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BIORREMEDIACIÓN

Grupo 1: Mikrominds

Fisiología Microbiana

Definición

La Biorremediación es una aplicación biotecnológica ambiental, donde se tratan contaminantes peligrosos, usando las características metabólicas de los organismos (microorganismos, plantas, lombrices, etc…) para proteger y restaurar lugares afectados.

Procesos biológicos que se utilizan para reducir, eliminar, contener y/o transformar a formas benignas contaminantes presentes en el suelo, sedimentos, agua o aire. Biodegradación Biotransformación Bioacumulación

Contaminación

Los contaminantes son típicamente sustancias químicas introducidas por el hombre o reubicadas por el hombre en ambientes donde tienen el potencial de generar daño a los ecosistemas. Aumento en la producción de contaminantes desde la revolución industrial.

Hidrocarburos

Pesticidas (atrazina, malation)

Explosivos( TNT, DNT, RDX)

Compuestos halogenados (TCE)

Elementos radioactivos (Plutonio)

Metales pesados (cromo, mercurio,plomo..)

Métodos fisicoquímicos para la remoción de contaminantes Solidificación

Incineración

Lavado de suelo

Extracción química

Succión/evaporación

Destrucción química

Ventajas de la Biorremediación

Se reduce el riesgo de exposición

Menos costoso

Contaminantes pueden ser tratados en el mismo lugar

Es un proceso natural

Menor el impacto al ambiente

Generalmente no se generan desperdicios en el proceso.

Hidrocarburos

Exxon-Valdez

En marzo 24 de 1989 aproximadamente 11 millones de galones de

petróleo crudo de Prudhoe Bay fueron derramados en Prince William

Sound, Alaska por el barquero Exxon-Valdez.

Radiación

En abril 25 de 1986 ingenieros rusos y científicos llevaban a cabo una

prueba preliminar en el reactor 4 de la planta de energía nuclear de

Chernobyl. Una serie de explosiones provocaron el desastre de

contaminación radiactiva mas importante de todos los tiempos.

Metales Pesados

Toxicidad = solubilidad

Los cationes de metales pesados con

alto peso molecular se tienden a unir

a los grupos Sulfhídricos de las

proteínas. Inhibiendo la actividad de

enzimas sensibles (Dietrich H. Nies ).

Problema de similitud con otros

cationes esenciales por lo cual

pueden entrar por los mismo

transportadores

Cromato (CrO4) Sulfato (SO4)

Metales Pesados y Explosivos

Por la actividad militar en Vieques por parte de la Marina de Guerra de los EU, se acumularon un sinnúmero de contaminantes en sus terrenos entre los que destacan metales pesados y explosivos. Allí se lanzaron entre 20,000 y 30,000 bombas al año por más de 50 años.

Biorremediación

La aplicación de procesos de biorremediación generalmente requiere que se cree condiciones optimas para que los microorganismos crezcan en el ambiente contaminado:

Aceptadores de electrones (oxigeno)

Donadores de electrones (azúcar, gas natural)

Nutrientes inorgánicos (nitrógeno, fósforo)

Materiales para disolver o movilizar contaminantes (surfactantes o agentes quelantes)

Biorremediación

Biodegradación: transformación o detoxificación parcial o total de una contaminante

Mineralización: conversión completa de un contaminante orgánico a sus constituyentes inorgánicos

Cometabolismo: Es la transformación de un contaminante sin que este provea carbono, nitrógeno o engría al organismo (mas costoso)

Biorremediación (estrategias)

Ex-situ o In-situ

Remediación pasiva (atenuación natural)

Bioestimulación (adición de nutrientes)

Bioaireación (bioestimulación con adición de gases e.j. Oxígeno)

Bioaumentación (inoculación con microorganismos )

Landfarming (tratamiento de contaminante en suelo no contaminado)

Compostaje (uso de aerobios termofílicos)

Fitorremediación (uso de plantas para remover contaminación)

Mineralización

Podemos medir la actividad metabólica de microorganismos heterotróficos estudiando la mineralización de sustratos orgánicos.

Definimos mineralización como la degradación completa de un compuesto a sus constituyentes minerales, en donde el carbono orgánico es oxidado hasta CO2.

