La degradación química es una de las principales causas de deterioro en suelos a nivel mundial, provocada, en principio, por la industrialización y la agricultura. De igual modo, la deforestación y el sobrepastoreo tienen una destacada contribución (figura 1). Al respecto, Richmond (2015) menciona que, en el planeta, hay 240 Mha, degradadas a nivel químico por nutrientes (136 Mha), salinización (77 Mha), contaminación (21 Mha) y acidificación (6 Mha). Todas estas formas están vinculadas a algunas actividades humanas, como derrames accidentales, fugas, manejo inadecuado de residuos o aplicación directa de compuestos químicos. La degradación por contaminación se relaciona a compuestos inorgánicos (metales pesados y metaloides) y compuestos orgánicos (hidrocarburos, hidrocarburos aromáticos policíclicos, plaguicidas, colorantes y antibióticos, Saha et al., 2017).
Figura 1. Principales tipos y causas de degradación de suelos en el mundo
Fuente: datos tomados de Gruver (2013).
Las fuentes antropogénicas de contaminación del suelo son los productos y subproductos químicos utilizados en actividades industriales, desechos domésticos y municipales e incluyen aguas residuales, agroquímicos y productos derivados de la gasolina. Estos químicos se liberan al medio ambiente mediante derrames de petróleo, lixiviación de vertederos, uso de fertilizantes y pesticidas, irrigación con aguas residuales no tratadas o aplicación de aguas residuales en el suelo (Rodríguez-Eugenio et al., 2018).
De acuerdo con Duarte et al. (2018), existe una amplia gama de contaminantes orgánicos en el suelo, pero los más abundantes contienen hidrocarburos (alcanos, alquenos, cicloalcanos y benceno, tolueno, etilbenceno y xileno: BTEX), hidrocarburos aromáticos policíclicos (benzo[a]pireno, antraceno y fenantreno), compuestos clorados (bifenilos policlorados, dioxinas y furanos) y plaguicidas (atrazina, DDT, endosulfán, heptacloro, lindano, entre otros). Estos contaminantes orgánicos se caracterizan por ser tóxicos, persistentes, bioacumulativos y de fácil dispersión a larga distancia; razón por la cual algunos se anexan en la lista de compuestos orgánicos persistentes, establecidos por el Convenio de Estocolmo, en función de su eliminación y reducción de producción, utilización, importación, exportación y emisión al medio ambiente (Magulova y Priceputu, 2016).
La caracterización y localización de sitios contaminados están en ascenso alrededor del mundo. En el periodo de 1999 al 2012, se observó un aumento de 500 a 1500 publicaciones anuales referentes a la contaminación del suelo (Guo et al., 2014). Durante el 2013 al 2020, de acuerdo con la base de datos ScienceDirect, se divulgaron 4250 publicaciones relacionadas con la contaminación y el monitoreo del suelo; esto demuestra un incremento de 386 a 750 publicaciones al año en investigaciones sobre evaluación y remediación de suelos contaminados. Asimismo, estos trabajos crean mayor conciencia, en cuanto a la implementación de soluciones conjuntas para mitigar, desde los sectores sociales y gubernamentales, esta problemática de interés mundial.
Biorremediación microbiana del suelo
Las tecnologías de remediación de suelo se dividen en físicas, químicas y biológicas. Las físicas y químicas tienen como ventaja un menor tiempo requerido en la eliminación de los contaminantes de la matriz afectada; sin embargo, se corre el riesgo de que solo sean transferidos a otro medio o que los residuos generados requieran tratamientos posteriores que incrementan los costos del proceso (Xu y Lu, 2010). La remediación microbiológica es una tecnología utilizada en todos los continentes (excepto Antártida), porque es uno de los métodos preferidos en el tratamiento de áreas contaminadas. Se emplea en el 31 % de todas las metodologías de tratamiento ambiental y, junto con la fitorremediación, representa el 51 %, superior a metodologías químicas y físicas (Elekwachi et al., 2014). Asimismo, el mercado global y los servicios de estas tecnologías verdes tendrán un crecimiento del 8,3 % hasta el 2025, pero son métodos subutilizados y deberían ser más desarrollados, por ser amigables con el ambiente (Arora, 2018).
