PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE PUERTO RICOESCUELA DE ARTES PLSTICAS DE PUERTO RICO YRECINTO DE GUAYAMA DE LA UNIVERSIDAD INTERAMERICANA

Preparado por:FERNANDO PAYAN APARICIOCatedrtico Asociado de Biologa

ESTE MDULO SE PROPONE AMPLIAR LAS ACTIVIDADES DE ENSEANZA Y APRENDIZAJE BASICOS DEL CURSO CIENCIA, TECNOLOGIA Y AMBIENTE (GEST 2020) INCLUIDO EN EL PROYECTO TTULO V COOPERATIVO. FORTALECIENDO LOS LOGROS ACADMICOS POR MEDIO DE UN CONSORCIO PARA INCORPORAR TECNOLOGA EN EL CURRCULO BSICO.

EL PROYECTO EST INTEGRADO POR LA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATLICA DE PUERTO RICO EN PONCE, DESDE DONDE SE DIRIGE Y SUS RECINTOS EN ARECIBO, MAYAGUEZ Y GUAYAMA; LA ESCUELA DE ARTES PLSTICAS DE PUERTO RICO Y EL RECINTO DE GUAYAMA DE LA UNIVERSIDAD INTERAMERICANA DE PUERTO RICO.

1.- DEFINIR BIORREMEDIACIN Y BIODEGRADACIN2.- RECONOCER LA IMPORTANCIA DE LA BIORREMEDIACIN3.- MENCIONAR LOS DIFERENTES TIPOS DE BIORREMEDIACIN4.- EXPLICAR QUE ES EL PROCESO DE BIOVENTING5.- EXPLICAR QUE SON LAS BIOPILAS6.- EXPLICAR EL PROCESO DE ATENUACIN NATURAL7. RECONOCER LOS FUNDAMENTOS Y LIMITACIONES DEL PROCESO

1. INTRODUCCION 2. BIORREMEDIACION 3. TIPOS DE BIORREMEDIACIN 4. FUNDAMENTOS DE LA BIODEGRACION 5. FACTORES LIMITANTESA) BIOVENTINGB) PILASC) ATENUACION NATURAL 6. MICROBIOS DEGRADADORES DE PETROLEO

El aumento de la poblacin y el desarrollo industrial sin precedentesalcanzados durante el siglo XX han elevado la presencia decontaminantes slidos y lquidos a niveles crticos.La consecuencia ha sido la aparicin de problemas de contaminacin que antes se desconocan y para los cuales la sociedad no estaba preparada.

La industria qumica produce gran cantidad de compuestos xenobiticos, cuya estructura qumica difiere de los compuestosorganicos naturales.Algunos de estos compuestos xenobiticos, con grupos halgenos y nitrogenados, utilizados como propelentes, refrigerantes, disolventes, bifenoles policlorados(PCB),plsticos, detergentes, explosivos y plaguicidas, son resistentes (recalcitrantes) a la biodegradacin.

Otros se degradan muy lentamente, de modo co-metablico slo en presencia de un segundo sustrato, que es empleado como fuente primaria de energa, o dan lugar a residuos ,a veces polimricos, peligrosos para el ambiente. Algunos de los xenobiticos ms recalcitrantes sufren un proceso de biomagnificacin en las redes trficas. Este proceso se inicia con los microorganismos y causa la acumulacin del xenobitico en los niveles trficos superiores, donde provoca graves daos ecolgicos.

Aunque los hidrocarburos del petrleo no sean xenobiticos, su uso a gran escala y los vertidos accidentales como el caso del Prestige han provocado daos ambientales graves. La compresin cientfica de estos fenmenos complejos y del papel que los microorganismos desempean en ellos es esencial para prevenir o controlar los daos que pueden ocasionar los vertidos o fugas de hidrocarburos y xenbioticos.

La degradacin de estos contaminantes es un proceso que se puede dar de forma natural por los microorganismos autctonos de la zona contaminada siempre que tengan las vias metablicas apropiadas.. Para mejorar estas posibilidades que los microorganismos nos pueden ofrecer se estn desarrollando tecnologas basadas en el uso de los microorganismos con amplias capacidades biodegradadoras para su uso en la prevencin y remediacin de la contaminacin.

