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MICROORGANISMOS Y EL AMBIENTE
EL MEDIO AMBIENTE El medio ambiente: es todo aquello que nos rodea y que debemos cuidar para mantener limpia
nuestra ciudad, colegio, hogar, etc. Medio ambiente, conjunto de elementos abióticos (energía solar, suelo, agua y aire) y bióticos
(organismos vivos) que integran la delgada capa de la tierra llamada biosfera, sustento y hogar de los seres vivos.
CONSTITUYENTES DEL MEDIO AMBIENTE. La atmosfera, que protege a la tierra del exceso de radiación ultravioleta y permite la existencia de
vida es una mezcla gaseosa de nitrógeno, oxigeno, hidrogeno, dióxido de carbono, vapor de agua, otros elementos y compuestos, y partículas de polvo. Calentada por el sol y la energía radiante de la Tierra.
PROBLEMAS MEDIO AMBIENTALES Causas como la destrucción de la capa de ozono, la contaminación del agua, el dióxido de carbono,
acidificación, erosión del suelo, hidrocarburos clorados y otras causas de contaminación como el derramamiento de petróleo están destruyendo nuestro planeta, pero la "causa que produce las demás causas" somos nosotros mismos, hay personas que no les importa tirar una lata en la calle o un papel, o cualquier otra cosa, sabiendo que cada vez más están contaminando el ambiente, lo correcto sería colocar la basura o los residuos en la papelera o llevarlo al basurero más cercano que se encuentre en la calle, con respecto a la contaminación del aire los conductores debería buscar la forma de que su vehículo no origine tanto dióxido de carbono, que es totalmente dañino así como también los ácidos usados para las plantas, también los insecticidas y demás sprays químicos, para la capa de ozono que es muy importante para nosotros porque nos protege de los rayos ultravioletas del sol. Mensaje es: "No tires basura donde no debes, mantén limpio tu medio ambiente como si fuera tu propia vida, porque lo es".
LA BIOTECNOLOGIA Y EL MEDIO AMBIENTE• Gracias a la biotecnología se pueden transformar
contaminantes en sustancias no tóxicas y generar materiales biodegradables a partir de recursos renovables.
• Diversas técnicas biotecnológicas permiten resolver, de diferentes y novedosas maneras, el problema de la contaminación ambiental.
• Se pueden utilizar diversos microorganismos para afrontar problemas de tratamiento y control de la contaminación química en los ecosistemas, ya que algunos de ellos, principalmente bacterias, tienen la capacidad de eliminar del medio o degradar con enzimas gran número de compuestos tóxicos y peligrosos.
La biotecnología y el medio ambiente
• En la actualidad los laboratorios se están creando bacterias, levaduras y enzimas específicas para conseguir la degradación de los residuos mediante las siguientes técnicas:
• Biometanización. Es un proceso de digestión anaerobia (sin oxígeno) de la materia orgánica por microorganismos, que la descomponen dando lugar a una mezcla de gases, principalmente metano y dióxido de carbono.
• Lagunas de estabilización. Se utilizan bacterias y algas para depurar residuos líquidos por procesos naturales.
• Filtros percoladores. Con filtros que contienen una población de microorganismos que degradan la materia orgánica que se halla en el residuo.
Microorganismos en el medio natural
• El primer hábitat natural de los microorganismos fue el agua. En su evolución, algunos se adaptaron al medio terrestre, siendo estos medios sus principales hábitat en la actualidad. También están en el aire pero en este hábitat su actividad vital es mínima y llegan a él procedentes de los otros dos medios.– En el suelo: el número de microorganismos presentes depende de
sus características: acidez, humedad, aireación, disponibilidad de agua, etc... Los más numerosos son las bacterias en todas sus variedades: aerobia, anaerobia, autótrofa, heterótrofa; abundan los actinomicetos, responsables de ese olor terroso característico del suelo. También gran cantidad de mohos en forma micelial, y en su superficie destacan algas verdes o diatomeas, así como cianobacterias. También destacan los protozoos ciliados y rizópodos que se alimentan de ellas.
Microorganismos en el medio natural
• La rizosfera es la zona del suelo rico en microorganismos, que es donde éstos interaccionan con los vegetales. La función principal de estos microorganismos es la producción de cambios de la materia orgánica originando productos nutritivos para el mundo vegetal; es decir, son desintegradores y transformadores.
• En el suelo la materia que se encuentra sobre la superficie se degrada por acción microbiana. Producto de ésta es el humus, sustancia amorfa, de color oscuro, formada por materia orgánica residual y no descompuesta en su totalidad. Este humus irá liberando progresivamente compuestos inorgánicos en un proceso denominado mineralización; entre éstos están el C, N, S.
Microorganismos en el medio natural
– En el agua: abundan los microorganismos fotosintéticos constituyendo el fitoplancton. Productores primarios de la cadena trófica. En las zonas oxigenadas abundan algas y cianobacterias; en las zonas anoxigénicas existirán bacterias fotosintéticas.
