BIORREMEDIACIÓN DE AGUAS

CURSO : MICROBIOLOGÍA

PROFESOR : RAMOS, Roberto

INTEGRANTES :

C

Ó

DI

G

O

20

080968

20

081269

20

080978

APELLIDO Y NOMBRE

MARCELO, Daniel

MELÉNDEZ, Jose

SOSA, Daniel

SEMESTRE : 2010-I

GRUPO : Nº2 (C10)

2010

1. INTRODUCCIÓN

En los inicios de su desarrollo económico y social, la sociedad

creía haber sido bendecida con una abundancia ilimitada de

recursos naturales, lo que originó una administración desordenada

de los mismos. Actualmente esos recursos muestran en mayor o

menor grado el descuido al que han sido sometidos; tal es el caso,

por ejemplo, de la contaminación de las aguas fluviales por

sustancias químicas peligrosas de uso común en la actividad

minera, el cual junto con otras actividades que también impactan

en el agua será tema central del presente trabajo.

Todos los procesos que conducen a cambios estructurales o de

fase de los contaminantes ambientales poseen un fundamento

químico, incluyendo aquéllos en los que intervienen los

microorganismos. Bajo ciertas circunstancias, el rol principal de los

microorganismos consiste en proporcionar las condiciones ideales

para que ocurran las transformaciones químicas en vez de

biodegradar directamente los contaminantes.

La biotecnología moderna o el uso de organismos diseñados y

modificados genéticamente para realizar labores específicas, se ha

transformado en una herramienta muy útil y de alta proyección

para el medio ambiente, ya que con la aplicación de técnicas de

biorremediación, se ha logrado reducir la concentración y

contaminación de distintas sustancias como petróleo,

hidrocarburos policíclicos y aromáticos, solventes industriales,

pesticidas y metales (plomo, mercurio, etc.), lo que está

contribuyendo a la restauración medioambiental.

2. IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA

La preservación de la biosfera representa uno de los mayores

problemas y desafíos para la humanidad al iniciarse el siglo XXI. El

acelerado desarrollo tecnológico, debido a las crecientes

demandas y expectativas del hombre, junto al acelerado

crecimiento de la población, produce una enorme presión sobre

nuestro planeta, que se traduce en niveles cada vez mayores de

contaminación.

La contaminación de una parte de nuestra biosfera como es la del

agua es un problema muy preocupante para el hombre, puesto que

este es un compuesto vital que representa el 70% de nuestro

organismo y la gran mayoría de la superficie terrestre, además de

ser habitad de millones de especies que se ven afectadas por el

incremento de la contaminación de este recurso durante las últimas

décadas por derrames de petróleo, aguas sépticas, relaves

mineros, etc. ya que el hombre vierte en el agua todo lo que se

puede disolver en ella, muestra de una clara inconsciencia en las

consecuencias que trae esto.

Hace poco un derrame de petróleo en el Golfo de México dejo

muertos a más de 100 animales que se han encontraron hasta el

momento en las costas de Luisiana (EE.UU.), esto nos demuestra

la gravedad del asunto. El petróleo causa muchos disturbios en los

ecosistemas acuáticos y en las playas cercanas; crea una capa

impermeable que obstaculiza el paso de la luz solar que utiliza el

fitoplancton para realizar el proceso de la fotosíntesis, interfiere en

el intercambio gaseoso del mar, cubre la piel y las branquias de los

animales acuáticos provocándoles la muerte por asfixia, entre otros

muchos problemas igual de graves, al igual que afecta la economía

de las playas que se ven contaminadas.

Los relaves mineros provenientes de la minería afecta

directamente a nuestro país contaminando ríos y lagos de la sierra

que se encuentran cerca de las mineras.  Un claro ejemplo es el

Lago Junín, el cual se encuentra dentro de la Reserva Nacional de

Junín. Este lago, actualmente, contiene gran cantidad de residuos

de metales como hierro, arsénico, cadmio, mercurio, zinc,

plomo, manganeso y cobre (residuos comunes en este tipo de

contaminación), provenientes del Complejo Metalúrgico de la

Oroya, los cuales ocasionan la muerte de la mayoría de la flora y

fauna que ahí habitan. No solamente se ven afectados la flora y

fauna del ecosistema victima de estos residuos,  sino también

afecta gravemente al subsuelo, lo cual ocasiona infertilidad de la

tierra.

