UNIDAD 6: Biorremediación

•  Brock. 10ma ed. Cap 19. •  Brock. 12va ed. Cap. 24.

Bibliografía:

“Un camino de mil kilómetros comienza con un paso”

•  Extracción de metales valiosos de menas de minerales por microorganismos.

Lixiviado microbiano

•  El S se combina con metales y forma compuestos insolubles. •  Ej.: sulfuro de cobre. •  Si la concentración del metal es baja, no conviene por medios químicos. •  Es posible el lixiviado microbiano.

Ej. Acidithiobacillus ferrooxidans

VIDEO http://www.biology.ualberta.ca/facilities/multimedia/?Page=289

Biorremediación microbiana

•  Eliminaciónde contaminantes (sustancias tóxicas) del ambiente mediante el uso de microorganismos (bacterias, arquea, plantas y hongos).

Contaminantes naturales: están presentes en la naturaleza pero en menores concentraciones. Ejemplos:

•  petróleo •  metales pesados (uranio, mercurio) •  fosfatos

Xenobióticos: compuestos sintetizados químicamente que no existen en la naturaleza. Ejemplos:

•  pesticidas •  herbicidas •  plásticos •  PCB (organoclorado)

Los xenobióticos son más difíciles de degradar que los contaminantes naturales

Biorremediación microbiana Las bacterias pueden degradar los contaminantes mediante: -  Respiración aerobia -  Respiración anaerobia -  Fermentación

Biodegradación del petróleo por: -  arqueas halófilas, oxidándolo a CO2 por respiración aérobica. -  bacterias anaeróbicas, por respiración anaeróbica.

VIDEO

•  Las bacterias pueden degradar los contaminantes utilizando otra fuente de energía.

bacterium

corn starch CO2 + H2O

contaminant degradation products

Biorremediación microbiana

Biodegradación del uranio por bacterias: La reducción de uranio soluble lo convierte en uranio precipitado. Esto permite la inmobilización del contaminante.

Ejemplos:

Transformación del mercurio de formas tóxicas a formas no tóxicas por la bacteria Pseudomonas aeruginosa (plásmido con genes mer)

VIDEO

• Uno de los problemas que se presentan en el deterioro de la calidad del agua es por tóxicos que que se vierten al drenaje

• Ejemplo: aceites usados (de autos).

• Existen bacterias que son capaces de degradar este tipo de aceites.

Biorremediación microbiana

Ejercicio en clase:

•  Nombrar los procesos claves (red/ox)relacionados con: -  N -  C -  S -  Fe

• Nombrar el tipo de metabolismo de los organismos involucrados, identificando si representa una fuente de Energía, un dador de e-, un aceptor de e- •  Tener en cuenta la asimilación de estos macronutrientes. • Dar ejemplos de los microorganismos involucradros. • Dónde intervienen los eucariotas?

Traer o no?: •  Brock. 10ma ed. Cap 19. •  Brock. 12va ed. Cap. 24.

Agregar estados de oxidacion de cada uno!

UNIDAD 6: Ciclos Biogeoquímicos

•  Brock. 10ma ed. Cap 19. •  Brock. 12va ed. Cap. 24.

Bibliografía:

“Un camino de mil kilómetros comienza con un paso”

Ciclos biogeoquímicos

  Conjunto de transformaciones químicas llevadas a cabo por organismos o por agentes químicos. Implica reacciones redox.

• Ciclo del Carbono • Ciclo del Nitrógeno • Ciclo del Azufre • Ciclo del Hierro

Bacterias, Archaea y Eucarya

Todos los organismos vivos están involucrados:

Los microorganismos tiene un rol esencial en los siguientes ciclos:

•  El carbono es reciclado en todos los ambientes.

•  Mayor reservorio en rocas y corteza: pero es muy lento.

•  El CO2 atmosférico está más disponible para los organismos.

•  El carbono orgánico se encuentra en organismos vivos (gran parte en plantas) y en carbono fósil (la mayor parte).

•  Unicas vías para producir C orgánico es por fotosíntesis o quimiolitotrofía.

Ciclo del Carbono

Fijación de CO2 por autótrofos: Fotosíntesis > quimiolitotrofos

Liberación de CO2 por descomposición: quimioorganótrofos

Liberación de CO2 por humanos: Uso de combustibles fósiles

Carbono orgánico es únicamente generado por organismos autotrofos:

-  en ambientes iluminados: los fotótrofos fijan mayor cantidad que los quimiolitotrofos -  en ambientes oscuros: los quimiolitotrofos son los únicos productores primarios.

