Introducción General: Bioremediación de

Compuestos Inorgánicos

Dr. Jim Field Universidad de Arizona

Departamento de Ingeniaría Química y Ambiental

•  Biodegradación de Orgánicos: transformación catalizada biológicamente de un compuesto a una forma química mas simple

•  Mineralización: Conversión de un compuesto orgánico a un producto mineral

Degradación de 2-clorofenol

•  Biotransformación: Transformación de un contaminante por medio de un proceso biológico

Ejemplo: metilación de arseniato

Resumen y Definiciones:

bacteria

bacteria

Resumen y Definiciones:

•  Fermentación: Glucosa → 2etanol + 2CO2 = 2 ATP

•  Respiración Aeróbica:

Glucosa + O2→ 6CO2= 32 ATP Compuesto orgánico

Compuesto orgánico oxidado

Portador de electrones

Flujo de electrones

Fluj

o de

car

bono

Compuesto orgánico reducido

compuesto orgánico

O2

flujo de carbono

Fluj

o de

el

ectr

ones

CO2

Resumen de Metabolismo

•  Sustratos Orgánicos Primarios Donadores de Electrones: Sustrato proveedor de energía y sustentador de crecimiento (compuestos orgánicos también provén carbono) Donador de Electrones: El compuesto que dona electrones (que se oxida):

•  Clásicamente un contaminante orgánico •  Los donadores de electrones son oxidados

CH3(CH2)nCH3 → CO2

•  También puede ser un compuesto inorgánico reducido (por ejemplo, el sulfito)

•  Donadores de electrones inorgánicos también son oxidados H2S → SO4

2-

Resumen y Definiciones:

Esquema General del Proceso de Degradación de un Contaminante Orgánico como Sustrato Primario

En este ejemplo: - Contaminante hidrocarburo (donador de electrones) se oxida a CO2 - El oxigeno o nitrato (aceptor de electrones) se reduce a H2O o N2 - Contaminante hidrocarburo sirve como fuente de carbono

Energía

Células nuevas

Aceptor de electrones

Producto mineralizado

Contaminante Orgánico

CH3(CH2)nCH3 donador de electrones y

fuente de carbón

electrones y carbono

electrones

oxidación

Esquema General del Proceso de Biotransformación de un Contamínate Inorgánico como Sustrato Primario y

Carbono Inorgánico como Fuente de Carbono

En este ejemplo: - Contamínate sulfurado (donador de electrones) se oxida a SO4

2-

-  Oxigeno o nitrato (aceptor de electrones) se reduce a H2O o N2 -  Bicarbonato (corbono inorgánico) sirve como la fuente de carbón

Fuente Inorgánica de

Carbono HCO3

-

Compuesto Inorgánico Reducido (e.g. H2S) donador de electrones

Energía y electrones

Células nuevas

Aceptor de electrones

Compuesto inorgánico Oxidado

(e.g. SO42-)

electrones y carbono

electrones

oxidación

Clasificación de Microorganismos en base a la Fuente de Energía y de Carbono

Clasificación Fuente de Carbono Fuente de Energía En base a la fuente de carbón

Autótrofo CO2

Heterótrofo Compuestos orgánicos

En base a la fuente de energía quimoorganotrofo Compuestos orgánicos* Compuestos orgánicos

quimolitoheterotrofo Compuestos orgánicos Compuestos inorgánicos

fotoheterotrofo Compuestos orgánicos Luz

quimolitoautotrofo CO2 Compuestos inorgánicos

fotoautotrofo CO2 Luz

*no distinción entre químicos orgánicos/inorgánicos como fuente de energía, aunque “hetero” es implícito

Autótrofo facultativo: normalmente heterótrofo pero que puede acomodarse a condiciones autotróficas

Resumen y Definiciones:

quimo lito auto trofo

Fuente de Energía:

quimo = reacción química foto = radiación electromagnética (fotones)

Fuente de Carbón:

auto = carbono inorgánico hetero = carbono orgánico

Donador de Electores:

lito = químico inorgánico organo = químico orgánico

“Comedor”

•  Ciclo Calvin: Extenso (muchas bacterias autotróficas, algas) 6 CO2 + 12 NADPH = 18 ATP → Fructose -6-fosfato + 12 NAD+ + 18 ADP + 17 fosfato Enzima clave = ribulosa bifosfato carboxylase (RubisCo) CO2 + ribulosa-1,5-bifosfato → 2 3-fosfato- glycerato

•  Ciclo Reverso del Acido Cítrico: sulfa bacterias verdes

•  Vía Acetil Coenzima A: homoacetogenes, reductores autotróficos del sulfato, metanogenes autotróficos 2 CO2 + 4 H2 = CH3COO- + H+ + 2 H2O Enzima clave=monóxido de carbono deshidrogenase (contiene Ni, Fe, Zn) CO2 + H2 → CO + H2O CO se incorpora al grupo carbonilo (COOH) acetato Otros cofactores importantes: vitamina B12 & tetrahidrofolate

