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1er CURSO SOBRE SOLUCIONES A LA CONTAMINACIÓN DE SUELO Y ACUÍFEROS
ÍBASES BIOQUÍMICAS DE LA BIORREMEDIACIÓNDE LA BIORREMEDIACIÓN
14 de marzo de 2013
Dra. Susana SavalDra. Susana Saval
BIORREMEDIACIÓN
Técnicas para el saneamiento de psuelos contaminados mediante el uso de microorganismos vivos que sean g qcapaces de degradar o transformar
contaminantes a compuestos inocuosp
Técnica de mayor elección para suelos contaminados con hidrocarburos, aprobada por la DGGIMAR/SEMARNAT
d l l jid d d l
En general, la biorremediación se concibe como una caja negra ….
…. y poco se conoce de la complejidad del proceso
? ??
Vamos a abrir la caja negra … para ver qué encontramos
Para que ocurra la biorremediación se requiere ....
2 Contaminantes2. Contaminantes biodegradables
(sustratos)
1. Microorganismos degradadores
3. Nutrientes bá i
4. Condiciones microambientales
básicos favorables
MICROORGANISMOS INVOLUCRADOS EN LA BIODEGRADACIÓN O BIOTRANSFORMACIÓN
DE CONTAMINANTES AMBIENTALESDE CONTAMINANTES AMBIENTALES
√• BACTERIAS √• Hongos• Hongos
• Levaduras
• Actinomicetos
l• Algas
ATRIBUTOS DE LAS BACTERIAS
o Fueron los primeros organismos pobladores del planeta
Están adheridas a la matriz del sueloo Están adheridas a la matriz del suelo
o Tienen una velocidad de crecimiento mayor que la de cualquier otro tipo de microorganismootro tipo de microorganismo
o Tienen la más amplia versatilidad bioquímica, por ello se han adaptado en forma natural a una gran variedad de compuestos deadaptado en forma natural a una gran variedad de compuestos de
tipo orgánico que satisfacen sus requerimientos nutricionales
Por lo tanto:Por lo tanto:
Sobreviven en condiciones microambientales extremas(lluvia/estiaje; frío/calor; día/noche; abundancia/inanición)( / j ; / ; / ; / )
Adaptan su “maquinaria enzimática” para degradar una amplia variedad de sustratos incluyendo los “xenobióticos”(compuestos de origen sintético, ajenos a la naturaleza)
Nutrientes básicospara el desarrollo
ENZIMASp
microbiano
NH4+
aminoácidosPROTEÍNAS
ESTRUCTURALES4ácidos nucléicos
PO43- ARNADN
compuestos de alta energía
FUENTE DE CARBONOCARBONO Y ENERGÍA
donador de electrones(contaminantes orgánicos)
aceptor de electronesaceptor de electrones
O2
Tipos de hidrocarburos
Hidrocarburos
(Alifáticos)Saturados Insaturados
Cicloalcanos(Alicíclicos)(Alicíclicos)
Aromáticos
Alcanos
Mononucleares Polinucleares
Lineal
Ramificado Mononucleares PolinuclearesRamificado
Cómo funcionan las bacterias?Cómo funcionan las bacterias?
Al igual que todo ser vivo, mediante reacciones químicas que son mediadas por enzimas
SUSTRATO PRODUCTO
ENZIMAENZIMA
Que son las ENZIMAS?Que son las ENZIMAS?
Catalizadores de origen biológico
Moléculas de origen proteico que se acoplan a unMoléculas de origen proteico que se acoplan a un sustrato específico para llevar a cabo una
reacción específica que rinde un producto específicoreacción específica que rinde un producto específiconecesario para la sobrevivencia del
organismo que las produce
Esta característica se denominaEsta característica se denomina ESPECIFICIDAD
TIPOS DE ENZIMAS EN LAS BACTERIAS SEGÚN SU FUNCIÓN
• DEGRADATIVAS Le permiten a la célula utilizar compuestos
√Le permiten a la célula utilizar compuestos
orgánicos como sustrato (alimento)
• FUNCIONALESSirven para el transporte de nutrientes y de productos
a través de la membrana celular
• SINTÉTICASTrabajan para reponer células dañadas y para
crear nuevas célulascrear nuevas células
En BIORREMEDIACIÓN actúan todos los tipos de enzimas, pero sobresalen las degradativasdegradativas porque son las encargadas de reducir la concentración de
contaminantes
OTRAS CARACTERÍSTICAS DE LAS ENZIMAS
L ENZIMAS ti l id d iLas ENZIMAS mantienen la vida de un organismo, aunque también actúan para su destrucción.
Algunas están presentes todo el tiempo, a diferencia de otras cuya síntesis ocurre cuando un organismo y g
“enciende” una señal.
U ñ l d l i d t tUna señal puede ser la presencia de un sustrato específico.
