BIOTECNOLOGA BIOTECNOLOGA AMBIENTAL AMBIENTALEcologadelosMicroorganismos Ecologa de los Microorganismos2009/2010 2009/2010L M li M i C th D i L b t A C N i G M h Laura Molina Mnica Conthe Damin Lobato Ana Cruz Nuria G-ManchaQueslaBiotecnologaAmbiental? Qu es la Biotecnologa Ambiental?Desarrollo tecnolgico Crecimiento de la poblacinQueslaBiotecnologaAmbiental? Qu es la Biotecnologa Ambiental?Aplicacin de los principios de las ciencias y de la ingeniera al procesamiento de materiales mediante agentes biolgicos.Ofrece alternativas Aporta sistemas de eliminacinLa investigacin y el desarrollo de procesos adecuados para la conservacin del Explotacin y control de sistemas biolgicos para propsitos tecnolgicos.Ofrece alternativas tecnolgicas respetuosas con el medio ambientes para la produccinde bienes deAporta sistemas de eliminacin de contaminantes mediante su transformacin en sustancias inofensivasves g c ye des o odep ocesos decu dosp co sev c demedio ambiente, han aportado soluciones a algunos problemas y permiten entrever en otros casos soluciones tecnolgicamente posibles a un costo relativamente bajo.produccin de bienes de consumoinofensivasg p jAplicaciones de la Biotecnologa AmbientalBiorremediacin Industriai d lProduccin de biomaterialesTratamiento de suelos y aguasProductos de consumo humanoCompostajeBiomineraQ lihid i l (PHA)? Qu es un polihidroxialcanoato (PHA)? Quin los produce? Qu osp oduceBiopolmeros acumulados de forma natural por las bacterias para almacenarcarbonoyenergacuandolasfuentesdenutrientesestndesequilibradas y g qPHA se producen como polmeros de 103 a 104 monmerosSe acumulan en granos de inclusinGrnulos de PHA se cubren de una membrana de fosfolpidos y protenasLos PHA son biodegradablesMt d d d i d l PHA Mtodos de produccin de los PHABacterias PlantasProcesofermentativodedosetapasAlteracionesenelcrecimientoydesarrollodelaplantaAplicaciones de los PHABioplsticosBiocombustiblesBiorremediacinAccesoriosmedicina Accesorios medicinaVentajas, Inconvenientes y Limitaciones en el uso y produccin de los PHADisminucin emisiones CO2BioplasticosUtilizacin de polmeros biodegradablesSntesis y degradacin de los PHA compatible con elpciclo del carbonoPosible acoplamiento a biorremediacinVentajas, Inconvenientes yLimitaciones en el uso y produccin de los PHABiorremediacin? An queda mucho camino por recorrerBiocombustible No puede compararse a la gasolina o el gasoilMt d d t iBioplsticos DemasiadocaroMtodo de extraccinBioplsticos Demasiado caroSoluciones SolucionesModificacin gentica y empleodenuevasespeciesUtilizacin de plantas para producir losPHA empleo de nuevas especies bacterianasproducir los PHAUtilizacindesustratoseconmicosM d d i fi MtodoproductivoeficazDeterminacindelascondicionesdefermentacinodecultivo.....SCP(single cell protein)DefinicinSC ( l ll ) l i d d d l bi La SCP (single cell protein) es el extracto proteico procedente de toda la biomasa de un cultivo microbiano.El l t i l t iti d l SCP b i i El valor o potencial nutritivo de la SCP se basa en su composicin Puede producirse a partir de: hongos (Hansenula, Pitchia, Torulopsis, Saccharomyces) g bacterias (Cellulomonas, Alcaligenes) algas (Spirulina, Chlorella, Senedesmus) Caractersticassegnlafuente Caractersticas segn la fuenteSCP (algas) SCP (hongos) SCP (bacterias) SCP (algas)Protenascidos grasosSCP (hongos)Complejo vitamnico BSCP (bacterias)Protenas (80%)gvitaminas A,B,C,D y E. l i lBiotinatiaminaAminocidos sales minerales ClorofilaPigmentos biliaresriboflavina colinacidoflicooc dosesenciales (Met)gFibrasBajsmo contenido cido flicoGlutationBajo contenido en Muy alto contenidoen cidos nucleicos (4-6%)cidos nucleicos (9,7%)Muy alto contenido en cidos nucleicos (15%)Limitaciones LimitacionesSCPAlgas Condicionada a factores ambientales Pared celular (fibras de celulosa)Simbiosis celulasa (+)Celulasa (-)Eli i i Eliminacin pared celularLimitaciones LimitacionesSCP hongos Micotoxinas(Aspergillus ): reaccinalrgica reaccin alrgica Cncer heptico Toxicidadaguday Toxicidad aguda y crnica renal y hepticaLimitaciones LimitacionesSCP bacterias Pequeo tamaoPoca cantidad q Elevado coste cidosnucleicos cidorico Gota