Hidrocarburos Aromáticos Policiclicos

Biorremediación.

•Andrea Garcilazo Vera

Ingeniería Ambiental

LOS HIDROCARBUROS AROMÁTICOS POLICÍCLICOS

Estructura de los HAPs

• Los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAPs) se definen por serestructuras formadas por 2 o más moléculas de benceno fusionadas.

• Se conocen unos 100 HAPs diferentes ya que existe una elevada cantidadde isómeros. La estructura atómica del anillo bencénico les confiere unagran estabilidad termodinámica debido a la elevada energía de resonancianegativa que proporciona contener seis orbitales moleculares π porsolapamiento cíclico.

• Todos los compuestos con sistemas electrónicos π-cíclicos son catalogadoscomo aromáticos.

Origen y distribución de los HAPs en el medio ambiente

• El anillo bencénico es una de las estructuras más ampliamente distribuida enla naturaleza. Se encuentra formando parte de compuestos mono ypolicíclicos, así como de otras substancias más complejas como la lignina.

• Los HAPs se forman por la exposición de moléculas orgánicas a:

• Las mezclas de HAPs de origen petrogénico se distinguen de las pirolíticas porser más ricas en HAPs alquilados debido a la diferente temperatura deformación.

• Elevadas temperaturas.Pirólisis

• Bajas temperaturas.

• Elevadas presiones durante millones de años en sedimentos, durante la formación del petróleoOrigen Petrogénico

•Las características más importantes que condicionan el comportamientode los HAPs en el medio ambiente van ligadas a las característicasfisicoquímicas.

•Son de gran importancia la hidrofobicidad, que aumenta cuanto mayor seael número de anillos y la volatilidad de los HAPs de menor peso molecular.Debido a las propiedades hidrofóbicas, los HAPs muestran una fuertetendencia a adsorberse a las superficies lo que dificulta su biodegradación,así como a acumularse en la cadena trófica.

•De hecho los compuestos aromáticos heterocíclicos, los cuales contienenátomos de nitrógeno, azufre u oxígeno, también pueden considerarseHAPs, en sentido amplio, debido a que también muestran característicassimilares.

•Básicamente las fuentes de HAPs se resumen en tres: el petróleo o origenpetrogénico, la combustión o origen pirolítico (a partir de combustiblesfósiles, madera, erupciones, etc.) y la síntesis por seres vivos, cuyaaportación es minoritaria.

•La agencia de protección ambiental americana ha incluido los HAPs entre suscontaminantes prioritarios. Esto fundamentalmente se debe a la peligrosidadintrínseca de los HAPs, debido a la toxicidad aguda y a la toxicidad de tipoteratogénico, mutagénico y carcinogénico que presentan. Asimismo tambiénse bioacumulan y su biodegradación en general es mucho más lenta,especialmente los de elevado peso molecular que la de otros hidrocarburos.

Biodegradación de HAPs

• Los microorganismos juegan un papel importante en la eliminación de losHAPs en los ecosistemas terrestres y acuáticos, siendo la degradaciónmicrobiana el principal proceso de descontaminación natural . Por lo tanto esnecesario un buen conocimiento y control de este proceso natural paraaplicarlo a tecnologías de biorremediación.

• En la figura 2.2 se muestran las primeras reacciones de transformaciónaeróbica de los HAPs, siendo característico de los hongos y los mamíferos laintroducción de un solo átomo de oxígeno mediante una monooxigenasa quecontiene el citocromo P-450, y la transfromación a trans-dihidrodioles. En esteproceso de transformación se generan metabolitos más solubles, para suposterior eliminación (proceso de detoxificación). Los hongos lignolíticospueden degradar e incluso mineralizar los HAPs mediante el conjunto deenzimas implicados en la utilización de polímeros vegetales como la lignina.

Hidrocarburos

El numero de carbonos y su estructura química determina su clasificación.

Los hidrocarburos alifáticos son de cadena lineal o ramificada y pueden ser saturados (alcanos) o

insaturados (alquenos y alquinos).

Los hidrocarburos de cadenas cíclicas, pueden ser

saturados (ciclo alcanos) o con uno o mas anillos bencénicos (aromáticos)

Existen dos clases de hidrocarburos aromáticos

los de bajo peso molecular que tienen de 2 a 3 anillos aromáticos

como el naftaleno, fluoreno, fenantreno y antraceno y derivados

los de alto peso molecular que tienen de 4 a 7 anillos aromáticos

como el criseno

Su importancia está relacionada a su movilidad, debido a su peso molecular.

