PROCESOS FISICOS DE SEPARACION

Procesos bioquímicos industriales

 Microbiología Industrial

Microbiología industrial o biotecnología microbiana es el ámbito de la microbiología orientado a la producción de elementos de interés industrial mediante procesos en los cuales intervenga, en algún paso, un microorganismo. Por ejemplo, la producción de: alimentos (fermentación del vino, pan o cerveza) y suplementos (como los cultivos de algas, vitaminas o aminoácidos);1 2 biopolímeros, como el xantano, alginato, celulosa, ácido hialurónico, polihidroxialcanatos;3 biorremediaciónde entornos contaminados4 o tratamiento de desechos;5 así como la producción de principios activos de interés en medicina, como la insulina y hormona del crecimiento o de sustancias implicadas en el diagnóstico, como las Taq polimerasasempleadas en PCR cuantitativa.6 7

Por ejemplo, la microbiología industrial ha sido clave en la producción de penicilinas, ya naturales, como la penicilina G (esto es, producidas de forma totalmente microbiológica), ya semisintéticas, como la meticilina, que requieren la purificación de un intermediario que luego ha de modificarse química o enzimáticamente. Finalmente, la tecnología del ADN recombinante ha permitido, con un enfoque de ingeniería genética, diversificar aún más la disciplina, llegando a producirseproteínas humanas mediante microorganismos transformados con genes humanos.8

Microorganismos industriales

La mayoría de los microorganismos no tienen uso industrial pero de los microorganismos que se aíslan de la naturaleza se seleccionan aquellos que fabrican uno o más productos de interés específicos, si bien los microorganismos que se utilizan en la industria han sido aislados de la naturaleza por métodos tradicionales, estos son modificados mucho antes de ingresar a la industria. Estas modificaciones se pueden llevar a cabo genéticamente ya sea por mutaciones o por recombinaciones y tienen por objeto obtener una especialización metabólica elevada para aumentar el rendimiento en metabolitos particulares. De hecho las vías metabólicas menores se reprimen o se eliminan.

Los microorganismos industriales pueden presentar propiedades pobres de desarrollo, pérdida de capacidad de esporulación y propiedades celulares y bioquímicas alteradas. Aunque estas cepas pueden desarrollarse muy bien en las condiciones altamente especializadas del fermentador industrial, pueden presentar un crecimiento pobre en los ambientes naturales muy competitivos. Aunque la fuente de todas las cepas industriales es el ambiente natural, a medida que los procesos industriales se han ido perfeccionando a través de los años, diversas cepas industriales se han ido depositando en colecciones de cultivo en distintos países. Cuando se patenta un nuevo proceso industrial se debe dejar una cepa capaz de llevar a cabo ese proceso en una colección de cultivos reconocida.

Hay varias colecciones de cultivos que sirven como almacén de cultivos microbianos. Si bien estas colecciones de cultivos pueden servir como una fuente accesible de cultivos, la mayor parte de las empresas industriales se rehúsan a depositar en las colecciones de cultivo sus mejores cepas.

 Sistemas de fermentación

Son formas diferentes de cultivo de microorganismos con el fin de obtener un rendimiento deseado

La velocidad o la calidad del producto son los objetivos del estudio de la cinética del crecimiento

Factores que influyen en el crecimiento

- Son comunes para todos los sistemas:

- Concentración de substrato

- Temperatura

- pH

- Concentración alta de substrato o de producto

Consumo de nutrientes y formación de producto

• Relacionamos el consumo de substrato y la formación de producto con el crecimiento de material para cada uno.

• Para el consumo del substrato.

o Acumulación de substrato = alimentación de substrato – crecimiento – formación de producto – requerimientos para el mantenimiento

• Las concentraciones iniciales de substrato o producto, pueden condicionan la rapidez del crecimiento

• Para el Crecimiento

o Acumulación total = crecimiento – desaparición

• Para la formación de producto

• Acumulación de producto = formación – destrucción

•

Rendimientos de biomasa y productos

• Muestran en cada caso la cantidad de biomasa o producto producido dependiendo de la cantidad de substrato

• Se definen como la cantidad de biomasa o producto formado por unidad de substrato

Sistemas discontinuos

• Se considera un sistema cerrado, para todo menos para la aireación

• Tiene una cantidad limitada de medio

• Se añade todo el substrato al principio de la fermentación

Ciclo de Fermentación discontinuo

Sistemas Discontinuos Alimentados a Intervalos

• El substrato se va añadiendo a intervalos durante el proceso

• Es una variación del sistema discontinuo

• Tiene ventajas con respecto al sistema

discontinuo convencional. Evita procesos de represión y reduce la viscosidad del medio

• Inconvenientes: el crecimiento eficiente tiene

lugar durante una pequeña fase del proceso

Sistemas Continuos

• Sistemas abiertos, en los que el medio se va añadiendo de un modo continuo a reactor

• Se va eliminando medio fermentado del “centro” de la fermentación

• Podemos distinguir dos modalidades:

Quimiostato

Turbidostato

• Es básico controlar que el volumen de biorreactor sea constante

• Existen diferentes formas de conseguir esto, puede ser mediante un tubo de sobreflujo, o mediante el mantenimiento de la velocidad de bombeo igual a la rapidez de flujo de entrada de medio

Quimiostato

• Suministramos nutriente esencial limitante a medida que va siendo necesario.

• Se va eliminando biomasa para formarse biomasa nueva.

• La densidad y rapidez de crecimiento se mantiene constante, debido a que la cantidad de substrato y de producto también se mantienen constantes.

Esquema del fermentador

• La rapidez de crecimiento depende del tipo de nutriente limitante

– Carbono

– Nitrógeno

– Fósforo

– Vitamina

• Los demás nutrientes esenciales están presentes en exceso.

