que es biorremediacion y cuadro
TRANSCRIPT
Tema 22.Biorremediación: aspectos generales. Biorremediación de: metales
pesados, vertidos de petróleo, xenobióticos. Fitorremediación
Biotecnología medioambiental Tema 22
Biorremediación: utilización de
organismos vivos para reducir o
eliminar riesgos medioambientales
resultantes de la acumulación de
compuestos químicos tóxicos y
otros residuos peligrosos.
Biorremediación
Biotecnología medioambiental Tema 22
Factores que determinan la eficacia de la biorremediación:
I) Propiedades del contaminante: básicamente nos referimos a su biodegradabilidad. Por
ejemplo, si nos referimos al petróleo, los hidrocarburos lineales se degradan más rápidamente
que los ramificados. La presencia de dobles enlaces, anillos aromáticos y diversas
sustituciones químicas hacen una molécula más resistente a su biodegradación
II) Presencia de comunidades microbianas adecuadas: los microorganismos pueden ser
autóctonos (biorremediación intrínseca, atenuación natural) o añadidos al sistema para
mejorar la degradación (bioaumentación).
III) Disponibilidad del contaminante: es un factor crítico, tan importante como la presencia
de comunidades microbianas adecuadas. Depende de su solubilidad, estado de oxidación,
adsorción a componentes del suelo.
IV) Naturaleza del medio contaminado: puede afectar al crecimiento microbiano y al
metabolismo del compuesto en cuestión. Por ejemplo, permeabilidad, temperatura, presencia
o ausencia de nutrientes orgánicos, oxígeno u otros aceptores de electrones, pH, etc.
V) Toxicidad: la toxicidad de un compuesto afecta a la capacidad de organismo para
asimilarlo.
Biotecnología medioambiental Tema 22
Tipos de biorremediación atendiendo a la comunidad microbiana
I) Atenuación natural (= biorremediación natural o intrínseca): es la llevada a cabo por los
organismos autóctonos del medio afectado por lo que depende de las habilidades metabólicas de
éstos. Básicamente se distinguen dos modelos: aeróbica y anaeróbica.
II) Bioestimulación: introducción de modificaciones en el medio ambiente (aporte de
nutrientes, aireación, etc) para favorecer o potenciar la biorremediación intrínseca. En muchos
casos será suficiente añadir aceptores de electrones (oxígeno, nitratos, etc) pero en otros hay que
aportar nutrientes (como N y P), ajustar el pH, aportar cometabolitos, etc.
III) Bioaumentación: consiste en la adición de microorganismos especializados al medio con
el fin de potenciar la remediación.
Biotecnología medioambiental Tema 22Procesos in situ y ex situ
Biotecnología medioambiental Tema 22Procesos in situ y ex situ
Pump and treatnutrientes
Biotecnología medioambiental Tema 22Cometabolismo y sintrofismo
a) Cometabolismo: el fundamento de este fenómeno consiste en que los enzimas
del inicio de una ruta metabólica (p.ej. las oxigenasas implicadas en el metabolismo
aerobio de los hidrocarburos) pueden no tener una especificidad demasiado estricta,
es decir, un mismo enzima puede degradar distintos compuestos. De este modo se
iniciaría la degradación de un compuesto que no sustenta el crecimiento del
microorganismo en cuestión.
b) Sintrofía: acción concertada de diferentes microorganismos sobre un sustrato (s)
mediante la combinación de sus actividades metabólicas, lo que permite su
degradación. Un requisito importante de este fenómeno es la proximidad física, que
minimiza la distancia a la que los compuestos difunden entre las células que
establecen una relación sintrófica, las cuales se benefician mutuamente de dicha
relación. Un ejemplo lo vimos en la formación de metano en los digestores
anaerobios.
Biotecnología medioambiental Tema 22
Biofiltración
Biofiltración: básicamente consiste en pasar el gas contaminado a través de un medio poroso en el cuál
anida la biomasa que lleva a cabo la degradación de los tóxicos a productos no nocivos.
Esta tecnología es reciente y se usa para cargas volumétricas altas que posean bajas concentraciones del
contaminante.
•Requiere una gran superficie (hasta 3.000 m2).
•Es muy económica: los costes totales (€) por cada 1.000 m3 tratados varían en un rango entre 0,4-2,4 en
biofiltración frente a 7,5 para la absorción y 11,4-14,6 en la adsorción
•En la biofiltración los diversos microorganismos biodegradan los compuestos contaminantes
transformándolos en otros subproductos como CO2, vapor de agua y biomasa entre otros. Es
particularmente eficaz sobre compuestos orgánicos simples como alcoholes, aldehídos, cetonas y algunos
aromáticos como xileno o tolueno.
