Científicos eliminan contaminantes del agua con microorganismos

En 2017, tres mil 79 personas murieron intoxicadas con plaguicidas en México. No se sabe cuántos de estos casos fueron accidentales y cuántos fueron intencionales, por agresión o por intento de suicidio, pero se sabe que dos de cada tres personas que murieron eran hombres, que 62 por ciento tenía entre 20 y 59 años de edad y que los meses de mayor mortandad fueron junio, julio y agosto.

Pero el asunto de los pesticidas no solo es importante desde el punto de vista antropocéntrico, también debe analizarse desde una perspectiva ecocéntrica, que tome en cuenta las afecciones que estas sustancias ocasionan en el medio ambiente, explica el doctor Juvencio Galíndez Mayer, investigador del Departamento de Ingeniería Bioquímica del Instituto Politécnico Nacional (IPN).

En el sureste de Estados Unidos, a unos 150 kilómetros de la ciudad de Nueva Orleans, el río Misisipi descarga sus aguas en el golfo de México. La unión entre un río y el océano suele crear las condiciones para que la vida acuática y terrestre florezcan, pero en la unión del Misisipi con el golfo de México es una zona muerta, una zona donde los niveles de oxígeno son tan bajos que no permiten a los peces ni a los mamíferos marinos sobrevivir. El tamaño de esta zona muerta es variable, pero en agosto de este año alcanzó un tamaño récord, los 22 mil 730 kilómetros cuadrados, un área del tamaño del Estado de México.

En gran parte, la zona muerta del golfo de México es producto del río Misisipi, que arrastra los desechos de diez estados del país del norte. Entre estos desechos, los más perjudiciales son los pesticidas y, en general, los productos de las actividades agrícolas.

Las investigaciones sobre la zona muerta del golfo de México provienen de Estados Unidos y no muestran las afectaciones que existen en la zona mexicana del golfo, pero es muy probable que la zona muerta afecte también al norte del país y que existan zonas muertas en otras zonas costeras de la república. De hecho, en algunas costas de la república se ha encontrado más de una docena de diferentes pesticidas, explica Juvencio Galíndez.

Los pesticidas son sustancias que ayudan a controlar plagas de diferentes tipos, pueden ser insectos, roedores, hongos, hierbas, entre otros. También son conocidos como agrotóxicos porque todos son venenos, comenta el ingeniero bioquímico y doctor en microbiología. Al llegar a los mantos subterráneos y los cuerpos de agua superficiales, los pesticidas contaminan las fuentes directas de agua para consumo humano y además perjudican a infinidad de organismos acuáticos, indica Juvencio Galíndez.

“El ambiente es donde habitamos, si lo dañamos, se provocan efectos transitorios o permanentes en la cadena alimenticia. Por ejemplo, si se daña el fitoplancton, que es la base de la cadena trófica, se daña todo lo que depende de él, incluido el ser humano”.

Pero, a pesar de su toxicidad, no es posible prohibir el uso de pesticidas, aclara el investigador, pues la demanda de alimentos a nivel mundial es tal, que si no se utilizaran, no podría producirse la cantidad de alimentos que el mundo requiere, así que la prohibición general de pesticidas no es una opción inmediata, aunque deben prohibirse o restringirse los más dañinos.

Las aguas residuales agrícolas, un problema difuso

Del total de agua consumida en el país, alrededor de 30 por ciento tiene uso doméstico e industrial. El resto se emplea básicamente en actividades agrícolas. Una parte de ella va a la atmósfera por evaporación y por la transpiración de las plantas —un proceso llamado evapotranspiración— y otra llega con una importante carga de agrotóxicos a mantos freáticos y aguas superficiales, por escorrentías e infiltración en suelo.

Estas son aguas que se contaminan en grandes extensiones agrícolas, es decir, son una fuente de contaminación difusa, y difícilmente son tratables por métodos convencionales, ya que no existe un sistema de colección y canalización a una planta tratadora, señala el investigador.

“Más de 90 por ciento de los pesticidas que se aplican por aspersión llega a destinos diferentes al organismo blanco y así contaminan grandes extensiones. Este es un gran problema, porque si no podemos canalizar estas aguas contaminadas a un solo punto, ¿cómo tratamos el agua contaminada o cómo evitamos que llegue al subsuelo o a los ríos por escorrentías?”.

El investigador explica que las opciones para evitar la contaminación por pesticidas son tres. La primera es utilizar compuestos menos tóxicos en la agricultura, lo cual no es una buena solución a largo plazo, pues los pesticidas son difíciles de degradar y al acumularse en grandes cantidades sus efectos tóxicos aumentan.

La segunda es la biorremediación, es decir, corregir lo que ya está contaminado. Pero el investigador declara que esta es una opción cara y poco viable. Limpiar un río contaminado es una tarea que difícilmente se completa con éxito.

Eso deja la tercera opción como la más práctica, y esa es prevenir que las sustancias contaminantes lleguen a los cuerpos de agua.

Es por eso que en el Laboratorio de Bioingeniería que dirigen Juvencio Galíndez y la doctora Nora Ruiz Ordaz, se estudian las posibilidades de degradar pesticidas mediante reactores de biopelícula empleando comunidades microbianas multifuncionales, antes de que alcancen los cuerpos de agua.

