biodegradacion de residuos
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BIOTRANSFORMACIÓN DE RESIDUOS ORGÁNICOS
Facultad de Agronomía – Curso de Microbiología
Problemática mundial
Residuos de la agricultura, agroindustrias (lecherías, queserías), actividad forestal, industrias, animales o el hombre llevan a la acumulación de desechos orgánicos e inorgánicos en los suelos y cauces de agua, acumulación de productos químicos sintéticos y la producción de sustancias tóxicas.
Objetivo en el tratamiento de residuos
� Disminuir la carga contaminante (Ej: tratamiento de estiércol en la industria lechera)
� Aprovechar los restos como fuente de energía (producción de etanol, H2, metano)
� Obtener moléculas de interés (producción de proteínas celulares)
� Producir alimentos (cultivo de hongos comestibles, proteínas microbianas, lombrices)
Tecnologías de biotransformación
� Biodegradación aerobia� COMPOSTAJE� VERMICOMPOSTAJE
� Biodegradación anaerobia� BIODIGESTOR
� BIORREMEDIACIÓN
COMPOSTAJE
Definición:
Proceso biológico controlado de descomposición de la materia orgánica contenida en restos de origen animal o vegetal, en condiciones aeróbicas, cuyo resultado final es un producto que ha sido estabilizado y sanitizado, de alto contenido en sustancias húmicas y que se puede aplicar al suelo para mejorar sus características, sin causar riesgos al medio ambiente (DINAMA)
Es un proceso de degradación aeróbica que combina fases mesófilas (15 a 45ºC) y termófilas (45 a 70 ºC) para conseguir la reducción de los residuos orgánicos y su transformación en un producto estable y valorizable
TRATAMIENTO AEROBIO
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2+ 6H2O ∆G°’ = -2870 KJ/mol
Etapas biológicas del proceso
Tiempo
Tem
pera
tura
Mes
ófi la
Term
ófila
Enfr
iam
ient
o
Mad
urac
ión
PASTEURIZACIÓN
Evolución teórica de los diferentes componentes en un compost
Microorganismos del compost
Bacterias, Actinomycetes y Hongos
Microorganismos asociados a las pilas de compost
Bacteria Hongos
Mesófilos
Pseudomonas spp. Alternaria spp.
Achromobacter spp. Cladosporium spp.
Bacillus spp. Aspergillus spp.
Flavobacterium spp. Mucor spp.
Clostridium spp. Humicola spp.
Streptomycetes spp. Penicillium spp.
Termófilos
Bacillus spp. Aspergillus fumigatus
Steptomyces spp. Mucor pusillus
Termoactinomycetes spp. Chaetomium thermophile
Thermus spp. Humicola lanuginosa
Thermomonospera spp. Absidia ramosa
Micropolyspora spp. Sporotrichum thermophile
clostridium thermocellum Torula thermophile
Thermoascus aurantiacus
Factores fisicoquímicos que afectan al compostaje
� Disponibilidad de nutrientes� Aireación: la concentración del oxígeno no debe ser inferior al
5-10% del volumen de los macroporos � Temperatura: no superar los 70°C� Humedad
� >60% ausencia de aire, putrefacción� 40-60% óptima� <40% reducción de actividad microbiana� <12% cesa la actividad microbiana, induce
anaerobiosis y pérdida de nutrientres
� pH: el óptimo se sitúa entre 6 y 7.5� Granulometría� Relación C:N
� >30/1 proceso lento� 25-30/1 óptimo� <25/1 pérdidas de N
Residuos a compostar
Son fuentes de carbono la paja, hojas secas, astillas y aserrín, y algunos tipos de papel y cartón sin tinta
Son fuentes de nitrógeno lamateria vegetal verde, estiércol,restos de frutas y verduras, etc.