•Lecho poroso: turba, compost, estiércol+serrín, etc.
•Necesidad de humidificación. Se produce un lixiviado.
•Alta eficiencia (usualmente entre 95 y 99%).
Biotecnología medioambiental Tema 22
Biofiltración
Biotecnología medioambiental Tema 22
Biorremediación de metales pesados
• Necesarios como oligoelementos pero tóxicos a partir de ciertas concentraciones.
• Acciones tóxicas:
� generación de especies tóxicas de oxígeno
� uniones a grupos –SH de proteínas: inactivación de éstas.
• Son especies químicas no biodegradables: pueden cambiar de estado de oxidación.
•La biodisponibilidad del metal depende del estado de oxidación y éste depende de las
condiciones físico-químicas.
•En función del estado de oxidación y los compuestos que esté formando, un microorganismo
puede realizar distintas acciones:
•Movilización del metal.
•Inmovilización del metal.
•Transformación en una especie volátil.
Biolixiviación.
Biorremediación.
Biotecnología medioambiental Tema 22
Biorremediación de metales pesados
Biotecnología medioambiental Tema 22
Biorremediación de metales pesados
a) Bioadsorción: es un fenómeno ampliamente estudiado en la
biorremediación de diversos metales pesados como el cadmio, cromo,
plomo, níquel, zinc y cobre. Los metales se adsorben pasivamente sobre
componentes de la pared celular polianiónica microbiana o sobre los
exopolisacáridos (también cargados negativamente). Es un proceso
rápido, que no se ve afectado por inhibidores del metabolismo pero sí
por las condiciones físico-químicas (como el pH o la fuerza iónica). Es
un proceso reversible y puede ocurrir con material vivo o muerto.
b) Secuestro intracelular: este mecanismo celular involucra un sistema
de transporte de membrana que internaliza al metal pesado presente en
el entorno celular con gasto de energía. Este consumo energético se
genera a través del sistema H+-ATPasa. Una vez incorporado el metal
pesado al citoplasma, éste es secuestrado por la presencia de proteínas
ricas en grupos sulfhidrilos llamadas metalotioneínas (cuya expresión se
potencia en presencia de metales pesados) o también puede ser
compartimentalizado dentro de una vacuola, como ocurre en hongos.
AlgaSORB©
Biotecnología medioambiental Tema 22
Biorremediación de metales pesados
c) Precipitación extracelular: los microorganismos son capaces de precipitar metales y
radionucleidos en forma de carbonatos e hidróxidos, mediante un mecanismo de resistencia
codificado en plásmidos. Este mecanismo aparece por el funcionamiento de una bomba que
expulsa el metal tóxico presente en el citoplasma hacia el exterior celular en contracorriente a
un flujo de H+ hacia el interior celular. Esto produce una alcalinización localizada sobre la
superficie celular externa y en consecuencia la precipitación del metal pesado. Otra forma de
precipitar los metales es a través de la formación de sulfuros o fosfatos, como resultado de
alguna actividad enzimática celular.
d) Transformación intracelular del metal: este proceso involucra un cambio químico sobre
el metal pesado, como por ejemplo en el estado de oxidación o metilación. Esta
transformación biológica de los metales pesados que resultan tóxicos mediada por enzimas
microbianas puede dar como resultado compuestos poco solubles en agua o bien compuestos
volátiles. El ejemplo más claro es el ciclo del Hg en la naturaleza, donde la bacteria
Pseudomonas aeruginosa puede reducir el catión Hg2+ a Hg0. Otros organismos pueden
metilar el Hg2+ dando como producto el CH3Hg+ y (CH3)2Hg, que son volátiles y muy tóxicos.