-  en ambientes terrestres: las plantas son los autótrofos más importantes -  en ambientes acuáticos los microorganismos son los más importantes.

Ciclo del Carbono

•  Fijación por fotosintesis o quimiolitotrofía

•  Degradación por microorganismos: metano y CO2.

•  Metanotrofos: oxidan metano a CO2.

•  Producción de CO2 por quimioorganótrofos (resp. aerobia, anaerobia, ferm.).

- Oxidaciones (amarillo) - Reducciones (rojas)

Ciclo del Nitrógeno •  Estados de oxidación del N

GAS

SOLUBLE EN AGUA

VOLATIL

•  N2 es la forma más estable (triple enlace) •  Atmósfera es el mayor reservorio utilizable.

Ciclo del Nitrógeno

Fijación de N: -  Gran cantidad de E para romper N2. -  Solo algunos microorganismos son capaces.

Amonificación: - Descomposición de compuestos orgánicos de N produce amoníaco (NH3 o NH4

+ pH 7).

Asimilación: - Absorción de compuestos inorgánicos de N (NH3, etc.) como nutriente. -  Nitrato NO3- es facilmente asimilable por plantas.

  Nitrificación - oxidación de compuestos de N (NH3 y NO2

-) a nitrato (NO3-) por bacterias

nitrosoficantes y nitrificantes (quimiolitótrofas aerobias).

  Desnitrificación: compuestos de N como aceptores de e- en la respiración anaeróbica (reducción de compuestos de N; e.g. nitrato a óxido nitroso o N2).

Ciclo del Nitrógeno

B. nitrificantes B. nitrosificantes

Quimiolitotrofas

Respiracion anaerobia: Bacillus, Pseudomonas

B. Fijadoras de N: rojas y verdes fototroficas

B. Fijadoras de N de vida libre e.g. Cianobacterias

- Oxidaciones (amarillo) - Reducciones (rojas)

Ciclo del Nitrógeno

Ciclo del Nitrógeno

Beneficioso en tratamiento de aguas residuales y perjuicios: agricultura y lluvia ácida

Nitrificacion es perjudicial en agricultura porque el nitrato es soluble en agua y se pierde.

En agricultura, se adiciona el suelo con amonio anhidro con un inhibidor de la nitrificacion

Ciclo del Azufre

-  Mayor parte de S en la Tierra está en sedimentos y roca en minerales de sulfato y sulfuro (pirita FeS2) -  Océanos: fuente más significativa de S en la biosfera (se encuentra como sulfato).

•  Estados de oxidación del S:

SULFHIDRILO HS-, HAY A pH>7 SULFURO DE H2 : GAS VOLATIL, TOXICO

S ELEMENTAL ES INSOLUBLE

El ciclo es más complejo porque el S tiene más estados de oxidación y porque muchas transformaciones ocurren de forma abiótica.

Solo 3 estados son significativos en la naturaleza

H2S se genera por: -  reducción biótica de sulfato -  fuentes geoquímicas

Ciclo del Azufre

B.FOTOTROFICAS

RESP ANAEROBIA: DESULFUROMONAS, DESULFOVIBRIO, ARCHAEA hipertermofilas

B.QUIMIOLITOTROFAS: B. OXIDANTES DEL S: THIOBACILLUS.

B.FOTOTROFICAS: B. VERDE DEL S: CHLOROBIUM

B.FOTOTROFICAS: B. ROJAS DEL S: CHROMATIUM, THIOSPIRILLUM

B.QUIMIOLITOTROFAS: B. OXIDANTES DEL S: THIOBACILLUS, BEGGIATIOA

B.QUIMIOLITOTROFAS: B. OXIDANTES DEL S: THIOBACILLUS, BEGGIATIOA

ARQUEAS QUIMIOLITOTROFAS: Sulfolobales

- Oxidaciones (amarillo) - Reducciones (rojas)

En cond. óxicas, el H2S se oxida espontáneamente. B. Quimiolitotrofas estan generalmente cerca de la interfase anóxico/óxico.

Pirita FeS

Ciclo del Hierro - Oxidaciones (amarillo) - Reducciones (rojas)

Hierro es el elemento más abundante de la corteza terrestre, e.g. pirita. Existe en 2 estados: férrico y ferroso. El estado Fe0 es el resultado de actividades humanas.

Respiración anaeróbica

Quimiolitotrofos aerobios: - a pH ácido (Acidithiobacillus) - en interfase óxico/anóxico (Galionella)

Oxidación química espontánea a pH >7 y cond. Óxicas.

