Embed Size (px)
Citation preview
CURSO DE
BIORREMEDIACION
Dra. Josefina Pérez Vargas
Empresas que manifiestan
la generación de residuos
peligrosos
12,514Universo potencial de
residuos peligrosos generados
8’000,000 ton/año
Universo potencial de
empresas generadorasde residuos peligrosos
> 100,000
Residuos Peligrosos
manifestados 3’183,250.74 ton/año
Servicios
Generación reportada y potencial
de residuos peligrosos
PASIVOS AMBIENTALES
ESTIMADOS EN 10 MILLONES DE
TONELADAS
Fuente: Instituto Nacional de Ecología, Agosto 1999
HIPOTESIS DE GALE (1952)
Los mo. pueden degradar cualquier
substancia orgánica
Para cualquier sustancia, existe al
menos un microorganismo capaz de
degradarla bajo las condiciones
apropiadas. Si no, adaptación y evolución
van a producir al tal mo.
ALEXANDER (1962)
¿Pueden los microbios desarrollar
habilidades degradativas durante
nuestra generación?
HORVATH (1972)
¿Donde reside la falla en demostrar
biodegradación de alguna sustancia
recalcitrante, en el microorganismo
o en Homo sapiens?
La rápida reproducción de bacterias no
tiene paralelo en la biología, y cambios
evolutivos son relativamente comunes
(ej., resistencia a antióbicos)
mo evolucionan para aprovechar
la oportunidad de degradar
contaminantes
(ej. Dehalobacterium restrictus)
MICROORGANISMOS
HUMEDAD
NUTRIENTES TEMPERATURA
AUSENCIA DE TOXICIDAD
REMOCION DE METABOLITOS
AUSENCIA DEORGANISMOS COMPETITIVOS
BIORREMEDIACION
FUENTE DEENERGIA
ACEPTOR DEELECTRONES
pH
INTERRELACIONES DE LOS COMPONENTES
ESENCIALES QUE DETERMINAN EL EXITO DE LA
BIORREMEDIACION
Sustrato (contaminante)
AmbienteMicroorganismos
BiodisponibilidadBiodegradabilidad
Requerimientos fisiológicos
Modelo conceptual de la adsorción del
contaminante, solubilización micelar y
biodegradación
Micela
Monómero
Absorción del surfactante
bicapa
Biomasa
Biodegradación
Absorción del
contaminante
Contaminante
disuelto
TEMAS
1.- COMPOSICION DEL SUELO
Textura del Suelo
Fracción orgánica y fracción
2.- FUENTES DE CONTAMINACION
3.- EFECTOS DE LA CONTAMINACION
Los suelos están representados por la capa de corteza terrestre que se encuentra en
contacto con la atmósfera. Son de fundamental importancia porque en ellos se
desarrolla la vida, dado que sobre él se asientan las plantas en general, a la vez que
es el hábitat de numerosos animales.
Sin embargo, una gran parte de la superficie del planeta está formada por capas de
hielo, arena o agua en contacto con la atmósfera, y no se considera suelo en sentido
estricto
Se denomina suelo al conjunto de materiales constituidos por productos minerales de
meteorización (arena, arcilla, etc.), restos orgánicos procedentes de la descomposición
de material vegetal y animal (humus) , aire y agua.
Esta capa no suele superar más de dos metros de profundidad.
Si se realiza un pozo profundo, es decir un corte del suelo en sentido vertical, se
distinguen básicamente, tres capas u horizontes.
SUELOS
Sus componentes gaseosos son básicamente O, N, CO y el agua que
contienen puede ser higroscópica, capilar o freática, de acuerdo con los
casos y tipos de suelos
La cantidad de materia orgánica presente en un suelo depende de los
restos de animales y plantas, descompuestos por las bacterias y
hongos que viven en él.
La formación y el mantenimiento de un suelo rico en minerales y materia
orgánica constituye un ciclo que se renueva constantemente, ya que los
nutrientes son absorbidos por las plantas desde el suelo y vuelven a él
cuando mueren organismos vivos. Una buena parte de la materia
orgánica está formada por células microbianas y sus restos.
