SENA

[Año]

BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL

TALLER CONCEPTOS Y TECNOLOGÍAS DE BIORREMEDIACIÓN

WILLIAM MENDIVELSO

S E N A C B A M O S Q U E R A

TALLER BIOTECNOLOGÍA

CONCEPTOS Y TECNOLOGÍAS DE BIORREMEDIACIÓN

GRUPO 84712

JOSE WILLIAM MENDIVELSO

PROFESOR: LICETH ALEJANDRA CABREJO

TGO. CONTROL AMBIENTAL (84712)

SENA

CBA MOSQUERA

07/05/2011

TALLER BIOTECNOLOGÍA

Que es Biotecnología ambiental:

A nivel básico la biotecnología se puede definir como una técnica que utiliza células vivas, cultivo de tejidos o moléculas derivadas de un organismo como las enzimas para obtener o modificar un producto, mejorar una planta o animal o desarrollar un microorganismo para utilizarlo con un propósito específico. La biotecnología ambiental se refiere a la aplicación de los procesos biológicos modernos para la protección y restauración de la calidad del ambiente. El uso de microorganismos en procesos ambientales se encuentra desde el siglo XIX. Hacia finales de 1950 y principios de 1960, cuando se descubrió la estructura y función de los ácidos nucléicos, se puede distinguir entre biotecnología antigua tradicional y la biotecnología de segunda generación, la cual, en parte, hace uso de la tecnología del ADN recombinante. Actualmente, la principal aplicación de la biotecnología ambiental es limpiar la polución. La limpieza del agua residual fue una de las primeras aplicaciones, seguida por la purificación del aire y gases de desecho mediante el uso de biofiltros. La biorremediación (uso de sistemas biológicos para la reducción de la polución del aire o de los sistemas acuáticos y terrestres) se está enfocando hacia el suelo y los residuos sólidos, tratamientos de aguas domésticas e industriales, aguas procesadas y de consumo humano, aire y gases de desecho, lo que está provocando que surjan muchas inquietudes e interrogantes debido al escaso conocimiento de las interacciones de los organismos entre sí, y con el suelo. Los sistemas biológicos utilizados son microorganismos y plantas.

Qué es Bioingeniería?

La Bioingeniería es una de las disciplinas más jóvenes de la ingeniería en la que los principios y herramientas de la ingeniería, ciencia y tecnología se aplican a los problemas presentados por la biología y la medicina. La formación del Bioingeniería comprende una sólida base en ingeniería conjugada con los conocimientos fundamentales de medicina y biología, complementados con materias específicas de aplicación de tecnología: electrónica, informática, robótica, óptica, etc., para satisfacer las demandas de la medicina y la biología. Esta carrera fue creada con el objetivo de dar soluciones a la problemática del ámbito de la salud mediante la aplicación de modernos métodos tecnológicos.

Entre los más importantes campos que abarca la Bioingeniería a nivel mundial se pueden mencionar: Biomateriales; Ingeniería Biomédica; Ingeniería Hospitalaria; Biomecánica; Bioóptica; Biosensores; Ingeniería Clínica y de Rehabilitación; Imágenes Médicas; Informática Médica; Órganos Artificiales; Procesamiento de Señales Biológicas; Telemedicina; y todo lo que concierne a la Tecnología Médica.

Que es Una Enzima?

Las enzimas son proteínas altamente especializadas que tienen como función la catálisis o regulación de la velocidad de las reacciones químicas que se llevan a cabo en los seres vivos. Casi todas las reacciones químicas de las células son catalizadas por enzimas, con la particularidad de que cada enzima solo cataliza una reacción, por lo que existirían tantas enzimas como reacciones, y no se consumen en el proceso. Los catalizadores no biológicos son inespecíficos. En una reacción catalizada por enzima (E), los reactivos se denomina sustratos (S) , es decir la sustancia sobre la que actúa la enzima. El sustrato es modificado químicamente y se convierte en uno o más productos (P). Como esta reacción es reversible se expresa de la siguiente manera:

La enzima libre se encuentra en la misma forma química al comienzo y al final de la reacción. Especificidad:

Las moléculas del sustrato se unen a un sitio particular en la superficie de la enzima, denominada sitio activo, donde tiene lugar la catálisis. La estructura tridimensional de este sitio activo, donde solo puede entrar un determinado sustrato (ni siquiera sus isómeros) es lo que determina la especificidad de las enzimas. El acoplamiento es tal que E. Fisher (1894) enunció: "el sustrato se adapta al centro activo o catalítico de una enzima como una llave a una cerradura".

