La bioincrustación

Se define como la acumulación de productos no deseados en una superficie debido a la formación del biofilm y el posterior crecimiento de microorganismos.

La incrustación biológica aumenta el peso y la rugosidad de las estructuras, lo cual aumenta su rozamiento con el agua ocasionando un aumento de combustible y de gases de efecto invernadero. Además, la bioincrustación acelera la corrosión de estructuras metálicas, aumentando también la vulnerabilidad del equipamiento sumergido y reduciendo su rendimiento.
Actualmente, existen diferentes soluciones contra la bioincrustación, como son:
  • Pinturas anti-incrustación. Liberan al agua sustancias biocidas y altamente contaminantes, dañinas para el medio ambiente.
  • Sistemas de electrodisolución de metales. Se genera una corriente directa en electrodos metálicos (cobre, aluminio o acero), que libera iones de los electrodos al agua. Estos iones, altamente contaminantes, evitan la incrustación de microorganismos.
  • Dosificación de productos químicos. Se basa en la inserción de productos químicos en tuberías, como el cloruro ferroso. El cloro elimina los microorganismos, y el hierro cubre las tuberías con una capa protectora que previene la corrosión.
  • Ultrasonidos. Un generador de ondas envía pulsos eléctricos de alta frecuencia al exterior del barco. Mediante el efecto piezoeléctrico, se generan pulsos de ultrasonidos que vuelven inhabitable la superficie del barco, evitando que los organismos se adhieran a las superficies.
  • Electrocloración. Se basa en la generación de hipoclorito de sodio a partir de cloro o sales de cloro. Hay distintos métodos de generación de cloro in situ, que generalmente requieren la instalación de grandes máquinas y se suelen utilizar para volúmenes específicos.
  • Pinturas anti-incrustación de nueva generación, o fouling release coatings (FRC). Carecen de sustancias biocidas, así que sus propiedades anti-incrustación se basan en sus propiedades antiadherentes. No funcionan bien para barcos atracados ni en hélices, ya que requieren cierto movimiento del casco a través del agua para funcionar correctamente.
En esta tabla se muestra una comparación de distintas soluciones que se usan actualmente para la prevención de la bioincrustación:

Comparación de las distintas soluciones existentes actualmente para la bioincrustación. Verde: buen funcionamiento.

Naranja: funcionamiento intermedio. Rojo: mal funcionamiento. Gris: no aplicable.

Estos métodos tienen diversos problemas en términos de daños al medio ambiente, además de distintas limitaciones prácticas:
  • Múltiples tipos de pinturas anti-incrustación llevan usándose muchos años y son muy efectivas para mantener limpios los cascos de los barcos. Sin embargo, se ha demostrado en las últimas décadas que provocan efectos adversos en organismos que no son su objetivo, específicamente para el principal componente de estas pinturas desde 1960, el tributilo de estaño (TBT), pero también otros como el clorotalonil, la diclorofluoroamida, el Sea-Nine 211, el diuron, el irgarol 1051 y la piritiona de zinc. En concreto, numerosos estudios sobre el TBT han encontrado un importante efecto toxicológico en macroorganismos como bivalvos y otros moluscos, que han llevado a distintas restricciones sobre su uso. Desde el año 2008, los EE.UU. no permiten la entrada de barcos con pinturas de TBT en sus puertos.
    A día de hoy, el TBT ha sido reemplazado por metales pesados como el cobre, cadmio y plomo como componentes activos de estas pinturas. Estos metales, aunque sí tienen menor impacto ambiental, son también tóxicos para algunos organismos además de los deseados y muy fácilmente bioacumulables [1], hasta el punto de que se han encontrado altas concentraciones en algas, pescado y otros organismos marinos. Los metales pesados pueden afectar a los organismos vivos uniéndose a sus proteínas, lo que provoca un desequilibrio en la concentración de minerales en sus cuerpos, aumenta la producción de especies reactivas de oxígeno (reactive oxygen species, ROS) en las mitocondrias e inhibe las defensas antioxidantes, creando estrés oxidativo [4, 5]. Se ha observado que estos compuestos afectan a la reproducción y crecimiento de distintos organismos, además de aumentar la frecuencia de alteraciones en sus tejidos y en la mortalidad [2].
    Como ejemplo, se han encontrado niveles de cobre y zinc en aguas de Suecia que exceden 140 y 340 veces, respectivamente, las cantidades permitidas por su legislación. En otras aguas con actividad náutica, se han encontrado concentraciones 16, 10 y 15 veces más altas de cobre, zinc y plomo que en áreas sin circulación de navíos [3]
    En resumen, los efectos dañinos de estas pinturas incluyen [6]:
    • El efecto biocida es indiscriminado, atacando a toda la vida marina en los alrededores de las embarcaciones.
    • En principio, ataca más agresivamente a formas de vida pequeñas, en comparación con su efecto en especies más grandes. Sin embargo, dichas especies grandes, como los peces, se alimentan de microorganismos como plancton o larvas que están contaminadas. Estas toxinas que ingieren (metales pesados, principalmente) entran en sus cuerpos y terminan por llegar finalmente a la alimentación humana.
    • Estos elementos tóxicos permanecen en los cauces de los ríos y los fondos de los lagos durante siglos. Cualquier perturbación de estos suelos los liberará al agua y entrarán en juego los efectos dañinos descritos.
    • Estas toxinas pueden penetrar la piel humana y atacar al sistema nervioso. Los efectos dañinos varían en función de cada individuo.
    • Los seres humanos necesitamos agua dulce limpia para nuestra vida. Solamente el 2,75% del agua del planeta es agua dulce, y más del 2% se encuentra en los glaciares en forma de hielo. El resto es una combinación de agua subterránea, agua superficial y agua atmosférica. Contaminar innecesariamente el agua, ya de por sí escasa, es una irresponsabilidad que puede causar graves problemas de salud para las personas.
  • En el caso de la dosificación de químicos, se usan elementos químicos fuertemente oxidantes, como el cloro, que en estado natural es un gas cuyo almacenamiento es peligroso y complejo. Por lo tanto, se suele generar el hipoclorito de sodio in situ, para lo cual solamente se requiere agua, sal y electricidad (electrocloración). Las instalaciones que almacenan hipoclorito de sodio deben cumplir con la normativa APQ-6 del RD656 / 2017.
  • Los sistemas de electrodisolución suelen utilizar ánodos de cobre. El potencial eléctrico aplicado en ellos provoca la liberación de iones de cobre que, como ya se ha descrito, son dañinos para el medio ambiente. Por lo tanto, en mayor o menor medida, este método tiene asociado intrínsecamente un impacto ambiental negativo.

