Aplicaciones de relevancia ambiental: Bio

Aplicaciones de relevancia ambiental: Bioremediación. Tratamiento de efluentes
Clase 23
Microbiología Ambiental
2016
Bio-remediación: Intro
El hombre produce/utiliza una
amplia variedad de compuestos
orgánicos e inorgánicos
Muchos
son
contaminantes
ambientales que son liberados a
ecosistemas terrestres o acuáticos
Es
importante
conocer
su
comportamiento en el ambiente
Bio-remediación: Intro
Los microorganismos interaccionan
con
estos
componentes
transformándolos.
Bio-transformación: alteración de la
estructura química mediada por mo.
Incluye procesos que aumentan (ej
condensación) o disminuyen (ej
mineralización)
el
número
o
complejidad de los enlaces intramoleculares.
Bio-remediación: Intro
Biotransformación:
Ocurre para compuestos orgánicos
especialmente óxido-reducciones que
movilidad de los comp. inorgánicos
e inorgánicospueden alterar
Muchos compuestos inorgánicos (ej metales pesados) son
contaminantes cuyo comportamiento químico puede ser
alterado por proceso microbianos
Biodegradación: metabolismo microbiano de compuestos
orgánicos.
Bio-remediación: Intro
Las reacciones de Biodegradación son un
subconjunto de las reacciones fisiológicas de los mo
(que actúan sobre compuestos contaminantes)
Energía química
Oxidación de
comp. orgánicos
Energía lumínica
Oxidación de comp.
inorgánicos
Carbono orgánico Quimio-organo
heterótrofo
Quimiolito-heterótrofo
Heterótrofo
fotosintético
CO2
Quimiolito-autótrofo
Autótrofo
fotosintético
Bio-remediación: concepto
El objetivo de la bioremediación es el manejo de la
biodegradación y de la biotransformación para la
destrucción o atenuación de un contaminante
La bioremediación usa el potencial fisiológico de los
mo para eliminar o reducir la concentración de
contaminantes a niveles aceptables para la
legislación
Bio-remediación: tipos
Bioremediación
In situ
Ex situ
Ingenieril
Ingenieril
Intrínseca
vapor
sólido
líquido
vapor
sólido
líquido
Bio-remediación: tipos
La estrategia más efectiva depende de:
-características de los contaminantes (toxicidad,
estructura, solubilidad, volatilidad, susceptibilidad al
ataque microbiano)
-sitio contaminado (geología, hidrología, tipo de suelo,
clima)
-aspectos regulatorios (legales, económicos, políticos)
-procesos microbianos a ser explotados
Bio-remediación: tipos
Intrínseca
-manejo que usa las capacidades innatas de las comunidades microbianas para
metabolizar contaminantes
-la capacidad de los mo nativos debe documentarse en tests de biodegradación
hechos en el laboratorio con muestras sitio-específicas
-La efectividad debe probarse con monitoreo del sitio que incluya análisis
químico de los contaminantes, aceptores de electrones y otros reactivos y/o
productos indicadores de la biodegradación
Difiere de la no acción en que requiere estimaciones de tasa de
degradación y monitoreo del proceso
Bio-remediación: tipos
Intrínseca
-para que sea efectiva la tasa de destrucción del contaminante tiene que ser
mayor que su tasa de migración
-estas tasas dependen de:
Tipo de contaminante
Comunidad microbiana
Condiciones hidrogeoquímicas del sitio
-la bioremediación intrínseca se ha utilizado para tratar por ej compuestos
aromáticos policíclicos en aguas subterráneas, compuestos relacionados a la
gasolina en aguas subterráneas, petróleo en aguas marinas, solventes clorados
en aguas subterráneas
Ej. Bioremediación intrínseca
El derrame del Exxon Valdez
Ej. Bioremediación intrínseca
El accidente:
24 de marzo de 1989, el petrolero
Exxon Valdez chocó contra un
arrecife en Alaska
Se derramaron 260.000 barriles de
petróleo (40 millones de litros)
El petróleo se esparció afectando
2000 km de línea costera
incluyendo parques naturales y
zonas silvestres
Ej. Bioremediación intrínseca
Efectos inmediatos:
Época de reproducción y migración de muchos
peces, aves y mamíferos
El petróleo contaminó miles de aves, desoves
de salmón y afectó las actividades y
alimentación de los nativos de Alaska
Las autoridades estimaron 20-70 años para
recobrar algunas de las poblaciones
Ej. Bioremediación intrínseca
Esfuerzos de limpieza:
Confusión, demoras, tecnologías sin testear
Se probaron cuatro métodos en el esfuerzo de
limpiar el derrame:
Dispersantes químicos
Similares a los detergentes, rompen el petróleo en
pequeñas gotitas (emulsión) con lo que se diluyen
los efectos dañinos del vertido
Primer intento de limpieza.
El 24 de marzo una compañía aplicó dispersantes
con un helicóptero, no había condiciones físicas de
mezcla, y por restricciones legales se discontinuó.
Ej. Bioremediación intrínseca
Esfuerzos de limpieza:
Limpieza mecánica
La limpieza mecánica fue iniciada luego de
terminado el uso de dispersantes químicos, y para
ello se utilizaron bombas extractoras y espátulas.
