1. Intro microb ambiental.pdf
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Introducción a la biotecnología microbiana y ambiental Leonardo Erijman Conceptos y Técnicas de Biotecnología 2do cuatrimestre 2011 Usos antiguos de la biotecnología Fabricación de pan en Egipto (4000 aC) Tableta de Sumaria ilustrando como hacer cerveza (6000 aC) Pasteur y el proceso de fermentación Études sur la bière (1876), p. 288 Objetivos de la biotecnología Innovación procesos donde Desarrollo Operación la catálisis tiene un valor fundamental producto sustratos Catálisis bioquímica enzima Complejo enzima-sustrato enzima Componentes del proceso biotecnológico 1. Seleción del mejor catalizador biológico para una función o proceso específico 2. Construcción del mejor ambiente posible para la función del catalizador 3. Separación y purificación de productos Producción de células recombinantes Selección de sistemas de expresión de proteínas recombinantes Velocidad Costo Glicosilación Plegamiento Reglamentación Adaptado de Clark & Pazdernik (2009) Biotechnology - Applying the Genetic Revolution. AP-Elsevier Productos microbianos • + Alimentos • + Enzimas para usos variados • + Anticuerpos • + Vacunas y antibióticos (metabolitos secundarios) • + Productos químicos (aminoácidos, solventes (metabolitos primarios) • + productos farmacéuticos (quirales) Productos de fermentación Bacterias y Levaduras Dra Esquema del proceso biotecnológico selección de organismo Genética aplicada: selección, mutación, manipulación genética +aire Materia prima: Selección, preparación + pretratamiento esterilización energía Bioreactor (célula o enzima) aislamiento de producto calor Control de proceso formulación Biotecnología industrial Variable Biotec industrial Objetivos Maximización productividad Bases Anabolismo Biomasa Cepas específicas Tipo de proceso Batch Sustrato Puros y bien definidos Optimización Ingeniería genética Biotecnología - intersección de disciplinas genética biología molecular biología celular microbiología bioquímica/ química TICs BIOTECNOLOGIA electrónica Ingeniería mecánica tecnología de alimentos Ingeniería química Areas de aplicación de la biotecnología microbiana Areas de aplicación de la biotecnología microbiana • Cooperación interdisciplinaria • Conexión con aplicaciones prácticas Otras áreas de la biotecnología • Uso de organismos o sus componentes en procesos industriales • Conexión con aplicaciones prácticas • Cooperación interdisciplinaria Métodos biológicos para la prevención, tratamiento y monitoreo de la contaminación • Control de contaminación • Remediación de la contaminación producida por usos previos • Reducción del impacto de la actividad actual con tecnologías más limpias Sectores de intervención de la biotecnología ambiental Tecnologías más limpias Producción Reuso y valorización de residuos Nuevas tecnologías Disposición de los residuos Control de la contaminación Tecnologías más limpias: principios de la química verde • Prevención de la contaminación • Uso de recursos renovables • Máxima incorporación de materias primas • Menor toxicidad de reactivos y productos • Menor consumo de energía • Uso de agentes catalíticos Anastas, P. T., Warner, J. C. (1998). Green Chemistry: Theory and Practice, p. 30, Fig. 4.1, New York: Oxford University Press El problema de la contaminación ambiental La teoría es importante! Puente Tay, 1879 La teoría es importante! Ciudad de Buenos Aires, 25 de julio de 2011 Qué ciencia? Ingeniería genética para la bioremediación Ingeniería genética para la bioremediación Ingeniería genética para la bioremediación Science, vol 238, 1987 El problema de la bioseguridad Inhibidor Actividad endonucieolítica de la toxina collcina E3 Díaz et al., Molecular Microbiology (1994) 13, 855-861 Stable Isotope Probing (SIP) Búsqueda de organismo responsable de la degradación de un contaminante Radajewski et al. Nature 2000 403: 646-649 RNA stable isotope probing 24 h P. putida P. chlororaphis 48 h Crecimiento en fenol P. putida P. chlororaphis + - Cultivo en MM + fenol-13C6 Manefield et al., 2002, Appl. Environ. Microbiol. 