degradacion de compuestos organicos

DEGRADACION DE COMPUESTOS ORGANICOS Y XENOBIOTICOS POR MICROORGANISMOS

BIORREMEDIACION

…los microorganismos son capaces de utilizar una gran variedad de sustancias orgánicas naturales o sintéticas como fuente de nutrientes y energía………..detergentes, pesticidas, petroleo, disolventes….

…la explicación ….. …podria estar en que antes de que el hombre apareciera en escena los m.o. llevaban millones de años coexistiendo con una gran variedad de compuestos…potenciales sustratos para crecer………..

…….Una mutación en una enzima generaria la capacidad para utilizar un nuevo sustrato y el m.o. poseedor de esta nueva capacidad podría colonizar un nuevo nicho ecológico.

Esa capacidad degradativa de los m.o ha sido puesta a prueba con la introducción de los XENOBIOTICOS en la naturaleza

Es la utilización de los microorganismos para eliminar contaminantes

Se denomina xenobióticos a aquellos compuestos químicos sintetizados por el hombre que no existían previamente en la naturaleza.

Los xenobióticos: han sido producidos masivamente en los últimos 50 años

tienen estructuras químicas nuevas (no reconocidas por las enzimas degradativas existentes) y

la capacidad evolutiva de la naturaleza no ha podido adaptarse todavía a su enorme variabilidad, de tal manera que podemos decir que solo los xenobióticos con moléculas naturales muy relacionadas sufren biodegradación.

¿Cuáles son las causas de que la mayoría de los compuestos xenobióticos sean recalcitrantes?.

¿Qué son?

Su estructura Su solubilidad en agua y su toxicidad Su excesivo peso molecular (Lignina de la madera)

Aves predadoras

Agua

Placton

Peces pequeños

Peces grandes

0.3ppb

30ppb

300 ppb

3000pp

30.000ppb

la acumulación selectiva del xenobiótico en los tejidos animales

Magnificación biológica

No todos los contaminantes son fáciles de biorremediar Metales pesados: cadmio, plomo, mercurio

DDT

COMPUESTOS XENOBIOTICOS

Halocarbonados

Freones, CCl3F y CCl2F2 (aerosoles) Trihalometanos, como cloroformo, bromodiclorometano… Clorinados etenos, como el tricloroetileno (TCE) y el percloroetileno (PCE) (limpieza en seco) Biorremediación: Bacterias reductoras de sulfato y bacterias metanogénicas

PCBs …….

Bifenilos-policlorinados (aislantes, refrigerantes) Biorremediación: Phanerochaete, Acinetobacter, Alcalígenes

Haloaromáticos

fenoles clorinados (herbicidas, insecticidas, fungicidas disolventes) Biorremediación: Bacterias sulfurogénicas y metanogénicas

Nitroaromáticos Son liberados al medio por la combustión incompleta del petróleo, explosivos, colorantes y pesticidas. Biorremediación: Desulfovibrio, Clostridium

Dioxinas Se producen al quemar compuestos halogenados y en la producción de cloruro de polivinilo. Altamente carcinogénicos

trinitrotolueno

ABSs (alquilbenzil sulfonatos) Detergentes anionicos

Alquil benceno sulfonato ramificado

Plásticos Polietileno, cloruro de polivinilo poliestireno

Organofosforados Pesticidas y guerra química Biorremediación: Agrobacterium radiobacter

Metales pesados Materia inorgánica (iones, metales pesados) producto de la contaminación industrial.

M.o. no pueden destruir los metales, si transformarlos en estados de oxidación menos peligrosos

Otros m.o. transfieren grupos metilo a los metales: biomagnificación

Niquel, zinc, cobre, boro: fitotóxicos Cadmio, plomo, mercurio, arsénico, berilio, cobre: tóxico para animales

Contaminación por Hierro: Drenaje ácido de la mina

Fe2+ se oxida a Fe3+ (Thiobacillus)

Fitorremediación: importante en eliminación de metales

ESTRATEGIAS PARA ENCONTRAR M.O. QUE DEGRADAN COMPUESTOS TOXICOS Y OPTIMIZACION DE LA BIORREMEDIACION :

1. El microbio de Yellowstone limpia aguas residuales

2. Bacteria resistente a radiación para limpiar metales en basureros

radiactivos

3. Eliminación de metales pesados procedentes de minería

4. Supermicrobios que limpian Uranio

5. Microorganismos que limpian contaminantes de carbón

6. Bacterias que limpian compuestos clorinados

7. Eliminación del pesticida DDT

8. Helechos que eliminan arsénico del suelo y del agua

El microorganismo Thermus brockianus, produce una proteína (catalasa) capaz de degradar el H2O2. Eficiencia 80,000 veces mayor que los métodos tradicionales.

Búsqueda indirecta: una expedición fue a Yellowstone y encontraron esta bacteria que degradaba H2O2.

Parque Nacional de Yellowstone donde este m.o. fue encontrado.

