Contaminantes y su biodegradación

Contaminantes y su
biodegradación
El desarrollo a gran escala de la
química de síntesis desde comienzos
del siglo XX. Este desarrollo introdujo y
sigue introduciendo en la Naturaleza
un tipo de enlaces químicos
prácticamente desconocidos en la
Biosfera (xenobióticos), sobre todo de
átomos de carbono unidos
covalentemente a grupos muy
electronegativos (halógenos y grupos
nitro y amino), lo que confiere una
extraordinaria estabilidad a los
productos resultantes.
Orígenes de la contaminación
Las explotaciones mineras y
metalúrgicas masivas, cuyos
procesos transforman a los metales
desde formas biológicamente
inactivas a especies iónicas con
una alta reactividad en sistemas
vivos.
La extracción y combustión de
enormes cantidades de minerales
fósiles (carbón y petróleo) como
base energética de todas las
sociedades industrializadas, con la
consiguiente descarga de CO2 y
las deposiciones ácidas de nítrico
y sulfúrico.
Hidrocarburos
•Hidrocarburos aromáticos policíclicos (pah)
•Hidrocarburos alifáticos clorados (cah)
•Hidrocarburos aromáticos clorados
~Difenilos policlorados (pcb)
~Pentaclorofenol (pcp)
~Dioxinas
•Hidrocarburos aromáticos nitrados: explosivos
PCP, fungicida
TNT
Orígenes de la contaminación
La demanda social y utilización
masiva de polímeros sintéticos
(típicamente los plásticos),
formados a base de productos del
petróleo en combinación con
aditivos de síntesis.
La emisión de productos
farmacéuticos al medio ambiente
como consecuencia de la
producción y el consumo
creciente de moléculas bioactivas
de síntesis o semi-síntesis.
Orígenes de la contaminación
Las prácticas de agricultura
intensiva, con su requerimiento
tanto de abonos nitrogenados y
de fuentes de fosfato como de
pesticidas y herbicidas para el
control de plagas. Un problema
asociado es el de los residuos
resultantes de la manufactura y
consumo de productos
vegetales o de origen vegetal.
Pesticidas
•Herbicidas clorofenólicos
•Herbicidas nitrofenólicos y nitrocresólicos
•Insecticidas de cloruros orgánicos sólidos (DDT)
•Insecticidas organofosfatados
Xenobióticos
•Compuestos con estructuras
moleculares y secuencias de
enlaces químicos no
reconocibles por las enzimas
degradadoras existentes.
•Analogía estructural entre
exudados de plantas y
compuestos xenobióticos
contaminantes.
http://www.bio.puc.cl/labs/bgonzalez/investigacion/rizosfera.html
Xenobióticos recalcitrantes
Compuesto resistente a la
biodegradación.
•Sustituciones y enlaces o secuencias
de enlaces poco usuales.
•Anillos aromáticos muy
condensados.
•Tamaño molecular excesivo.
•Incapacidad para inducir la síntesis
de enzimas degradadoras.
•Falta de permeasas adecuadas.
•Baja solubilidad.
•Alta toxicidad.
Bioacumulación
Acumulación de contaminantes en un organismo.
Biomagnificación
Incremento de la concentración del contaminante en cada
nivel trófico.
http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/cienc
ia/volumen2/ciencia3/083/htm/sec_7.htm
Biodegradación
Transformaciones en compuestos.
•Incompletas a compuestos
complejos
•Oxidación completa de
compuestos orgánicos a CO2, H2O
y NO3-.
Degradación de materiales
•Canillas de plástico (de paquetes de latas de aluminio): 450 años
•Bolsas de plástico: 12 a 20 años.
•Botella de vidrio: cerca de 4000 años.
•Calcetines hechos de lana: 1 a 5 años.
•Cáscara de naranja: 6 meses.
•Cáscara de plátano o de banana: 2 a 10 días.
•Cuerda: 3 a 14 meses.
•Envases de leche (Tetra PACK): 5 años.
•Estaca de madera: 2 a 3 años.
•Estaca de madera pintada: 12 a 15 años.
•Filtros de cigarrillos: 1 a 2 años.
•Hierro: depende del tipo de hierro de 1 año a varios millones de
años
•Papel: 2 a 5 meses.
•Pañuelos hechos de algodón: 93600 a 416666 años.
•Telas de nailon: 30 a 40 años.
•Vasos de aislante térmico de poliestireno styrofoam: 1 a 100 años.
•Zapatos de cuero: 25 a 40 años.