Sin embargo, las espátulas no podían ser usadas
fácilmente luego de 24 horas.
Agua caliente a presión en las orillas: daño a la
biota
Ej. Bioremediación intrínseca
Esfuerzos de limpieza:
La quema:
Se ordenó una quema durante las primeras horas del derrame. Aislando parte
del crudo derramado con material resistente al fuego, esta prueba fue exitosa,
pues se logró reducir 113.400 litros de petróleo a 1.134 litros de residuo, pero
debido al mal tiempo ya no se intentó ningún otro procedimiento en los
esfuerzos de limpieza.
Ej. Bioremediación intrínseca
Microorganismos
Petróleo ocurre naturalmente
Existen cientos de especies de bacterias, arqueas y
hongos que lo pueden degradar
Muchas poblaciones de mo marinos son capaces de
usar petróleo como fte de E y C, pero están en una
pequeña proporción en la comunidad
Ej. Bioremediación intrínseca
Degradación aerobia y anaerobia
La mayoría de los componentes se degradan en
condiciones aerobias, inclusive los PAH (arómaticos,
muy tóxicos).
Degr. anaerobia es muy lenta
Los mo requieren de otros nutrientes para poder
degradarlo (N, P y Fe).
En ese momento la bioremediación se había identificado
como tecnología emergente, rápidamente se hicieron
tests de laboratorio y pasaron al campo
Resultados tests de laboratorio y de campo
Adición de fertilizantes aceleró la degradación de hidrocarburos por la
comunidad bacteriana
Las tasas de biodegradación llegaban a 1.2% por día pero..
bajaron al degradarse primero los componentes más lábiles
La tasa de degradación dependía de la relación entre Nitrógeno, petróleo
biodegradable y tiempo.
Tanto componentes alifáticos como arómaticos fueron extensamente
biodegradados
La bioremediación aumentó 2 veces la degradación de PAH y 5 veces la de
alcanos
La biodegradación redujo en un 30% la concentración de O2 pero no se
detecó hipoxia
Se aprobó uso de bioremediación empleando aplicación de fertilizantes
Se usaron 2 fertilizantes a gran escala (a tasa de aplicación que no tuvieran
impacto por exceso de N):
fertilizante oleofílico Inipol EAP22,
fertilizante de liberación lenta Customblen 2880
Bacterias degradadoras de hidrocarburos pasaron de 1-5 X 103 /mL (1-10%
de comunidad) a 1 X 105 /mL, constituyendo 40% de la comunidad en zona
de derrame
En setiembre de 1990, ya habían vuelto a ser 1% de la comunidad..
Derrame BP DEEPWATER HORIZON en el Golfo de México (2010)
Los hidrocarburos son insolubles en agua, la
biodegradación se da en la interfase, entonces la
superficie de interacción está limitada
Uso de dispersantes aumenta
potenciando la biodegradación
esa
superficie,
En la nube de petóleo dispersado
-menos PO4, NO3 y O2, más NH4 (indicativos de actividad microbiana)
-abundancia microbiana significativamente más alta (100 veces) en la nube que
fuera
- Se detectaron 951 subfamilias de 62 phyla; pero sólo 16 subfamilias de
γ-proteobacteria estaban enriquecidas en la nube,
-3 familias de la clase Oceanospirillales dominaron librerías de clones, qPCR,
fosfolípidos, y genes funcionales, demostrando enriquecimiento de degr. de
hidrocarburos.
Componentes volátiles tb se degradaron (propano y etano, principales sustratos
para respiración bacteriana).
Bloom de metanotrofas terminó con el metano (5-36% de las secuencias, antes
no detectables.
Seguimiento de Bioremediación intrínseca
Estrategias p
probar
biodegradación
Principios y ejemplos
Réplicas de parcelas Comparación de desaparición de parcelas con y sin
con y sin agregado
nutrientes. Se agregó un fertilizante oleofílico que se
de fertilizantes
adhirió al petróleo derramado. El petróleo desapareció
más rápidamente en bloques con fertilizantes
Desaparición de
Trazadores internos
La pérdida de ciertos compuestos puede calcularse en
relación a la persistencia de compuestos similares
pero menos biodegradables. Ej relación alcanos
lineales/ramificados
Indicadores
moleculares
Basados en conocimiento previo de vías metabólicas,
enzimas y genes responsables del metabolismo
descontaminante. Se buscan biomarcadores
específicos presentes dentro y no fuera del hábitat
contaminado
Ej. Bioremediación intrínseca
Efectividad
sin las concentraciones apropiadas de nutrientes y oxígeno debidas al bajo
movimiento de agua, la biodegradación que se esté produciendo
probablemente sea anaeróbica, que habitualmente es muy lenta.