Su estructura molecular es susceptible a condiciones microambientalescondiciones microambientales extremas.
RESPUESTA DE LOS EFECTORES SOBRE LA ACTIVIDAD MICROBIANA / ENZIMÁTICA / METABÓLICA / DEGRADADORA
AA
pHAgua disponible
A A
Temperatura Inhibidores
ÍDISPONIBILIDAD DE OXÍGENOCOMO ACEPTOR FINAL DE ELECTRONES
Potencial de oxido-reducción
Eh
50 mV 400 mV 800 mV
Oxígeno abundanteOxígeno limitante
Condiciones ideales para el desarrollo de microorganismos aerobios
FUENTE DE CARBONO Y ENERGÍA(donador de electrones)
FERMENTACIÓN
RESPIRACIÓN
FERMENTACIÓN
Aceptor inorgánico
Aceptor orgánico
Metabolismo aerobio Metabolismo anaerobio
Ácidos orgánicos
Metabolismo aerobio Metabolismo anaerobio
NO3- CO2SO4
2-Fe3+OXÍGENO Aceptor final de electrones
mayor velocidad de reacción
La naturaleza del ACEPTOR FINAL DE ELECTRONES determina el tipo de metabolismo
de reacción
SUSTRATO ORIGINAL (SUSTRATO 1)
PRODUCTO 1 (SUSTRATO 2)
enzima 1
BASE DE FUNCIONAMIENTO
PRODUCTO 1 (SUSTRATO 2)
enzima 2
FUNCIONAMIENTODE LA
BIORREMEDIACIÓN:Reacciones
PRODUCTO 2 (SUSTRATO 3)
enzima “n” Reacciones enzimáticas secuenciales
hasta llegar al PRODUCTO “n” (SUSTRATO x)
enzima n
gproducto final
enzima ze a
PRODUCTO FINAL
GLICÓLISISpolisacáridos
NES
i
CO
MU
N
piruvato
proteínas
RIE
NTE
Sacetil CoA
grasas
NU
TR
CICLO DE LOS ÁCIDOS
TRICARBOXÍLICOSRUTA METABÓLICA
CADENA DETRANSPORTE DE
CO2
RUTA METABÓLICATÍPICA DE ORGANISMOSAEROBIOS
CO2
TRANSPORTE DEELECTRONES
AEROBIOS
FOSFORILACIÓNOXIDATIVA
Compuestos de alta energía
oxígeno
GASOLINA DIESEL Cualquier combustible
derivado del petróleo y el mismo petróleo tienen más de 100tienen más de 100
hidrocarburos químicamente
diferentes.
En biorremediación cada hidrocarburo
representa un sustrato
PETRÓLEO CRUDO
representa un sustrato a degradar.
Y cada sustratoY cada sustrato requiere de varias
enzimas específicas.
Por lo tanto se requiere un gran número de
enzimas.
o-xilenometilcatecol
p-xileno m-xilenoMETABOLISMO
AEROBIO DE ALGUNOS
dimetilcatecol
i
tolueno benceno HIDROCARBUROS
piruvato catecol
cetoadipato
naftaleno
propionaldehídoacetil CoA
cetoadipato
succinato
dihidroxinaftaleno
CICLO DE LOS ÁCIDOS
TRICARBOXÍLICOS
ácido hidroxinaftóico
CADENA DETRANSPORTE DE
fenantreno antracenoCO2
TRANSPORTE DEELECTRONES
FOSFORILACIÓNOXIDATIVA
Compuestos de alta energíaoxígeno
REACCIONES INICIALES EN LA BIODEGRADACIÓN DE BENCENO
BencenoBenceno
OH
OHcis-bencenohihidrodiol
OH
Catecol
OH
CH3
REACCIONES Tolueno
CH2OH
INICIALES EN LA
BIODEGRADACIÓNí BIODEGRADACIÓNDE TOLUENO
Alcohol bencílico
CHO
Benzaldehído
COO-
Benzoato
OHOHHOOC
OH
OHOH
Catecol
CH3
para-XILENO
CH3
meta-XILENOCH3
orto-XILENO
REACCIONES INICIALES EN LA BIODEGRADACIÓN DE para-, meta- y orto-XILENO
CH3
CH3
CH3
CH2OH CH2OH
alcohol
CH3
CH3OH
CH3
alcohol p-metilbencílico
CH3
alcoholm-metilbencílico OH
3,4-dimetilcatecol
acetato
COOH
á id lúi
COOH
CH3
ácido m-tolúico
COOH
O
CH3
ácido p-tolúico3
OHOH
CH3
OH
4-metilcatecolCH3
OH
OH
3-metilcatecol
COOH
OH O
i ld hídCH3
