APLICACIÓ DELS BIOFILMS EN LA BIOREMEDIACIÓ D’AIGÜES RESIDUALS CONTAMINADES AMB MERCURI Queralt Güell Bujons. Grau Microbiologia. 2013-2014

Coure (Cu)

Níquel (Ni)

Plom (Pb)

Arsènic (As)

Cadmi (Cd)

Estany (Sn)

Cobalt (Co)

Crom (Cr)

Mercuri (Hg)

METALLS PESANTS

EL PAPER DELS MICROORGANISMES

1.Barkay, T., Wagner-Döbler, I. Adv. Appl. Microbiol. 57, 1–52 (2005).

2.Gaona Martínez, X. El mercurio como contaminante global. Universitat Autònoma de Barcelona (2004).

3.Health and Safety at Work. Minamata: the strange disease [Internet]. Available at: http://www.healthandsafetyatwork.com/hsw/minimata

4.Madigan, M.T., Martinko, J.M., Parker, J. et al. Biología de los microorganismos: Brock. (2003).

5.MTI Minas Castilla la Mancha. Mina de Almadén [Internet]. Disponible a: http://mti-minas-castillalamancha.blogspot.com.es/2008/02/minas-de-almadn.html

6.United Nations Environment Programme, Global Mercury Assessment. (2002).

7.Von Canstein, H., Kelly, S., Li,Y. et al. Appl. Environ. Microbiol. 68, 2829–2837 (2002).

8.Von Canstein, H., Li, Y., Leonhäuser, J. et al. Appl. Environ. Microbiol. 68, 1938–1946 (2002).

9.Von Canstein, H., Li, Y., Timmis, K.N. et al. Appl. Environ. Microbiol. 65, 5279–84 (1999).

10.Von Canstein, H. Li, Y., Wagner-Döbler,I. et al. Biotechnol. Bioeng. 74, 212–9 (2001).

11.Wagner-Döbler, I. Appl. Microbiol. Biotechnol. 62, 124–33 (2003).

12.Wagner-Döbler, I., Von Castein, H., Li, Y. et al. Environ. Sci. Technol. 34, 4628–4634 (2000).

INTRODUCCIÓ

Metilació

Oxidació

Degradació

CH3Hg+

Figura1. Esquema explicatiu del cicle del mercuri, on es troben destacats en taronja els processos en què

intervenen els microorganismes. 1. Volatilització 2. Oxidació 3. Reducció microbiana 4. Reaccions redox en

superfície 5. Oxidació microbiana/abiòtica 6. Metilació microbiana/abiòtica 7. Degradació microbiana (operó mer)/

abiòtica 8. Incorporació aigües/sòls 9. Degradació microbiana 10.Precipitació 11. Oxidació per Tiobacillus. Font

informació: 1,2,4,6

Badia de Minamata (Japó). Intoxicació

Zona minera d’Almadén (Espanya). Contaminació ambiental

INCIDENTS HISTÒRICS

Condicions anòxiques

Responsables:

δ-Proteobacteria / Metanògens

Sulfat reductors

Reductors ferro (Geobacter)

Condicions oxigenades

Responsables: Bacillus / Streptomyces

Desmetilació reductiva (operó mer)

Desmetilació oxidativa

Hg0 : volatilització

Hg2+ : cicles metilació/desmetilació

Detecció/Regulació: merR/merD

Transport i la mobilització: merP/merT/merC

Detoxificació enzimàtica:

merA (Hg2+ Hg0)

merB (CH3Hg+ Hg2+ Hg0)

RESISTÈNCIA

MICROBIANA

TÈCNIQUES

BIOREMEDIACIÓ

BIOREMEDIACIÓ. Els biofilms

Figura2. . Imatge d’un biofilm d’un reactor de

depuració de mercuri. S’observa la prevalença de

formes bacil·lars corresponents al gènere

Pseudoomonas, envoltades per una matriu

d’exopolisacàrids. Font: 8

Eficiència en bioremediació

Mètode. Reducció a Hg0 -> retenció al biofilm Catalitzador reacció. Biofilm de múltiples espècies Infraestructura. Bioreactor llit fix Matèria a tractar. Efluents indústria clor-alcalina

APLICABILITAT

A) Escalat. Disseny i resultats

Columnes laboratori Planta pilot Bioreactors laboratori

20 ml

Material suport.

Perles vidre silicat/ fibra

cel·lulòsica.

Inòcul.

Pseudomonas putida Spi3

Medi

Extracte llevat i sucrosa Font:9

Eficiència eliminació 90-99%

Màxim [Hg] suportable: 7-9mg/l

pH paràmetre crític

5,5cm 5,5cm

Material suport.

