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

DESARROLLO EN ARMONÍA: BACTERIAS EN PLENO DESARROLLO Y ACTIVIDAD DEGRADADORA

Y CO2

(HCs)(HCs)

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.

MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN!!!

Dra. Susana SavalCoordinación de Ingeniería Ambientalssavalb@iingen.unam.mxPOR SU ATENCIÓN!!! g