La cantidad y calidad de
nutrientes de los sustratos iniciales afectan el grado de compostaje y
las características del producto final
Relación C:N de los residuos a compostar
Materiales C:N
Lodos activados 6
Cortes de césped 12-15
Estiércol 20-50
Humus del suelo 10
Residuos vegetales 12
Paja de trigo 80
Aserrín 200-500
Madera 400
Propiedades deseables de un compost
% N >2
C:N <20
% cenizas 10-20
% humedad 10-20
% P 0.15-1.5
Color Marrón oscuro
Olor Terroso
% capacidad de retención de agua
150-200
% azúcares reducidos <35
Cualidades agronómicas
� Mejora de las propiedades químicas y bioquímicas de los suelos� La adición de compost al suelo aumenta la materia
orgánica favoreciendo su estructura y la capacidad de retención de agua e infiltración
� Contiene cantidades significativas de nutrientes para plantas: N, P, K, S y micronutrientes
� Causa poco perjuicio al medio ambiente (asumiendo que es libre de metales pesados o materia orgánica peligrosa)
� Ahorro económico en abonos químicos� Es un sistema de reciclaje, con una útil revalorización del
residuo� Colabora en el control de enfermedades de las plantas y
en reducir las pérdidas en las cosechasUso comercial del compost como producto en jardines,
Degradación natural de la materia orgánica vs compostaje
� La concentración de nutrientes es mayor en el compost
� La estructura del suelo no permite la liberación brusca de calor (el mismo se disipa y la temperatura no sube)
� Los organismo termófilos no se incrementan en los cambios en el suelos como lo hacen en los compost
� La velocidad de los cambios es muy diferente (45-200 días en el compost, años en el suelo)
� La acción del viento y el mezclado facilita la degradación en el compost
� Mayor diversidad de materiales compostados
� Baja carga contaminante y remoción de semillas de malezas en el compost
IMM: Programa de tratamiento de residuos orgánicos - TRESOR
Área de compostaje
VERMICOMPOSTAJE
Generalidades:
� Es una variación de la tecnología del compostaje en la cual se utilizan lombrices para acelerar la degradación de la materia orgánica
� La lombriz cava galerías en el compost moliendo y humedeciendo partículas en el tubo digestivo
� Sus excrementos están formados por agregados de tierra, materia orgánica digerida, secreciones intestinales y urinarias de más fácil asimilación por las raíces de las plantas
� La descomposición de la materia orgánica es realizada por los microorganismos del tracto digestivo de las lombrices
Proceso:
� El material se dispone en canteros� Ancho: 1-1.20 m� Altura: 0.30-0.40 m� Largo: variable
� Material picado y bien mezclado (puede ser precompostado)� Sustrato recomendado: estiércol, restos de café,
te y yerba� Evitar: ajo, cebolla, residuos cítricos
� Humedad: 60-80%
Desventajas
� Necesita más mano de obra� El material debe estar triturado para una
mayor eficiencia en la degradación� Necesita de una mayor área: 1000 m2 para
producir 100 ton de compost por día� No presenta fase termófila, que produciría el
proceso de pasteurización de los residuos
BIODIGESTOR ANAEROBIO
Biodigestor
En su forma más simple, es un contenedor cerrado, hermético e impermeable dentro del cual se deposita el material orgánico para que a través de la degradación anaerobia se produzca gas metano y fertilizantes orgánicos ricos en nitrógeno, fósforo y potasio, y además se disminuya el potencial contaminante de los excrementos
Tratamiento anaerobio
� C6H12O6 → 3 CH4 + 3 CO2
∆G°’ = - 394 kJ/mol
� En la digestión anaerobia aprox. 90% de la energía disponible de la materia orgánica se transforma en compuestos gaseosos
� 70 a 90% menos de biomasa generada que en respiración aerobia
Digestión anaerobia - Metanogénesis
� Proceso anaerobio microbiano de oxidación de la materia orgánica a CH4 y CO2
� Ocurre en forma secuencial� Ausencia de aceptores externos de electrones
inorgánicos (O2, NO3-, NO2
-, SO4-2, Fe+3, So, etc.)
� Ausencia de luz� Interviene una población microbiana muy heterogénea q
actúa en una cadena alimentaria (ppalmente bacterias)� Los sustratos pueden ser estiércol o mezclas complejas
de celulosa, hemicelulosa, lignina, proteínas, lípidos, minerales, etc.
� Los m.o utilizan estos compuestos como fuente de energía y carbono, mineralizando cada vez más los restos orgánicos hasta alcanzar un equilibrio.
#
1. Fermentadoras primarias
2 .Metanogénicas hidrogenotróficas
3 .Metanogénicas aceticlásticas
4 .Fermentadoras acetogénicas
5 y 6. Homoacetogénicas
Etapas de la digestión anaerobia
I. Hidrólisis y fermentación
� Degradación de polímeros complejos (proteínas, polisacáridos, lípidos, ac. nucleicos) a monómeros (azúcares, aminoácidos, ac. grasos, glicerol, purinas y pirimidinas)
� Participan enzimas hidrolíticas de múltiples microorganismos anaerobios estrictos o anaerobios facultativos, que utilizan los compuestos de la hidrólisis.
� Fermentacion a propionato, acetato, butirato, lactato, etanol CO2 y H2
Sintrofismo
� Asociaciones sintroficas (transferencia de H 2interespecies)� Bacterias que degradan ácidos grasos en anaerobiosi s y
bacterias consumidoras de H 2
� Otros compuestos: aminoácidos, alcoholes, aromático s, etc.
