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