68: 5367-5373r Límites de la bioaumentación • Resistencia a la colonización • Baja adaptabilidad • Susceptibilidad a depredación • Falta de inducción catabólica • Uso de fuente de C alternativa • Divergencia genética respecto del inóculo Yendo del laboratorio al ambiente Biotecnología ambiental versus biotecnología industrial Variable Biotec ambiental Biotec industrial Objetivos Minimización de nutrientes Maximización productividad Bases Catabolismo Anabolismo Biomasa Mezcla (consorcios) Cepas específicas Tipo de proceso Continuo Batch Sustrato Mezcla (residuos) Puros y bien definidos Optimización Ecología SelecciónMicrobiana ecológica Ingeniería genética Preguntas de la ecología microbiana • Cuál es la estructura de la comunidad ? • Cuál es el potencial fenotípico de la comunidad ? • Cuál es la función de la comunidad ? • Cuáles son las relaciones entre los miembros de la comunidad y entre ellos y el ambiente ? Ecología microbiana Ecosistemas Métodos de análisis Diversidad Cultivo de “no cultivables” Ecología microbiana La ecología microbiana y la biotecnología ambiental Bases de la biotecnología ambiental The principal underlying approach of specifically environmental biotechnology, as distinct from other kinds, is the reliance on existing natural cycles, often directly and in an entirely unmodified form. Thus, this science stands on a foundation of fundamental biology and biochemistry. To understand the application, the biotechnologist must simply examine the essential elements of life, living systems and ecological circulation sequences. However engineered the approach, this fact remains true. In essence, all of its applications simply encourage the natural propensity of the organisms involved, while seeking to enhance or accelerate their action. Hence, optimization, rather than modification, is the typical route by which the particular desired end result, whatever it may be, is achieved. Evans, G. & Furlong,J.C. 2003 Environmental Biotechnology Theory and Application. John Wiley and Sons, Ltd Organismos utilizados en biotecnología ambiental 1. Aclimatar 2. Mejorar procesos 3. Modificar organismos Ciclo global de los elementos carbono nitrógeno azufre Cuál es la ciencia en la que se sostiene la biotecnología ambiental? Metabolismo y crecimiento Cómo se diseñan experimentos que representen addecuadamente las condiciones naturales? Como se distribuyen las funciones entre miembros de la comunidad? Como se establece la interacción entre el metabolismo microbiano y la química en solución? Allen & Banfield, Nature Microbiology Reviews 3, 489 (2005) ORF Genómica de comunidades y análisis funcional Lovley, Nature Microbiology Reviews 1, 35 (2003) Una visión integrada del funcionamiento de comunidades microbianas Rolling et al., Systems approaches to microbial communities and their functioning 2010 Curr Opinion Biotechnol 21: 532–538 Industria de gran escala 3-5 litros 1.5 litros 1000 litros 3-10 litros La cuestión de escala Campos de aplicación Solamente el 10% de los efluentes domiciliarios generados son tratados World Bank, 2011 INFORME SOBRE LA GESTIÓN DEL AGUA EN LA REPUBLICA ARGENTINA Calcagno, A., Mendiburo, N., Gaviño Novillo, M. Lagunas facultativas viento oxígeno oxígeno efluente crudo CO2, NH3, P bacterias Sólidos sedimentables anaeróbico oxígeno algas Lagunas facultativas Proceso de barros activados Aspectos históricos del tratamiento de efluentes 1914 1994 1913 First laboratory experiments on activated sludge by Fowler, Ardern and Lockett at University of Manchester, UK. 1916 First full-scale activated sludge plant at Worcester. Largescale tests in the US. First full-scale AS plant in US at Houston, TX. 1922 Activated sludge plant built at Soelleroed, Denmark. 1924 Pilot AS plant in Germany at Essen. 1926 Full-scale AS plant at Rellinghausen, Germany. 1927 Kessener brush aeration, Apeldoorn, the Netherlands. 1936 Denitrification used in Sheffield. 1964 Development of basis for consistent nitrification by Downing, Painter and Knowles, WPRL, Stevenage, UK 1972 Biological phosphorus removal (EBPR) described by Barnard in South Africa. 1970s Development of dynamic process computer models by WRc and IAWPRC. 1990s Membrane biological reactors (MBR) developed in Japan Fuente: P. F. Cooper. Historical aspects of wastewater treatment. En. Decentralised Sanitation and Reuse: Concepts, Systems and Implementation.(2001) Edited by P. Lens, G. Zeeman and G. Lettinga. IWA Publishing Aspectos históricos del automovil 1905 Curved Dash Oldsmobile 1994 •1908 Ford T - It used a planetary transmission , had a pedal-based control system. •1932 Ford V-8 - Ford introduced their powerful Flathead V8 •1934 Bugatti Type 57 - A high-tech and refined automobile for the rich •1934 Citroën Traction Avant - The first mass-produced front-wheel drive car, was a technology masterpiece. •1949 Oldsmobile 88 - Introduced the high-compression V8 engine to the masses •1961 Jaguar E-type - The E-type set the standard for design and innovation •1962 BMC ADO16 - This front wheel drive car dominated sales in the UK •1962 Ferrari 250 GTO - The first supercar •1964 Pontiac GTO - A high-performance model and back in just 10 years. •1954 Chevrolet Corvette - An American masterpiece of automotive engineering. •1969 Datsun 240Z- Paved the way for decades of Japanese strength •1974 VW Golf - The exemplary modern compact car, with a square