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Introducción General: Bioremediación de
Compuestos Inorgánicos
Dr. Jim Field Universidad de Arizona
Departamento de Ingeniaría Química y Ambiental
• Biodegradación de Orgánicos: transformación catalizada biológicamente de un compuesto a una forma química mas simple
• Mineralización: Conversión de un compuesto orgánico a un producto mineral
Degradación de 2-clorofenol
• Biotransformación: Transformación de un contaminante por medio de un proceso biológico
Ejemplo: metilación de arseniato
Resumen y Definiciones:
bacteria
bacteria
Resumen y Definiciones:
• Fermentación: Glucosa → 2etanol + 2CO2 = 2 ATP
• Respiración Aeróbica:
Glucosa + O2→ 6CO2= 32 ATP Compuesto orgánico
Compuesto orgánico oxidado
Portador de electrones
Flujo de electrones
Fluj
o de
car
bono
Compuesto orgánico reducido
compuesto orgánico
O2
flujo de carbono
Fluj
o de
el
ectr
ones
CO2
Resumen de Metabolismo
• Sustratos Orgánicos Primarios Donadores de Electrones: Sustrato proveedor de energía y sustentador de crecimiento (compuestos orgánicos también provén carbono) Donador de Electrones: El compuesto que dona electrones (que se oxida):
• Clásicamente un contaminante orgánico • Los donadores de electrones son oxidados
CH3(CH2)nCH3 → CO2
• También puede ser un compuesto inorgánico reducido (por ejemplo, el sulfito)
• Donadores de electrones inorgánicos también son oxidados H2S → SO4
2-
Resumen y Definiciones:
Esquema General del Proceso de Degradación de un Contaminante Orgánico como Sustrato Primario
En este ejemplo: - Contaminante hidrocarburo (donador de electrones) se oxida a CO2 - El oxigeno o nitrato (aceptor de electrones) se reduce a H2O o N2 - Contaminante hidrocarburo sirve como fuente de carbono
Energía
Células nuevas
Aceptor de electrones
Producto mineralizado
Contaminante Orgánico
CH3(CH2)nCH3 donador de electrones y
fuente de carbón
electrones y carbono
electrones
oxidación
Esquema General del Proceso de Biotransformación de un Contamínate Inorgánico como Sustrato Primario y
Carbono Inorgánico como Fuente de Carbono
En este ejemplo: - Contamínate sulfurado (donador de electrones) se oxida a SO4
2-
- Oxigeno o nitrato (aceptor de electrones) se reduce a H2O o N2 - Bicarbonato (corbono inorgánico) sirve como la fuente de carbón
Fuente Inorgánica de
Carbono HCO3
-
Compuesto Inorgánico Reducido (e.g. H2S) donador de electrones
Energía y electrones
Células nuevas
Aceptor de electrones
Compuesto inorgánico Oxidado
(e.g. SO42-)
electrones y carbono
electrones
oxidación
Clasificación de Microorganismos en base a la Fuente de Energía y de Carbono
Clasificación Fuente de Carbono Fuente de Energía En base a la fuente de carbón
Autótrofo CO2
Heterótrofo Compuestos orgánicos
En base a la fuente de energía quimoorganotrofo Compuestos orgánicos* Compuestos orgánicos
quimolitoheterotrofo Compuestos orgánicos Compuestos inorgánicos
fotoheterotrofo Compuestos orgánicos Luz
quimolitoautotrofo CO2 Compuestos inorgánicos
fotoautotrofo CO2 Luz
*no distinción entre químicos orgánicos/inorgánicos como fuente de energía, aunque “hetero” es implícito
Autótrofo facultativo: normalmente heterótrofo pero que puede acomodarse a condiciones autotróficas
Resumen y Definiciones:
quimo lito auto trofo
Fuente de Energía:
quimo = reacción química foto = radiación electromagnética (fotones)
Fuente de Carbón:
auto = carbono inorgánico hetero = carbono orgánico
Donador de Electores:
lito = químico inorgánico organo = químico orgánico
“Comedor”
• Ciclo Calvin: Extenso (muchas bacterias autotróficas, algas) 6 CO2 + 12 NADPH = 18 ATP → Fructose -6-fosfato + 12 NAD+ + 18 ADP + 17 fosfato Enzima clave = ribulosa bifosfato carboxylase (RubisCo) CO2 + ribulosa-1,5-bifosfato → 2 3-fosfato- glycerato
• Ciclo Reverso del Acido Cítrico: sulfa bacterias verdes