La fertilidad del suelo depende de la capacidad que tiene para permitir que
crezcan vegetales, y varía de acuerdo con la cantidad de materia orgánica
y minerales que contenga. Cuando el suelo carece de los elementos
requeridos para el crecimiento de las plantas, el suelo es estéril
CORTE DE UN SUELO
La más importante de estas capas es la superior. Allí se
encuentran los organismos descomponedores, los cuales
desintegran la materia orgánica que suministra los nutrientes
de las plantas. Sin esta capa no sería posible la vida vegetal.
La composición de los suelos depende del tipo de roca que
les da origen y del tipo de organismos que se desarrollan en
ellas. En consecuencia hay suelos muy variados.
Las ciencias que estudian el suelo son la Edafología, desde
el punto de vista orgánico, y la Pedología, que analiza sus
componentes inorgánicos .
CORTE DE UN SUELO
Formación de los suelos
Una vez fría la superficie terrestre, quedó determinado
un manto rocoso o roca madre, a partir del cual, luego
de una serie de transformaciones, se originó el suelo.
Esas transformaciones fueron el resultado de la acción
combinada de diferentes variables climáticas
(humedad, precipitaciones, temperatura) del tipo de
roca donde actuaban esas variables, del relieve, de la
vegetación y del tiempo.
La formación del suelo es un proceso en etapas en el que las rocas se
dividen en partículas menores mezclándose con materia orgánica en
descomposición.
1ª etapa
Roca madre expuesta a la erosión
El lecho rocoso empieza a deshacerse por
distintos procesos erosivos (ciclos de hielo-
deshielo, lluvia, viento, etc.).
Suelo orgánico poco evolucionado.
2ª etapa
Degradación
Comienza la meteorización física y química de la
roca. El lecho se va desintegrando dividiéndose
en partículas menores y consolidándose en
diferentes capas u horizontes.
3ª etapa
Suelo mineral bruto, poca mineralizado
Los organismos de la zona contribuyen a la
formación del suelo desintegrándolo cuando
viven en él y añadiendo materia orgánica tras
su muerte. En esta etapa, el suelo puede
contener un horizonte B, donde se almacenan
los minerales.
4ª etapa
Colonización vegetal
El suelo va evolucionando con nuevas
capas. Con el tiempo, puede llegar a
sustentar una cobertura gruesa de
vegetación reciclando sus recursos de
forma efectiva.
El horizonte A, más próximo a
la superficie, suele ser más
rico en materia orgánica, en el
humus abundan los
componentes orgánicos, que
provienen de la
descomposición de animales
y plantas.
En el B abundan los minerales
infiltrados;
el horizonte C contiene más
minerales y sigue
pareciéndose a la roca madre.
5ª etapa
Humificación y mezcla
Queda conformado un suelo joven donde se distinguen los tres
horizontes (A B y C)
Clasificación de los suelos
Los suelos se clasifican según su textura, estructura,
porosidad, color y composición química.
La mayoría de los suelos tienen capas características,
llamadas horizontes; la naturaleza, el número, el
grosor y la disposición de éstas también es importante
en la identificación y clasificación de los suelos.
Las textura del suelo está dada por las proporciones
de partículas de distintos tamaños que lo constituyen.
La textura afecta en gran medida a su productividad
Los suelos con un porcentaje elevado de arena no almacenan agua
suficiente para el buen crecimiento de las plantas y pierden grandes
cantidades de minerales hacia el subsuelo.
En cambio, los que contienen mayor cantidad de partículas pequeñas
(arcillas y limos) son buenos depósitos de agua y minerales, aunque a
veces los suelos muy arcillosos, retienen exceso de agua y no permiten una
buena aireación del mismo.
La estructura está dada por el tamaño, forma y distribución de los
agregados de estas partículas. La porosidad, por la cantidad y la
distribución de los espacios entre las partículas minerales del suelo. La
cantidad de agua retenida depende del tamaño y de la disposición de los
poros en el terreno.
En suelos gruesos y desagregados, el agua tiende a drenarse hacia abajo
por la acción de la gravedad, dejando un pequeño remanente; los
compuestos por partículas finas suelen tener más porosidad, reteniendo
mayor cantidad de agua
El color, lo más notable de los suelos,
permite evaluar sus características.