Los HAPs de alto peso molecular son relativamente inmóviles y por ende, de baja volatilidad y solubilidad

y, en consecuencia esto afecta su distribución y conducta en el ambiente.

Donde encontramos compuestos aromáticos

ciertos tipos de caucho

Lubricantes

tinturas

detergentes

medicamentos

plaguicidas

solvente de compuestos

orgánicos

aditivo en los combustibles

solvente de pinturas

revestimientos

adhesivos

tintas

producción de polímeros

nylon

poliuretanos

pinturas de uñas

resinas fenólicas

resinas de fundición

Colorantes

productos farmacéuticos

Herbicidas

funguicidas

bactericida

detergentes

antioxidantes

aditivos para aceites

Aceites Lubricantes

• Los aceites lubricantes están constituidos por una base lubricante y una serie de aditivos. Dependiendo del uso del aceite, la base lubricante será mineral (proveniente del petróleo crudo), sintética o vegetal.

• Para mejorar las características del aceite es común añadir aditivos en proporciones de un 15 y un 25% en volumen de producto terminado estos son de distinta

naturaleza y confieren al aceite propiedades específicas

Impactos en la Salud y el Medio Ambiente

• En el caso de el uso de aceites existe el riesgo de que se liberen contaminantes tóxicos, como es el caso de los hidrocarburos aromáticos policíclicos, metales pesados y compuestos clorados.

Si no se dispone adecuadamente, el aceite causa graves problemas al ambiente:

Si se arroja al suelo, éste contiene una serie de hidrocarburos, metales y aditivos que favorecen su

penetración y dispersión en el terreno, destruye el humus vegetal y acaba con la fertilidad del suelo.

Si el aceite usado se quema, sin un tratamiento y control adecuado, emite gases tóxicos debido a la

presencia de plomo, cloro, fósforo, azufre, entre otros. Se estima que la quema de cinco litros de

aceite, contaminan, 1millon de m3de aire, que es la cantidad de aire respirada por una persona

durante tres años.

Legislación ambiental en materia de residuos peligrosos

El conocimiento del tipo de contaminación y su concentración es

fundamental para establecer las condiciones del sitio, el riesgo

que representa y la selección de posibles tecnologías de

recuperación

Los límites de limpieza para hidrocarburos en suelos y aguas

dependerán de las normas vigentes en México.

Suelo

El suelo esta compuesto por tres fases

la fase sólida, compuesta a su vez por la fracción mineral y la orgánica

la fase liquida

la fase gaseosa

En un promedio general la materia orgánica constituye un 5% del suelo, el agua 25%, el aire 25% mientras que la fracción mineral esta representada en un porcentaje del 45%

Contaminación del suelo

La contaminación del suelo consiste en una degradación

química que provoca la pérdida parcial o total de la

productividad del suelo como consecuencia de la acumulación

de sustancias tóxicas que modifican negativamente sus

propiedades.

Contaminación del suelo por hidrocarburos

A medida que transcurre el tiempo después de un derrame, se va modificando la composición del hidrocarburo por acción de los agentes ambientales.

Por su carácter lipofílico se pueden bioacumular y concentrar en sedimentos y suelos.

Primero se pierden los hidrocarburos volátiles

Se produce la eliminación de parafinas [por

evaporación, por actividad fotoquímica o actividad

biológica]

Como resultado de ello el contaminante se enriquece

en compuestos pesados, difíciles de degradar; por lo que la velocidadde reacción

disminuye a medida que transcurre el tiempo

Procedimientos para la descontaminación de suelos

Cuando se empezó a actuar sobre los espacios contaminados, el método solía

consistir en retirar los residuos y/o suelo contaminado a un vertedero o

cubrirlos con una capa impermeable (confinamiento).

Posteriormente, se planteó la necesidad de desarrollar alternativas para

solucionar de forma permanente y menos costosa el problema de los espacios

contaminados.

Biodegradación de hidrocarburos

• Existen dos métodos usados en la degradación de hidrocarburos

El primero se basa en las capacidades metabólicas de las especies presentes en los hidrocarburos, la degradación se consigue al modificar el sustrato,

por aereación o aplicando un fertilizante.

En el segundo se adicionan poblaciones foráneas de

microorganismos que son escogidos por sus capacidades de degradar

hidrocarburos. El método de siembra de microorganismos requiere que se

agregue una cantidad de inoculo mayor a la biomasa que esta presente

en el medio para asegurar la supervivencia del inoculo

La estrategia seguida por los microorganismos

consiste en desestabilizar el anillo aromático

mediante la introducción de dos grupos hidroxilo. Así, el compuesto pasa a ser susceptible de ataque

enzimático para rendir formas asimilables del

carbono.