Cooperación simbiótica entre bacterias metabólicamente diferentes que dependen
una de otra para la degradación de un sustrato (generalmente por causas
energéticas)
Etapas de la digestión anaerobia
II. Acetogénesis y deshidrogenación
� Oxidación de butirato, propionato, ácidos grasos de cadena larga a H2, CO2 y acetato acoplado a utilización de H2
� Estas bacterias actúan sinérgicamente (sintrofía ) con otros microorganismos que consumen el H2 producido (metánogénicos o sulfato reductores) y de esta forma permiten que se establezca el primer grupo (que es inhibido por el H2)
� Formación de gránulos con estrecha asociación entre generador y consumidor de H2
Etapas de la digestión anaerobia
III.MetanogénesisEs la última etapa de la cadena trófica y las bacterias metanogénicas producen CH4 a partir de acetato e H2 en la digestión anaerobia.
� CO2 + 4 H2 CH4 + 2 H2O
� CH3COOH CH4 + CO2 ACETICLASTICASACETICLASTICASACETICLASTICASACETICLASTICAS
HIDROGENOTROFICAS HIDROGENOTROFICAS HIDROGENOTROFICAS HIDROGENOTROFICAS
Bacterias metanogénicas
� Pertenecen al dominio Archaea (arqueobacterias)
� Anaerobias estrictas (pot redox inferior a -400 mV)
� Consumen poco sustratos (acetato, H2 y formiato, metanol, metilaminas)
� Sensibles a tóxicos, generalmente crecen a pH neutros y en mesofilia (25 - 40 ºC), también hay termófilas
� Se reconocen 5 órdenes: Methanobacteriales, Methanococcales, Methanomicrobiales, Methanosarcinales y Methanopyrales
Aplicaciones
� Generación de metano como combustible (poco empleado en la actualidad)
� Generación de biofertilizantes� Descontaminación de desechos:
� Digestores anaeróbicos (residuos industriales y agrícolas, lodos activados de reactores aerobios)
� Rellenos sanitarios
Biodigestores rurales
Modelo Hindú Modelo Chino
Biofertilizante
� Es el efluente de la digestión anaerobia en los biodigestores.
� En los biodigestores rurales se utiliza estiércol diluído, el biofertilizante resultante es una suspensión homogénea que actúa como activador de la población microbiana del suelo con la resultante dinamización de toda la actividad biológica.
� La relación C:N baja indica una estabilización del producto, con la fracción lignocelulósica no degradada y abundante biomasa microbiana.
Proyecto MDL Lanas Trinidad
Transformación de lagunas anaerobias para la recuperación de biogás, reducción de las emisiones de GEI y generación eléctrica
En total se reducirá la emisión en 20.000 toneladas de CO2 eq. por año. Esta cantidad sería equivalente a la emisión de 4.600 automóviles con un recorrido anual promedio de 18.000 km, similar al parque automotriz de la ciudad de Trinidad
BIORREMEDIACIÓN
Definición:
Es la manipulación de microorganismos para reducir, eliminar, contener o
transformar contaminantes presentes en suelos, sedimentos, agua o aire
Entradas de contaminantes
� Los contaminantes del suelo y agua son típicamente químicos introducidos por la actividad humana (xenobióticos ), y tienen el potencial de causar daño al ambiente
� La entrada más común es por la aplicación de pesticidas, por pérdidas de tanques de almacenamiento o fugas en sistemas de transporte
� Existen compuestos químicos, incluso algunos de origen natural que por su composición no pueden ser degradados por los m.o o son de muy lenta degradación denominados recalcitrantes
Contaminantes más comunes del suelo
� Solventes clorinados: tricloroetileno (TCE) y tetracloroetileno (PCE), acetona, butanol, cloruro de metilo
� Explosivos:2,4,6-trinitrotolueno (TNT)
� Metales: cromo, cadmio, plomo
� Radiactivos: plutonio
� Pesticidas: atrazina, benlate y malathion
� BTEX, un compuesto de benzeno, tolueno, etilbenceno y xileno
� PAH, hidrocarburo poliaromático
� PCB, bifenilos policlorados
Microorganismos útiles en biorremediación
Géneros más comunes de bacterias y hongos
Residuo degradado Microorganismos
Petróleo Pseudomonas, Proteus, Bacillus,Penicillium, Cunninghamella
Aromáticos Pseudomonas, Achromobacter,Bacillus, Arthrobacter, Penicillium,Aspergillus, Fusarium,PhanerocheateCadmio Staphylococcus, Bacillus ,Pseudomonas, Citrobacter,Klebsiella, Rhodococcus
Azufre Thiobacillus
Cromo Alcaligenes, Pseudomonas
Cobre Escherichia, Pseudomonas
Hongos
Ausencia de vías catabólicas para la biodegradación ¿obstáculo insalvable?