RUPTURA DE ANILLO
propionaldehído + piruvato
Hoja 1 de 2
OHcatecol
VÍA CETO ADIPATO VÍA META-FISIÓN
OH
COO-OH
COO-
COOCOO-
Ocis-cis miconato semialdehído
2-hidroximucónico
COO-Oformato
COO-
COO
COO-CH3
OHO
ceto-adipato 3-hidroxi 2-cetovaleratop 3-hidroxi 2-cetovalerato
CoA
i t t ld hídsuccinato +acetil CoA
acetaldehído + piruvato
Hoja 2 de 2
OXIDACIÓNTERMINALOXIDACIÓNTERMINALTERMINAL
CH3 - (CH2)n - CH3
OXIDACIÓNSUBTERMINAL
OH
TERMINAL
CH3 - (CH2)n - CH3
OXIDACIÓNSUBTERMINAL
OHOHOH
CH3 - (CH2)n - CH2OH
CH (CH ) CHOO
CH3 - (CH2)n - CH -CH3
OH
CH3 - (CH2)n - CH2OH
CH (CH ) CHOOOO
CH3 - (CH2)n - CH -CH3
OH
CH3 - (CH2)n - CH -CH3
OH
CH3 - (CH2)n - CH -CH3
OH
ω -oxidación
CH3 - (CH2)n - CHO
CH - (CH ) - COOH
CH3 - (CH2)n - C -CH3
Oω -oxidaciónω -oxidación
CH3 - (CH2)n - CHO
CH - (CH ) - COOH
CH3 - (CH2)n - C -CH3CH3 - (CH2)n - C -CH3CH3 - (CH2)n - C -CH3
OOCH3 - (CH2)n - COOH
HOCH2 - (CH2)n - COOH
HOOC - (CH2)n - COOH
CH3 - (CH2)n-1 - CH2 - O - C -CH3
CH - (CH ) - CH OH HOOC - CH+
CH3 - (CH2)n - COOHHOCH2 - (CH2)n - COOH
HOOC - (CH2)n - COOH
CH3 - (CH2)n-1 - CH2 - O - C -CH3CH3 - (CH2)n-1 - CH2 - O - C -CH3
CH - (CH ) - CH OH HOOC - CH+CH - (CH ) - CH OH HOOC - CH+CH3 - (CH2)n-1 - CH2OH HOOC - CH3+
CH3 - (CH2)n-1 - COOH
CH3 - (CH2)n-1 - CH2OH HOOC - CH3+CH3 - (CH2)n-1 - CH2OH HOOC - CH3+
CH3 - (CH2)n-1 - COOH
- oxidaciónCiclo de los
Ácidos Tricarboxílicos- oxidaciónCiclo de los
Ácidos Tricarboxílicos
Biodegradación de n-alcanos
POTENCIAL RELATIVO DE BIODEGRADACIÓNMás biodegradables
Monoaromáticos
Alcanos de cadena lineal
Alcanos ramificados
Cicloalcanos saturados
Poliaromáticos
Menos biodegradables
Cuando hay un desarrollo en armonía un suelo sometido a biorremediación puede recuperar su vocación natural
GASOLINA
PRODUCTOS FRACCIÓN POSIBILIDADES DE BIODEGRADACIÓN
GASOLINA
GASNAFTA
GASAVIÓN
LIGERA
BUENAS (90%), AUNQUE SE DA
NATURALMENTE PÉRDIDA POR
Aplicaciones de la biorremediación
GASOLVENTE
PÉRDIDA POR VOLATILIZACIÓN
QUEROSINA
TURBOSINA
MEDIA MUY ALTAS (100%)DIESEL
GASÓLEO
MEDIA ( )
COMBUSTÓLEO El sobrecalentamientogenera hidrocarburos
ACEITES REGULARES (50%)
PRÁCTICAMENTE NULAS
ASFALTO
genera hidrocarburosmuy complejos, por
ejemplo los poliaromáticos
Ó
PESADA NINGUNA
ÁPETRÓLEO CRUDO REGULARES (MÁX. 60%)EN PRESENCIA DE SURFACTANTES
CONTAMINANTES + MICROORGANISMOS + NUTRIENTES
condiciones favorables(pH, oxígeno, humedad, temperatura)
BIÓXIDO DE CARBONO BIÓXIDO DE CARBONO COMPUESTOS QUÍMICAMENTE COMPUESTOS QUÍMICAMENTE
DIFERENTESDIFERENTES(MINERALIZACIÓN)
DIFERENTESDIFERENTES(deseablemente de menor riesgo)(deseablemente de menor riesgo)
BIOTRANSFORMACIÓNBIOTRANSFORMACIÓNBIODEGRADACIÓNBIODEGRADACIÓN
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 degradaciónnecesarias 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 ymicroambientales son favorables (pH, temperatura, humedad, oxígeno).
‐ Las preparaciones comerciales no tienen las enzimas que llevan a cabo las reacciones de degradación de hidrocarburos.