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Bioincrustación

Instrumento de medición de corriente incrustado con mejillones cebra. Organismos vegetales, bacterias y animales ( esponjas de agua dulce ) han cubierto (ensuciado) la funda de ...

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Instrumento de medición de corriente incrustado con mejillones cebra.
Organismos vegetales, bacterias y animales ( esponjas de agua dulce ) han cubierto (ensuciado) la funda de un cable eléctrico en un canal (Mid- Deûle en Lille , al norte de Francia).

La bioincrustación o ensuciamiento biológico es un fenómeno que afecta a los objetos fabricados por el hombre en presencia de agua, donde microorganismos , plantas , algas o pequeños animales se acumulan en las superficies de los objetos e impiden su funcionamiento. Esta acumulación se denomina epibiosis cuando la superficie huésped es otro organismo y la relación no es parasitaria. Dado que la bioincrustación puede ocurrir prácticamente en cualquier lugar donde haya agua, supone un riesgo para una amplia variedad de objetos, como cascos y equipos de embarcaciones, dispositivos médicos y membranas, así como para industrias enteras, como la fabricación de papel, el procesamiento de alimentos , la construcción submarina y las plantas desalinizadoras.

La antiincrustación es la capacidad de materiales diseñados específicamente (como pinturas biocidas tóxicas o pinturas no tóxicas ) [ 1 ] para eliminar o prevenir la bioincrustación. [ 2 ]

La acumulación de bioincrustaciones en los buques marinos representa un problema significativo. En algunos casos, la estructura del casco y los sistemas de propulsión pueden resultar dañados. [ 3 ] La acumulación de bioincrustaciones en los cascos puede aumentar tanto el volumen hidrodinámico de un buque como la fricción hidrodinámica, lo que conlleva un aumento de la resistencia de hasta un 60 %. [ 4 ] Se ha observado que este aumento de la resistencia reduce la velocidad hasta en un 10 %, lo que puede requerir un incremento de hasta un 40 % en el consumo de combustible para compensarlo. [ 5 ] Dado que el combustible suele representar hasta la mitad de los costes del transporte marítimo, los métodos antiincrustantes ahorran a la industria naviera una cantidad considerable de dinero. Además, el aumento del consumo de combustible debido a las bioincrustaciones contribuye a efectos ambientales adversos y se prevé que incremente las emisiones de dióxido de carbono y dióxido de azufre entre un 38 % y un 72 % para 2020, respectivamente. [ 6 ]

Biología

Los organismos de bioincrustación son muy diversos y van mucho más allá de la adhesión de percebes y algas. Según algunas estimaciones, más de 1700 especies que comprenden más de 4000 organismos son responsables de la bioincrustación. [ 7 ] La bioincrustación se divide en microincrustación —formación de biopelículas y adhesión bacteriana— y macroincrustación —adhesión de organismos más grandes—. Debido a la química y biología distintivas que determinan lo que les impide asentarse, los organismos también se clasifican como tipos de bioincrustación dura o blanda. Los organismos de bioincrustación calcárea (dura) incluyen percebes , briozoos incrustantes , moluscos como los mejillones cebra y poliquetos y otros gusanos tubícolas . Ejemplos de organismos de bioincrustación no calcárea (blanda) son las algas , los hidroides , las algas y el "moco" de biopelícula. [ 8 ] En conjunto, estos organismos forman una comunidad de bioincrustación .

Formación de ecosistemas

Proceso inicial de bioincrustación: (izquierda) Recubrimiento del "sustrato" sumergido con polímeros. (avanzando hacia la derecha) Adhesión bacteriana y formación de la matriz de sustancia polimérica extracelular (EPS).