Los tonos amarillentos son señal de
suelos poco fértiles y de poco drenaje,
y los más oscuros indican la presencia
de humus y materia orgánica
Cuando un terreno queda cubierto por bosques, las
sustancias orgánicas e inorgánicas penetran en la
tierra y al ser transportadas por las aguas
subterráneas forman una capa y consolidan otras
partículas en una masa densa y sólida
Color del suelo
Uno de los criterios más simples para calificar las variedades de
suelo es el color.
Generalmente se cree que los suelos más oscuros son más
fértiles que los más claros.
Los colores más comunes de los suelos son: marrón oscuro,
rojo, amarillento o grisáceo
MARRON OSCURO O NEGRO: el suelo de este color
suele ser el resultado de la presencia de gran cantidad
de humus; pero a veces estos suelos deben su tono a
la materia mineral que lo compone o a humedad
excesiva, por lo que no indica fertilidad.
ROJO O CASTAÑO ROJIZO: toma esta coloración por
la presencia de gran cantidad de óxido de hierro y es
indicio de que el suelo está bien drenado, no es
húmedo en exceso y es fértil. También el color puede
ser debido a minerales formados en épocas recientes
y no disponibles químicamente para las plantas.
AMARILLO o AMARILLENTO: estos suelos tienen
escasa fertilidad y deben su color a óxidos de hierro
que han reaccionado por estar en contacto con
excesiva agua, por lo que es señal de un terreno mal
drenado.
GRISACEO: Suelen tener esa coloración por dos
razones; deficiencia de hierro u oxígeno, o exceso de
sales alcalinas, como el carbonato de calcio
HumusEs la parte orgánica del suelo, que
procede de la descomposición de los
organismos vegetales y animales, de
sus secreciones, excreciones, etc. Su
color oscila entre el pardo y el negro.
Al descomponerse en humus, los
residuos vegetales se convierten en
formas estables que se almacenan en
el suelo y pueden ser utilizados como
alimento por las plantas.
Contribuyen a su formación bacterias
descomponedoras, bacterias
nitrificantes, lombrices de tierra y otros
pequeños organismos del suelo.
Estos microorganismos atacan y digieren los compuestos orgánicos que
constituyen la materia viva, reduciéndola a formas más simples.
A partir de las proteínas animales y vegetales la acción de las bacterias
forma amoníaco; unas bacterias oxidan el amoniaco para formar nitritos,
y otras actúan sobre los nitritos para constituir nitratos, un tipo de
compuesto del nitrógeno que puede ser utilizado por las plantas.
Existen dos grandes tipos de humus:
El ácido no saturado que es propio de turberas, suelos pobres y
ecosistemas con escasa flora bacteriana; los organismos más
frecuentes que alberga son hongos y pequeños artrópodos, y
El humus saturado o neutro: este tipo es de reacción generalmente
alcalina, posee consistencia porosa y se descompone con facilidad. Es
propio de bosques de caducifolios y praderas de clima templado o
cálido. Abundan en él las bacterias, las lombrices y los grandes insectos
El humus se encuentra ligado con la arcilla, con la que constituye
un material que retiene agua y elementos nutritivos.
La cantidad y la calidad del humus son esenciales para mejorar el
valor agrícola de un suelo, ya que fortalece las tierras ligeras y da
soltura a las compactas, favoreciendo la descomposición y
disgregación de las rocas. Sustenta la flora microbiana del suelo.
Bajo condiciones naturales, así como en zonas que no han sido
nunca perturbadas por cultivo o deforestación, hay un equilibrio
entre la cantidad de humus destruido por descomposición total y
la materia añadida por la putrefacción de plantas y de cuerpos
animales.
En las zonas de cultivo, el humus se agota por la sucesión de cosechas,
y el equilibrio orgánico se restaura añadiendo humus al suelo en forma
de compost o estiércol
Horizontes
Los suelos están formados por capas
u horizontes. En general, su perfil
presenta tres horizontes:
A, B y C
Se han establecido diversas
clasificaciones del suelo; así, una
forma de designar un suelo consiste
en mencionar los horizontes que
presenta, por ejemplo: Suelo ABC,
suelo AC, etc.
Horizonte A o aluvial
Es la capa más superficial, que contiene una capa
oscura y rica en humus y sustancias minerales. El
humus es el componente fértil de los suelos, que los
hace aptos para los cultivos.
En este horizonte hay gran cantidad de
microorganismos, hongos y bacterias.
