Biorremediacion de aguas
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BIORREMEDIACIÓN DE AGUAS
CURSO : MICROBIOLOGÍA
PROFESOR : RAMOS, Roberto
INTEGRANTES :
C
Ó
DI
G
O
20
080968
20
081269
20
080978
APELLIDO Y NOMBRE
MARCELO, Daniel
MELÉNDEZ, Jose
SOSA, Daniel
SEMESTRE : 2010-I
GRUPO : Nº2 (C10)
2010
1. INTRODUCCIÓN
En los inicios de su desarrollo económico y social, la sociedad
creía haber sido bendecida con una abundancia ilimitada de
recursos naturales, lo que originó una administración desordenada
de los mismos. Actualmente esos recursos muestran en mayor o
menor grado el descuido al que han sido sometidos; tal es el caso,
por ejemplo, de la contaminación de las aguas fluviales por
sustancias químicas peligrosas de uso común en la actividad
minera, el cual junto con otras actividades que también impactan
en el agua será tema central del presente trabajo.
Todos los procesos que conducen a cambios estructurales o de
fase de los contaminantes ambientales poseen un fundamento
químico, incluyendo aquéllos en los que intervienen los
microorganismos. Bajo ciertas circunstancias, el rol principal de los
microorganismos consiste en proporcionar las condiciones ideales
para que ocurran las transformaciones químicas en vez de
biodegradar directamente los contaminantes.
La biotecnología moderna o el uso de organismos diseñados y
modificados genéticamente para realizar labores específicas, se ha
transformado en una herramienta muy útil y de alta proyección
para el medio ambiente, ya que con la aplicación de técnicas de
biorremediación, se ha logrado reducir la concentración y
contaminación de distintas sustancias como petróleo,
hidrocarburos policíclicos y aromáticos, solventes industriales,
pesticidas y metales (plomo, mercurio, etc.), lo que está
contribuyendo a la restauración medioambiental.
2. IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA
La preservación de la biosfera representa uno de los mayores
problemas y desafíos para la humanidad al iniciarse el siglo XXI. El
acelerado desarrollo tecnológico, debido a las crecientes
demandas y expectativas del hombre, junto al acelerado
crecimiento de la población, produce una enorme presión sobre
nuestro planeta, que se traduce en niveles cada vez mayores de
contaminación.
La contaminación de una parte de nuestra biosfera como es la del
agua es un problema muy preocupante para el hombre, puesto que
este es un compuesto vital que representa el 70% de nuestro
organismo y la gran mayoría de la superficie terrestre, además de
ser habitad de millones de especies que se ven afectadas por el
incremento de la contaminación de este recurso durante las últimas
décadas por derrames de petróleo, aguas sépticas, relaves
mineros, etc. ya que el hombre vierte en el agua todo lo que se
puede disolver en ella, muestra de una clara inconsciencia en las
consecuencias que trae esto.
Hace poco un derrame de petróleo en el Golfo de México dejo
muertos a más de 100 animales que se han encontraron hasta el
momento en las costas de Luisiana (EE.UU.), esto nos demuestra
la gravedad del asunto. El petróleo causa muchos disturbios en los
ecosistemas acuáticos y en las playas cercanas; crea una capa
impermeable que obstaculiza el paso de la luz solar que utiliza el
fitoplancton para realizar el proceso de la fotosíntesis, interfiere en
el intercambio gaseoso del mar, cubre la piel y las branquias de los
animales acuáticos provocándoles la muerte por asfixia, entre otros
muchos problemas igual de graves, al igual que afecta la economía
de las playas que se ven contaminadas.
Los relaves mineros provenientes de la minería afecta
directamente a nuestro país contaminando ríos y lagos de la sierra
que se encuentran cerca de las mineras. Un claro ejemplo es el
Lago Junín, el cual se encuentra dentro de la Reserva Nacional de
Junín. Este lago, actualmente, contiene gran cantidad de residuos
de metales como hierro, arsénico, cadmio, mercurio, zinc,
plomo, manganeso y cobre (residuos comunes en este tipo de
contaminación), provenientes del Complejo Metalúrgico de la
Oroya, los cuales ocasionan la muerte de la mayoría de la flora y
fauna que ahí habitan. No solamente se ven afectados la flora y
fauna del ecosistema victima de estos residuos, sino también
afecta gravemente al subsuelo, lo cual ocasiona infertilidad de la
tierra.