La incrustación marina se describe típicamente siguiendo cuatro etapas de desarrollo del ecosistema. En el primer minuto, la interacción de van der Waals hace que la superficie sumergida se cubra con una película acondicionadora de polímeros orgánicos. En las siguientes 24 horas, esta capa permite que se produzca el proceso de adhesión bacteriana , con la unión de diatomeas y bacterias (por ejemplo, Vibrio alginolyticus , Pseudomonas putrefaciens ), iniciando la formación de una biopelícula . Al final de la primera semana, los ricos nutrientes y la facilidad de adhesión a la biopelícula permiten que colonizadores secundarios de esporas de macroalgas (por ejemplo, Enteromorpha intestinalis , Ulothrix ) y protozoos sésiles (por ejemplo, Vorticella , Zoothamnium sp.) se adhieran. En dos o tres semanas, los colonizadores terciarios —los macroincrustantes— se han adherido. Estos incluyen tunicados , moluscos y cnidarios sésiles . [ 1 ]

Impacto

Bioincrustaciones muertas bajo un barco de madera (detalle)

Los gobiernos y la industria gastan más de 5700  millones de dólares estadounidenses al año para prevenir y controlar la bioincrustación marina. [ 9 ] La bioincrustación ocurre en todas partes, pero es más significativa económicamente para la industria naviera , ya que la incrustación en el casco de un barco aumenta significativamente la resistencia , reduciendo el rendimiento hidrodinámico general de la embarcación, y aumenta el consumo de combustible. [ 10 ]

La bioincrustación también se encuentra en casi todas las circunstancias donde los líquidos a base de agua están en contacto con otros materiales. Los impactos de importancia industrial se observan en el mantenimiento de la maricultura , los sistemas de membranas ( por ejemplo , biorreactores de membrana y membranas de ósmosis inversa enrolladas en espiral) y los ciclos de agua de refrigeración de grandes equipos industriales y centrales eléctricas . La bioincrustación puede ocurrir en oleoductos que transportan aceites con agua arrastrada, especialmente aquellos que transportan aceites usados, aceites de corte , aceites solubles en agua mediante emulsificación y aceites hidráulicos . [ 11 ]

Otros mecanismos afectados por la bioincrustación incluyen dispositivos microelectroquímicos de administración de fármacos, maquinaria de la industria papelera y de la pulpa, instrumentos subacuáticos, tuberías de sistemas de protección contra incendios y boquillas de sistemas de rociadores. [ 2 ] [ 8 ] En pozos de agua subterránea, la acumulación de bioincrustación puede limitar los caudales de recuperación, como ocurre en el exterior e interior de las tuberías de tendido oceánico, donde la incrustación se suele eliminar mediante un proceso de limpieza de tubos . Además de interferir con los mecanismos, la bioincrustación también se produce en las superficies de organismos marinos vivos, cuando se conoce como epibiosis. [ 11 ]

Los dispositivos médicos suelen incluir disipadores de calor con ventilador para enfriar sus componentes electrónicos. Si bien estos sistemas a veces incluyen filtros HEPA para retener microbios, algunos patógenos atraviesan estos filtros, se acumulan dentro del dispositivo y finalmente se expulsan, infectando a otros pacientes. [ 12 ] Los dispositivos utilizados en quirófanos rara vez incluyen ventiladores para minimizar la posibilidad de transmisión. Asimismo, los equipos médicos, las unidades de climatización, las computadoras de alta gama, las piscinas, los sistemas de agua potable y otros productos que utilizan tuberías de líquidos corren el riesgo de sufrir bioincrustaciones debido al crecimiento biológico que se produce en su interior. [ 13 ]

Históricamente, la atención se ha centrado en el grave impacto de la bioincrustación en la velocidad de los buques. En algunos casos, la estructura del casco y los sistemas de propulsión pueden sufrir daños. [ 3 ] Con el tiempo, la acumulación de bioincrustaciones en los cascos aumenta tanto el volumen hidrodinámico del buque como los efectos de fricción, lo que provoca un aumento de la resistencia de hasta un 60 %. [ 5 ] Esta resistencia adicional puede reducir la velocidad hasta un 10 %, lo que puede requerir un aumento de hasta un 40 % en el consumo de combustible para compensar. [ 5 ] Dado que el combustible suele representar hasta la mitad de los costes del transporte marítimo, se estima que la bioincrustación le cuesta a la Armada de los Estados Unidos alrededor de 1000 millones de dólares  al año en mayor consumo de combustible, mantenimiento y medidas de control de la bioincrustación. [ 5 ] El aumento del consumo de combustible debido a la bioincrustación contribuye a efectos ambientales adversos y se prevé que incremente las emisiones de dióxido de carbono y dióxido de azufre entre un 38 y un 72 % para 2020. [ 6 ]

