DARVEY RAMOS MALPICA BIORREMEDIACIÓN Biorremediación – MITYGA 2021 Introducción. En esta materia vamos primero a conocer los procesos biológicos y procesos físico-químicos complementarios que se utiliza en proyectos de biorremediación. En este contexto vamos a ver: 1) procesos de microorganismos 2) procesos de plantas 3) procesos FQ complementarios Posteriormente vamos a ver como utilizar estos procesos en sistemas de biorremediación de sitios contaminados, en especial suelo, subsuelo, sedimentos y agua subterránea. Para esto, vamos a explorar varios de las principales técnicas de biorremediación aplicable a sitios contaminados en la región. Procesos Microbianos. Los microorganismos tienen cuatro (4) mecanismos que pueden utilizar para aprovechar de contaminantes en el medio y/o que resulta en la desintoxicación del medio: 1) Mineralización 2) Humificación 3) Cometabolismo 4) Descloración Reductiva Muchas veces en la naturaleza, es una combinación de procesos que realmente resulta en la remediación del sitio. Mineralización. La mineralización es uno de los procesos más comunes y más conocidos. La gran mayoría de proyectos de biorremediación están basados en este proceso, y por parte de las autoridades, es la principal que conocen (incluso, hay mucha personal que trabajen en las instituciones del gobierno que piensan que es el único mecanismo de biodegradación). El concepto es sencillo. Los microorganismos utilizan a contaminantes orgánicos como alimento, descomponiéndolos para su propia alimentación, como que si fuera tortilla y frijol. El resultado (teóricamente), es que el contaminante orgánico es transformado completamente a dióxido de DARVEY RAMOS MALPICA BIORREMEDIACIÓN carbono y agua, compuesto inorgánicos (minerales). Por esto se llama “mineralización”, se transforman compuestos orgánicos (contaminantes) en compuestos no orgánicos (minerales), (en teoría). (En la realidad una parte del “alimento” es utilizado para hacer más biomasa – más células de microorganismos. Por otra parte, no es común que se descompone todo el contaminante por razones de estructura química, biodisponibilidad, insuficiencia enzimática, y/o otras reacciones biológicas y químicas en el ambiente que compiten con las reacciones de la mineralización.) Es un proceso que sí ocurre en el ambiente para muchos tipos de compuestos orgánicos, pero no todos. Varios factores influyen si ocurre, bajo que condiciones, que tan rápido, y que tan completo. Entre esto son los siguientes factores: 1) la estructura química del contaminante - ¿es utilizado en el ambiente normalmente como alimento para bacterias/hongo, es muy parecido y podría serlo, o tiene estructuras químicas poco comunes en la naturaleza y difícil para que los microorganismos si lo ataquen? 2) disponibilidad – ¿está fácilmente accesible para los microorganismos o está en una forma secuestrada químicamente en el ambiente con otros compuestos orgánicos y/o minerales finos (sobre todo arcillas)? 3) condiciones FQ - ¿existen las condiciones físicos y químicos que requieren los microorganismos para su desarrollo normal? ¿Cómo están las condiciones de pH, salinidad, temperatura, aeración? ¿Cómo está la nutrición del suelo/sedimento/agua para que los microorganismos pueden aprovechar del contaminante como alimento? ¿Hay suficiente N, P? 4) toxicidad - ¿es el contaminante (u otros presentes en el sitio) en concentraciones tan altas que perjudican a los mismos microorganismos? En la naturaleza, la mayoría de los microorganismos tienen la tendencia descomponer compuestos orgánicos complejos en compuestos más sencillos para después aprovechar de ellos. Entre los mecanismos más comunes: Polímeros transformaciones enzimáticas monómeros más transformaciones enzimáticas