La efectividad de la bioremediación depende de naturaleza del derrame y
ecosistema en que se produce
Bioremediación ingenieril
-Acelera o reemplaza la remediación
intrínseca a través de modificaciones del
sitio (ej excavación, manipulaciones
hidrológicas)
-Uso de bioreactores permite controlar
concentración de nutrientes, aceptores de
electrones para acelerar la biodegradación
Bioremediación ingenieril
-Especialmente indicada para tratar
contaminantes no volátiles, con solubilidad
limitada
-Tb cuando existen restricciones
tiempo, ej para impedir avance
contaminante
de
de
Bioremediación ingenieril
-In situ
Ej para tratamiento de agua subterránea contaminada con
hidrocarburos: proceso Raymond
Bioremediación ingenieril
-Ex situ
Ej
tratamiento
de
efluentes domésticos
Tb para tratamiento de suelos contaminados con creosota
Bioremediación ingenieril
In situ
Ex situ
Localización
En el ambiente
En un bioreactor
Requerimientos
Manipulación del ambiente
Mover contaminantes del ambiente a
los reactores
Características
Control relativamente pobre del
proceso de biodegradación
Mayor control
Obstáculos
Complejidades del ambiente
Mezcla de contaminantes
Historia desconocida
Balance de masas incierto
Procesos bióticos y abióticos
Incompatibilidad entre sitio y
procesos microbianos
Producción de contaminantes por
los mo
Grado de limpieza alcanzado
Complejidades del ambiente
parcialmente resueltas
Mezcla de contaminantes
Historia desconocida
Balance de masas más preciso
Procesos bióticos definidos
Incompatibilidad entre sitio y procesos
microbianos puede resolverse
Producción de contaminantes por los
mo puede minizarse
Grado de limpieza alcanzado
Ejemplos de contaminantes
industriales y de pesticidas
Industria (ej. comp. orgánico)
Pesticida (ej. comp. orgánico)
Petróleo (dioxina clorada)
Fungicidas (antraquinonas)
Plástico (metil-mertacrilato)
Herbicidas (diuron)
Pintura (metil-isobutilcetona)
Rodenticidas (dicoumarol)
Electrónica (cloruro de metileno)
Insecticidas (lindano, DDT)
Textil (colorantes, alkilcarbamatos)
Alguicidas (ácido isocianurico)
Cosmética (hidroxiquinolinas)
Acaricida (azobenceno)
Metales (tricloroetano)
Preservación de madera
(pentaclorofenol, cresoles)
Explosivos (TNT, RDX)
Papeleras (bencenos, dioxinas)
Susceptibilidad de compuestos
orgánicos a la bioremediación
los compuestos más susceptibles a la
bioremediación son:
-compuestos naturales
-estructura molecular simple
-solubles en agua
-sin tendencia a adsorberse
-no tóxicos
-sirven como sustrato para crecimiento microbiano
Modificaciones de compuestos
orgánicos durante la bioremediación
Las degradación microbiana de estos compuestos ocurre
por :
-Oxidación: cuando el comp. es usado como fte de C y
energía, al catabolizarlo lo convierten en CO2 y sales
minerales.
-Reducción: cuando el comp. es usado como aceptor de
electrones (resp. anaerobia)
-Modificación: cuando sin metabolizarlo lo modifican. Ej cometabolismo: modificación fortuita de una molécula por una
enzima que normalmente actúa sobre otro sustrato
Susceptibilidad de compuestos orgánicos a la
bioremediación
Clase química
Mecanismo
Efecto sobre el
contaminante
Susceptibilidad a
biodegradación
Aerobia
1BTEX
Anaerobia
Fuente de C y
donante de e-
Mineralización a CO2 Rápida
Limitada
Fuente de C y
donante de e-
Mineralización a CO2 Rápida
Limitada
Fuente de C y
donante de e-
Mineralización a CO2 Rápida
o degradación
Limitada
parcial
Limitada
Resistente
Alcoholes, cetonas,
ésteres, éteres
Fuente de C y
donante de e-
Mineralización a CO2 Rápida
Limitada
Limitada
3MBTE
Co-metabolizados,
ocasionalmente
usado como fuente
de C y de e-
Parcialmente
degradados, a veces
mineralizados a CO2
1Gasolina,
2PAHs,
fuel oil
aceites
1 Hidrocarburos
2 Hidrocarburos
Limitada
Resistente
Cometabolizad
os
Resistente
del petróleo de bajo peso molecular (benceno, tolueno, etil-benceno, xileno)
del petróleo de alto peso molecular (Hidrocarburos aromaticos policiclicos)
Ej. Degradación de hidrocarburos
Alcanos
-componentes mayoritarios de gasolina
-ninguna especie puede oxidar todos los alcanos
-cada organismo es capaz de metabolizar un rango
estrecho
-los usan como fuente de C y E, oxidándolos
-Ej géneros bacterianos que metabolizan alcanos:
Pseudomonas, Acinetobacter, Arthrobacter,
Azospirillum, Corynebacterium, Mycobacterium,
Nocardia.