• Hay un número mayor de ellos en lagos, ríos y zonas costeras que en alta mar debido a que los nutrientes proceden del continente.
• En aguas continentales o costeras es mayor el número de heterótrofos (bacterias, protozoos, hongos) si existe contaminación por materia orgánica. Cuando la población de estos microorganismos es tan grande se agota el oxígeno por ende el medio está eutrofizado.
Métodos de Ecología Microbiana
• Los Métodos comprenden aislamiento, identificación y cuantificación de los M.O. en diferentes hábitats.La actividad microbiana, lo que los M.O. hacen en su hábitat.Los métodos de tinción de células, tanto específicos como inespecíficos, el aislamiento y caracterización de genes, y la medición de las actividades de microorganismos insitu (en el medio natural).
• La forma como aíslan los microorganismos, consiste en separar los organismos de interés de una comunidad microbiana, un procedimiento que se conoce como enriquecimiento, que permite después aislarlos en un cultivo axénico.
Métodos de Ecología Microbiana• El aislamiento es importante porque se obtienen cultivos
para estudios detallados y controlados de laboratorio y para su aplicación en biotecnología y en microbiología ambiental e industrial.
• El enfoque mas corriente para alcanzar este propósito es la técnica del cultivo de enriquecimiento. Este método requiere que el cultivo, medio de cultivo y las condiciones de incubación sean selectivos para el organismo que se desea aislar y contra selectivos para los organismos no deseados.
Métodos de Ecología Microbiana
• Son centenares los métodos que se han ideado para los cultivos de enriquecimiento.
• La columna de Winogradsky.• Sesgo de Enriquecimiento.• Aislamiento en cultivo axénico.• Siembra en profundidad y numero mas
probable (NMP).• Cultivos axénicos de alta tecnología: las pinzas
de laser
ANÁLISIS MOLECULAR DE LAS COMUNIDADES MICROBIANAS
• Tinción fluorescente con DAPI.• Tinción de Viables.• Anticuerpos Fluorescentes.• Limitaciones de la microscopía.• Tinciones Genéticas.• Tinción filogenética con FISH.• Tinción de cromosomas y transcripción inversa
in situn.
Medición de la actividad microbiana en la naturaleza• Medición de la actividad microbiana en la naturaleza
utilizan los radioisótopos y micro electrodos, la medida directa de las transformaciones químicas es suficiente para evaluar las que reproducen en el ambiente. Cuando se necesita una elevada sensibilidad, cuando es preciso determinar las tasas de recambio, o cuando se sigue una molécula en especifico los radioisótopos son muy útiles. Micro electrodos: Son pequeños electrodos de cristal , para estudiar la actividad de los microorganismos en la naturaleza. Los más utilizados son los que miden pH, O, N2O, CO2, H2o H2S.
• Como su nombre indican, son muy pequeños, y las puntas tienen diámetro que oscila entre 2 y 100 um.
Medición de la actividad microbiana en la naturaleza
• Isotopos estables: Muchos elementos químicos tienen diferentes isótopos, que no son radioactivos y se utilizan para el estudio de diversas transformaciones microbianas en la naturaleza. Los elementos con mayor utilidad para estudios con isótopos estables son el carbono y el azufre, ellos reaccionan en un fenómeno conocido como fraccionamiento
• Isotópico, el fraccionamiento tiene diversas aplicaciones en ecología microbiana, es fácil reconocer a las bacterias sulfato reductoras
Habitad acuáticos• Los ecosistemas acuáticos son aquellos en los que los
animales y plantas viven o se relacionan con seres vivos en el agua. Dependiendo del tipo de agua podemos definir distintos tipos de hábitat acuáticos: agua dulce y agua salada. Si tomamos en cuenta otros factores abióticos, podremos subdividirlos:
Los distintos vegetales y animales de cada uno de ellos tiene características especiales que les permiten adaptarse a su hábitat
• El agua dulce que nosotros consumimos, la que sale del grifo de casa, por ejemplo, ha sufrido varios procesos hasta llegar a nuestra casa: decantación, filtración y cloración, son algunos de ellos.
• El proceso de depuración, se hace tanto en las ciudades de interior como en las ciudades costeras, en plantas de depuración especiales que utilizan normalmente el agua de pantanos y ríos.
Ambientes terrestres• Son aquellos que se desarrollan sobre la tierra. A la superficie de la Tierra
se puede dividir en varias áreas geográficas, por tipos de plantas dominantes, a los que se denominan BIOMAS.
• Las comunidades de plantas y la vida animal asociada que los constituyen son discontinuas.
• Un bioma es una clase o una categoría, no un lugar, dentro de ellos puede haber más de un ecosistema.