Por otro lado la población se ve muy afectada por estos residuos

como el caso de los pobladores de Vitoc, un distrito ubicado en la

provincia de Jauja. Los habitantes de dicha zona se ven

perjudicados por los relaves de plomo que llegan a los ríos

Tulumayo, Chanchamayo y Perené, a través del río afluente

Aynamayo, el cual se encuentra a corta distancia de las

instalaciones de la minera San Vicente, de propiedad de la

compañía San Ignacio de Morococha S.A. Estos restos químicos

provienen de ácidos muy fuertes, por lo cual su presencia en el

agua atenta en contra de la salud de los pobladores, puesto que

normalmente esta se usa para su consumo; como consecuencia de

esto, los niños de Vitoc sufren de problemas a la piel: como la

dermatosis, además de complicaciones gastrointestinales.

En resumen la contaminación por metales pesados ocasiona

graves problemas en la salud de pobladores, como por ejemplo:

uno de estos es el plomo, que daña principalmente la sangre, el

sistema nervioso central, el sistema reproductivo y los riñones,

entre otros a los que diariamente se enfrentan los pobladores.

No solo en Junín se ve este tipo de consecuencias sino también en

Puno como la mayoría de poblaciones que viven cerca a estas

empresas, por este motivo no es de extrañar la graves protestas

que estas personas realizan en contra del establecimiento de las

mineras cerca de sus hogares.

Ante todos estos problemas la reciente idea de biorremediación del

agua es una alternativa muy eficaz para poder purificar este

recurso tan valioso e importante para el hombre al igual que para

otras muchas especies; en general, para todos los seres vivos.

3. MARCO TEÓRICO

La habilidad de los microorganismos para degradar y reciclar los

contaminantes ambientales ha sido reconocida desde hace

muchos siglos. La biodegradación es el mecanismo más

importante que atenúa la migración de contaminantes orgánicos

disueltos en el agua subterránea.

Los microorganismos autóctonos frecuentemente utilizan la

biodegradación de diferentes tipos de compuestos orgánicos

sintéticos como un nicho metabólico para obtener energía y

construir bloques para la síntesis de nuevo material celular.

3.1. Requerimientos

La biodegradación de contaminantes ambientales es un proceso

de autopurificación que ocurre cuando condiciones sitio-específicas

conducen al crecimiento e degradadores específicos y al

funcionamiento de sus enzimas.

Presencia de organismos con el requerido potencial de

degradación.

Presencia de cepas degradadores específicas en la zona

contaminada.

Accesibilidad del contaminante por degradar a los

microorganismos.

Inducción de enzimas degradantes apropiadas.

Disponibilidad apropiada de donantes y aceptores de

electrones.

Disponibilidad de nutrientes.

pH adecuado y capacidad buffer.

Temperatura adecuada.

Ausencia de sustancias tóxicas o inhibidoras.

3.2. Recalcitrancia

Es un término utilizado para denotar que un compuesto orgánico

es relativamente resistente a la biodegradación. Esto se debe

generalmente a limitaciones fisiológicas de las bacterias presentes

y/o a las propiedades ambientales. Existen varios niveles de

recalcitrancia; algunos compuestos son muy recalcitrantes y no se

degradan en una magnitud adecuada (por ejemplo, algunos

polímeros orgánicos sintéticos) o, se degradan muy lentamente

(ejemplo, polímeros estructurales de plantas, lignina).

3.3 Mecanismos comunes de biotransformación

3.3.1. Hidroxilación: Este tipo de transformación involucra la

adición de grupos –OH, incrementando así la solubilidad y la

consiguiente biodegradabilidad de hidrocarburos y algunos

nitroaromáticos y compuestos aromáticos; un ejemplo simple, lo

constituye la oxidación de alcanos en sitios contaminados con

productos derivados del petróleo. Esta reacción aerobia es

mediada por enzimas que atacan la parte final de la cadena

transformando los alcanos en alcohol primario.

O2

CH3-(CH2)n-CH3 → CH3-(CH2)n-CH2OHmonooxigenasa

Las reacciones siguientes normalmente involucran oxidación

posterior del alcohol transformándose en un aldehído y luego a un

ácido carboxílico.