LA BIORREMEDIACIN UTILIZA LA CAPACIDAD NATURAL DELOS ORGANISMOS COMO BACTERIAS, HONGOS, LEVADURAS OPLANTAS QUE ACUMULAN O DEGRADAN LOS ELEMENTOS TOXICOS EN EL AMBIENTE.

LOS SISTEMAS DE BIORREMEDIACION CONSISTEN PRINCIPALMENTEEN EL USO DE MICROORGANISMOS NATURALES(LEVADURAS, HONGOS O BACTERIAS) EXISTENTES EN ELMEDIO AMBIENTE PARA DESCOMPONER O DEGRADARSUSTANCIAS PELIGROSAS EN SUSTANCIAS DECARCTER MENOS TXICO O BIEN INOCUASPARA EL MEDIO AMBIENTE Y LA SALUD HUMANADerrame de petrleo

LA BIORREMEDIACION O MEDIDAS BIOCORRECTIVAS SE HANVENIDO UTILIZANDO EN LA DESCONTAMINACIN DE SUELOS YAGUAS CONTAMINADAS CON HIDROCARBUROS DESDE HACE MUCHOS AOS CON BASTANTE EXITO.ESTAS TCNICAS BIOLGICAS PUEDEN SERDE TIPO:1) AEROBICO ( EN PRESENCIA DE OXGENO) O2) ANAEROBICO (EN AUSENCIA DEOXGENO)

EXISTEN TRES TIPOS DE BIORREMEDIACION DE TIPO AEROBICO: BIOVENTING Ventilacin forzada del aire en el suelo.BIOPILAS Compostaje de suelosATENUACIN NATURAL Biorrecu-peracin natural del suelo.

Estos sistemas de descontaminacin se basan en la digestin de las sustancias orgnicas por los microorganismos, de la cual obtienen la fuente de carbono necesaria para el crecimiento de sus clulas y una fuente de energa para llevar a cabo todas las funciones metablicas que necesitan sus clulas para su crecimientoPara que estos procesos metablicos se lleven a cabo, y puedan ser utilizados como una tcnica remediativa, ser necesario que existan en el medio unas condiciones fisico-qumicas ptimasEn general, se necesitar la existencia de determinadas poblaciones de microorganismos autctonoscapaces de utilizar los hidrocarburos como fuente nutricional y de energa

Para el diseo de estos sistemas de tratamiento se llevan a cabo varias etapas de trabajo: Investigacin y caracterizacin de la contaminacin

Anlisis y eleccin de las medidas biocorrectivas

Evaluacin de la efectividad del sistema elegido

Diseo y evaluacin del sistema

Evaluacin del control y seguimiento

Anlisis e interpretacin de resultados

La tcnica del bioventing es un tratamiento de biorrecuperacin de tipo in situ, consistente en la ventilacin forzada del suelo mediante la inyeccin a presin de oxgeno (aire) en la zona no saturada del suelo a travs de 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 de los contaminantes y

por biodegradacin, ya que al incrementar la oxigenacin del suelo se va a estimular la actividad bacteriana.

Los factores a tener en cuenta en la aplicacin del bioventing o inyeccin de aire naturalson:

Se degradarn ms fcilmente las molculas ms pequeas (hasta C20), siendo ms fcilmente biodegradables los compuestos parafinados o de cadena lineal que los compuestos aromticos. En general, son favorables los compuestos de alta volatilidad (presin de vapor mayor de 10 mm de Hg a 20C).

Los suelos deben contener bajos contenidos en arcilla y ser lo ms homogneamente posible, con un valor de permeabilidad al aire adecuado (> 10-10 cm2). El principal problema es la biodisponibilidad de losmicroorganismos. Cuanto menor es la solubilidad de los contaminantes menor ser la biodisponibilidad.

Los aportes de oxgeno deben ser suficientes, as como la existencia de fuentes de carbono, aceptores de electrones y energa suficientes

No debe existir producto libre en flotacin sobre el nivel fretico.

Deben existir unas condiciones ptimas de pH (6 y 8), de humedad (12-30% en peso), potencial redox mayor de -50 mV, temperatura entre 0 y 40 C y los nutrientes del suelo en relacin N:P de 10:1.

