1er CURSO SOBRE SOLUCIONES A LA CONTAMINACIÓN DE SUELO Y ACUÍFEROS BASES BIOQUÍMICAS. 14 de marzo de 2013

Transcripción

1 1er CURSO SOBRE SOLUCIONES A LA CONTAMINACIÓN DE SUELO Y ACUÍFEROS BASES BIOQUÍMICAS DE LA BIORREMEDIACIÓN 14 de marzo de 2013 Dra. Susana Saval

2 BIORREMEDIACIÓN Técnicas para el saneamiento de suelos contaminados mediante el uso de microorganismos vivos que sean capaces de degradar o transformar contaminantes a compuestos inocuos Técnica de mayor elección para suelos contaminados con hidrocarburos, aprobada por la DGGIMAR/SEMARNAT

3 En general, la biorremediación se concibe como una caja negra.. y poco se conoce de la complejidad d del proceso?? Vamos a abrir la caja negra para ver qué encontramos

4 Para que ocurra la biorremediación se requiere Microorganismos degradadores 2. Contaminantes biodegradables (sustratos) 3. Nutrientes básicos 4. Condiciones microambientales favorables

5 MICROORGANISMOS INVOLUCRADOS EN LA BIODEGRADACIÓN O BIOTRANSFORMACIÓN DE CONTAMINANTES AMBIENTALES BACTERIAS Hongos Levaduras Actinomicetos Algas

6 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; 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)

7 Nutrientes básicos para el desarrollo microbiano ENZIMAS NH + 4 aminoácidos ácidos nucléicos PROTEÍNAS ESTRUCTURALES PO 4 3- ADN ARN FUENTE DE CARBONO Y ENERGÍA compuestos de alta energía donador de electrones (contaminantes orgánicos) O 2 aceptor de electrones

8 Tipos de hidrocarburos Hidrocarburos Saturados (Alifáticos) Insaturados Alcanos Cicloalcanos (Alicíclicos) Aromáticos Lineal Ramificado Mononucleares Polinucleares

9 Cómo funcionan las bacterias? Al igual que todo ser vivo, mediante reacciones químicas que son mediadas por enzimas SUSTRATO PRODUCTO ENZIMA

10 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 Esta característica se denomina ESPECIFICIDAD

11 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

12 OTRAS CARACTERÍSTICAS DE LAS ENZIMAS Las 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 enciende una señal. Una señal puede ser la presencia de un sustrato t específico. Su estructura molecular es susceptible a condiciones microambientales extremas.

13 RESPUESTA DE LOS EFECTORES SOBRE LA ACTIVIDAD MICROBIANA / ENZIMÁTICA / METABÓLICA / DEGRADADORA A A Agua disponible ph A A Temperatura Inhibidores

14 DISPONIBILIDAD DE OXÍGENO COMO ACEPTOR FINAL DE ELECTRONES Potencial de oxido-reducción Eh 50 mv 400 mv 800 mv Oxígeno limitante Oxígeno abundante Condiciones ideales para el desarrollo de microorganismos aerobios

15 FUENTE DE CARBONO Y ENERGÍA (donador de electrones) RESPIRACIÓN Aceptor inorgánico FERMENTACIÓN Aceptor orgánico Ácidos orgánicos Metabolismo aerobio Metabolismo anaerobio OXÍGENO NO - CO 3 Fe 3+ SO Aceptor final de electrones mayor velocidad de reacción La naturaleza del ACEPTOR FINAL DE ELECTRONES determina el tipo de metabolismo

16 SUSTRATO ORIGINAL (SUSTRATO 1) enzima 1 PRODUCTO 1 (SUSTRATO 2) enzima 2 PRODUCTO 2 (SUSTRATO 3) enzima n PRODUCTO n (SUSTRATO x) BASE DE FUNCIONAMIENTO DE LA BIORREMEDIACIÓN: Reacciones enzimáticas secuenciales hasta llegar al producto final enzima z PRODUCTO FINAL

17 COMUN NES NUTR RIENTES polisacáridos proteínas grasas GLICÓLISIS piruvato acetil CoA RUTA METABÓLICA TÍPICA DE ORGANISMOS AEROBIOS CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES CO CO 2 oxígeno FOSFORILACIÓN OXIDATIVA Compuestos de alta energía

18 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 Ycadasustrato requiere de varias enzimas específicas. Por lo tanto se requiere un gran número de enzimas.