La bioincrustación también afecta a la acuicultura, aumentando los costos de producción y gestión, a la vez que disminuye el valor del producto. [ 14 ] Las comunidades de incrustaciones pueden competir directamente con los moluscos por los recursos alimenticios, [ 15 ] impedir la obtención de alimento y oxígeno al reducir el flujo de agua alrededor de los moluscos, o interferir con la apertura operativa de sus válvulas. [ 16 ] En consecuencia, las poblaciones afectadas por la bioincrustación pueden experimentar un crecimiento, condición y supervivencia reducidos, con los consiguientes impactos negativos en la productividad de la granja. [ 17 ] Aunque existen muchos métodos de eliminación, a menudo afectan a las especies cultivadas, a veces más que a los propios organismos incrustantes. [ 18 ]

Detección

Históricamente, las compañías navieras han recurrido a la eliminación programada de organismos incrustantes para mantener la acumulación de estos en niveles manejables. Sin embargo, la tasa de acumulación puede variar considerablemente entre buques y condiciones de operación, por lo que resulta difícil predecir intervalos aceptables entre limpiezas.

Los fabricantes de LED han desarrollado una gama de equipos UVC (250-280  nm) que pueden detectar la acumulación de bioincrustaciones e incluso prevenirla.

La detección de incrustaciones se basa en la propiedad de fluorescencia de la biomasa. Todos los microorganismos contienen fluoróforos intracelulares naturales que emiten radiación en el rango UV al ser excitados. En longitudes de onda UV, dicha fluorescencia proviene de tres aminoácidos aromáticos: tirosina, fenilalanina y triptófano. El más fácil de detectar es el triptófano, que emite a 350  nm al ser irradiado a 280  nm. [ 19 ]

Reglamentos y directrices

En 2023, la Organización Marítima Internacional (OMI) adoptó las «Directrices para el control y la gestión de la bioincrustación en los buques para minimizar la transferencia de especies acuáticas invasoras». [ 20 ]

En abril de 2025, la OMI acordó desarrollar un marco jurídicamente vinculante para el control y la gestión de la bioincrustación en los buques, con el fin de reducir la acumulación de organismos marinos en los cascos y, por consiguiente, la transferencia de especies acuáticas invasoras. [ 21 ] El control de la bioincrustación en los buques también mejora la eficiencia ambiental de los mismos al reducir la resistencia al arrastre. [ 21 ]

Prevención

Antiincrustante

El proceso antiincrustante consiste en prevenir la formación de acumulaciones. En procesos industriales , se pueden utilizar biodispersantes para controlar la bioincrustación. En entornos menos controlados, los organismos se eliminan o repelen con recubrimientos que utilizan biocidas, tratamientos térmicos o pulsos de energía. Las estrategias mecánicas no tóxicas que impiden la adhesión de organismos incluyen la elección de un material o recubrimiento con una superficie resbaladiza, la creación de una superficie de muy baja incrustación mediante el uso de zwitteriones o la creación de topologías superficiales a nanoescala similares a la piel de tiburones y delfines, que solo ofrecen puntos de anclaje deficientes. [ 1 ]

Recubrimientos

Recubrimientos no tóxicos
Una idea general sobre los recubrimientos no tóxicos. (El recubrimiento se representa aquí como una capa verde guisante claro). Estos recubrimientos impiden la adhesión de proteínas y microorganismos, lo que a su vez impide la adhesión de organismos grandes como los percebes . Los organismos más grandes requieren una biopelícula para adherirse, la cual está compuesta de proteínas , polisacáridos y microorganismos .

