Biotecnología ambiental.

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.