BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL
Tomado de: Eloy
Bécares Área de Ecología,Departamento de Biodiversidad y Gestión Ambiental.
Facultad de Ciencias Biológicas y Ambientales, Universidad de León, 24071. León
BIOTECNOLOGÍA
AMBIENTAL, ¿LA CENICIENTA DE LA BIOTECNOLOGÍA?
La
biotecnología ambiental suele entenderse como la aplicación de las herramientas
y métodos biotecnológicos a la resolución de los problemas ambientales, sin
embargo para muchos biotecnólogos también debe incluir aquellas biotecnologías
que utilizan la naturaleza como origen o destino de sus productos (vegetal,
acuicultura, etc.). En su primera definición la biotecnología ambiental puede
considerarse la unión de dos grandes disciplinas, la biotecnología, con sus
procesos y herramientas (ingeniería genética, metagenómica, metabolómica,
biocinética, etc.) y de la ecología (auto ecología, competencia, depredación,
ciclos biogeoquímicos, etc). La combinación de ambas disciplinas tiene un
prometedor futuro debido, desgraciadamente, al rápido incremento de los problemas
medioambientales. En este trabajo se aborda, desde un punto de vista personal,
los aspectos más interesantes de la biotecnología ambiental y se incide en la
pertinaz resistencia del biotecnólogo para ocupar nichos ambientales que le son
propios
BIOTECNOLOGÍA
AMBIENTAL. DEFINICIÓN DELCAMPO DE ESTUDIO
La
OCDE define la biotecnología como “la aplicación de la ciencia y la tecnología
en organismos vivos, sus productos o modelos, para alterar materiales vivos o
muertos para la producción de conocimiento, bienes y servicios” (OCDE, 2002)”.
Pese a esta amplía definición, la biotecnología parece estar todavía dominada
por su naturaleza al servicio del sector médico o farmacéutico. Mientras que la
“biotecnología convencional”, entendida como la aplicada a dichos sectores,
sigue siendo considerada como la dominante y más atractiva por buena parte de
la sociedad, las aplicaciones medioambientales son sin embargo consideradas
como ramas secundarias, aún marginales, en un mundo en el que la sensibilidad
por el deterioro ambiental, aunque creciente, sigue siendo insuficiente. Por
ello, algunos autores proponen que la biotecnología ambiental es aún la
“cenicienta de las biotecnologías” (Evans & Furlong, 2011).
La
rápida industrialización, el continuo incremento de la urbanización, el aumento
de la producción agroganadera intensiva o la explotación industrial del medio
han provocado un aumento evidente y preocupante de la calidad del medio ambiente.
Según la ISEB (Sociedad Internacional de la Biotecnología Ambiental), la
biotecnología ambiental se define como la integración de la ciencia y la
ingeniería para el desarrollo, uso y regulación de los sistemas biológicos para
la descontaminación del medio ambiente (tierra, aire, agua) y para el
desarrollo de procesos amigables con el medioambiente (tecnologías verdes y
desarrollo sostenible). La biotecnología ambiental se entiende de forma general
como la aplicación de los procesos biológicos modernos para la protección y
recuperación de la calidad del medioambiente (Scragg, 1999), pero como se verá
más adelante, existen otros aspectos que también pueden considerarse dentro de
su ámbito.
¿Por
qué utilizar microorganismos para tratar problemas ambientales en vez de
métodos no biológicos?, simplemente porque en la mayoría de los casos es mucho
más barato, económica y ambientalmente hablando (Grommen y Verstraete, 2002).
La incineración de 1 kg de materia orgánica (seca) cuesta diez veces más que su
eliminación biológica en un reactor. La segunda razón es que los
microorganismos son adaptables y pueden degradar una inmensa diversidad de
moléculas bajo condiciones muy diferentes.
El
interés por la Biotecnología Ambiental y su impacto sobre la actividad económica
es obviamente creciente dado el continuo incremento de la contaminación
ambiental y el paralelo incremento en las normativas ambientales, que
convierten procesos productivos contaminantes, antes permitidos, en procesos
económicamente prohibitivos. Un ejemplo es el de la biorremediación de suelos.
Mientras que en 1994 era infinitamente más
barato llevarse los suelos contaminados a un vertedero que descontaminarlos, la
legislación europea en vertidos de residuos ha revertido esa situación haciendo
económica y ambientalmente más favorable la descontaminación, y mucho más económico
evitarla. En términos económicos el mercado medioambiental global es el que mayor
crecimiento está desarrollando en comparación con otros mercados convencionales.