• Los biomas existentes en la Tierra son:• bosques templados (caducifolios y mixtos)• bosques de coníferas (taiga, alpino y mixto de la costa occidental)• tundra (ártica y alpina)• praderas templadas• praderas tropicales (sabanas)• matorrales mediterráneos• desiertos• selvas tropicales
Microbiología de las profundidades marinas• La luz solar penetra hasta un máximo de unos 300mts en el
mar abierto; la parte superior iluminada se denomina zona fotica.
• Por debajo aproximadamente hasta unos 100m de profundidad, se produce una intensa actividad biológica como resultado de la acción de animales y microorganismos.
• Los organismos que habitan en las profundidades deben de estar adaptadas a tres condiciones extremas; bajas temperaturas, altas presiones y concentraciones de nutrientes muy pequeñas.
• Los microorganismos que habitan en las profundidades marinas deben ser capaces de resistir las enormes presiones hidrostáticas asociadas a estas profundidades.
Fuentes hidrotermales submarinas
• Una fuente hidrotermal, respiradero hidrotermal o fumadera, fumadero o fumarola hidrotermal, es una grieta en la superficie de un planeta del cual fluye agua geotermalmente caliente. Las fuentes hidrotermales se encuentran comúnmente en lugares que son volcánicamente activos donde el magma está relativamente cerca de la superficie del planeta. Las fuentes hidrotermales son abundantes en la tierra porque es geológicamente activa y tiene cantidades grandes de agua en su superficie.
CICLO DEL CARBONO
Ciclo del carbono
• El ciclo del carbono es el sistema de las transformaciones químicas de compuestos que contienen carbono en los intercambios entre biosfera, atmosfera, hidrosfera y litosfera.
• El carbono es un componente esencial para los vegetales y animales. Forma parte de compuestos como: la glucosa, carbohidrato importantes para la realización de procesos como: la respiración; interviene en la fotosíntesis bajo la forma de CO2 tal como se encuentra en la atmósfera
Ciclo del carbono
La reserva fundamental de carbono, en moléculas de CO2 que los seres vivos puedan asimilar, es la atmosfera y la hidrosfera. Este gas está en la atmósfera en una concentración de más del 0,03% y cada año aproximadamente un 5% de estas reservas de CO2 se consumen en los procesos de fotosíntesis, es decir que todo el anhídrido carbónico se renueva en la atmósfera cada 20 años.
METANOGENESIS
• Producción de metano por reducción del CO2
La metano génesis por reducción del CO2 es una forma de respiración anaeróbica. Los metanógenos no utilizan el oxígeno para respirar; el oxígeno inhibe el crecimiento de los metanógenos. El aceptor de electrones terminal en la metano génesis no es el oxígeno, sino el carbono. El carbono puede aparecer en un pequeño número de compuestos orgánicos con poco peso molecular.
• CO2 + 4 H2 → CH4 + 2H2O
METANOGENESIS
• Producción de metano a partir de moléculas orgánicas• Las bacterias metanógenas pueden producir también
metano a partir de sustratos orgánicos sencillos como el acido acético, el formiato, el metanol, la metilamina, el sulfuro de dimetilo y el
metanotiol. • Mediante 14C se ha demostrado que el metano se
origina exclusivamente a partir del carbono metílico del ácido acético:
• CH3COOH → CH4 + CO2
METANOGENESIS
• Los organismos capaces de realizar la metanogénensis se llaman metanogenos, estos microbios no tienen núcleo ni orgánulos separados por membranas, son procariotas.
• Los metanógenos son miembros de las arqueobacterias o arqueas y anaerobios estrictos (mueren en presencia de oxígeno), por lo que sólo se encuentran en entornos en los que el oxígeno es reducido. Sobre todo son entornos que experimentan una descomposición de materia orgánica, como terrenos pantanosos, el tracto digestivo de los animales y sedimentos acuáticos.
Ecosistema microbiano del rumen
• Los herbívoros convierten los productos vegetales en alimentos, producen proteínas animales sin entrar en competencia con el hombre por el uso de los recursos. La eficiencia de conversión depende, en parte, de la eficiencia de digestión de las fibras vegetales en el rumen.
• La diversidad de microorganismos del rumen es importante porque la presencia de especies distintas aporta un conjunto mayor de genes y complemento de enzimas, así como reacciones bioquímicas precisas para una conversión máxima de productos alimenticios en células microbianas y productos de fermentación.
Ecosistema microbiano del rumen• El rumiante recién nacido queda expuesto a muchas
poblaciones microbianas diferentes durante el parto y son estas las que posteriormente contribuyen al establecimiento de la población microbiana gastrointestinal.
• Estas poblaciones tienen su origen en; la vagina, la saliva de la madre, bolo alimenticio, estiércol, flora ambiental, otros animales, la ubre y la leche y otras fuentes alimenticias. Las más importantes son el contacto entre animales y los alimentos disponibles.Hasta la 3ª semana de edad las bacterias que aparecen en el rumen de terneros son diferentes a las del vacuno adulto. Entre las semanas 9ª y 13ª la población bacteriana del rumen es prácticamente igual a la del rumiante adulto.
