Erijman_bioremediacion.pdf
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Biotecnología y ambiente Bioremediación Bioremediación sustrato transformación Compuesto orgánico (contaminante) CELULA aceptor de electrones • Oxígeno • Nitrato • Sulfato • otros Compuesto modificado pero no completamente eliminado Sistemas enzimáticos mineralización nutrientes • Nitrógeno • fósforo • metales (trazas) Contaminante destruído formación de CO2 + H2O Ecología de la degradación Respiración anaeróbica Biogeoquímica Equivalentes Fe (II) Organicos SO4- H2S NO3- O2 O2 CH4 NO3- +10 pE H2 Especies químicas Aceptores de electrones Fe (III) 0 SO4- CO2 -10 Proceso dominante de aceptor terminal de electrones Respiración aeróbica Desnitrificación Reducción de Fe (III) Reducción de sulfato Metanogenesis Tiempo Distancia de la fuente Reacciones en acuíferos contaminados Diagrama de bioremediación Bioremediation in situ Engineered Biostimulation Adding Oxygen -Bioventing -Biosparging Adding Oxygen and Nutrients ex situ Intrinisic Bioaugmentation Adding Oxygen, Nutrients and Bacteria Landfarming Bioreactor Bioremediación in situ Exxon Valdez Bioremediación in situ bioestimulación Atlas & Bragg, Microbial Biotechnology (2009) 2, 213-221 Bioremediación in situ Exxon Valdez Bioremediación in situ Exxon Valdez La bioremediación no aumenta la extensión de la degradación La bioremediación aumenta la cinética de degradación Limitaciones de la bioremediación Prestige oil spill • recalcitrancia • viscosidad (difusión) • accesibilidad • co-metabolismo Gallego et al, Org Geochem 37: 1869- 1884 Modos de metabolismo microbiano • Cometabolismo: transformación de un compuesto orgánico por un microorganismo incapaz de usar el sustrato como fuente de energía • Los productos de transformación de cometabolismo de un microorganismo son típicamente usados como fuente de energía por otro Sustrato primario o cometabolismo? TCE 2010: Derrame en el golfo de México Actividad científica en las primeras etapas: • Documentar condiciones previas al impacto • Monitoreo del transporte de petróleo • Monitoreo de daño en recursos naturales • Decisiones técnicas para contener el derrame 2010: Derrame en el golfo de México 636 millones litros de petróleo 5.000.000 litros dispersante! OD ? 2010: Derrame en el golfo de México Aumento en densidad celular en la pluma Descenso en OD sugiere catabolización de HC Hazen et al., www.sciencexpress.org / 24 August 2010 / Page 1 / 10.1126/science.1195979 2010: Derrame en el golfo de México 16S rRNA PLFA Cambios en la composición de las comunidades microbianas Hazen et al., www.sciencexpress.org / 24 August 2010 / Page 1 / 10.1126/science.1195979 2010: Derrame en el golfo de México Psychrophilic, hydrocarbon degrading Bacteria, as well as uncultured organisms from low temperature, hydrocarbon dominated environments are shown in blue Hazen et al., www.sciencexpress.org / 24 August 2010 / Page 1 / 10.1126/science.1195979 2010: Derrame en el golfo de México 4,000-5,000 genes funcionales detectados por muestra 1652 genes involucrados en la degradación de hidrocarburos Hazen et al., www.sciencexpress.org / 24 August 2010 / Page 1 / 10.1126/science.1195979 2010: Derrame en el golfo de México La composición funcional de la comunidad microbiana resultó significativamente diferente entre muestras dentro y fuera de la pluma Hazen et al., www.sciencexpress.org / 24 August 2010 / Page 1 / 10.1126/science.1195979 2010: Derrame en el golfo de México • Existe una gran diversidad de poblaciones que degradan HC en la pluma a altas profundidades del ambiente marino • Las comunidades microbianas están sujetas a una rápida adaptación en respuesta a la contaminación • Existe el potencial para la bioremediación intrínseca de la contaminación de petróleo Hazen et al., www.sciencexpress.org / 24 August 2010 / Page 1 / 10.1126/science.1195979 2010: Derrame en el golfo de México Nature, Vol 466, 12 Aug 2010, p. 802 Bioremediación ex situ: 1. Land farming 1. 2. 3. 4. 