En el 2001 el 15-20% del mercado medioambiental estaba basado en la
biotecnología ambiental, pero se prevé que se triplique en el 2025 (Evans y
Furlong, 2011). Como ejemplo de la importancia de la biotecnología ambiental en
el mercado del medio ambiente, el tratamiento de las aguas residuales suponía
en el 2009 el 25% del mercado medioambiental global. Los crecientes problemas
ambientales y sanitarios relacionados con la contaminación y la creciente
sensibilidad ambiental hacen de la biotecnología ambiental una de las
actividades con mayor proyección e interés para la sociedad. La cenicienta de
las biotecnologías puede terminar convirtiéndose, desgraciadamente, en la
princesa de las mismas.
CAMPOS DE LA BIOTECNOLOGÍA
AMBIENTAL
La
biotecnología ambiental cubre un espectro más amplio que el meramente
relacionado con el control de la contaminación. De hecho, para algunos autores
(Scraag, 2005), una buena parte de la biotecnología convencional debe ser
considerada “ambiental”, dado que una importante cantidad de recursos
farmacéuticos, y de otro interés económico, proceden de la existencia y
mantenimiento de la biodiversidad de la tierra, aspecto que se aborda más
adelante. Por otra parte, la búsqueda de métodos de producción de moléculas por
vías biológicas en sustitución de la síntesis química, uno de los objetivos de
la biotecnología, no sólo puede ser industrialmente necesario, sino también
puede reducir el uso de reactivos y subproductos, y ser por tanto económica y
ambientalmente preferible. Muchos otros aspectos de la biotecnología: médica,
agrícola, acuicultura, ganadería, etc. dependen de la naturaleza o tienen en
mayor o menor medida importantes implicaciones ambientales. Por ejemplo, para
varios autores (Marin et al., 2005; Castillo, 2005, Mohapatra, 2006; Fulekar,
2010; Jain, 2014), la agrobiotecnología también forma parte de la biotecnología
ambiental. Por un lado, la agricultura depende de numerosas especies de
organismos que pueden ayudar a controlar y mejorar la producción, por lo que la
agrobiotecnología depende del conocimiento sobre las relaciones entre especies,
y del mantenimiento y conocimiento de la biodiversidad y de los procesos que la
mantienen. Pero por otra parte la ingeniería genética relacionada con las
mejoras de los cultivos debe minimizar el riesgo medioambiental. La humanidad
ha estado manipulando animales y vegetales durante siglos, adaptándolos a sus
necesidades.
Aunque
los beneficios son claros, la manipulación genética puede tener también
consecuencias negativas desde el punto de vista ambiental y de la salud. Según
algunos autores (Rittman y McArty, 2001; Sraag, 2005; Vallero, 2010) la
biotecnología ambiental debe ocuparse del balance entre el coste y el beneficio
de dichas manipulaciones. El control de mareas rojas, la lucha contra las
bacterias resistentes a antibióticos, o el estudio de las comunidades
microbianas del rúmen.
IMPORTANCIA
DELA BIODIVERSIDAD EN LA BIOTECNOLOGÍA
La
descripción de nuevas especies y el estudio de su biología y relaciones ecológicas,
está favoreciendo el desarrollo de productos de alto valor biotecnológico como
el desarrollo de sustancias que evitan la formación de biopelículas, el
descubrimiento de sustancias de interés en el control de enfermedades. Desde el
punto de vista microbiológico, el desarrollo de técnicas de ecología molecular
como la secuenciación masiva están permitiendo el descubrimiento de numerosas
especies de microorganismos y abren el camino para descubrir nuevas propiedades
de los mismos que puedan ser de interés biotecnológico.
La
biodiversidad ha sido y sigue siendo una de las fuentes más importantes de
recursos para la biotecnología, nuevos medicamentos, principios activos y
organismos dependen del mantenimiento de la biodiversidad de la tierra. En este
aspecto, el biotecnólogo debe considerar los potenciales riesgos ambientales de
la modificación genética de las especies, entender los mecanismos que favorecen
el mantenimiento de la biodiversidad, y gestionar la biodiversidad microbiana
para optimizar los procesos relacionados con la descontaminación, aspecto que
es uno de los objetivos aplicados de la ecología microbiana, o lo que es casi
lo mismo, de la biotecnología ambiental.
BIOTECNOLOGÍA
AMBIENTAL Y ECOLOGÍA MICROBIANA
Uno
de los campos con los que la biotecnología ambiental está íntimamente ligada es
el de la ecología, especialmente el de la ecología microbiana. La ecología
microbiana aporta las bases científicas de muchos de los procesos que se
desarrollan en la biotecnología ambiental, y a la inversa, la resolución de los
problemas ambientales mediante la biotecnología aporta importantes avances en
procesos, nuevas especies, y métodos para los ecólogos microbianos. La
biotecnología ambiental también puede definirse como la “gestión de las
comunidades microbianas para proporcionar servicios a la sociedad y el medio
ambiente” (Rittmann, 2006). La mayor parte de la biotecnología ambiental se
basa en la gestión de los residuos y de la contaminación, bien evitándola o
reduciéndola, o bien intentando recuperar los hábitats contaminados. Al
contrario que la llamada “biotecnología convencional”, enfocada a trabajar con
un único organismo cada vez, los biotecnólogos ambientales deben trabajar
simultáneamente con un amplio rango de organismos, que varía desde virus hasta
organismos superiores como plantas o animales. La biotecnología ambiental debe
trabajar con la ecología de los organismos y por tanto, además de los procesos
biológicos intrínsecos a cada organismo (metabolismo), debe abordar los
procesos que regulan la abundancia de dichos organismos en el medio ambiente (autoecología).