2H O2

CH3-(CH2)n-CH2OH → CH3-(CH2)n-CHO → CH3-(CH2)n-COOH

deshidrogenación oxigenación

El ácido graso puede ser entonces metabolizado vía Beta-

oxidación, la cual es una vía central de metabolismo que rompe la

cadena lineal del ácido graso, produciendo fragmentos de dos

carbonos (acetil-CoA). Para operar esta vía no requiere

condiciones aerobias, y es inhibida cuando la cadena es ramificada

o, alguno de los átomos de carbono posee sustitutivos xenóforos

como el Cl o NO2.

Los fragmentos resultantes de acetil-CoA pueden entrar

subsecuentemente en el ciclo de Krebs, el cual completa el

proceso de mineralización (se genera CO2). Alternativamente se

pueden usar intermedios del ciclo de Krebs como material para la

síntesis de nuevo material celular.

La hidroxilación también puede ocurrir en forma anaerobia. En este

caso, no existe oxígeno molecular y el oxígeno atómico se deriva

del agua.

3.3.2. Ruptura oxidativa de anillos aromáticos: los anillos

aromáticos (benceno) son constituyentes comunes de los

contaminantes orgánicos y su degradación aerobia es mediada por

enzimas oxigenasas. Primero, el anillo es dihidroxilado (pre-

requisito del proceso); para la posterior ruptura oxidativa del

catecol resultante.

Los hidrocarburos aromáticos también pueden ser degradados

bajo condiciones anaerobias, aunque estas reacciones son

usualmente mucho más lentas. En este caso, los anillos

aromáticos bencenoides son generalmente carboxilados y

transformados a ésteres CoA-.

3.3.3. Transformaciones de reducción: estas ocurren

típicamente bajo condiciones anaerobias e involucran el uso del

contaminante objetivo aceptor de los electrones transferidos desde

una molécula reducida como H2, o donadores intracelulares de

electrones como co-enzimas reducidas (NADH o NADPH).

La dehalogenación reductiva consiste en la remoción de átomos de

halógeno (Cl, Br y F) apara atenuar los grandes riesgos

provocados por la toxicidad y la persistencia de estos compuestos,

tales como los disolventes clorado y los pesticidas.

La reducción del grupo funcional nitro a grupos aminos llegan a ser

procesos fáciles que se realizan en los sustitutivos comunes de

compuestos energéticos (RDX, HMX, y TNT) y algunos pesticidas

(4,6-dinitro-o-cresol, EPN, y paratión), detoxificando la molécula

orgánica (excepto en la reducción del nitrobenceno a anilina, la

cual es altamente tóxica).

3.3.4. Reacciones sintéticas: se refieren a la adición de

moléculas al componente objetivo (por degradar). Dichas

reacciones son más raras en biodegradación que en anabolismo.

Sin embargo, algunos xenobióticos pueden ser detoxificados por

conjugación con intermediarios en vías metabólicas, o conectados

consigo mismos; carboxilados, metilados y humificados.

3.4 Biotransformación de metales pesados

Los microorganismos necesitan para crecer una amplia variedad

de metales en concentraciones trazas (como Zn, Co, Ni y Mo),

debido a que muchas enzimas los utilizan en sus sitios activos para

facilitar la catálisis, como cuando ejercen distorsión electrónica

sobre el sustrato; y/o mediando la transferencia de electrones. Sin

embargo, la cantidad de metales asimilados para tales propósitos

metabólicos es relativamente pequeña y esto no es un mecanismo

de atenuación importante en comparación con las reacciones de

biotransformación.

A pesar de que los microorganismos no pueden convertir los

metales a elementos diferentes pueden catalizar las reacciones de

oxidación o reducción que afectan la solubilidad y movilidad de

muchos metales.

Los microbios pueden ser indirectamente responsables de la

reducción metálica mediante la producción de reductantes

relativamente fuertes, como H2S de SO4-2 y Fe(II) de Fe(III).

3.5. Cooperación entre diferentes especies microbianas para

biodegradación mejorada

La mineralización de la mayoría de los compuestos orgánicos

peligrosos en el ambiente es raramente realizada por cepas

bacterianas singulares. Biorremediación es frecuentemente el

resultado de una intricada red de consorcios y actividades

microbianos y la probabilidad de una biorremediación exitosa se

incrementa con la gran diversidad microbiana. Frecuentemente,

especies diferentes colaboran en la degradación gradual de

químicos orgánicos complejos o material genético intercambiable

que dotan al recipiente con habilidades mejoradas de

biodegradación. Algunas bacterias también excretan sustancias

que proveen de nutrientes o factores de crecimiento a otros

microorganismos o remueven y neutralizan compuestos que

inhiben la actividad de degradadores específicos.