Necesidad de tiempos de actuacin cortos (meses) y coste medio-altoDerrame de petrleo

A continuacin hay un esquema que ilustra un ejemplo de biorremediacin in situ de un acufero contaminado por hidrocarburos.

Biorremediacin in-situ: se intenta acelerar el proceso en el mismo ambiente modificando las condiciones ambientales o por inoculacin microbiana.

La tcnica de biopilas es un tratamiento de biorrecuperacin de tipo ex situLa tcnica consiste en la formacin de pilas de material biodegradable de dimensiones variables, formadas por suelo contaminado y materia orgnica (compost) en condiciones favorables para el desarrollo de los procesos de biodegradacin de los contaminantes.

Estas pilas de compost pueden ser aireadas de forma activa, volteando la pila, o bien de forma pasiva, mediante tubos perforados de aireacin.

Entre los factores que influyen en la aplicacin de las biopilas destacan:

Los hidrocarburos deben ser no halogenados y deben encontrarse en el suelo en concentraciones menores a 50.000 ppm.

Dada la necesidad de excavacin y posterior depsito del suelo contaminado, se requiere una superficie de trabajo relativamente grande cuyas dimensiones dependen del volumen de suelo a tratar.

Necesidad de una densidad de poblaciones microbianas (>1.000 CFU/gramo de suelo), condiciones de humedad (40-85% de capacidad de campo), teperatura (10 y 45C), textura (baja proporcin de arcillas), pH del suelo adeciadas (6 y 8) y baja presencia de metales pesados (< 2.500 ppm).

La concentracin de nutrientes en el suelo cuyo rango normal de C:N:P sea de 100:10:1.

El tiempo de actuacin puede ser alto (meses a aos) y el costo bajo.Entre los factores que influyen en la aplicacin de las biopilas destacan:(continuacin)

Su caracterstica principal es la utilizacin de los procesos fisico-quimicos de interaccin contaminante-suelo y los procesos de biodegradacin que tienen lugar de forma natural en el medio. Estos procesos se conocen como procesos de biotransformacin natural

Biorremediacin intrnseca: se deja que el propio ambiente natural resuelva el problema si se determina que en el propio ambiente hay las poblaciones y condiciones optimas( temperatura, pH, nutrientes etc...). An as se sigue un control para asegurarse que no se producen compuestos txicos secundarios. A continuacin se muestra una figura que esquematiza los procesos de degradacin intrnseca que dispone el ambiente: Tambin se conoce como:

Los procesos de biotransformacin natural son aquellos que van a reducir la concentracin de los contaminantes y entre los que se encuentran la dilucin, dispersin, volatilizacin, adsorcin, biodegradacin y aquellas reacciones qumicas que se producen en el suelo o en el agua y que contribuyen de alguna forma a la disminucin de la contaminacin.Esta tcnica se aplica en aquellos casos en los que exista contaminacin tanto en suelos como aguas subterrneas producida por hidrocarburos de tipo halogenado o no halogenado.

Entre los factores que influyen en la eficacia y viabilidad de la atenuacin natural se destacan:

La exigencia de proteccin y el riesgo de los potenciales receptores durante el tiempo que dura la atenuacin.

La existencia de unas condiciones geolgicas y geoqumicas favorables.

Las necesidades de reduccin de la masa contaminante en un intervalo razonable de tiempo (meses a aos), tanto en la superficie del suelo como en la zona ms subsuperficial del mismo, as como de la calidad de las aguas subterrneas.

Confirmacin de la existencia de los tipos y nmero de poblaciones de microorganismos que puedan biodegradar los contaminantes.

Entre los factores que influyen en la eficacia y viabilidad de la atenuacin natural se destacan: (continuacin) Produccin y conservacin en el medio de subproductos de carcter persistente o ms txicos que los iniciales, durante y despus de la atenuacin natural.

No existencia de producto libre en flotacin sobre el nivel fretico

Para condiciones aerobias la condicin ambiental ptima de concentracin de oxgeno disuelto en el agua debe ser superior a 0,5 mg/l. La concentracin de los compuestos utilizados como aceptores de electrones en condiciones anaerobias debe ser superior a 0,21 mg/l para nitratos, la de Fe3+ para que pueda ser reducido a Fe2+ debe ser superior a 21,8 mg/l y la de sulfatos mayor de 0,21 mg/l.

