Biotecnología Biotecnología y y ambienteambienteBioremediaciBioremediaciónón

CELULA

Sistemasenzimáticos

sustratoCompuesto orgánico(contaminante)

aceptor deelectrones

• Oxígeno• Nitrato• Sulfato• otros nutrientes

• Nitrógeno• fósforo• metales (trazas)

transformaciónCompuesto modificadopero no completamente

eliminado

Contaminante destruídoformación de CO2 + H2O

mineralización

BioremediaciBioremediacióónn

Ecología Ecología de lade la degradación degradación

Respiración anaeróbicaRespiración anaeróbica

TiempoDistancia de la fuente

Proceso dominante de aceptor terminal de electrones

+10

0

-10

Aceptores Aceptores dede electrones electrones

pE

Respiraciónaeróbica

O2

Organicos

O2

SOSO44--

Reducción de sulfato

SO4-

HH22SS

Metanogenesis

CO2

CH4

H2

Desnitrificación

NO3-

NONO33--

Reducción de Fe (III)

Fe (III)

Fe (II)

Especies químicasEq

uiva

lent

esBiogeoquímicaBiogeoquímica

Reacciones Reacciones enen acuíferos acuíferoscontaminadoscontaminados

Diagrama Diagrama de de bioremediaciónbioremediación

Adding Oxygen

-Bioventing

-Biosparging

Adding Oxygen

and Nutrients

Biostimulation

Adding Oxygen,

Nutrients and Bacteria

Bioaugmentation

Engineered Intrinisic

in situ

Landfarming Bioreactor

ex situ

Bioremediation

BioremediaciBioremediación ón in situin situ Exxon ValdezExxon Valdez

Atlas & Bragg, Microbial Biotechnology (2009) 2, 213-221

BioremediaciBioremediación ón in situin situ bioestimulacibioestimulaciónón

BioremediaciBioremediación ón in situin situ Exxon ValdezExxon Valdez

BioremediaciBioremediación ón in situin situ Exxon ValdezExxon Valdez

La bioremediación no aumenta la extensión de la degradaciónLa bioremediación aumenta la cinética de degradación

Limitaciones Limitaciones de la de la bioremediacibioremediaciónón

• recalcitrancia

• viscosidad (difusión)

• accesibilidad

• co-metabolismo

Gallego et al, Org Geochem 37: 1869- 1884

Prestige oil spill

Modos Modos dede metabolismo microbiano metabolismo microbiano

• Cometabolismo: transformación de un compuestoorgánico por un microorganismo incapaz de usar el sustratocomo fuente de energía

• Los productos de transformación de cometabolismo de unmicroorganismo son típicamente usados como fuente deenergía por otro

Sustrato primario Sustrato primario oocometabolismocometabolismo??

TCE

2010: Derrame en el 2010: Derrame en el golfo golfo de Mde Méxicoéxico

Actividad científica en las primeras etapas:

• Documentar condiciones previas al impacto

• Monitoreo del transporte de petróleo

• Monitoreo de daño en recursos naturales

• Decisiones técnicas para contener el derrame

2010: Derrame en el 2010: Derrame en el golfo golfo de Mde Méxicoéxico

636 millones litros de petróleo 5.000.000 litros dispersante!

OD ?

2010: Derrame en el 2010: Derrame en el golfo golfo de Mde Méxicoéxico

Descenso en ODsugiere catabolizaciónde HC

Aumento endensidad celularen la pluma

Hazen et al., www.sciencexpress.org / 24 August 2010 / Page 1 / 10.1126/science.1195979

2010: Derrame en el 2010: Derrame en el golfo golfo de Mde Méxicoéxico

Hazen et al., www.sciencexpress.org / 24 August 2010 / Page 1 / 10.1126/science.1195979

Cambios en la composición de las comunidades microbianas

16S rRNA PLFA

2010: Derrame en el 2010: Derrame en el golfo golfo de Mde Méxicoéxico

Hazen et al., www.sciencexpress.org / 24 August 2010 / Page 1 / 10.1126/science.1195979

Psychrophilic, hydrocarbon degrading Bacteria, as well as uncultured organisms from low temperature, hydrocarbon dominated environments are shown in blue

2010: Derrame en el 2010: Derrame en el golfo golfo de Mde Méxicoéxico

Hazen et al., www.sciencexpress.org / 24 August 2010 / Page 1 / 10.1126/science.1195979

4,000-5,000 genes funcionales detectados por muestra1652 genes involucrados en la degradación de hidrocarburos

2010: Derrame en el 2010: Derrame en el golfo golfo de Mde Méxicoéxico

Hazen et al., www.sciencexpress.org / 24 August 2010 / Page 1 / 10.1126/science.1195979

La composición funcional de la comunidad microbiana resultósignificativamente diferente entre muestras dentro y fuera de la pluma

2010: Derrame en el 2010: Derrame en el golfo golfo de Mde Méxicoéxico

Hazen et al., www.sciencexpress.org / 24 August 2010 / Page 1 / 10.1126/science.1195979