La presencia de alto nivel de PAHs en suelos contaminados sigue planteando problemas importantes debido a la persistencia y la genotoxicidad que esta relacionada con el aumento del tamaño de la molécula y el número creciente de anillos de benceno todo esto va de la mano con la tasa de biodegradación ambiental.

Para ejemplo

la vida media de la molécula de fenantreno de tres anillos en suelos y sedimentos puede variar desde 16 hasta 126 días, mientras que la vida media de la molécula de benzo cinco anillos [a] pireno (BaP) puede variar desde 229 hasta 1.400 días

La estabilidad electroquímica y la hidrofobicidad son dos factores cruciales para la creción de altos niveles de PAHsen el medio ambiente.

Más tarde, demostraron que una comunidad bacteriana aislada de un sitio de residuos de creosota era capaz de utilizar fluoranteno como su única fuente de carbono y energía para el crecimiento bacteriano.

TIPOS DE BIORREMEDIACIÓN

• DEGRADACION ENZIMATICA

• BIORREMEDIACION MICROBIANA

• FITORREMEDIACION

DEGRADACION ENZIMATICA

• Agregamos enzimas diseñadas con alta especificidad al sitio contaminado degradando las sustancias nocivas

.

Una ventajaLas enzimas no son consumidas por las reacciones,por lo que degradaran por largo tiempo.

BIORREMEDIACION MICROBIANA

• En este caso utilizaremos HONGOS en el

foco contaminante para descomponer sustancias tóxicas a través del uso de micelios fúngicos que producen enzimas capaces de degradar los componentes contaminantes

FITORREMEDIACION

• Usamos SERES VEGETALES para la descontaminación.

A través de sistemas radiculares de plantas y árboles extraemos los metales pesados y otros contaminantes de suelo, agua y aire.

TIPO DE TECNICAS

• Dependiendo del tipo de contaminante puede ser:

• Aerobio o anaerobio

• In-situ (en el lugar contaminado)

• Ex-situ (el suelo se traslada a un laboratorio)

FACTORES INFLUYENTES• Los factores que hacen favorable la transformación de

los contaminantes son :

• Necesidad de nutrientes.

• pH del suelo

• Temperatura

• Humedad

• Estructura química del hidrocarburo

TECNICAS DE BIORREMEDIACION

• 1- BIOVENTING

• 2- ATENUACION NATURAL

• 3- BIOESTIMULACION

• 4-BIOPILAS

1. Bioventeo/Bioaireación/Bioventing:

• In situ

• De bajo coste

• Procesos físico-químicos de interacción contaminante-suelo y procesos de biodegradación de forma natural en el medio.

• Debido a la aireación del suelo se va a favorecer ladegradación de los hidrocarburos por dos motivos: porvolatilización, facilitando la migración de la fase volátil de loscontaminantes, y por biodegradación, ya que al incrementarla oxigenación del suelo se van a estimular la actividadbacteriana

2. Atenuación natural:

• biorremediación in-situ

• procesos de biotransformación natural que reducen mediante una serie de mecanismos la concentración de los contaminantes.

• Se aplica en aquellos casos en los que exista contaminación producida por hidrocarburos halogenados o no halogenados

3. Bioestimulación:

Técnica de biorremediación in-situ

Utilizada para el tratamiento de aguas subterránea

que se extraen mediante pozos.

4. Biopilas

• Ex-situ

• Suelos excavados

• Formación de pilas de material biodegradable (suelo contaminado + materia orgánica).

Todos estos hidrocarburos acaban contaminando cualquier medio :

•El aire: Pasan al aire a través de emisiones volcánicas , incendios forestales, combustión del carbón y por el escape de automóviles, incluso pueden evaporarse al aire fácilmente desde el suelo o de aguas superficiales

•El agua: Estos hidrocarburos pueden llegar a contaminar las aguas a través de plantas industriales o plantas de tratamiento de aguas .

•El suelo: Lo hacen adhiriéndose a partículas residuales del suelo y son capaces por tanto de movilizarse a traves de el suelo y contaminar el agua subterránea.

Utilización de hongos en la degradación de Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos.

Varios estudios han demostrado que diversos hongos son capaces de

mineralizar HAP.Estos hongos se pueden clasificar en dos grupos;

Hongos no ligninolíticos

Ejemplo: Cunninghamella elegans.