Ecosistema microbiano del rumen
• La cantidad de bacterias puede variar por factores ambientales o dietarios, y cuando estos dos parámetros se mantienen, las variaciones derivan de factores específicos de cada animal, tales como: tiempo destinado a la rumia, cantidad de saliva segregada, consumo de agua y capacidad de avance de la digesta.
• Desde el punto de vista de la fermentación, el rumen es un ente bastante independiente del animal per se. No obstante ambos interactúan y, tanto las bacterias como el animal se benefician mutuamente. El rumen posee una serie de características que intervienen en el crecimiento de los organismos .
Ciclo del nitrógeno
• El ciclo de Nitrógeno es muy importante para los ecosistemas, se mueve muy lentamente, en su trayectoria, se va almacenado en reservorios tales como la atmósfera, organismos vivos, suelos, y océanos.La mayor parte del nitrógeno de la tierra se encuentra en la atmósfera en un 80%.
• Todas las plantas y los animales necesitan nitrógeno para hacer aminoácidos, proteínas y DNA, el nitrógeno en la atmósfera no está presente de forma que se pueda utilizar.
Ciclo del nitrógeno
Los seres vivos pueden hacer uso de las moléculas de nitrógeno en la atmósfera cuando estas son separadas por rayos o fuegos, por cierto tipo de bacterias, o por bacterias asociadas con plantas leguminosas. Otras plantas obtienen el nitrógeno que necesitan de los suelos o del agua donde viven, la mayoría de ellos en forma de nitrato inorgánico (NO3-).
Ciclo del nitrógeno
• A medida que las plantas y los animales muertos se descomponen, el nitrógeno adquiere formas orgánicas como las sales de amonio (NH4+) mediante un proceso llamado mineralización, y llevan el nitrógeno al suelo, tierra u océanos. Las sales de amonio son absorbidas por la arcilla del suelo y luego son alteradas químicamente por bacteria en nitrito (NO2-) y luego nitrato (NO3-).
• El nitrato es la forma más usada por las plantas. Se disuelve en el agua fácilmente y es separado del sistema de suelos. El nitrato disuelto puede regresar a la atmósfera mediante ciertas bacterias en un proceso llamado de nitrificación.
Ciclo del nitrógeno• El uso de fertilizantes ricos en nitrógeno hace que las plantas
crezcan rápidamente hasta que usan todo el suministro de nitrato y luego mueren.
• El número de herbívoros aumentará mientras el suministro de las plantas aumente, luego los herbívoros quedarán sin una fuente alimenticia lo que afectará toda la cadena alimenticia.
• Los humanos están alterando el ciclo de nitrógeno mediante la quema de combustible de fósiles y de bosques, los cuales liberan varias formas sólidas de nitrógeno. Los restos asociados con la ganadería liberan gran cantidad de nitrógeno hacia los suelos y el agua. Igualmente, los desechos de las cloacas agregan nitrógeno a los suelos y al agua.
CICLO DEL AZUFRE
Ciclo del azufre
• Las bacterias desempeñan un papel crucial en el reciclaje del azufre. Cuando está presente en el aire, la descomposición de los compuestos del azufre (incluyendo la descomposición de las proteínas) produce sulfato (SO4
=). Bajo condiciones anaeróbicas, el ácido sulfúrico (gas de olor a huevos en putrefacción) y el sulfuro de di metilo (CH3SCH3) son los productos principales. Cuando estos últimos gases llegan a la atmósfera, son oxidados y se convierten en bióxido de azufre. La oxidación posterior del bióxido de azufre y su disolución en el agua de lluvia produce ácido sulfhídrico y sulfatos, formas principalmente bajo las cuales regresa el azufre a los ecosistemas terrestres.
Ciclo del azufre• El carbón mineral y el petróleo contienen también azufre y su
combustión libera bióxido de azufre a la atmósfera. • En el ciclo del azufre los principales eventos son los siguientes: • El azufre, como sulfato, es aprovechado e incorporado por los
vegetales para realizar sus funciones vitales. • Los consumidores primarios adquieren el azufre cuando se
alimentan de estas plantas. • El azufre puede llegar a la atmósfera como sulfuro de
hidrogeno (H2S) o dióxido de azufre (SO2), ambos gases provenientes de volcanes activos y por la descomposición de la materia orgánica.
• Cuando en la atmósfera se combinan compuestos del azufre con el agua, se forma ácido sulfúrico (H2SO4) y al precipitarse lo hace como lluvia ácida.
CICLO DEL HIERRO
• El Hierro se encuentra en la Litosfera en dos estados, el férrico Fe3+ y ferroso Fe2+. Este bioelemento es utilizado por distintos seres vivos para formar las cadenas de cito cromos y asociado a proteínas de transporte, como la Hemoglobina.