Fragments roca volcànica.

Inòcul.

9 soques Hg resistents

(α/γ- Proteobacteria)

Medi

Extracte llevat i sucrosa Font:10

7000ml

Reducció Hg

(bioreactor llit fix)

NaOH

Neutralització

(pH 6,5-7,5)

Carbó

actiu

Purificació (filtre

carbó actiu)

Material suport.

Fragments pedra tosca

Inòcul.

7 soques gènere

Pseudomonas

Medi

Extracte llevat i sucrosa Font: 12

Operació en bypass

Control paràmetres: [Hg],

O2, Cl2 , conductivitat,

pH, potencial redox, T

Eficiència eliminació 97%

[Hg] mínima bioreactor (50μg/l), filtre de

carbó actiu (10μg/l)

Operació estable, malgrat fluctuacions

B) Comunitats i poblacions

SISTEMA OBERT Colonitzacions externes

Inoculació soques resistents

Fluctuacions poblacions Pèrdua d’alguns membres inòcul

Xarxa de nínxols ecològics

amb diferents característiques

i resistències

• Més resistents protecció

més sensibles

• Recuperació espontània

després altes [Hg]

• Més estabilitat davant

estressos ambientals

• Més robustesa

C) Costos econòmics

COMUNITAT DIVERSA I DINÀMICA

Comunitat 4-5 soques

[Hg]: diversitat i abundància

Dominància gènere

Pseudomonas

Força selecció

principal [Hg]

[Hg]: diversitat i abundància

CONCLUSIONS REFERÈNCIES

• El mercuri genera una greu problemàtica sanitària i ecològica, a causa de la qual és necessari potenciar i incentivar la disminució de les emissions per la reducció dels reservoris de mercuri.

• La utilització de biofilms en bioremediació de mercuri és un mètode eficient, sostenible i econòmic. Aquestes característiques els defineixen com una solució real en l’eliminació de mercuri en aigües residuals, tot i que la seva aplicabilitat a grans escales necessita més estudis i investigacions.

• Els biofilms amb diversitat d’espècies són els més eficients i estables a l’hora d’operar en condicions ambientals canviants i davant d’estressos diversos.

Capacitat adaptació Resistència condicions adverses

Els objectius d’aquest treball són conèixer la problemàtica del mercuri i el potencial dels biofilms en bioremediació, estudiant conseqüentment l’aplicabilitat pràctica

d’aquests sistemes microbians per la remediació específica del mercuri en aigües residuals.

Zinc (Zn)

Figura3. Gràfic representatiu de l’operació d’un bioreactor inoculat amb un

biofilm de diverses espècies. Font: 7

OPERACIÓ BYPASS. Condicions: •[Hg] > 10mg/l •pH >7,5 / <6,5

•T > 47ºC •[Cl] > 0,5mg/l

.

Figura4. Gràfic representatiu de l’operació de la planta pilot en una

indústria clor-alcalina durant cinc dies. Es poden observar les

fluctuacions, el períodes d’operació en bypass (fletxes vermelles) i

les concentracions finals obtingudes que tot i estar influenciades per

la concentració Hg inicial, disminueixen fins als límits desitjats en

sortir de la planta. Font: 12

Les dades representades són les del biofilm més

estable i eficaç en comparació amb la resta de

biofilms, d’una sola espècie, avaluats en l’estudi.

3

5

Taula1.

Comparació

entre la tècnica

tradicional

(fisicoquímica) i

la biològica.

Font: 11

Font:8

Fonts

• Naturals

• Evaporació escorça i hidrosfera

• Emissions volcàniques

• Antropogèniques (majoritàries)

• Puntuals (indústria clor-alcalina aigües residuals)

• Difuses (amalgames dentals)

Formes

• Inorgàniques

• Elemental (Hg0)

• Iònic (Hg+/Hg2+)

• Orgàniques

• CH3Hg+ , CH3HgCH3

(majoritàries) • C + grup funcional

orgànic

Toxicitat

• Sanitària

• Unió grups –SH proteïnes: alteració funcions cel·lulars

• Afectació Sistema Nerviós Central i del Sistema Cardiovascular

• Ecològica

• Acumulació animals magnificació cadena tròfica

Eficiència eliminació 96%

480 dies d’operació efectiva

No afectació temperatura

Bombolleig disrupció mecànica

[Hg] mínima aconseguida: 140μg/l Biofilm de diverses espècies

Reducció a

Hg0 OPERÓ MER

δ