Por otro lado la población se ve muy afectada por estos residuos
como el caso de los pobladores de Vitoc, un distrito ubicado en la
provincia de Jauja. Los habitantes de dicha zona se ven
perjudicados por los relaves de plomo que llegan a los ríos
Tulumayo, Chanchamayo y Perené, a través del río afluente
Aynamayo, el cual se encuentra a corta distancia de las
instalaciones de la minera San Vicente, de propiedad de la
compañía San Ignacio de Morococha S.A. Estos restos químicos
provienen de ácidos muy fuertes, por lo cual su presencia en el
agua atenta en contra de la salud de los pobladores, puesto que
normalmente esta se usa para su consumo; como consecuencia de
esto, los niños de Vitoc sufren de problemas a la piel: como la
dermatosis, además de complicaciones gastrointestinales.
En resumen la contaminación por metales pesados ocasiona
graves problemas en la salud de pobladores, como por ejemplo:
uno de estos es el plomo, que daña principalmente la sangre, el
sistema nervioso central, el sistema reproductivo y los riñones,
entre otros a los que diariamente se enfrentan los pobladores.
No solo en Junín se ve este tipo de consecuencias sino también en
Puno como la mayoría de poblaciones que viven cerca a estas
empresas, por este motivo no es de extrañar la graves protestas
que estas personas realizan en contra del establecimiento de las
mineras cerca de sus hogares.
Ante todos estos problemas la reciente idea de biorremediación del
agua es una alternativa muy eficaz para poder purificar este
recurso tan valioso e importante para el hombre al igual que para
otras muchas especies; en general, para todos los seres vivos.
3. MARCO TEÓRICO
La habilidad de los microorganismos para degradar y reciclar los
contaminantes ambientales ha sido reconocida desde hace
muchos siglos. La biodegradación es el mecanismo más
importante que atenúa la migración de contaminantes orgánicos
disueltos en el agua subterránea.
Los microorganismos autóctonos frecuentemente utilizan la
biodegradación de diferentes tipos de compuestos orgánicos
sintéticos como un nicho metabólico para obtener energía y
construir bloques para la síntesis de nuevo material celular.
3.1. Requerimientos
La biodegradación de contaminantes ambientales es un proceso
de autopurificación que ocurre cuando condiciones sitio-específicas
conducen al crecimiento e degradadores específicos y al
funcionamiento de sus enzimas.
Presencia de organismos con el requerido potencial de
degradación.
Presencia de cepas degradadores específicas en la zona
contaminada.
Accesibilidad del contaminante por degradar a los
microorganismos.
Inducción de enzimas degradantes apropiadas.
Disponibilidad apropiada de donantes y aceptores de
electrones.
Disponibilidad de nutrientes.
pH adecuado y capacidad buffer.
Temperatura adecuada.
Ausencia de sustancias tóxicas o inhibidoras.
3.2. Recalcitrancia
Es un término utilizado para denotar que un compuesto orgánico
es relativamente resistente a la biodegradación. Esto se debe
generalmente a limitaciones fisiológicas de las bacterias presentes
y/o a las propiedades ambientales. Existen varios niveles de
recalcitrancia; algunos compuestos son muy recalcitrantes y no se
degradan en una magnitud adecuada (por ejemplo, algunos
polímeros orgánicos sintéticos) o, se degradan muy lentamente
(ejemplo, polímeros estructurales de plantas, lignina).
3.3 Mecanismos comunes de biotransformación
3.3.1. Hidroxilación: Este tipo de transformación involucra la
adición de grupos –OH, incrementando así la solubilidad y la
consiguiente biodegradabilidad de hidrocarburos y algunos
nitroaromáticos y compuestos aromáticos; un ejemplo simple, lo
constituye la oxidación de alcanos en sitios contaminados con
productos derivados del petróleo. Esta reacción aerobia es
mediada por enzimas que atacan la parte final de la cadena
transformando los alcanos en alcohol primario.
O2
CH3-(CH2)n-CH3 → CH3-(CH2)n-CH2OHmonooxigenasa
Las reacciones siguientes normalmente involucran oxidación
posterior del alcohol transformándose en un aldehído y luego a un
ácido carboxílico.
