CARRERA DE ESPECIALIZACION EN BIOTECNOLOGIA...
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CARRERA DE ESPECIALIZACION EN CARRERA DE ESPECIALIZACION EN BIOTECNOLOGIA INDUSTRIALBIOTECNOLOGIA INDUSTRIAL
FCEyN-INTIFCEyN-INTI
Materia de Articulación CEBI_E2b
Biotecnología de los microorganismos
procariotasDocente a cargo: Eva L. M. Figuerola
CEBI_E2b_5 : Microorganismos en la recuperación de minerales y energía_5
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Fuentes alternativas
de energía
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Escenario globalAUMENTO DEMANDA
ENERGÉTICA
AGOTAMIENTODE LOS
COMBUSTIBLES FÓSILES
DETERIORO DEL MEDIO AMBIENTE
CRECIENTE INTERÉSDESARROLLO DE ENERGIAS
RENOVABLES
PRESIÓN PÚBLICOPOR DESARROLLO
SUSTENTABLEhttp://www.astromia.com/
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Fuentes renovables de energía
BioetanolBiodieselH
2
CH4
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Producción de biometano
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Biogás
• Metano producido por microorganismos a partir de materias primas renovables
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Materias primas para producción de biogás
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Digestión anaeróbica
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Digestión anaeróbica
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Producción de H2
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H2 como combustible
• El H2 tiene la mayor cantidad de energía
por unidad de peso entre los combustibles gaseosos
• Es libre de C, se oxida a H2O
• Se produce a partir de gas natural, por refinación del petróleo o gasificación de carbón
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Producción de hidrógeno
http://energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production
Photoelectrochemical
Solar thermochemical hydrogenCarbon capture utilization & storage
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Producción de biohidrógeno
Venkata Mohan 2013
A partir de biomasa
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Producción de bio H2
K. Srirangan 2011
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Hidrogenasas
Clostridium pasteurianumDesulfovibrio desulfuricans
Desulfovibrio gigasMethanocaldococcus jannaschii
(arqueas)
www.sciencedirect.com
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Estrategias de producción
15% rendimientoAlta velocidadVersatilidad de sustrato
RendimientoEstequiométricoSecuencial ocombinado
Inhibición por amonioCambios metabólicos PHBUso de VFA
La materia prima representa hasta un 95% de los costos
Altos costos fotobioreactorBaja eficiencia
Requerimiento de luzBaja productividadInhibición por O
2
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Limitaciones
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Fermentación oscura
Homoacetógenos (CO2 +H
2)
Metanógenos (CO2 +H
2)
Reductores de sulfatos
C6H12O6 + 2H2O → 2CH3COOH + 4H2 +
2CO2
ΔGo = - 206 kJ
C6H12O6 → C3H7COOH + 2H2 + 2CO2
ReducciónRendimientoen cultivos mixtos
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F. oscura- Vías de producción de H
2
[NiFe]-hydrogenase
Anaerobios aerotolerantes
Anaerobios estrictos
[FeFe]-hydrogenaseDependiente de Fd
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Fermentación oscura
máximo de 2 a 4 moles de H2 por mol de glucosa.
heterologous NAD(P)H o (Fd)-dependent hydrogenase (along withFd:NAD(P)+-oxidoreductase (FNR) and anappropriate Fd)
Facultativos Obligados
Kontur 2012
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Foto-fermentación
For example, glucose-fedRhodobacter sphaeroides cells can excrete pyruvate [26], butintroduction of Rhodospirillum rubrum genes encodingpyruvate-formate lyase and formate-hydrogen lyase intoR. sphaeroides resulted in an increased H2 yield (to 4 molH2/mol glucose) [28].
Inmobilizacióncelular
Ciclo de calvin
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Fotosíntesis oxigénica
Ni-Fe
Proteínas de fusiónH
2asa-PSI
C3-PSIH
2asa-Fd
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Fermentación photo-darksecuencial
Fermentación oscura produce VFAs inhibitoriosLas PNB utilizan VFAs para fotofermentación
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Fermentación Photo-dark combinada
1ra etapaFermentación oscura (anaerobios facultativos)
C6H12O6 + 2 H2O → 2 CH3COOH + 2 CO2 + 4 H2.
2da etapaFoto-fermentación (bacterias fotosintéticas)2 CH3COOH + 4 H2O → 8 H2 + 4 CO2.
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Enzimática o in vitro
Lu 2015
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Ventajas y desventajas de los métodos de producción de biohidrógeno
Hallenbeck 2013
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Inconvenientes para la producción
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Sistemas bioeléctricos
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CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANO
Son sistemas bioeléctricos (BES) que transforman la energía química de los enlaces en energía eléctrica mediante reacciones catalizadas por microorganismos.