Biotecnología medioambiental Tema 22
Biorremediación de metales pesados
Biotecnología medioambiental Tema 22
Biotecnología medioambiental Tema 22
Las proteínas Mer (resistencia a mercurio)
Simon Silver and Le T. Phung
A bacterial view of the periodic table: genes and proteins for toxic
inorganic ions
J Ind Microbiol Biotechnol (2005) 32: 587–605
Biotecnología medioambiental Tema 22
Pilot plant for bioremediation of mercury-containing
industrial wastewater
I. Wagner-Döbler
Appl Microbiol Biotechnol (2003) 62:124–133
Biodetoxificación de mercurio
Biotecnología medioambiental Tema 22
Composición del petróleo
•Hidrocarburos saturados (alifáticos,
lineales o ramificados, desde 1 a 50 C y
cicloalcanos): 55-70%
•Hidrocarburos aromáticos
monocíclicos (benceno, tolueno,
etilbenceno y xileno, BTEX) y
policíclicos (hasta 5 anillos, PAHS):
20-30%
•Asfaltenos y resinas: 4-20%
Biotecnología medioambiental Tema 22
Diversidad de microorganismos que degradan petróleo
Se ha estudiado la diversidad de microorganismos con capacidad de degradar componentes del petróleo
tanto por:
a) Métodos clásicos: cultivos de enriquecimiento en medios sintéticos con hidrocarburos. Inconveniente:
no selecciona los microorganismos con mejores capacidades sino aquellos que mejor crecen en el medio
diseñado. En suelos se han aislado bacterias de los géneros Pseudomonas, Burkholderia, Acinetobacter,
Sphingomonas y diversos hongos. En muestras de agua marina, bacterias de los géneros Alcanivorax,
Cycloclasticus, Oleiphilus, Oleispira, Neptunomonas, Planococcus, Marinobacter, Vibrio,
Pseudoalteromonas, Marinomonas o Halomonas.
b) Técnicas moleculares: p.ej., clonación de los genes de ARNr 16S. Ha ampliado mucho el conocimiento
sobre el espectro de bacterias presentes en ambientes contaminados con petróleo, pero esta técnica no
evidencia cuáles están degradando hidrocarburos. Recientemente se ha ideado una técnica que consiste en
suministrar (en una pequeña zona controlada) un hidrocarburo marcado con 13C: las bacterias que lo
asimilen incorporarán en su ADN el C radioactivo. Tras un período adecuado de crecimiento, se aísla
directamente el ADN de la muestra contaminada y se separa el ADN radioactivo del que no lo es en
función de su diferente densidad. A partir del ADN radioactivo, se amplifican y clonan los genes de ARNr
16S que corresponderán únicamente a las bacterias que estén asimilando los hidrocarburos. Es una técnica
muy laboriosa, sólo al alcance de unos pocos laboratorios.
Biotecnología medioambiental Tema 22
Bacterias hidrocarbonoclásticas
Son verdaderos especialistas en degradar
hidrocarburos (no metabolizan ni azúcares, ni
aminoácidos ni otras fuentes de C habituales).
Destacan los géneros Alcanivorax
(especializados en degradar alcanos) y
Cycloclasticus (asimila sólo hidrocarburos
aromáticos). En ambos casos se trata de
bacterias marinas que están presentes en
pequeñas proporciones en el agua de mar pero
que llegan a ser predominantes en aguas
contaminadas con petróleo. Se piensa que en
aguas no contaminadas se alimentan de los
hidrocarburos producidos por algas y otros
organismos marinos.
Alcanivorax
Biotecnología medioambiental Tema 22
I. Degradación de alcanos: en la inmensa
mayoría de los casos, los microorganismos
metabolizan los alcanos transformándolos
en ácidos grasos mediante la oxidación
progresiva de uno de los grupos metilo
terminal. Realmente la enzima clave es la
primera, la alcano hidroxilasa, que mete un
grupo alcohol en dicho carbono. Es una
monooxigenasa (a partir de O2, mete un
átomo de oxígeno en dicho átomo de C, y
el otro átomo de O es reducido a agua). Las
demás enzimas que participan son más
habituales.
Degradación aeróbica de
hidrocarburos
Biotecnología medioambiental Tema 22
Degradación aeróbica de hidrocarburos
II. Degradación de compuestos aromáticos: los anillos aromáticos son químicamente muy
estables debido a su peculiar estructura en la que los electrones de los orbitales π están
compartidos entre todos los carbonos del anillo. Sin embargo, algunos microorganismos han
desarrollado estrategias para desestabilizar dicha estructura electrónica y romper el anillo En
condiciones aeróbicas, básicamente el proceso consiste en la introducción de uno o dos grupos –
OH mediante monooxigenasas o dioxigenasas (realmente hacen falta dos grupos OH, así que sólo
se mete uno cuando ya hay uno presente como es el caso del fenol). La estructura resultante es
menos estable (ahora presenta dos dobles enlaces permanentes en vez de los tres oscilantes
previos) y es atacada por una segunda dioxigenasa que ya abre el anillo y genera un compuesto
que puede ser metabolizado mediante el ciclo de de Krebs. Hay dioxigenasas que abren el anillo
en la posición orto (entre los C 1y 2) y otras que lo hacen en la posición meta (entre los C 2 y 3).