Horizonte B o iluvial
Es la capa donde se acumulan los materiales
lavados del horizonte A que llegan por procesos de
infiltración. Predominan las partículas minerales y
los componentes orgánicos procedentes de restos
de plantas y materiales en descomposición.
Horizonte C o inferior
Esta capa es el resultado de la alteración de la roca
madre. Está constituido por pequeños fragmentos
de rocas, más o menos alteradas, provenientes de
ella.
Vegetación
La vegetación también juega un rol importante en la alteración de
las rocas. La acción de los vegetales (meteorización orgánica)
provoca la destrucción de las rocas por efectos mecánicos (raíces)
o por disolución (segregación de ácidos).
Plantas, como los líquenes, descomponen determinadas rocas al
extraer hierro y nutrientes solubles de sus minerales originales. Así,
la meteorización química altera la composición mineral original de
la roca .
Los líquenes son una combinación de un alga y un hongo y tienen un papel ecológico
relevante por contribuir a la erosión de las rocas.
Los procesos de meteorización también ayudan a la formación del suelo,
agregando material orgánico a las rocas.
A partir de la roca desnuda, la vegetación se implanta poco a poco, primero
líquenes, a continuación especies herbáceas seguidas de otras arbustivas
y, por último, arbóreas.
Esta unión forma un bosque en equilibrio dinámico con la fauna, el suelo y
el clima.
En terreno sin alterar, los suelos están protegidos por el manto vegetal.
Cuando la lluvia cae sobre una superficie cubierta por hierba u hojas, parte
de la humedad se evapora antes de que el agua llegue a introducirse en la
tierra.
Los árboles y la hierba hacen de cortavientos y el entramado de las raíces
ayuda a mantener los suelos en el lugar, frente a la acción de la lluvia y el
viento.
Cuando un suelo fértil pierde su cubierta
vegetal, se erosiona y adquiere las
características de un desierto. Si esto se
produce por agentes naturales, como el
cambio de clima, se habla de desertificación.
La deforestación es una de las causas de la
desertificación y la degradación de los suelos,
como así también de las inundaciones.
Deforestación
Es la disminución de las superficies cubiertas por bosques.
La deforestación es la causa principal de la pérdida de protección del suelo
y actúa como un detonador del comienzo de los diferentes procesos
erosivos. Los bosques contribuyen a regular el clima y el caudal de las
aguas, a conservar su calidad y a proteger a los suelos de la erosión.
También desempeñan un papel clave en el almacenamiento del carbono; si
se eliminan, el exceso de dióxido de carbono en la atmósfera puede llevar a
un calentamiento global de la Tierra, con multitud de efectos secundarios
problemáticos.
En la actualidad, las causas principales son las necesidades de madera y
pasta de papel, el uso en algunos lugares de la madera como combustible,
el crecimiento progresivo de las superficies destinadas al cultivo y
pastoreo, y los incendios forestales.
En el corazón de un bosque, los vientos secos, las altas temperaturas y los
largos meses sin lluvias resultan una combinación explosiva.
Año tras año, el fuego arrasa con millones de hectáreas
de bosques y selvas. A veces, cuando los incendios se
extienden demasiado, la zona no se recupera y el paisaje
cambia para siempre. Pero otras veces, los bosques
resurgen de las cenizas e incluso se renuevan gracias al
fuego.
Para cubrir el área talada, se arboriza sobre todo con
especies de crecimiento rápido, como el pino y el
eucalipto, que en 8 años pueden ser talados nuevamente.
El problema radica en que un bosque talado no puede
reforestarse, porque ello significaría plantar exactamente
las mismas especies que se talaron, las cuales por lo
general demoran cuarenta años en crecer. Y esto, desde
el punto de vista comercial, no es rentable.
La degradación del suelo puede producirse por causas
naturales, o por la intervención del hombre, y deberse a varios
procesos: erosión, salinización, contaminación, etc.
El empobrecimiento natural del suelo se puede producir por
causas climáticas, como un período prolongado de lluvias que
provoca el lavado de nutrientes y sustancias alcalinas, y
procesos desarrollados a mayor escala, como la desertificación.
También se llama degradación a la sustitución de los
componentes de una comunidad vegetal por otros que difieren
más de las condiciones originales de la vegetación.
Por ejemplo, en la región mediterránea, el bosque degradado da
paso al matorral, y éste a la vegetación subdesértica.