intermediarios en el ciclo de los Ácidos Tricarboxílicos (TCA tb conocido como Kreb) Kreb rutas de biosíntesis macromoléculas (proteínas, lípidos, CHO, ADN/ARN) cadena de transporte de electrones aceptor terminal energía (ATP) Para algunos compuestos, como metano, metanol, formaldehido, etc. existen otras rutas también. Pero, prácticamente todos terminan en la producción de energía y/o biomasa para los microorganismos. DARVEY RAMOS MALPICA BIORREMEDIACIÓN Entre los tipos de contaminantes más frecuentemente tratado por la mineralización son los hidrocarburos del petróleo. Son una mezcla compleja y diversa de compuestos, con diferentes toxicidades, volatilidades, solubilidades, viscosidades y capacidad de ser biodegradados. Entre estos, los principales son alcanos lineales, alcanos cíclicos, alcanos ramificados, alquilbencenos, alquilnaftalenos, HAP, polares y resinas, y asfaltenos. Estos tienen diferentes capacidades de ser biodegradados. En general: los alcanos de 5 – 12 carbonos, son fáciles de descomponer, (pero tóxicos y volátiles, sobre todo los de menos de 10 C). Comunes en gasolina, condensados, la parte más ligera de diésel, y hay un poco en petróleo crudo ligero. los alcanos de 12-16 son de relativamente baja toxicidad y fáciles de descomponer. Comunes en diésel y petróleo crudo ligero y mediano. los alcanos de 17+ carbonos tienden de tener estructuras mucho más complejas, muchos ramificados y cíclicos, y ser mucho más difíciles de biodegradar. Comunes en combustóleo, alquitrán, petróleo crudo pesado, productos muy intemperizados. los alquilbencenos, alquilnaphthalenos son muy toxicos y volátiles pero fáciles de biodegradar. Comunes en gasolinas, condensados, la parte más ligera de diésel en pequeñas cantidades. los HAPs son de baja toxicidad, pero algunos son mutagénicos/cancerígenos. Son viscosos y difíciles de biodegradar, sobre todo con más de 3 anillos. Comunes en combustóleo, alquitrán, petróleo crudo pesado, productos muy intemperizados. los compuestos polares, resinas y asfaltenos son muy viscosos, de muy, muy baja toxicidad pero casi imposible de biodegradar. Comunes en combustóleo, alquitrán, petróleo crudo pesado, productos muy intemperizados. Entre estos, los más fáciles de biodegradar, son porque tienen estructuras químicas sencillas y parecidas a otras sustancias naturales que se usan fácilmente como alimento. Por ejemplo, las membranas de las células (de todos) están compuestos de fosfolípidos, estos son descompuestos por lipasas a glicerol, fosfato y ácidos carboxílicos (grasos). La mayor parte de la molécula (y su energía) proviene de los ácidos grasos (¡algo que recordar en la taquería con las gringas al pastor!). Los ácidos grasos son descompuestos por un proceso que se llama beta-oxidación que resulta en la liberación de una molécula de ácido acético (acetato) y otro ácido carboxílico de dos carbonos menos. Las enzimas responsables siguen atacando este ácido hasta que, pedazo por pedazo, se convierte todo en moléculas de ácido acético. Las moléculas de ácido acético son transformadas en ácido pirúvico (piruvato) que luego ésta entra en el ciclo TCA (Kreb). Desde ahí, en la presencia de oxígeno, es descompuesto completamente (mineralizado) para producir dióxido de carbono, agua y energía. Ó, desde ahí (ciclo TCA) es incorporado en rutas biosintéticas para producir biomasa (reparar, reproducir más células). DARVEY RAMOS MALPICA BIORREMEDIACIÓN Fosfolípido enzimas lipasas glicerol, fosfato y dos moléculas de ácido carboxílico (ác. graso) Ácido carboxílico de “n” carbonos enzimas de la beta-oxidación acetato + ácido carboxílico de (n -2) carbonos Ácido carboxílico de (n-2) C muchas vueltas de beta-oxidación muchas moléculas de acetato Acetato piruvato ciclo TCA