Hongos ligninolíticos

Ejemplo: Pleurotus ostreatus.

Hongos no ligninolíticos

• Estos metabolizan HPA’s mediante el sistema del citocromo P-450 monooxigensa, el cual se basa en la capacidad de catalizar la inserción de oxigeno en una gran cantidad de compuestos orgánicos.

• La vía en la oxidación inicial de los HPA con citocromo P450 monooxigenasa cataliza la reacción que forma trans-dihidrodiols.

• La inserción de un átomo

de oxígeno molecular (O2)

en un sustrato orgánico (RH)

a la vez que el otro átomo de oxígeno es reducido a agua: RH + O2 + 2H+ + 2e– → ROH + H2O.

• https://www.youtube.com/watch?v=aljU-7l4ObM

• Otra vía metabólica de los hongos para la degradación de los HAP implica: hidroxilaciónpor una monooxigenasa, la conjugación con el ion sulfato (metil, glucósido, glucurónido, y xilósido), seguido por una hidroxilaciónadicional a compuestos (metabolitos).

Benzopireno• El benzopireno es un hidrocarburo policíclico aromático

potencialmente carcinógeno.

• El a-benzopireno se produce por condensación de cinco anillos de benceno durante los procesos de combustión a temperaturas de 300 a 600 °C.

• Las enzimas P450 han sido identificadas en todas los linajes de vida orgánica, incluyendo los mamíferos, aves, peces, insectos, gusanos, plantas, hongos, etc. Se conocen más de 7.700 secuencias.

• Los hongos metabolizan compuestos de HAP a metabolitos similares a los formados por enzimas de mamíferos.

Hongos ligninolíticos

• La lignina es un polímero presente en las paredes celulares de organismos.

• Las enzimas extracelulares fúngicas de lignina parecen ser más propensas a hacer el ataque inicial sobre los HPA en el suelo.

• Estas enzimas carecen de selectividad.

• Incluida la lignina peroxidasa (LIP), manganeso peroxidasa(MNP) y lacasas. Estas enzimas oxidan una amplia variedad de compuestos orgánicos.

• Este complejo enzimático inespecífico fúngico extracelular, tiene potencial en la eliminación xenobióticos con estructura química similar a la lignina.

Grandes cantidades de micelio de varias especies de hongos de la pudrición blanca se utilizan para aumentar la extensión de la biorremediación de HAPs en el suelo.

• La mejor,cepa caracterizada - chrysosporiumPhanerochaete – puede a las quininas correspondientes por lignina peroxidasa y gestionar manganeso peroxidasa (Bogan et al., 1996a, b).

• La oxidación de HPA en cultivos de hongos de pudrición blanca resultan inicialmente en quininas. Debido a que la quinina es menos tóxico que sus respectivos metabolitos generados por el citocromo P450 monooxigenasas, la oxidación enzimática de HPAs por ligninooxidorreductasas podrían ser una estrategia más útil en desintoxicación y procesos de biorremediación.

Degradación de los HAP

• Las bacterias para la biodegradación de la mezcla de HAP esta influenciada por la biodisponibilidad.

BIODISPONIBILIDAD: se considera que es un proceso dinámico que es determinado por la tasa de transferencia de masa de sustrato a las micro células microbianos en relación con su actividad catabólica intrínseca.

Surfactantes

• fisiológicas de los microorganismos

• la estructura química del hidrocarburo

• los factores ambientales del suelo

Ventajas Desventajaso Se le atribuye el aumento de

solubilidad y biodisponibilidad.o De fácil comercialización,

distribución y a bajo costo.

o Su toxicidad y los efectos de

los intermedios (residuos)

suelen ser más tóxicos que loscompuestos originales

o Mejora la degradación del

hidrocarburoo Algunos son biodegradables

o Se podría utilizar como sustrato

primario cuando el contaminante sedegrada

co-metabólicamente.

o Degradación preferencial del

surfactante, puede disminuir la

degradación del contaminante,

la degradación del surfactante

reducirá el efecto de labiodisponibilidad.

Ventajas Desventajas

o Son biodegradables

o Menos tóxicos que los sintéticos

o Las moléculas de superficie se

adaptan a los cambios de sustrato decrecimiento

o Tienen estructuras definidas.

o Mejora la degradación del

hidrocarburoo Se le atribuye el aumento de

solubilidad y biodisponibilidad.o Son amigables al medioambiente.

o La producción a gran escala de

biosurfactantes es compleja y difícil.

o Algunos biosurfactantes pueden ser

tan tóxicos como los sintéticos.

o Pueden competir con el hidrocarburo

como sustrato preferencial.o La producción de biosurfactantes no

es económicamente viable.

