seminario biotecnologia ambienta cursol 09 10
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BIOTECNOLOGÍABIOTECNOLOGÍA AMBIENTALAMBIENTALEcología de los MicroorganismosEcología de los Microorganismos
2009/20102009/2010
L M li Mó i C th D iá L b t A C N i G M hLaura Molina Mónica Conthe Damián Lobato Ana Cruz Nuria G-Mancha
¿Qué es la Biotecnología Ambiental?¿Qué es la Biotecnología Ambiental?Desarrollo tecnológico Crecimiento de la población
¿Qué es la Biotecnología Ambiental?¿Qué es la Biotecnología Ambiental?
•Aplicación de los principios de las ciencias y de la ingeniería al procesamiento de materiales mediante agentes biológicos.
Ofrece alternativas Aporta sistemas de eliminación
La investigación y el desarrollo de procesos adecuados para la conservación del
•Explotación y control de sistemas biológicos para propósitos tecnológicos.Ofrece alternativas tecnológicas respetuosas con
el medio ambientes para la producción de bienes de
Aporta sistemas de eliminación de contaminantes mediante su transformación en sustancias
inofensivasves g c ó y e des o o de p ocesos decu dos p co se v c ó de
medio ambiente, han aportado soluciones a algunos problemas y permiten entrever en
otros casos soluciones tecnológicamente posibles a un costo relativamente bajo.
producción de bienes de consumo
inofensivas
g p j
Aplicaciones de la Biotecnología Ambiental
Biorremediación Industria
i d lProducción de biomateriales
Tratamiento de suelos y aguas Productos de consumo
humanoCompostaje Biominería
Q é lihid i l (PHA)?¿Qué es un polihidroxialcanoato (PHA)? ¿Quién los produce?¿Qu é os p oduce
• Biopolímeros acumulados de forma natural por las bacterias para almacenar
carbono y energía cuando las fuentes de nutrientes están desequilibradasy g q
• PHA se producen como polímeros de 103 a 104 monómeros
• Se acumulan en granos de inclusión
• Gránulos de PHA se cubren de una membrana de fosfolípidos y proteínas
•Los PHA son biodegradables
Mét d d d ió d l PHAMétodos de producción de los PHA
Bacterias Plantas
Proceso fermentativo de dos etapasAlteraciones en el crecimiento y desarrollo
de la planta
Aplicaciones de los PHA
• Bioplásticos
• Biocombustibles
• Biorremediación
•Accesorios medicina•Accesorios medicina
Ventajas, Inconvenientes y Limitaciones en el uso y producción de los PHA
Disminución emisiones CO2
BioplasticosUtilización de polímeros
biodegradables
Síntesis y degradación de los PHA compatible con el p
ciclo del carbono
Posible acoplamiento a biorremediación
Ventajas, Inconvenientes y Limitaciones en el uso y producción de los PHA
¿Biorremediación? Aún queda mucho camino por recorrer
Biocombustible No puede compararse a la gasolina o el gasoil
Mét d d t ió
Bioplásticos Demasiado caro
Método de extracción
Bioplásticos Demasiado caro
SolucionesSoluciones
Modificación genética y empleo de nuevas especies
Utilización de plantas para producir los PHAempleo de nuevas especies
bacterianasproducir los PHA
•Utilización de sustratos económicosMé d d i fi•Método productivo eficaz
•Determinación de las condiciones de fermentación o de cultivo.....
SCP(single cell protein)
Definición
SC ( l ll ) l i d d d l bi• La SCP (single cell protein) es el extracto proteico procedente de toda la biomasa de un cultivo microbiano.
