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1er CURSO SOBRE SOLUCIONES A LA
CONTAMINACIÓN DE SUELO Y ACUÍFEROS
BASES BIOQUÍMICAS
Í
DE LA BIORREMEDIACIÓN
14 de marzo de 2013
Dra. Susana Saval
BIORREMEDIACIÓN
Técnicas p
para el saneamiento de
suelos contaminados mediante el uso
de microorganismos
g
vivos q
que sean
capaces de degradar o transformar
contaminantes a compuestos
p
inocuos
Técnica de mayor elección para suelos contaminados con hidrocarburos, aprobada por la DGGIMAR/SEMARNAT En general, la biorremediación se concibe como una caja negra ….
…. y poco se conoce de
d la
l complejidad
l jid d del
d l proceso
?
?
Vamos a abrir la caja negra … para ver qué encontramos
Para que ocurra la biorremediación se requiere ....
1. Microorganismos
degradadores
3. Nutrientes
bá i
básicos
2. Contaminantes
2
biodegradables
(sustratos)
4. Condiciones
microambientales
favorables
MICROORGANISMOS INVOLUCRADOS
EN LA BIODEGRADACIÓN O BIOTRANSFORMACIÓN
DE CONTAMINANTES AMBIENTALES
•
BACTERIAS √
• Hongos
• Levaduras
• Actinomicetos
• Algas
l
ATRIBUTOS DE LAS BACTERIAS
o
Fueron los primeros organismos pobladores del planeta
o Están adheridas a la matriz del suelo
o
Tienen una velocidad de crecimiento mayor que la de cualquier
otro tipo de microorganismo
o Tienen la más amplia versatilidad bioquímica, por ello se han
adaptado en forma natural a una gran variedad de compuestos de
tipo orgánico que satisfacen sus requerimientos nutricionales
Por lo tanto:
 Sobreviven en condiciones microambientales extremas
((lluvia/estiaje;
/
j ; frío/calor;
/
; día/noche;
/
; abundancia/inanición)
/
)
 Adaptan su “maquinaria enzimática” para degradar una amplia
variedad de sustratos incluyendo los “xenobióticos”
(compuestos de origen sintético, ajenos a la naturaleza)
Nutrientes básicos
para el desarrollo
p
microbiano
ENZIMAS
aminoácidos
PROTEÍNAS
ESTRUCTURALES
NH4+
ácidos nucléicos
PO43-
ADN
ARN
compuestos de alta energía
FUENTE DE
CARBONO
Y ENERGÍA
O2
donador de electrones
(contaminantes orgánicos)
aceptor de electrones
Tipos de hidrocarburos
Hidrocarburos
Saturados
(Alifáticos)
Alcanos
Insaturados
Cicloalcanos
(Alicíclicos)
Aromáticos
Lineal
Ramificado
Mononucleares
Polinucleares
Cómo funcionan las bacterias?
Al igual que todo ser vivo, mediante reacciones
químicas que son mediadas por enzimas
SUSTRATO
PRODUCTO
ENZIMA
Que son las ENZIMAS?
Catalizadores de origen biológico
Moléculas de origen proteico que se acoplan a un
sustrato específico para llevar a cabo una
reacción específica que rinde un producto específico
necesario para la sobrevivencia del
organismo que las produce
Esta característica se denomina
ESPECIFICIDAD
TIPOS DE ENZIMAS EN LAS BACTERIAS SEGÚN SU FUNCIÓN
• DEGRADATIVAS
Le permiten a la célula utilizar compuestos
orgánicos como sustrato (alimento)
√
• FUNCIONALES
Sirven para el transporte de nutrientes y de productos
a través de la membrana celular
• SINTÉTICAS
Trabajan para reponer células dañadas y para
crear nuevas células
En BIORREMEDIACIÓN actúan todos los tipos de enzimas, pero sobresalen las degradativas porque son las encargadas de reducir la concentración de contaminantes OTRAS CARACTERÍSTICAS DE LAS ENZIMAS
Las ENZIMAS mantienen
L
ti
la
l vida
id de
d un organismo,
i
aunque también actúan para su destrucción.
Algunas están presentes todo el tiempo, a diferencia
de otras cuya
y síntesis ocurre cuando un organismo
g
“enciende” una señal.