El principio es lograr que los microorganismos crezcan y formen una capa ultrafina sobre un material poroso de alta resistencia mecánica. Este material se utilizará para crear una biobarrera reactiva permeable que se coloca entre la fuente de contaminación y el cuerpo de agua, y permite degradar los contaminantes presentes en el agua.

La comunidad supera al individuo, incluso al individuo transgénico

Los microorganismos tienen la capacidad de utilizar o transformar sustancias que serían tóxicas para otros seres vivos. Por eso los biotecnólogos los han utilizado para eliminar contaminantes del ambiente. De hecho, en los últimos tiempos, se han producido microorganismos transgénicos con mayores capacidades de biodegradación de un contaminante, por ejemplo, de petróleo, para remediar un derrame; o microorganismos con capacidad para degradar varios compuestos al mismo tiempo.

“[Pero] un solo microorganismo, aunque sea transgénico, y se le dé información para degradar una diversidad de moléculas orgánicas, no tendrá la capacidad para remover la enorme variedad de compuestos que se encuentran en las aguas residuales. Nunca va a lograr lo que logra un consorcio microbiano”, explica Juvencio Galíndez.

La diversidad microbiana es gigantesca y la idea de las comunidades microbianas es la complementariedad. En esa gran diversidad, los microorganismos tienen infinidad de funciones metabólicas, es decir, algunos microorganismos tienen la información genética para degradar un compuesto hasta cierto nivel, pero, aunque no puedan ir más allá, habrá otros integrantes del consorcio que justamente puedan tomar ese subproducto y seguir degradándolo. Por muy bueno que sea, uno solo no puede con todo, por eso trabajamos con consorcios microbianos, comenta el investigador.

Selección de comunidades microbianas

Los microorganismos están en todas partes, uno de sus hábitats es el suelo, si lo que queremos es degradar compuestos que se usan en la agricultura, pues vamos a las zonas agrícolas en donde se hayan aplicado en algún momento determinados pesticidas y se toman muestras. Después se sigue un proceso que se llama bioenriquecimiento, explica Juvencio Galíndez.

“En las muestras puede haber miles de especies. Para obtener una comunidad microbiana funcional, capaz de degradar cualquiera de estos compuestos o una mezcla de ellos, se somete a una presión selectiva, se les coloca en medios con los contaminantes y los microorganismos capaces de utilizarlos como fuente de nutrientes van a crecer y prevalecer”.

Retos de las biobarreras

En el laboratorio, el equipo de trabajo de Juvencio Galíndez ha realizado estudios de degradación de pesticidas carcinógenos, mutagénicos, disruptores endocrinos —que alteran el comportamiento reproductivo de diversas especies— y pesticidas con efectos neurológicos. Con distintos prototipos de barreras reactivas permeables, los investigadores han logrado que estas barreras degraden pesticidas de manera continua por más de dos años y con eficiencias de remoción entre 90 y 100 por ciento.

Pero existen retos para trasladar esta tecnología al campo. Por ejemplo, se han propuesto barreras reactivas que se colocan bajo tierra para remediación de mantos freáticos, pero en la profundidad los microorganismos aeróbicos no disponen del oxígeno suficiente para sobrevivir.

Se han propuesto soluciones, por ejemplo, existen compuestos que añadidos a las barreras liberan oxígeno de manera prolongada y permiten que las bacterias sobrevivan. El problema es que eventualmente el compuesto se agota y hay que volver a suministrarlo, esto aumenta costos y disminuye la viabilidad de su aplicación en campo.

“Otro problema es que las aguas residuales no llevan únicamente un pesticida, pueden contener dos o más. Las formulaciones comerciales, además de los principios activos, contienen ingredientes adicionales, los coadyuvantes, que son disolventes, dispersantes, espesantes, emulsificantes y otras sustancias que no siempre están controladas y que pueden ser tan tóxicas como los mismos pesticidas”.

El investigador comenta que a estos coadyuvantes se les suele llamar “aditivos inertes”, aunque pueden no serlo. Generalmente, se desconoce su identidad química, pues se mantiene como información industrial confidencial y las etiquetas de las formulaciones comerciales solo informan de su contenido de manera genérica.

“Este es uno de los problemas para tratar aguas residuales agrícolas, porque las aguas arrastran todo y muchas veces ni siquiera se sabe cuáles son los coadyuvantes, así que se requieren consorcios microbianos de amplio espectro (multifuncionales) y muy robustos, porque para llevarlos al campo deben ser prácticos y resilientes, deben ser capaces de restablecerse después de periodos de sequía o inundaciones, de falta o exceso de nutrientes, y de cambios en otras variables ambientales”.

El investigador sabe que en el campo, las biobarreras deben resistir variaciones ambientales y también cambios en las mezclas de pesticidas a las que se van a enfrentar. Es un problema complejo que están abordando en diversos niveles.

Pero para Juvencio Galíndez, esto es parte del placer de investigar, poder experimentar y así responder una pregunta, pero al mismo tiempo encontrarse con otra. El investigador cuenta que desde que empezó con este trabajo percibe los retos como juegos, y él, de carácter curioso, se pone a jugar con gusto.

Fuente: CONACYT.