• Determinadas bacterias anaerobias (Arqueo bacterias) que viven en ambientes pantanosos, pobres en oxígeno, reducen el hierro férrico Fe3+ a ferroso Fe2+ que es asimilado por otros seres vivos ya que es más soluble.
• En ambientes con oxígeno el catión ferroso pasa de forma espontánea a férrico
Lixiviación
• Lixiviados:Proceso en el que diversas sustancias de las capas superiores del suelo son disueltas y arrastradas hacia las capas inferiores y, en algunos casos hasta el agua subterránea.
Asimismo, esta vía siguen los líquidos que se filtran a través de los residuos sólidos u otro medio.• Separación de los componentes de una mezcla sólida por la acción de un disolvente adecuado. Este mecanismo produce en determinados casos la contaminación de los suelos o las aguas
subterráneas.• Es un proceso natural o artificial que promueve la degradación física y química de un material
liberando sub-productos solubles que pueden ser peligrosos.• Líquido que se escurre de un vertedero cuando entra agua en él, recogiendo materias
polucionantes al hacerlo. El agua puede ser de lluvia o de arroyos que fluyan por la superficie, o a través de ella. Un mal manejo de los vertederos subterráneos puede dar origen a un gran volumen de
lixiviación.• Cuando el origen es un vertedero de residuos industriales, los elementos polucionantes pueden
ser más variados, como metales pesados, disolventes, amoníaco, fenoles y cianuros, aunque la demanda biológica de oxígeno suele ser menor que cuando la fuente es un vertedero de basura doméstica.
MOVILIZACION DE LOS METALES PESADOS
Biolixiviación. Este mecanismo de solubilización es utilizado en la industria minera. Por intermedio de la acción microbiana, los metales presentes en los minerales resultan extraídos en fase acuosa. Tal es el caso de la obtención de Cu por la oxidación de las menas de Cu2S (calcocita) a CuSO4 por intermedio de la acción de las bacterias Thiobacillus ferroxidans y Thiobacillus thiooxidans
PROCESO DE BIOLIXIVIACION APLICADO EN MINERIA
BIOLIXIVIADO
Desde el punto de vista de la biorremediación, el biolixiviado puede utilizarse dentro de la hidrometalurgia, recuperando metales a partir de materiales sólidos contaminados como suelos, cenizas resultantes de quema de desechos, sedimentos acuáticos, etc. Se utilizan bacterias oxidadoras del hierro o sulfuros, como Thiobacillus ferroxidans o Thiobacillus thiooxidans, respectivamente, en la recuperación de Cu, Ni, Zn y Cd, tanto en condiciones aerobias como anaerobias, ya que estos microorganismos pueden utilizar el catión Fe3+ como último aceptor de electrones en lugar del O2. Las bacterias del género Thiobacillus son microorganismos acidófilos, es decir, requieren un pH = 2,5 para crecer en condiciones óptimas, lo cual resulta adecuado para mantener a los metales en solución, sobre todo al Fe3+. Con valores de pH mayores a 5,5, estos microorganismos no se desarrollan, por lo tanto la lixiviación no sería efectiva.
INMOVILIZACIÓN DE METALES PESADOS
Dentro de la amplia diversidad microbiana, existen microorganismos resistentes y microorganismos tolerantes a metales. Los resistentes se caracterizan por poseer mecanismos de detoxificación codificados genéticamente, inducidos por la presencia del metal. En cambio, los tolerantes son indiferentes a la presencia o ausencia de metal. Tanto los microorganismos resistentes como tolerantes son de particular interés como captores de metales en sitios contaminados, debido a que ambos pueden extraer los contaminantes. La resistencia o tolerancia experimentada por microorganismos es posible gracias a la acción de diferentes mecanismos. Estos fenómenos son: biosorción, bioacumulación, biomineralización, biotransformación y quimiosorción mediada por microorganismos.
CICLOS BIOGEOQUIMICOS DE OLIGOELEMENTOS Y MERCURIO
• Biosorción. Fenómeno ampliamente estudiado en la biorremediación de diversos metales pesados como el cadmio, cromo, plomo, níquel, zinc y cobre. Los microorganismos utilizados como biosorbentes, aislados a partir de ecosistemas contaminados, retienen los metales pesados a intervalos de tiempo relativamente cortos al entrar en contacto con soluciones de dichos metales. Esto minimiza los costos en un proceso de remediación, ya que no requiere el agregado de nutrientes al sistema, al no requerir un metabolismo microbiano activo. Los fenómenos de biosorción se caracterizan por la retención del metal mediante una interacción físicoquímica del metal con ligandos de la superficie celular. Esta interacción se produce con grupos funcionales expuestos hacia el exterior celular pertenecientes a partes de moléculas componentes de las paredes celulares, como por ejemplo carboxilo, amino, hidroxilo, fosfato y sulfhidrilo. Es un mecanismo de cinética rápida que no presenta una alta dependencia con la temperatura.