3.5.1. Comensalismo: es una interacción microbiana benéfica que

involucra “metabolismo asociado” donde una población se

beneficia de “migajas” (desechos) de otra. Esta es una interacción

unidireccional, ya que la población que produce las migajas no es

afectada por las reacciones subsecuentes.

La mineralización de compuestos recalcitrantes como los PCB,

disolventes clorados y algunos pesticidas se basa frecuentemente

en comensalismo co-metabólico.

3.5.2. Sintrofismo: viene a ser una asociación no obligatoria entre

dos o más poblaciones microbianas que se suministran entre sí

requerimientos nutricionales, tal como factores de crecimiento. A

diferencia del comensalismo, sintrofismo es una interacción

benéfica mutua.

3.5.3. Transferencia interespecífica de hidrógeno: la necesidad

de colaboración entre diferentes poblaciones microbianas es

especialmente importante bajo condiciones anaerobias, donde los

compuestos orgánicos son degradados a productos no tóxicos

como acetato, CO2, CH4 y H2, por la acción combinada de muchos

tipos diferentes de bacterias.

La transferencia interespecífica de hidrógeno es una conexión

crítica en la cadena alimenticia anaerobia debido a que previene la

acumulación de los productos de fermentación y mejora la

mineralización anaerobia. Específicamente, bacterias fermentativas

productoras de hidrógeno y acetogénicas están en desventaja

termodinámica si el hidrógeno se acumula. Por eso, fermentadores

y acetógenos se asocian mutualmente con organismos

consumidores de hidrógeno (metanógenos) para mantener bajos

los niveles de H2.

4. DISCUSIONES Y CONCLUSIONES

Un gran número de categorías de contaminantes químicos y

residuos han sido eliminados eficazmente mediante la

biorremediación. Las aplicaciones de esta tecnología incluyen a los

tres grupos de residuos peligrosos más comunes: Hidrocarburos

de petróleo, creosota y disolventes clorados. La mayoría de las

aplicaciones de biorremediación se ha referido a derrames de

combustibles; las actividades de biorremediación se distribuyen

aproximadamente como sigue: 33% petróleo, 28% creosota, 22%

compuestos alifáticos halogenados, 9% pesticidas y 8% otros

(mezclas de químicos), viéndolo en perspectivas del primer mundo.

Observamos que la biolixiviación tiene resultados prometedores y

cuya efectividad en el tratamiento de metales en pos de evitar la

contaminación del agua ha sido comprobada, sin embargo,

presenta ciertas dificultades; la excesiva presencia de metales

pesados, y los cambios extremos en las condiciones ambientales

ideales, que suelen darse de manera natural, solo son algunas de

estas. Recordemos que las bacterias son organismos vivientes, por

ende están sujetos a sufrir estos cambios mientras no se descubra

una nueva forma de mejorar el proceso, es decir, la biolixiviación

es el mejor camino para disminuir la contaminación mientras las

condiciones la favorezcan.

Hasta el momento, la biolixiviación, que viene siendo la mejor

propuesta para el tratamiento de metales pesados, está siendo

usada en nuestro país, mostrando buenos resultados e implicando

la mejora económica y la disminución del impacto ambiental, mas

no esto se ha aplicado a grandes escalas. La biorremediación

ofrece ventajas y desventajas que deber ser consideradas antes de

decidirse por su utilización. Sin embargo es una gran opción si

ponemos en un mayor grado de importancia a la biósfera.

5. CASOS EN EL PERÚ

Actualmente existen nuevos métodos de biorremediación, más

económicos y más “limpios”, con los cuales tratar los residuos de

los relaves mineros, uno de estos métodos es la biolixiviación.

La biolixiviación, como se dijo, es la oxidación bacteriana empleada

para el tratamiento de minerales sulfurados auríferos y se

fundamenta en la acción efectiva de la arqueobacteria Thiobacillus

ferrooxidans, la cual es capaz de oxidar especies reducidas de

azufre a sulfato, y para oxidar el ión ferroso a ión férrico.