5. Impermeabilización Excavado Remoción de piedras Fertilización Arado Bioremediación ex situ: 1. Land farming Ventajas • Bajo costo • Simple para diseñar y operar • Tiempos de tratamiento relativamente cortos (6 meses-2 años) Desventajas • Requerimiento de grandes áreas • Liberación de compuestos volátiles • Necesidad de impermeabilización • Vulnerabilidad a metales pesados • Degradación incompleta Bioremediación ex situ: 2. Soil piling Humedad/ nutrientes Capa de grava Suelo contaminado Capa impermeable Colección de lixiviado Bioremediación ex situ: 2. Soil piling Bioremediación ex situ: 3. Composting Agregado de mat. voluminoso 30% Agregado de nutrientes Agregado de materia orgánica Temp: 55 oC Bioremediación ex situ: 3. Composting windrows Ancho: 3-4 m Altura : 1-1.5 m Aireación : mezcla (1/d - 1/mes) Bioremediación ex situ: 4. Bioreactor (slurry phase) Suelo contaminado Líquido contaminado Vapor Agitador Control de temperatura Nutrientes Salida de líquido Suelo a secar Entrada de aire Bioremediación + • Menor costo que opciones alternativas • En muchos casos no produce residuos secundarios • Pozos de inyección se tapan • Toxicidad • Baja “bio-disponibilidad” • Difícil de implementar en acuíferos de baja permeabilidad • Monitoreo y mantenimiento continuo Principales temas en bioremediación • Aspectos regulatorios y reportes independientes de estudios controlados • Bioremediación de compuestos recalcitrantes en ambientes complejos • Predicciones basadas en modelos cinéticos tradicionales no funcionan • Como saber que está funcionando? • Cuan limpio es limpio? Potencial de bioremediación Se degrada el contaminante en el laboratorio? SI Estimación de la tasa de eliminación ( o inmovilización) Aislamiento en cultivo NO No es posible la degradación Potencial de bioremediación Alguna bacteria presente tiene los genes necesarios? (probes para DNA) FGA, Real time PCR SI NO Se expresan los genes catabólicos? (probes para mRNA) FGA, Real time PCR SI NO Están activas las enzimas? (probes de actividad enzimática) SI degradación Búsqueda de nuevas actividades Cultivo, Metagenómica No hay degradación NO No hay degradación Manipulaciones iterativas Monitoreo de bioremediación Estudio de tratabilidad: toma de decisiones Estrategia de tratamiento: atenuación natural, bioestimulación, bioaumentación BIOREMEDIACION Monitoreo Estructura y dinámica de la comunidad Fingerprinting, CGAs, Real time PCR SI Función de la comunidad Metatranscriptomics Metaproteomics Metabolomics Concentración del contaminante y/o transformación? Biosensores Reacciones catalizadas por microorganismos • Desclorinación: un átomo de cloro es remplazado por un átomo de hidrógeno Cl2C = CHCl + H+ ClHC = CHCl + Cl• Hidrólisis: ruptura de una molécula orgánica con adición de agua RCOOR’ + H2O RCOOH + R’OH • Clivaje: División de una cadena orgánica en dos segmentos RCOOH RH + CO2 • Oxidación: Reacción con formas nucleofílicas de oxígeno (H2O, OH-) CH3CHCl2 + H2O CH3CCl2OH + 2H+ + 2e• Reducción: Reacción con formas electrofílicas de hidrógeno (H+) CCl4 + H+ + 2eCHCl3 + Cl• Dehidrohalogenación CCl3CH3 CCl2CH2 + HCl http://umbbd.msi.umn.edu/index.html Microbial biocatalytic reactions and biodegradation pathways • 188 pathways • 1293 reacciones • 1199 compuestos • 833 enzimas • 467 microorganismos • 50 grupos funcionales orgánicos Bioaumentación The reservoir contains up to a 30-day supply of Bacta-Pur® beneficial biotechnologies and nutrients. The nutrients have been specially developed to allow rapid growth and to optimize nitrifier production. A dosing pump transfers precise quantities of bacterial/nutrient mixture to the bioreactor. Stallwood et al., Low temperature bioremediation of oil-contaminated soil using biostimulation and bioaugmentation with a Pseudomonas sp. from maritime Antarctica J. Appl. Microbiol. 99, 794–802 (2005) Problemas con la bioaumentación Pseudomonas, Rhodococcus, etc. Agentes de biodegradación Consumo de Producción de C biomasa + +++ +++ - Adaptación, selección, depredación, tropismo Limitaciones a la biodegradación • Falta de inducción del operón catabólico • Falta de reconocimiento del sustrato • Stress celular (contaminante o ambiente) • Caos metabólico por múltiples contaminantes • Baja solubilidad • Balance termodinámico del proceso de degradación