La remediación con microorganismos constituye una tecnología de tratamiento que incorpora contaminantes a los procesos bioquímicos de los organismos. Estos los metabolizan de forma aeróbica o anaeróbica hasta transformarlos en compuestos estables no tóxicos a un precio más accesible (Sarkar et al., 2005; Sales da Silva et al., 2020).
La biorremediación se basa en la capacidad de los microorganismos para descomponer contaminantes orgánicos, en presencia de condiciones ambientales óptimas, en el suministro equilibrado de nutrientes y en aceptores de electrones (Adams et al., 2015). Hay tres estrategias fundamentales en la biorremediación: atenuación natural, bioestimulación y bioaumentación (figura 2). En cada una, los microorganismos endógenos o exógenos, modificados o no genéticamente, participan en la degradación de los contaminantes orgánicos en el suelo, sea de manera activa (mediante estimulación) o de manera pasiva (sin estimulación). Los periodos de restauración del suelo contaminado son cortos cuando se adecuan sus condiciones o se utilizan microorganismos con mayor capacidad degradativa (Martínez-Álvarez et al., 2017; Aparicio et al., 2018). En cambio, la atenuación natural tiende a ser un proceso más lento, debido a que depende de la adaptación de los microorganismos a las condiciones del suelo sin intervención humana (Varjani y Upasani, 2019). Por lo tanto, no es suficiente en la remediación de sitios contaminados en un plazo razonable (Mulligan y Yong, 2004).
Figura 2. Estrategias de biorremediación
Fuente: autor.
Hay 160 géneros de microorganismos estudiados que se involucran en la remediación de contaminantes orgánicos, sean individuales o en consorcios, los cuales incluyen las siguientes bacterias, hongos y levaduras: Flavobacterium, Achromobacter, Rhodococcus, Micrococcus, Bacillus, Allescheria, Corynebacterium, Pseudomonas, Aeromonas, Acinetobacter y, en menos ocasiones, Mycobacterium, Aspergillus, Fusarium, Pleurotus, Mucor, Penicillium, Rhodotorula, Debaryomyces y Cándida. Las bacterias son más usadas que los hongos y las levaduras (Rahman et al., 2001; Vasudevan y Rajaram, 2001; Chikere et al., 2011; Kumar et al., 2018). Cabe destacar que la cantidad de microrganismos importantes identificados en la biorremediación aumenta cada año, lo que implica un incremento de publicaciones en el área; además, los estudios metagenómicos distinguen especies no cultivables.
Los contaminantes orgánicos más estudiados, con respecto a su biodegradación, son hidrocarburos y plaguicidas, porque son los mayores deterioradores de suelos a nivel mundial. Debido a lo anterior, existen diversos trabajos acerca de la identificación y seguimiento de comunidades microbianas implicadas en la biorremoción de estos y otros contaminantes orgánicos (cuadro 1). Estas investigaciones presentan los géneros o especies de microrganismos o consorcios involucrados. Los microorganismos empleados en los procesos de restauración de suelos son aerobios, anaerobios y metilotrofos, que, mediante diferentes caminos metabólicos, obtienen una fuente de carbono y energía por medio de contaminantes, como hidrocarburos aromáticos policíclicos, solventes clorados, explosivos, colorantes, bifenilos policlorados hidrocarburos y plaguicidas (Tomei y Daugulis, 2013).
Condiciones ambientales óptimas
Existen varios factores que limitan la efectividad y el éxito de un proceso de biorremediación: la disponibilidad del sustrato, temperatura, pH, oxígeno, humedad, porosidad del suelo, textura, permeabilidad, disponibilidad de los nutrientes como nitrógeno (N), fósforo (P), hierro (Fe) y las comunidades microbianas presentes en el suelo. Por ello, se deben conocer las características fisicoquímicas del sitio y la concentración del contaminante (Acuña et al., 2012). Además, es necesario determinar la población de microorganismos capaces de tolerar y usar el contaminante como fuente de energía; en este sentido, los organismos capaces de desarrollarse en presencia de hidrocarburos se denominan hidrocarburoclastas, mientras que los que crecen en plaguicidas reciben el nombre de plaguicidaclastas