Thiobacillus ferrooxidans es eficaz en un ambiente ácido y

aeróbico, es móvil y quimiolitótrofo autótrofo, y se presenta en

forma de bastoncitos de 1 a 2 µm de largo por 0.5 a 1.0 µm de

ancho. Presenta su punto isoeléctrico entorno de 4.0 a 5.0 y se

desenvuelven en el intervalo de temperatura de 28 a 35°C. La

fuente de energía fundamental para el Thiobacillus ferrooxidans es

el ión Fe+2, pudiendo ser utilizados también el azufre y sus formas

reducidas.

Thiobacillus ferrooxidans

Algunos factores que influyen negativamente en la lixiviación son la

presencia de metales pesados, particularmente los iones de Ag, Hg

y Mn, que son venenosos para las bacterias; además la existencia

de temperaturas muy altas muchas veces como consecuencia de

las reacciones exotérmicas propias, son inconvenientes para

algunos tipos de bacterias. Mejores métodos para la extracción de

los metales lo forman, los de lixiviación por pilas usados en la

actualidad en la extracción de los sulfuros de cobre. En este

método se prefiere triturar el mineral para aumentar su superficie

de ataque y algunas veces cuando hay la presencia excesiva de

finos se aglomera el material antes de enviarlo a las pilas. El piso

de las pilas recibe un tratamiento previo de impermeabilizado

colocando, además membranas de material plástico; el piso de la

pila está dotado de una cierta inclinación que va a permitir al licor

de lixiviación fluir por gravedad; sistemas de aeración a menudo se

instalan para aumentar el flujo de aire. Se acumula el mineral en

forma de pilar de gran dimensión y se le riega ya sea por aspersión

o por goteo con la solución bacteriana, igual que en el caso

anterior la solución rica en el metal valioso es recogida en el fondo

para luego recuperar el valor por los métodos conocidos ya

mencionados.

Aunque la lixiviación bacteriana es corrientemente aplicada para la

recuperación del cobre y el uranio, sin embargo están ya siendo

usada para la recuperación de otros materiales sulfurosos, como

en el tratamiento de la esfalerita y la galena que son sulfuros de

zinc y de plomo respectivamente. En el Perú (Tamboraque) se está

haciendo uso de la lixiviación bacteriana para el tratamiento de la

arsenopirita y pirita aurífera contenido en bastos depósitos de

relaves, la lixiviación bacteriana descompone la arsenopirita

logrando que el oro entrampado quede libre y por lo tanto en

condiciones de ser disuelto por el cianuro, en la forma tradicional

de recuperarlo.

También está demostrado la posibilidad de lixiviar los concentrados

de plomo y de zinc, los sulfuros son oxidados por las bacterias

Thiobacillus, habiéndose detallado que en el caso del zinc, los

sulfuros tipo marmatítico, son los más rápidamente lixiviados, lo

cual se explica por el hierro que contiene la molécula de marmatita.

En este sentido la biolixiviación bacteriana acompañada de

lixiviación química está siendo aplicada con éxito en Toquepala

(Perú) donde los licores de lixiviación de los botaderos de Cuajone

y Toquepala son tratados en la planta de extracción por solvente y

electrodeposición para añadir 30000 toneladas anuales de cobre a

la producción de cobre electrolítico de Southern Perú Copper

Corporation.

Por lo demás el proceso de lixiviación bacteriana tiene ya algunos

años de aplicación en Cerro Verde (Arequipa) con resultados

halagadores. El mayor impedimento a la lixiviación bacteriana ha

sido la lentitud del proceso, debido esencialmente a que las

bacterias como seres vivientes están sometidas a los embates del

medio ambiente y son particularmente sensibles a variaciones de

humedad y temperatura extremas. La biolixiviación será más

sencilla para las especies nativas siempre presentes en los

depósitos, pero estas no se reproducen en gran escala por esto es

necesario preparar cepas artificiales en el laboratorio, con las

características de las nativas y que son finalmente las bacterias

que se regaran sobre el material. En las posibilidades actuales de

manipulación genética es de esperarse el nacimiento de bacterias

con mejores características.

La lixiviación bacteriana resulta en el reto más importante en el

futuro de la Metalurgia, los métodos tradicionales de recuperación

de metales deberán dar paso a métodos no contaminantes y la

biolixiviación es uno de ellos y que debe responder a la exigencia

de un mundo atribulado que clama por un ambiente que no se

contamine más.

6. BIBLIOGRAFÍA

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http://books.google.com.pe/books?

id=J7rMDpW49ZQC&pg=PA230&dq=metodos+de+cultivo+de+

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