Entre los factores que influyen en la eficacia y viabilidad de la atenuacin natural se destacan: (continuacin) El potencial redox debe estar situado entre un rango de -400 y 800 mV.

Existencia de un coeficiente de retardo favorable para que se produzcan los fenmenos de sorcin con suficiente eficacia.

Que se produzca una dilucin suficiente para que la concentracin se vea disminuida aguas abajo del foco contaminante.

La dispersin de los contaminantes aguas abajo del foco y en la direccin de flujo debe ser adecuada para que exista una mayor disponibilidad proporcin entre los contaminantes y los aceptores de electrones.

FUNDAMENTO BIOQUMICO DE LABIODEGRADACINEl fundamento bioqumico de la biorremediacin se basa en que en la cadena respiratoria, o transportadora de electrones de las clulas, se van a producir una serie de reacciones dexido-reduccin cuyo fin es la obtencin de energa.La cadena la inicia un sustrato orgnico (compuestos hidrocarburados) que es externo a la clula y que acta como dador de electrones, de modo que la actividad metablica de la clula acaba degradando y consumiendo dicha sustancia.

Los aceptores ms comnmente utilizados por los microorganismos son el oxgeno, los nitratos, el hierro (III), los sulfatos y el dixido de carbono.Cuando el oxgeno es utilizado como aceptor de electrones la respiracin microbiana se produce en condiciones aerobias,y los procesos de biodegradacin sern de tipo aerobio;sin embargo, si utiliza los sulfatos o el dixido de carbono se produce en condiciones reductoras o anaerobias, y los procesos de biodegradacin sern de tipo anaerobioFUNDAMENTO BIOQUMICO DE LABIODEGRADACINDegradacin aerobia:Sustrato + O2 biomasa + CO2 + H2O

Degradacin anaerobia:Sustrato + (NO3-, SO42-, Fe3+, Mn4+, CO2) Biomasa + CO2 + (N2, Mn2+, S2+, Fe2+, CH4)

FUNDAMENTO BIOQUMICO DE LABIODEGRADACINLa concentracin y composicin de la comunidad microbiana y la tasa de transformacin de contaminantes est influenciada por diversos factores:1.- NECESIDAD DE NUTRIENTES. Los nutrientes necesarios para el desarrollo de los microbios son el fsforo y el nitrgeno. Por lo general suelen estar presentes en el suelo en cantidades suficientes, si no los hay es necesario aadirlos al suelo.2.- pH DEL SUELO. El crecimiento de la mayora de los microorganismos es mximo dentro de un intervalo de pH entre 6 y 8. 3.- TEMPERATURA. Generalmente las bacterias y los hongos crecen bien a temperaturas entre los 15 y los 45 oC. Decreciendo a temperaturas por encima de los 45 o inferiores o inhibindose a temperaturas inferiores a los O oC.

FUNDAMENTO BIOQUMICO DE LABIODEGRADACIN4.- HUMEDAD : los microorganismos requieren unas condiciones mnimas de humedad para su desarrollo. Un exceso de humedad puede reduce la concentracin de oxgeno en el suelo inhibiendo el crecimiento bacteriano.5.- ESTRUCTURA QUIMICA DEL HIDROCARBURO. Los factores que ms afectan son la existencia de ramificaciones, la poca solubilidad en el agua y la carga atmica.

Al estudiar la biorremediacin hay que tener en cuenta otros factores que puedan influiren el rendimientoEs decir no sirve de nada tener una cepa maravillosa con una alta eficiencia degradadora y que conozcamos muy bien su regulacin si hay factores que limiten su verdadera potencialidad degradadora. Por lo tanto a parte de la eficiencia de las rutas catablicas y los procesos microbianos de re-mineralizacin hay que tener en cuenta que la etapa limitante de la biodegradacin o detoxificacin de la mayora de compuestos en el medio ambiente se relacionan con la biodisponibilidad.