Dado que la descomposición de un sustrato orgánico por medio del proceso de respiración aeróbica tiene como productos principales a CO2 y H2O, la evolución de CO2 puede utilizarse como un indicador bastante preciso de la actividad respiratoria de comunidades en agua y suelo.

Hidrocarburos

Los hidrocarburos son una fuente rica de materia orgánica

Los hidrocarburos no son fermentables

Para su oxidación y degradación optima se necesita O2 y ciertas condiciones de pH, T˚ y nutrientes inorgánicos

Los hidrocarburos en ambientes anóxicos permanecen muchos años, suelen ser recalcitrantes.

Hidrocarburos

Petróleo: es una mezcla de muchos compuestos orgánicos, a los que se les llama Total Petroleum Hydrocarbons (TPH).

La concentración de los TPH siempre se reduce rápidamente al principio, cuando están libres y de fácil acceso y luego se mantiene en un nivel estacionario, cuando quedan los de difícil acceso que se difunden en los microporos, y así se vuelven inaccesibles. La taza de biodegradación se reduce y es controlada por la taza de desorción de hidrocarburos de los granos del suelo.

Ataque a Hidrocarburos

Sus ESTRUCTURAS se transforman por ataques electrofílicos

Las ENZIMAS ¨activan¨ el O2 y lo hacen más electrofílico (carga parcial positiva)

Existen variadas transformaciones de estos compuestos, pero muchas coinciden en la formación del intermediario CATECOL

Catechol 2,3-Dioxygenase

El ataque inicial produce que el oxigeno sea

incorporado en el alcano y forme un alcohol

La Dioxigenasa incorpora 2 moles de

Oxígeno y forma un dihidrodiol

La enzima activa el O2 haciéndolo un fuerte

electrófilo, esto se debe a la interacción del

O2 con el átomo de Fe en el centro de

reacción, éste le roba electrones al O2 y se

reduce. El O2 ávido de electrones o con un

electrón sin parear interacciona con la

cadena de alcanos para romperla y mitigar la

carga positiva parcial o parear uno de sus

electrones con un átomo de Carbono

deficiente en electrones.

Monoxigenasas y Dioxigensas

Monoxigenasas y Dioxigensas

El rompimiento del anillo del catecol se desencadena en la formación de compuestos que entran en el ciclo de Krebs, como Piruvato, acetaldehído, acetyl CoA.

Susceptibilidad de los Hidrocarburos a la biodegradación

Más que todo es aeróbica

Los alcanos de longitud intermedia, entre C10-C24 son degradados rápidamente

Los cortos son tóxicos pero se evaporan rápidamente (Hidrocarburos volátiles)

Los largos, pesados y ramificados (C terciarios y cuaternarios) se resisten a la degradación

Matraz Biométrico (Bartha & Pramer,

1970)

Procedimiento

Colocar 25 g de suelo en el matraz y añadirle 30% de agua y 0.1 ml del hidrocarburo.

Tapar con columna de ascarita y cerrar la llave.

Colocar 10 ml de solución de KOH 0.1N en la trampa de CO2.

Incubar en oscuridad y toma medidas cada 24h.

Titular con HCl 0.05N la muestra inicial de KOH.

Para cada lectura: Añada en un matraz limpio 3 gotas de fenolftaleina y 1ml de BaCl2

Abra la lleve y destape la columna de ascarita Retire el KOH y vuelva a llenar la trampa rápidamente con KOH fresco. Coloque el KOH removido en el matraz de 25 ml previamente

preparado. El KOH deberá tornarse de un color rozado. Titule la muestra con HCl 0.05N hasta que esta se torne incolora. Anote

el volumen de HCl necesario para neutralizar el KOH. Todos los días se debe hacer una titulación de KOH fresco.

Cálculos

Reste el volumen de HCl necesario para neutralizar sus muestras experimentales del volumen de KOH requerido para neutralizar la muestra de KOH fresco.

Para obtener micromoles de CO2 producidos, multiplique el valor que obtuvo en el paso anterior por 25.

Registre la evolución de CO2 en forma acumulativa para cada sistema. Sume para cada intervalo de muestreo, el CO2 producido en intervalos anteriores al CO2 que ha registrado para ese día.

Construya una gráfica de evolución de CO2 contra tiempo de incubación.

Estudio de Caso

Suelos contaminados con Bunker C en CORCO (Peñuelas, PR)