El l t i l t iti d l SCP b i ió• El valor o potencial nutritivo de la SCP se basa en su composición• Puede producirse a partir de:
– hongos (Hansenula, Pitchia, Torulopsis, Saccharomyces)g– bacterias (Cellulomonas, Alcaligenes) – algas (Spirulina, Chlorella, Senedesmus)
Características según la fuenteCaracterísticas según la fuenteSCP (algas) SCP (hongos) SCP (bacterias)SCP (algas)
•Proteínas•Ácidos grasos
SCP (hongos)
•Complejo vitamínico B
SCP (bacterias)
•Proteínas (80%)g
•vitaminas A,B,C,D y E.
l i l
•Biotina
•tiamina•Aminoácidos •sales minerales
•Clorofila
•Pigmentos biliares
•riboflavina
•colina
•Ácido fólico
oác dosesenciales (Met)
g
•Fibras
•Bajísmo contenido
Ácido fólico
•Glutation
•Bajo contenido en •Muy alto contenidoen ácidos nucleicos (4-6%)
ácidos nucleicos (9,7%)
•Muy alto contenido en ácidos nucleicos (15%)
LimitacionesLimitaciones
SCP Algas• Condicionada a factores ambientales• Pared celular (fibras de celulosa) Simbiosis
celulasa (+)
Celulasa (-)
Eli i ióEliminación pared celular
LimitacionesLimitaciones
SCP hongos• Micotoxinas
(Aspergillus ):– reacción alérgicareacción alérgica– Cáncer hepático– Toxicidad aguda yToxicidad aguda y
crónica renal y hepática
LimitacionesLimitaciones
SCP bacterias• Pequeño tamaño Poca cantidadq• Elevado coste• Ácidos nucleicos Ácido úrico Gota• Ácidos nucleicos Ácido úrico Gota• Toxinas
?
ResultadosResultadosA l ió d l f i• Aceleración de la metamorfosis
• Aumento en el número de descendientes
• Aumento del tamaño• Anormalidades fenotípicas con %bajo
de SCP y control.y
•Alteraciones en la expresión génica durante el desarrollo ¿?durante el desarrollo ¿?
•Mutagénesis incrementada ¿?
A i ió d ?•Aparición de tumores ¿?
Tratamiento de RSU paraTratamiento de RSU para compostaje.
COMPOSTAJECOMPOSTAJE
• Definición: descomposición de materiales biodegradables, normalmente mezclas de t á i l t bili ió d id á i l l E tcompuestos orgánicos, para la estabilización de residuos orgánicos en el suelo. Esta
degradación se debe a una intensa actividad microbiana.
Proceso de compostajeProceso de compostajeO id i bi l i d id i di i l d d• Oxidacion biologica de residuos organicos en condiciones controladas de humedad,temperatura y aireacion,realizado por microorganismos.
El producto final de este proceso se conoce como compost y puede ser utilizado como enmienda orgánica en el suelo, con el objeto de mejorar sus propiedades físicas,
químicas y biológicas tales como aireación, retención de humedad, estructura entre otras, suprimir patógenos y de este modo mejorar el crecimiento de las plantas
Aspectos del proceso de compostaje
• ASPECTOS FISICOS Y QUIMICOS :Temperatura: parámetros de control de la actividad microbiana. En función de la
temperatura existen las siguientes fases:
Fase mesofila.
Fase termofila.
Fase de enfriamiento.
Fase de maduracion.
En la fase final la temperatura disminuye hasta que se agota el sustrato , obteniéndose:•Reducción de la biomasa(95%)( )
•Disminución del CH4•Aumento de N2O.
Aspectos del proceso de compostaje
AS C OS S COS Q COS• ASPECTOS FISICOS Y QUIMICOS :Aireación: en ausencia de aireación, el oxigeno es limitante disminuyendo la descomposición.
•Tipo de desecho
Los requerimientos de aire de los microorganismos:
•Tipo de desecho•Temperatura•Fase del proceso•Condiciones del procesoCondiciones del proceso
NH3CO2H2O2HUMUS CH4
CO2Intermedios
Aspectos del proceso de compostaje
AS C OS S COS Q COS• ASPECTOS FISICOS Y QUIMICOS
Humedad : importante para el crecimiento de los microorganismos.
Relación C/N:importante para el balance de nutrientes y para la t bilid d d d l testabilidad y madurez del compost.
C/N alta: descomposición ineficiente y lenta.La necesidad de inmovilizar N para las plantas.C/N baja :no hay sufiente carbono y el nitrogeno se pierde porC/N baja :no hay sufiente carbono,y el nitrogeno se pierde por volatilización.Olores desagradables.