Thermus brockianus


Optimización: No usar el m.o. directamente, sino la proteína purificada. Reutilización de la proteína mediante su unión a bolitas.

Thomspon, V.S. et al. Purification and characterization of novel thermo-alkali-stable catalase from Thermus brockianus. Biotechnology Progress 19, 1292-1299 (July/August 2003).


Aplicación posterior: El problema de la acumulación de H2O2 en residuos de agua procedentes de la industria textil.

Deinococcus radiodurans es el organismo conocido más resistente a la radiación. Gran utilidad en limpieza de metales pesados en basureros radiactivos.

Deinococcus radiodurans

Características: Puede soportar miles de veces más radiación que que una persona y sobrevivir. Cuando es irradiado con rayos gamma, su DNA se rompe en cientos de fragmentos, pero esta bacteria es capaz de recomponer el genoma de nuevo.

PFGE de DNA total de D. radiodurans

Aplicaciones: diseño de drogas para tratamiento del cáncer.

2. Bacterias que limpian metales en basureros radioacivos.

Descubrimiento: Deinococcus radiodurans fue descubierto en 1957 en Oregón en una lata de carne que había sido previamente esterilizada con altas dosis de radiación gamma.

Aplicación posterior: Hasta 50 años más tarde no se ha utilizado para una aplicación microbiológica en limpieza del medio ambiente. Limpiar metales pesados en basureros radiactivos procedentes de la guerra fria.

Optimización: Esta bacteria ha sido modificado para que pueda consumir el tolueno y los iones de mercurio de desperdicio nuclear altamente radioactivo.

Brim H, McFarlan SC, Fredrickson JK, Minton KW, Zhai M, Wackett LP, Daly MJ (2000). «Engineering Deinococcus radiodurans for metal remediation in radioactive mixed waste environments». Nature Biotechnology 18 (1): pp. 85 – 90.

2. Bacterias que limpian metales en basureros radioacivos.

3. Eliminación de metales pesados procedentes de la minería

Las minas de Fe de Carolina del Norte, fueron durante una época la mayor fuente de metales tóxicos en EEUU.

Riachuelo procedente de las minas de Fe presenta altísimos niveles de acidez del agua

Búsqueda directa: Tomaron muestras de agua de la mina y extrajeron y analizaron el DNA de todos los organismos presentes en el agua. Este pool de DNA se secuencia, y se ensamblan genomas de especies individuales. Estrategia: genómica medioambiental. Estudia m.o. que no pueden crecer fuera de su propio ambiente

Recogida de muestras de los restos tóxicos de la mina: había m.o. que aceleraban la limpieza de los productos tóxicos producidos.


En el caso de las minas de Fe, a los m.o. responsables de la limpieza se les llamó extremófilos, por las condiciones extremas donde viven.

Científicos recogiendo muestras de microbios en las profundidades de las minas de Fe

Tras secuenciar su genoma se vio que estos m.o. eran una mezcla de poblaciones de bacteria y Archaea.

Focos fluorescentes amarillos son bacterias Leptospirillum y los focos azules corresponden a Archaea.


Optimización: identificar genes específicos y correlacionar lo que se sabe de la función de estos genes con las capacidades del m.o. para la biorremediación. Ahora por medio de microarrays de DNA están estudiando porqué el proceso que usan los m.o. para hacer energía es lo que acelera la desintoxicación de la mina y cómo lo hacen.

Tyson, G.W. et al. Insights into community structure and metabolism by reconstruction of microbial genomes from the environment. Nature 1, 2004).


Las minas de Uranio de Colorado, EEUU, producían Uranio para las armas nucleares durante la guerra fria.

Búsqueda directa: Algunos m.o. del suelo transforman metales de su forma soluble a una forma insoluble que precipita en el agua, y puede ser facilmente recogida y retirada. Geobacter sulfurreducens reduce uranio. Geobacter metallireducens rompe uranio y plutonio.

Los científicos han secuenciado su genoma. Han encontrado un centenar de genes que ayudan al m.o. a producir energía transportando electrones a metales como el uranio.

G. sulfurreducens, estructuras en forma de pelos que le permiten desplazarse.

Los científicos han encontrado genes que ayudan al mo a “nadar” y desplazarse en busca de metales.


Optimización: Por medio de arrays de DNA, se han identificado los genes que funcionan cuando el m.o. produce energía. Intentar manipular el proceso genéticamente para que lo haga mejor y más rápido. Añadir vinagre estimula su crecimiento.

Aplicación: Usando este m.o. la cantidad de uranio se ha reducido en un 90% en las minas de Colorado.

Otras aplicaciones: para producir fuentes de energía alternativas.