Turbidostato

• El producto no se saca del reactor

• Tenemos un circuito de reflujo, que acoge el producto cuando hay exceso, de ese modo se mantiene constante la velocidad

• La cantidad de producto que hay en el reflujo, determina la cantidad de medio que se añade al biorreactor

Esquema del turbidostato

Síntesis de metabolitos secundaros

• Existen productos cuya síntesis no está relacionada con el crecimiento, estos se denominan METABOLITOS SECUNDARIOS

• No se puede relacionar su formación con el crecimiento porque no existe relación.

• Los más famosos son los Antibióticos

 Biorreactores

Un biorreactor es un recipiente o sistema que mantiene un ambiente biológicamente activo. En algunos casos, un biorreactor es un recipiente en el que se lleva a cabo un proceso químico que involucra organismos o sustancias bioquímicamente activas derivadas de dichos organismos. Este proceso puede ser aeróbico o anaerobio. Estos biorreactores son comúnmente cilíndricos, variando en tamaño desde algunos mililitros hasta metros cúbicos y son usualmente fabricados en acero inoxidable.

Un biorreactor puede ser también un dispositivo o sistema empleado para hacer crecer células o tejidos en operaciones de cultivo celular. Estos dispositivos se encuentran en desarrollo para su uso en ingeniería de tejidos.

En términos generales, un biorreactor busca mantener ciertas condiciones ambientales propicias (pH, temperatura, concentración de oxígeno, etcétera) al organismo o sustancia química que se cultiva. En función de los flujos de entrada y salida, la operación de un biorreactor puede ser de tres modos distintos:

1. Lote (batch)

2. Lote alimentado (fed-batch)

3. Continuo o quimiostato

CULTIVOS Y FERMENTACIONES

Lo primero que hay que entender en el diseño de reactores biológicos es que contrario a los químicos, su cinética no está determinada exclusivamente por la velocidad de reacción y las variables que la determinan. Aunque se puede describir de manera similar a la química, la cinética biológica también depende de características intrínsecas del organismo o cultivo tales como crecimiento y tasa de división celular, así como del tipo de operación que se lleve a cabo. Por eso, lo primero que se define en el diseño de un biorreactor es el propósito de utilización; es decir, qué tipo de cultivo se va a utilizar, el modo de operar y/o el proceso de cultivo. El conjunto biorreactor-sistema de cultivo debe cumplir con los siguientes objetivos:

1. Mantener las células uniformemente distribuidas en todo el volumen de cultivo.

2. Mantener constante y homogénea la temperatura.

3. Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes.

4. Prevenir la sedimentación y la floculación.

5. Permitir la difusión de gases nutrientes a la velocidad requerida por el cultivo.

6. Mantener el cultivo puro.

7. Mantener un ambiente aséptico.

8. Maximizar el rendimiento y la producción.

9. Minimizar el gasto y los costos de producción.

10. Reducir al máximo el tiempo.

Una fermentación es un proceso biológico o bioproceso que consiste en la descomposición de la materia orgánica por microorganismos fermentadores (bacterias y hongos).

Un cultivo también es un bioproceso; pero generalmente se asocia a organismos o microorganismos superiores (en orden jerárquico) a las bacterias; los cultivos son casi todos del Reino Eucariota.

Clasificación de los biorreactores

Clasificación operativa

Tanto biorreactores como fermentadores se clasifican primeramente de acuerdo al modo de operación: discontinuo, semicontinuo, continuo.

Esta es una clasificación operativa y se aplica a cualquier reactor, sea químico o biológico (biorreactor). En los reactores biológicos el modo de operación define el sistema de cultivo que es el mismo y delimita la clasificación procesal-productiva del bioproceso (cultivo). Al operar un biorreactor en una determinada categoría (discontinuo, semicontinuo, continuo), automáticamente queda determinado el modo de cultivo del sistema y se definen los parámetros y las características operativas y de diseño que intervienen en el proceso productivo del sistema.

Clasificación biológica

Los sistemas biológicos deben interaccionar con el ambiente externo para poder crecer y desarrollarse; es por eso que los biorreactores se clasifican biológicamente de acuerdo al metabolismo procesal del sistema de cultivo: anaeróbico, facultativo, aeróbico.

Los bioprocesos de cultivo y las fermentaciones están basados en el metabolismo celular del cultivo. El metabolismo define los parámetros y características operativas-biológicas de diseño y de operación del biorreactor. Estas características son las que intervienen en la parte biológica del sistema y tienen que ver con el crecimiento, productividad y rendimiento del cultivo; por lo que, definen la clasificación biológica-procesal del sistema de cultivo.

Clasificación biológica-operativa

Ambas clasificaciones; la biológica y la operativa, son procesalmente interdependientes y en su conjunto afectan el diseño final del biorreactor.

Al conjuntarse ambas clasificaciones, se conjuntan también la función operativa y la biológica para establecer entre ambas un propósito de utilización, el modo de cultivo y el bioproceso. Siendo el propósito de utilización, el destino de cultivo del biorreactor; para qué tipo de cultivo va a ser utilizado el biorreactor; el modo de cultivo es sinónimo de sistema de cultivo y el bioproceso es en sí, todo el proceso. para la historia

Modo de Operación y Sistemas de Cultivo

El modo de operación de un sistema de cultivo, es sinónimo del modo de operar del biorreactor o fermentador. Éste no solo influye en el diseño propio del reactor, también, en el modelo cinético de crecimiento del cultivo y en el proceso de producción. Existen tres modos de cultivo aunados a tres modos básicos de operación:

• Discontinuo(batch): por lotes o tandas, sin alimentación (F); se coloca dentro del biorreactor la carga total de cada proceso (tanda o lote) de cultivo o fermentación y se dejar que se lleve a cabo el proceso productivo o la fermentación por el tiempo que sea necesario; el cuál se denomina tiempo de retención.

• Semicontinuo (fed-batch): por lotes alimentados, con alimentación de entrada (F1); se alimenta una línea de entrada o alimentación (F1) para que el sistema de cultivo tenga un producto (biomasa) con máximo de crecimiento (exponencial) y aumente la productividad.