Ej. Degradación de hidrocarburos
BTEX: degr. aerobia
-componentes residuales de la gasolina
-la degradación aeróbica implica:
1) la oxigenación de la molécula
aromática por enzimas bacterianas
(mono-oxigenasas, di-oxigenasas)
2) Clivaje del anillo para dar productos
que entran en ciclo de Krebs (ej succinil
CoA,piruvato, acetil coA)
-Ej géneros bacterianos que metabolizan
BTEX aeróbicamente: Pseudomonas,
Burkholderia, Ralstonia
-los genes p degradación se encuentran
en plásmidos ej sistema TOL
Ej. Degradación de hidrocarburos
BTEX: degr. anaerobia
-la degradación anaeróbica implica:
adición de fumarato al anillo y una serie
de pasos de reducción hasta liberar
acetil coA
Lo usan como fte de C y e, con un
aceptor de e- distinto del O2
-Ej géneros bacterianos que metabolizan
BTEX anaeróbicamente: Thauera,
Azoarcus (nitrato como aceptor),
Geobacter (Fe como aceptor),
Desulfobacula, Desulfosarcina,
Desulfobacterium (sulfato como aceptor)
Ej. Degradación de hidrocarburos
MBTE
metil terbutil eter
-al sacarle le plomo a la gasolina se le
agregó MBTE
-altamente volátil, pero muy soluble en
agua, y no puede ser removido fácilmente
-existe degradación aerobia y anaerobia,
mecanismos no muy conocidos
Susceptibilidad de compuestos orgánicos a la
bioremediación
Clase química
Mecanismo
Efecto sobre el
contaminante
Susceptibilidad a
biodegradación
Aerobia
Anaerobia
Alifáticos altamente
clorados
Aceptor de e-,
cometabolizados
Parcialmente
degradados,
declorinados
Limitada
Cometabolizado
Resistente
Limitada
Cometabolizado
Resistente
Alifáticos menos
clorados
Aceptor de e-, fuente
de C y donante de ecometabolizados
Parcialmente
degradados,
declorinados
Limitada
Cometabolizado
Resistente
Limitada
Cometabolizado
Resistente
1PCBs
altamente
clorados
Aceptor de e-
Parcialmente
degradados,
declorinados
Resistente
Limitada
Cometabolizado
1PCBs
menos
clorados
Aceptor de e-, fuente
de C y donante de e-
Parcialmente
Rápida
degradados,
Limitada
mineralizados a CO2
Limitada
Resistente
Dioxinas
Aceptor de e-
Parcialmente
degradados
Resistente
Resistente
Susceptibilidad de compuestos orgánicos a la
bioremediación
Deshalogenación reductiva de solventes clorados
-usados en industria, limpieza en seco
-carcinogénicos, importantes contaminantes de
sistemas acuáticos, especialmente aguas
subterráneas
tetracloroetileno
-En tests estándares de degradación aerobia no
son biodegradables, pero pueden ser usados como
aceptores alternativos de e- en condiciones
anaerobias:
Declorinación reductiva o halorespiración
Susceptibilidad de compuestos orgánicos a la
bioremediación
Deshalogenación reductiva de solventes clorados
-El proceso compite con otros
-si
es
incompleto
puede
acumularse VC (cloruro de
vinilo), conocido carcinogénico
Evolución de vías catabólicas
para contaminantes orgánicos
-Hay aprox. 2 x 107 comp. orgánicos naturales en la biósfera y varios
millones son sintetizados químicamente
-muchos comp. de síntesis tienen estructuras moleculares nuevas (ej.
Pesticidas halogenados)
-el dogma de la biodegradación es que “todo comp.orgánico natural
es biodegradable”
Entonces: estructuras moleculares nuevas no deberían ser
biodegradables porque no hay presión selectiva para su
metabolización…
Evolución de vías catabólicas
para contaminantes orgánicos
-se ha descubierto que muchos
xenobióticos inicialmente
considerados no biodegradables
sí lo son
-es posible que algunos existan
en la naturaleza
-ha habido evolución microbiana
que generó las vías de
degradación
Evolución de vías catabólicas
para contaminantes orgánicos
Evolución de vías catabólicas
para contaminantes orgánicos
Ej de casos donde se evidenció
evolución de las vías metabólicas para
degradación
de
comp.
orgánicos
antropogénicos
Susceptibilidad de compuestos inorgánicos a la
bioremediación
-Los mo los someten a especiación, afectando
fundamentalmente su movilidad en el ambiente
-Pueden causar precipitación, volatilización, adsorción y
solubilización de los contaminantes inorgánicos
-Resultan de procesos microbianos de oxidación, reducción,
metilación o incorporación
-pueden tb resultar de procesos indirectos (no enzimáticos)
a causa de la producción microbiana de metabolitos o
biomasa
Susceptibilidad de compuestos inorgánicos a la
bioremediación
Susceptibilidad de compuestos inorgánicos a la
bioremediación
Clase química
Mecanismo
Efecto sobre el
contaminante
Susceptibilidad a
biotransformación
Aerobia
Anaerobia
Cobre, Níquel, Zinc,
Se adsorben a polímeros
extracelulares y biomasa
Inmovilizados por
adsorción
Limitada
Limitada
Cadmio, plomo
Se adsorben a polímeros
extracelulares y biomasa
Inmovilizados por
adsorción, metilación
Limitada
Limitada
Hierro, Manganeso
Aceptor de e-,
Oxidados a formas insolubles,
Se adsorben a polímeros
extracelulares y biomasa
Movilizados por
reducción
Inmovilizados por
precipitación y
adsorción
Rápida
Rápida
Cromo
Enzimáticamente oxidado o
reducido p detoxificación,
Co-metabolizado,
Se adsorbe a polímeros
extracelulares y biomasa
Inmovilizado
por precipitación
Limitada
Limitada
Mercurio
Enzimáticamente oxidado,
reducido, o metilado p
detoxificación,
Se adsorbe a polímeros
extracelulares y biomasa
Volatilizado o
Inmovilizado
por adsorción,
metilación y
precipitación
Limitada
Limitada
Susceptibilidad de compuestos inorgánicos a la
bioremediación
-Mecanismo universal para reducir
conc de muchos metales (Cu, Ni, Zn,
Cd, Pb) es la inmovilización de los
mismos por adsorción a biomasa o
exopolímeros microbianos
-existen interacciones inespecíficas
entre cationes metálicos y aniones de
polisacaráridos extracelulares y tb
altamente específicas a través de
sistemas de transporte que acumulan
metales dentro de las células
Se usa en tratamiento de efluentes:
agua cargada fluye sobre biofilm
que acumula
Susceptibilidad de compuestos inorgánicos a la
bioremediación
-El cromo tiene muchos estados de
oxidación, Cr(VI) y Cr (III) son los claves
-En ambientes acuáticos predomina
Cr(VI): altamente móvil y tóxico
-Muchos mo aerobios y anaerobios lo
reducen a Cr (III) menos tóxico y móvil
(precipita a ph>5)
-no se conoce razón fisiológica:
Detoxificación?, cometabolismo? Aceptor
de e-?