Los recubrimientos antiadherentes no tóxicos evitan la adhesión de microorganismos, eliminando así la necesidad de utilizar biocidas. Estos recubrimientos suelen estar basados ​​en polímeros orgánicos. [ 22 ]

Existen dos clases de recubrimientos antiincrustantes no tóxicos. La clase más común se basa en la baja fricción y las bajas energías superficiales . Las bajas energías superficiales dan como resultado superficies hidrofóbicas . Estos recubrimientos crean una superficie lisa, que puede prevenir la adhesión de microorganismos más grandes. Por ejemplo, los recubrimientos de fluoropolímeros y silicona se utilizan comúnmente. [ 23 ] Estos recubrimientos son ecológicamente inertes, pero tienen problemas con la resistencia mecánica y la estabilidad a largo plazo. Específicamente, después de días, las biopelículas (moco) pueden cubrir las superficies, lo que entierra la actividad química y permite que los microorganismos se adhieran. [ 1 ] El estándar actual para estos recubrimientos es el polidimetilsiloxano , o PDMS, que consiste en una cadena principal no polar hecha de unidades repetitivas de átomos de silicio y oxígeno. [ 24 ] La no polaridad del PDMS permite que las biomoléculas se adsorban fácilmente a su superficie para disminuir la energía interfacial. Sin embargo, el PDMS también tiene un módulo de elasticidad bajo que permite la liberación de organismos incrustantes a velocidades superiores a 20 nudos. La dependencia de la eficacia con respecto a la velocidad del buque impide el uso de PDMS en buques de movimiento lento o en aquellos que pasan mucho tiempo en puerto. [ 2 ]

La segunda clase de recubrimientos antiincrustantes no tóxicos son los recubrimientos hidrofílicos. Estos se basan en altos niveles de hidratación para aumentar la penalización energética de eliminar el agua, lo que dificulta la adhesión de proteínas y microorganismos. Los ejemplos más comunes de estos recubrimientos se basan en zwitteriones altamente hidratados , como la glicina betaína y la sulfobetaína . Estos recubrimientos también presentan baja fricción, pero algunos los consideran superiores a las superficies hidrofóbicas porque impiden la adhesión bacteriana, evitando así la formación de biopelículas. [ 25 ] Estos recubrimientos aún no están disponibles comercialmente y se están diseñando como parte de un esfuerzo mayor de la Oficina de Investigación Naval para desarrollar recubrimientos biomiméticos para buques que sean seguros para el medio ambiente . [ 4 ]

Biocidas

Los biocidas son sustancias químicas que matan o inhiben a los microorganismos responsables de la bioincrustación. El biocida se aplica típicamente como pintura, es decir, mediante adsorción física . Los biocidas previenen la formación de biopelículas . [ 1 ] Otros biocidas son tóxicos para organismos más grandes en la bioincrustación, como las algas . Anteriormente, los llamados compuestos de tributilestaño (TBT) se usaban como biocidas (y por lo tanto agentes antiincrustantes). Los TBT son tóxicos tanto para los microorganismos como para los organismos acuáticos más grandes. [ 26 ] La comunidad marítima internacional ha eliminado gradualmente el uso de recubrimientos a base de organoestaño. [ 27 ] El reemplazo de los compuestos de organoestaño es la diclorooctilisotiazolinona . Sin embargo, este compuesto también sufre de amplia toxicidad para los organismos marinos.

Antiincrustante ultrasónico

Los transductores ultrasónicos pueden instalarse dentro o alrededor del casco de embarcaciones pequeñas y medianas. Las investigaciones han demostrado que estos sistemas pueden ayudar a reducir la incrustación, al generar pulsos de ondas ultrasónicas a través del casco hacia el agua circundante, eliminando o desnaturalizando las algas y otros microorganismos que inician el proceso de incrustación. Estos sistemas no funcionan en embarcaciones con casco de madera ni en embarcaciones con materiales compuestos de núcleo blando, como madera o espuma. Los sistemas se basan, en líneas generales, en tecnología probada para controlar la proliferación de algas. [ 28 ]

Métodos energéticos

La irradiación láser pulsada se usa comúnmente contra las diatomeas . La tecnología de pulsos de plasma es eficaz contra los mejillones cebra y funciona aturdiendo o matando a los organismos mediante la energización del agua con electricidad de alto voltaje durante microsegundos. [ 8 ]

De manera similar, otro método que ha demostrado ser eficaz contra la acumulación de algas consiste en hacer rebotar pulsos acústicos breves de alta energía a través de las tuberías. [ 29 ]

Otros métodos

Se han utilizado con éxito regímenes para aplicar calor periódicamente a equipos de intercambio y tuberías para eliminar mejillones de sistemas de refrigeración de centrales eléctricas utilizando agua a 40  °C (105  °F) durante 30 minutos. [ 30 ]

La industria médica utiliza diversos métodos energéticos para abordar los problemas de bioincrustación. La esterilización en autoclave generalmente consiste en calentar un dispositivo médico a 121  °C (249  °F) durante 15 a 20 minutos. La limpieza ultrasónica, la luz ultravioleta y la limpieza química o inmersión también pueden utilizarse para diferentes tipos de dispositivos.