• Continuo (continuos): por quimioestato, se alimenta una línea de entrada F1 o alimentación y se drena una línea de salida F2 o lavado; de manera que los flujos o caudales de ambas líneas sean iguales y la producción sea continua.

 Aplicaciones en la medicina

El desarrollo de la Genómica y la Proteómica, así como la aplicación de la Biotecnología a la Medicina, permitirán identificar los genes que intervienen en las enfermedades con más prevalencia y desarrollar fármacos que compensen la actividad de los genes alterados en cada patología. Asimismo, los avances en la investigación biotecnológica harán posible, antes de 2010, que pueda conocerse, por ejemplo, qué propensión tiene cada individuo a cada tipo de cáncer y detectar tumores antes de que existan, gracias a la posibilidad de examinar los 30.000 genes que tiene cada ser humano.

Las cuatro áreas de investigación sobre salud humana en las que la Biotecnología tiene un mayor impacto son las relativas a diagnóstico molecular y pronóstico de enfermedades; desarrollo de fármacos; terapia celular e ingeniería de tejidos y, por último, terapia génica y vacunas génicas.

La diferencia aportada por la biotecnología moderna es que actualmente el hombre no sólo sabe cómo usar las células u organismos que le ofrece la naturaleza, sino que ha aprendido a modificarlos y manipularlos en función de sus necesidades. La biotecnología tal como la conocemos actualmente empezó en los años 50 con el descubrimiento por James Watson y Francis Crick de la estructura de la molécula de ADN* (ácido desoxirribonucleico) que es donde se almacena la información genética (la herencia) en todos los seres vivos.

PREVENCIÓN DE ENFERMEDADES INFECCIOSAS

Hasta ahora, el desarrollo de las vacunas se limitaba a la utilización de agentes infecciosos atenuados o muertos, pero la biotecnología ha comenzado a revolucionar este campo ya que los investigadores pueden utilizar microorganismos totalmente inocuos en las vacunas. Esto permite introducir genes que determinan la producción de ciertos antígenos (obtenidos de microorganismos causantes de enfermedades y que son determinantes de la patogenicidad) en bacterias inocuas, las cuales constituyen, en sí mismas, las vacunas, que permiten que el individuo vacunado pueda generar los anticuerpos protectores necesarios para atajar una posible infección. Esta técnica facilita la inmunización frente a enfermedades para las cuales aún no se habían desarrollado vacunas satisfactorias, e incluso permite desarrollar vacunas que protejan frente a varias infecciones simultáneamente. Dos ejemplos de vacunas creadas por ingeniería genética son la vacuna frente a la hepatitis B y frente a la rabia.

Diagnóstico molecular

Con el nombre de Diagnóstico Molecular se engloban una serie de técnicas basadas en el análisis del DNA o ácido desoxirribonucleico, que es la molécula que recoge toda la información genética de las células. Dicho análisis puede tener dos objetivos: la detección de microorganismos de forma rápida y eficaz, así como el estudio de variaciones en los genes humanos que pueden condicionar la aparición de enfermedades.

Terapias Genéticas

Terapia génica, inserción de un gen o genes en las células para proporcionar un nuevo grupo de instrucciones a dichas células. La inserción de genes se utiliza para corregir un defecto genético hereditario que origina una enfermedad, para contrarrestar o corregir los efectos de una mutación genética, o incluso para programar una función o propiedad totalmente nueva de una célula. Los genes están compuestos de moléculas de ácido desoxirribonucleico o ADN (véase Ácidos nucleicos), y se localizan en los núcleos celulares. Las instrucciones que dirigen el desarrollo de un organismo están codificadas en los genes. Ciertas enfermedades como la fibrosis quística se deben a un defecto genético hereditario. Otras están causadas por una codificación errónea de un gen, de modo que las instrucciones que contiene están desorganizadas o cambiadas. El error en la codificación genética se produce cuando el ADN de la célula se está duplicando durante el crecimiento y división celular (mutación somática) y es frecuente cuando una célula se convierte en cancerosa.

Ingeniería de Tejidos

Es una rama emergente de la ciencia que aplica principios de ingeniería y biología para desarrollar sustitutos biológicos que restauren o mejoren las funciones de órganos y tejidos dañados. La interacción de estas disciplinas permite crear tejidos y órganos funcionales mediante la combinación de células de un paciente, o provenientes de un banco de células, con una matriz de soporte adecuada. Los campos de aplicación de la ingeniería de tejidos son inmensos y permiten resolver, entre otros tantos problemas, la escasez de donantes de órganos.

El área de terapia génica investiga, crea e implementa productos que emplean sistemas de transferencia de genes como tratamiento en enfermedades humanas. Las investigaciones están orientadas a obtener productos genéticos y dispositivos de liberación de genes terapéuticos con una rápida transferencia de estas nuevas herramientas para la medicina.

Ingeniería genética

La ingeniería genética se utilizó inicialmente (por su alto coste) para producir sustancias de usos farmacéutico, como la insulina, modificando genéticamente microorganismos. Con los posteriores desarrollos, se obtuvieron también enzimas para uso industrial, como la quimosina recombinante, utilizada, al igual que la obtenida de estómagos de terneros jóvenes (su fuente original, el "cuajo"), para elaborar el queso. Posteriormente se han obtenido vegetales (y animales) modificados genéticamente para mejorar sus propiedades. Los productos de la biotecnología están alrededor nuestro. El yogurt, la cerveza, el vino y el queso de nuestra heladera son productos de la biotecnología. Los pickles, el pan, y el vinagre de nuestra cocina también lo son. Cientos de años atrás, la gente fue descubriendo, casi por accidente, cómo hacer uso de los procesos biológicos que ocurren dentro de las células vivientes. Sin entender los procesos, podían ver los resultados. Descubrieron, por ejemplo, que ciertos microorganismos, como las bacterias y los hongos podían producir vinagre, cerveza o vino cuando crecían en grandes tinas. Estos procesos fueron llamados fermentación. A través de prueba y error, aprendieron el control de estos procesos y a producir grandes cantidades de un amplio rango de productos.

