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Biotecnologa Minera y Lixiviacin Microbiana
Dr. Mario Esparza Mantilla Laboratorio de Biominera. Departamento de Acuicultura. Facultad de
Recursos del Mar. Universidad de Antofagasta. Chile.
mesparza@uantof.cl Mayo 2013
FACULTAD DE RECURSOS DEL MAR-DEPARTAMENTO DE ACUICULTURA
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A. ferrooxidans
Unidad I: MICROBIOLOGIA BASICA Y APLICADA A LA MINERA
BIOMINERIA
Microbiologa
Gentica
Biologa Molecular
Bioinformtica
Bioprocesos
Bio-Hidrometalurga
UNIDAD II. LIXIVIACION MICROBIANA
A. caldus
Unidad III. OPERACIONES DE BIOHIDROMETALURGICA
Contenidos del curso Teorico-Prctico
Desde las clulas microbianas a la obtencin industrial de metales
FACULTAD DE RECURSOS DEL MAR-DEPARTAMENTO DE ACUICULTURA
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Lixiviacin Microbiana
OBJETIVOS: Entrenar a los estudiantes en tcnicas de muestreo, aislamiento, conteo e identificacin molecular de microorganismos biolixiviantes. CONTENIDOS: 1. Introduccin a la microbiologa. Los dominios de la vida. Bacterias, arqueas y eucarias. 2. Cintica de crecimiento microbiano. Parmetros de anlisis. 3. Fisiologa Microbiana. Metabolismo auttrofo y hetertrofo, nutrientes, demanda de oxgeno, carbono y sustratos energticos. 4. Muestreo y aislamiento de bacterias, recuento microbiano, caracterizacin morfolgica y cultivos slidos y lquidos de bacterias y arqueas biolixiviantes. 5. Identificacin molecular de microorganismos biolixiviantes. Anlisis de ADN y marcadores genticos asociados al metabolismo energtico de metales y al metabolismo de carbono.
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MICROBIOLOGIA BASICA Y APLICADA A LA MINERA
Cintica de crecimiento microbiano
Fisiologa Microbiana
Muestreo y aislamiento de bacterias
Recuento y caracterizacin microbiana
Identificacin molecular y genmica
Zam
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y c
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0).
Introduccin a la Microbiologa
Laboratorio de Biominera Dr. Mario Esparza Mantilla
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Cla
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C
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2
MICROBIOLOGIA BASICA Y APLICADA A LA MINERA
Las clulas microbianas digieren minerales
Sulfuro Metlico (MFeS2)
Bacterias Biolixiviantes
M2+
Fe2+
Fe3+
S
SO42- + 2H+
M2+
1. Cmo realiza el proceso? 2. Qu elementos biolgicos tiene para
digerir el mineral? 3. Cmo evade la toxicidad del metal,
mecanismos?
Zam
mit
y c
ols
( 2
01
0).
1. Comprender como crecen y funciona la clulas microbiana.
2. Entender el rol de la clula en un ambiente extremo: pH cido, poco sustrato, metales pesados, etc.
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MICROBIOLOGIA BASICA Y APLICADA A LA MINERA
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Introduccin a la Microbiologa
Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
El origen de los dominios de la vida
El 80% de la historia de la tierra fue exclusivamente dominada por vida microbiana.
LUCA ( Last Universal Common Ancestor)
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Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Los dominios de la vida
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Introduccin a la Microbiologa
Virus 24 300 nm
Bacterias 0.5 5 m
Protozoos 1 10 m
Algas
10 m a tamaos
mas grandes
Hongos (levaduras y
mohos)
6 m a tamaos
mas grandes
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Tamaos de los microorganismos
Introduccin a la Microbiologa
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Composicin qumica de las Bacterias
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Introduccin a la Microbiologa
Tipos de Bacterias
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Introduccin a la Microbiologa
Tipos de Bacterias
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Introduccin a la Microbiologa
Estructura de la clula procariota
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Introduccin a la Microbiologa
Caractersticas de las Bacterias
La mayora tiene pared celular
Algunas presentan capsula
Presentan cromosoma circular,
( algunos de forma linear)
Algunas presentan plsmidos
Algunas presentan Pili o flagelos.
Algunas presentan inclusiones intracelulares (Glicgeno; carboxisomas, magnetosomas).
Algunas pueden producir esporas.