19 o-xileno dimetilcatecol p-xileno metilcatecol m-xileno METABOLISMO AEROBIO DE ALGUNOS tolueno benceno HIDROCARBUROS piruvato catecol naftaleno cetoadipato propionaldehído acetil CoA succinato dihidroxinaftaleno CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES CO 2 ácido hidroxinaftóico fenantreno antraceno oxígeno FOSFORILACIÓN OXIDATIVA Compuestos de alta energía

20 REACCIONES INICIALES EN LA BIODEGRADACIÓN DE BENCENO Benceno cis-bencenohihidrodiol Catecol

21 CH 3 CH 2 Tolueno Alcohol bencílico REACCIONES INICIALES EN LA BIODEGRADACIÓN DE TOLUENO CHO Benzaldehído COO - Benzoato HOOC Catecol

22 REACCIONES INICIALES EN LA BIODEGRADACIÓN DE para-, meta- y orto-xileno para-xileno CH 3 meta-xileno CH 3 orto-xileno CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 CH 3 alcohol p-metilbencílico CH 3 alcohol m-metilbencílico CH 3 3,4-dimetilcatecol acetato CO CO CO ácido p-tolúico ácido m-tolúico CH 3 O CH 3 CO 4-metilcatecol 3-metilcatecol CH 3 O CH 3 propionaldehído + piruvato RUPTURA DE ANILLO Hoja 1 de 2

23 VÍA CETO ADIPATO catecol VÍA META-FISIÓN COO - COO - COO - cis-cis miconato semialdehído O 2-hidroximucónico O COO - HO formato O ceto-adipato COO - CH 3 COO - 3-hidroxi 2-cetovalerato CoA succinato acetaldehído + + acetil CoA piruvato Hoja 2 de 2

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28 ω -oxidación HOCH 2 -(CH 2 ) n -CO HOOC - (CH 2 ) n - CO OXIDACIÓN TERMINAL CH 3 -(CH 2 ) n -CH 3 CH 3 -(CH 2 ) n -CH 2 CH 3 - (CH 2 ) n - CHO CH 3 - (CH 2 ) n - CO OXIDACIÓN SUBTERMINAL CH 3 -(CH 2 ) n -CH -CH 3 O CH 3 -(CH 2 ) n -C -CH 3 O CH 3 -(CH 2 ) n-1 -CH 2 -O -C -CH 3 CH 3 - (CH 2 ) n-1 - CH 2 + HOOC - CH 3 CH 3 -(CH 2 ) n-1 - CO - oxidación Ciclo de los Ácidos Tricarboxílicos Biodegradación de n-alcanos

29 Más biodegradables POTENCIAL RELATIVO DE BIODEGRADACIÓN Monoaromáticos Alcanos de cadena lineal Alcanos ramificados Cicloalcanos saturados Poliaromáticos Menos biodegradables

30 DESARROLLO EN ARMONÍA: BACTERIAS EN PLENO DESARROLLO Y ACTIVIDAD DEGRADADORA Y CO2 (HCs)

31 Cuando hay un desarrollo en armonía un suelo sometido a biorremediación puede recuperar su vocación natural

32 PRODUCTOS FRACCIÓN POSIBILIDADES DE BIODEGRADACIÓN GASOLINA Aplicaciones de la biorremediación GASAVIÓN GASNAFTA GASOLVENTE LIGERA BUENAS (90%), AUNQUE SE DA NATURALMENTE PÉRDIDA POR VOLATILIZACIÓN QUEROSINA TURBOSINA DIESEL MEDIA MUY ALTAS (100%) GASÓLEO ACEITES REGULARES (50%) El sobrecalentamiento genera hidrocarburos muy complejos, por ejemplo los poliaromáticos COMBUSTÓLEO ASFALTO PESADA PRÁCTICAMENTE NULAS NINGUNA PETRÓLEO CRUDO REGULARES (MÁX. 60%) EN PRESENCIA DE SURFACTANTES

33 CONTAMINANTES + MICROORGANISMOS + NUTRIENTES condiciones favorables (ph, oxígeno, humedad, temperatura) BIÓXIDO DE CARBONO (MINERALIZACIÓN) COMPUESTOS QUÍMICAMENTE DIFERENTES (deseablemente de menor riesgo) BIODEGRADACIÓN BIOTRANSFORMACIÓN

34 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. Sólo cuando hay participación de microrganismos en la degradación se llama 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 microambientales son favorables (ph, temperatura, humedad, oxígeno). Las preparaciones comerciales no tienen las enzimas que llevan a cabo las reacciones de degradación de hidrocarburos.

35 MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN!!! Dra. Susana Saval Coordinación de Ingeniería Ambiental