La ingeniería genética nos ha permitido el desarrollo de ciertas actividades relacionadas con la medicina. Podemos diferenciar tres aplicaciones prácticas en este campo.

• El diagnóstico clínico:

o Gracias al mejor conocimiento de la relación entre la genética y muchas enfermedades, la identificación de los genes que las provocan nos permiten realizar un diagnóstico precoz. Los avances de la ingeniería genética han hecho posible la localización de los genes responsables de algunas enfermedades, tales como la fibrosis quística, la distrofia muscular, la hemofilia o el Alzheimer. Para identificar estos genes se usan sondas de ADN.

• La identificación genética:

o Hoy en día podemos conocer la identidad de una persona solamente a partir de una gota de sangre o de cualquier célula de la que se pueda extraer una molécula de ADN. Enumeramos las etapas de este proceso:

1. Se extrae sangre de un individuo.

2. Se fragmentan las cadenas de ADN y se separan en bandas usando corriente eléctrica.

3. Las bandas -que son los códigos característicos de cada persona-, constituyen su "huella dactilar" genética.

• La terapia génica:

o Consiste en la inserción de copias funcionales ausentes en el genoma de un individuo. Se realiza en las células y tejidos. La técnica todavía está en desarrollo, motivo por el cual su aplicación se lleva principalmente a cabo dentro de ensayos clínicos controlados, y para el tratamiento de enfermedades severas, bien de tipo hereditario o adquirido.

o El tratamiento puede llevarse a cabo de dos formas:

 Ex vivo: Es la más frecuente. Extraemos células del paciente, la corregimos en un laboratorio y se reintroduce en el paciente.

 In vivo: Se introduce directamente en el organismo el vector que lleva el gen que se desea incorporar.

 Aplicaciones en la agricultura y alimentación

En el campo de la agricultura las aplicaciones de la biotecnología son innumerables. Algunas de las más importantes son:

4.1. Resistencia a herbicidas.

La resistencia a herbicidas se basa en la transferencia de genes de resistencia a partir de bacterias y algunas especies vegetales, como la petunia. Así se ha conseguido que plantas como la soja sean resistentes al glifosato, a glufosinato en la colza y bromoxinil en algodón.

Así con las variedades de soja, maíz, algodón o canola que las incorporan, el control de malas hierbas se simplifica para el agricultor y mejoran la compatibilidad medioambiental de su actividad, sustituyendo materias activas residuales. Otro aspecto muy importante de estas variedades es que suponen un incentivo para que los agricultores adopten técnicas de agricultura de conservación, donde se sustituyen parcial o totalmente las labores de preparación del suelo. Esta sustitución permite dejar sobre el suelo los rastrojos del cultivo anterior, evitando la erosión, conservando mejor la humedad del suelo y disminuyendo las emisiones de CO2 a la atmósfera. A largo plazo se consigue mejorar la estructura del suelo y aumentar la fertilidad del mismo.

El ejemplo más destacado se ha observado en EEUU y Argentina, donde las autorizaciones de variedades de soja, tolerantes a un herbicida no selectivo y de baja peligrosidad, han tenido una rápida aceptación (14 millones de has en 1999) que ha ido acompañada de un rápido crecimiento de la siembra directa y no laboreo en este cultivo.

4.2. Resistencia a plagas y enfermedades.

Gracias a la biotecnología ha sido posible obtener cultivos que se autoprotegen en base a la síntesis de proteínas u otras sustancias que tienen carácter insecticida. Este tipo de protección aporta una serie de ventajas muy importantes para el agricultor, consumidores y medio ambiente:

• Reducción del consumo de insecticidas para el control de plagas.

• Protección duradera y efectiva en las fases críticas del cultivo.

• Ahorro de energía en los procesos de fabricación de insecticidas, así como disminución del empleo de envases difícilmente degradables. En consecuencia, hay estimaciones de que en EEUU gracias a esta tecnología hay un ahorro anual de 1 millón de litros de insecticidas (National Center for Food and Agricultural Policy), que además requerirían un importante consumo de recursos naturales para su fabricación, distribución y aplicación

• Se aumentan las poblaciones de insectos beneficiosos.

• Se respetan las poblaciones de fauna terrestre.

Este tipo de resistencia se basa en la transferencia a plantas de genes codificadores de las proteínas Bt de la bacteria Bacillus thuringiensis, presente en casi todos los suelos del mundo, que confieren resistencia a insectos, en particular contra lepidópteros, coleópteros y dípteros. Hay que señalar que las proteínas Bt no son tóxicas para los otros organismos. La actividad insecticida de esta bacteria se conoce desde hace más de treinta años. La Bt es una exotoxina que produce la destrucción del tracto digestivo de casi todos los insectos ensayados.

Este gen formador de una toxina bacteriana con una intensa actividad contra insectos se ha incorporado a multitud de cultivos. Destacan variedades de algodón resistentes al gusano de la cápsula, variedades de patata resistentes al escarabajo y de maíz resistentes al taladro.

Los genes Bt son sin duda los más importantes pero se han descubierto otros en otras especies, a veces con efectos muy limitados (en judías silvestres a un gorgojo) y otras con un espectro más amplio de acción como los encontrados en el caupí o en la judía contra el gorgojo común de la judía.

Los casos más avanzados de plantas resistentes a enfermedades son los de resistencias a virus en tabaco, patata, tomate, pimiento, calabacín, soja, papaya, alfalfa y albaricoquero. Existen ensayos avanzados en campo para el control del virus del enrollado de la hoja de la patata, mosaicos de la soja, etc.

4.3. Mejora de las propiedades nutritivas y organolépticas.

El conocimiento del metabolismo de las plantas permite mejorar e introducir algunas características diferentes. En tomate, por ejemplo, se ha logrado mejorar la textura y la consistencia impidiendo el proceso de maduración, al incorporar un gen que inhibe la formación de pectinasa, enzima que se activa en el curso del envejecimiento del fruto y que produce una degradación de la pared celular y la pérdida de la consistencia del fruto.