• Vía Acetil Coenzima A: homoacetogenes, reductores autotróficos del sulfato, metanogenes autotróficos 2 CO2 + 4 H2 = CH3COO- + H+ + 2 H2O Enzima clave=monóxido de carbono deshidrogenase (contiene Ni, Fe, Zn) CO2 + H2 → CO + H2O CO se incorpora al grupo carbonilo (COOH) acetato Otros cofactores importantes: vitamina B12 & tetrahidrofolate
Fijación autotrófica de CO2
Aceptores de Electrones: Compuestos que aceptan electrones de la oxidación de sustancias donadoras de
electrones y que sostienen la respiración
AQDS / AH2QDS-
0.9
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2
0.1 0.0
-0.1 -0.2
O2 / H2O NO3
- / N2
FeOOH / FeCO3
MnO2 / MnCO3
-0.3 CO2 / CH4 SO4
2- / HS-
E0’ (V)
As5+ / As3+
aeróbico
desnitrificación
Reducción disimilatoria del manganeso
Reducción disimilatoria del arsénico
Reducción disimilatoria de hierro
Respiración quinona
Reducción de sulfuro
metanogénesis
Clasificación Aceptor de Electrones Externo
Aeróbicos O2 → H2O
Desnitrificadotes NO3- o NO2
- → N2
Reductores Disililatorios de Fe Fe3+ → Fe2+
Reductores Disimilatorios de Mn Mn4+ → Mn2+
Bacterias halorespiradoras percloroetileno → etene
Bacterias respiradoras quinona quinona (humus)→ hidroquinona
Bacterias reductoras de sulfuro SO42-, → H2S
Metanogenos CO2 or H+ → CH4
Fermentadores Compuestos orgánicos → compuestos orgánicos reducidos
Clasificación de Microorganismos en Base al Aceptor de Electrones Utilizado
Clasificación de Microorganismos en Base a el Aceptor de Electrones Utilizado
• Respiración Aeróbica: Oxigeno elemental (O2) usado como aceptor de electrones.
• Respiración Anaeróbica: Los Microorganismos usan otros químicos como aceptores de electrones: por ejemplo, nitrato, sulfato, hierro (Anaeróbico algunas veces llamado Anoxico en referencia a los anaeróbicos que usan aceptores alternativos de electrones aparte de CO2 o H+ o fermentación)
• Facultativos Anaeróbicos: Normalmente aeróbicos pero pueden acoplarse a condiciones anaeróbicas
Clasificación de Microorganismos en Base a Condiciones Ambientales Extremas
• En Base a la Temperatura: – Termofilos: crecen a altas temperaturas – Mesofilos: crecen en temperaturas moderadas – Psycrofile: crecen en temperaturas bajas
• En Base a Condiciones Ambientales Extremas: – Halofilos: crecen en condiciones salinas y baja humedad – Acidofilos: crecen en condiciones de bajo pH
Aguas Termales en el Parque Nacional de Yellowstone (limite superior organismos fotosintéticos 80°C, aunque se dan los hipertermofilicos que crecen a 110° C).
El Río Tinto en La Palma del Condado, España. El color rojo del río se debe a la alta concentración de hierro disuelto en sus aguas (pH 2).
Los compuestos inorgánicos no contienen carbón. Estos incluyen a los metales pesados como el cobre, arsénico y mercurio; radioactivos como el uranio; fertilizantes con nitratos y fosfatos; y escurrimientos de las operaciones mineras que contienen sulfitos y hierro.
Contaminante Inorgánico Fuente Amonia (NH4
+) Escurrimiento de rellenos sanitarios, estiércol
Nitrato (NO3-) Escurrimiento agrícola, fosas sépticas/drenaje
Sulfato (SO42-), acido sulfúrico Drenaje acido de minas, industria de semiconductores
procesamiento de metales, industria papelera (pulpa)
Sulfito (S2-) Drenaje, Minería
Hierro ferroso (Fe2+) Minería, condiciones anaeróbicas
Arseniato (As5+) o As(OH)3O Tratamiento de agua potable, pesticidas agrícolas
Perclorato (ClO4-) Cohetes, combustible de misiles
Uranio VI (UO22+) Ciclo del combustible nuclear
Cobre (Cu2+) Minería, industria de semiconductores, industria procesadora de metales
Contaminantes Inorgánicos
Drenaje Acido de Minas 1) El drenaje acido de las minas es un problema ambiental muy serio que
afecta cerca de 23,000 km de arroyos en los Estados Unidos.
2) Es el resultado de la oxidación del sulfato de hierro del carbón mineral y de los jales mineros. A medida que la pirita (FeS2) se oxida el agua se hace extremadamente acida y rica en metales pesados como el hierro, manganeso, aluminio, mercurio, plomo, etc.
Agua de drenaje
Deposito de desechos Abiotico o
Thiobacillus s.p.