Por eso en este captulo vamos a tratar dos caractersticas microbianas que pueden aumentar esta biodisponibilidad y podran ser utilizadas en tcnicas de biorremediacin. 1.- PRODUCCIN DE BIOSURFACTANTES2.- PAPEL DE LA QUIMIOTAXISEs evidente que si el sustrato no es disponible para la clula esta no lo podr utilizar como sustrato y desgraciadamente esto es lo que sucede con los hidrocarburos que son altamente insolubles en agua o pueden hacer uniones hidrofbicas con substratos ( rocas) haciendo difcil su eliminacin.

Como hemos dicho los hidrocarburos son molculas muyhidrofbicas que forman micelas entre ellas altamente insolubles en agua. Esto hace que la superficie de actuacin que tienen los microorganismos diminuya mucho, por lo tanto disminuye la biodisponibilidad del sustrato. Y es que un paso esencial en la degradacin de hidrocarburos es que estos entren en contacto directo con la membrana para que sea interiorizado y puedan actuar las oxigenasas. Por eso dentro de la versatilidad microbiana no es sorprendente que algunos microorganismos puedan producir una gran variedad de molculas emulsionantes ( biosurfactantes) que como se ha demostrado estimula el crecimiento de estas bacterias degradadoras acelerando por tanto la biorremediacin.

La funcin principal de estos biosurfactantes son:

- Reducir las tensiones entre-fases ( agua-roca por ejemplo).

Dispersar el petrleo aumentando la superficie de contacto

Aumentan la biodisponibilidad de compuestos hidrofbicos.

Tambin tiene funciones evolutivas para los propios microorganismos.

La quimiotaxis es la habilidad que tienen algunos microorganismos flagelados para detectar y responder a compuestos ambientales. Surespuesta puede ser positiva si se dirige hacia el estmulo (presencia de alimento) negativa si se aleja del estmulo (sustancias txicas o desagradables). la razn mas obvia es que estas cepas sern capaces de entrar en contacto con el compuesto a degradar reduciendo problemas de biodisponibilidad. En que aspectos podra la quimiotaxis acelerar el proceso de biorremediacin

BacteriasAchrornobacterAcinetobacterActinomycesAeromonasAlcaligenesArthrobacterBacillusBeneckeaBrevebacteriumCoryneformsErwiniaFlavobacteriumKlebsiellaLactobacillus

LeumthrixMoraxellaNocardiaPeptococcusPseudomonasSarcinaSpherotilusSpirillumStreptomycesVibrioXanthomycesHongosAllescheriaAspergillusAureobasidiumBotrytisCandidaCephalosporiumCladosporiumCunninghamellaDebaromycesFusariumGonytrichumHansenulaHelminthosporiumMucorOidiodendrumPaecylomysesPhialophoraPenicilliumRhodosporidiumRhodotorulaSaccharomycesSaccharomycopisisScopulariopsisSporobolomycesTorulopsisTrichodermaTrichosporonTodos los ecosistemas acuticos y marinos contienen algn tipo de microorganismosdegradadores de petrleo

EL RESULTADO DE ESTA PRUEBA ES MUYIMPORTANTE PARA COMPARAR ESTA NOTA CON LA QUE VA A OBTENER DESPUESDE ESTUDIAR EL MODULO PARA TOMAR ESTA PRE-PRUEBA DEBE SOLICITAR A SU PROFESORUNA HOJA DE SCANTRON PARA ANOTAR SUS RESPUESTAS.

O EN UNA HOJA ESCRIBALAS DE LA SIGUIENTE FORMA:

ESCRIBA EL Nmero de la Pregunta y la Contestacion.Ejemplo: 5 C

AL FINALIZAR LA PRUEBA, OPRIMA EL BOTONCLAVE PRE-PRUEBA.COMPARA TUS RESPUESTAS CON LASDE LA CLAVE Y GUARDA LOS RESULTADOS PARACOMPARAR CON LA POST-PRUEBA.