Clases de Enzimas:

El nombre de las enzimas es el del sustrato + el sufijo: -asa. Los nombres de las enzimas revelan la especificidad de su función: Oxido-reductasas: catalizan reacciones de oxido-reducción, las que implican la ganancia (o reducción) o pérdida de electrones (u oxidación). Las más importantes son las deshidrogenasas y las oxidasas Transferasas: transfieren grupos funcionales de una molécula a otra. Ej.: quinasas; transfieren fosfatos del ATP a otra molécula.

Hidrolasas: rompen varios tipos de enlaces introduciendo radicales -H y -OH. Liasas: adicionan grupos funcionales a los dobles enlaces. Isomerasas: convierten los sustratos isómeros unos en otros. Ligasas o Sintasas: forman diversos tipos de enlaces aprovechando la energía de la ruptura del ATP. Ej: polimerasas Mecanismo de acción enzimática: Una enzima, por sí misma, no puede llevar a cabo una reacción, su función es modificar la velocidad de la reacción, entendiéndose como tal la cantidad de producto formado por unidad de tiempo. Tal variación se debe a la disminución de la energía de activación Ea; en una reacción química, la Ea es la energía necesaria para convertir los reactivos en formas moleculares inestables denominadas especies en estado de transición, que poseen mayor energía libre que los reactivos y los productos.

En el diagrama están representados los niveles de energía, durante el curso de la reacción, de moléculas intervinientes en una reacción tipo: A + B ---> C. La curva azul muestra el curso de la reacción en ausencia de una enzima que facilite la reacción, mientras que la curva roja la muestra en presencia de la enzima específica de la reacción. La diferencia en el nivel de energía entre el estado inicial y la necesaria para iniciar la reacción (picos de las curvas) es la energía de activación. Tal como se observa la presencia de enzima baja la energía de activación.

El complejo Enzima- sustrato posee menor energía de activación que las especies en estado de transición que la correspondiente reacción no catalizada. Como realiza esta acción una enzima? Orienta a los sustratos: parte de la energía de activación se utiliza para que los sustratos roten y se enfrenten con los átomos correctos para formar los enlaces. Agregan cargas a los sustratos: las cadenas laterales (R) de los aminoácidos de las enzimas pueden participar directamente haciendo a los sustratos químicamente más reactivos. Inducen la deformación en el sustrato: cuando una sustancia se une al sitio activo, la enzima puede causar que los los enlaces se estiren, poniéndolo en un estado de transición inestable. Cambio de forma de la enzima al unirse al sustrato: el modelo de llave- cerradura de Fisher fue actualizado cuando se descubrió que las enzimas son flexibles y sus sitios activos pueden cambiar (expandirse) para acomodarse a sus sustratos. Este cambio de forma causado por la unión al sustrato se denomina ajuste inducido. En la Hexoquinasa puede observarse este ajuste inducido, con el sustrato (glucosa) y sin él. El ajuste inducido alinea las cadenas laterales reactivas del sitio activo de la enzima con los sustratos.

Que es un metabolito secundario?

Los metabolitos secundarios son aquellos compuestos orgánicos sintetizados por el organismo que no tienen un rol directo en el crecimiento o reproducción del mismo. A diferencia de lo que sucede con los metabolitos primarios, la ausencia de algún metabolito secundario no le impide la supervivencia, si bien se verá afectado por ella, a veces gravemente.