•Latas de Aluminio Paquete de 6: aproximadamente 450 años
•Pañales desechable: 5 a 100 años
Pruebas de genotoxicidad
•Prueba de AMES
http://pubs.rsc.org/Publishing/Journals/GC/
article.asp?Type=Issue&Journalcode=GC&I
ssue=6&SubYear=2006&Volume=8&Page=0
&GA=on
Prueba de Ames
La prueba de Ames se utiliza para determinar si un agente químico
determinado es mutagénico (y por tanto probablemente
carcinogénico). Se basa en determinar si un supuesto mutágeno
es capaz de revertir un auxótrofo - esto es, la cepa auxótrofa muta
de nuevo para crecer sin una sustancia que previamente requería.
http://coli.usal.es/Web/educativo/biblioteca/bibelectro.
alu/documentos/intmicro/cap6/texthtml/cap604.htm
Ames Assay
In a standard Ames
assay a rat liver
homogenate is used to
provide the
cytochromes P450
necessary for activation
of mutagens to their
reactive forms.
The suspected mutagen is mixed with the homogenate, where it is
metabolized to its reactive form, and then an appropriate tester
strain of Salmonella typhimurium is added to the mix. The
activated mutagen enters the bacterium and reacts with DNA to
cause mutations; mutations in the operon for histidine biosynthesis
that restore function ("reversions") allow the bacterium to grow on
histidine-deficient medium, and result in visible colonies on the
assay plate. The greater the number of colonies, the more
mutagenic the chemical
Prueba del Cometa
La prueba de cometa se utiliza como
biomarcador para evaluar el daño y la
reparación del ADN en poblaciones
humanas expuestas a genotóxicos.
En la prueba de cometa también es
utilizado para evaluar el daño en el ADN
en linfocitos de personas expuestas
ocupacionalmente a solventes y metales.
Con el empelo de linfocitos en vez de
sangre total se pretende eliminar la
posible heterogeneidad en la respuesta
debida a diferencias entre poblaciones
celulares.
Prueba del Cometa
Las células con un incremento en su ADN dañado presentan
una mayor migración del ADN hacia el ánodo o bien, una
mayor intensidad de fluorescencia en la cauda con respecto a
las células normales.
http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&
pid=S0120-41572005000300009&lng=es&nrm=iso
22.5-25nm
Sin daño 70-90%
37.5-75nm
Daño medio - 2%
112.5nm - +
Daño muy alto - 1 %
27.5-35nm
Daño bajo 30-10%
75 – 110nm
Daño alto - 1 %
La misma valoración
Hidrocarburos
El petróleo es un
producto natural
que se origina por
la transformación
anaeróbica de la
biomasa en
condiciones de
temperatura y
presión elevadas.
http://www.bbc.co.uk/spanish/specials/1421_petroleo/page5.shtml
Contaminación por petróleo
•Contacto con la biosfera vs
perforaciones de crudo (2000
millones de toneladas
anuales).
•Componentes del petróleo
son biodegradables a la
acción de los
microorganismos (lenta).
•Los vertidos accidentales de
petróleo en tierra suelen ser
más fáciles de contener y
limpiar que si se producen en
agua.
Petróleo
•Es una mezcla compleja
de hidrocarburos alifáticos,
alicíclicos y aromáticos.
Contiene una menor
proporción de compuestos
que no son hidrocarburos
como ácidos nafténicos,
fenoles, tioles, compuestos
heterocíclicos de nitrógeno,
compuestos de azufre y
metaloporfirinas.
•Se necesitan muchas vías
catabólicas diferentes, por
lo tanto muchas
poblaciones diferentes que
puedan utilizar estos
compuestos como fuente
de energía y carbono.
Degradación de hidrocarburos
•Alcanos, alquenos
y alquilos. Entre mas
insaturado, más
difícil o lenta será su
degradación.
•Los alcanos de
cadena larga son
más resistentes a la
biodegradación.
•Un peso molecular
alto y ramificaciones
impiden la
degradación.
Formación del
ácido carboxílico
Monooxigenasa
NADH de proteínas transportadoras.
Alcohol deshidrogenasa
Aldehído deshidrogenasa
•Poco solubles.
•Fusión con la membrana externa.
•Transporte a la membrana celular.
β-oxidación
Hidrocarburos
aromáticos
Algunos
microorganismos
pueden romper los
anillos para formar
intermediarios de las
vías del metabolismo
central.
Alternativas energéticas
•Biodiesel
•Bioetanol
•Energía solar
•Energía eólica
•Energía
geotérmica
Biodiesel
Es una mezcla de
ésteres metílicos
obtenidos a partir de
la transesterificación
de aceites vegetales
o grasas animales.
CH2
O
O C R1
O
CH O C R2
CH2
+
3 R´OH
O
O C R3
Triglicérido
Alcohol
R1
O
C O R´
R2
O
C O R´
R3
O
C O R´
Esteres
CH2 OH
+
CH OH
CH2 OH
Glicerol
Bioetanol
¿Otras fuentes energéticas?