Bioacumulación
Este mecanismo celular involucra un sistema de transporte de membrana que internaliza al metal pesado presente en el entorno celular con gasto de energía. Este consumo energético se genera a través del sistema H+-ATPasa. Una vez incorporado el metal pesado al citoplasma, éste es secuestrado por la presencia de proteínas ricas en grupos sulfhidrilos llamadas metalotioneínas o también puede ser compartimentalizado dentro de una vacuola, como ocurre en hongos.Algunos ejemplos de este proceso son muy interesantes, como el caso de acumulación de uranio por la bacteria Pseudomonas aeruginosa, el cual fue detectado íntegramente en el citoplasma, al igual que en la levadura Saccaromyces cerevisiae.
Biomineralización
• Los microorganismos son capaces de precipitar metales y radionuclidos como carbonatos e hidróxidos, mediante un mecanismo de resistencia codificado en plásmidos. Este mecanismo aparece por el funcionamiento de una bomba que expulsa el metal tóxico presente en el citoplasma hacia el exterior celular en contracorriente a un flujo de H+ hacia el interior celular. Esto produce una alcalinización localizada sobre la superficie celular externa y por lo tanto la precipitación del metal pesado .Otra forma de precipitar los metales es a través de la formación de sulfuros o fosfatos, como resultado de alguna actividad enzimática celular. Un ejemplo de ello es la precipitación de sulfuros metálicos en reactores con cultivos mixtos de bacterias reductoras de sulfato o la acumulación de CdS en la pared celular de las bacterias Klebsiella planticola y Pseudomonas aeruginosa
Biotransformación
• Este es un proceso que involucra un cambio químico sobre el metal pesado, como por ejemplo en el estado de oxidación o metilación. Esta transformación biológica de los metales pesados que resultan tóxicos mediada por enzimas microbianas puede dar como resultado compuestos poco solubles en agua o bien compuestos volátiles. El ejemplo más claro es el ciclo del Hg en la naturaleza, donde la bacteria Pseudomonas aeruginosa puede reducir el catión Hg2+ a Hg0, y otros organismos pueden luego metilarlo dando como producto el CH3Hg+ y (CH3)2Hg, que son volátiles y aún más tóxicos que el propio Hg .
Biotransformaciones
Las reducciones de V(V) a V(III), Au(III) a Au(0) y Cr(VI) a Cr(III), conducen a la precipitación del metal bajo condiciones fisiológicas. Entre estos últimos el Cr es el metal más ampliamente utilizado en la industria de aceros, automóviles, equipamiento de hospitales y curtiembres, entre otras. El Cr(VI) es un contaminante de prioridad 1 catalogado por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos, ya que es estable en solución acuosa y por lo tanto de alta movilidad en diferentes ambientes, con un alto potencial mutagénico y carcinogénico. El pasaje a Cr(III) produce la inmovilización por precipitación de hidróxidos y la disminución en la mutagenicidad. La utilización de microorganismos resitentes a Cr con capacidad de bioconversión Cr(VI) en Cr(III) es de fundamental importancia en el tratamiento biológico de efluentes industriales.
BIORREMEDIACION DE LA CONTAMINACION
Biorremediación
• La biorremediación es el uso de seres vivos para restaurar ambientes contaminados.
• Es un concepto que no se debe confundir con depuración. La depuración es la eliminación, ya sea por métodos físico/químicos o biológicos, de un contaminante antes de que éste alcance el medio ambiente.
• Cuando la contaminación ya se ha producido, se precisa restaurar el ecosistema contaminado, para lo que se pueden utilizar diversas estrategias. Una de ellas es la biorremediación.
Biorremediación• Las actividades microbianas en el proceso de
Biorremediación se pueden resumir en el siguiente esquema:
• FIG 2: “METABOLISMO MICROBIANO”. Los microorganismos ingieren contaminantes como fuente de carbono y algunos nutrientes como fósforo y nitrógeno. La digestión de estos compuesto en sustancias más simples como parte del metabolismo del microorganismo, puede resultar en la degradación del compuesto en forma parcial (transformación) o total a dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O).
• Tipos de Biorremediación
En los procesos de Biorremediación generalmente se emplean mezclas de ciertos microorganismos o plantas capaces de degradar o acumular sustancias contaminantes tales como metales pesados y compuestos orgánicos derivados de petróleo o sintéticos.Básicamente, los procesos de Biorremediación pueden ser de tres tipos:
FIG 1: Diferentes modos de Biorremediación.
¿Qué organismos participan?
• Los más usados en la Biorremediación son los microorganismos (bacterias, protozoarios, algas, hongos) y las plantas o las enzimas derivadas de ellos (en procesos llamados fitorremediación), para retornar un medio ambiente alterado por contaminantes a su condición natural, pero también se pueden utilizar otros seres vivos tales como los nemátodos (vermiremediación).