hatchback body, transverse straight-4 engine, and room for five passengers. •1977 Honda Accord sedan - Set the stage for today's upscale Asian sedans. •1983 Chrysler minivans - The two-box minivan design •1986 Ford Taurus- Mid-sized front wheel drive sedan with modern Computer Assisted Design •1992 Chrysler Concorde, Dodge Intrepid, Eagle Vision- These evolutionary styled cars shaped the future of passenger cars in the 90's. •1975 BMW 3-Series - A compact car that provides luxury and performance •1993 Jeep Grand Cherokee - The archetypal upscale SUV with four-wheel drive, V8 power, and a luxurious interior Cómo se enfoca el problema de la contaminación • Cuán grave es la contaminación? • Existe la tecnología para disminuirla? • Justifican los costos de eliminación el grado de disminución que se puede lograr? Conocimiento y toma de decisión The remedy process varies according to the particular environmental compartment of concern (e.g. water, air, or soil), the characteristics of contaminant of concern (e.g. toxicity, persistence in the environment and likelihood to be accumulate in living tissues), and the specific legislation and regulations covering the project. However, it generally follows a sequence of preliminary studies, screening of possible remedies, selecting the optimal remedy from the reasonable options, and implementing the selected remedy. Vallero, D. Environmental Biotechnology: A Biosystems Approach 2010 Elsevier Etapas en la limpieza de un sitio contaminado US Environmental Protection Agency (1992) Procesos asociados a la bioremediación Procesos asociados a la bioremediación Absorción Retención en fase sólida S Adsorción Retención en fase sólida S Chemisorción Retención superficial con una fuerza de interacción mayor a la de adsorción S Intercambio iónico Compuestos cargados atraídos por partículas con cargas opuestas S Polaridad, cargas Partición de superficiales, fuerza de compuestos van der Waals, lipofílicos en MO atracción electrostática, Q, F, M, B del suelo densidad, solubilidad Recalcitrancia debida Polaridad, cargas aintercambio superficiales, fuerza de iónico y van der Waals, separación de atracción electrostática, Q, F, M, B cargas densidad, solubilidad Recalcitrancia Polaridad, cargas debida superficiales, fuerza de aintercambio van der Waals, iónico y atracción electrostática, separación de densidad, presencia de Q, B + F cargas biofilm Recalcitrancia Polaridad, cargas debida superficiales, fuerza de aintercambio van der Waals, iónico y atracción electrostática, separación de densidad, presencia de Q, B + F cargas biofilm Procesos asociados a la bioremediación Reacción con matriz que forma enlaces Complejamiento covalentes S Oxidación/reduc Ganancia y pérdida ción de electrones A, S, G Hidrólisis Reacción de agua con contaminantes A Reacciones Fotólisis catalizadas por luz G Fracción de masa de compuesto presente en un medio que pueda ser absorbida por Biodisponibilidad un microorganismo A, S, G Q, F Recalcitrancia y transformación Oxidantes, reductores, por reacción con MO del suelo, pH, MO del suelo temperatura Oxidantes, reductores, MO del suelo, pH, Destrucción y oxígeno disponible, transformación temperatura Solubilidad, pH, Formación de temperatura, fuerza hidróxidos iónica Foto-oxidación de Concentración de compuestos con radicales libres, liberación de Longitud de onda e radicales OH intensidad de radiación B, Q Uptake, absorción, distribución y eliminación Q, B Q, F, B Q Bioacumulación y bioconcentración Conocimiento y toma de decisión Derrames de petróleo Biotecnología de ambiental cultivosvs. mixtos industrial Variable Biotec ambiental Biotec industrial Objetivos Minimización de nutrientes Maximización productividad Bases Catabolismo Anabolismo Biomasa Mezcla (barro) Cepas específicas Tipo de proceso Continuo Batch Sustrato Mezcla (residuos) Puros y bien definidos Optimización Selección ecológica Ingeniería genética Biotecnología de cultivos Biotecnología de cultivos mixtos mixtos PHA Rittmann et al. Nature Rev Microbiol. (2008) 6: 604-612 Valorización de residuos Bioenergía Otra aplicación de las meta-ómicas: bioprospección Exploración del pool de genes Mercados de biotecnología ambiental http://www.bccresearch.com/report/environmental-markets-biotechnology-bio019b.html Mercados para el tratamiento de efluentes Miles de millones de dólares Principales 40 mercados, año 2016 (proyección) http://www.bccresearch.com/report/ENV008B.html La importancia de la innovación Ley de rendimiento decreciente D.A. Vallero (2004). Environmental Contaminants: Assessment and Control. Elsevier, Burlington, MA. Legislación y recursos humanos Fuente: The land remediation yearbook 2008. http://www.eic-yearbook.co.uk/index.htm Recursos humanos