En el caso de los microorganismos, los metabolitos secundarios mejor conocidos son los antibióticos. En la trofofase (fase de crecimiento de los microorganismos) no se producen metabolitos secundarios. Es en la idiofase

normalmente, cuando se producen (fase en la que el microorganismo no crece, pero sigue metabólicamente activo). Para que se produzca el metabolito secundario, primero hay que asegurar unas condiciones óptimas durante la trofofase. Como mecanismo de defensa, la producción de metabolitos secundarios no se produce inmediatamente después de la conclusión de la trofofase. Primero, al comienzo de la idiofase, deben hacerse resistentes a sus propios antibióticos.

Que es Bioporcesos?

Un bioproceso es cualquier proceso que usa células vivas completas o sus componentes (por ejemplo enzimas, cloroplastos, etc.) para obtener los cambios físicos o químicos deseados. Los procesos biotecnológicos basados en la acción de microorganismos como agentes transformadores dentro de sistemas productivos a nivel industrial, orientados a la obtención de enzimas, vitaminas, aminoácidos, aditivos, proteínas celulares, y otros productos de uso alimenticio y terapéutico, abarcan tres etapas básicas.

Que es una fermentación?

La fermentación es un tipo de catabolismo parcial, que se caracteriza por ser un proceso de oxidación incompleta, típico de los organismos anaeróbicos. Se realiza, pues, sin la intervención del oxígeno. Durante la fermentación, la energía obtenida procede, igual que en la respiración aerobia, de las reacciones de oxido-reducción habidas durante el catabolismo de la glucosa (glucólisis), pero en la fermentación las coenzimas reducidas no ceden sus electrones a una cadena cuyo aceptor final es el oxígeno, sino que los ceden directamente a un compuesto orgánico que se reduce y es el producto característico de cada fermentación (láctica, alcohólica...).

Cuáles son los tipos de fermentación? Hay 4 tipos de fermentación: La fermentación acética: es la fermentación bacteriana por Acetobacter, un género de bacterias aeróbicas, que transforma el alcohol en ácido acético.1 La fermentación acética del vino proporciona el vinagre debido a un exceso de oxígeno y es considerado uno de los fallos del vino. La fermentación acética es un área de estudio dentro de la cimología. La formación de ácido acético (CH3COOH) resulta de la oxidación de un alcohol por la bacteria del vinagre en presencia del oxígeno del aire. Estas bacterias, a diferencia de las levaduras productoras de alcohol, requieren un suministro generoso de oxígeno para su crecimiento y actividad. El cambio que ocurre es descrito generalmente por la ecuación:

C2H5OH + O2 → Acetobacter aceti → CH3COOH + H2O

La fermentación alcohólica: (denominada también como fermentación del etanol o incluso fermentación etílica) es un proceso biológico de fermentación en plena ausencia de aire (oxígeno - O2), originado por la actividad de algunos microorganismos que procesan los hidratos de carbono (por regla general azúcares: como pueden ser por ejemplo la glucosa, la fructosa, la sacarosa, el almidón, etc.) para obtener como productos finales: un alcohol en forma de etanol (cuya fórmula química es: CH3-CH2-OH), dióxido de carbono (CO2) en forma de gas y unas moléculas de ATP que consumen los propios microorganismos en su metabolismo celular energético anaeróbico. El etanol resultante se emplea en la elaboración de algunas bebidas alcohólicas, tales como el vino, la cerveza, la sidra, el cava, etc.1 Aunque en la actualidad se empieza a sintetizar también etanol mediante la fermentación a nivel industrial a gran escala para ser empleado como biocombustible. La fermentación butírica: (descubierta por Louis Pasteur) es la conversión de los glúcidos en ácido butírico por acción de bacterias de la especie Clostridium butyricum en ausencia de oxígeno. Se produce a partir de la lactosa con formación de ácido butírico y gas. Es característica de las bacterias del género Clostridium y se caracteriza por la aparición de olores pútridos y desagradables. Se puede producir durante el proceso de ensilado si la cantidad de azúcares en el pasto no es lo suficientemente grande como para producir una cantidad de ácido láctico que garantice un pH inferior a 5. La fermentación láctica: es una ruta metabólica anaeróbica que ocurre en el citosol de la célula, en la cual se oxida parcialmente la glucosa para obtener energía y donde el producto de desecho es el ácido láctico. Este proceso lo realizan muchas bacterias (llamadas bacterias lácticas), hongos, algunos protozoos y muchos tejidos animales; en efecto, la fermentación láctica también se verifica en el tejido muscular cuando, a causa de una intensa actividad motora, no se produce una aportación adecuada de oxígeno que permita el desarrollo de la respiración aeróbica. Cuando el ácido láctico se acumula en las células musculares produce síntomas asociados con la fatiga muscular. Algunas células, como los eritrocitos, carecen de mitocondrias de manera que se ven obligadas a obtener energía por medio de la fermentación láctica; por el contrario, el parénquima muere rápidamente ya que no fermenta, y su única fuente de energía es la respiración aeróbica.