Los dispositivos médicos utilizados en quirófanos, UCI, salas de aislamiento, laboratorios de análisis biológicos y otras áreas de alto riesgo de contaminación tienen presión negativa (extracción constante) en las salas, mantienen protocolos de limpieza estrictos, requieren equipos sin ventiladores y, a menudo, se cubren con plástico protector. [ 31 ]

La irradiación UVC es una solución sin contacto ni químicos que puede utilizarse en una amplia gama de instrumentos. La radiación en el rango UVC previene la formación de biopelículas al desactivar el ADN de bacterias, virus y otros microbios. Al prevenir la formación de biopelículas, se evita que organismos más grandes se adhieran al instrumento y, con el tiempo, lo dejen inoperable. [ 32 ]

Historia

La bioincrustación, especialmente en los barcos, ha sido un problema desde que los humanos comenzaron a navegar por los océanos. [ 33 ]

Las primeras evidencias de intentos por combatir la incrustación, y por lo tanto también las primeras evidencias de conocimiento sobre ella, son el uso de brea y placas de cobre como soluciones antiincrustantes que se atribuyen a antiguas naciones marítimas, como los fenicios y los cartagineses (1500-300  a. C.). La cera, el alquitrán y el asfalto se han utilizado desde tiempos remotos. [ 33 ] Un registro arameo que data del 412  a. C. habla de un casco de barco recubierto con una mezcla de arsénico, aceite y azufre. [ 34 ] En Deipnosophistae , Ateneo describió los esfuerzos antiincrustantes realizados en la construcción del gran barco de Hierón de Siracusa (fallecido en el 467  a. C.). [ 35 ]

Plutarco explica, según consta en sus registros, el impacto que la incrustación tenía en la velocidad de los barcos: «Cuando las algas, el fango y la suciedad se adhieren a sus costados, el golpe del barco es más obtuso y débil; y el agua, al entrar en contacto con esta materia pegajosa, no se separa tan fácilmente de ella; y esta es la razón por la que suelen calafatear sus barcos». [ 36 ]

Antes del siglo XVIII, se utilizaban diversas técnicas antiincrustantes, empleando tres sustancias principales: «Sustancia blanca», una mezcla de aceite de ballena , colofonia y azufre ; «Sustancia negra», una mezcla de alquitrán y brea ; y «Sustancia marrón», que era simplemente azufre añadido a la sustancia negra. [ 37 ] En muchos de estos casos, el propósito de estos tratamientos es ambiguo. Existe controversia sobre si muchos de estos tratamientos eran realmente técnicas antiincrustantes, o si, cuando se utilizaban junto con revestimientos de plomo y madera, simplemente tenían como objetivo combatir los gusanos perforadores de madera .

Los barcos fueron varados en el estrecho de Torres y carenados para preparar la limpieza del casco.

En 1708, Charles Perry sugirió explícitamente el revestimiento de cobre como dispositivo antiincrustante, pero los primeros experimentos no se realizaron hasta 1761 con el revestimiento del HMS Alarm , después de lo cual los fondos y costados de las quillas y quillas falsas de varios barcos fueron revestidos con placas de cobre. [ 33 ]

El cobre resultó muy eficaz para proteger el casco de la invasión de gusanos y para prevenir el crecimiento de algas, ya que, al entrar en contacto con el agua, producía una película tóxica, compuesta principalmente de oxicloruro , que repelía a estos organismos marinos. Además, como esta película era ligeramente soluble, se desprendía gradualmente con el agua, impidiendo que la vida marina se adhiriera al barco. A partir de 1770, la Marina Real Británica comenzó a recubrir con cobre los cascos de toda su flota y continuó haciéndolo hasta el fin de los barcos de madera. El proceso fue tan exitoso que el término « con fondo de cobre» pasó a significar algo altamente fiable o libre de riesgos.