• Entre los microorganismos destacan especialmente las bacterias, seres vivos con mayor capacidad metabólica del planeta. Las bacterias pueden degradar prácticamente cualquier sustancia orgánica. Si la sustancia se degrada completamente se habla de mineralización; este es el proceso ideal, pero no siempre ocurre.
• Algunas sustancias no son degradadas sino transformadas en otras (biotransformación). La biotransformación puede ser peligrosa, ya que la nueva sustancia formada puede ser tan nociva o más que la de partida.
• Finalmente hay sustancias que no son degradadas y se las denomina recalcitrantes. Éstas se acumulan durante mucho tiempo en el medio ambiente, si además son resistentes a procesos físico/químicos como la radiación ultravioleta o la oxidación.
• Las bacterias pueden eliminar los contaminantes en ambientes donde hay oxígeno (llamados aeróbicos), pero también en ambientes sin oxígeno (llamados anaeróbicos), ya que pueden respirar otras sustancias diferentes al oxígeno (aceptores de electrones), como por ejemplo el nitrato, el sulfato, el hierro (III), el manganeso, el selenio.
¿Qué tipos de contaminantes se pueden eliminar por biorremediación?
Todos aquellos contaminantes que puedan ser degradados o transformados por los seres vivos son susceptibles de ser eliminados mediante procesos de biorremediación. Los compuestos orgánicos suelen ser degradados total o parcialmente y eliminados por completo del ecosistema. Por ejemplo, compuestos contaminantes tales como el tolueno, el fenol o los polibifenilos clorados (PCBs) pueden ser utilizados como fuente de carbono por bacterias, tanto en condiciones aeróbicas como anaeróbicas. Bacterias de los géneros Pseudomonas, Ralstonia, Burkholderia o Mycobacterium pueden eliminar hidrocarburos aromáticos como el tolueno o el naftaleno, pesticidas como las atrazinas, aditivos de la gasolina como el tricloruro de etilo o sustancias venenosas como el cianuro potásico, tanto de ambientes sólidos (suelos) como líquidos (ríos y mares).Pero, además muchas bacterias son capaces de modificar sustancias químicas peligrosas, transformándolas en otras menos tóxicas. Así, algunas bacterias pueden reducir la biodisponibilidad (hacerla menos accesible y por tanto menos tóxica) de metales pesados tales como el mercurio, el arsénico, el cromo, el cadmio, el zinc o el cobre.
Microorganismos des contaminantes
• Biorremediación, consiste en acelerar el proceso natural, para mitigar la contaminación ambiental.
se trata del proceso en el que se emplean organismos biológicos para resolver problemas específicos medioambientales, como la contaminación de suelos y aguas.
• La biorremediación se puede utilizar para atacar algunos contaminantes específicos, como los pesticidas clorados que son degradados por bacterias, de forma general como el caso de los derrames de petróleo, que se tratan empleando varias técnicas, incluyendo la adición de fertilizantes para facilitar la descomposición del crudo por las bacterias.
• La biorremediación no es lo mismo que biodegradación. Mientras que la segunda se produce naturalmente, la biorremediación es un proceso iniciado por el hombre generalmente con el propósito de subsanar el medio ambiente. No es posible tratar todos los contaminantes mediante el uso de la biorremediación. Sin embargo, hay una serie de ventajas en la biorremediación, la cual se puede emplear en áreas a las que no se puede acceder fácilmente si no es mediante excavación.
• Por ejemplo, los derrames de gasolina pueden contaminar el agua subterránea. Introduciendo los organismos precisos, en conjunción con compuestos formadores de oxígeno, se puede reducir significativamente la concentración en gasolina después de un determinado período de tiempo.
• ¿Y no es peligroso para la salud que existan estas bacterias?... La idea es la siguiente: si se excavan 20 o 30 metros en el suelo hacia el agua subterránea, por ejemplo, y se toma un pequeño trozo de suelo, lo cierto es que pueden haber ahí decenas de miles de millones de bacterias, toda una diversidad. Pero si se estimulan algunas de ellas no deja de ser seguro para el ser humano, ya que la cantidad de patógenos es mínima comparado con el número de organismos en el medio ambiente.
• Hay que tener en cuenta que, cuanto más diversidad biológica exista en un ecosistema, con mayor eficiencia podrá autodepurarse.
Ventajas y desventajas de la biorremediación En la actualidad existen diversas técnicas de biorremediación.• Una de ellas es la técnica intrínseca, donde el propio medio ambiente resuelve el
problema si se dan las condiciones óptimas, aunque se controla el proceso, por si se produjeran compuestos tóxicos secundarios.
• También existe la técnica in - situ, donde se acelera el proceso en el mismo medio, modificando las condiciones ambientales (pH, nutrientes, humedad, temperatura, oxígeno, etc.), añadiendo nutrientes para multiplicar los organismos del lugar o inoculando organismos más eficaces para el vertido concreto. La adición de nutrientes es la opción más económica y la que ofrece más posibilidades de éxito hoy día.