Posibilidad de aplicación
aún en estudio
Susceptibilidad de compuestos inorgánicos a la
bioremediación
Mercurio
-El mercurio se encuentra naturalmente en un mineral con azufre
(cinabarita) y tiene muchos usos industriales ej termómetros,
biocidas, catalizadores, extracción de oro.
-Tb es altamente neurotóxico e interfiere con el funcionamiento renal
-las bacterias pueden procesarlo
Susceptibilidad de compuestos inorgánicos a la
bioremediación
Mercurio
Bioremediación de efluentes con
mercurio
Susceptibilidad de compuestos inorgánicos a la
bioremediación
Clase química
Mecanismo
Efecto sobre el
contaminante
Susceptibilidad a
biotransformación
Aerobia
Anaerobia
Arsénico
Enzimáticamente oxidado,
reducido, o metilado
Aceptor de eSe adsorbe a polímeros
extracelulares y biomasa
Volatilizado o
inmovilizado por
precipitación y adsorción
Limitada
Limitada
Selenio
Enzimáticamente oxidado,
reducido, o metilado
Aceptor de eCo-metabolizado
Se adsorbe a polímeros
extracelulares y biomasa
Volatilizado o
inmovilizado por
precipitación y adsorción
Rápida
Limitada
Nitrato
Aceptor de e-
Reducido a Nitrógeno
Resistente
Rápida
Uranio (radioactivos)
Aceptor de eSe adsorbe a polímeros
extracelulares y biomasa
inmovilizado por
precipitación
Resistente
Limitada
Plutonio
(radioactivos)
Co-metabolizado
Se adsorbe a polímeros
extracelulares y biomasa
Movilizado por reducción
a Pu (II)inmovilizado por
precipitación y adsorción
Resistente
Limitada
Tratamiento de efluentes
domésticos
Las aguas residuales son provenientes de tocadores, baños, regaderas o
duchas, cocinas, etc; que son desechados a las alcantarillas o cloacas.
En muchas áreas, las aguas residuales también incluyen algunas aguas
sucias provenientes de industrias y comercios.
La división del agua casera drenada en aguas grises y aguas negras es más
común en el mundo desarrollado, el agua negra es la que procede de
inodoros y orinales y el agua gris, procedente de piletas y bañeras, puede ser
usada en riego de plantas y reciclada en el uso de inodoros, donde se
transforma en agua negra.
Muchas aguas residuales también incluyen aguas superficiales procedentes
de las lluvias.
Etapas tratamiento efluentes
Primario
Físicoquímico
Secundario Terciario
Biológico
Físicoquímico
Pulido
Desinfección
Tratamiento de efluentes
Primario: remoción de sólidos grandes vía decantación o filtración. Para
reducir aceites, grasas, arenas y sólidos gruesos. Este paso está
enteramente hecho con maquinaria, de ahí que se conoce también como
tratamiento mecánico.
Secundario: remoción de sólidos más pequeños y partículas por
metabolismo microbiano, que utiliza la materia orgánica como fuente de C y
E.
Terciario: El tratamiento terciario proporciona una etapa final para aumentar
la calidad del efluente al estándar requerido antes de que éste sea
descargado al ambiente receptor (mar, río, lago, campo, etc.).
Pulido: Para eliminar organismos potencialmente patógenos a través de
métodos físicos o químicos.