U
Una
señal
ñ l puede
d ser lla presencia
i de
d un sustrato
t t
específico.
Su estructura molecular es susceptible a
condiciones microambientales extremas.
RESPUESTA DE LOS EFECTORES SOBRE LA ACTIVIDAD
MICROBIANA / ENZIMÁTICA / METABÓLICA / DEGRADADORA
A
A
Agua disponible
A
pH
A
Temperatura
Inhibidores
DISPONIBILIDAD DE OXÍGENO
Í
COMO ACEPTOR FINAL DE ELECTRONES
Potencial de oxido-reducción
Eh
50 mV
Oxígeno limitante
400 mV
800 mV
Oxígeno abundante
Condiciones ideales para el
desarrollo de microorganismos aerobios
FUENTE DE CARBONO Y ENERGÍA
(donador de electrones)
FERMENTACIÓN
Aceptor orgánico
RESPIRACIÓN
Aceptor inorgánico
Ácidos orgánicos
Metabolismo aerobio
OXÍGENO
Metabolismo anaerobio
NO3-
Fe3+
SO42-
CO2
Aceptor final
de electrones
mayor velocidad
de reacción
La naturaleza del ACEPTOR FINAL DE ELECTRONES determina el tipo de metabolismo
SUSTRATO ORIGINAL (SUSTRATO 1)
enzima 1
PRODUCTO 1
(SUSTRATO 2)
enzima 2
PRODUCTO 2
(SUSTRATO 3)
enzima “n”
n
PRODUCTO “n”
enzima
e
az
PRODUCTO FINAL
(SUSTRATO x)
BASE DE
FUNCIONAMIENTO
DE LA
BIORREMEDIACIÓN:
Reacciones
enzimáticas
secuenciales
hasta llegar
g al
producto final
NUTR
RIENTES COMUN
NES
polisacáridos
GLICÓLISIS
piruvato
i
proteínas
acetil CoA
grasas
CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS
RUTA METABÓLICA
TÍPICA DE
ORGANISMOS
AEROBIOS
CADENA DE
TRANSPORTE DE
TRANSPORTE DE
ELECTRONES
oxígeno
FOSFORILACIÓN
OXIDATIVA
CO
CO22
Compuestos
de alta energía
GASOLINA
DIESEL
Cualquier combustible
derivado del petróleo y
el mismo petróleo
tienen más de 100
hidrocarburos
químicamente
diferentes.
En biorremediación
cada hidrocarburo
representa un sustrato
a degradar.
PETRÓLEO CRUDO
Y cada sustrato
requiere de varias
enzimas específicas.
Por lo tanto se requiere
un gran número de
enzimas.
p-xileno
o-xileno
METABOLISMO
AEROBIO
DE ALGUNOS
HIDROCARBUROS
m-xileno
metilcatecol
tolueno
dimetilcatecol
piruvato
i
benceno
catecol
naftaleno
cetoadipato
dihidroxinaftaleno
acetil CoA
propionaldehído
succinato
ácido hidroxinaftóico
CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS
fenantreno
CADENA DE
TRANSPORTE DE
TRANSPORTE DE
ELECTRONES
oxígeno
FOSFORILACIÓN
OXIDATIVA
antraceno
CO2
Compuestos de alta energía
REACCIONES INICIALES EN LA BIODEGRADACIÓN DE BENCENO
Benceno
OH
cis-bencenohihidrodiol
OH
OH
Catecol
OH
CH3
Tolueno
CH2OH
Alcohol bencílico
í
CHO
Benzaldehído
COO-
Benzoato
HOOC
OH
OH
OH
OH
OH
Catecol
REACCIONES
INICIALES
EN LA
BIODEGRADACIÓN
DE TOLUENO
REACCIONES INICIALES EN LA BIODEGRADACIÓN DE para-, meta- y orto-XILENO
para-XILENO
CH3
orto-XILENO
CH3
meta-XILENO
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
CH2OH
CH2OH
OH
alcohol
p-metilbencílico
alcohol
m-metilbencílico
CH3
CH3
OH
3,4-dimetilcatecol
CH3
acetato
COOH
COOH
COOH
ácido m-tolúico
O
CH3
á id p-tolúico
ácido
lúi
CH3
OH
OH
OH
OH
3-metilcatecol