cidos nucleicoscido rico Gota Toxinas?Resultados ResultadosA l i d l f i Aceleracin de la metamorfosis Aumento en el nmero de descendientes Aumento del tamao Anormalidades fenotpicas con %bajo de SCP y control. yAlteraciones en la expresin gnica duranteel desarrollo? durante el desarrollo ?Mutagnesis incrementada ?A i i d ? Aparicin de tumores ?Tratamiento de RSU para Tratamiento de RSU para compostaje.COMPOSTAJ E COMPOSTAJ E Definicin: descomposicin de materiales biodegradables, normalmente mezclas de t i l t bili i d id i l l E t compuestos orgnicos, para la estabilizacin de residuos orgnicos en el suelo. Esta degradacin se debe a una intensa actividad microbiana.Procesodecompostaje Proceso de compostajeO id i bi l i d id i di i l d d Oxidacion biologica de residuos organicos en condiciones controladas de humedad,temperatura y aireacion,realizado por microorganismos.El producto final de este proceso se conoce como compost y puede ser utilizado como enmienda orgnica en el suelo, con el objeto de mejorar sus propiedades fsicas, qumicas y biolgicas tales como aireacin, retencin de humedad, estructura entre otras, suprimir patgenos y de este modo mejorar el crecimiento de las plantasAspectos del proceso de compostaje ASPECTOS FISICOS Y QUIMICOS :Temperatura: parmetros de control de la actividad microbiana. En funcin de la temperatura existen las siguientes fases:Fase mesofila.Fase termofila.Fase de enfriamiento.Fase de maduracion.En la fase final la temperatura disminuye hasta que se agota el sustrato , obtenindose:Reduccin de la biomasa(95%) ( )Disminucin del CH4Aumento de N2O.Aspectos del proceso de compostajeAS C OS S COS Q COS ASPECTOS FISICOS Y QUIMICOS :Aireacin: en ausencia de aireacin, el oxigeno es limitante disminuyendo la descomposicin.TipodedesechoLos requerimientos de aire de los microorganismos:Tipo de desechoTemperaturaFase del procesoCondicionesdel proceso Condiciones del procesoNH3CO2H2O2HUMUSCH4CO2IntermediosAspectos del proceso de compostajeAS C OS S COS Q COS ASPECTOS FISICOS Y QUIMICOSHumedad : importante para el crecimiento de los microorganismos.Relacin C/N:importante para el balance de nutrientes y para la t bilid d d d l t estabilidad y madurez del compost.C/N alta: descomposicin ineficiente y lenta.La necesidad de inmovilizar N para las plantas.C/Nbaja:nohaysufientecarbonoyel nitrogenosepierdepor C/N baja :no hay sufiente carbono,y el nitrogeno se pierde por volatilizacin.Olores desagradables.Aspectos del proceso de compostajeAS C OS S COQ COS ASPECTOS FISICO QUIMICOSpH: Al inicio pH acido como resultado de los cidos que se forman durante lap qdegradacin. Finalmente pH basico,debido a la perdida de los acidos organicos y formacin de iones lcali.R d i i d l l j Resumen de caracteristicas del sustrato para el compostaje.CaractersticasRango RazonableRango ptimo Relacin carbono/nitrgeno20:1 40:125:1 30:1Relacin carbono/nitrgeno20:1 40:125:1 30:1 Contenido de humedad40-65%50-60% Concentracin de oxgenoMayor al 5%Mucho mayor al 5% PH5.5-9.06.5-8.0 Temperatura45-6655-60 Aspectos del proceso de compostajeAS C OS O OG COS ASPECTOS BIOLOGICOS.MICROORGANISMOS:Degradanunampliorangodecompuestos: g p g pProtenas, carbohidratos aminocidos, azucaressimples.Dependendelatemperatura DependendelatemperaturaBacterias, hongosyactinomycetesAspectos del proceso de compostajeAS C OS O OG COS ASPECTOS BIOLOGICOSBacterias Responsables de la descomposicin y generacin de calor Mesfilasy termfilas. Atacan el material mas resistente de degradar como Hongosgcelulosas y ligninas Etapa de maduracinA ti t Fundamentales en la degradacin de compuestos orgnicos complejos como materiales leosos.ActinomycetesAspectos del proceso de compostaje ACTIVIDAD MICROBIANA COMO MEDIDA DE LA MADUREZ DEL COMPOST. Madurez: evaluacin de la calidad y estabilidad del compost final.Respiracin.Evolucin de CO2.N2OIndicadores de actividad i bi N2O.CH4microbiana:COMPOSTAJ E COMPOSTAJ EEnriquecimiento del lRemediacin de la t i i suelo contaminacinVENTAJ ASPrevencindelaBeneficios econmicosPrevencin de la contaminacinBIOMINERIA BIOMINERIAANA CRUZ BERMUDEZINTRODUCCION INTRODUCCIONMINERIA obtencindeproductosesenciales MINERIA obtencin de productos esenciales METALURGIA conjunto de procesos por el cual se extrae el metal correspondiente de un mineral metlico.PIROMETALURGIAmineraltostado a altas T reducido a metal.