Otros aspectos que son de necesaria aplicación en la biotecnología ambiental
son los del estudio de las interacciones inter e intra específicas (ecología de
poblaciones), los procesos que favorecen la biodiversidad de una comunidad o la
estabilidad de la misma frente a las perturbaciones (ecología de comunidades),
o el conocimiento de los principios que regulan los ciclos de materia y energía
(ecología de ecosistemas).El futuro de la biotecnología ambiental está por
tanto íntimamente relacionado con el estudio y gestión de las comunidades de
microrganismos.
La
visión reduccionista, mono específica, de la microbiología convencional
aislando microrganismos, seleccionándolos o modificándolos para la degradación
de contaminantes, ha debido ser modificada por una visión ecológica en la que
son las comunidades naturales, no las especies aisladas o las manipuladas genéticamente,
las responsables de tratar los problemas ambientales (Swannell et al., 1996).
El
concepto de “consorcio” bacteriano, como el gremio de bacterias que solo en
simbiosis son capaces de degradar los contaminantes, concepto familiar entre
los ingenieros sanitarios, empieza a ser común en la biotecnología ambiental.
Un
concepto recientemente utilizado en la biotecnología ambiental es el del Manejo
de los Recursos Microbiológicos (MRM) (Verstraete et al., 2007), es decir la
adecuada gestión de las comunidades microbianas naturales para ser utilizadas
en la resolución de los problemas ambientales. El desafío de la biotecnología en
los próximos años será su capacidad para poder gestionar estos recursos
microbianos, favoreciendo su biodiversidad y utilizándolos para resolver estos
problemas.
EL REACTOR BIOLÓGICO DE
TRATAMIENTO DE AGUAS COMO NICHO NATURAL DE TRABAJO PARA EL BIOTECNÓLOGO
En
un reactor biológico de tratamiento de aguas conviven números a especies de
microorganismos, desde virus hasta rotíferos o nematodos, aunque el grupo más
importante es el de las bacterias.
El
objetivo del reactor biológico es el de degradar adecuadamente los
contaminantes (macro y micro contaminantes) por lo que el primer objetivo del
biotecnólogo es el de optimizar la biodegradación/eliminación de, sobre todo,
los compuestos difícilmente biodegradables y de aquellos contaminantes
especialmente peligrosos como disruptores endocrinos, antibióticos o metales
pesados.
Es el biotecnólogo el especialista adecuado
para identificar y cuantificarlos microorganismos presentes en los reactores aislar,
secuenciar, identificar e introducir genes que maximicen la biodegradación,
analizar los mecanismos de intercambio genético que optimicen la actividad
degradadora, caracterizar las rutas metabólicas involucradas en la eliminación
de los contaminantes y en resumen, optimizar el rendimiento biológico de los
reactores de tratamiento de aguas residuales Otros aspectos que el biotecnólogo
puede abordar, dada su formación académica, es el conocer las variables que
pueden limitar la biodegradación o eliminación de los contaminantes, la
eliminación de patógenos o bacterias resistentes a antibióticos en el medio
ambiente, o el desarrollo de modelos cinéticos que simulen las dinámicas
poblacionales.
El
biotecnología ambiental debería aplicar los principios básicos de la ecología
de comunidades que permiten reconocer y controlar las interacciones entre
especies (competencia, depredación, mutualismo, antagonismo, etc.).Otros
aspectos que solo pueden abordarse desde la ecología de comunidades aplicada a
la biotecnología, son los del control de las bacterias de los ciclos de nutrientes,
favoreciendo la ventaja competitiva de las más adecuadas, control al equilibrio
poblacional entre bacterias floculantes y filamentosas, o mantenerla
estabilidad de los consorcios bacterianos en reactores anaerobios.
El
biotecnólogo también debe entender la dinámica sucesional que permite optimizar
la diversidad biológica de un reactor para maximizar su rendimiento. Por el
hecho de trabajar con sistemas jerárquicamente complejos, debe aprender a
trabajar con grados de incertidumbre mayores de los de la biotecnología convencional.
Sin embargo, el todavía escaso interés de los biotecnólogos en el tratamiento
de aguas sigue favoreciendo que otros especialistas como ingenieros químicos,
industriales o ingenieros civiles se vean obligados a cubrir las deficiencias
de conocimiento biológico y las necesidades tecnológicas más urgentes.
