que es biorremediacion y cuadro

39
Tema 22.Biorremediación: aspectos generales. Biorremediación de: metales pesados, vertidos de petróleo, xenobióticos. Fitorremediación

Upload: gato1992

Post on 30-Dec-2015

27 views

Category:

Documents


2 download

TRANSCRIPT

Page 1: Que Es Biorremediacion y Cuadro

Tema 22.Biorremediación: aspectos generales. Biorremediación de: metales

pesados, vertidos de petróleo, xenobióticos. Fitorremediación

Page 2: Que Es Biorremediacion y Cuadro

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

Page 3: Que Es Biorremediacion y Cuadro

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.

Page 4: Que Es Biorremediacion y Cuadro

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.

Page 5: Que Es Biorremediacion y Cuadro

Biotecnología medioambiental Tema 22Procesos in situ y ex situ

Page 6: Que Es Biorremediacion y Cuadro

Biotecnología medioambiental Tema 22Procesos in situ y ex situ

Pump and treatnutrientes

Page 7: Que Es Biorremediacion y Cuadro

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.

Page 8: Que Es Biorremediacion y Cuadro

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%).

Page 9: Que Es Biorremediacion y Cuadro

Biotecnología medioambiental Tema 22

Biofiltración

Page 10: Que Es Biorremediacion y Cuadro

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.

Page 11: Que Es Biorremediacion y Cuadro

Biotecnología medioambiental Tema 22

Biorremediación de metales pesados

Page 12: Que Es Biorremediacion y Cuadro

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©

Page 13: Que Es Biorremediacion y Cuadro

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.

Page 14: Que Es Biorremediacion y Cuadro

Biotecnología medioambiental Tema 22

Biorremediación de metales pesados

Page 15: Que Es Biorremediacion y Cuadro

Biotecnología medioambiental Tema 22

Page 16: Que Es Biorremediacion y Cuadro

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

Page 17: Que Es Biorremediacion y Cuadro

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

Page 18: Que Es Biorremediacion y Cuadro

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%

Page 19: Que Es Biorremediacion y Cuadro

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.

Page 20: Que Es Biorremediacion y Cuadro

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

Page 21: Que Es Biorremediacion y Cuadro

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

Page 22: Que Es Biorremediacion y Cuadro

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).

Page 23: Que Es Biorremediacion y Cuadro

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.

Page 24: Que Es Biorremediacion y Cuadro

Biotecnología medioambiental Tema 22

Degradación aeróbica de hidrocarburos

Page 25: Que Es Biorremediacion y Cuadro

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.

Page 26: Que Es Biorremediacion y Cuadro

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.

Page 27: Que Es Biorremediacion y Cuadro

Biotecnología medioambiental Tema 22

Genes implicados en la degradación de hidrocarburos

Page 28: Que Es Biorremediacion y Cuadro

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.

Page 29: Que Es Biorremediacion y Cuadro

Biotecnología medioambiental Tema 22Grandes vertidos

Page 30: Que Es Biorremediacion y Cuadro

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

Page 31: Que Es Biorremediacion y Cuadro

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.

Page 32: Que Es Biorremediacion y Cuadro

Biotecnología medioambiental Tema 22Biodegradabilidad

Page 33: Que Es Biorremediacion y Cuadro

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.

Page 34: Que Es Biorremediacion y Cuadro

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.

Page 35: Que Es Biorremediacion y Cuadro

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

Page 36: Que Es Biorremediacion y Cuadro

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

Page 37: Que Es Biorremediacion y Cuadro

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.

Page 38: Que Es Biorremediacion y Cuadro

Biotecnología medioambiental Tema 22

Fitorremediación

Page 39: Que Es Biorremediacion y Cuadro

Biotecnología medioambiental Tema 22Fitorremediación