biomasa y energía (+ CO2 y agua) ________________________ Para la descomposición de alcanos lineales se usa casi el mismo proceso, pero primero se tiene que convertir el alcano en un ácido carboxílico (graso): Alcano lineal enzimas de transformación alcohol aldehído ácido carboxílico (graso) Ácido carboxílico muchas vueltas de beta oxidación moléculas de acetato Acetato piruvato ciclo TCA biomasa y energía (+ CO2 y agua) Así que una bacteria que ya consume grasas y lípidos, solo necesita tres transformaciones enzimáticas adicionales para transformar el alcano lineal (hidrocarburo) en ácido. Por otra parte, el petróleo es una sustancia natural, y aprox. ¾ de los yacimientos en el mundo tienen alguna expresión en la superficie (filtración natural). Los microorganismos que pueden aprovechar de los compuestos (hidrocarburos) en el petróleo, tienen una ventaja en que encuentran más de que comer. Se encuentran microorganismos que consumen hidrocarburos del petróleo en casi todo ambiente natural, aunque pueden ser ausentes o escasos en algunas condiciones: 1) toxicidad (p.ej. después de derrames de gasolinas, condensados o solventes) 2) exceso de pH y/o salinidad 3) extrema aridez, existe poca materia orgánica natural de que comer. Por esta razón normalmente no es necesario agregar microorganismos a suelo/sedimento para una remediación (bio-aumentación) solo estimular los ya presentes (bio-estimulación). Pero cuando hay condiciones adversas y se considera recomendable una bio-aumentación, casi siempre es preferible hacer un cultivo sencillo en el sitio (cultivo mixto no definido) usando el suelo/sedimento local como fuente de microrganismos. Estos serán más acostumbrados a las condiciones del sitio (nutrición, pH, salinidad, clima, etc.) que los de un producto comercial de microorganismos (y MUCHO menos costosos). DARVEY RAMOS MALPICA BIORREMEDIACIÓN Ejericio. Busca en el internet las rutas de descomposición de lípidos, incluyendo la beta oxidación. Descomposición de los lípidos en tres partes: 1. Activación de los ácidos grasos. 2. Transporte de los ácidos grasos por las membranas celulares. 3. Beta-Oxidación. Beta-Oxidación. Agrega el ciclo TCA (Kreb) y demuestra los desvíos desde el ciclo a rutas de biosíntesis (anabólicas). Para esta sección se muestran las reacciones químicas en la siguiente figura; DARVEY RAMOS MALPICA BIORREMEDIACIÓN Sin embargo, al observar las vías anabólicas (biosíntesis) se observan mejor en la figura: Donde se observa la biosíntesis de la transformación del Citrato a ácidos grasos y colesterol para su posterior uso. La biosíntesis de los aminoácidos se lleva a cabo a partir del α-Cetoglutarato a mitad del ciclo de Krebs y del Oxalacetato casi al final del ciclo. Y por último la Porfirina se puede producir a partir del Succinil-CoA por el anabolismo respectivo del ciclo de Krebs. Igualmente, busca como función la bomba de protones y la cadena de electrones para producir energía desde productos en el ciclo TCA. Bomba de protones. Es una proteína enzimática integral (ATPasa) de membrana capaz de movilizar o transportar protones a través de las células y utiliza energía en forma de ATP. DARVEY RAMOS MALPICA BIORREMEDIACIÓN Cadena de electrones. Es una serie de transportadores de electrones que se encuentran en la membrana interna de las células en la membrana interna mitocondrial o en las membranas tilacoidales, que mediante reacciones bioquímicas producen trifosfato de adenosina (ATP), que es el compuesto energético que utilizan los seres vivos. Las transformaciones en alcanos para producir ácidos grasos. Los hidrocarburos alifáticos los podemos clasificar en alcanos, alquenos y alquinos dependiendo de lo saturados que estén sus enlaces. Como norma general decir que