Biotecnología y ambiente Bioremediación - FBMC · Desventajas • Requerimiento de grandes áreas...
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Biotecnología Biotecnología y y ambienteambienteBioremediaciBioremediaciónón
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CELULA
Sistemasenzimáticos
sustratoCompuesto orgánico(contaminante)
aceptor deelectrones
• Oxígeno• Nitrato• Sulfato• otros nutrientes
• Nitrógeno• fósforo• metales (trazas)
transformaciónCompuesto modificadopero no completamente
eliminado
Contaminante destruídoformación de CO2 + H2O
mineralización
BioremediaciBioremediacióónn
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Ecología Ecología de lade la degradación degradación
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Respiración anaeróbicaRespiración anaeróbica
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TiempoDistancia de la fuente
Proceso dominante de aceptor terminal de electrones
+10
0
-10
Aceptores Aceptores dede electrones electrones
pE
Respiraciónaeróbica
O2
Organicos
O2
SOSO44--
Reducción de sulfato
SO4-
HH22SS
Metanogenesis
CO2
CH4
H2
Desnitrificación
NO3-
NONO33--
Reducción de Fe (III)
Fe (III)
Fe (II)
Especies químicasEq
uiva
lent
esBiogeoquímicaBiogeoquímica
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Reacciones Reacciones enen acuíferos acuíferoscontaminadoscontaminados
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Diagrama Diagrama de de bioremediaciónbioremediación
Adding Oxygen
-Bioventing
-Biosparging
Adding Oxygen
and Nutrients
Biostimulation
Adding Oxygen,
Nutrients and Bacteria
Bioaugmentation
Engineered Intrinisic
in situ
Landfarming Bioreactor
ex situ
Bioremediation
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BioremediaciBioremediación ón in situin situ Exxon ValdezExxon Valdez
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Atlas & Bragg, Microbial Biotechnology (2009) 2, 213-221
BioremediaciBioremediación ón in situin situ bioestimulacibioestimulaciónón
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BioremediaciBioremediación ón in situin situ Exxon ValdezExxon Valdez
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BioremediaciBioremediación ón in situin situ Exxon ValdezExxon Valdez
La bioremediación no aumenta la extensión de la degradaciónLa bioremediación aumenta la cinética de degradación
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Limitaciones Limitaciones de la de la bioremediacibioremediaciónón
• recalcitrancia
• viscosidad (difusión)
• accesibilidad
• co-metabolismo
Gallego et al, Org Geochem 37: 1869- 1884
Prestige oil spill
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Modos Modos dede metabolismo microbiano metabolismo microbiano
• Cometabolismo: transformación de un compuestoorgánico por un microorganismo incapaz de usar el sustratocomo fuente de energía
• Los productos de transformación de cometabolismo de unmicroorganismo son típicamente usados como fuente deenergía por otro
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Sustrato primario Sustrato primario oocometabolismocometabolismo??
TCE
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2010: Derrame en el 2010: Derrame en el golfo golfo de Mde Méxicoéxico
Actividad científica en las primeras etapas:
• Documentar condiciones previas al impacto
• Monitoreo del transporte de petróleo
• Monitoreo de daño en recursos naturales
• Decisiones técnicas para contener el derrame
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2010: Derrame en el 2010: Derrame en el golfo golfo de Mde Méxicoéxico
636 millones litros de petróleo 5.000.000 litros dispersante!
OD ?