Que es Cometabolismo?

El cometabolismo es el proceso a través del cual algunos componentes orgánicos, que losmicroorganimos no pueden degradar si se hallan como única fuente de carbono, son transformados en presencia de otro sustrato (co – sustrato) natural adicional, por ejemplo azúcares. En hábitats naturales puede suceder la co – utilización simultánea por bacterias aerobias heterótrofas, de muchos sustratos diversos (Bordons y Constantin, 1999; La Grega y col., 2001). El solvente tricloroetano (TCE), compuesto carcinogénico y resistente a la biodegradación, puede ser degradado cometabólicamente por

bacterias metanogénicas que crecen en metano (CH4) como única fuente decarbono (Alexander, 1999). El tratamiento de suelos contaminados con hidrocarburos requiere una concentración mínima de microorganismos hidrocarbonoclastas de 103 a 104UFC/g suelo y de microorganismos heterótrofos totales de 105 a 106 UFC/g de suelo. Si esta masa crítica no fuera suficiente se pueden incorporar microorganismos al suelo mediante inoculación o bioaumentación.

También se puede lograr un incremento importante estimulando la población microbiana existente por incorporación de nutrientes .

Las causas del cometabolismo son las siguientes:

1. Que el enzima inicial conviertan el sustrato en otro producto que no es sustrato para otrosenzimas ni para la producción de energía.

2. Que el sustrato inicial se transforme en un producto que inhiba la actividad de los enzimas que conducen a la mineralización o que inhiba el crecimiento del microorganismo.

3. Que el microorganismo necesite un segundo sustrato para llevar a término alguna reacción determinada (por ejemplo: dador de electrones).

Entre las consecuencias ambientales del cometabolismo podemos citar:

1. Las poblaciones microbianas responsables de la transformación cometabólica no aumentan la biomasa como resultado de la introducción del producto en el agua o suelo. Se refleja su incapacidad de utilizarlo para fines biosintéticos (contrasta con la mineralización).

2. Como resultado de esta falta de crecimiento, la velocidad de transformación del xenobióticono aumenta con el tiempo sino que es bastante baja debido a la pobre población inicial(contrasta con la mineralización).

3. Un producto o varios productos de la transformación pueden acumularse y pueden persistirlas características estructurales asociadas a la toxicidad del compuesto debido a que latransformación conduzca a la formación de un producto similar al parental.

Que es Bioremediación

Se define como biorremediación a cualquier proceso que utilice microorganismos, hongos, plantas o las enzimas derivadas de ellos para retornar un medio ambiente alterado por contaminantes a su condición natural. La biorremediación puede ser empleada para atacar contaminantes específicos del suelo, por ejemplo en la degradación bacteriana de compuestos organoclorados o de hidrocarburos. Un ejemplo de un tratamiento más generalizado es el de la limpieza de derrames de petróleo por medio de la adición de fertilizantes con nitratos o sulfatos para estimular la reproducción de