En maíz se trabaja en aumentar el contenido en ácido oleico y en incrementar la producción del almidones específicos. En tabaco y soja, se ha conseguido aumentar el contenido en metionina, aminoácido esencial, mejorando así la calidad nutritiva de las especies. El gen transferido procede de una planta silvestre que es abundante en el Amazonas (Bertollatia excelsia) y que posee un alto contenido en éste y otros aminoácidos.

4.4. Resistencia a estrés abióticos.

Las bacterias Pseudomonas syringae y Erwinia herbicola, cuyos hábitat naturales son las plantas, son en gran parte responsables de los daños de las heladas y el frío en muchos vegetales, al facilitar la producción de cristales de hielo con una proteína que actúa como núcleo de cristalización. La separación del gen implicado permite obtener colonias de estas bacterias que, una vez inoculadas en grandes cantidades en la planta, le confieren una mayor resistencia a las bajas temperaturas.

En cualquier caso, la resistencia a condiciones adversas como frío, heladas, salinidad, etc., es muy difícil de conseguir vía biotecnología, ya que la genética de la resistencia suele ser poligenética, interviniendo múltiples factores.

4.5. Otras aplicaciones.

• En el campo de la horticultura se han obtenido variedades coloreadas imposibles de obtener por cruzamiento o hibridación, como el el caso de la rosa de color azul a partir de un gen de petunia y que es el responsable de la síntesis de delfinidinas (pigmento responsable del color azul). En clavel también se ha conseguido insertar genes que colorean esta planta de color violeta.

• También se ha conseguido mejorar la fijación de nitrógeno por parte de las bacterias fijadoras que viven en simbiosis con las leguminosas. Otra línea de trabajo es la transferencia a cereales de los genes de nitrificación de dichas bacterias, aunque es enormemente compleja al estar implicados muchísimos genes.

• En colza y tabaco, se ha logrado obtener plantas androestériles gracias a la introducción de un gen quimérico compuesto por dos partes: una que sólo se expresa en el tejido de la antera que rodea los granos de polen y otra que codifica la síntesis de una enzima que destruye el ARN en las células de dicho tejido. Este procedimiento permitirá la obtención de híbridos comerciales con mayor facilidad.

• En la industria auxiliar a la agricultura destaca la producción de plásticos biodegradables procedentes de plantas en las que se les ha introducido genes codificadores del poli-b-hidroxibutirato, una sal derivada del butírico. Cuando estos genes se expresan en plantas se sabe que de cada 100 gr de planta se puede obtener 1 gr. de plástico biodegradable.

• Producción de plantas transgénicas productoras de vacunas, como tétanos, malaria en plantas de banana, lechuga, mango, etc.

 Aplicaciones medioambientales

Poco a poco, se va haciendo más habitual el uso de ciertos OGM en diversos tipos de aplicaciones medioambientales. Las dos aplicaciones más importantes o de mayor peso son las siguientes:

La biorremediación.

La biorremediación es el uso de seres vivos para restaurar ambientes contaminados. Es un concepto que no se debe de confundir con depuración. La depuración es la eliminación, ya sea por métodos físico/químicos o biológicos, de un contaminante antes de que éste alcance el medio ambiente. Cuando la contaminación ya se ha producido, se precisa restaurar el ecosistema contaminado, para lo que se usa la biorremediación, llevada a cabo a través de OGM.

Un ejemplo práctico es el uso de organismos modificados genéticamente para limpiar, por ejemplo los vertidos de petróleo. La primera vez que tuvo lugar este hecho fue en 1989, cuando el petrolero Exxon Valdez se hundió en las costas de Alaska.

Alternativas a actividades contaminantes.

A la hora de realizar ciertas actividades, como la extracción de minerales, se utilizan sustancias tóxicas que acaban contaminando el medio ambiente. El objetivo de esta alternativa consiste en usar, por ejemplo, OGM que eliminen el cianuro empleado para extraer oro. Esto conlleva una reducción importante del grado de contaminación.

La contaminación del medio ambiente

La contaminación del medio ambiente es en la actualidad un problema mundial al que es preciso hacer frente de inmediato. En los últimos años, las medidas para disminuir la contaminación y aumentar la seguridad del medio ambiente han ocupado un lugar prominente en los programas sociales y políticos de muchos países.

Antes de cualquier iniciativa para reducir la contaminación es necesario conocer con certeza tres factores:

- Cantidades de las sustancias contaminantes y lugares en que se presentan.

- Causas de la contaminación.

- Remedio adecuado para evitar la contaminación, sin crear otros efectos no deseados.

En la mayoría de los casos los isótopos radiactivos y no radiactivos es de gran utilidad para contestar a las dos primeras preguntas.

Efecto invernadero

Se denomina efecto invernadero al fenómeno por el cual determinados gases, que son componentes de la atmósfera planetaria, retienen parte de la energía que el suelo emite por haber sido calentado por la radiación solar. Afecta a todos los cuerpos planetarios dotados de atmósfera. De acuerdo con la mayoría de la comunidad científica, el efecto invernadero se está viendo acentuado en la Tierra por la emisión de ciertos gases, como el dióxido de carbono y el metano, debido a la actividad humana.

Este fenómeno evita que la energía solar recibida constantemente por la Tierra vuelva inmediatamente al espacio, produciendo a escala mundial un efecto similar al observado en un invernadero.

Aplicaciones de las técnicas isotópicas

• Medida de gases contaminantes. Se ha desarrollado un método ingenioso y simple para calcular las liberaciones de CO2 en la atmósfera local de una zona industrial: las plantas captan C-14 procedente de las radiaciones cósmicas, en forma de CO2 y también incorporan el CO2 emitido por las industrias de la zona, por lo que determinando la proporción de C radiactivo y no radiactivo se puede determinar la emisión total de CO2 en la zona.