1.- Los contaminantes de las industrias petrolera y qumica son descompuestos con relativa facilidad por el medio ambiente.---- C--- F2.- La degradacin de los contaminates qumicos y del petrleo la pueden realizar de manera natural los microorganismos--- C--- F3.- La biorremediacin en su proceso de descomposicin de los contaminante utiliza los siguientes organismos:A)Animales pequeosB)Plantas inferioresC)Mezclas de plantas y animalesD)Bacterias, hongos y levaduras

4.- La biorremediacin es un proceso que facilita al hombre la recoleccin del agua o del suelo los derrames de petrleo.--- C--- F5.- Los microorganismos utilizados en la biorremediacin se obtienen para su utilizacin en:A) Laboratorios de microbiologaB) El ambiente natural principalmente C) Yacimientos de petrleo D) El aire6.- Biorremediacin o biorrecuperacion in situ significa..A) Que se realiza en el mismo sitioB) Que el material contaminado se transporta a otro lugarC) Que se hace artificialmente D) Que es muy difcil

7.- En esta tcnica el material contaminado es recogido para ser mezclado con materia orgnica o composta para estimular la biodegradacin.A) BioventingB) Inyeccin de gases (oxgeno)C) BiopilasD) Atenuacin natural8.- Los microorganismos utilizan los compuestos de los contaminantes como fuente de energa y de carbono para descomponerlos en sustancias no-txicas--- C--- F

9.- Los procesos de biorremediacin que se llevan a cabo en presencia de oxgeno se dice que son:A) AnaerbicosB) AerbicosC) QumicosD) Biolgicos10.- Los biosurfactantes son sustancias producidas por los microbios que ayudan a disolver los contaminantes hacindolos disponibles para su descomposicin--- C--- FPara ver las respuesta de la Pre-Prueba oprima el BOTONPRE-PRUEBA/ CLAVE.

AL FINALIZAR LA PRUEBA, OPRIMA EL BOTONCLAVE POST-PRUEBA.COMPARA TUS RESPUESTAS CON LASDE LA CLAVE Y CON LOS RESULTADOSDE LA PRE-PRUEBA.PARA TOMAR ESTA PRE-PRUEBA DEBE SOLICITAR A SU PROFESORUNA HOJA DE SCANTRON PARA ANOTAR SUS RESPUESTAS.

O EN UNA HOJA ESCRIBALAS DE LA SIGUIENTE FORMA:

ESCRIBA EL Nmero de la Pregunta y la Contestacion.Ejemplo: 5 C

1.- La degradacin de los contaminates qumicos y del petrleo la pueden realizar de manera natural los microorganismos--- C--- F2.- La biorremediacin es un proceso que facilita al hombre la recoleccin del agua o del suelo los derrames de petrleo.--- C--- F3.- Biorremediacin o biorrecuperacion in situ significa..A) Que se realiza en el mismo sitioB) Que el material contaminado se transporta a otro lugarC) Que se hace artificialmente D) Que es muy difcil

4.- Los microorganismos utilizan los compuestos de los contaminantes como fuente de energa y de carbono para descomponerlos en sustancias no-txicas--- C--- F5.- Los biosurfactantes son sustancias producidas por los microbios que ayudan a disolver los contaminantes hacindolos disponibles para su descomposicin--- C--- F6.- Los procesos de biorremediacin que se llevan a cabo en presencia de oxgeno se dice que son:A) AnaerbicosB) AerbicosC) QumicosD) Biolgicos

7.- En esta tcnica el material contaminado es recogido para ser mezclado con materia orgnica o composta para estimular la biodegradacin.A) BioventingB) Inyeccin de gases (oxgeno)C) BiopilasD) Atenuacin natural8.- Los microorganismos utilizados en la biorremediacin se obtienen para su utilizacin en:A) Laboratorios de microbiologaB) El ambiente natural principalmente C) Yacimientos de petrleo D) El aire

9.- Los contaminantes de las industrias petrolera y qumica son descompuestos con relativa facilidad por el medio ambiente.---- C--- F10.- La biorremediacin en su proceso de descomposicin de los contaminante utiliza los siguientes organismos:A)Animales pequeosB)Plantas inferioresC)Mezclas de plantas y animalesD)Bacterias, hongos y levadurasPara ver las respuesta de la Post-Prueba oprima el BOTONCLAVE POST-PRUEBA.

I F2 C3 D4 F5 B6 A7 C8 C9 C10CRESULTADOS EN PORCIENTONo. BuenasPorciento10100990880770660550440330220110CLAVE

CLAVE

CFACCCCBFDRESULTADOS EN PORCIENTONo. BuenasPorciento10100990880770660550440330220110