B.A. et al. Genome of Geobacter sulfurreducens: Metal Reduction in Subsurface Environments. Science 302, 1967-1969,12, 20

Minas de uranio. Pozos inyectan acetato (vinagre) en el suelo para estimular el crecimiento de los m.o. presentes

5. Microorganismos que limpian contaminantes de carbón

Bacterias que degradan naftaleno en residuos de carbón. Químicos derivados del alquitran del carbón, son peligrosos por contaminar aguas subterraneas.

Búsqueda directa: Estrategia: incorporación de marcadores no-radiactivos en el naftaleno y liberación al suelo. Emisiones de CO2 indicaban que el naftaleno estaba siendo degradado por bacterias. Se tomaron muestras de suelo y por análisis de DNA fingerprinting se identificaron los m.o. responsables, Polaromonas naphthalenivorans.

Jeon, C. O. et al. Discovery of a previously undescribed bacterium with distinctive dioxygenase that is responsible for in situ biodegradation in contaminated sediment. Proceedings of the National Academy of Sciences USA. Published online the week of October 27-31, 2003.

Esta estrategia tiene un enorme potencial para identificar nuevos m.o. del medio ambiente que están degradando compuestos contaminantes.

Dos células de P. naphthalenivorans dividiéndose

6. Bacterias que limpian compuestos clorinados.

Los disolventes clorinados son compuestos quimicos muy tóxicos. En los 60 y 70, su uso estaba muy extendido en la industria, y hubo numerosos vertidos de estos productos. Hoy en día, estos disoventes son de los compuestos tóxicos que más prevalecen en aguas subterraneas en EEUU. Causan cancer y son muy difíciles de limpiar.

Búsqueda directa: industria buscaba métodos baratos y naturales para limpiar compuestos clorinados. Encontraron bacterias que crecían en vertederos industriales capaces de degradarlos. Al mismo tiempo, en Cornell University encontraron algo en una muestra de una planta de tratamiento de aguas residuales en New York, que limpiaba compuestos clorinados. En 1997, unos científicos aislaron la bacteria responsable, Dehalococcoides ethenogenes.

Dehalococcoides es redondo, plano y mide unos 5 micrones de largo

6. Bacterias que limpian compuestos clorinados.

Optimización: se han identificado15 genes involucrados en la degradación de compuestos clorinados, aunque el mecanismo que utiliza no se conoce aún. “Parece que la bacteria ha nacido para declorinar”

Maymo-Gatell, X. et al. Isolation of a bacterium that reductively dechlorinates tetrachloroethene to ethene. Science 276, 1568-1571 (June 6, 1997).

Aplicación: para limpiar las zonas contaminadas. Test comercial que detecta la presencia de estas bacterias en el suelo. Una compañía, proporciona bacterias listas para ser transferidas a la zonas contaminada.

En Indiana, inyectan bacterias bajo tierra a través de una tubería

Estas vasijas contienen 2000 billones de bacterias listas para inyectarse en aguas subterránea

7. Eliminación del pesticida DDT

Combinación de algas y m.o. en biorremediación. Las algas tienen múltiples aplicaciones: jabones, pasta de dientes, fertilizantes, alimentación. Búsqueda indirecta: científicos han encontrado que ayudan a limpiar suelos contaminados.

Kantachote, D. et al. Bioremediation of DDT-contaminated soil: enhancement by seaweed addition. J Chem Technol Biotechnol 79, 632-638 (June 2004).

Aplicación: limpieza de suelos contaminados por DDT. Pequeñas cantidades de estas algas en el suelo, facilitan la degradación de DDT por los m.o. El alga es una fuente de carbono y de sodio. Este tratamiento: 80% de DDT se había eliminado en 6 semanas.

Alga roja (Gelidium species). Alga verde (Ulva species).

8. Helechos que eliminan arsénico del suelo y agua

Fitorremediación.

El arsénico se usa para presurizar madera tratada y hacer chips-semiconductores. También se usaba para la producción de insecticidas y armas químicas.

Búsqueda indirecta: En el año 2000, científicos descubrieron helechos creciendo en suelo contaminado con arsénico en un maderero abandonado en Florida.

Pteris vittata absorbe arsénico por las raices y lo acumula en las hojas, que pueden ser recogidas y almacenadas en sitio seguro.

Pteris vittata

8. Helechos que eliminan arsénico del suelo y agua

Aplicación: limpieza de suelos contaminados con arsénico Edenspace es la empresa que ha patentado y comercializado esta planta, y otras usadas en limpieza de productos tóxicos.

Ma, L.Q. et al. A fern that hyperaccumulates arsenic. Nature 409, 579 (February 1, 2001).

Optimización: Estos helechos no han sido modificados geneticamente en el laboratorio, pero si cruzados para obtener especies resistentes a zonas con sol, o que toleren frio y asi poder ser usadas en un gran numero de condiciones ambientales.

Limpieza de arsénico de una zona extensa de 600 acres en un area llamado Spring Valley, Washington.

En New Mexico, un experimento piloto para limpiar arsénico del agua potable.

Van Ness Street in Washington, DC.

degradacion de compuestos organicos

Documents