una amenaza para los seres humanos (McCullough et al., 1999). El Cr (VI) es considerado un tóxico que afecta múltiples sistemas. Los efectos fisiológicos de exposición al Cr [especialmente a compuestos solubles de Cr (VI)] puede afectar varios sistemas que incluyen piel (reacciones alérgicas, erupción cutánea, irritantes de la piel, sequedad e hinchazón), tracto respiratorio (ulceración y perforación del tabique nasal, irritación de la faringe y laringe, bronquitis asmática, irritaciones nasales, hemorragia nasal y cáncer de pulmón), sistema gastrointestinal (malestar estomacal y úlcera), renal (necrosis tubular aguda y lesión renal crónica), cardiovascular (cambio en alteración del miocardio), hepática (enzimas hepáticas elevadas y daños hepáticos), genéticos (genotoxicidad, mutagenicidad y carcinogenicidad), hematológicos (cambios en los parámetros sanguíneos) y efectos reproductivos (IARC, 1990, Langård 1990; Wang, Su, Gu, Song, & Zhao, 2017, Teklay, 2016). La gravedad de estos efectos está relacionada con el grado de exposición: una sola exposición puede causar irritación, inflamación y eventualmente úlceras, pero la exposición repetida puede producir alergias en la piel y en el tracto respiratorio, inflamación de los pulmones, daño renal, cánceres y efectos sobre la reproducción y el desarrollo de bebés por nacer (Teklay, 2016). En realidad, los mecanismos tóxicos del Cr (VI) provienen de procesos fisiológicos complejos que involucran múltiples rutas e interacciones con un gran número de moléculas biológicas, incluidas proteínas y ácidos nucleicos (DeLoughery et al., 2014). Muchas de esas macromoléculas biológicas presentan polimorfismos con características fisicoquímicas y dinámicas individuales distintas, lo que hace que un organismo diferente a otro y con comportamiento único. Aunque la función del sistema enzimático de desintoxicación es metabolizar compuestos tóxicos para formar metabolitos menos tóxicos y más solubles en agua, en algunos casos activa la sustancia original y produce más agentes reactivos y tóxicos (Pavesi & Moreira, 2020). El principal mecanismo de toxicidad por Cr (VI) en procariotas, así como eucariotas se relaciona con su fácil difusión a través de la membrana celular, seguido de la reducción de Cr (VI) en las células dando lugar a radicales libres que pueden causar directamente alteraciones del ADN y otros efectos tóxicos (Liu et al., 2003).El Cr (VI) también se asocia con una disminución en la absorción de nutrientes y fotosíntesis, que conduce a un crecimiento lento de las plantas. El Cr (VI) afecta severamente varios procesos fisiológicos, morfológicos, bioquímicos e induce la generación de especies reactivas de oxígeno en las células vegetales. Además, la toxicidad del Cr está indicada en forma de clorosis y necrosis en plantas (Shahid et al., 2017). Por otra parte, su tendencia a bioacumularse en los tejidos vivos a medida que viaja a través de la cadena alimentaria aumenta el nivel de preocupación por su eliminación en sitios contaminados (Volesky, 1990)Dentro de la lista de estrategias disponibles para la remediación de Cr están los métodos físicos, la reducción química y la biorremediación o métodos biológicos. Si bien los procedimientos de tratamientos físicos y químicos son simples, rápidos y posiblemente ayudan a la recuperación del metal, muchos aún tienen que satisfacer la demanda de un alto costo operativo y alta energía. Además, durante estos procesos se genera una alta producción de contaminantes secundarios. Adicionalmente, la mayoría de ellos funcionan bien solo bajo alta concentración de metales y su eficacia también está sujeta a la presencia de agentes interferentes (Zouboulis et al., 2004). Todas estas desventajas deben tenerse en cuenta para desarrollar un proceso sostenible y económico para eliminación de metales pesados. La biorremediación parece ser una buena alternativa a las tecnologías de remediación convencionales (Rani et al., 2008). La bioremediación se refiere al uso productivo de los sistemas vivos, o de una parte de ellos, para eliminar o