Preguntas

Qué relación hay entre la respiración aerobia y fotosíntesis oxigénica?

Qué ocurriría si se extinguieran los fijadores de N2?

Cómo se forma nueva materia orgánica en la naturaleza?

El H2S es un sustrato o un producto de las bacterias quimiolitotrofas del S?

UNIDAD 6: Interacciones bióticas

•  Brock. 10ma ed. Cap 19. •  Brock. 12va ed. Cap. 24.

Bibliografía:

“Un camino de mil kilómetros comienza con un paso”

Competencia y cooperación

•  Competencia entre microorganismos por los recursos disponibles.

•  Colaboración entre microorganismos para lograr una actividad conjuntamente.

•  Sintrofia: dos o más organismos que que colaboran para llevar a cabo una transformación determinada, que no pueden realizar individualmente.

Ejemplos:

•  bacterias nitrosificantes y nitrificantes.

•  bacterias que conviven en el rumen de mamíferos herbívoros

Rumen

1- Bacterias celulolíticas liberan glucosa.

2- Fermentadores primarios: oxidan glucosa a ácidos grasos volatiles (a la sangre), H2, y CO2

3 –Fermentadores secundarios pueden oxidar los ácidos grasos.

4- Bacterias metanógenas consumen el H2.

Organo digestivo de rumiantes, donde ocurre la digestión de celulosa y otros polisacáridos con la ayuda de microorganismos.

La mayoría de los animales carecen de enzimas para digerir la celulosa.

El rumen posee: -  temperatura constante (39C) -  pH constante (5.5-7) -  ambiente anóxico

Ruminobacter amylophilus Succinomonas amylolytica

Líquenes

•  Simbiosis de dos organismos: un hongo + alga/cianobacteria que forman organismos incrustantes o foliáceos.

•  Relación poco específica.

•  Fotobionte: produce materia orgánica.

•  Micobionte: proporciona anclaje, protección de la desecación, facilita incorporación de agua, absorbe nutrientes inorgánicos de las rocas.

•  Acidos liquénicos estimulan la disolución de nutrientes

•  Colonizan nuevos ambientes.

•  Crecimiento lento.

Micorrizas (“hongo de la raiz”)

•  Hay 2 clases:

Ectomicorrizas: hongos forman vaina alrededor de la raiz y rodean a las células. -  principalmente en árboles en bosques (coníferas, robles) en zonas templadas. -  en 10% de familias de plantas

Endomicorrizas: micelio del hongo incrustado en el tejido radical, invagina la membrana celular de las células radiculares de las plantas. -  muy comunes. -  micorrizas arbustivas existen en raíces del 80% de las familias de plantas.

Simbiosis entre raíces de plantas y hongos

Los hongos de las raíces:

•  Usan carbohidratos simples de la planta para su crecimiento. •  Requieren vitaminas. •  Se los conoce sólo asociados a plantas (simbiontes estrictos). •  Producen sustancias para el crecimiento de las plantas. •  Alteran la morfología radicular. •  Tienen poca especificidad. •  Plantas con micorrizas crecen mejor en suelos pobres; absorben nutrientes con más eficiencia. Ectomicorriza de pino

Micorrizas (“hongo de la raiz”)

Nódulos radicales de plantas leguminosas

Simbiosis de bacterias fijadoras de N2 con plantas leguminosas

•  Ejemplos:   Plantas leguminosas (plantas con vaina): soja, trebol, alfalfa, arvejas, porotos.   Bacterias: Rhizobium, Bradyrhizobium, Azorhizobium

•  Alta especificidad en la relación.

•  La interacción promueve la formación de nódulos radicales. •  Independientemente, ninguno es capaz de fijar N2.

Bacterias fijadoras de N2:

•  Bacterias Gram - •  Proteobacterias: alpha y beta. •  Bacilos móviles, flagelación polar. •  Quimioorganótrofas. •  Aerobios: microaerófilos.

Nódulos radicales de plantas leguminosas

Interacción leguminosa y bacteria.

La bacteria necesita compuestos orgánicos como fuente de E y fuente de e-

• Se requiere un medio microaerofílico. •  Nitrogenasa es inhibida por el O2 •  Concentraciones de O2 están controladas por la leghemoglobina. •  Sólo es sintetizada en los nódulos. •  En la leghemoglobina, el Fe3+ se reduce a Fe++ y se une al O2, manteniendo la [O2] baja.

Factores Nod inducen división celular en la planta.

Formación de nódulos en la planta