Aspectos del proceso de compostaje
AS C OS S CO Q COS• ASPECTOS FISICO QUIMICOSpH:
• Al inicio pH acido como resultado de los ácidos que se forman durante la p qdegradación.
• Finalmente pH basico,debido a la perdida de los acidos organicos y formación de iones álcali.
R d i i d l l jResumen de caracteristicas del sustrato para el compostaje.
Características Rango Razonable Rango óptimo
Relación carbono/nitrógeno 20:1 – 40:1 25:1 – 30:1 Relación carbono/nitrógeno 20:1 40:1 25:1 30:1
Contenido de humedad 40-65% 50-60%
Concentración de oxígeno Mayor al 5% Mucho mayor al 5%
PH 5.5-9.0 6.5-8.0
Temperatura 45-66 55-60
Aspectos del proceso de compostaje
AS C OS O OG COS• ASPECTOS BIOLOGICOS.MICROORGANISMOS:
Degradan un amplio rango de compuestos:g p g pProteínas, carbohidratos aminoácidos , azucares simples.
Dependen de la temperaturaDependen de la temperatura
Bacterias, hongos y actinomycetes
Aspectos del proceso de compostaje
AS C OS O OG COS• ASPECTOS BIOLOGICOS
Bacterias
• Responsables de la descomposición y generación de calor• Mesófilas y termófilas.
• Atacan el material mas resistente de degradar como
Hongos
gcelulosas y ligninas
• Etapa de maduración
A ti t
• Fundamentales en la degradación de compuestos orgánicos complejos como materiales leñosos.
Actinomycetes
Aspectos del proceso de compostaje
• ACTIVIDAD MICROBIANA COMO MEDIDA DE LA MADUREZ DEL COMPOST.
– Madurez: evaluación de la calidad y estabilidad del compost final.
•Respiración.•Evolución de CO2.•N2O
Indicadores de actividad i bi •N2O.
•CH4microbiana:
COMPOSTAJECOMPOSTAJE
Enriquecimiento del l
Remediación de la t i iósuelo contaminación
VENTAJAS
Prevención de la Beneficios económicosPrevención de la contaminación
BIOMINERIABIOMINERIA
ANA CRUZ BERMUDEZ
INTRODUCCIONINTRODUCCION
MINERIA obtención de productos esencialesMINERIA obtención de productos esenciales
METALURGIA conjunto de procesos por el cual se extrae el metal correspondiente de un mineral metálico.
PIROMETALURGIA mineral tostado a altas Tª reducido a metal.-INVIABLE ECONOMICAMENTE minerales con bajo contenido en t lmetal.
-ALTAMETE CONTAMINANTE Libera SO2 LLUVIA ACIDA.
HIDROMETALURGIA Alternativa utilizando bajas Tª + soluciones acuosasHIDROMETALURGIA Alternativa utilizando bajas T + soluciones acuosas capaces de extraer el metal de los minerales LIXIVIAR.
En la década de los 40 se descubrió la lixiviación como un proceso catalizado pbiológicamente BIOLIXIVIACION
TIPOSTIPOS
BIOLIXIVIACIÓN • Acumulación del mineral triturado (“PILA”) + disolución de H2SO4
• Bacterias liberan el metal del mineral recuperándose el metal de la disolución• Bacterias liberan el metal del mineral recuperándose el metal de la disolución
BIOOXIDACIÓN En minerales refractarios de oro en los cuales éste se encuentra incluido dentro de una matriz mineral de sulfuros.
• La acción de las bacterias elimina esta matriz liberando al oro y haciendo así más eficaz su recuperación.
• El valor metálico permanece en la fase sólida• El valor metálico permanece en la fase sólida.
BACTERIAS MINERASBACTERIAS MINERAS• BACTERIAS QUIMIOLITOAUTOTROFAS:Obtienen ATP y NADPH a partir de la oxidación de compuestos químicosObtienen ATP y NADPH a partir de la oxidación de compuestos químicos
inorgánicos.Solubilizan minerales de sulfatos de elementos de transición (cobre).