Con el auge de los cascos de hierro en el siglo XIX, el revestimiento de cobre dejó de utilizarse debido a su interacción corrosiva galvánica con el hierro. Se probaron pinturas antiincrustantes y, en 1860, se introdujo en Liverpool la primera pintura práctica de uso generalizado , conocida como pintura plástica caliente "McIness". [ 33 ] Estos tratamientos tenían una vida útil corta, eran caros y relativamente ineficaces según los estándares actuales. [ 1 ]

A mediados del siglo XX, las pinturas a base de óxido de cobre podían mantener un barco fuera de dique seco hasta por 18 meses, o tan solo 12 en aguas tropicales. [ 33 ] La menor vida útil se debía a la rápida lixiviación del tóxico y a su conversión química en sales menos tóxicas, que se acumulaban formando una costra que inhibía la lixiviación posterior del óxido cuproso activo de la capa inferior. [ 38 ]

La década de 1960 trajo un avance significativo con las pinturas autopulimentables que se hidrolizaban lentamente , liberando toxinas gradualmente. Estas pinturas empleaban biotoxinas basadas en organoestaño ("a base de estaño"), como el óxido de tributilestaño (TBT), y eran efectivas hasta por cuatro años. Posteriormente, la Organización Marítima Internacional prohibió estas biotoxinas al comprobarse su alta toxicidad para diversos organismos. [ 39 ] [ 40 ] El TBT, en particular, ha sido descrito como el contaminante más tóxico jamás liberado deliberadamente en el océano. [ 26 ]

Como alternativa a las toxinas organoestánnicas, ha resurgido el interés por el cobre como agente activo en pinturas ablativas o autopulimentables, con una vida útil reportada de hasta 5 años; sin embargo, también existen otros métodos que no implican recubrimientos. Los adhesivos modernos permiten la aplicación de aleaciones de cobre a cascos de acero sin generar corrosión galvánica. No obstante, el cobre por sí solo no es inmune a la incrustación de diatomeas y algas. Algunos estudios indican que el cobre también puede presentar un impacto ambiental inaceptable. [ 41 ]

El estudio de la bioincrustación comenzó a principios del siglo XIX con los experimentos de Davy, que relacionaron la efectividad del cobre con su tasa de soluto. [ 33 ] En la década de 1930, el microbiólogo Claude ZoBell demostró que la adhesión de organismos está precedida por la adsorción de compuestos orgánicos que ahora se denominan sustancias poliméricas extracelulares . [ 42 ] [ 43 ]

Una línea de investigación se centra en el estudio de la relación entre la humectabilidad y la eficacia antiincrustante. Otra línea se centra en el estudio de los organismos vivos como fuente de inspiración para nuevos materiales funcionales. Por ejemplo, los mecanismos que utilizan los animales marinos para inhibir la bioincrustación en su piel. [ 44 ]

Las investigaciones sobre materiales para superficies antiincrustantes superiores en reactores de lecho fluidizado sugieren que los plásticos de baja humectabilidad , como el cloruro de polivinilo (PVC), el polietileno de alta densidad y el polimetilmetacrilato ("plexiglás"), demuestran una alta correlación entre su resistencia a la adhesión bacteriana y su hidrofobicidad . [ 45 ]

Un estudio de las biotoxinas utilizadas por los organismos ha revelado varios compuestos eficaces, algunos de los cuales son más potentes que los compuestos sintéticos. Se descubrió que la bufalina , una bufotoxina , es más de 100 veces más potente que el TBT y más de 6000 veces más eficaz en la actividad antiadherente contra los percebes. [ 46 ]

Un método para la prevención de incrustaciones consiste en recubrir las superficies con polietilenglicol (PEG). [ 47 ] El crecimiento de cadenas de PEG en las superficies es un desafío. La solución a este problema podría provenir de la comprensión de los mecanismos mediante los cuales los mejillones se adhieren a superficies sólidas en ambientes marinos. Los mejillones utilizan proteínas adhesivas , o MAP. [ 48 ] La vida útil de los recubrimientos de PEG también es dudosa.

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales