Compost- Microbiologia Ambiental

RESMENES DE LOS SEMINARIOS

Microbiologa Ambiental

GRUPO 26

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COMPOSTAJE. I) AEROBIO. II) BIOMETANIZACIN (COMPOSTAJE ANAEROBIO)

Autores: Andrea de Assas Gaupp, Dina Dandachli, Gema de la Rosa Paredes, Mara Flores Galindo, Mara Garca-Matamoros, Marta Rapn Allu, Laura Santidrin del lamo, Aurora Tradacete Garca, Jorge Vzquez Romero, Juan Jos Verdejo Barn

Hoy en da cada vez resulta ms fcil el tratamiento y recogida de los residuos urbanos, por ejemplo en plantas como la de Valdemingomez, donde se lleva a cabo esta labor mediante cuatro procesos: incineracin, reciclado, vertido controlado y compostaje, Qu es el compostaje? Es un proceso controlado y acelerado de descomposicin de las partes orgnicas de los residuos y que puede ser tanto aerobio como anaerobio, dando lugar un producto estable llamado compost. El compost se compone de restos orgnicos, microorganismos, oxgeno y agua. Son muchos y factores que proceso compostaje, influenciados por ambientales, tipo y el tipo de compostaje factores ms muy complejos los intervienen en el biolgico del estando a su vez las condiciones de residuo a tratar tcnica de empleada. Los importantes son:

Temperatura Humedad PH Oxgeno Relacin C/N equilibrada Poblacin microbiana.

El proceso de compostaje se divide en cuatro periodos con respecto a la evaluacin de la temperatura: Mesoflico: la masa vegetal est a temperatura ambiente y los microorganismos mesfilos se multiplican rpidamente, por lo que subir la temperatura. Termoflico: cuando se alcanzan los 40 los microorganismos termfilos trasforman el nitrgeno en amoniaco; A los 60 desaparecen. De enfriamiento: cuando la temperatura es menor de 60, reaparecen los hongos termfilos y al bajar de 40 los mesfilos tambin reinician su actividad. De maduracin : periodo que requiere meses a temperatura ambiente, durante los cuales se producen la condensacin y polimerizacin del humus.

El compostaje, segn el proceso biolgico aerbico, se desarrolla mediante la actuacin de los microorganismos sobre la materia rpidamente biodegradable, es decir, restos de cosecha, excrementos de animales y residuos Urbanos, permitiendo as obtener compost, que es un abono excelente para la Agricultura, ya que el compost o mantillo se puede definir como el resultado de un proceso de humificacin de la materia orgnica, bajo condiciones controladas y en

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ausencia de suelo. El compost es un nutriente para el suelo que mejora la estructura y ayuda a reducir la erosin y tambin a la absorcin de agua y nutrientes por parte de las plantas.

BIOMETANIZACIN Tratamiento anaerobio de los residuos de envases que produce metano y residuos orgnicos estabilizados. Este proceso adems de en residuos slidos urbanos (RSU) se aplica sobre lodos de depuradoras. La digestin anaerobia es un proceso al que se someten los RSU para obtener de ellos biogs y compost. Esta degradacin implica la actuacin en serie de unas determinadas familias de bacterias: Fase hidroltica: fase principal ya que es imprescindible que la materia orgnica se encuentre disuelta para que las bacterias seguidamente puedan actuar. Fase acetognica: las molculas se convierten en cidos simples (el ms importante es el actico) Fase metanognica: es la nica fase estrictamente anaerobia en la que la bacterias convierten el cido actico en metano y CO2

Productos del compostaje: Como resultado de ambas digestiones (aerbica y anaerbica) se obtienen compost y biogs. La frmula general podra ser la siguiente: Materia Orgnica + Microorganismos Biomasa ( materia orgnica convertida) CO2 + CH4 + Microorganismos + NH4 + P +

El compostaje aerobio produce un compost de mayor calidad y su puesta en marcha es sencilla; sin embargo requiere un gasto energtico para aportar oxgeno, reduce menos el volumen de la materia orgnica, requiere grandes superficies, tiene un lmite en la carga que puede tratar y expulsa gases contaminantes a la atmsfera. El compostaje anaerobio produce energa en forma de biogs, reduce en gran medida el volumen de la materia orgnica, permite altas velocidades de carga, requiere poco espacio, pocos equipos mecnicos y no emite gases contaminantes, olores o grmenes; sin embargo produce un compost de menor calidad, su arrancado es lento y difcil y las bacterias anaerobias son sensibles a gran cantidad de sustancias txicas. El biogs por su parte, est compuesto principalmente por CH4, CO2, N2, O2, H2, CO, NH3, y SH2. El proceso de obtencin del biogs es una suma compleja de reacciones qumicas provocadas por el cultivo de una serie de bacterias, y se podra dividir en cuatro fases en las cuales influirn tanto la temperatura como la humedad. La principal ventaja es su uso como combustible, y por tanto, la obtencin de energa trmica.

Propiedades del compostaje: El uso ms importante del compost es como fertilizante. Es un buen abono orgnico, es decir, permite la regeneracin de suelos: Los cidos resultantes hace que se disuelva una parte de los productos minerales del suelo y sean aprovechables para las plantas. Adems aporta otros elementos

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como nitrgeno, fsforo, magnesio, hierro ... Otro de los usos es proporcionar estructura al suelo: mejora las condiciones fsicas, qumicas y biolgicas, aumenta la retencin del agua, mayor aireacin de las races, y mayor aportacin de organismos al suelo. Adems acta como soporte y alimento de los microorganismos que viven a expensas del humus; La poblacin microbiana, indicadora de la fertilidad del suelo, se ve, por tanto, favorecida.

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ETAPAS Y PROCESOS DE UNA EDAR URBANA. PROCESOS DE FANGOS ACTIVOS

Autores: Laura Gonzlez Ibez, Ana Loranca Gmez, Ana Muoz Galn, Miguel A. Nieva Fdez. de Mera, Gorka de la Nuez Aurrecoechea, Sara Quintana Freire, Cristina San Miguel Avedillo, Sara Sepulcro Montoro y Vernica Viejo San Segundo.

Una EDAR es una estacin depuradora de aguas residuales que recoge el agua residual de una poblacin o de una industria y, despus de una serie de tratamientos y procesos, la devuelve a un cauce receptor (ro, embalse, mar...).

LNEA DE AGUA Pretratamiento Consiste en la eliminacin de todos aquellos cuerpos de gran tamao y alta densidad contenidos en el agua residual. Para ello se realizan los siguientes procesos 1- Desbaste o retencin: el agua atraviesa unas rejas de diferentes tamao de malla para retener los materiales ms voluminosos. 2- Desarenado: sistema de circulacin del agua por cmaras a una velocidad controlada para provocar la sedimentacin de arenas y gravas en el fondo del depsito denominado desarenador. Posteriormente se eliminarn. 3Desengrasado: consiste en la eliminacin de grasas, aceites y otros materiales flotantes como pelos o fibras. Se lleva a cabo por los mismos procesos que el desarenado.

Tratamiento primario Eliminacin de la materia en suspensin sedimentable que no ha sido retenida en el pretratamiento, usando tratamientos fsicos y fsico-qumicos. En primer lugar, se produce la decantacin en los denominados decantadores primarios con mecanismos de arrastre y extraccin de grasas y fangos. Las partculas se depositan en el fango y con ellas se ven arrastradas bacterias. En segundo lugar, se complementar con procesos de floculacin que consiste en la unin o aglutinacin de las partculas suspendidas en un lquido para formar flculos. Puede favorecerse con la unin de agentes qumicos (coagulantes) por lo que se hablar de coagulacin. Finalmente, se procede a la neutralizacin o ajuste de pH.

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Tratamiento secundario El tratamiento secundario o biolgico se encarga de reducir, a travs de una serie de procesos, la carga orgnica, presente en las aguas residuales, que el tratamiento primario no ha sido capaz de eliminar. Los procesos biolgicos empleados son: 1- Procesos anxicos: en l intervienen una serie de reacciones de digestin y fermentacin que llevan a cabo diferentes especies bacterianas. Este tipo de descomposicin se emplea en el tratamiento de materia orgnica insoluble. Los principales productos de este tratamiento son metano y CO. 2- Procesos aerbicos: se trata de la descomposicin, realizada por bacterias aerbicas, de la materia orgnica hasta formas estables. Existen otros procesos biolgicos aerobios, como el filtro de goteo, el fango activado y el estanque de estabilizacin o laguna. Tratamiento terciario El tratamiento terciario de aguas residuales consiste en eliminar compuestos orgnicos e inorgnicos disueltos. Procesos: 1- Electrodilisis: Consiste en aplicar una corriente directa a travs de un cuerpo de agua separada por membranas altamente permeables a cationes y aniones. Los iones pequeos pasan a travs de las membranas y los grandes migran a las superficies de las membranas. 2- smosis inversa: Consiste en forzar agua pura a travs de una membrana semipermeable que permite el paso de agua pero no de otro material. Se usa para desionizar el agua del mar. 3- Intercambio inico: Los intercambiadores reemplazan los cationes y aniones por H+ y OH- respectivamente. Cada equivalente de sal es reemplazado por un mol de agua.

Desinfeccin Se produce para eliminar la mayor cantidad posible de virus y bacterias presentes en las aguas residuales, y para la eliminacin de olores y sabores. Existen tres principales mtodos: la cloracin, la ozonizacin y el uso de la radiacin ultravioleta. Las tres consiguen llegar a un nivel ptimo de calidad del agua.

LNEA DE FANGOS Procesos: 1- Espesado: una vez separados los fangos del agua residual, se espesan para conducirlos a vertedero o a digestin. 2- Digestin de fangos: tiene dos fases: aerobia y anaerobia. 3- Deshidratacin: es la eliminacin completa del agua de los lodos. LNEA DE GAS Produccin de metano y es consecuencia directa de la respiracin anaerobia. La metanognesis se utiliza como primera fase en el tratamiento de aguas residuales con alto contenido en materia orgnica biodegradable. El objetivo primordial es la reduccin de contenido en slidos y materia orgnica del agua residual en

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ausencia de oxgeno. La depuracin la realizan bacterias anaerobias, que retienen la mayor parte de los slidos en suspensin que se depositan en el fondo. El proceso tiene lugar en varias etapas: 1- Hidrlisis 2- Formacin de cidos 3- Formacin de metano

26-3 TECNOLOGAS AEROBIAS BLANDAS O DE BAJO COSTE EMPLEADAS PARA LA DEPURACIN DE AGUAS RESIDUALES.Autores: Guillermo Alonso Navajo, Luca Caas Muoz , Jos Antonio Ferreiro Cortias, Ruth Fuertes Ramos, Sara Garca Gil, Vctor Garca Herranz, Alfonso Gozalo Aragn, Laura Molinero Merino, Francisco Ropero Pires

MICROORGANISMOS DEPURADORES El tratamiento biolgico de las aguas residuales trata de estabilizar la materia orgnica. Los microorganismos degradan muchos compuestos que no son metabolizados por organismos superiores empleando complejos procesos basados en su nutricin. En funcin del uso del oxgeno molecular los organismos se dividen en aerobios, anaerobios y facultativos, siendo los sistemas aerobios los que ms energa liberan. Los microorganismos que intervienen en la depuracin de aguas los podemos clasificar en 3 grupos: animales, vegetal y protistas. Bacterias: Forman el nivel trfico bsico en todo sistema de tratamiento biolgico. Su principal ventaja competitiva reside en su extraordinaria capacidad metablica. Su pequeo tamao y la proporcin entre el rea que ocupan y el volumen es lo que las hace tan eficaces en trminos de nutrientes y el intercambio catablico con el medio en el que estn. Su rpida reproduccin es tambin una importante ventajas distinguindose varias fases en su crecimiento. El gnero dominante en el tratamiento de agua residual son las aerobias hetertrofas Gram negativas con forma alargada y flagelacin polar. Algas: La presencia de fitoplancton es importante en la depuracin de aguas ya que al realizar la fotosntesis liberan oxgeno utilizado por bacterias aerobias y hetertrofas. Zooplancton: Conjunto de organismos animales que viven en el seno de las aguas. Entre ellos se encuentran: protozoos, rotferos y crustceos. Todos ellos son indicadores del estado del agua en cuanto a cantidad de materia orgnica y contenido de oxgeno. Hongos: Su capacidad de vivir en ambientes con pH bajo los convierte en importantes agentes en el tratamiento de aguas residuales industriales.

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Entre los microorganismos que habitan en un mismo medio se establecen distintos tipos de relaciones interespecficas. Las condiciones fsicas, qumicas, biolgicas y nutricionales afectan al crecimiento de los microorganismos presentes en el medio, destacando la temperatura, el pH y el O2. FILTRO VERDE Se denomina filtro verde a una tecnologa de bajo coste y explotacin que se basa en que el suelo es un soporte de sales, aire, agua, microorganismos y de las races de las plantas, cuya accin conjunta provoca de manera natural la depuracin de los efluentes contaminados a travs de acciones fsicas, qumicas y biolgicas. En l ocurren una serie de fenmenos que se superponen a lo largo del ao y el agua depurada no es reutilizable inmediatamente. En conclusin, es una tecnologa de alto rendimiento en la eliminacin de materia orgnica y bacteriolgica, que no necesita personal especializado ni equipos mecnicos para su control, no produce lodos, los costes de instalacin se pueden sufragar con la venta de los productos obtenidos en la actividad asociada a l, posee un reducido impacto ambiental y una operacin, mantenimiento y construccin sencillos. BIODISCOS Se trata de una tecnologa de biopelcula fijada consistente en una serie de discos que giran en torno a un eje horizontal que se sita dentro de un recipiente lleno de agua, de forma que al girar, quedan expuestos sucesivamente al aire y al agua residual. El grosor de la biopelcula est determinado por la difusin de nutrientes a travs de la membrana, y alcanzando una determinado grosor las bacterias se autoalisan y la biopelcula se desprende pudiendo ser retirada en una fase posterior de aclarado por sedimentacin. Al final del proceso se consigue disminuir entre un 80-90 % de la DBO. La eficiencia de los CBR se ve reducida por la falta de oxgeno, un bajo pH, una baja temperatura, las lluvias y la presencia de sustancias txicas o un exceso de SH2. LAGUNAJE O LAGUNAS DE ESTABILIZACIN Mtodo de depuracin de aguas residuales consistente en almacenar el agua durante un tiempo variable para que sea tratada biolgicamente por los mismos microorganismos presentes en el medio acutico, mediante reacciones fsicas, qumicas y biolgicas. Las lagunas se clasifican en anaerobias o estanques profundos, facultativas y aerobias de maduracin, las cuales constituyen un tratamiento terciario en el proceso de depuracin. De estas ltimas destacamos: toda la masa de agua est en condiciones aerobias, debido a la fotosntesis que realizan las algas y a la aireacin. Su funcin fundamental es reducir la DBO5 a los niveles mnimos y eliminar bacterias patgenas gracias a la radiacin ultravioleta solar. Otros objetivos son la nitrificacin, cierta eliminacin de nutrientes y la clarificacin y oxigenacin del efluente. Tambin puede ser un sustituto de la cloracin. El tiempo de retencin est condicionado por el grado de depuracin bacteriana que se quiere alcanzar.

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Ventajas del lagunaje. Altos rendimientos en la disminucin de DBO5, slidos en suspensin, nutrientes y patgenos. Permite regular y almacenar agua sanitaria y apta para el riego. Inconvenientes del lagunaje. Superficies de aplicacin relativamente extensas. Elevadas prdidas de agua por aireacin. Difcil adaptacin a los climas fros.

LECHOS DE TURBA Este mtodo se basa en la absorcin y adsorcin de la turba y en la actividad bacteriana que se desarrolla en su superficie. El proceso completo se compone de un pretratamiento, un tratamiento primario, un tratamiento secundario y opcionalmente uno terciario. Sus ventajas son que no produce olores ni ruidos, no afecta a la esttica del paisaje, no presenta problemas al ser aplicado a climas fros, tiene alta descontaminacin bacteriana y su bajo coste de construccin y de mantenimiento lo convierten en un mtodo muy econmico. LECHOS BACTERIANOS Es un sistema de depuracin biolgica aerobia, basada en la biodegradacin de los compuestos orgnicos contaminantes a otros ms simples por accin de las bacterias, normalmente hetertrofas. En este proceso se genera una biopelcula compuesta por el agua a depurar, los microorganismos y nutrientes, que se desarrollar cuando se ponga el material de soporte en contacto con el agua residual, que se separar por decantacin.

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ELIMINACIN DE NITRGENO EN AGUAS RESIDUALES

Autores: Olga Garca Sanz, Alba Martn, Beln Rodrguez Prez, Laura Gallego, Isabel Casares Torres, Carlos Calvo, Ins Nez Barbero, Cristina Clemente, Paloma Fernndez, Maria Luisa Lpez

Parte importante de la depuracin de aguas residuales es la eliminacin del nitrgeno, que tiene importantes consecuencias ambientales como es la eutrofizacin. Esta se lleva a cabo mediante una autodepuracin en la que intervienen bacterias, que se encargan de convertir los distintos compuestos nitrogenados en nitrgeno atmosfrico. Existen distintos procesos que parten fundamentalmente del amonio (NH4 ), por ser la forma ms comn en la que aparece el nitrgeno en disolucin a pH neutro, para llegar a nitrgeno atmosfrico (N2).Estos son nitrificacin-desnitrificacin y proceso ANAMMOX. NITRIFICACIN-DESNITRIFICACIN Nitrificacin Es la oxidacin de amonio a nitrato con consumo de oxgeno. Lo realizan bacterias nitrificantes aerobias estrictas auttrofas y quimioauttrofas. Dentro de las auttrofas destaca el gnero nitrosomonas que se encargan del proceso de la nitritacin: NH4+ + 3/2 O2 ---------------NO2- + 2H+ + H2O Posteriormente el gnero nitrobacter realiza la nitratacin: NO2- + O2 -------------------------NO3Las bacterias quimioauttrofas utilizan el proceso de nitrificacin para obtener enrga para reducir el dixido de carbono para crear materia orgnica. La reaccin es: 20 CO2 + 14 NH4+ ------- 4 C5H7NO2 + 10 NO3- + 24 H+ + 2 H2O Algunas bacterias hetertrofas tambin pueden realizar la nitrificacin, pero al ser muy pocas no las incluiremos. Desnitrificacin Es el proceso por el cual los nitratos y nitritos obtenidos en el proceso anterior se reducen a nitrgeno atmosfrico u xido nitroso, siendo este ltimo muy contaminante. Lo realizan principalmente bacterias hetertrofas anaerobias facultativas o aerotoloerantes, tanto Gram + como Gram -. La secuencia seguida es: NO3 Proceso Este modo de eliminacin de nitrgeno se basa en alternar nitrificacin con desnitrificacin. NO2 NO N2O N2

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Comienza con nitrificacin, con aireacin en el reactor. Esto provoca un aumento de potencial redox, y cuando disminuyen la concentracin de amonio y la velocidad de nitrificacin se detiene la aireacin. Las bacterias consumen el oxgeno disponible. Comienza, entonces, la desnitrificacin. En este proceso las bacterias hacen disminuir el potencial redox. Cuando se alcanza el punto de concentracin de nitratos cero, se conserva entre 10 y 30 minutos en condiciones anaerobias, para que se d la desfosfatacin, ya que este mtodo esta muy relacionado con la eliminacin del fosfato. Posteriormente se vuelve a airear y comienza de nuevo la nitrificacin.

PROCESO ANAMMOX Es un proceso alternativo al anterior, este consiste en la eliminacin del nitrgeno amoniacal, sin consumo de oxgeno, es un proceso litoautrfico, sin necesidad de fuentes de carbono: NH4+ + NO2N2 + H2O

Se puede usar unido a la desnitrificacin y se podra eliminar nitrgeno y materia orgnica en un mismo reactor. Este proceso comenzara con una oxidacin parcial controlada de amonio a NO2 , para la que s que se necesita oxgeno. De tal modo que la desnitrificacin eliminara el xido y el proceso Anammox eliminara amonio y parte del xido. Las reacciones simplificadas de los procesos que tendran lugar en el reactor son:

foe: fuente orgnica de electrones Desnitrificacin ANAMMOX Con este mtodo se reduce en un 25% el consumo de oxgeno y en un 40% la demanda de carbono para la desnitrificacin. Actualmente est en fase de puesta a punto.

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26-5 ELIMINACIN BIOLGICA DEL AZUFRE EN AGUAS RESIDUALES Y EFLUENTES GASESOS Y ELIMINACIN BIOLGICA DEL FSFOROAutores: Clara Arancn, Marta Casado, Lara Fernndez, Eva Garca, Marina Garca, Alba Gonzlez, Elisa Guerrero, Alberto Morn, MPaz de San Miguel

El azufre y el fsforo son nutrientes esenciales para la vida; interviniendo sobre todo en la formacin y estabilizacin de protenas (enlaces disulfito) y cidos nucleicos, respectivamente. AZUFRE En la biosfera, el azufre es imprescindible para la sntesis de ciertas molculas orgnicas, y solo algunas plantas, bacterias y hongos son capaces de incorporarlo directamente como sulfato y transformarlo a radical sulfhdrico(-HS), es decir azufre orgnico. El azufre es un elemento que se puede considerar txico si se encuentra en grandes proporciones a nivel atmosfrico o de las aguas.Son tantos los procesos biolgicos como fsico-qumicos que pretenden eliminar el azufre de la atmsfera.Los tratamientos biolgicos del sulfuro de hidrgeno se realizan en reactores tipo biofiltro percolador.La oxidacin depende de la poblacin microbiana y de la concentracin de oxgeno, y tiene lugar segn la reaccin: H2S +2O2-------SO42- + 2H+ El azufre puede llegar a la atmsfera por causas naturales(volcanes)o causas antropognicas (quema de combustibles fsiles,centrales trmicas),generando problemas como la lluvia cida ,el smog sulfuroso, por lo que deducimos que los cambios sobre el ciclo biogeoqumico del azufre provocan grandes consecuencias globales. Por eso es importante comprender el ciclo del azufre y el papel tan importante que juegan las bacterias en l. Las bacterias desempean las principales funciones tanto en los procesoso oxidativos como en los reductores del ciclo. Las bacterias oxidadoras del sulfuro y del azufre, que a menudo son quimiolitotrfas producen sulfato y las bacterias reductoras utilizan el sulfato como aceptor de electrones en la respiracin anaerbica, produciendo sulfuro de hidrgeno.Dado que el sulfuro es txico y reacciona tambien con varios metales, la reduccin de sulfato es un importante proceso biogeoqumico.El dimetil-sulfuro es el principal compuesto de azufre con significado ecolgico. La produccin de protones implica un descenso del pH que favorece que los organismos encargados de la oxidacin del H2S(habitualmente del gnero Thiobacillus)carezcan de competencia y puedan colonizar el medio. Para asegurar una velocidad ptima de degradacin debe adicionarse un agente basificante que mantenga el pH entre 1 y 3. Estos tratamientos biolgicos resultan econmicos, pero son menos eficaces que los fsico-qumicos.

Mediante el proceso de la reduccin desasimilatoria de sulfato, el sulfato(SO42-)es reducido a sulfuro de hidrgeno(H2S) en ausencia de oxigeno, actuando el sulfato como aceptor de electrones.Para retirar el azufre de las aguas, primero es necesario un tratamiento primario,mediante el cual retiramos todas las sustancias sedimentables. Luego se procede a la eliminacin biolgica del azufre.En ausencia de oxgeno,la

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bacteria Desulfovibrio, gnero que posee flagelacin polar,sin esporas y es gram negativo,realiza la reduccin desasimilatoria de sulfatos:consiste en pasar el sulfato a sulfuro.A partir de aqu, hay 2 rutas posibles segn el agua presente o carezca de oxgeno.Si lo hacemos en un ambiente xico, actuarn las quimiolitrtofas las cuales pasan los sulfuros a azufre elemental(S0),que depositarn como grnulos en el interior o exterior de sus clulas.Si lo hacemos en un ambiente anxico, actuarn las bacterias fototrficas anoxignicas y algunas cianobacterias, que tambien lo transformaran en azufre elemental.Cuando estas bacterias estn cargadas de azufre morirn y tendremos que retirarlas del fondo para dar paso a otra nuevas . FSFORO La proporcin de fsforo en la materia viva es relativamente pequea, sin embargo el papel que desempea es vital. Su principal reserva se encuentra en la corteza terrestre y en las rocas marinas. En las rocas fosfatadas terrestres, por disolucin, el fsforo se libera en forma de fosfatos al suelo, donde es asimilado por las plantas y pasa a partir de stas a los siguientes niveles trficos. Parte del fsforo, por escorrenta, va a parar a los ocanos acumulndose en forma de rocas fosfatadas o siendo asimilado por el fitoplacton. Su retorno al medio terrestre se produce en pequeas cantidades y de forma muy lenta(guano y procesos biolgicos). Cabe destacar que el ciclo del fsforo no interviene en la atmsfera. Por otro lado, este fsforo tambin puede ir a parar a ros y lagos, donde unido a los aportes procedentes de vertidos urbanos (detergentes) y agrcolas(abonos), junto con los nitratos, produce la eutrofizacin: una proliferacin excesiva de algas y otros organismos cuya descomposicin consume gran parte del O2 y produce gases txicos que conducen a la muerte de la flora y fauna de ese ecosistema. Por lo tanto, la solucin ms eficaz apara evitar este problema ambiental es la depuracin de las aguas. Uno de los mtodos ms utilizados actualmente y que posee numerosas ventajas (econmicas, ambientales...etc.) frente a los procesos qumicos, es la eliminacin biolgica del fsforo. Para ello se utiliza microorganismos acumuladores de este elemento. El ms comn es Acinetobacter , un cocobacilo gram-negativo con metabolismo aerobio no fermentativo, oxidasa negativa y catalasa positiva que vive en un rango de temperaturas de entre 5 a 50 C . Adems, su rpido crecimiento y ubicuidad hace que sea la bacteria elegida para este proceso. ste, se basa en la alternancia de una fase anaerobia y otra aerobia. En la primera, Acinetobacter, al estar sometida a condiciones de estrs, hidroliza polifosfatos acumulados y libera fosfatos al agua, tomando materia orgnica del medio con la energa obtenida. En la fase aerobia, Acinetobacter oxida la materia orgnica generando una energa que usa para acumular fosfastos del medio en su interior y forman grnulos de polifosfatos. La clave del proceso reside en que la cantidad de fsforo absorbido en la fase aerobia es superior a la que se desprende en la fase anaerobia, eliminndose as un alto porcentaje de fsforo de las aguas contaminadas. Las bacterias, que quedan como sacos de fsforo, se acumulan en los fangos que se eliminan por decantacin. La parte del fsforo que no ha podido ser eliminada mediante el procedimiento biolgico, es sometida a procesos de tipo qumico. En ellos se precipita el fsforo mediante la adicin de sales (frricas, alumnicas...) y cal. Actualmente tambin se desarrollan procesos que aunan el procedimiento biolgico y el qumico llamados procesos mixtos, como el PHOSTRIP.

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DEPURACION ANAEROBIA DE AGUAS RESIDUALES. PRINCIPIOS Y REACTORES

Autores: Ricardo Arpa, Elena Candelas, Irene Garca, Vernica Garca, Azucena Garca, Alfredo Garca, Luis Francisco Fernndez, Elena Hernndez.

La depuracin anaerobia de aguas residuales es una combinacin de varios procesos, de los cuales destacan la digestin anaerobia, que es una fermentacin de la materia orgnica llevada a cabo por microorganismos en ausencia de oxigeno. Los subproductos de esta fermentacin son una mezcla de gases (principalmente CO2 y CH4 ) que constituyen el biogs, y tambin se produce biomasa que es retenida, consiguindose as la depuracin. La depuracin anaerobia utiliza como aceptores de electrones compuestos orgnicos como nitratos, sulfatos, etc. Dentro de este proceso podemos destacar: desnitrificacin: proceso llevado a cabo por bacterias desnitrificantes en ausencia de oxigeno, formndose CO2, H2, O2 y N2. NO3 NO2 NxOy N2

carbohidratos: oxidacin en CO2 y cidos orgnicos y reduccin en aldehdos, cetonas y alcoholes. Reduccin de sulfatos: proceso realizado por bacterias sulforreductoras. SO42 SO32 SxOy S H2

La conversin biolgica de la depuracin anaerobia tiene tres etapas fundamentales: Hidrlisis: transformacin de molculas de elevado peso molecular en compuestos orgnicos de cadena molecular ms corta, que pueden servir como fuente de carbono y de energa. Acidognesis: conversin por parte de bacterias de los compuestos que proviene de la hidrlisis, en compuestos de menor peso molecular como el cido actico o el hidrgeno. Metanognesis: proceso llevado a cabo por bacterias metanognicas, que son anaerobias estrictas, en el cual los productos resultantes de la acidognesis son transformados en CO2 y CH4. Las bacterias metanognicas tienen un crecimiento lento, lo que supone un factor limitante para este proceso.

Condiciones ambientales: Nutrientes: necesarios para el crecimiento y actividad de las bacterias: Carbono, Nitrgeno, Fsforo, Azufre y algunas sales minerales. Temperatura: el rango optimo es 35C (mesoflico) y 50-60C (termoflico) PH: el valor optimo esta entre 6,6-7,6 Ausencia de Oxigeno Ausencia de txicos como amoniaco, detergentes, metales pesados, pesticidas, etc. Potencial red-ox muy negativo

Energtica: las bacterias necesitan energa para realizar estos procesos. Esa energa la obtienen del sustrato.

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Cintica: la velocidad de crecimiento de los microorganismos que intervienen en la depuracin anaerobia es muy lenta. Ventajas del proceso: El producto final es la formacin de biogs, que tiene un alto valor energtico. Como es un proceso realizado a altas temperaturas, se pueden eliminar ms cantidad de patgenos que en otros procesos. El residuo final tiene un alto contenido en nutrientes que se pueden utilizar como fertilizantes o para fabricar compostaje.

Desventajas del proceso: Largo periodo de arranque y estabilizacin del proceso El lento crecimiento de las bacterias hace que sea un proceso lento.

REACTORES/DIGESTORES Definicin: sistema aislado de forma variada estabilizado a una temperatura determinada para que, un conjunto de microorganismos degrade la materia orgnica y poder recoger el biogs producido. Cultivos en suspensin: la biomasa est flotando. Los reactores ms usados son: - Proceso anaerobio de contacto: similar al proceso aerobio de lodos activados, puede tratar aguas poco concentradas en materia orgnica y recoger bastante biogs. El residuo se mezcla con un fango recirculante y se digiere en el reactor. Tras el proceso, el fango se retira para su uso con el siguiente residuo. - Proceso UASB: reactor anaerobio muy usado, indicado para tratar aguas residuales con hidratos de carbono diluidos obteniendo elevada concentracin de lodos y porque es capaz de soportar elevadas cargas volumtricas. El residuo entra por la parte inferior del reactor y fluye hacia arriba atravesando un manto de flujo formado por partculas. El biogs asciende y produce una recirculacin antes de ser capturado. Despus, el liquido se extrae y se separan los slidos por sedimentacin. Cultivos fijos: las bacterias estn fijas. Los digestores ms representativos son: - Filtros anaerobios: el flujo del agua se hace pasar por el reactor en sentido ascendente o descendente y los microorganismos se encuentran, bien sobre una superficie inerte formando un gran filtro o bien sobre pequeas partculas que flotaran en el residuo. - Sistema de lecho mvil: las bacterias se encuentran unidas a un material inerte y el flujo del residuo entra de forma ascendente, a una velocidad que modifica la superficie en contacto y el volumen. Si el reactor es de lecho fluidizado, el material ser pequeas partculas que cambiarn de posicin con el tiempo y as aumentar el volumen. Si es de lecho expandido, el material no cambiar su posicin, pero la

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velocidad causar un aumento menos importante del volumen. En ambos, la recirculacin juega un papel importante.

26 -8 MICROBIOLOGA DE LA DIGESTIN ANAEROBIA. VENTAJAS Y DESVENTAJAS FRENTE A LOS PROCESOS AEROBIOSAutores: Ana Isabel Garca Sancristobal, Diego Gmez Conde, Luis Gonzlez Muoz, Alejandro Herrero Pizarro, Mara Hortal Robles, Javier Pereira Hernndez, Maria Dolores Sarrablo Castillo

La digestin anaerobia es un proceso biolgico degradativo en el cual, por medio de una compleja serie de reacciones bioqumicas, una gran variedad de microorganismos (en su mayora bacterias) transforman materia orgnica en un efluente lquido estabilizado y un gas, principalmente mezcla de CH4 y CO2, conocido como biogs. Este proceso se da de forma espontnea en la naturaleza, y es condicin indispensable que los microorganismos se encuentren en condiciones anxicas, es decir, un medio sin presencia de oxgeno. El efluente lquido es una mezcla de biomasa y materia slida en suspensin difcil de degradar (la totalidad de los elementos minerales y gran parte del fsforo y del nitrgeno). El biogs puede utilizarse como fuente de energa. La frmula general de la digestin anaerobia es: Materia orgnica + Microorganismos + Biomasa + Microorganismos Biogs + NH3 + P + Elementos minerales

La digestin anaerobia agrupa dos procesos: Fermentacin: degradacin anaerbica de materia orgnica sin variacin del estado neto de oxidacin de los compuestos generados. Respiracin anaerobia: Respiracin en la cual el aceptor final de electrones de no es O2 si no otros compuestos como NO2 -, NO3- , Fe3+, SO22-, CO32-, etc. Etapas de la digestin anaerobia 1. Etapa hidroltica: Se produce la degradacin de molculas orgnicas complejas (protenas, celulosa, lignina, etc.) dando lugar a molculas orgnicas simples y solubles (aminocidos, cidos grasos, azucares, etc.) 2. Etapa homo-acetogenica: A partir de los productos anteriores (tanto mono como pluricarbonados) aparecen productos como acetato y H2. 3. Etapa metanognica: Produccin de metano y dixido de carbono, fundamentalmente a partir de acetato y/o metanol. Dada complejidad de este proceso y la necesidad de un equilibrio tan preciso entre diversas poblaciones de bacterias y productos hasta el punto que el sustrato de una poblacin es el producto otra poblacin, son muchos los compuestos (por ejemplo la necesidad de H2 para la metanognesis) y variables (pH, temperatura, presiones parciales de los gases disueltos, concentracin de compuestos potencialmente txicos, etc.) que intervienen en el proceso. Microbiologa de la digestin anaerobia: Bacteria hidrolticas: o Gram +: gneros Clostridium , Staphylococcus y bacteroides

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Bacterias fermentativas acidognicas: o Gram +: gneros como Lactobacillus, Streptococccus, Staphylococcus. o Gram -: gneros como Escherichia y Salmonella. B. Acetognicas: Sintrofobacterias como Syntrophobacter wolinii.

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B. Metanognicas: Gram + y Gram de diferentes formas. Gneros como Methanobacterium, Methanosarcina y algunos Clostridium.

Ventajas e inconvenientes de la digestin anaerobia frente a la digestin aerobia Ventajas Digestin anaerobia resulta mucho ms econmica, no se requiere consumo de oxgeno. En digestin anaerobia: poco espacio requerido, bajo coste de mantenimiento y aplicable a escala muy variable. Fango resultante ocupa menos volumen y secado ms fcil que aerobia En digestin aerobia el exceso de biomasa debe ser tratado mediante un tratamiento secundario, casi siempre anaerobio. En digestin anaerobia puede recuperarse gran cantidad de energa en forma de biogs En digestin anaerobia se produce baja emisin de aerosoles, grmenes y olores. Digestin anaerobia: DBO es reducido a un 80% y DQO es reducido a un 50%.

Inconvenientes Digestin anaerobia est mucho ms limitada que aerobia. En digestin anaerobia, las bacterias anoxignicas deben controlar el pH de su medio, proceso difcil de realizar por las bacterias, adems de esconderse del oxgeno. En digestin anaerobia precisa de bacterias concretas y coordinadas, en digestin aerobia se utilizan muchas ms bacterias, todas las que el sistema pueda permitir. En digestin anaerobia el arrancado es lento y difcil Menor eficiencia que los sistemas aerobios Alta sensibilidad de arqueas y metanognicas a presencia de compuestos txicos, causando muchos problemas a los digestores.

Aplicaciones ambientales Tratamiento de residuos slidos y lquidos Biodegradacin de hidrocarburos del petrleo. Acuferos Produccin de combustibles Produccin de energa

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26- 9 COMPUESTOS XENOBITICOS Y RECALCITRANTES. GRUPOS. DEGRADACIN Y PERSISTENCIA EN EL MEDIO AMBIENTE. BIOTRANSFORMACIN Y BIODEGRADACIN. SINTROFA Y CO-METABOLISMO Los compuestos xenobiticos son generalmente recalcitrantes. Las razones de su persistencia son : - Qumicas: sustituyentes extraos (Cl o otros halgenos), enlaces inusuales (carbonos cuaternarios), anillos aromticos muy condensados o excesivos tamaos moleculares (plsticos). - Fsicas: insolubilidad. - Celulares: carencia de permeasas especficas, toxicidad, etc. Muchos compuestos xenobiticos habituales en operaciones industriales, actividades urbanas o en explotaciones agrcolas , son persistentes en el medio ambiente y pueden llegar a causar graves problemas de contaminacin. Clasificacin Pesticidas: Insecticidas Organofosfatados Insecticidas De Cloruros Orgnicos Slidos (Ddt) Herbicidas Clorofenollicos Herbicidas Nitrofenlicos Y Nitrocreslicos Detergentes Sintticos Hidrocarburos Aromticos Policclicos Hidrocarburos Alifticos Clorados Difenilos Policlorados (Pcb) Pentaclorofenol Dioxinas Hidrocarburos Aromticos Nitrados: Explosivos Inorgnicos: Metales, No Metales, Aniones Con Oxgeno, Radionucleidos. La eliminacin de toxicidad de compuestos peligrosos orgnicos e inorgnicos es a menudo intervenida de forma natural mediante las reacciones catalizadas por microorganismos. Los mecanismos de eliminacin de toxicidad varan mucho, dependiendo del compuesto, de las especies de microbios que intervienen y de las condiciones presentes del entorno. Muchos compuestos orgnicos e inorgnicos se transforman como donantes de electrones primarios o como aceptores de electrones; son parte de los electrones y energa de metabolismo normales de una clula. Sin embargo, algunos compuestos son transformados mediante cometabolismo o por un cambio en las condiciones ambientales en las que intervienen indirectamente los microorganismos. Estas transformaciones son aparte del metabolismo normal, pero las clulas an deben llevar a cabo la transferencia de electrones y la energa de metabolismo. En ocasiones, las transformaciones conducen a la formacin de compuestos que son ms peligrosos que los progenitores. Por ello, es esencial el total

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conocimiento de la diversidad de contaminantes presentes y del mecanismo de su evolucin en el sistema que se considera. El cometabolismo es la transformacin de un compuesto orgnico por un microorganismo que es incapaz de usar el substrato como fuente de energa o como un elemento nutritivo esencial. Se encarga de controlar la degradacin de compuestos qumicos biolgicamente resistentes, como por ejemplo el tricloroetileno (TCE), contaminante extendido en los ambientes subterrneos. El sintrofismo es la asociacin en la que el crecimiento de un organismo depende de o mejora con los factores de crecimiento, nutrientes o sustratos aportados por otro organismo que vive cerca. A veces, ambos se benefician. Este tipo de mutualismo se denomina tambin alimentacin cruzada o fenmeno del satelitismo. La sintrofa permita a las poblaciones microbianas realizar actividades, como la sntesis de un producto, que no podran llevar a cabo por separado Biodegradacin de contaminantes ambientales problemticos Detergentes sintticos Existen tres tipos bsicos de detergentes sintticos: aninicos, catinicos y no inicos. Los ms importantes son los detergentes no inicos los cuales,tienen una solubilidad que depende de polmeros de xido de etileno unidos a un extremo hidrfobo que disuelve las grasas. Un motivo de preocupacin en los ltimos aos ha sido el descubrimiento de que los detergentes no inicos del tipo alquilato tienden a persistir en aguas naturales. La relativa persistencia de alquilfenoles polietoxilados est relacionada con el grupo hidrfobo alquilo ramificado unido al anillo aromtico. El alto grado de ramificacin de estos grupos alquilcos imparte resistencia a la biodegradacin. Pesticidas El principal problema con respecto a productos qumicos fueron los pesticidas clorados, siendo el de mayor importancia el DDT. Dos caractersticas de los pesticidas clorados que conducen a un gran perjuicio son su resistencia a la biodegradacin y su hidrofobia. La tendencia de los pesticidas clorados a su gran reparto entre el suelo y tejidos grasos fue anteriormente reconocida como uno de los aspectos de su resistencia a la biodegradacin por microorganismos. La estructura qumica de los pesticidas clorados los hace resistentes a reacciones de transformacin biolgica, especialmente en condiciones aerobias (las condiciones anaerobias son ms favorables para biodegradarlos). Los sustituyentes clorados y la gran ramificacin bloquean los lugares de ataque de las enzimas. En la actualidad la deshalogenacin reductora se produce en condiciones anaerobias fuertemente reductoras para todos los compuestos aromticos y alifticos clorados, aunque las condiciones de reduccin fuerte no se producen en todas partes en el medio ambiente. Los pesticidas basados en fsforo son en general muy txicos, pero expuestos al agua se hidrolizan bastante rpidamente de forma qumica o mediante enzimas. Los pesticidas de carbamato se transforman rpidamente en el medio ambiente mediante hidrlisis. Los pesticidas de s-triacina son biodegradables.

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Hidrocarburos Los compuestos orgnicos constituidos exclusivamente de carbono e hidrgeno se denominan hidrocarburos. Son biodegradables de forma aerobia. La tasa de biodegradacin aerobia depende de la complejidad de la molcula. Los hidrocarburos grandes muy ramificados, o que contienen muchos anillos aromtios son difciles de degradar. Uno de los aspectos de su escasa biodegradabilidad es su baja solubilidad en agua, adems, la compleja estructura hace difcil que los organismos encuentren el lugar para realizar el ataque enzimtico inicial. El paso inicial en la degradacin de hidrocarburos por bacterias es, una oxigenacin. La ventaja para los microorganismos es que los productos de las reacciones de oxigenacin estn ms disponibles. En general, las reacciones anaerobias son bastante lentas comparadas con las aerobias, pero se producen y tiene importancia en el caso de los hidrocarburos aromticos. Est surgiendo la evidencia de que los hidrocarburos alifticos tambin pueden degradarse en ausencia de oxgeno. Los compuestos BTEX (hidrocarburos aromticos) se biodegradan en condiciones aerobias. En todas las trayectorias de los hidrocarburos aromticos intervienen reacciones de oxidacin. Los hidrocarburos aromticos policclicos (PAH) se forman por la combustin incompleta de materia orgnica, de forma natural, y por actividad humana. Son biodegradables en condiciones aerobias. Disolventes clorados y otros hidrocarburos alifticos halogenados Estos compuestos (CAH) son resistentes a la biodegradacin por varios motivos: porque no son compuestos naturales y aun no han evolucionado los sistemas enzimticos, por su resistencia a la degradacin qumica, y por su enlace carbonohalgeno. A pesar de esto su biodegradacin es posible, usndose estos compuestos como donantes de electrones, aceptores de los mismos o bien por cometabolismo. El cometabolismo aerobio de hidrocarburos alifticos clorados, como por ejemplo la transformacin de TCE por bacterias metanotrficas. Esta transferencia se produce en dos fases: la primera es la oxidacin del metano, y la segunda se corresponde con la eliminacin del cloro mediante el cometabolismo. Hidrocarburos aromticos clorados: Estos compuestos con un solo anillo son de fcil degradacin en condiciones aerobias, a diferencia de la biodegradacin anaerobia que es bastante ms compleja. La degradacin de los difenilos policlorados (PCB) puede ser tanto en condiciones anaerobias como aerobias. Los compuestos menos clorados se biodegradan mejor en presencia de oxgeno, al contrario que los ms clorados que tienen una degradacin anaerobia. En condiciones aerobias la molcula de difenilo se degrada aadiendo oxigenasa de oxgeno elemental a uno de los anillos aromticos produciendo grupos hidroxilo. Si esta oxidacin contina se produce la esconsin de uno de los anillos, pudindose producir cido benzoico. Este cido oxida su anillo, se escinde y contina la oxidacin. Los PCB con pocos tomos de cloro en la molcula pueden entrar fcilmente en la trayectoria de la oxidacin aerobia del difenilo, pero mayores cloraciones hacen difcil el ataque mediante enzimas del anillo. El primer paso de la oxidacin aerobia del pentaclorofenol (PCP) es la deshalogenacin oxigenoltica, o sustitucin de un grupo OH por un Cl. Este primer paso se produce por mediante hidrlisis o por la accin de una enzima oxigenasa.

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Tambin se produce la degradacin anaerobia, que es muy importante porque muchas aguas contaminadas son anaerobias. Por otra parte el PCP tambin sirve como aceptor de electrones en deshalogenacin reductora, para ello necesita la presencia de un donante de electrones, como por ejemplo acetato o hidrgeno elemental. Las dioxinas son muy resistentes a la biodegradacin aerobia, de hecho estudios demuestran la escasa transformacin de estas dioxinas, que comnmente conlleva la adicin de oxgeno con enzimas oxigenasas, dando lugar a la formacin de compuestos que se acumulan sin posterior degradacin. Sin embargo las bacterias que contienen dioxigenasas que sustituyen simultneamente u grupo OH en un carbono portador de un enlace ter y en un carbono adyacente sin sustituir provocan la escisin del enlace ter y la mineralizacin de este compuesto. Explosivos: Los explosivos ms importante son: TNT, RDX y HMX, y se caracterizan por poseer grupos nitroso en la molcula La transformacin del TNT produce un grupo amino como consecuencia de la reduccin de un grupo nitroso. Los productos de transformacin amnica dan lugar despus de una serie de reacciones a productos grandes e insolubles; por este motivo la desaparicin de TNT se observa en entornos biolgicamente activos, pero no se produce la mineralizacin. El RDX es ms fcil de mineralizar que el TNT y no est sometido a procesos de transformacin parcial. La transformacin biolgica del HMX se produce mayoritariamente en condiciones anaerobias, conduciendo a lo formacin de intermedios mono y di nitrosos Elementos inorgnicos: La destruccin de los elementos inorgnicos no es posible, pero los microorganismos pueden cambiar su especificidad provocando la alteracin de movilidad y toxicidad. Uno de los mtodos que los microorganismos utilizan para reducir concentraciones de elementos inorgnicos en el agua es mediante la inmovilizacin de la biomasa de microbios, o exopolmeros microbianos.

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BIORREMEDIACIN: BIOESTIMULACIN Y BIOAUMETACIN

Autores: Yolanda Aparicio Castellanos, M Luz Codesal Codesal, Cristina Encinas Fernndez,Margarita Loma del Amo, Henar Mndez Prez, Luis Galn Gmez

BIORREMEDIACIN La biorremediacin es la utilizacin de tecnologas mediante las cuales se estimula la degradacin de un contaminante o la capacidad de recuperacin del ecosistema, mediante procesos biolgicos. Estos procesos de biodegradacin, pueden ser llevados a cabo por la microbiota autctona de la zona contaminada o por microorganismos adicionados al efecto; en ambos casos se consigue una biotransformacin de sustancias peligrosas en sustancias menos txicas o inocuas. Los factores que afectan a la biorremediacin, pueden clasificarse en: - Ambientales. Son los necesarios para proporcionar las condiciones ptimas para el crecimiento de los microorganismos que llevan a cabo la biorremediacin, y son: la temperatura, el pH, los nutrientes, el oxgeno, la humedad... - Fsicos. Los de mayor importancia son: la disponibilidad del contaminante para los microorganismos, la presencia de agua y la provisin de un aceptor de electrones adecuado. - Qumicos. El ms importante es la estructura molecular del contaminante, cmo sta afecta a sus propiedades qumicas y fsicas, y su capacidad para ser biodegradado. Contaminantes fsicos qumicos y biolgicos La actividad industrial y el desarrollo tecnolgico produce necesariamente residuos y la contaminacin sistemtica del medio ambiente por esos residuos . Los problemas actuales de contaminacin ambiental por especies qumicas tienen su origen mayoritario en: - El desarrollo a gran escala de la qumica de sntesis desde comienzos del siglo XX, que introduce en la naturaleza un tipo de enlaces qumicos prcticamente desconocidos en la Biosfera (xenobiticos), sobre todo de tomos de carbono unidos covalentemente a grupos muy electronegativos (halgenos y grupos nitro y amino), lo que confiere una extraordinaria estabilidad a los productos resultantes. - Las explotaciones mineras y metalrgicas masivas , cuyos procesos transforman a los metales desde formas biolgicamente inactivas, a especies inicas con una alta reactividad en sistemas vivos. - La extraccin y combustin de enormes cantidades de minerales fsiles (carbn y petrleo) como la base energtica de todas las sociedades industrializadas, con la consiguiente descarga de CO2 y las deposiciones cidas de ntrico y sulfrico. - La demanda social y utilizacin masiva de polmeros sintticos( tpicamente los plsticos), formados a base de productos del petrleo en combinacin con aditivos de sntesis.

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- Las prcticas de agricultura intensiva, con su requerimiento tanto de abonos nitrogenados y de fuentes de fosfato de pesticidas y herbicidas para el control de plagas. Un problema asociado es el de los residuos resultantes de la manufactura y consumo de productos vegetales o de origen vegetal. - La emisin de productos farmacuticos al medio ambiente como consecuencia de la produccin y el consumo creciente de molculas bioactivas de sntesis o semi-sntesis. Las nuevas biotecnologas pueden proporcionar un cierto remedio a muchos problemas de contaminacin intensiva y extensiva, pero el deterioro medioambiental causado por la actividad industrial no es simplemente un problema tcnico o cientfico. La generacin de residuos es algo consustancial a la existencia de las actividades petroqumicas y metalrgicas sin las cuales nuestra sociedad actual no sera viable Estrategias de Biorremediacin: bioestimulacin y bioaumentacin La bioestimulacin es la estrategia, en biorremediacin, que consiste en adecuar (optimizar) las condiciones ambientales (tanto del sedimento como del agua) que componen el entorno de las bacterias. Modificando los factores ambientales (temperatura, concentracin de oxgeno, nutrientes etc...) del entorno natural a tratar, se consigue que la velocidad de crecimiento de los microorganismos aumente y la degradacin de los contaminantes, o su transformacin, sea ms eficaz. La principal ventaja en que es una tcnica in situ, y relativamente fcil y barata de aplicar. La principal desventaja es que es un proceso lento, que requiere de un control tcnico exhaustivo. La bioestimulacin se aplica para biorrecuperar suelos contaminados o aguas subterrneas. A) Suelos contaminados Aplicada a suelos pueden emplearse diferentes tcnicas, como son la bioventilacin y el tratamiento en lechos. Cuando se aplican estas tcnicas hay que realizar un estudio previo de las condiciones del terreno: pH, humedad, permeabilidad, temperatura, de la naturaleza del contaminantes... - Bioventilacin: consiste en una biodegradacin aerbica estimulada por oxgeno introducido a travs de la ventilacin del suelo. El aire entra a travs de los pozos de inyeccin o bio plugs, al igual que se inyectan nutrientes y soluciones especificas preparadas en laboratorio. Es un proceso muy efectivo para una completa restauracin ambiental. - Tratamiento en lechos: consiste en esparcir los suelos contaminados excavados en una capa delgada sobre una superficie determinada, estimulando la actividad microbiana aerbica mediante la aireacin y/o la adicin de minerales, nutrientes y humedad B) Aguas subterrneas Aplicado a la recuperacin de acuferos in situ las tcnicas existentes consisten fundamentalmente en aadir oxgeno, nutrientes o bacterias (bioestimulacin) a aguas contaminadas. Se utilizan cuatro mtodos:

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Infiltracin de materiales dentro del acufero: consiste en esparcir un vertido con nutrientes sobre la superficie del suelo siguiendo una serie de zanjas. Estos, por infiltracin (transporte vertical), bajarn hasta el acufero (este mtodo se utiliza en acuferos poco profundos). Normalmente sta tcnica se utiliza para aadir nitratos. Desventajas: slo crecern bacterias anaerobias o facultativas; los productos de la fermentacin se mueven ms que los contaminantes y podra extender la zona contaminada; el nmero de compuestos degradados a travs de este mtodo es limitado. Bombeo, tratamiento y recirculacin: consiste en combinar la recuperacin con bombeo (ex situ) ms un tratamiento y la biorrecuperacin (in situ) con inyeccin de oxgeno y nutrientes. El agua contaminada se bombea a un colector, se trata, se le adiciona oxgeno, nutrientes y en algunos casos bacterias, y se inyecta de nuevo en el acufero. Esto permite el desarrollo de una biodegradacin in situ y un gran incremento en la velocidad de recuperacin del acufero. Normalmente se agrega peroxido de hidrgeno (H202) como aceptor de electrones. Difusin de aire: mtodo que consiste en aadir oxgeno y a veces nutrientes en la zona contaminada por difusin de aire. Se utilizan dos mtodos: . Difusin hasta el acufero in situ (DAI) forzando la entrada de aire hacia el interior del mismo. . Elevacin del agua a la zona superficial del pozo succionando aire, lo que provoca una circulacin de agua aireada, o aireacin interna del pozo (AIP). Biobarriers : una barrera permeable reactiva es bsicamente una barrera que permite el paso del agua subterrnea pero que impide el movimiento de los contaminantes. Eso se logra consiguiendo unas condiciones qumicas que degraden o inmovilicen los compuestos ms recalcitrantes, librando al agua subterrnea de su carga contaminante.