Modalidades
Primario:
Cribado, Sedimentación, Flotación, Separación de aceites, Homogeinizacón,
Neutralización
Secundario:
Lodos activados y variantes (aireación por fases, aireación descendente, alta
carga, aireación con oxígeno puro)
Lagunaje con aireación
Filtros biológicos
Tratamientos anaerobios
Terciario:
Microtamizado, Filtración (ej lechos arena), precipitación y coagulación,
intercambio iónico, adsorción (ej carbón activado), ósmosis reversa
Desinfección: cloración, ozonización
Modalidades
Primario:
Cribado, Sedimentación, Flotación, Separación de aceites, Homogeinización,
Neutralización
Secundario:
Lodos activados y variantes (aireación por fases, aireación descendente, alta
carga, aireación con oxígeno puro)
Lagunaje con aireación
Filtros biológicos
Tratamientos anaerobios
Terciario:
Microtamizado, Filtración (ej lechos arena), precipitación y coagulación,
intercambio iónico, adsorción (ej carbón activado), ósmosis reversa
Desinfección: cloración, ozonización
Respiración aeróbica y anaeróbica
-aeróbica: el O2 es el
aceptor final de
electrones
-anaeróbica: todos
los otros aceptores
de electrones
externos (ej NO3, Fe,
SO4, CO2, Fumarato)
Tratamiento aeróbico de
efluentes
Producción de Acetil-CoA
Ciclo del ácido cítrico
Aeróbico
2a fase del metabolismo
oxidativo de azúcares,
grasas y proteínas
Típicamente la degradación
aerobia es 10-100 veces más
rápida que la anaerobia
Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O → CoA-SH + 3 (NADH + H+) + FADH2 + GTP + 2 CO2
Tratamiento anaeróbico de
efluentes
Anaerobia: profunda, sin airear, ni mover, primera reducción de DBO (ca
60%)
Facultativa: menos profundas, degradación aerobia en superficie y
anaerobia en fondo
Aerobia: someras, se airean, circulación de agua
Degradación anaerobia
Combinación
Próxima clase:
Aplicaciones de relevancia ambiental: Bio-tecnologías.
Líneas de investigación en el CURE
Aplicaciones de relevancia ambiental:
Bio-tecnologías.
Líneas de investigación en el CURE
Clase 24
Microbiología Ambiental
2016
Biotecnología
Uso integrado de la bioquímica, biología
molecular, genética, microbiología, biologías
vegetal y animal, e ingeniería química para la
obtención de bienes y servicios industriales
Desafíos ambientales
Biotecnología “tradicional”
-Agricultura (mejoramiento de plantas, inoculación por
Rhizobios)
-Compostaje
-Acuicultura
-Tratamiento de efluentes
-Lixiviado microbiano de minerías
Biotecnología “avanzada”
Uso de ingeniería genética
“8vo día de la creación” (Judson 1996)
La biología como herramienta tecnológica
La tecnología genética permite:
Identificar, caracterizar, modificar y usar genes
para la creación de nuevos productos
(moléculas, organismos) o procesos
Caso 1: celdas microbianas para la
producción de electricidad
-La generación de ATP en mo depende del transporte de edesde la fuente de energía (ej azúcar) hasta el aceptor final
de e- (ej O2)
-esto es análogo a un circuito eléctrico
Acoplar este proceso con generación de energía
eléctrica
Corriente eléctrica = movimiento de cargas eléctricas. La corriente puede estar
producida por cualquier partícula cargada eléctricamente en movimiento; lo más
frecuente es que sean electrones.
Caso 1: celdas microbianas para la
producción de electricidad
-en la cámara anaerobia crecen mo
respirando un sustrato* sin aceptor
externo de e-los e- derivados son transferidos a
un ánodo
anaerobio
aerobio
Ej reacción:
C12H22O11 + 13H2O ---> 12CO2 + 48H+ + 48e-
-a través de un circuito eléctrico se
transfieren al cátodo en presencia de
O2 como aceptor final
-conectando ambas cámaras se
encuentra una membrana para el
transporte de protones
* Ej aguas residuales, desechos industriales
Caso 1: celdas microbianas para la
producción de electricidad
Transferencia de e- desde bacs al ánodo:
-a través de mediadores (ej tionina, metilviológeno, metil blue) caros y tóxicos.
-directamente, cuando los mo usados son
electroquímicamente activos: los e- pasan
directo de las enzimas respiratorias al
electrodo
Caso 1: celdas microbianas para la
producción de electricidad
Celdas planta –mo (Plant-MFC)
Caso 1: celdas microbianas para la
producción de electricidad
Aplicaciones
-generación de energía:
Apto para aplicaciones que requieren poca potencia (ej reemplazo
de baterías)
Acoplable a tratamiento de efluentes y a cultivos
Energía limpia y eficiente
-biosensores: la corriente generada es directamente proporcional a
la energía contenida en el agua residual, entonces puede usarse
como biosensor para medir la concentración de solutos en tiempo
real.