� Muchos genes codificadores de biodegradación en transposones y plásmidos
� Las rutas bioquímicas evolucionan constantemente y el intercambio de información genética mediada por plásmidos entre cepas microbianas puede ampliar el espectro de biodegradación
� Tecnología del ADN recombinante
Factores que afectan la biorremediación
Parámetro Condición requerida para
la actividad microbiana
Humedad del suelo 25-28% de capacidad de
retención de agua
pH del suelo 5.5-6.8
Contenido de O2 Aerobio
Contenido de nutrientes N y P
Temperatura (ºC) 15-45
Contaminantes No demasiado tóxicos
Metales pesados <2000 ppm
Tipo de suelo Baja arcilla o contenido
en limo
La biorremeciación puede realizarse:
� in situ es el tratamiento del material contaminado en su lugar original
� ex situ es la remoción del material contaminado para ser tratado en otro lugar
Estrategias de biorremediación in situ o ex situ
� Biorremediación intrínseca� Bioestimulación� Bioventilación� Bioaumentación� Rellenos sanitarios “Landfarming”� Compostaje� Fitorremediación
Bioestimulación y ventilación In situ
� La biorremediación “in situ” consiste en la inyección o percolación de agua no contaminada, con oxígeno disuelto, que puede ser extraída de la napa por una bomba y a la cual se le agrega nutrientes.
Bioestimulación y ventilación Ex situ
� Se procede a la remoción del material a tratar y se transporta a piletas o reactores donde se agregan nutrientes y oxígeno
� Los sedimentos se “limpian” en pasos sucesivos y los componentes orgánicos se remueven y se oxidan
Biorremediación ex situ Transformaciones microbianas implicadas en la biodegradación
� MINERALIZACIÓN� Molécula orgánica CO2, N2, CH4, etc.
� COMETABOLISMO� Transformación de un compuesto orgánico por
microorganismos incapaces de utilizarlo como fuente de energía y carbono
� Los productos obtenidos pueden ser utilizados por una segunda especie
Cometabolismo
Suc
ralo
sa in
cial
–C
(%)
Degradación de xenobióticos: pesticidas
� Toxicidad hacia organismos no blanco� Crecimiento de especies resistentes� Persistencia en suelo y/o lixiviación a cursos de
agua� Efecto sobre el ecosistema altamente
dependiente de otras variables:� Propiedades del suelo: materia orgánica, historia
del suelo� Dosis aplicada� Tiempo transcurrido después de la aplicación
Sustancia Tiempo para 75-100% de desapariciónInsecticidas
cloradosDDTAldrinClordanoHeptacloroLindano
4 años3 años5 años2 años3 años
Insecticidas Organofosforados
DiazinónMalatiónParatión
12 semanas1 semana1 semana
Herbicidas 2-4, D 2,4,5 T Dalapin AtrazinaSimazinaPropazina
4 semanas20 semanas8 semanas40 semanas48 semanas1.5 años
Persistencia en suelos de insecticidas y herbicidas
Pesticidas: Atrazina
� Algunos son fuente de carbono y/o dadores de electrones para microorganismos del suelo y desaparecen rápido, pero otros como por ejemplo la atrazina son más persistentes
� La atrazina (2-cloro-4-etilamino-6-iopropilamino-s-triazina) es un herbicida de importancia especialmente en el manejo de malezas en cultivos de maíz y sorgo. Todas las reacciones en la degradación de atrazina pueden realizarse biológicamente.
Sistemas agrícolas: contaminacióncon nitrógeno (NO3 y NH3)
� Origen: fertilizantes químicos y excretas animales
Eutrofización de aguas superficiales
Efectos adversos en humanos: metahemoglobinemia
Estrategia
Pozos para la inyección de sustratos carbonados como dadores de electrones para la biorremediación de aguas contaminadas con nitratos
Bajo condicionesanaeróbicas se producedenitrificación (el nitratocontaminante se liberacomo gases (N2O, N2)
Ventajas y desventajas de la biorremediación:
� Menos riesgosa para el personal que la aplica� Es más económico que otros procesos ya que los
contaminantes pueden tratarse en el lugar� Es un proceso natural de bajo impacto ambiental� El contaminante puede presentarse con baja
biodisponibilidad y limitar la aplicación de biorremediación
� La situación se agrava en el caso de una mezcla de contaminantes, donde uno puede ser degradado y otro resulta tóxico para el m.o
� El conocimiento del manejo de interacciones entre lo biológico, químico y físico en sitios con mezclas complejas de contaminantes todavía es muy limitado
Bibliografía
� Frioni, L. (2006) Microbiología básica, ambiental y agrícola.Facultad de Agronomía, UDELAR.
� Eldor, A.P. (2007) Soil microbiology, ecology, and biochemistry . 3ª edición, ELSEVIER.
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� Alexander, M. Biodegradation and Biorremediation . 2°ed.
� Atlas & Bartha. Ecología microbiana y microbiología ambiental. 4°ed.
� www.samsoluciones.es - Compostaje CMC http://www.youtube.com/watch?v=LVh-9uv6Xes
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