Surfactantes

Biosurfactantes

• El patrón de utilización de los HAP no es sólo el resultado de biodisponibilidad, sino también de interacciones metabólicas relacionadas con el cometabolismo.

• El cometabolismo microbiano es la transformación de un compuesto orgánico por un microorganismo que es incapaz de usar el substrato como fuente de energía o como un elemento nutritivo esencial.

Cometabolismo de un tipo de HAP podrían tener un efecto sinérgico aumentando la degradación de los otros. Por lo tanto,el cometabolismo puede ampliar la gama de PAH atacado poruna cepa definida, especialmente para la degradación de HAPcon peso molecular grande.

• Varias bacterias tienen la capacidad de degradar de bajo y alto peso molecular a los HAP.

Mycobacterium sp. cepa PYR-1 la cual degrada pireno y fluoranteno. Esta bacteria mostro un agotamiento en naftaleno, fenantreno, antraceno. La disminución de las concentraciones de fluoranteno, pireno y benzopireno con respecto a los controles no fue estadísticamente significativa, aunque si se logro detectar rompimiento en los anillos.

• Cuando a los compuestos (fenantreno, antraceno y pireno) se le suma la bacteria Mycobacterium, harán que sus tasas de reducción alcancen valores máximos durante las primeras 168h. Sin embargo, las tasas de biodegradación de fluoranteno y pireno son significativamente menores que la de fenantreno

La mayoría de estos metabolitos fueron ácidos carboxilicos aromáticos formados

como resultado de la utilización de crecimiento de sustratos (fenantreno, pireno

y fluoranteno).

estos compuestos parcialmente oxidados producidos por una cepa microbiana puede ser degradado por otros.

Un estudio llevado a cabo con antraceno ha confirmado que todos los productos de oxidación detectados de este compuesto por hongos de podredumbre blanca puede ser mineralizada por bacterias autóctonas. (por ejemplo, lodos activados).

Bjerkandera sp. BOS55

• La adición del hongo de podredumbre blanca Bjerkanderasp. BOS55 el cual fue capaz de eliminar el 99,2 y el 83,1% de pireno antraceno y el 38.5% de benzo pireno y dio como resultado un aumento inicialmente rápido en el nivel de CO2 y la recuperación del nivel de solubilidad en agua se redujo a 16% de los niveles iniciales. Esto demostró que la aireación en el cultivo fue adecuada.

• Algunos hongos pueden utilizar citocromo P450 para transformar HAP y activarlos para una mayor degradación por bacterias, se sugirió que la degradación de HAP en la naturaleza es una consecuencia de la ruptura secuencial por hongos y las bacterias, los hongos con la realización de la oxidación inicial.

Penicilliumnonligninolytic

janthinelumVUO 10201

25% del benzo pireno fue mineralizada a CO2 por estos co-cultivos bacterianos de más de 49 días, acompañado por la desaparición de los compuestos intermedios.

S. maltophiliaVUN 10010

Inoculación de cocultivos-bacteriana por hongos en el suelo contaminado por PAH resultó en una mejora significativa de la degradación de alto peso molecular.

Durante la última década, una gran variedad de microorganismos han sido aislados y caracterizado por su capacidad para degradar diferentes HAP. También muchas enzimas metabólicas para la degradación de diferentes HAP se han aislado a partir de microorganismos

CONCLUSION

• Los microorganismos han evolucionado para adaptarse a los HAP presentes en el sitio contaminado. Muchos microorganismos producen biosurfactantes para aumentar la biodisponibilidad en sustratos disponibles.

En la ingeniería genética la conversión de genes, la duplicación de genes y la transposición hacen que se produzca nuevas cepas con propiedades deseables para la biorremediación de acuerdo al conocimiento de PAH.

Otras tecnologías diseñadas es por ejemplo la adición de pequeñas cantidades de biosurfactantes a la tierra que contienen HAP pueden aumentar la composición la dispersión y la biodisponibilidad.

BIBLIOGRAFÍA.

• Fungi in Bioremediation Cap. 7

edited by Geoffrey M. Gadd

• Microbial biodegradation of polyaromatic hydrocarbons

Ri-He Peng, Ai-Sheng Xiong, Yong Xue, Xiao-Yan Fu, Feng Gao, Wei Zhao, Yong-Sheng Tian & Quan-Hong Yao.

• Eluniversal.com

• Wikipedia.com