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2010: Derrame en el 2010: Derrame en el golfo golfo de Mde Méxicoéxico
Descenso en ODsugiere catabolizaciónde HC
Aumento endensidad celularen la pluma
Hazen et al., www.sciencexpress.org / 24 August 2010 / Page 1 / 10.1126/science.1195979
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2010: Derrame en el 2010: Derrame en el golfo golfo de Mde Méxicoéxico
Hazen et al., www.sciencexpress.org / 24 August 2010 / Page 1 / 10.1126/science.1195979
Cambios en la composición de las comunidades microbianas
16S rRNA PLFA
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2010: Derrame en el 2010: Derrame en el golfo golfo de Mde Méxicoéxico
Hazen et al., www.sciencexpress.org / 24 August 2010 / Page 1 / 10.1126/science.1195979
Psychrophilic, hydrocarbon degrading Bacteria, as well as uncultured organisms from low temperature, hydrocarbon dominated environments are shown in blue
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2010: Derrame en el 2010: Derrame en el golfo golfo de Mde Méxicoéxico
Hazen et al., www.sciencexpress.org / 24 August 2010 / Page 1 / 10.1126/science.1195979
4,000-5,000 genes funcionales detectados por muestra1652 genes involucrados en la degradación de hidrocarburos
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2010: Derrame en el 2010: Derrame en el golfo golfo de Mde Méxicoéxico
Hazen et al., www.sciencexpress.org / 24 August 2010 / Page 1 / 10.1126/science.1195979
La composición funcional de la comunidad microbiana resultósignificativamente diferente entre muestras dentro y fuera de la pluma
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2010: Derrame en el 2010: Derrame en el golfo golfo de Mde Méxicoéxico
Hazen et al., www.sciencexpress.org / 24 August 2010 / Page 1 / 10.1126/science.1195979
• Existe una gran diversidad de poblaciones que degradan HC en lapluma a altas profundidades del ambiente marino
• Las comunidades microbianas están sujetas a una rápida adaptaciónen respuesta a la contaminación
• Existe el potencial para la bioremediación intrínseca de lacontaminación de petróleo
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2010: Derrame en el 2010: Derrame en el golfo golfo de Mde Méxicoéxico
Nature, Vol 466, 12 Aug 2010, p. 802
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Bioremediación Bioremediación ex situ:ex situ:1. Land farming1. Land farming
1. Impermeabilización2. Excavado3. Remoción de piedras4. Fertilización5. Arado
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Ventajas
• Bajo costo
• Simple para diseñar y operar
• Tiempos de tratamiento relativamente cortos (6 meses-2 años)
Desventajas
• Requerimiento de grandes áreas
• Liberación de compuestos volátiles
• Necesidad de impermeabilización
• Vulnerabilidad a metales pesados
• Degradación incompleta
Bioremediación Bioremediación ex situ:ex situ:1. Land farming1. Land farming
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Humedad/nutrientesCapa de
grava
Colección de lixiviadoCapa impermeable
Suelo contaminado
Bioremediación Bioremediación ex situ:ex situ:2. Soil piling2. Soil piling
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Bioremediación Bioremediación ex situ:ex situ:2. Soil piling2. Soil piling
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Agregado de mat. voluminoso 30% Agregado de nutrientesAgregado de materia orgánicaTemp: 55 oC
Bioremediación Bioremediación ex situ:ex situ:3. Composting3. Composting
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windrows
Ancho: 3-4 m
Altura : 1-1.5 m
Aireación : mezcla (1/d - 1/mes)
Bioremediación Bioremediación ex situ:ex situ:3. Composting3. Composting
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Bioremediación Bioremediación ex situ:ex situ:4. Bioreactor (slurry phase)4. Bioreactor (slurry phase)
Salida delíquido
Suelo a secar
Control detemperatura
AgitadorVapor
Entrada de aire
Nutrientes
Suelocontaminado
Líquidocontaminado
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BioremediaciónBioremediación
• Menor costo que opcionesalternativas
• En muchos casos no produceresiduos secundarios
+ -
• Pozos de inyección se tapan
• Toxicidad
• Baja “bio-disponibilidad”
• Difícil de implementar enacuíferos de baja permeabilidad
• Monitoreo y mantenimientocontinuo
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• Aspectos regulatorios y reportes independientesde estudios controlados
• Bioremediación de compuestos recalcitrantes enambientes complejos
• Predicciones basadas en modelos cinéticostradicionales no funcionan
• Como saber que está funcionando?• Cuan limpio es limpio?