-INVIABLE ECONOMICAMENTEminerales con bajo contenido en t l metal.-ALTAMETE CONTAMINANTE LiberaSO2LLUVIAACIDA.HIDROMETALURGIA AlternativautilizandobajasT+solucionesacuosas HIDROMETALURGIA Alternativa utilizando bajas T+soluciones acuosas capaces de extraer el metal de los minerales LIXIVIAR.En la dcada de los 40 se descubri la lixiviacin como un proceso catalizadopbiolgicamente BIOLIXIVIACIONTIPOS TIPOSBIOLIXIVIACIN Acumulacin del mineral triturado (PILA) + disolucin de H2SO4 Bacteriasliberanel metal del mineral recuperndoseel metal deladisolucin Bacterias liberan el metal del mineral recuperndose el metal de la disolucinBIOOXIDACIN En minerales refractarios de oro en los cuales ste se encuentra incluido dentro de una matriz mineral de sulfuros. La accin de las bacterias elimina esta matriz liberando al oro y haciendo as ms eficaz su recuperacin. El valor metlico permaneceenlafase slida El valor metlico permanece en la fase slida.BACTERIAS MINERAS BACTERIAS MINERAS BACTERIAS QUIMIOLITOAUTOTROFAS:ObtienenATPyNADPH apartir delaoxidacindecompuestosqumicos Obtienen ATP y NADPH a partir de la oxidacin de compuestos qumicos inorgnicos.Solubilizanmineralesdesulfatosdeelementosdetransicin(cobre).Acidithiobacillus ferrooxidans oxidangrancantidaddeFe2+ Fe2+Fe3+ Acidithiobacillusthiooxidans AcidithiobacilluscaldosaT LeptospirillumferrooxidansEXTRACCINMICROBIANADEMETALESGenero Thiobacillus2F2++1/2O +2H+2F3++H OF (OH) ill j d 2 Fe 2++1/2O2+2H+2Fe3++H2O Fe (OH)3amarillo -anaranjadoRecuperacindemetalesasociadosasulfuros Recuperacin de metales asociados a sulfuros parte del cobre de todo el mundo se extrae mediante lixiviacin microbianaCu S +Fe 3++H2O Cu2++Fe2++H2SO4R i d l b l i Recuperacin del cobre en solucin La produccin de Fe 2+y sulfricofavoreceel crecimientodeThiobacillus favorece el crecimiento de ThiobacillusBIOREACTORES BIOREACTORESVENTAJAS VENTAJAS Poca inversin de capital lasbacteriaspuedenser aisladasapartir de Poca inversin de capital las bacterias pueden ser aisladas a partir de aguas cidas de minas. Relativa ausencia de polucin o contaminacin ambiental durante elpproceso. Permite el tratamiento de minerales con bajo contenido de metalh bit l t l i i ti d t t i t habitualmente se acumulan sin ningn tipo de tratamiento. INCONVENIENTES INCONVENIENTESOXIDACION ACELERADA DE LA PIRITA (Fe S2)H2SO4DRENAJE ACIDO DE LAS MINASVERTIDO TOXICO :AGUASpH CIDO SOLUBILIZACION DE METALES PESADOSBiorremediacin de metales Biorremediacin de metales pesados en aguas y suelos p g yLos metales pesados Los metales pesadosMetales pesados en el medio ambiente Metales pesados en el medio ambienteInteracciones metal microorganismo Interacciones metal-microorganismoBIOSORCIN2+BIOACUMULACIN2+2+2+BIOPRECIPITACIN2+2+2+H+H+CO32+OH2+2+0MCO3BIOTRANSFORMACINM(OH)2Microorganismo para la biorremediacinProteobacteriaextremfila/metalfilaAislada en reas industrialesC i id Cupriavidus metallidurans CH34 compuestos txicos temperatura, humedad y pH fluctuante temperatura, humedad y pH fluctuante sin vegetacin escasez de M.O y nutrientes yHQuimiolitoautotrofoH2CO2Crecimiento en biofilmsC i idSiderforosCaptura de Fe del medioGran afinidad porCupriavidus metallidurans CH34O d i i l dSiderforosmetales pesadosOperones de resistencia a metales pesadosGran versatilidadBIOSORCINBIOPRECIPITACIN2+2+2+H+H+CO32+2+2OH+MCO MCO3M(OH)2APLICACIONESEliminacinde metalespesadosdel suelo/sedimentos/desechos slidosEliminacinde metalespesadosdel C i idac de etaespesadosdeaguaCupriavidus metallidurans CH34BiosensoresSuelo contaminado con metales pesados1.BIOMETAL SLUDGE REACTORpC. metallidurans CH341. pH nutrientes nutrientes fuente de C temperaturaSedimentacinSobrenadante de bacteriassuelo limpioSobrenadante de bacterias y metales pesadossuelo limpio2.MOVING BED SAND FILTER2.3.MEMBRANE BASED CONTACTOR3.Nutrient streamWaste water streamcristales de CdCO3membrana4.BIOSENSORES4.Operon de resistencia a metales pesados Operon de luciferasa+p p2+Luz