-educación: herramientas educativas populares que emplean un
rango de disciplinas y pueden hacerse con materiales fácilmente
disponibles
Caso 2: producción de H2 a partir de la
fermentación microbiana
-Gran demanda de H2 a nivel industrial*
-96% del H2 utilizado deriva de combustibles fósiles
-H2 combustible alternativo, especialmente para autos
* Ej Procesos de gasificación de carbón, conversión gas-líquidos, desulfuración
de gas y diesel
Caso 2: producción de H2 a partir de la
fermentación microbiana
-es subproducto de las fermentaciones, generado cuando
los mo están limitados de aceptores de e-
-puede ser formado a partir de la fermentación de
biomasa
-no contribuye al calentamiento global
Caso 2: producción de H2 a partir de la
fermentación microbiana
Requerimientos
-Ácidos orgánicos (ej acético, butírico, propiónico). Pueden
derivarse de cualquier material orgánico ej aguas residuales,
residuos agrícolas
-sistema de fermentación continua, para sostener altas tasas,
sino demora días
Caso 2: producción de H2 a partir de la
fermentación microbiana
Tipos:
-Fermentación oscura
-Foto-fermentación
-Fermentación combinada
Caso 2: producción de H2 a partir de la
fermentación microbiana
Ej. Fermentación oscura:
Clostridium (gram+)
Alta tasa de producción de H
Rápido crecimiento, formación de esporas
En condiciones mesófilas o termófilas
Hidrogenasa 2H + 2e <=> H2
reversible, inhibida por acumulación de H2
E. Coli clivaje de formato (HCOOH --> H2 + CO2),
irreversible
Caso 2: producción de H2 a partir de la
fermentación microbiana
Foto-fermentación
-en fotosínteis oxigénica y anoxigénica los mo
fotosintetizadores producen pequeñas cantidades de H2
-ej Rhodobacter púrpura no del azufre
-limitaciones lumínicas, tamaño de reactores
Foto-fermentación
Caso 2: producción de H2 a partir de la
fermentación microbiana
Combinada
-Los ácidos orgánicos producidos durante la
fermentación oscura pueden usarse como sustratos en
el proceso de foto-fermentación
-el método más eficiente para producir H2 por
fermentación
Caso 3: control biológico de plagas
agrícolas
-necesidad de control de plagas
-uso de componentes más
amigables con el ambiente
Caso 3: control biológico de plagas
agrícolas
Uso de agente microbianos como controladores
-bacterias, hongos, o virus que causan enfermedades a consumidores de
plantas ej insectos
Métodos:
Clásico: Se introduce un enemigo natural del organismo a controlar a
largo plazo (ej uso del Bacillus popilliae para control del escarabajo
japonés en USA)
Biopesticida: El agente de control se aplica cuando se requiere, de la
misma forma que un pesticida químico. Ej Bacillus thuringiensis,
Phlebiopsis gigantea and Agrobacterium radiobacter.
Manejo del ambiente para favorecer la actividad de agentes de
control nativos. Ej. Control de Gaeumannomyces graminis
(ascomycota), patógeno de raíces de cereales y pastos
Caso 3: control biológico de plagas
agrícolas
Ej. Biopesticidas:
-typically microbial biological pest control agents that are
applied in a manner similar to chemical pesticides
-already established themselves on a variety of crops. For
example, biopesticides already play an important role in
controlling downy mildew diseases
-A major growth area for biopesticides is in the area of
seed treatments and soil amendments. Fungicidal and
biofungicidal seed treatments are used to control soil
borne fungal pathogens that cause seed rots, damping-off,
root rot and seedling blights. They can also be used to
control internal seed–borne fungal pathogens as well as
fungal pathogens that are on the surface of the seed.
Caso 3: control biológico de plagas
agrícolas
Ej. Bacillus thuringiensis
B. thuringiensis is closely related to B.cereus, a soil
bacterium, and B.anthracis, the cause of anthrax:
the three organisms differ mainly in their plasmids
Like other members of the genus, all three are
aerobes capable of producing endospores
Upon sporulation, B. thuringiensis forms crystals of
proteinaceous insecticidal δ-endotoxins (called
crystal proteins or Cry proteins), which are
encoded by cry genes
In most strains of B. thuringiensis, the cry genes
are located on a plasmid
Caso 3: control biológico de plagas
agrícolas
Ej. Bacillus thuringiensis
Los cultivos son fumigados con esporas
de este microorganismo.
Los insectos se comen las esporas y
una vez dentro, la toxina se activa
debido al pH alcalino del tubo digestivo
del insecto.
La toxina mata al insecto y ahora la
espora de B. thuringiensis se encuentra
en un medio nutritivo /el cadáver del
insecto) listo para su consumo.
Uso controversial
Caso 4: modificación genética de
plantas
-Introducción de genes bacterianos en plantas.
-El mecanismo general es clonarlos y transferirlos a los
cloroplastos de plantas de uso agrícola
Ej:
-insecticidas
-Resistencia a herbicidas
-detoxificación
Caso 4: modificación genética de
plantas
Ej introducción de genes de Bacillus thuringiensis
1985. Plant Genetic Systems desarrolló plantas de tabaco
transgénicas que expresan los genes cry de B.