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Introduccin a la Microbiologa
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Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Estructuras anatmicas de las Bacterias
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Introduccin a la Microbiologa
Clasificacin de las Bacterias
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Introduccin a la Microbiologa
Gram +
Gram- Clasificacin de las Bacterias
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Introduccin a la Microbiologa
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Introduccin a la Microbiologa
Cintica del crecimiento microbiano
Las bacterias mineras extremo acidfilas presentan un crecimiento poblacional lento ( desde das a semanas)
Cintica de crecimiento microbiano
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MADIGAN, M., MARTINKO, J. & PARKER, J. (2008). BROCK BIOLOGY OF THE MICROORGANISMS. Li y cols. (2011). Folia Microbiol 56:439451
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Cintica del Crecimiento Microbiano
Crecimiento de Acidithiobacillus ferrooxidans ATCC23270 en 9K+Azufre (control a pH: 1,5)
La ecuacin que describe el crecimiento, est dada por:
Ecuacin de Mond N: cantidad de bacterias t: Tiempo de incubacin : Tasa de crecimiento bacteriano Integrando:
N: Cantidad inicial de bacterias t: Tiempo de generacin bacteriana
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Cintica del Crecimiento Microbiano
Tasa especfica de crecimiento () de bacterias
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Cintica del Crecimiento Microbiano
Tasa especfica de crecimiento () de bacterias
Las bacterias mineras extremo acidfilas presentan las siguientes caractersticas
1. El habitad presenta escasos nutrientes
2. Condiciones de pH muy cidas
3. La distribucin de la fuente de Carbono y energa es heterognea 4. Inicio y termino del proceso con escasa densidad celular
5. La disponibilidad de 02 es diferentes para la mayora de las clulas
6. Las clulas no llegan a densidades mayores a 1010/ml
7. El metabolismo predominantes es quimiolitoauttrofo
8. Escasa materia orgnica para biosntesis celular
9. Alto estrs celular
10. Alta cantidad de metales pesados y iones txicos al metabolismo celular bacteriano.
11. Dificultad de manipulacin gentica
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Cintica del Crecimiento Microbiano
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Las clula biolixiviante Acidithiobacillus ferrooxidans se alimentan de CO2 y obtienen energa de la oxidacin de Fe 2+,S, tiosulfato, H2 e Uranio.
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Fisiologa Microbiana
Esparza y cols., (2009)
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Fisiologa Microbiana
Los carboxisomas almacenan CO2 en bacterias quimilitoauttrofas
La fijacin de carbono en microorganismos quimiolitoauttrofos
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Metabolismo de CO2 y sntesis de compuestos orgnicos en Bacterias auttrofas
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Fisiologa Microbiana
Esparza y cols., (2009) Bowien, (1997); Tabita, (2000); Omata y cols, (2000); Cerff, (2001), Romagnoli y tabita, (2007)
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Fisiologa Microbiana
Metabolismo microbiano
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Metabolismo energtico en Bacterias
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Bacterias Biolixiviantes
La membrana celular bacteriana
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La membrana celular de bacterias y arqueas
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Fisiologa Microbiana
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Anatoma de la membrana Celular Bacteriana
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Bacterias Gram (-)
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Respiracin y cadena de energa de las Bacterias
Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012) Coenzima Q ( oxidada y reducida)
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Fuentes energticas para el crecimiento microbiano ( respiracin aerbica)
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Hierro
Azufre
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+0,10
+0,05
-0,30
-0,50
E0 (V)
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Generacin de la Fuerza Motriz Protnica durante la respiracin aerbica de las Bacterias
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Cantidad de energa producida por oxidacin de donadores de electrones inorgnicos
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Metabolismo de H2 en bacterias y produccin de material celular
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Proceso de Oxidacin de azufre por bacterias
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Proceso de Oxidacin de azufre por bacterias
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Metabolismo del de azufre por bacterias
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Transporte de electrones y conservacin de energa en bacterias reductoras del sulfato
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Fuentes energticas para el crecimiento microbiano ( respiracin anaerbica)
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La morfolgica de la clulas lixiviantes depende del sustrato energtico
A. ferrooxidans
A. caldus
1.5x0.5m 3.0x0.25m
1.2x0.4m 2.4x0.2m
S
S
S2O32-
S2O32-
He, H y cols.(2010). Geomicrobiology Journal (27):707713.
Fisiologa microbiana
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Distribucin de Bacterias en partculas de suelo y restos orgnicos
Las Bacterias buscan un soporte inorgnico para formar colonias
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Proceso de Oxidacin del Hierro por bacterias
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Flujo de electrones durante la oxidacin de Fe 2+ por Acidithiobacillus ferrooxidans
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Bacterias oxidantes del Hierro
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Bacterias Biolixiviantes oxidantes del Fe 2+
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Bacterias Biolixiviantes oxidantes del Fe 2+
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Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Bacterias Biolixiviantes oxidantes del Fe 2+
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Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Bacterias Biolixiviantes oxidantes del Fe 2+
Avances y modelos de Estudio
El manejo de la fuente de carbono incrementa la biomasa celular
La Combe & Luecking. (1990)
Acidithiobacillus ferrooxidans en presencia de ms cantidad de CO2 en el medio aumenta su densidad celular
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Avances y modelos de Estudio
Resultados en la obtencin de oro por A. ferrooxidans
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Avances y modelos de Estudio
Resultados en la obtencin de metales por A. ferrooxidans al incrementar la fuente de carbono
Acevedo y cols. (1998). Biotech.let.20(3): 257-259.
Se demuestra que la bacteria que
crece en exceso de CO2 se
aumenta el rendimiento de la
biolixiviacin, segn lo anterior se
debera a que hay ms biomasa
y por ende mayor capacidad
lixiviante.
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Fisiologa Microbiana
Metabolismo del arsnico en bacterias
Preguntas
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