La bioaumentacin es un procedimiento que consiste en la aumentacin bacteriana mediante la adicin de cultivos especializados, desarrollados para proveer mayor reduccin orgnica o capacidad de degradar componentes previamente considerados biodregadables, con el objetivo no de reemplazar la biomasa existente, sino de aumentar su eficiencia. Cuando la actividad necesaria para degradar un contaminante concreto no esta presente de forma natural en la zona contaminada, se le puede aadir microorganismos provenientes de otras fuentes cuya efectividad haya sido ensayada. Es una estrategia de la biorremediacin que se utiliza normalmente a continuacin de un desastre ambiental o para mejorar un tratamiento; realizados en suelo, sedimento, fango o mar. Para la seleccin de microorganismos adecuados, capaces de degradar un componente especfico, existen fundamentalmente tres mtodos: enriquecimiento selectivo (aumentar la poblacin de un microorganismo especfico con relacin a la inoculacin inicial), utilizacin de productos comerciales (comprar variedades microbianas muy adaptadas), ingeniera gentica (la elaboracin en el laboratorio de un microorganismo genticamente modificado que sea eficiente slo para ese caso). Existen grupos de compuestos especialmente peligrosos para el hombre en los que la biorremediacin ha logrado importantes avances. Uno de estos grupos son los organoclorados donde se ha avanzado considerablemente en la generacin de bacterias recombinantes capaces de degradar estos contaminantes.

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DEGRADACIN DE HIDROCARBUROS. BIORREMEDIACIN DE VERTIDOS PETROLFEROS

Autores: Laura Aguado Clemente, Cristina Cabrera Ravina, Marta Hernndez-Abad Alarc, Victoria Monteagudo Cuesta, Adhara Montalbn Benitez, Jos Pahissa Lpez

Hidrocarburo: Compuesto orgnico natural o sinttico compuesto por tomos de carbono e hidrgeno q por lo tanto estn muy reducidos. Requerirn de oxidacin para su degradacin. La importancia de la contaminacin producida por estos compuestos est determinada por sus caractersticas mutagnicas, carcinognicas y txicas. Adems, su propiedad de escasa solubilidad dificulta an ms la biodegradacin natural. Biodegradacin: Proceso natural mediante el cual organismos degradan compuestos hidrocarbonados en otras sustancias como CO2, H2O y otros compuestos poco nocivos para el medio ambiente. La biorremediacin consiste principalmente en el uso de diferentes organismos (plantas, levaduras, hongos, bacterias, etc.) del medio para neutralizar sustancias toxicas, bien transformndolas en sustancias de carcter menos txico o bien convirtindolas en inocuas para el medio ambiente y la salud humana. Podra decirse que la "biorremediacin" es un proceso optimizado de biodegradacin. Una de las medidas biocorrectoras ms empleada es la utilizacin de microorganismos para la descontaminacin de suelos. Estos sistemas de descontaminacin se basan en la absorcin de las sustancias orgnicas por parte de dichos microorganismos, los cuales las utilizan como la fuente de carbono necesaria para su crecimiento y de energa para sus funciones metablicas. Los parmetros crticos a considerar en un tratamiento biolgico son: tipo y concentracin de contaminante, concentracin de microorganismos, concentracin de nutrientes, aireacin, condiciones macro ambientales, presencia de inhibidores y biodisponibilidad del contaminante Bioaugmentacin: Este proceso implica incrementar drsticamente la masa microbiana del suelo mediante la adicin de microorganismos similares a los presentes en el suelo obtenidos mediante cultivo en reactores biolgicos. Los microorganismos se obtienen del suelo contaminado del lugar Biosurfactantes: Se utilizan para la emulsificacin, el aumento de la detergencia, la humectacin y la dispersin de fase, as como la solubilidad. Estas propiedades son especialmente importantes en la biorremediacin, la dispersin del vertido en el terreno y la optimizacin de la recuperacin de petrleo (EOR, del ingls enhanced oil recovery). Los biosurfactantes de origen microbiano de ms amplio uso son glucolpidos. Estos compuestos tienen regiones hidrofbicas e hidrfobas especficas, y la estructura del compuesto las caractersticas finales dependen de las condiciones de crecimiento particulares, as como de la fuente de carbono utilizada. Estos biosurfactantes son excelentes agentes de dispersin y se han utilizado frente al vertido petrolfero del EXXON Valdez. Bacterias: Gran parte de las bacterias degradadoras tanto de petrleo como de alguno de sus derivados son aerobias, por ser la biodegradacin del petrleo tambin un proceso aerobio principalmente, aunque tambin encontraremos otras anaerobias, las bacterias principales y trascendentales en degradacin de hidrocarburos son:

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Pseudomonas: son Eubacterias gram negativas aerobias y muy importantes por su funcin de degradacin de compuestos antropognicos. Una de ellas, significativa en la degradacin de petrleo: pseudomonas putida. Arthrobacter: son bacterias que suelen habitar suelos al igual que Acromobacter. Tambin importantes son: Actinomyces, Flaviobacterium y Corynebacterium. Mtodos biolgicos de degradacin de compuestos txicos Biofiltracin El proceso de biofiltracin se basa en la entrada de aire contaminado a birreactores en los cuales la flora microbiana convierte los contaminantes orgnicos voltiles en dixido de carbono, agua y biomasa. Puesto que los microorganismos desarrollan su actividad en medio lquido, la biodegradacin debe tener lugar en fase acuosa. Bioventing o inyeccin de aire Arroyo et al. (2001) definen como bioventing un tratamiento de biorrecuperacin in situ consistente en la ventilacin forzada del suelo mediante la inyeccin a presin de oxgeno en la zona edfica no saturada mediante pozos de inyeccin. Debido a la aireacin del suelo se va a favorecer la degradacin de los hidrocarburos por dos motivos: por volatilizacin, facilitando la migracin de la fase voltil de los contaminantes, y por biodegradacin, ya que al incrementar la oxigenacin del suelo se va a estimular la actividad microbiana Biosparging El biosparging es definido por Wilson (1999) como un mtodo in situ que combina el efecto de la ventilacin con la utilizacin de microorganismos autctonos para degradar compuestos orgnicos absorbidos por el suelo en la zona saturada. En el biosparging el aire y los nutrientes se inyectan en la zona saturada para mejorar la actividad de los microorganismos presentes. sta tcnica se utiliza para la limpieza de los compuestos orgnicos en suelos y agua subterrnea. Se ha demostrado la eficiencia del biosparging para la degradacin de herbicidas como la atrazina (Crawford et al. 2000).

26-13 METALES PESADOS Y MEDIO AMBIENTE. CONTROL MICROBIOLGICO DE LA CONTAMINACIN POR METALES PESADOS Y BIOMINERA.Autores: Barbero Roucet Jorge, Hernndez Caballero Dens, Martn Gonzlez Natalia, Morales Pauli M Florencia, Robledillo Colmenares Natalia, Ruiz de la Fuente Cristina

INTRODUCCIN Hablar de interaccin entre bacterias y metales pesados parece una contradiccin. Sin embargo la tecnologa no solamente aplica organismos vivos y sus componentes a procesos industriales tradicionales, tales como la produccin de alimentos o medicamentos; sino que cada vez podemos relacionarla ms con el medio ambiente. La biotecnologa ambiental aplica procesos biolgicos modernos para la proteccin y restauracin de la calidad del ambiente. Ejemplos claros son los procesos de biorremediacin, eliminacin de contaminacin en aguas residuales, purificacin del aire, tratamiento de suelos y de residuos slidos.

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METALES PESADOS Como es sabido gran diversidad de metales son requeridos por sistemas biolgicos para el funcionamiento adecuado de los organismos. En el caso particular de los metales pesados, stos son incorporados y acumulados intracelularmente por los microorganismos sin que se sepa bien porqu absorben y almacenan dichos elementos txicos. Un metal pesado no es txico en su forma elemental, pero puede ser perjudicial si se presenta a concentraciones mayores que las requeridas, si forma una sal o si est en combinacin qumica. En general un metal pesado suele ser txico a concentraciones encontradas en ambientes contaminados, ya que un microorganismo tiene mecanismos de especificidad para acumular Cu, Zn, Ni, Co, etc a partir de sus alrededores. El funcionamiento incorrecto de este sistema altamente especializado repercute en el balance osmtico celular, en membranas celulares, en el crecimiento y funcin metablica, pudiendo provocar daos importantes en un organismo (malformaciones, intoxicaciones, elementos cancergenos, etc.) IMPLICACIONES MICROBIANAS Las bacterias tradicionales utilizan compuestos orgnicos (azcares, aminocidos, etc.) para obtener energa y materia. Viven en condiciones de temperatura y acidez favorables, y en general no establecen interacciones con los metales pesados. Pero existe otro tipo de bacterias que obtienen su energa de la oxidacin de compuestos inorgnicos y su materia del dixido de carbono atmosfrico. Son las bacterias mineras que no slo sobreviven en condiciones de acidez intolerables para otras especies, sino que adems, como producto de su metabolismo se obtiene cido sulfrico y compuestos reductores y oxidantes. Estas condiciones permiten que dichos microorganismos puedan desarrollarse en ambientes con altas concentraciones de metales pesados. Nos referiremos entonces a estas bacterias en particular, a las estrategias que utilizan para concentrar metales a partir de una disolucin y para separarlos de contaminantes disueltos. En consecuencia, analizaremos una actividad antropognica como la minera, actividad que por supuesto acumula grandes cantidades de elementos metlicos. BIOMINERA-CONTROL MICORBIOLGICO Definimos biotecnologa como el empleo de sistemas biolgicos en los diversos procesos industriales. La biominera es la aplicacin de la biotecnologa a la actividad minera para obtener la disolucin y recuperacin de sustancias minerales tiles como carbn, hierro, cobre, estao, oro, plata, etc. contenidas en las menas. Esta tecnologa microbiana presenta ciertas ventajas sobre los mtodos no biolgicos: requiere menos inversin de capital, bajos costos de operacin, relativa ausencia de contaminacin ambiental. El inconveniente principal es la lentitud relativa del proceso; la recuperacin de metales por medios biolgicos puede tardar dcadas, mientras que por procesos de extraccin y fundicin podran obtenerse en pocos aos. Los organismos responsables de la disolucin de los metales a partir de minerales son principalmente organismos quimiosintticos y autotrficos pertenecientes al gnero Thiobacillus. La especie ms destacada es la T. ferroxidans (bacilo, Gram -, quimioautotrfico, oxida iones ferroso y azufre para obtener energa, fija dixido de carbono para obtener carbono, es aerobio, acidfilo: pH entre 1.5 y 3.0, su temperatura ptima oscila entre 25 y 35C). Esta especie y otras similares llevan a cabo la biolixiviacin La lixiviacin microbiana es un proceso que utiliza microorganismos para oxidar minerales sulfurados, producir una disolucin natural y liberar los valores metlicos de las rocas que los contienen para luego poder ser extrados. A partir de esta tecnologa