Acidithiobacillus ferrooxidans• oxidan gran cantidad de Fe2+
• Fe2+ Fe 3+
• Acidithiobacillus thiooxidans • Acidithiobacillus caldos a Tª• Leptospirillum ferrooxidans
EXTRACCIÓN MICROBIANA DE METALES
Genero Thiobacillus2 F 2+ +1/2O +2H+ 2F 3+ +H O F (OH) ill j d2 Fe 2+ +1/2O2+2H+ 2Fe3+ +H2O Fe (OH)3 amarillo -anaranjado
Recuperación de metales asociados a sulfurosRecuperación de metales asociados a sulfuros• ¼ parte del cobre de todo el mundo
se extrae mediante lixiviación microbiana
Cu S + Fe 3+ +H2O Cu2+ +Fe2+ +H2SO4
R ió d l b l ió• Recuperación del cobre en solución• La producción de Fe 2+ y sulfúrico
favorece el crecimiento de Thiobacillusfavorece el crecimiento de Thiobacillus
BIOREACTORESBIOREACTORES
VENTAJASVENTAJAS
• Poca inversión de capital las bacterias pueden ser aisladas a partir de• Poca inversión de capital las bacterias pueden ser aisladas a partir de aguas ácidas de minas.
• Relativa ausencia de polución o contaminación ambiental durante el pproceso.
• Permite el tratamiento de minerales con bajo contenido de metalh bit l t l i i ú ti d t t i thabitualmente se acumulan sin ningún tipo de tratamiento.
INCONVENIENTESINCONVENIENTESOXIDACION ACELERADA DE LA PIRITA (Fe S2) H2SO4
DRENAJE ACIDO DE LAS MINAS
VERTIDO TOXICO :AGUAS
pH ÁCIDO SOLUBILIZACION DE METALES PESADOS
Biorremediación de metalesBiorremediación de metales pesados en aguas y suelosp g y
Los metales pesadosLos metales pesados
Metales pesados en el medio ambienteMetales pesados en el medio ambiente
Interacciones metal microorganismoInteracciones metal-microorganismo
BIOSORCIÓN2+
BIOACUMULACIÓN
2+
2+2+
BIOPRECIPITACIÓN
2+2+
2+H+
H+CO3
2‐
+OH‐
2+2+
0 MCO3
BIOTRANSFORMACIÓN M(OH)2
Microorganismo para la biorremediación
Proteobacteria extremófila/metalófila
Aislada en áreas industrialesC i idCupriavidus
metallidurans CH34 • compuestos tóxicos
• temperatura, humedad y pH fluctuantetemperatura, humedad y pH fluctuante
• sin vegetación
• escasez de M.O y nutrientesy
•…
HQuimiolitoautotrofo
H2
CO2
Crecimiento en biofilms
C i id Sideróforos• Captura de Fe del medio• Gran afinidad por
Cupriavidus metallidurans CH34
O d i i l d
Sideróforos metales pesados
Operones de resistencia a metales pesados
Gran versatilidad
BIOSORCIÓN
BIOPRECIPITACIÓN2+
2+
2+H+
H+CO3
2‐
+
2+
2OH‐
+
MCOMCO3
M(OH)2
APLICACIONES
Eliminación de metales pesados del suelo/sedimentos/desechos sólidos
Eliminación de metales pesados del C i id ac ó de eta es pesados deaguaCupriavidus
metallidurans CH34
Biosensores
Suelo contaminado con metales pesados1. BIOMETAL SLUDGE REACTOR
pC. metallidurans CH341.
• pH• nutrientes• nutrientes• fuente de C• temperatura
Sedimentación
Sobrenadante de bacterias
suelo limpio
Sobrenadante de bacterias y metales pesados
suelo limpio
2. MOVING BED SAND FILTER2.
3. MEMBRANE BASED CONTACTOR3.
Nutrient stream
Waste water stream
cristales de CdCO3
membrana
4. BIOSENSORES4.
Operon de resistencia a metales pesados Operon de luciferasa
+
p p
2+
Luz
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