DEGRADACION DEL SUELO
La degradación de las formaciones vegetales se debe a la
intervención humana y puede tener numerosas causas,
como la tala selectiva de especies forestales o la
construcción de caminos para arrastrar los troncos.
El proceso de degradación más importante es la pérdida
de suelo por acción del agua, el viento,la acción de los
vehículos y el pisoteo de humanos y animales. La pérdida
de materia orgánica debida a la erosión y a la oxidación
degrada el suelo y reduce también la estabilidad de sus
agregados que, bajo el impacto de las precipitaciones,
pueden dispersarse.
Este proceso puede llevar a la formación de una corteza
sobre el suelo que reduce la infiltración del agua e inhibe
la germinación de las semillas.
LOS SUELOS
El origen de los suelos
Se parte de un material originario denominado regolito (materia mineral) sealtera por procesos físicos y químicos llamados meteorización esgeoquímica y se lo reconoce como el precursor del proceso depedogénesis. Pero además el material expuesto directamente a laatmósfera puede ser rápidamente colonizado por organismos vivos;desde microorganismos (bacterias, algas, hongos, etc) hasta los vegetalessuperiores que tienen su hábitat en los primeros centímetros de la corteza yque denominamos meteorización biogeoquímica. Por ello se puedeestablecer que en ese momento, en que el material superficial empieza aser alterado, comienza a evolucionar un suelo
Definición: Es la cubierta superficial de la mayoría de la superficie
continental de la Tierra. Es un agregado de minerales no consolidados
y de partículas orgánicas producidas por la acción combinada del
viento, el agua y los procesos de desintegración orgánica.
Factores formadores del sueloS= Material originario, topografía, tiempo, materia orgánica, rocas, clima, otros factores
El suelo como un sistema abierto
Pérdida
lateral
lixiviadometeorización
Transformaciones
y traslocaciones
intrasolum
Ganancia
lateral
DepositaciónErosión
Intercambio de energía vía
insolación e irradiación
Biociclado
vía animal o
vegetal
Intercambio de agua vía
precipitación y
evapotranspiración
LA IMPORTANCIA DE LOS SUELOS
EL CONOCIMIENTO BÁSICO DE LA
TEXTURA DEL SUELO ES IMPORTANTE
PARA LOS INGENIEROS QUE
CONSTRUYEN EDIFICIOS,
CARRETERAS Y OTRAS ESTRUCTURAS
SOBRE Y BAJO LA SUPERFICIE
TERRESTRE.
SIN EMBARGO, LOS AGRICULTORES
SE INTERESAN EN DETALLE POR
TODAS SUS PROPIEDADES MUY
IMPORTANTES PARA LA PRODUCCIÓN
AGRÍCOLA GANADERA.
PERO POR SOBRE TODAS LAS COSAS
EL SUELO ES EL SOPORTE FÍSICO
SOBRE LA CUAL SE DESARROLLAN LA
MAYORÍA DE LOS ECOSISTEMAS
TERRESTRES
Estructura de un sueloComo resultado del procesos de
edafización el suelo se conforma de
diversas capas.
PRINCIPALES TIPOS DE
SUELOS
Molisol: típicos
de praderas
con horizonte
superior
oscuro por el
humus y la
materia orgánica
acumulada
Oxisol: típico
en regiones
tropicales y
subtropicales
(Misiones), su
color se debe a
oxidos de
hierro, arcillas y
algo de materia
orgánica.
Podzol: típicos
bajo bosques de
coníferas. Con
un horizonte
grisáceo,mezcla
de materia
orgánica e
hidróxido de
alumínio, PH
ácido.
Vertisol:
típicos en
ambientes
inundables,
alto
contenido de
arcilla y
materia
orgánica,
secos
muestran
grietas
Aridisol: típicos
de ambientes
áridos, poco
desarrollo de
horizontes,
escasa materia
orgánica y
presencia de
material original
LA HISTORIA DE LAS LLANURASDefinición: Es un área con un relieve general pequeño o nulo, donde los elementos
topográficos locales son más significativos que la pendiente regional. El agua, en
particular, presenta un comportamiento característico: la escorrentía es sumamente
pequeña comparada con la evaporación y la infiltración, las redes hidrográficas
están mal desarrolladas y son poco eficientes (Iriondo, 1986). Una llanura puede
estar ubicada a cualquier altura sobre el nivel del mar. La llanura Chaco-pampeana
es una de las grandes planicies del mundo (500.000 km2).