• Eliminación de contaminantes. Los isótopos no sólo son útiles para estudiar el desplazamiento en aire de las sustancias contaminantes. Los métodos nucleares, como la irradiación con haces electrónicos en presencia de amoniaco, son muy útiles para eliminar gases contaminantes, incluidos los gases del efecto invernadero. Estos métodos tienen entre otras muchas ventajas el que los subproductos generados pueden ser utilizados como fertilizantes agrícolas (proyecto piloto en Polonia).

• Estudio de cambios climáticos del pasado. La comprensión de los cambios climáticos que tuvieron lugar en el pasado encierra la clave para predecir los cambios futuros. Los isótopos son un importante instrumento utilizado para ampliar el análisis espacial y temporal de los procesos climáticos. Tanto los isótopos radiactivos como los estables han servido de importante recurso para el estudio de parámetros relacionados con el clima, entre ellos la temperatura del aire de la superficie, la humedad relativa de la atmósfera y la cantidad de precipitación.

En determinados nodos del ciclo del agua, las signaturas isotópicas y sus cambios a lo largo del tiempo quedan preservados en diversos archivos de depósito. Las variaciones de las composiciones isotópicas que ocurren en estos archivos proporcionan una ventana a través de la cual pueden observarse los sistemas hidrológicos y climáticos del pasado. Los isótopos son semejantes a registros naturales de datos o huellas dactilares presentes en el interior de la molécula de agua y de las sustancias químicas y las trazas metálicas que se disuelven en el agua.

Contaminación del agua

La contaminación del agua superficial puede remediarse con medidas concertadas de prevención y control, pero el problema es más grave cuando la contaminación penetra en las aguas subterráneas. El agua subterránea contaminada puede permanecer en los acuíferos durante siglos, incluso milenios y su descontaminación es muy difícil, sino imposible. Las técnicas isotópicas pueden ayudar a evaluar la vulnerabilidad de las aguas subterráneas a la contaminación procedente de la superficie, al determinar su velocidad de desplazamiento y la zona de recarga. También permiten precisar las fuentes de contaminación superficiales: naturales, industriales, agrícolas o domésticas. Las técnicas isotópicas ayudan a descubrir una contaminación incipiente y pueden servir de alerta temprana cuando indicadores químicos o biológicos no muestran signos preocupantes.

Los nitratos son uno de los contaminantes del agua subterránea más comunes y nocivos. El análisis isotópico del nitrógeno de muestras de agua subterránea puede ayudar a identificar las fuentes de contaminación de nitratos y facilitar la adopción de medidas de mitigación adecuadas.

La contaminación del agua con cantidades traza de solventes clorinados es un problema medioambiental importante en todo el mundo. La eliminación de los bajos niveles de estos compuestos en agua es difícil. Un método relativamente reciente consiste en oxidar con radicales OH estos compuestos, lo que generaría CO2, o iones de cloro, totalmente inocuos. Con diferencia el método más sencillo para producir radicales OH es la exposición de agua a radiación ionizante, ya que no es necesario añadir ningún agente químico

Se está impulsando el uso de aceleradores de haces de electrones avanzados para desinfectar agua para beber y aguas residuales.

Contaminación del suelo

Cuando la contaminación del medio ambiente comenzó a considerarse un serio problema, el interés se centró en la contaminación del aire y el agua, tal vez por ser más visibles. El problema de la contaminación del suelo se descuidó durante mucho tiempo, pero actualmente se considera que tiene una importancia similar a la de las otras fuentes de contaminación ambiental. Es importante resaltar el papel que juega el suelo en la posible aparición de sustancias contaminantes en la cadena alimentaria del hombre.

La agricultura emplea las mayores cantidades de productos químicos que penetran en el suelo como fertilizantes o plaguicidas. Los plaguicidas venenosos deben probarse cuidadosamente para garantizar su descomposición en productos que no representen amenaza para el hombre o los animales. Una aplicación importante de los isótopos es determinar la descomposición de los productos y su destino.

Otro problema agrícola medioambiental es el de los fertilizantes no utilizados que se descomponen en productos de oxidación del nitrógeno y que por lo tanto pueden convertirse en un problema grave.

Las técnicas nucleares son ideales para evaluar con exactitud la contaminación y, en muchos casos, permiten determinar la fuente exacta de la misma. Existen muchas formas de contaminación del suelo que ocurren todos los días, como la filtración de tuberías que contienen por ejemplo excrementos humanos o petróleo, o los derrames superficiales de productos químicos transportados, con respecto a las cuales los métodos isotópicos desempeñan un papel importante.

Una aplicación concreta de las radiaciones ionizantes es en los lodos de depuradoras municipales. Estos lodos contienen metales pesados orgánicos y múltiples contaminantes patógenos. Estos lodos una vez higienizados pueden ser utilizados como abonos agrícolas. La eliminación de patógenos (desinfección) puede realizarse mediante irradiación, la cual se realiza una vez el lodo ha sido sometido a un proceso de secado.

Erradicación de plagas

Si bien algunos insectos son importantes para mantener el equilibrio ecológico natural, también hay que tener en cuenta que compiten con el hombre por la obtención de alimentos y amenazan la salud de los animales y de los seres humanos. Algunos insectos destruyen valiosos cultivos alimentarios, estimándose que a escala mundial las pérdidas de las cosechas ocasionadas por los insectos pueden ascender a más del 10% de la cosecha total, lo que equivale a perder la producción de todo un país como EE.UU.

Tradicionalmente la lucha contra las plagas de insectos se ha realizado empleando productos químicos (insecticidas). Ello ha creado a veces problemas de contaminación ambiental y de presencia de residuos tóxicos en nuestros alimentos. Además, muchos insectos han desarrollado resistencia a los insecticidas, lo que se traduce en la utilización de cantidades cada vez mayores de estos productos. Por lo tanto hace ya muchos años que era evidente la necesidad de nuevos criterios y metodologías de lucha contra los insectos.

La técnica de insectos estériles (TIE)

¿En qué consiste la técnica?