Biotecnología medioambiental Tema 22
Degradación aeróbica de hidrocarburos
Con frecuencia las enzimas de rutas de degradación de compuestos orgánicos tienen una
especificidad relajada y pueden actuar sobre una cierta variedad de sustratos. Un ejemplo claro
es la ruta de biodegradación de tolueno y xileno codificada en el operón tol del plásmido
pWW0 de Pseudomonas putida. Esta ruta, muy bien caracterizada, permite a la bacteria
asimilar como fuente de C: tolueno, m-xileno, p-xileno, 1,2,4,-trimetil-benceno, 3-etil-tolueno,
benzoato, 3-metil-benzoato, 4-metil-benzoato, 3,4-dimetil-benzoato y 3-etil-benzoato. La ruta
“superior” (upper) conlleva la oxidación de un grupo metilo a ácido (como en los alcanos) y
empieza con una oxigenasa. A continuación sigue una rura meta u orto como la que vimos antes
para el fenol o para el ácido benzoico.
Biotecnología medioambiental Tema 22
Degradación aeróbica de hidrocarburos
Biotecnología medioambiental Tema 22
Degradación anaeróbica de hidrocarburos
b) Rutas anaeróbicas: se conocen bastantes microorganismos capaces de degradar
anaeróbicamente hidrocarburos, si bien las rutas no están totalmente caracterizadas. Estas rutas
tienen mucha importancia en el ciclo del C. La degradación anaeróbica es un proceso más lento
que la aeróbica. Además de otras estrategias para las oxidaciones iniciales, requieren aceptores
finales de electrones distintos del oxígeno: menos energía, es decir, velocidad de crecimiento (y
de asimilación) más lenta.
I. Degradación de alcanos: se ha visto en dos bacterias, una sulfatorreductora y una
desnitrificante (nitrato-reductora). Al parecer el mecanismo de activación del alcano implica la
adición de una molécula de fumarato, de modo que se forma un diácido que probablemente es
metabolizado por la vía de oxidación de los ácidos grasos. Evidentemente pueden existir rutas
diferentes.
Biotecnología medioambiental Tema 22
Degradación anaeróbica de hidrocarburos
II. Degradación de compuestos aromáticos: las rutas mejor caracterizadas, como la del
tolueno de diversas bacterias sulfatorreductoras y desnitrificantes, también implican la
adición de un fumarato al tolueno, seguido de la activación con el CoA. Tras una serie de
pasos adicionales se forma una molécula de benzoil-CoA que ya es susceptible de perder la
aromaticidad mediante procesos de reducción que eliminan dos de los tres dobles enlaces
de la molécula. Por supuesto existen otras rutas para otros compuestos aromáticos.
Biotecnología medioambiental Tema 22
Genes implicados en la degradación de hidrocarburos
Biotecnología medioambiental Tema 22
Genes implicados en la degradación de hidrocarburos
Cabe destacar que los plásmidos catabólicos relacionados con la degradación de
hidrocarburos fueron los primeros que se descubrieron (plásmidos SAL y OCT en
1972-73, por el grupo del Dr. Chakrabarty) y dieron luz a la posibilidad de la
transmisión horizontal de rutas catabólicas. Además, están relacionados con la primera
patente que se hizo de un ser vivo tras una dura batalla legal que se gano en 1980 en el
Tribunal Supremo de EEUU y que sin duda tuvo que ver con el desarrollo de la
Biotecnología a nivel industrial. La patente de Chakrabarty (asignada a General Electric
que era la empresa para la que trabajaba) se basó en la construcción de una estirpe de
Pseudomonas que portaba 4 plásmidos con distintas rutas metabólicas para la
degradación de diversos componentes del petróleo.
Biotecnología medioambiental Tema 22Grandes vertidos
Biotecnología medioambiental Tema 22
Biorremediación de xenobióticosLa actividad industrial genera miles de compuestos químicos no naturales, es decir,
xenobióticos. Estos compuestos tienen una elevada capacidad contaminante dado que, al
contrario que los compuestos naturales, presentan una mayor o menor resistencia a la
biodegradación (recalcitrancia). Dentro de los compuestos xenobióticos, los más importantes
desde un punto de vista cuantitativo son los derivados aromáticos clorados y nitrogenados, base
de la industria de fabricación de explosivos, colorantes, herbicidas, plaguicidas, disolventes,
aislantes, adhesivos, etc. No obstante, algunos compuestos clorados y nitrogenados son de
origen natural, lo que justifica la existencia en la naturaleza de rutas degradativas más o menos
elaboradas para estos xenobióticos.