Estructura: (variables de estado) Dinámica:(variables de transformación)
La memoria de las llanuras: En general constituyen importantes áreas de acumulación de
sedimentos durante el pasado geológico, el estudio de los materiales constituyentes devela las
características tectónicas y paleoclimáticas que predominaron en el pasado. Es decir
acumulación de la información.
Depósitos sedimentarios
Lagos y pantanos
Rocas heredadas
Ríos y arroyos
Pendiente regional
Meteorización o alteración
Inundaciones y anegamientos
Transporte (ríos y arroyos, viento)
Sedimentación (acumulación por desbordes de ríos y arroyos)
Formación de suelos
Oscilaciones del nivel freático
...del problema a la acción
Los sitios contaminados.......
del problema.......
Los sitios contaminados
....a la acción
Formulación de planes de ordenamiento que
impliquen refuncionalización
Decisión política para la investigación y
recuperación de sitios contaminados
Ocurrencia reconocida de
eventos contaminantes
Denuncias ante organismos públicos
Probable presencia de pasivos ambientales
INVENTARIO DE SITIOS POTENCIALMENTE CONTAMIN ADOS
CARACTERIZACIÓN Y PRIORIZACIÓN DE LOS SITIOS
DETERMINACIÓN DE PRIORIDADES DE ACTUACIÓN Y ACCIONES DE
RESTAURACIÓN Y PREVENCIÓN DE LA CONTAMINACIÓN
INVESTIGACIÓN DETALLADA
ALGUNAS SITUACIONES QUE DETERMINAN LA
NECESIDAD DE INVESTIGAR SITIOS CONTAMINADOS
Definiciones de Biodegradación
Biodegradación: transformación catalizada biológicamente de
un compuesto a formas mas simple
Mineralización: transformación biológica de un compuesto
orgánico a formas minerales
OH
Cl
Cl- + CO2
p.e. clorofenol a HCl y CO2
Típicamente el compuesto utilizado como
sustrato primario es mineralizado
Biotransformación: Transformación de contaminante por
un proceso biológico
Conversión de trinitrotolueno
a triamino-toluene
NO2
O2N
NO2
NH2
H2N
NH2
Esquema General de Biodegradación
Contaminante como Sustrato de Crecimiento (primario):
Sustrato que sirve como fuente primaria de carbono y energía
Definiciones de Biodegradación
Donador de Electrones : El compuesto que dona electrones
(compuesto que se oxida)
Donador de Electrones se
oxida
Típicamente un compuesto orgánico
Ejemplo de reacción de bioremediación
CH3(CH2)nCH3 CO2
CH3(CH2)nCH3 + O2 CO2 + H2O
Donador de Electrones
Aceptor de Electrones
oxidación
reducción
Respiración Aeróbica: Reacción biológica que utiliza oxígeno
como aceptor de electrones
Terminologia: Aceptores de Electrones
Respiración Anaeróbica: Microorganismos que utilizan otro
aceptor de electrones en lugar de oxígeno
p.e. nitrato, sulfato, CO2 (reaccion anóxica o anaerobia)
Fermentación: El sustrato sirve como donador y aceptor de
electrones (aceptor de electrones es “interno”)
Primero hay una oxidación parcial a un producto intermedio oxidado
Despues hay una reducción del intermedio oxidado para regenerar
los cofactores portadores de electrones
Respiración : Aceptor de electrones tiene origen fuera de célula
Esquema General de Fermentación y Respiración
Compuesto orgánico
Compuesto
orgánico
parcialmente
oxidado
portador de
electrones
flujo de electrones
flu
jo d
e c
arb
ón
Compuesto orgánico reducido
glucosa
piruvato
etanol
NADH
Compuesto
orgánico
O2
flujo de carbón
flu
jo d
e e
lectr
on
es
CO2
H2O
Fermentación Respiración
NO3- N2
SO42- H2S
CO2 CH4
anaeróbica
Halorespiración: Una reacción biológica en que un hidrocarburo
clorado es utilizado como aceptor de electrones (respiración
anaerobia) para apoyar el crecimiento microbiano
Terminologia: Descloración
Requiere donadores de electrones simples (p.e. H2)