Fijación autotrófica de CO2

Aceptores de Electrones: Compuestos que aceptan electrones de la oxidación de sustancias donadoras de

electrones y que sostienen la respiración

AQDS / AH2QDS-

0.9

0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2

0.1 0.0

-0.1 -0.2

O2 / H2O NO3

- / N2

FeOOH / FeCO3

MnO2 / MnCO3

-0.3 CO2 / CH4 SO4

2- / HS-

E0’ (V)

As5+ / As3+

aeróbico

desnitrificación

Reducción disimilatoria del manganeso

Reducción disimilatoria del arsénico

Reducción disimilatoria de hierro

Respiración quinona

Reducción de sulfuro

metanogénesis

Clasificación Aceptor de Electrones Externo

Aeróbicos O2 → H2O

Desnitrificadotes NO3- o NO2

- → N2

Reductores Disililatorios de Fe Fe3+ → Fe2+

Reductores Disimilatorios de Mn Mn4+ → Mn2+

Bacterias halorespiradoras percloroetileno → etene

Bacterias respiradoras quinona quinona (humus)→ hidroquinona

Bacterias reductoras de sulfuro SO42-, → H2S

Metanogenos CO2 or H+ → CH4

Fermentadores Compuestos orgánicos → compuestos orgánicos reducidos

Clasificación de Microorganismos en Base al Aceptor de Electrones Utilizado

Clasificación de Microorganismos en Base a el Aceptor de Electrones Utilizado

•  Respiración Aeróbica: Oxigeno elemental (O2) usado como aceptor de electrones.

•  Respiración Anaeróbica: Los Microorganismos usan otros químicos como aceptores de electrones: por ejemplo, nitrato, sulfato, hierro (Anaeróbico algunas veces llamado Anoxico en referencia a los anaeróbicos que usan aceptores alternativos de electrones aparte de CO2 o H+ o fermentación)

•  Facultativos Anaeróbicos: Normalmente aeróbicos pero pueden acoplarse a condiciones anaeróbicas

Clasificación de Microorganismos en Base a Condiciones Ambientales Extremas

•  En Base a la Temperatura: –  Termofilos: crecen a altas temperaturas –  Mesofilos: crecen en temperaturas moderadas –  Psycrofile: crecen en temperaturas bajas

•  En Base a Condiciones Ambientales Extremas: –  Halofilos: crecen en condiciones salinas y baja humedad –  Acidofilos: crecen en condiciones de bajo pH

Aguas Termales en el Parque Nacional de Yellowstone (limite superior organismos fotosintéticos 80°C, aunque se dan los hipertermofilicos que crecen a 110° C).

El Río Tinto en La Palma del Condado, España. El color rojo del río se debe a la alta concentración de hierro disuelto en sus aguas (pH 2).

Los compuestos inorgánicos no contienen carbón. Estos incluyen a los metales pesados como el cobre, arsénico y mercurio; radioactivos como el uranio; fertilizantes con nitratos y fosfatos; y escurrimientos de las operaciones mineras que contienen sulfitos y hierro.

Contaminante Inorgánico Fuente Amonia (NH4

+) Escurrimiento de rellenos sanitarios, estiércol

Nitrato (NO3-) Escurrimiento agrícola, fosas sépticas/drenaje

Sulfato (SO42-), acido sulfúrico Drenaje acido de minas, industria de semiconductores

procesamiento de metales, industria papelera (pulpa)

Sulfito (S2-) Drenaje, Minería

Hierro ferroso (Fe2+) Minería, condiciones anaeróbicas

Arseniato (As5+) o As(OH)3O Tratamiento de agua potable, pesticidas agrícolas

Perclorato (ClO4-) Cohetes, combustible de misiles

Uranio VI (UO22+) Ciclo del combustible nuclear

Cobre (Cu2+) Minería, industria de semiconductores, industria procesadora de metales

Contaminantes Inorgánicos

Drenaje Acido de Minas 1)  El drenaje acido de las minas es un problema ambiental muy serio que

afecta cerca de 23,000 km de arroyos en los Estados Unidos.

2) Es el resultado de la oxidación del sulfato de hierro del carbón mineral y de los jales mineros. A medida que la pirita (FeS2) se oxida el agua se hace extremadamente acida y rica en metales pesados como el hierro, manganeso, aluminio, mercurio, plomo, etc.

Agua de drenaje

Deposito de desechos Abiotico o

Thiobacillus s.p.