IMPACTO AMBIENTAL

Las pinturas anti incrustantes llevan utilizándose durante años. Existen diferentes tipos de pinturas antifouling con diferentes mecanismos para mitigar los efectos de la incrustación biológica. En los últimos años, la legislación ha prohibido o limitado el uso de determinados compuestos químicos utilizados en estos tipos de pinturas debido a su efecto contaminante en las fauna y flora de los ecosistemas acuáticos. Cabe destacar las restricciones en el uso de Tributilestaño (TBT), clorotalonil, diclofluoroamida, Sea-Nine 211, Diuron, Irgarol 1051 y piritiona de zinc, lo que ha incrementado el uso de otros elementos como el cobre y otros metales pesados altamente contaminantes, fácilmente bioacumulables que fácilmente pueden llegar a hogares. 

Estudios científicos han encontrado altas concentraciones de cobre, cadmino, plomo, zinc en algas, peces y otros organismos marinos. Se han reportado importantes efectos de los componentes de las pinturas antifouling en la reproducción y crecimiento reducidos de organismos, mayor frecuencia de alteraciones tisulares y mayor mortalidad. 

Se ha determinado que el nivel de cobre y de zinc en aguas de suecia superaba 140 y 340 veces los niveles permitidos por su legislación par ael cobre y el zinc. En otras aguas con actividad náutica, se han encontrado niveles16,10 y 15 veces mayores concentraciones de Cu, Zn y Pb que en las zonas no afectadas por barcos. 

Los metales pesados pueden afectar a los organismos al unirse a las proteínas y afectar su funcionalidad, provocando el desequilibrio en la concentración de minerales en el organismo o aumentando la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS) en la mitocondria o inhibición de las defensas antioxidantes, lo que lleva al estrés oxidativo. 

Entre los efectos dañinos generados por las pinturas antiincrustación cabe destacar lso siguiente:

  1. El proceso de matanza es indiscriminado. Toda la vida marina se envenenada
  2. Aunque la cantidad de toxina en el agua es pequeña, ataca las formas de vida más pequeñas con mayor agresividad que las especies más grandes, sin embargo, las especies más grandes, como los peces, se alimentan del plancton y las larvas infectadas, etc. se infectan. Las toxinas, que son metales pesados, permanecen en sus cuerpos y, finalmente, aumentan la cadena alimentaria llegando a los humanos.
  3. Las toxinas permanecen en el lecho del río o lago durante siglos. Cualquier alteración de la cama libera estas toxinas en el agua donde permanecen activas.
  4. Las toxinas pueden penetrar en la piel humana y atacar sus extremos nerviosos. Los efectos nocivos en los individuos varían según sus niveles de tolerancia.