como más insaturado sea una cadena carbonatada (más dobles y triples enlaces) más difícil o lenta será su degradación. De igual manera los alcanos de cadena larga son más resistentes a la biodegradación a medida que la longitud de su cadena aumenta. Cuando alcanzan un peso molecular superior a 500 dejan de servir como fuente de carbono para el crecimiento microbiano. En general también la presencia de ramificaciones reduce la tasa de biodegradación porque los átomos de carbono terciarios y cuaternarios interfieren con los mecanismos de degradación o lo bloquean totalmente. Los microorganismos que utilizan hidrocarburos como sustrato deben de tener enzimas denominada mono-oxigenasas que son dependientes de oxígeno. La mayoría de los microorganismos en teoría si son capaces de sobrevivir en ese ambiente pueden degradar sin más problemas hidrocarburos de cadena larga. Para degradar alcanos primero se deben de oxidar con oxígeno el último carbono de la molécula gracias al complejo multienzimático que no hacen más que incorporar esta molécula de oxígeno. Así se obtiene un hidrocarburo con un grupo alcohol siendo así una molécula más reactiva. Mediante otras enzimas este grupo alcohol se oxida más hasta grupo aldehído y finalmente carboxílico. Así se obtiene una molécula similar a un ácido graso y puede ser degradado a acetil-CoA por b-oxidación. Este proceso de oxidación también puede darse en carbonos no terminales dando lugar a dos ácidos grasos que se procesarán por b-oxidación. Todo este proceso se puede ver representado esquematizado en la imagen: DARVEY RAMOS MALPICA BIORREMEDIACIÓN Por otra parte, identifica tres productos de microorganismos que se venden comercialmente para obras de biorremediación y (según sus fabricantes), las ventajas que presentan. Producto de la empresa CMA; ECOBAC HXC Utilizado en la degradación de Hidrocarburos y producto petroquímicos. ECOBAC HXC es una mezcla única de diferentes cepas de bacterias, esta formulado para degradar eficazmente hidrocarburos de petróleo tanto aromático como alifáticos. Las distintas cepas se enfocan en la degradación de los hidrocarburos del petróleo ya sea en aplicaciones para Plantas de Tratamiento de Aguas, suelo y Bioremediación. Producto de la empresa Soluciones ambientales del norte; ACF-32. Bacterias suspendidas en un medio líquido, las cuales permanecen en estado adulto después de la manufactura lo que da su habilidad para adaptarse rápidamente a diferentes medios. Utilizadas para: el tratamiento de aguas residuales industriales, agropecuarias, residenciales y municipales; la bio-remediación de suelos y cuerpos de agua contaminados; el mejoramiento de suelos agrícolas y la salud vegetal. DARVEY RAMOS MALPICA BIORREMEDIACIÓN Producto de la empresa Ingeniería y Servicios Ambientales (ISA); Bacterias para Tratamiento de Aguas Residuales ECOENZYM. Las bacterias ISA- ECOENZYM- HIDROCARBUROS son complejos de bacterias endémicas que mejoran la calidad de suelos y agua contaminados con hidrocarburos. Contienen una combinación de microorganismos benéficos seleccionados para degradar hidrocarburos. Cataliza la ruptura de moléculas orgánicas para obtener moléculas más simples que puedan ser digeridas por bacterias. PROPIEDADES DEL PRODUCTO: Producto biológico para mejorar la capacidad de la población bacteriana natural. Cataliza la ruptura de moléculas orgánicas para obtener moléculas más simples que puedan ser digeridas por bacterias. Puede aplicarse tanto a suelos contaminados por hidrocarburos como a agua contaminada por hidrocarburos. Contienen una combinación de microorganismos benéficos seleccionados para degradar hidrocarburos. ¿Algún producto viene con una prueba de factibilidad que incluye un testigo científico? Ninguno.