2H O2
CH3-(CH2)n-CH2OH → CH3-(CH2)n-CHO → CH3-(CH2)n-COOH
deshidrogenación oxigenación
El ácido graso puede ser entonces metabolizado vía Beta-
oxidación, la cual es una vía central de metabolismo que rompe la
cadena lineal del ácido graso, produciendo fragmentos de dos
carbonos (acetil-CoA). Para operar esta vía no requiere
condiciones aerobias, y es inhibida cuando la cadena es ramificada
o, alguno de los átomos de carbono posee sustitutivos xenóforos
como el Cl o NO2.
Los fragmentos resultantes de acetil-CoA pueden entrar
subsecuentemente en el ciclo de Krebs, el cual completa el
proceso de mineralización (se genera CO2). Alternativamente se
pueden usar intermedios del ciclo de Krebs como material para la
síntesis de nuevo material celular.
La hidroxilación también puede ocurrir en forma anaerobia. En este
caso, no existe oxígeno molecular y el oxígeno atómico se deriva
del agua.
3.3.2. Ruptura oxidativa de anillos aromáticos: los anillos
aromáticos (benceno) son constituyentes comunes de los
contaminantes orgánicos y su degradación aerobia es mediada por
enzimas oxigenasas. Primero, el anillo es dihidroxilado (pre-
requisito del proceso); para la posterior ruptura oxidativa del
catecol resultante.
Los hidrocarburos aromáticos también pueden ser degradados
bajo condiciones anaerobias, aunque estas reacciones son
usualmente mucho más lentas. En este caso, los anillos
aromáticos bencenoides son generalmente carboxilados y
transformados a ésteres CoA-.
3.3.3. Transformaciones de reducción: estas ocurren
típicamente bajo condiciones anaerobias e involucran el uso del
contaminante objetivo aceptor de los electrones transferidos desde
una molécula reducida como H2, o donadores intracelulares de
electrones como co-enzimas reducidas (NADH o NADPH).
La dehalogenación reductiva consiste en la remoción de átomos de
halógeno (Cl, Br y F) apara atenuar los grandes riesgos
provocados por la toxicidad y la persistencia de estos compuestos,
tales como los disolventes clorado y los pesticidas.
La reducción del grupo funcional nitro a grupos aminos llegan a ser
procesos fáciles que se realizan en los sustitutivos comunes de
compuestos energéticos (RDX, HMX, y TNT) y algunos pesticidas
(4,6-dinitro-o-cresol, EPN, y paratión), detoxificando la molécula
orgánica (excepto en la reducción del nitrobenceno a anilina, la
cual es altamente tóxica).
3.3.4. Reacciones sintéticas: se refieren a la adición de
moléculas al componente objetivo (por degradar). Dichas
reacciones son más raras en biodegradación que en anabolismo.
Sin embargo, algunos xenobióticos pueden ser detoxificados por
conjugación con intermediarios en vías metabólicas, o conectados
consigo mismos; carboxilados, metilados y humificados.
3.4 Biotransformación de metales pesados
Los microorganismos necesitan para crecer una amplia variedad
de metales en concentraciones trazas (como Zn, Co, Ni y Mo),
debido a que muchas enzimas los utilizan en sus sitios activos para
facilitar la catálisis, como cuando ejercen distorsión electrónica
sobre el sustrato; y/o mediando la transferencia de electrones. Sin
embargo, la cantidad de metales asimilados para tales propósitos
metabólicos es relativamente pequeña y esto no es un mecanismo
de atenuación importante en comparación con las reacciones de
biotransformación.
A pesar de que los microorganismos no pueden convertir los
metales a elementos diferentes pueden catalizar las reacciones de
oxidación o reducción que afectan la solubilidad y movilidad de
muchos metales.
Los microbios pueden ser indirectamente responsables de la
reducción metálica mediante la producción de reductantes
relativamente fuertes, como H2S de SO4-2 y Fe(II) de Fe(III).
3.5. Cooperación entre diferentes especies microbianas para
biodegradación mejorada
La mineralización de la mayoría de los compuestos orgánicos
peligrosos en el ambiente es raramente realizada por cepas
bacterianas singulares. Biorremediación es frecuentemente el
resultado de una intricada red de consorcios y actividades
microbianos y la probabilidad de una biorremediación exitosa se
incrementa con la gran diversidad microbiana. Frecuentemente,
especies diferentes colaboran en la degradación gradual de
químicos orgánicos complejos o material genético intercambiable
que dotan al recipiente con habilidades mejoradas de
biodegradación. Algunas bacterias también excretan sustancias
que proveen de nutrientes o factores de crecimiento a otros
microorganismos o remueven y neutralizan compuestos que
inhiben la actividad de degradadores específicos.