sanear sitios contaminados y puede utilizarse, al igual que las tecnologías físico-químicas tanto in situ como ex situ. El uso de microorganismos para la biorremediación de metales tiene un gran potencial debido a sus técnicas de bajo costo y baja generación de desechos. La biorremediación mediada por hongos se conoce como micorremediación. Muchos hongos han sido implementados para la biorremediación de sitios contaminados con Cr (Jobby et al., 2018). Las características que presentan los hongos los convierten en organismos con potencial para aplicarlos en procesos de biorremediación. Los hongos son organismos eucariotas, heterotróficos y se reproducen por esporulación. Su habilidad para desarrollarse por medio de la formación de hifas con crecimiento apical, les permite formar extensas redes y penetrar sustratos, accediendo a sitios que no tienen contacto directo con un medio acuoso en búsqueda de nuevas fuentes de energía (Harms et al., 2011). Otra ventaja que presentan los hongos es su capacidad de adaptación a ambientes heterogéneos (Allen, 2007). Además de la capacidad de penetrar en los sustratos contaminantes, los hongos son capaces de sobrevivir, crecer y desarrollarse bajo condiciones tóxicas intolerables para la mayoría de las bacterias. Estos microorganismos absorbotróficos producen y secretan altos cantidades de enzimas extracelulares en su periferia, las cuales degradan diversos sustratos a moléculas pequeñas que pueden ser absorbidas y metabolizadas en sus células (Goltapeh et al., 2013). La secreción de enzimas extracelulares, les permite asimismo metabolizar sustancias tales como compuestos tóxicos no polares e insolubles que no son susceptibles de degradación intracelular. La baja especificidad de muchas enzimas fúngicas les permite co-metabolizar compuestos estructuralmente diversos pertenecientes a diferentes clases de contaminantes. También, muchas de sus enzimas son estimuladas bajo condiciones de deficiencia de nutrientes.Por otra parte, otra de las estrategias para tratar suelos contaminados con Cr (VI) es el compostaje. El compostaje se define como un proceso aeróbico, contenido óptimo de humedad y porosidad para estabilizar los desechos orgánicos. Sus variables de control comunes son temperatura, oxígeno y humedad. Para lograr resultados óptimos en un tiempo razonable, los parámetros de control del proceso deben ajustarse dentro de los valores óptimos, y el proceso debe pasar por dos etapas principales. Primero está la etapa de descomposición activa, que se caracteriza por una amplia actividad microbiana que conduce a un aumento constante de la temperatura, pasando de rangos mesofílicos (25–45 ° C) a rangos termofílicos (más de 45 ° C). La segunda es una etapa de estabilización; esto tiene lugar a una temperatura más baja y la actividad microbiana disminuye significativamente, ya que la reserva de nutrientes se ha agotado (Sayara & Sánchez, 2020).El compostaje, que se compone de una mezcla de sustancias orgánicas en descomposición, es capaz de formar complejos, absorber y (co) precipitar metales pesados, pudiendo ser utilizado además para fertilizar el suelo (Larney & Hao, 2007). Las enmiendas orgánicas del compost proveen fuentes de carbono para la microbiota nativa. Además, aumenta los microorganismos responsables de la descomposición y biotransformación de contaminantes en los suelos (Namkoong et al., 2002). Por otro lado, la utilización de desechos orgánicos para la remediación del suelo también es útil para disminuir la necesidad de su almacenamiento y tratamiento, dándole valor agregado a los mismos (Pedra et al., 2007). De esta manera el compostaje representa una de las tecnologías más rentables para llevar a cabo la biorremediación. Por todo lo expuesto anteriormente, el compostaje y los hongos filamentosos pueden combinarse para tratar suelos contaminados. Es así que el objetivo de este trabajo, en principio, es aislar y seleccionar hongos filamentosos tolerantes a Cr (VI) e inocularlos en compost de desechos agroindustriales, como estrategia promisoria para la biorremediación.