�Persistencia
�Fenómenos de bioacumulación y de incrementos de concentración en la cadena alimentaria
�Escasa biodegradabilidad
•Estructuras complejas
•Toxicidad
•Baja solubilidad en agua
Biotecnología medioambiental Tema 22
Biorremediación de xenobióticos
Algunos compuestos aromáticos clorados pueden mimetizar hormonas y actuar como tales
(xenohormonas). Así, los PCBs, dioxinas y furanos se han relacionado con problemas de
infertilidad, desarrollo de tumores, desarrollo inadecuado del sistema nervioso central, etc.
Biotecnología medioambiental Tema 22Biodegradabilidad
Mecanismos de dehalogenación
Biotecnología medioambiental Tema 22
�Oxidativa: el halógeno es
eliminado y reemplazado por
dos iones hidroxilo.
�Por eliminación: eliminación
simultánea de un halógeno y del
ión hidrógeno adyacente.
�Hidrolítica (sustitutiva):
sustitución del halógeno por un
ión hidroxilo.
�Reductora: es reemplazado por
un ión hidrógeno.
Biotecnología medioambiental Tema 22
Degradación de PCP
Herbicida y fungicida usado en la
conservación de la madera, contaminante
perteneciente a las listas negras. Debido a
su toxicidad su producción ha cesado en
Europa. Se han aislado diversos
microorganismos que pueden degradar
PCP bien en condiciones aeróbicas bien en
condiciones anaeróbicas; por ejemplo, las
bacterias Flavobacterium, Arthrobacter y
Rhodococcus y el hongo blanco
Phanerochaete. En la degradación aerobia,
la deshalogenación se produce por
oxigenasas que hidroxilan el anillo
aromático; después dicho anillo también
será escindido por acción de oxigenasas.
En la degradación anaerobia el proceso
empieza con deshalogenación reductora.
Fig. 1 Pathway for biphenyl degradation and genetic organization of the bph gene clusters of Burkholderia sp.
LB400 (Erickson and Mondello 1992; Hofer et al. 1994), Pseudomonas putida KF715 (Hayase et al. 1990; Nishi
et al. 2000), Rhodococcus sp. strain M5 (Peloquin and Greer 1993; Labbe et al. 1997), Rhodococcus sp. strain
RHA1 (Masai et al. 1995; Takeda et al. 2004) and Achromobacter georgiopolitanum KKS102 (Kimbara et al.
1989; Kikuchi et al. 1994; Ohtsubo et al. 2001)
Biotecnología medioambiental Tema 22
Degradación de bifenilos
Fig. 2 Transformation of selected polychlorinated biphenyl (PCB) congeners and of
dibenzo-p-dioxin by biphenyl 2,3-dioxygenases of a Burkholderia sp. LB400 (Haddock et
al. 1995; Seeger et al. 1995, 1999), b Pseudomonas pseudoalcaligenes KF707 (Suenaga et
al. 2002) and c Phe227Val and Phe377Ala mutants of KF707 dioxygenase (Suenaga et al.
2002). Unstable intermediates are enclosed in brackets
Dietmar H. Pieper
Aerobic degradation of polychlorinated biphenyls
Appl Microbiol Biotechnol (2005) 67: 170–191
Biotecnología medioambiental Tema 22Degradación de PCBs
Biotecnología medioambiental Tema 22
Fitorremediación
Consiste en el empleo de plantas para la eliminación, degradación o contención de
contaminantes en suelos, sedimentos y aguas. Las plantas extraen del suelo y de las aguas los
contaminantes a través de la adsorción o absorción directa de sus raíces o mediante mecanismos
de acción combinada con microorganismos asociados que viven en las raíces de las plantas
(fitoestabilización, fitofiltración). A veces, posteriormente se almacenan en raíces, tallos y hojas
(fitoextracción), se transforman en otros compuestos propios de cada planta (fitodegradación) o
son volatilizados a la atmósfera por transpiración (fitovolatilización).
Es una técnica no destructiva, pasiva, basada en la energía solar que constituye una alternativa
a los métodos físicos y químicos y también frente a la remediación por microorganismos.
•Uso in situ.
•Metales, disolventes, explosivos, pesticidas, hidrocarburos, lixiviados, etc.
•Bajo coste.
•Visulamente agradable.
•Beneficiosa para el suelo.
•También puede servir para combatir la polución atmosférica.
Biotecnología medioambiental Tema 22
Fitorremediación
Biotecnología medioambiental Tema 22Fitorremediación