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Celdas microbianas de combustible
Aceptor final de electrones
Modificado- Lovley 2008
Los electrones de fuente de energía son transportados hasta el aceptor final mediante la cadena de transporte de electrones
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Celdas microbianasde combustible
Aceptor final de electrones
ELECTRODO
Bacterias ANODOFILAS o
EXOELECTROGENICAS
Modificado- Lovley 2008
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Esquema de una MFC
ÁNODO CÁTODO
PUENTE SALINO
OXIDACIÓNMATERIA ORGÁNICA
REDUCCIÓN DE O2
e-
e-
e-
e-
e- e-
+
MO a H+ + b CO2 + a e- O
2 + 2 H+ + 2 e- H
2O
O2
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Esquema de una MFC
ÁNODO CÁTODO
PUENTE SALINO
OXIDACIÓNMATERIA ORGÁNICA
REDUCCIÓN DE O2
e-
e-
e-
e-
e- e-
+
MO a H+ + b CO2 + a e- O
2 + 2 H+ + 2 e- H
2O
O2
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OXIDACIÓNMATERIA ORGÁNICA
REDUCCIÓN DE O2
e-
e-
e-
e-
H+
MO a H+ + b CO2 + a e-
O2 + 2 H+ + 2 e- H
2O
ÁNODO
ÁNODOCÁTODO
Celdas sedimentarias SMFC
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Bacterias electrogénicas
Kiely 2011
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Transferencia de electrones
Franks 2010
S.
oneidensis
Proteus,
Bacillus
Geobacter
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Geobacter sulfurreducens
Reguera
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Shewanella oneidensis
Shi 2012
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Interacciones sinérgicas
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Comunidad bacteriana en SMFC
Sacco 2012
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Aplicaciones de las MFC• Generación de electricidad
• Produccion de hidrógeno
• Tratamiento de efluentes
• Biosensores de DBO
Gil 2003
Lovley 2006
Lebônêwww.wired.com
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SMFC para estación meteorológica
Tender 2008
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Celdas micorbianas electrolíticas
Son también BES, pero en este caso consumen energía eléctrica para la producción de bio-hidrógeno o bio-metano en el cátodo
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Celdas microbianaselectrolíticas
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MEC producción de H2
www.sciencedirect.com
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Bioetanol y biodiesel
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Biocombustibles de primera y segunda generación
http://www.sustainablescientists.org/
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Pared celular en plantas
Guptka 2015
http://www2.lbl.gov/Publications/YOS/Feb/
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Fuentes de biomasa lignocelulósica
Tong 2012
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Pretratamientos
Guptka 2015
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Celulasas
Guptka 2015
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• SHF: hidrólisis y fermentación separadas» S. cerevisiae
• SSF: sacarificación y fermentación simultáneas» evita inhibición por sustrato
» reactor único
» misma temperatura para hidrólisis y fermentación
• SSCF: sacarificación y cofermentación simultáneas
» Escherichia coli, Zymomonas mobilis y S. cerevisiae
recombinantes para utilización de pentosas.
» Z. mobilis es capaz de fijar N2
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• Fermentación de hexosas y pentosas
• Alto rendimiento
• Producción a elevadas temperaturas
Saccharomyces cerevisiae, más utilizado, solo hexosasCultivos mixtosMO genéticamente modificados
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Producción convencional de Biodiesel
Fjerbaek 2008
Ácidos grasos/ triglicéridos Ésteres alquílicos de ácidos grasos
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Transesterificación
Andreani 2012
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Proceso enzimáticoLipasas
lower energy requirement; pure quality of biodiesel and glycerol; high product yield; easy recovery of products; and no wastewater generation.The
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Catalizadores para producción de biodiesel
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Microorganismosen el mejoramiento y crecimiento
vegetal
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Fijación de N2
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Ciclo del nitrógeno
Bothe 2007
60% del ingreso de N
2
al ciclo
Diazótrofos
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Fijación de N2
Vida libreAeróbicos, microaeróbicos
AnaeróbicosQuimiótrofos o fotótrofos
Asociados a raíz
Diazótrofos(bacterias o arqueas)
SimbióticosMicro-aeróbicos
Estructuras especializadasFijan N2 para su hospedador
Nitrogenasa
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Diazótrofos de vida libre
Azotobacter vinelandii
naukas.com
Anabaena Aerobios fotótrofos
Anaerobios estrictos
AerobiosRhodospirillum rubrum
www.micrographia.com
Anaerobios fotótrofos
Methanosarcina barkeri
jb.asm.org
Desulfovibrio vulgaris
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Diazótrofos de vida libre
Anaerobios facultativos
Solo fijan N2 en condiciones anaeróbicas
Klebsiella pneumoniae
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Diazótrofos simbiontes
Rhizobium- leguminosa
Frankia- aliso
http://alpandino.org/
Liquen
Azospirillum, Azotoarcus, Azotobacter, Herbaspirillum- gramíneas
http://www.miliarium.com/
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Nitrogenasa
pubs.rsc.org
Mo/Fe/V
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Nitrogenasa
Bothe 2007
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Nitrogenasa
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Otras reacciones catalizadas por el complejo nitrogenasa
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Nitrogenasa insensible a oxígeno
Gallon 2001
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Simbiosis Rhizobium-leguminosasNodulación
overton.tamu.edu
Se produce la fijación de N2 que permite a la planta crecer en suelos pobres y a la bacteria desarrollarse en un ambiente controlado.