Abiotico

El Drenaje Acido de Minas se escurre desde St. Kevin Gulch cerca de Leadville, Colorado, área en la que se mina oro, plata, plomo y zinc.

Eutroficación Un lago eutrófico es considerado productivo:

-  Niveles y suministro alto de nutrientes

-  Densidad alta de plantas y peces

¿Por que es la eutroficacion mala?

-  Los niveles de O2 tienen un balance muy

delicado

-  Flujo súbito de nutrientes

- Aumenta el crecimiento de plantas (explosión del crecimiento de algas)

- Depleción rápida de O2

Etapas de la Eutroficación A)   Crecimiento abundante de

algas en aguas superficiales con luz solar cuando los nutrientes son abundantes

C)   Cuando hay temperaturas mas frías, las algas mueren y se precipitan al fondo del lago

C) En la próxima temporada, mas algas florecen en la superficie mientras que el material viejo se descompone en el fondo incrementando la Demanda Biológica de Oxigeno (DBO) y liberando mas nutrientes

•  Definición: La destrucción o transformación de un contaminante por los microorganismos a formas del contaminante menos dañinas para remediar un sitio o efluente contaminado

•  Como es que los Microorganismos Remedian Compuestos Inorgánicos? (Parte 1)

A)   Biotransformación Reductiva a Productos Finales Benignos: Bioconversión de contaminantes inorgánicos a compuestos no dañinos y benignos al medio ambiente Desnitrificación: NO3- + etanol → N2 + CO2

Respiración Perclorato: ClO4

- + etanol → Cl- + CO2

B) Biomineralización: Biotransformación que resulta en la formación de un ligando que precipita los contaminantes inorgánicos dentro de un mineral insoluble Reducción de Sulfato para Precipitar el Cobre: Cu2+

[aq] + SO42- + etanol → CuS[s] + CO2

Bioremediación

Bioremediación •  Como es que los Microorganismos Remedian

Compuestos Inorgánicos? Parte 2 C) Precipitación Reductiva: Reducción de la valencia mas alta soluble Reducción de uranio hexavalente a uranito tetravalente:

UO22+

[aq] + etanol → UO2[s] + CO2

Reducción de cromato hexavalente a cromo trivalente: CrO4

2-[aq] + etanol → Cr2O3⋅H2O[s] + CO2

D)   Precipitación por oxidación: Oxidación del metal/metaloide soluble de valencia mas baja a un producto insoluble (o menos móvil) de valencia mas alta

Oxidación de hierro ferroso a hierro ferrico trivalente (ferrihidrita): Fe2+[aq] + O2 + H2O → Fe3+

2O3·0.5(H2O) [s]

Oxidación de sulfuro a azufre elemental: S2-

[aq] + O2 → S0[s]

Bioremediación •  Como es que los Microorganismos Remedian

Compuestos Inorgánicos? Parte 3 E) Biosorción: Sorción de metales pesados y/o radionúclidos a la

biomasa independiente del metabolismo [Volesky y Holan. 1995. Biotechnol Prog. 11:235]

Adsorción de plomo o cadmio por algas marinas cafés (Sargassum)

2L- 2L- 2L-

Pb2+ Pb2+

Pb2+ Pb2+ Pb2+

Sargassum cell

Fungi (Rhizopus) por Pb, Cd, Cu, Zn etc.

Bioremediación •  Como es que los Microorganismos Remedian

Compuestos Inorgánicos? Parte 4 F) Bioacumulación: Consumo de metales (u otros inorgánicos)

dependiente de energía. Una vez adentro de la célula, los metales pueden ser secuestrados o separados por grupos cysteynes o son compartamentalizados en vacuolas de hongos

Mn2+

Mn2+

célula

Mn2+ Mn2+

polyphosphate

PO43-

célula

Ejemplo: Consumo de Mn2+ por Lactobacillus

Ejemplo: remoción biológica de fósforo

Bioremediación •  Como es que los Microorganismos Remedian

Compuestos Inorgánicos? Parte 4 (Continuación)

G) Volatilización: Remoción de metales del suelo, sedimento o agua mediante la producción de especies volátiles

Biometilación de selenio

materia orgánica volatilización

Bioremediación

Mecanismos de interacción de microbios y radionuclidos

Bioacumulación: Consumo celular de metales

Biomineralización: Formación de precipitados

metálicos insolubles

Biosorción:

Sorcion química de cationes metálicos vía formaciones complejas con ligancos celulares (L)

Biotransformación:

Reducción de metales de valencia alta a especies insolubles de valencia mas baja in

Quimosorción de metales mejorada microbianamente:

Intercalación de un cation metálico dentro del cristal de un precipitado predepositado

Célula Bacteriana Metal

(oxidado soluble)

Metal

(reducido insoluble)