Abiotico
El Drenaje Acido de Minas se escurre desde St. Kevin Gulch cerca de Leadville, Colorado, área en la que se mina oro, plata, plomo y zinc.
Eutroficación Un lago eutrófico es considerado productivo:
- Niveles y suministro alto de nutrientes
- Densidad alta de plantas y peces
¿Por que es la eutroficacion mala?
- Los niveles de O2 tienen un balance muy
delicado
- Flujo súbito de nutrientes
- Aumenta el crecimiento de plantas (explosión del crecimiento de algas)
- Depleción rápida de O2
Etapas de la Eutroficación A) Crecimiento abundante de
algas en aguas superficiales con luz solar cuando los nutrientes son abundantes
C) Cuando hay temperaturas mas frías, las algas mueren y se precipitan al fondo del lago
C) En la próxima temporada, mas algas florecen en la superficie mientras que el material viejo se descompone en el fondo incrementando la Demanda Biológica de Oxigeno (DBO) y liberando mas nutrientes
• Definición: La destrucción o transformación de un contaminante por los microorganismos a formas del contaminante menos dañinas para remediar un sitio o efluente contaminado
• Como es que los Microorganismos Remedian Compuestos Inorgánicos? (Parte 1)
A) Biotransformación Reductiva a Productos Finales Benignos: Bioconversión de contaminantes inorgánicos a compuestos no dañinos y benignos al medio ambiente Desnitrificación: NO3- + etanol → N2 + CO2
Respiración Perclorato: ClO4
- + etanol → Cl- + CO2
B) Biomineralización: Biotransformación que resulta en la formación de un ligando que precipita los contaminantes inorgánicos dentro de un mineral insoluble Reducción de Sulfato para Precipitar el Cobre: Cu2+
[aq] + SO42- + etanol → CuS[s] + CO2
Bioremediación
Bioremediación • Como es que los Microorganismos Remedian
Compuestos Inorgánicos? Parte 2 C) Precipitación Reductiva: Reducción de la valencia mas alta soluble Reducción de uranio hexavalente a uranito tetravalente:
UO22+
[aq] + etanol → UO2[s] + CO2
Reducción de cromato hexavalente a cromo trivalente: CrO4
2-[aq] + etanol → Cr2O3⋅H2O[s] + CO2
D) Precipitación por oxidación: Oxidación del metal/metaloide soluble de valencia mas baja a un producto insoluble (o menos móvil) de valencia mas alta
Oxidación de hierro ferroso a hierro ferrico trivalente (ferrihidrita): Fe2+[aq] + O2 + H2O → Fe3+
2O3·0.5(H2O) [s]
Oxidación de sulfuro a azufre elemental: S2-
[aq] + O2 → S0[s]
Bioremediación • Como es que los Microorganismos Remedian
Compuestos Inorgánicos? Parte 3 E) Biosorción: Sorción de metales pesados y/o radionúclidos a la
biomasa independiente del metabolismo [Volesky y Holan. 1995. Biotechnol Prog. 11:235]
Adsorción de plomo o cadmio por algas marinas cafés (Sargassum)
2L- 2L- 2L-
Pb2+ Pb2+
Pb2+ Pb2+ Pb2+
Sargassum cell
Fungi (Rhizopus) por Pb, Cd, Cu, Zn etc.
Bioremediación • Como es que los Microorganismos Remedian
Compuestos Inorgánicos? Parte 4 F) Bioacumulación: Consumo de metales (u otros inorgánicos)
dependiente de energía. Una vez adentro de la célula, los metales pueden ser secuestrados o separados por grupos cysteynes o son compartamentalizados en vacuolas de hongos
Mn2+
Mn2+
célula
Mn2+ Mn2+
polyphosphate
PO43-
célula
Ejemplo: Consumo de Mn2+ por Lactobacillus
Ejemplo: remoción biológica de fósforo
Bioremediación • Como es que los Microorganismos Remedian
Compuestos Inorgánicos? Parte 4 (Continuación)
G) Volatilización: Remoción de metales del suelo, sedimento o agua mediante la producción de especies volátiles
Biometilación de selenio
materia orgánica volatilización
Bioremediación
Mecanismos de interacción de microbios y radionuclidos
Bioacumulación: Consumo celular de metales
Biomineralización: Formación de precipitados
metálicos insolubles
Biosorción:
Sorcion química de cationes metálicos vía formaciones complejas con ligancos celulares (L)
Biotransformación:
Reducción de metales de valencia alta a especies insolubles de valencia mas baja in
Quimosorción de metales mejorada microbianamente:
Intercalación de un cation metálico dentro del cristal de un precipitado predepositado
Célula Bacteriana Metal
(oxidado soluble)
Metal
(reducido insoluble)
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