4-metilcatecol
CH3
CH3
COOH
OH
O
i
ld híd
propionaldehído
+
piruvato
RUPTURA DE ANILLO
Hoja 1 de 2
VÍA CETO ADIPATO
VÍA META-FISIÓN
catecol
OH
OH
OH
-
COO
-
COO
-
COO
cis-cis miconato
O
semialdehído
2-hidroximucónico
formato
O
-
COO
HO
O
-
COO
CH3
ceto-adipato
p
-
COO
3-hidroxi 2-cetovalerato
CoA
succinato
i t
+
acetil CoA
acetaldehído
t ld híd
+
piruvato
Hoja 2 de 2
OXIDACIÓN
TERMINAL
CH3 - (CH2)n - CH3
OXIDACIÓN
SUBTERMINAL
OH
CH3 - (CH2)n - CH2OH
CH3 - (CH2)n - CH -CH3
O
CH3 - (CH2)n - CHO
CH3 - (CH2)n - C -CH3
ω -oxidación
HOCH2 - (CH2)n - COOH
O
CH3 - (CH2)n - COOH
CH3 - (CH2)n-1 - CH2 - O - C -CH3
HOOC - (CH2)n - COOH
CH3 - (CH2)n-1 - CH2OH
+
HOOC - CH3
CH3 - (CH2)n-1 - COOH
- oxidación
Biodegradación de n-alcanos
Ciclo de los
Ácidos Tricarboxílicos
Más biodegradables
POTENCIAL RELATIVO DE BIODEGRADACIÓN
Monoaromáticos
Alcanos de cadena lineal
Alcanos ramificados
Cicloalcanos saturados
Poliaromáticos
Menos biodegradables
DESARROLLO EN ARMONÍA:
BACTERIAS EN PLENO DESARROLLO Y ACTIVIDAD DEGRADADORA
Y CO2
(HCs)
Cuando hay un desarrollo en armonía un suelo sometido
a biorremediación puede recuperar su vocación natural
PRODUCTOS
FRACCIÓN
POSIBILIDADES DE
BIODEGRADACIÓN
GASOLINA
Aplicaciones de la biorremediación
GASAVIÓN
GASNAFTA
LIGERA
GASOLVENTE
BUENAS (90%),
AUNQUE SE DA
NATURALMENTE
PÉRDIDA POR
VOLATILIZACIÓN
QUEROSINA
TURBOSINA
DIESEL
MEDIA
MUY ALTAS ((100%))
GASÓLEO
ACEITES
El sobrecalentamiento
genera hidrocarburos
muy complejos, por
ejemplo los poliaromáticos
REGULARES (50%)
COMBUSTÓLEO
ASFALTO
PETRÓLEO
Ó
CRUDO
PRÁCTICAMENTE NULAS
PESADA
NINGUNA
REGULARES (MÁX.
Á 60%)
EN PRESENCIA DE
SURFACTANTES
CONTAMINANTES + MICROORGANISMOS + NUTRIENTES
condiciones favorables
(pH, oxígeno, humedad, temperatura)
BIÓXIDO DE CARBONO COMPUESTOS QUÍMICAMENTE DIFERENTES
(MINERALIZACIÓN)
(deseablemente de menor riesgo)
BIODEGRADACIÓN
BIOTRANSFORMACIÓN
En conclusión
‐ Los microorganismos no comen petróleo, sólo degradan los hidrocarburos para los cuales existe una ruta metabólica, es decir, para los cuales existen las enzimas necesarias para las reacciones de degradación
necesarias para las reacciones de degradación.
‐ Sólo cuando hay participación de microrganismos en la degradación se llama biorremediación, de lo contrario se trata de otra técnica diferente.
biorremediación, de lo contrario se trata de otra técnica diferente.
‐ La biorremediación ocurre sólo si: existen microorganismos degradadores, si los sustratos son biodegradables, si hay nutrientes básicos y si las condiciones g
,
y
y
microambientales son favorables (pH, temperatura, humedad, oxígeno).
‐ Las preparaciones comerciales no tienen las enzimas que llevan a cabo las reacciones de degradación de hidrocarburos.
MUCHAS GRACIAS
POR SU ATENCIÓN!!!
Dra. Susana Saval
Coordinación de Ingeniería Ambiental
ssavalb@iingen.unam.mx
g