Para la TIE los insectos cuya plaga se quiere erradicar, se producen en grandes plantas de cría para posteriormente esterilizarlos sexualmente con radiación gamma y liberarlos al medio ambiente. Cuando los insectos estériles se aparean con los insectos silvestres no se producen crías, lo que hace que la población de insectos (plaga) disminuya progresivamente.

La TIE es una técnica muy eficaz y respetuosa con el medio ambiente, ya que sólo se verá afectado el insecto que se quiere erradicar. La técnica es más eficaz cuando menor es la densidad de insectos en la plaga. Además, la TIE puede utilizarse junto con métodos más tradicionales, como el uso de insecticidas.

Son muchos los insectos que han sido erradicados con la TIE, algunos de ellos son:

Gusano barrenador del Nuevo Mundo

El gusano barrenador ha sido históricamente una de las plagas más destructivas y costosas que atacan a los animales de sangre caliente, tanto domésticos como silvestres, e incluso al hombre.

El gusano barrenador del Nuevo Mundo es producto del ciclo biológico de la mosca cuyo nombre científico es Cochiliomyia homnivorax. El ciclo de vida del parásito dura aproximadamente 21 días. La mosca hembra ya fecundada pone sus huevecillos en las heridas abiertas de animales o seres humanos, donde después eclosionan y sus larvas penetran desgarrando el tejido y se alimentan del líquido que se forma. A los siete días, las larvas caen al suelo, donde se entierran para convertirse en pupas. Después de siete días a dos meses, las moscas adultas emergen para completar el ciclo biológico. La mosca tiene casi el doble del tamaño de una mosca casera corriente, es de color azul verdoso y tiene ojos grandes de color rojizo anaranjado.

El barrenador se distingue de otras especies de larvas porque sólo se alimenta de tejido vivo, nunca de tejido muerto. Una vez que infesta la herida de un animal o humano, el gusano barrenador puede hasta matarlo, literalmente se lo come vivo.

La manera de eliminar el parásito fue descubierta en los años 30, cuando se observó que la mosca podía ser esterilizada sexualmente utilizando radiaciones ionizantes, ya que la hembra se aparea una sola vez en su vida y al hacerlo con un macho estéril los huevecillos depositados por ella no nacen, haciendo posible la erradicación. En 1976 se inició su producción en una planta de moscas estériles de Chiapa de Corzo (México), donde se producen 300 millones de insectos por semana. La esterilización sexual se lleva a cabo irradiando los insectos con rayos gamma (Cs-137) a una dosis de 70 Gy. El Programa de erradicación del gusano barrenador del Nuevo Mundo ha logrado progresos fundamentales en la lucha contra el parásito en EE.UU., México, Centroamérica y norte de África.

Mosca de la fruta mediterránea

Gran parte de la fruta producida en el mundo es infestada por este insecto. La mosca no sólo daña la fruta sino que impide a los países infestados su exportación a países no afectados por la plaga.

Gracias a la TIE, la mosca mediterránea de la fruta fue erradicada de México y la mosca del melón de Okinawa (Japón). Además varias irrupciones de la mosca de la fruta se han erradicado con empleo de la TIE en EE.UU.

Mosca tsé tsé

La mosca tsé tsé produce el nagana en los animales y la enfermedad del sueño o tripanosomiasis africana en los humanos. Estos insectos han impedido el asentamiento y el desarrollo de amplias zonas de África. Con el empleo de la TIE, una especie de la mosca tsé tsé se ha erradicado en ciertas partes de Nigeria y otras tres especies, de algunas zonas de Burkina Faso.

Las zonas que aparecen en rojo, son aquellas que están infestadas con la mosca tsé-tsé en África

Mosquito transmisor de la malaria

La malaria es la enfermedad transmitida por insectos más importante del mundo. Globalmente hay entre 300 y 500 millones de casos clínicos de malaria al año. Ello produce dos millones de muertes anuales (¡Una muerte cada 30 segundos!) y más del 90% de ellas ocurren en África subsahariana. Más del 90% de los afectados son niños menores de 5 años. La causa de la enfermedad son parásitos del género Plasmodio y sólo se transmiten por los mosquitos hembra del género Anopheles.

En ciertas regiones los parásitos han desarrollado resistencia a las drogas utilizadas para combatir la malaria. Así, la barata droga contra la malaria, cloroquina no es ya efectiva contra muchas subespecies de parásitos. En estos casos hay que recurrir a otras drogas mucho más caras. Debido a que nuevas variedades del parásito de la malaria están continuamente evolucionando y mostrando una mayor resistencia a las drogas utilizadas en la actualidad, el seguimiento rutinario del desarrollo de resistencia a drogas es una actividad esencial para todo programa de control de la malaria.

Se ha desarrollado una variedad de la TIE, por la que sólo se producen insectos macho. Para seleccionar a los machos, se recurre a la manipulación genética. Mediante técnicas de biología molecular se introduce en los machos un gen que confiera resistencia a un agente tóxico. Una vez producidos los insectos manipulados genéticamente, se someten a la sustancia tóxica de tal manera que sólo los machos que poseen el gen de resistencia al tóxico sobrevivirán, mientras que las hembras que no poseen el gen de resistencia morirán.

Polilla gitana

Existe otra variedad de la TIE, conocida como Técnica de esterilidad heredada, que ha dado buenos resultados en las polillas. En ciertos insectos, como las polillas, la exposición a las dosis de radiación ionizante necesarias para esterilizarlas, produce alteraciones adicionales en los insectos como por ejemplo cambios es sus prácticas reproductoras. Los científicos han observado que algunos de esos insectos pueden irradiarse con dosis más bajas, lo que no los esteriliza totalmente, pero determina que sus descendientes si sean estériles. Las infestaciones de la polilla gitana se han erradicado en varios lugares aislados de los EE.UU. con empleo de esta técnica.