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bacteriana se extraen metales como uranio, cobre, zinc, nquel, cobalto presentes en menas o en un concentrado mineral. El producto final de la biolixiviacion es una solucin cida que contiene el metal valor en su forma soluble. Mecanismos: Lixiviacin bacteriana directa: Se oxida sulfuro insoluble a cido sulfrico. El metal se disuelve. Este proceso se lleva a cabo nicamente por medio de microorganismos, sin intervencin de sulfato frrico. Biolixiviacion indirecta: Transcurre lentamente y en ausencia de microorganismos, aunque stos favorecen el proceso. Este mecanismo es responsable de la disolucin de varios minerales sulfurados de cobre de importancia econmica. La biooxidacin de sulfuros como aplicacin de procesos biotecnolgicos (proceso aerobio). Muchos sulfuros metlicos pueden ser atacados por accin bacteriana produciendo los correspondientes sulfatos solubles. De esta forma ciertas bacterias pueden degradar la pirita (FeS2) y la arsenopirita (FeAsS) en las que oro y/o plata se encuentran encapsulados. Algunos sulfuros que se oxidan: sulfuros de cobre, de zinc, de plomo, de nquel, de antimonio, de metales raros y sulfuros de metales preciosos anteriormente mencionados (pirita y arsenopirita). RECUPERACIN DE METALES La biorrecuperacin de los metales presentes en las soluciones se lleva a cabo por medio de distintos microorganismos capaces de adsorber, precipitar y acumular metales intracelularmente. La biorremediacin es una de las tecnologas limpias utilizadas para eliminar los contaminantes metalicos de los efluentes mineros a partir de materiales de origen biolgico. - BIOACUMULACION O ACUMULACIN INTRACELULAR Es una tcnica de biorremediacin en la que distintos metales se incorporan al interior de las clulas de microorganismos. Ciertas bacterias del gnero Pseudomonas presentan enzimas que reducen los iones metalicos (cationes) a las formas neutras y as los vuelven mucho menos txicos. La absorcin o sorcin al interior de especies metlicas se produce por distintos mecanismos de acumulacin al interior de clulas de biomasa viva. - BIOADSORCION Es otra tcnica que utiliza polmeros naturales con capacidad de unir iones de metales pesados a la superficie celular. Este proceso involucra bacterias, hongos y algas y se realiza sobre biomasa seca ya que los grupos funcionales de las macromolculas de las paredes celulares se mantienen activos an cuando el microorganismo ya no vive. Se intercambian iones sobre la superficie de la biomasa utilizada e iones de la disolucin acuosa contaminada - PRECIPITACIN EXTRACELULAR (proceso anaerobio) Algunas bacterias tienen la capacidad de precipitar el metal contenido en una solucin. Los microorganismos reductores de metales (bacterias sulfato reductoras) producen una reduccin directa de las formas oxidadas de los metales. Estas formas oxidadas son altamente solubles en las aguas subterrneas y al ser reducidas se vuelven insolubles y precipitan.

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26-14 BIOPELCULAS. IMPORTANCIA ECOLGICA Y AMBIENTAL. BIOCORROSINAutores: Marta Condado, Marta Hernndez, Patricia Rigueira, ngela Garca, Javier lvaro Ruz de Eguilaz, Paz de Arespacochaga Fernndez, Javier Hedo, Jaime Paredes, Alvaro Riesgo Castro

BIOPELICULAS Los microorganismos crecen incluidos en biopelculas. Estas biopelculas se forman cuando las poblaciones microbianas estn encerradas dentro de una matriz, compuesta por polisacridos que contienen uno o ms cidos urnicos aninicos, que facilitan la adherencia de unas clulas con otras o a la superficie. El desarrollo de una biopelcula se inicia cuando una superficie slida se sumerge en un medio acutico y las molculas orgnicas son absorbidas por dicha superficie, formando as una pelcula macromolecular acondicionada. Esta les permite coexistir en ambientes en los que las poblaciones individuales no podran vivir ya que atrapan por difusin nutrientes producidos por clulas vecinas. Ejemplo: pseudomonas aeruginosa, notable formadora de biopelculas. Las poblaciones se mueven dentro de las biopelculas y nuevos microorganismos desplazaran a los originales basndose en una secuencia de acontecimientos fsicos y biolgicos. Este proceso recibe el nombre de EPIBIOSIS. IMPORTANCIA EN LA SALUD Y EL MEDIO AMBIENTE El desarrollo de biopelculas tiene implicaciones significativas en la salud humana y en diversas industrias: - Estas clulas bacterianas estn protegidas ante ataques del sistema inmunitario y los antibiticos provocando enfermedades. Asimismo los implantes mdicos tambin son un buen medio para la evolucin de biopelculas. - En la industria los biofilms pueden reducir el flujo de cualquier liquido que circule a travs de tuberas y acelerar la corrosin de los propios tubos. Tambin degradan objetos sumergidos tales como componentes estructurales de plataformas petrolferas, barcos e instalaciones costeras. La calidad del agua potable puede verse amenazada por las biopelculas. Por todo ello, el control de biopelculas requiere un gran esfuerzo y hasta ahora solo se dispone de un repertorio limitado de instrumentos para combatirlos, entre los cuales esta: el descubrimiento de nuevos antibiticos capaces de penetrar en ellos y frmacos que interfieran en la comunicacin intracelular. Actualmente existe una clase de compuestos qumicos estables y no txicos para los humanos capaces de acabar con estas biopelculas llamados furanonas. La colonizacin, crecimiento y posterior actividad de las bacterias modifican las condiciones ambientales de las superficies, ya que consumen nutrientes, producen desechos y sintetizan materiales. En las biopelculas de nueva formacin el rpido uso de los nutrientes conduce a un aumento de biomasa bacteriana provocando un aumento de la demanda de oxigeno proliferando por tanto, microorganismos anaerobios. BIORREMEDIACION DE CONTAMINANTES DEL AIRE: La biorremediacion es una nueva solucin biotecnolgica a los problemas de contaminacin que emplea microorganismos. Tres tipos de dispositivos: filtros biolgicos, filtros biolgicos de goteo y biopurificadores.

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En los dos primeros las biopelculas crecen sobre superficies slidas, y al hacer pasar corrientes de gas con contaminantes orgnicos a travs de ellas los contaminantes se degradan. Los biopurificadores son eficaces para los compuestos orgnicos voltiles altamente hidrosolubles. BIOCORROSIN La biocorrosin es el deterioro de materiales metlicos, provocado por la accin directa de bacterias, hongos o microalgas. Afecta a numerosas industrias como la qumica, textil, alimentaria, de papel, etc. implicando un importante gasto econmico. La biocorrosin es un proceso que se puede producir en medios tanto anaerobios, con la actuacin principal de bacterias reductoras de sulfatos, como en ambientes aerobios. El tipo de bacterias que intervienen son generalmente Pseudomonas, Sulfatobacterias (por ejemplo el gnero Thiobacillus), Sulfatorreductoras (por ejemplo las especies Desulfovibrio Desulfuricans), Ferrobacterias (gneros tales como Sphaerotillus, Thiobacillus). Este proceso se acenta en medios con pH cido, en presencia de O2 y CO2 disuelto, y a temperaturas altas. Para controlar y tratar de evitar la corrosin, se desarrollan mecanismos que implican recubrimientos, aislamientos, revestimientos, etc. Tambin se utilizan agentes qumicos o inhibidores. Las principales medidas de control que se toman son, entre otras, anlisis de la posible existencia de microorganismos, limpieza frecuente, cambio de pH, utilizacin de biocidas, y/o utilizacin de aleaciones ms resistentes. Los principales gastos econmicos se ven motivados por prdidas en las interrupciones de la produccin, prdidas del producto, por contaminacin de productos(envases metlicos) y/o prdidas de rendimiento.

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