thuringiensis
1995. La EPA aprobó uso de papas transgénicas. 1er
cultivo productor de pesticidas aprobado
2009. Monsanto reporta resistencia de la largata rosada al
algodón Bt
Caso 4: modificación genética de
plantas
-Ej Introducción de genes de resistencia al
glifosato
-Glifosato: sintético, similar al aa glicina
-Inhibe una enzima clave en la biosíntesis de aa
aromáticos (fenil alanina, tirosina, triptófano) en
plantas y bacterias
-Se encontró gen que codifica una versión R en
E.coli, tb en Agrobacterium CP4
-El gen se clonó en soja, tabaco, petunia, tomates,
papa y algodón
-cuando se aplica
transgénicos resisten
glifosato
sólo
los
cultivos
Caso 4: modificación genética de
plantas
-Ej introducción de genes p detoxificación de Hg
2000. Bizily et al. Transfirieron y
expresaron genes merAB en
Arabidopsis thaliana
Al crecer hidropónicamente no
sólo resistieron concentraciones
tóxicas de Hg, sino que lo
convirtieron a Hg(0)
Uso potencial para
descontaminación de suelos
Caso 5: producción de plásticos
biodegradables
-En condiciones de limitación por nutrientes
(típicamente N), las bacterias pueden producir
polímeros de reserva de C
-Muchas Gram + y Gram
Polihidroxialcanoatos (PAHs)
–
producen
-existen más de 100 variantes, de acuerdo al
grupo R
-los PAHs son polímeros biocompatibles (no
tóxicos, no alergénicos) y biodegradables
-tienen propiedades similares a los plásticos
(alta polimerización, cristalinos, ópticamente
activos, insolubles en agua)
Caso 5: producción de plásticos
biodegradables
-pueden producirse
renovables
a
partir
de
fuentes
-la composición puede regularse de acuerdo a
los sustratos ofrecidos a las bacs.
-ej Ralstonia eutropha puede contener hasta un
90% de su peso seco de PHAs
Caso 5: producción de plásticos
biodegradables
2 estrategias de producción:
-fermentadores con bacterias productoras
alimentadas con diferentes sustratos (ej
suero de queso, metanol)
-clonado y expresión de genes en plantas.
En 2003 se hizo exitosamente en A. thaliana
- Desde 1982 se producen comercialmente,
ej Biopol
Caso 5: producción de plásticos
biodegradables
-2007. La FDA aprobó uso de nuevo tipo de
suturas absorbibles, más flexibles y mucho
más fuertes
…hechas de PHA
El poliéster es producido por una E.coli
genéticamente modificada.
Amplio potencial de uso médico
Que hacemos nosotros?
Ecosistemas y aproximaciones
Diversidad ambientes y ecosistemas
lagunas
arroyos
lagos
estuarios
costa
océano
Diversidad aproximaciones
In situ
Laboratorio
Téc.
moleculares
Experimentos
Modelación
El componente microbiano
Diversidad
Funciones
ecosistémicas
Taxones microbianos
Grupos funcionales
Líneas de investigación
1. Diversidad bacteriana a lo largo del gradientes ambientales.
Sistemas modelo: Lagunas costeras (Rocha, Castillos),
transición Río de la Plata-Océano Atlántico
2. Eco-fisiología bacteriana a nivel poblacional de bacterias
heterótrofas, fotoheterótrofas y fotosintéticas. Contribución a la
producción planctónica, rol en los ciclos de los elementos
(carbono)
3. Interacciones tróficas en el plancton. Relación del
bacterioplancton con productores primarios, predadores y virus.
Control “bottom up” y “top down”.
APROXIMACIONES METODOLÓGICAS
• Diversidad: basado en secuencias nucleotídicas del gen para
el ARN ribosomal (librerías genéticas, métodos de fingerprinting,
secuenciación, hibridación in situ y microscopía de
epifluorescencia, 454 massive tag sequencing), bioinformática.
• Ecofisiología: empleo de sustratos marcados (isótopos
radiactivos y estables de distintas fuentes de C y de nutrientes),
microautoradiografía + hibridación in situ, NanoSIMS).
• Interacción con otros niveles tróficos: determinación de
tasas de predación y de consumo de sustratos derivados de
otros organismos (FLB, citometría de flujo, exp. de exclusión).
Actividad
Insumos generados
Estudios de diversidad
Banco de secuencias y filogenia del componente
procariótico de los sistemas acuáticos marinos y
continentales. Biogeografía.
Ecofisiología
Rol de distintas poblaciones en el ciclo de los
nutrientes en los sistemas de estudio.
Indicadores de perturbaciones ambientales.
Interacciones tróficas
Participación en el consumo y generación de
producción primaria.
Tasas de predación de bacterias en los sitemas
estudiados, transferencia de C a niveles superiores.
Modelos de funcionamiento ecosistémico
Modelo diversidad y función de la comunidad bacteriana para la Laguna de Rocha
Actividad
Insumos generados
Estudios de diversidad
Banco de secuencias y filogenia del componente
procariótico de los sistemas acuáticos marinos y
continentales. Biogeografía.
Ecofisiología
Rol de distintas poblaciones en el ciclo de los
nutrientes en los sistemas de estudio.
Indicadores de perturbaciones ambientales.
Interacciones tróficas
Participación en el consumo y generación de
producción primaria.
Tasas de predación de bacterias en los sitemas
estudiados, transferencia de C a niveles superiores.
Complejidad ambiental
entradas
Procesos???
salidas
No sum of euros can compensate for the essential turnover of organic matter
and cycling of elements – for it is microbes, not money, that make the world go
round.
Annu Mikonen
Cronograma semana 20-24 de junio
Martes 14-17
Miércoles 14-17
Jueves 15-17
Viernes 14-16
Introducción
Recuento de
coliformes
Parcial
Análsisi y
discusión de
datos obtenidos
Taller III
Guía para
informe
Muestreo
Siembra para
coliformes
Intro citometría
Fijado muestras
citometría
Evaluación citometría