Aplicaciones hidrológicas

La escasez y degradación del agua son causa de creciente preocupación para los países de todo el mundo. Hoy día, más de un billón de personas no tiene acceso a agua limpia. Según la FAO la demanda de agua dulce se está duplicando cada 21 años. A medida que la contaminación industrial, agrícola y doméstica amenaza los recursos finitos, el agua resulta un recurso cada vez más valioso

El agua es uno de los bienes más preciados que tenemos, ya que sin agua, no hay vida.

Está claro que si no se organizan mejor los recursos hídricos podría producirse una reducción del crecimiento económico y plantearse peligros potenciales para la salud humana y el medio ambiente.

La hidrología isotópica permite conocer el comportamiento del agua y ayuda a establecer las bases para un uso racional de este valioso recurso. Los isótopos radiactivos, tanto naturales como artificiales, pueden resolver o ayudar a resolver importantes problemas hidrológicos. Una ventaja de las técnicas nucleares es que pueden ofrecer una respuesta definitiva en poco tiempo y que las mediciones son relativamente baratas.

Las técnicas isotópicas pueden ser de gran utilidad para impulsar el desarrollo y aprovechamiento de los recursos hídricos en cualquier lugar. Estas técnicas proporcionan información inestimable sobre las fuentes, el movimiento y el volumen de agua en distintos medios, incluidos ríos y lagos y resultan particularmente útiles para investigar las reservas de agua que existen bajo la superficie de la tierra, las aguas subterráneas.

¿Qué información pueden aportar los isótopos en hidrología?

La aplicación de técnicas isotópicas en hidrología va a permitir obtener información muy valiosa sobre las aguas subterráneas, en lo que se refiere a su origen, edad, distribución, calidad del agua, presencia y mecanismos de recarga o existencia de interconexiones entre los cuerpos de agua subterránea (acuíferos). Estas técnicas también pueden ayudar a conocer mejor aspectos muy diversos de las aguas superficiales, como son la dinámica de lagos y embalses, posibles filtraciones de las represas, descargas de los ríos, transporte de sedimentos suspendidos y del fondo, la tasa de sedimentación y otros datos sobre litología, porosidad y permeabilidad de acuíferos.

Las técnicas isotópicas no pueden "descubrir" las aguas subterráneas. Sin embargo, en el caso de algunos manantiales, los isótopos pueden ofrecer indicaciones preliminares de las trayectorias de flujo y orígenes del agua.

¿Cómo pueden los isótopos ayudarnos a conocer los recursos hídricos?

Isótopos naturales como el tritio (H-3) y el radiocarbono (C-14) se producen en ínfimas cantidades en la atmósfera. Estos isótopos son radiactivos, lo que significa que se desintegran con el tiempo. Estos se infiltran en las aguas subterráneas con las precipitaciones y pueden medirse con equipos sensibles especializados. El hecho de conocer el periodo de semidesintegración de estos isótopos permite medir sus concentraciones para interpretar su "edad" o tiempo de permanencia en las aguas subterráneas. El tiempo de permanencia indica la tasa de renovación y la velocidad de flujo de las aguas subterráneas. Así, registrando los niveles de tritio radiactivo en el suelo a diversas profundidades, se puede medir la tasa de recarga de las aguas subterráneas, aspecto crítico en la gestión de recursos hídricos.

Los resultados del análisis de contenido de tritio en el agua nos puede aportar la siguiente información:

• Aguas sin tritio (0 UT). Edad superior a los cien años.

• Aguas con valores de tritio inferior al de la precipitación actual (0-5 UT en la península Ibérica) Son aguas relativamente recientes, pero con una edad superior a 50 años, o bien se trata de una mezcla entre aguas más o menos recientes y aguas con contenido muy bajo o nulo de tritio.

• Aguas con valores de tritio entre 5 y 7 UT. Son los valores que se observan hoy en día en las precipitaciones sobre la Península Ibérica, y corresponden por tanto, casi siempre, a aguas subterráneas muy recientes 3-5 años.

• Aguas con valores de tritio entre 7 y » 20 UT. Los contenidos de tritio superiores a los de las lluvias actuales corresponden de forma inequívoca a las precipitaciones de las últimas cuatro décadas.

• Aguas con valores de tritio superiores a » 20 UT. Corresponde a tritio artificial derivado de algún tipo de contaminación donde hubo lixiviado de algún residuo con alto contenido de tritio. Estos valores tan sólo se observan en las proximidades de basureros o zonas de residuos industriales.

El movimiento de las aguas, tanto superficiales como subterráneas, también puede investigarse utilizando radioisótopos artificiales, es decir inyectando alguna sustancia en el agua que luego se detecta en algún otro lugar del sistema. Para este fin pueden emplearse numerosas sustancias, entre otras colorantes y sal común. No obstante, en la mayoría de las aplicaciones la sensibilidad de medición requerida sólo puede lograrse inyectando isótopos radiactivos, como el isótopo artificial H-3 o el Yodo radiactivo (131-I).

Isótopos radiactivos naturales como el tritio (H3) nos permiten "seguir la pista" al agua

Los isótopos ayudan a aprovechar las reservas de agua potable. Por ejemplo, se realizó un estudio para definir la forma en que el río Nilo reabastece los acuíferos de aguas subterráneas locales que se explotan con fines domésticos y agrícolas. Utilizando los isótopos O-18, H-2, H-3 y C-14 se pudo diferenciar el agua dulce originada por la infiltración del río Nilo de las paleoaguas, un recurso no renovable. Quedó demostrado que la influencia de las aguas del Nilo puede observarse hasta una distancia de 60 Km de la margen del río. La información sobre la contribución relativa del agua reciente y antigua a la explotación de los pozos ayudó a diseñar estrategias de aprovechamiento adecuadas para las redes locales de abastecimiento de agua.

En la zona del embalse de Canelles en Lleida, se midieron en algunos manantiales valores de tritio de orden de 1.200 UT en los años 60, mientras que otros manantiales próximos presentaron valores mucho más bajos. Estos datos permitieron identificar aquellos manantiales que podían estar relacionados con el embalse.

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