3.5.1. Comensalismo: es una interacción microbiana benéfica que
involucra “metabolismo asociado” donde una población se
beneficia de “migajas” (desechos) de otra. Esta es una interacción
unidireccional, ya que la población que produce las migajas no es
afectada por las reacciones subsecuentes.
La mineralización de compuestos recalcitrantes como los PCB,
disolventes clorados y algunos pesticidas se basa frecuentemente
en comensalismo co-metabólico.
3.5.2. Sintrofismo: viene a ser una asociación no obligatoria entre
dos o más poblaciones microbianas que se suministran entre sí
requerimientos nutricionales, tal como factores de crecimiento. A
diferencia del comensalismo, sintrofismo es una interacción
benéfica mutua.
3.5.3. Transferencia interespecífica de hidrógeno: la necesidad
de colaboración entre diferentes poblaciones microbianas es
especialmente importante bajo condiciones anaerobias, donde los
compuestos orgánicos son degradados a productos no tóxicos
como acetato, CO2, CH4 y H2, por la acción combinada de muchos
tipos diferentes de bacterias.
La transferencia interespecífica de hidrógeno es una conexión
crítica en la cadena alimenticia anaerobia debido a que previene la
acumulación de los productos de fermentación y mejora la
mineralización anaerobia. Específicamente, bacterias fermentativas
productoras de hidrógeno y acetogénicas están en desventaja
termodinámica si el hidrógeno se acumula. Por eso, fermentadores
y acetógenos se asocian mutualmente con organismos
consumidores de hidrógeno (metanógenos) para mantener bajos
los niveles de H2.
4. DISCUSIONES Y CONCLUSIONES
Un gran número de categorías de contaminantes químicos y
residuos han sido eliminados eficazmente mediante la
biorremediación. Las aplicaciones de esta tecnología incluyen a los
tres grupos de residuos peligrosos más comunes: Hidrocarburos
de petróleo, creosota y disolventes clorados. La mayoría de las
aplicaciones de biorremediación se ha referido a derrames de
combustibles; las actividades de biorremediación se distribuyen
aproximadamente como sigue: 33% petróleo, 28% creosota, 22%
compuestos alifáticos halogenados, 9% pesticidas y 8% otros
(mezclas de químicos), viéndolo en perspectivas del primer mundo.
Observamos que la biolixiviación tiene resultados prometedores y
cuya efectividad en el tratamiento de metales en pos de evitar la
contaminación del agua ha sido comprobada, sin embargo,
presenta ciertas dificultades; la excesiva presencia de metales
pesados, y los cambios extremos en las condiciones ambientales
ideales, que suelen darse de manera natural, solo son algunas de
estas. Recordemos que las bacterias son organismos vivientes, por
ende están sujetos a sufrir estos cambios mientras no se descubra
una nueva forma de mejorar el proceso, es decir, la biolixiviación
es el mejor camino para disminuir la contaminación mientras las
condiciones la favorezcan.
Hasta el momento, la biolixiviación, que viene siendo la mejor
propuesta para el tratamiento de metales pesados, está siendo
usada en nuestro país, mostrando buenos resultados e implicando
la mejora económica y la disminución del impacto ambiental, mas
no esto se ha aplicado a grandes escalas. La biorremediación
ofrece ventajas y desventajas que deber ser consideradas antes de
decidirse por su utilización. Sin embargo es una gran opción si
ponemos en un mayor grado de importancia a la biósfera.
5. CASOS EN EL PERÚ
Actualmente existen nuevos métodos de biorremediación, más
económicos y más “limpios”, con los cuales tratar los residuos de
los relaves mineros, uno de estos métodos es la biolixiviación.
La biolixiviación, como se dijo, es la oxidación bacteriana empleada
para el tratamiento de minerales sulfurados auríferos y se
fundamenta en la acción efectiva de la arqueobacteria Thiobacillus
ferrooxidans, la cual es capaz de oxidar especies reducidas de
azufre a sulfato, y para oxidar el ión ferroso a ión férrico.