Descloración Reductiva : Una reacción biológica en que un
grupo cloro es reemplazado por un grupo de hidrógeno
La reacción involucra transferencia de 2 electrones
R-Cl + 2e- + 2H+ R-H + HCl
C C
Cl
ClCl
Cl
H2 HCl
C C
H
ClCl
Cl
E' = 0.57 V
Esquema General de Biodegradación
Contaminante como Aceptor de Electrones: Sustrato que sirve
como aceptor de electrones de respiración apoyando crecimiento
Aceptores de ElectronesDonadores de Electrones
Torre de Electrones (Potencial de Reducción)
Relación G’ con E’
G' = -n f E’
E’ = E’ e aceptor - E’ e donador
f = constante faraday, 96.48 kJ/Ve- eq
n = # equivalentes electrones (e- eq) transferido
Potencial de Reducción Estandardizado (E’) se puede utilizar
para calcular el Cambio de Energia Libre de Gibbs
Estandardizado (G’)
Uso Preferencial de Aceptores de Electrones Según
la Energía Libre Disponible
Esquema de Biodegradación de Compuestos Xenobióticos
Primero: perdida de carácter xenobiótico; Después: metabolismo típico
Compuesto
Xenobiótico
Intermediario
Metabôlico
enzimas
especificas
catabolicas
monooxigenasas
dioxigenasas
hidrolasas
dehidrogenasas
amidasas
transferasas
NH4+, Cl-, SO4
2-
acceptor de electrones
O2, NO3-, SO4
2-
NAD(P)H
ATP
Productos Mineralizados Celulas, Crecimiento
CO2, H2O
Ru
ta A
lta
Ru
ta B
aja
Biodisponibilidad
Razones para Resistencia a Biodegradación 1
Toxicidad
Directamente o por productos de biotransformación
Estructura Química
Reacción imposible termodinámicamente
No se forma enlace entre enzima y sustrato (impedimento
estérico)Demasiado grande para acumulación bacteriana
Baja solubilidad acuosa
Adsorción a partículas del suelo
Absorción a líquidos de fase no acuosos (NAPL)
Contaminación envejecida
Factor Ambiental Limitante
Razones por Resistencia a Biodegradación 2
Microorganismo o Enzima
Competición con Reacción Química
Polimerización oxidativa a compuestos humicos
inertes
Concentración de sustrato (contaminante) demasiado bajo
Limitación de nutriente, vitamina , aceptor de electrones o
cosustrato
Extremo en temperatura, humedad o pH
Biocatalizador no existe
No enriquecimiento previo de microorganismos en el sitio
Tendencias Generales Estructura-Biodegradación
Aumento en el numero de grupos atractores de electrones
Tasas disminuyan con el aumento de grupos nitro (R-NO2)
Tasas disminuyan con el aumento de grupos cloro (R-Cl)
Tasas disminuyan con el aumento de grupos azo (R-N=N-R)
Tasas disminuyan con el aumento de grupos sulfonato (R-SO3-)
Parte I: Tendencias Aeróbicas
ClCl
Eliminación de Bifenilos
Policlorados (PCBs) en
Lodos Activados como
Función de Grado de
Cloración (Tucker et al
1975)
Tendencias Generales Estructura-Biodegradación
Posición de grupo sustituyente
Carbón terminal () comparado con carbón o
Parte I: Tendencias Aeróbicas (continuación)
COOH
R
COOHR
R = Cl or phenoxy
slow degradation faster degradation
R = Cl o fenoxi
degradación lenta degradación rápida
Ramificación
Aumento en la ramificación ---- aumenta la resistencia a
biodegradación
SO3HSO3H
Alkyl
sulfonatos
lineares
Alkyl
sulfonatos
ramificados
biodegradable poco biodegradable
Tendencias Generales Estructura-Biodegradación
Peso Molecular de Polímeros No Hidrolizables
Como regla general, los polímeros con peso molecular > 1000- 3000 g/mol
no son transportados al interior de las células bacterianas
Parte I: Tendencias Aeróbicas (continuación)
Ejemplo de plásticopolyethylene polypropylene polystyrene
Tendencias Generales Estructura-Biodegradación
Aumento en el numero de grupos atractores de electrones –