• La ex -situ es cuando el contaminante se extrae y se degrada en otro sitio en condiciones controladas de laboratorio. No obstante, se trata de un proceso más caro y que no puede realizarse en la mayoría de las ocasiones.
Las ventajas de este sistema están llevando a que sea cada vez más utilizado y que se invierta más en su desarrollo. Y es que si se utiliza correctamente, no produce efectos adversos significativos, ya que apenas genera cambios físicos en el medio, y es más barato que otras técnicas anticontaminación, especialmente cuando se trata de eliminar residuos de difícil acceso, como por ejemplo los derrames de gasolina, que pueden contaminar el agua subterránea.
FITORREMEDIACION• La fitorremediación es un conjunto de tecnologías que utiliza las plantas
vasculares, algas (ficorremediación) u hongos (micorremediación), y por extensión ecosistemas que contienen estas plantas para reducir, degradar o inmovilizar compuestos organicos contaminantes (naturales o sintéticos), de la tierra, del agua o del aire y que provienen de las actividades humanas. Esta técnica también puede tratar la contaminación por compuestos inorganicos ( metales pesados o radioisotopos).
• Suelos: Esta técnica se utiliza para descontaminar biológicamente las tierras contaminada por metales y metaloides, plaguicidas, disloventes, explosivos, petroleo y sus derivados, radioisótopos y contaminantes diversos diversos.
• Las aguas residuales: La fitorremediación también se utiliza para la descontaminación de las aguas cargadas de materia orgánica o contaminantes diversos (metales, hidrocarburos, plaguicidas).
• El aire: También se puede limpiar el aire interior de zonas cerradas a través de plantas que lo descontaminan.
• (NASA recomienda emplear de 15 a 18 plantas de tamaño medio en macetas de unos 20 cm de diámetro para una casa de 170 metros cuadrados. proceden de regiones tropicales o subtropicales. Debido a su capacidad para desarrollarse en ambientes con reducida luz solar, la composición de sus hojas les permite la fotosíntesis en el interior de una casa bien iluminada, y hasta solo con luz artificial). estas plantas también eliminaban cantidades significativas de benceno, formaldehido y/o tricloroetileno.
Principio de la fitorremediación• La fitorremediación se basa en las interacciones entre las plantas, el
suelo y los microorganismos. El suelo es una compleja estructura que sirve de soporte para el desarrollo de las plantas y los microorganismos que se alimentan de los compuestos orgánicos o inorgánicos que lo componen. Cuando algunos de estos compuestos se encuentra en exceso con respecto al estado inicial del suelo, éste se describe como un suelo contaminado. Los compuestos en exceso puede ser utilizados como fuente de energía por las plantas y microorganismos. En el sistema planta - suelo - microorganismos, la biodegradación bacteriana es independiente de la absorción por medio de la raíz. Las plantas y los microorganismos han coevolucionado para adoptar una estrategia de aprovechamiento recíproca, para soportar la fitotoxicidad, de la que los microorganismos aprovechan los exudados de la raíz y también la planta se beneficia de la capacidad de degradación de los microorganismos rizosfericos para reducir el estrés debido a la fitotoxicidad. La planta es el agente esencial de la exportación de un contaminante fuera de su entorno.
Efecto en la rizosfera
• La rizosfera es el volumen de suelo sometido a la influencia de la actividad de
las raices. Este volumen de suelo es más o menos importante y varía en función de las plantas y el tipo de suelo. Los procesos que ocurren en la zona de las raíces son esenciales para la fitorremediación. La actividad y la biomasa microbiana son mucho mayores allí que en el suelo sin raíces. Las raíces liberan sustancias naturales en el suelo donde crecen, por medio del exudado de las raíces. Promueven y mantienen el desarrollo de colonias microbianas, proporcionándoles de un 10-20% del azúcar producido por la actividad fotosintética de la planta. Son liberados muchos compuestos, por ejemplo, hormonas, enzimas, oxigeno y agua. Los microorganismos rizosféricos, a su vez, promueven el crecimiento de la planta (reducción de los patogenos, puesta a disposición de nutrientes ...). En teoría, cuanto mayor sea la abundancia de raíces, con mayor abundancia van a proporcionar un área de desarrollo importante a la microflora y microfauna de la rizosfera. De hecho, los exudados radiculares promueven la biodegradacion de la contaminacion orgánica, estimulando la actividad micromicrobiana
Principio de la descontaminación
• Las plantas van a absorber el contaminante para metabolizarlo o almacenarlo, reduciendo o evitando la liberación de contaminantes en otras zonas del medio (fitoestabilizacion). Con mucha frecuencia, los compuestos orgánicos (Xenobióticos o no) puede ser degradados y metabolizados para el crecimiento de la planta. La contaminación se elimina así. En el caso de los compuestos inorgánicos contaminantes (metales, metaloides y radionucleidos), únicamente es posible su fitoestabilización o fitoextracción, porque estos tipos de agentes contaminantes no son biodegradables.