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Leghemoglobina
http://www.calvin.edu/
Controla la concentración de O
2 en el nódulo
Es sintetizada solo durante la interacción rizobio-planta
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Especificidad
La bacteria reconoce los flavonoides excretados por la planta y secreta una molécula señal NOD que es reconocida por el hospedador
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Especificidad
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Etapas de la nodulación
• Reconocimiento del socio adecuado y adhesión de la bacteria al pelo radicular
• Excreción de factores nod
• Invasión del pelo y formación del tubo de infección
• Desplazamiento hacia la raíz principal
• Aparición de bacteroides y fijación de N2
• División de células vegetales y bacterianas para formar un nódulo maduro
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Rhizosfera
http://www.nature.com/
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Etapas de la nodulación
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Etapas de la nodulación
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Adhesión
www.pnas.org
En el primer paso de adherencia están involucradas ricadesina y lectinas de la bacteria y los complejos de calcio de la superficie del pelo radicular
Tubo de infección (celulosa)
trébol blanco/ R. leguminosarum bv trifolii
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Diferenciación
Las células bacterianas se diferencian a bacteroides
http://blog.lib.umn.edu/
Simbiosoma
Bacteroide
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Tipo de nódulo
Leguminosas tropicales(alantoína)
Leguminosas templadas(asparragina)
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Genes de nodulaciónRegulador de la transcripción
El reconocimiento del flavonoide inductor produce la unión de NodD al sitio promotor (nod box)
En Rhizobium leguminosarum biovar viciae los genes nod están en un plásmido (Sym)
Síntesis del núcleo de lipo-quitina
Modificación del factor NOD
Rango de hospedador
Transportadores de membrana para factor Nod
Glucosamina sintetasafactor Nod
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Fijación de N2 en el nódulo
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Inoculantes
INOCULANTE PARA SOJABradyhizobium sp.
Un inoculante es un concentrado de bacterias específicas, que aplicado convenientemente a la semilla poco antes de su siembra, mejora el desarrollo del cultivo. Su empleo es una práctica agronómica reconocida en el mundo por sus beneficios productivos y económicos (principalmente en gramíneas y leguminosas)
Azospirillum brasilense
inoculante para trigo
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Inoculantes y biofertilizantes
Solubilización de fósforo
Producción de ácidos orgánicos (cítrico, oxálico, glucónico) que actúan sobre el pH del suelo, favoreciendo la solubilización del fósforo inorgánico y liberando fosfatos a la solución del suelo. Producción de enzimas fosfatasas (que actúan sobre las uniones ésteres) liberando los grupos fosfatos de la materia orgánica a la solución del suelo.
![Page 85: CARRERA DE ESPECIALIZACION EN BIOTECNOLOGIA …biotecnologiaindustrial.fcen.uba.ar/wp-content/uploads/2011/02/... escenario global aumento demanda energÉtica agotamiento de los combustibles](https://reader030.fdocuments.ec/reader030/viewer/2022020305/5c54aa1d93f3c317c50f3456/html5/thumbnails/85.jpg)
Producción de sustancias estimuladoras del crecimiento por Pseudomonas, Inducción de la iniciación radicular Incrementar la formación de raíces y pelos radiculares (trigo).
Hormonas, como auxinas, giberelinas y citoquininas, y también producen sustancias de otro tipo, como aminoácidos y promotores específicos de crecimiento.Antibióticos y sideróforos que impiden el desarrollo de patógenos fúngicos, previniendo infecciones en las plantas de trigo inoculadas.
Inoculantes y biofertilizantes
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MO promotores del crecimento vegetal
Mecanismos de
acción
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