IMPACTO ECONÓMICO

Las incrustación biológica actualmente provocan grandes pérdidas económicas y daños ambientales en sectores como el naval, la industria agrícola, la hidrogeneración y generación energía en general, la desalación, la propulsión o el del intercambio de calor. Se estima que la bioincrustación no deseada genera pérdidas de hasta el 0,25% del PIB en la mayoría de países desarrollados. las soluciones que existen en la actualidad, sin embargo, no son suficientes para evitarlo completamente y/o crean un daño muy significativo al medio ambiente, por lo que urge encontrar soluciones más efectivas y más limpias..

 

  • En el caso de la industria petroquímica, la bioincrustación que se forma en las superficies del equipamiento de intercambio de calor durante el precalentado del crudo reduce la eficiencia del intercambio hasta en un 30%, a lo que se atribuye un coste anual de 16.000 millones de dólares anuales en los EE.UU. y el Reino Unido.
  • En la industria energética, para el caso de los condensadores refrigerados con agua marina, se estima un coste extra en combustible de 350.000 dólares para una planta con seis condensadores de 240 MW. En el año 2003, se llevó a cabo un experimento en España con una planta piloto con un condensador refrigerado con agua marina. En el experimento se observó un aumento del 91% en la resistencia a la transferencia de calor en un período de 98 días, en invierno. En general, la incrustación en intercambiadores de calor es un grave problema económico, que causa pérdidas de al menos un 0,25% del PIB de muchos países desarrollados.
  • En concreto, en el sector de la hidrogeneración se calcula que la bioincrustación en los sistemas de generación del río Colorado (EE.UU.) genera un aumento en los costes de mantenimiento de 80.000 dólares al año por generador.
  • Se estima que el coste total asociado con la incrustación en cascos de barco para la Marina estadounidense, en términos de revestimientos y limpieza es de en torno a los 56 millones de dólares al año para la clase DDG-51, 1.000 millones en 15 años.
  • Varios estudios recientes calculan que el aumento de consumo de combustible debido a la bioincrustación en embarcaciones comerciales asciende a 120 millones de toneladas adicionales al año. Las ventas de pinturas anti incrustación para embarcaciones comerciales y de recreo rondan los 7.000 millones de dólares al año (página web de AMBIO).
  • La industria de la acuicultura, junto con la FAO de las Naciones Unidas, estima que la bioincrustación y su impacto en su equipamiento provocan pérdidas para la industria europea de entre el 5 y el 10% del valor total de la industria: hasta 260 millones de euros al año.
  • La industria costera de los EE.UU. calcula que el mejillón cebra generará un total de 3.100 millones de dólares en daños en los próximos 10 años (Web del Departamento de Estado de los EE.UU.). Su coste en 13 centrales eléctricas en el río Columbia se cifra en 23 millones. Una plaga de mejillón cebra costó a Endesa en torno a dos millones de euros en daños. Para el año 2025, se calcula que esta especie habrá generado pérdidas de hasta 40 millones de euros en la cuenca del Ebro. En los últimos 10 años, se estima que ha causado en torno a 1.600 millones de euros en daños en toda España. Además, se estima que los tubos de mantenimiento obstruidos con esta especie cuestan a la industria energética en torno a 60 millones de dólares anuales, además de que los parones temporales provocados por una reducción del flujo de agua pueden costar hasta 5.000 dólares por hora.
  • Los costes de eliminación y control de una especie que ya ha colonizado una estructura son también muy elevados. Por ejemplo, eliminar el mejillón rayado negro de Darwin Harbour costó en torno a 2 millones de dólares australianos, mientras que los costes anuales de controlar la proliferación de mejillón cebra y mejillón quagga en los Grandes Lagos norteamericanos se estima entre 100 y 400 millones de dólares.
  • En la industria pesquera, las pérdidas económicas causadas por este fenómeno en la acuicultura causan en torno al 10% de los gastos totales de la industria a nivel europeo (260 millones al año). El coste derivado de la necesidad de renovar las redes en las granjas de salmón es cercano a 60.000 euros al año, y en algunos sectores puede representar hasta el 20% de los costes operacionales.
  • El control de la incrustación en las centrales energéticas y plantas de desalinización (entradas de agua, tuberías, intercambiadores de calor) provoca gastos a nivel global de 15.000 millones de dólares anuales, y en el caso de las membranas usadas para el tratamiento aguas residuales es de 1.000 millones de euros anuales (web de AMBIO).