aumentan la tasa de biotransformaciones reductivas
Aumentan las tasas con el aumento de grupos nitro (R-NO2)
Aumentan las tasas con el aumento de grupos cloro (R-Cl)
Aumentan las tasas con el aumento de grupos azo (R-N=N-R)
Parte II: Tendencias Anaeróbicas
Ejemplo: Nitroaromático
Tasa de reducción de
grupo nitro por extractos
de células de Vielonella
alcalescens en condiciones
anaeróbicas en función del
numero de grupos nitro
(McCormick et al 1976)
Tendencias Generales Estructura-Biodegradación
Parte II: Tendencias Anaeróbicas (continuación)
Ejemplo: Disolvente Clorados
Tasa de descloración
reductiva de disolventes
clorados en lodo anaerobio
(Van Eekert, 1999)
100
101
102
103
104
105
rate
(n
mo
l (g
VS
S)-1
da
y-1
)
0 1 2 3 4 5 6 7
# Cl atoms
clorometanos
cloroetenos
cloroetanos
Tendencias Generales Estructura-Biodegradación
Parte II: Tendencias Anaeróbicas (continuación)
Ejemplo: Aromáticos
Clorados
Revisión de Literatura
(Field et al 1995)
Tendencias Generales Estructura-Biodegradación
Ausencia general de grupos sustituyentes oxigenados
Alcanos no sustituidos son muy resistentes a la biodegradación
anaeróbica (especialmente alcanos con menos de 6 carbonos)
Parte II: Tendencias Anaeróbicas (continuación)
CH4
methane butane ethene hexadecanemetano butano eteno hexadecano
Biodegradación anaeróbica de compuestos aromáticos en función
del grado de sustituciónOH
OH
OH
OH COOH
pirogalol
fenol benzoato
tolueno
benceno
Degradado muy rapido
Sin Fase de Latencia
Degradados rapidos
Pequeno Fase de Latencia
Degradado aveces
Fase de Latencia Largo
Resistente a Degradacion
Anaerobica
Biodisponibilidad de Compuestos Hidrofóbicos
Tipos de Limitaciones en Biodisponibilidad
Compuesto hidrofóbico
con baja solubilidad
acuosa
Precipitado en suspensión
Compuesto con Log P
elevado se adsorbe a
partículas del suelo o
sedimentoAdsorción a partículas de suelo
Compuesto con Log P
elevado se absorbe en
los fases líquidas no
acuosas (NAPL)Absorción por NAPL
Biodisponibilidad de Compuestos Hidrofóbicos
Tasa de biodegradación controlada por la tasa de disolución
Se asume que durante la biodegradación:
rTA = KLa(Cs – Cb) Ecuación de disolución
Donde: rTA = tasa de disolución (mg L-1 s-1):
KL = coeficiente de transferencia de masas (m s-1)
a = superficie especifica (m2 m-3)
Cs = solubilidad acuosa máxima
Cb = concentración actual
Cs-Cb = Cs
es decir, que hay biodegradación de alta afinidad
Cb se aproxima cero
Biodisponibilidad de Compuestos Hidrofóbicos
Tasa de biodegradación controlada por la tasa de disolución
rTA = KLa(Cs – Cb)
Biodisponibilidad de Compuestos Hidrofóbicos
La Relación de la Solubilidad Acuosa de Hidrocarburos
Aromáticos Policíclicos (PAH) con la Biodegradación de PAH
después de 1.5 años de Bioremediación
Toxicidad de Compuestos Hidrofóbicos
Toxicidad a Membranas
Relación de hidrofobicidad (Log P)
y toxicidad (concentración
causante de 50% inhibición a
metanogénesis (50% IC)) (Sierra et
al. 1991)
Definiciones de Bioremediación
Bioremediación: La destrucción o transformación por
microorganismos de contaminantes peligrosos a
compuestos menos peligrosos; con el fin de limpiar un
sitio contaminado (u efluente)
Bioremediacion de Intervención Técnica: La
biodegradación o biotransformación se estimula por
intervención técnica
Proveer nutrientes (p.e. N) y aceptores de electrones (p.e. O2),
en algunos casos donadores de electrones o cosustratos
Adición de surfactantes para aumentar la biodisponibilidad
En algunos casos añadir microorganismos (bioaugmentación)
para mejorar la biodegradación