Thiobacillus ferrooxidans es eficaz en un ambiente ácido y
aeróbico, es móvil y quimiolitótrofo autótrofo, y se presenta en
forma de bastoncitos de 1 a 2 µm de largo por 0.5 a 1.0 µm de
ancho. Presenta su punto isoeléctrico entorno de 4.0 a 5.0 y se
desenvuelven en el intervalo de temperatura de 28 a 35°C. La
fuente de energía fundamental para el Thiobacillus ferrooxidans es
el ión Fe+2, pudiendo ser utilizados también el azufre y sus formas
reducidas.
Thiobacillus ferrooxidans
Algunos factores que influyen negativamente en la lixiviación son la
presencia de metales pesados, particularmente los iones de Ag, Hg
y Mn, que son venenosos para las bacterias; además la existencia
de temperaturas muy altas muchas veces como consecuencia de
las reacciones exotérmicas propias, son inconvenientes para
algunos tipos de bacterias. Mejores métodos para la extracción de
los metales lo forman, los de lixiviación por pilas usados en la
actualidad en la extracción de los sulfuros de cobre. En este
método se prefiere triturar el mineral para aumentar su superficie
de ataque y algunas veces cuando hay la presencia excesiva de
finos se aglomera el material antes de enviarlo a las pilas. El piso
de las pilas recibe un tratamiento previo de impermeabilizado
colocando, además membranas de material plástico; el piso de la
pila está dotado de una cierta inclinación que va a permitir al licor
de lixiviación fluir por gravedad; sistemas de aeración a menudo se
instalan para aumentar el flujo de aire. Se acumula el mineral en
forma de pilar de gran dimensión y se le riega ya sea por aspersión
o por goteo con la solución bacteriana, igual que en el caso
anterior la solución rica en el metal valioso es recogida en el fondo
para luego recuperar el valor por los métodos conocidos ya
mencionados.
Aunque la lixiviación bacteriana es corrientemente aplicada para la
recuperación del cobre y el uranio, sin embargo están ya siendo
usada para la recuperación de otros materiales sulfurosos, como
en el tratamiento de la esfalerita y la galena que son sulfuros de
zinc y de plomo respectivamente. En el Perú (Tamboraque) se está
haciendo uso de la lixiviación bacteriana para el tratamiento de la
arsenopirita y pirita aurífera contenido en bastos depósitos de
relaves, la lixiviación bacteriana descompone la arsenopirita
logrando que el oro entrampado quede libre y por lo tanto en
condiciones de ser disuelto por el cianuro, en la forma tradicional
de recuperarlo.
También está demostrado la posibilidad de lixiviar los concentrados
de plomo y de zinc, los sulfuros son oxidados por las bacterias
Thiobacillus, habiéndose detallado que en el caso del zinc, los
sulfuros tipo marmatítico, son los más rápidamente lixiviados, lo
cual se explica por el hierro que contiene la molécula de marmatita.
En este sentido la biolixiviación bacteriana acompañada de
lixiviación química está siendo aplicada con éxito en Toquepala
(Perú) donde los licores de lixiviación de los botaderos de Cuajone
y Toquepala son tratados en la planta de extracción por solvente y
electrodeposición para añadir 30000 toneladas anuales de cobre a
la producción de cobre electrolítico de Southern Perú Copper
Corporation.
Por lo demás el proceso de lixiviación bacteriana tiene ya algunos
años de aplicación en Cerro Verde (Arequipa) con resultados
halagadores. El mayor impedimento a la lixiviación bacteriana ha
sido la lentitud del proceso, debido esencialmente a que las
bacterias como seres vivientes están sometidas a los embates del
medio ambiente y son particularmente sensibles a variaciones de
humedad y temperatura extremas. La biolixiviación será más
sencilla para las especies nativas siempre presentes en los
depósitos, pero estas no se reproducen en gran escala por esto es
necesario preparar cepas artificiales en el laboratorio, con las
características de las nativas y que son finalmente las bacterias
que se regaran sobre el material. En las posibilidades actuales de
manipulación genética es de esperarse el nacimiento de bacterias
con mejores características.
La lixiviación bacteriana resulta en el reto más importante en el
futuro de la Metalurgia, los métodos tradicionales de recuperación
de metales deberán dar paso a métodos no contaminantes y la
biolixiviación es uno de ellos y que debe responder a la exigencia
de un mundo atribulado que clama por un ambiente que no se
contamine más.
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microorganismos+anaerobios&hl=es&ei=hTQDTNbvHoH98Aax
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