Principales temas Principales temas enenbioremediaciónbioremediación
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Potencial Potencial dede bioremediación bioremediación
Se degrada el contaminante en el laboratorio?
No es posiblela degradación
Estimación de la tasa de eliminación( o inmovilización)
SI NONO
Aislamiento en cultivo
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Potencial Potencial dede bioremediación bioremediaciónAlguna bacteria presente tiene los genes necesarios?
(probes para DNA) FGA, Real time PCRFGA, Real time PCR
Están activas las enzimas?(probes de actividad enzimática)
SI NONO
degradación
Se expresan los genes catabólicos?(probes para mRNA) FGA, Real time PCRFGA, Real time PCR
SI
SI
NONO
NONO
No haydegradación
ManipulacionesiterativasNo hay
degradación
Búsqueda de nuevas actividadesCultivoCultivo, , MetagenMetagenómicaómica
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Monitoreo Monitoreo dede bioremediación bioremediación
Estructura y dinámica de la comunidad
SI
Estudio de tratabilidad: toma de decisionesEstrategia de tratamiento: atenuación natural, bioestimulación, bioaumentación
BIOREMEDIACION
Fingerprinting, Fingerprinting, CGAsCGAs,,Real time PCRReal time PCR
Función de la comunidad
MetatranscriptomicsMetatranscriptomicsMetaproteomicsMetaproteomicsMetabolomicsMetabolomics
Concentración delcontaminante y/otransformación?
BiosensoresBiosensores
Monitoreo
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Reacciones catalizadas porReacciones catalizadas pormicroorganismosmicroorganismos
• Desclorinación: un átomo de cloro es remplazado por unátomo de hidrógeno Cl2C = CHCl + H+ ClHC = CHCl + Cl-
• Hidrólisis: ruptura de una molécula orgánica con adición deagua RCOOR’ + H2O RCOOH + R’OH
• Clivaje: División de una cadena orgánica en dos segmentos RCOOH RH + CO2
• Oxidación: Reacción con formas nucleofílicas de oxígeno(H2O, OH-) CH3CHCl2 + H2O CH3CCl2OH + 2H+ + 2e-
• Reducción: Reacción con formas electrofílicas de hidrógeno(H+) CCl4 + H+ + 2e- CHCl3 + Cl-
• Dehidrohalogenación CCl3CH3 CCl2CH2 + HCl
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http://umbbd.msi.umn.edu/index.htmlMicrobial biocatalytic reactions andbiodegradation pathways
• 188 pathways• 1293 reacciones• 1199 compuestos• 833 enzimas• 467 microorganismos• 50 grupos funcionales orgánicos
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BioaumentaciónBioaumentación
The reservoir contains up to a 30-day supply ofBacta-Pur® beneficial biotechnologies andnutrients. The nutrients have been speciallydeveloped to allow rapid growth and to optimizenitrifier production. A dosing pump transfersprecise quantities of bacterial/nutrient mixtureto the bioreactor.
Stallwood et al., Low temperature bioremediation of oil-contaminated soilusing biostimulation and bioaugmentation with a Pseudomonas sp. frommaritime Antarctica J. Appl. Microbiol. 99, 794–802 (2005)
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Problemas Problemas con la con la bioaumentaciónbioaumentación
-+++Agentes debiodegradación
++++Pseudomonas,Rhodococcus,etc.
Producción de
biomasa
Consumo de
C
Adaptación, selección, depredación, tropismo
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Limitaciones Limitaciones a la a la biodegradacibiodegradaciónón
• Falta de inducción del operón catabólico
• Falta de reconocimiento del sustrato
• Stress celular (contaminante o ambiente)
• Caos metabólico por múltiples contaminantes
• Baja solubilidad
• Balance termodinámico del proceso de degradación