bacterias nativas o exógenas (introducidas) y de esta forma facilitar la descomposición del petróleo crudo. Los procesos naturales de biorremediación y fitorremediación (remediación por plantas) se han usado desde hace siglos; tal es el caso de la desalinización de terrenos agrícolas por la acción de plantas capaces de extraer las sales. La biorremediación usando microorganismos fue inventada por el científico norteamericano George M. Robinson. Éste trabajó como ingeniero petrolero asistente de la compañía Santa María de California en la década de 1960 y se dedicó a experimentar con una serie de microbios en frascos contaminados de petróleo La biorremediación se puede clasificar como in situ o ex situ. In situ: consiste en tratar el material contaminado en el lugar en que se encuentra sin trasladarlo a otra parte. Algunos ejemplos de estas tecnologías consisten en operaciones de compostaje, la ventilación biológica, la utilización de biorreactores, la filtración por raíces o la estimulación biológica. Ex situ: es cuando el material contaminado es trasladado a otro lugar para realizar o completar su descontaminación. No todos los contaminantes son fáciles de biorremediar por medio de microorganismos. Por ejemplo, los metales pesados como el cadmio y el plomo y el mercurio no son absorbidos o capturados por estos organismos. La incorporación de algunos de estos metales dentro de la cadena alimentaria (bioacumulación) agrava el problema.

Que es Biotransformación La Biotransformación es la transformación metabólica que en el organismo sufre la mayoría de los agentes xenobióticos. Esta transformación es catalizada, en su mayor parte, por enzimas del retículo endoplásmico de las células parenquimatosas hepáticas (microsomas hepáticos) La importancia ambiental de la transformación de hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs) es un área de gran interés debido a que algunos además de ser tóxicos tienen propiedades mutagénicas. Los hongos oxidan dichos compuestos en proceso de detoxificacion, sin embargo, no lo hacen en presencia de otras fuentes de carbono, cosa que no sucede en ambientes marinos.

En qué consiste la Ingeniería genética?

La ingeniería genética es la tecnología de la manipulación y transferencia de ADN de un organismo a otro, que posibilita la creación de nuevas especies, la corrección de defectos genéticos y la fabricación de numerosos compuestos. Ejemplo: La formación in vitro de nuevas combinaciones de material genético, por medio de la inserción de un ADN de interés en un vehículo genético (vector), de modo que tras su introducción en un organismo hospedero el ADN híbrido (recombinante) se pueda multiplicar, propagar, y eventualmente expresarse.

Que es fitorremediación?

La fitorremediación consiste en la utilización de plantas para eliminar contaminantes orgánicos o inorgánicos aprovechando la capacidad de aquellas para metabolizar o concentrar todo tipo de compuestos químicos y reducir así la contaminación del medio ambiente. Algunas plantas, tales como: Thlaspi caeruslescens, Viola calaminaria, Arabidopsis thaliana,Brassica juncea, Astragalus bisculatus y Shewanella putrefaciens, tienen la capacidad de concentrar metales en sus tejidos, capturar y degradar plaguicidas, explosivos o hidrocarburos del suelo y aguas subterráneas ya sea por sí mismas o a través de la acción de las bacterias que viven en sus raíces. Como las plantas contribuyen a reducir la acción del viento y la lluvia sobre las zonas contaminadas evitan que la contaminación se extienda a otras zonas. La fitorremediación es eficaz solo cuando la concentración de contaminantes es reducida y requiere que éstos se encuentren en la rizosfera, profundidad a la que pueden llegar los sistemas radiculares de las plantas. Éstas extraen del subsuelo los contaminantes, que son introducidos en sus tejidos junto con el agua y las sales minerales necesarias para el desarrollo de los vegetales. Los contaminantes se transforman por la acción del metabolismo vegetal en otras moléculas de menor toxicidad o son oxidadas en su totalidad y liberadas a la atmósfera en forma de gases de la respiración.

Que es biovolatilización?

Las bacterias y hongos pueden volatilizar metales por adición del grupo metilo, que hace al metal muy volátil

De ejemplos de cada caso

Bibliografía:

http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias

http://www.bioingenieria.edu.ar

http://es.wikipedia.org/