• Existe una gran diversidad de poblaciones que degradan HC en lapluma a altas profundidades del ambiente marino

• Las comunidades microbianas están sujetas a una rápida adaptaciónen respuesta a la contaminación

• Existe el potencial para la bioremediación intrínseca de lacontaminación de petróleo

2010: Derrame en el 2010: Derrame en el golfo golfo de Mde Méxicoéxico

Nature, Vol 466, 12 Aug 2010, p. 802

Bioremediación Bioremediación ex situ:ex situ:1. Land farming1. Land farming

1. Impermeabilización2. Excavado3. Remoción de piedras4. Fertilización5. Arado

Ventajas

• Bajo costo

• Simple para diseñar y operar

• Tiempos de tratamiento relativamente cortos (6 meses-2 años)

Desventajas

• Requerimiento de grandes áreas

• Liberación de compuestos volátiles

• Necesidad de impermeabilización

• Vulnerabilidad a metales pesados

• Degradación incompleta

Bioremediación Bioremediación ex situ:ex situ:1. Land farming1. Land farming

Humedad/nutrientesCapa de

grava

Colección de lixiviadoCapa impermeable

Suelo contaminado

Bioremediación Bioremediación ex situ:ex situ:2. Soil piling2. Soil piling

Bioremediación Bioremediación ex situ:ex situ:2. Soil piling2. Soil piling

Agregado de mat. voluminoso 30% Agregado de nutrientesAgregado de materia orgánicaTemp: 55 oC

Bioremediación Bioremediación ex situ:ex situ:3. Composting3. Composting

windrows

Ancho: 3-4 m

Altura : 1-1.5 m

Aireación : mezcla (1/d - 1/mes)

Bioremediación Bioremediación ex situ:ex situ:3. Composting3. Composting

Bioremediación Bioremediación ex situ:ex situ:4. Bioreactor (slurry phase)4. Bioreactor (slurry phase)

Salida delíquido

Suelo a secar

Control detemperatura

AgitadorVapor

Entrada de aire

Nutrientes

Suelocontaminado

Líquidocontaminado

BioremediaciónBioremediación

• Menor costo que opcionesalternativas

• En muchos casos no produceresiduos secundarios

+ -

• Pozos de inyección se tapan

• Toxicidad

• Baja “bio-disponibilidad”

• Difícil de implementar enacuíferos de baja permeabilidad

• Monitoreo y mantenimientocontinuo

• Aspectos regulatorios y reportes independientesde estudios controlados

• Bioremediación de compuestos recalcitrantes enambientes complejos

• Predicciones basadas en modelos cinéticostradicionales no funcionan

• Como saber que está funcionando?• Cuan limpio es limpio?

Principales temas Principales temas enenbioremediaciónbioremediación

Potencial Potencial dede bioremediación bioremediación

Se degrada el contaminante en el laboratorio?

No es posiblela degradación

Estimación de la tasa de eliminación( o inmovilización)

SI NONO

Aislamiento en cultivo

Potencial Potencial dede bioremediación bioremediaciónAlguna bacteria presente tiene los genes necesarios?

(probes para DNA) FGA, Real time PCRFGA, Real time PCR

Están activas las enzimas?(probes de actividad enzimática)

SI NONO

degradación

Se expresan los genes catabólicos?(probes para mRNA) FGA, Real time PCRFGA, Real time PCR

SI

SI

NONO

NONO

No haydegradación

ManipulacionesiterativasNo hay

degradación

Búsqueda de nuevas actividadesCultivoCultivo, , MetagenMetagenómicaómica

Monitoreo Monitoreo dede bioremediación bioremediación

Estructura y dinámica de la comunidad

SI

Estudio de tratabilidad: toma de decisionesEstrategia de tratamiento: atenuación natural, bioestimulación, bioaumentación

BIOREMEDIACION

Fingerprinting, Fingerprinting, CGAsCGAs,,Real time PCRReal time PCR

Función de la comunidad

MetatranscriptomicsMetatranscriptomicsMetaproteomicsMetaproteomicsMetabolomicsMetabolomics

Concentración delcontaminante y/otransformación?

BiosensoresBiosensores

Monitoreo

Reacciones catalizadas porReacciones catalizadas pormicroorganismosmicroorganismos

• Desclorinación: un átomo de cloro es remplazado por unátomo de hidrógeno Cl2C = CHCl + H+ ClHC = CHCl + Cl-

• Hidrólisis: ruptura de una molécula orgánica con adición deagua RCOOR’ + H2O RCOOH + R’OH

• Clivaje: División de una cadena orgánica en dos segmentos RCOOH RH + CO2

• Oxidación: Reacción con formas nucleofílicas de oxígeno(H2O, OH-) CH3CHCl2 + H2O CH3CCl2OH + 2H+ + 2e-

• Reducción: Reacción con formas electrofílicas de hidrógeno(H+) CCl4 + H+ + 2e- CHCl3 + Cl-

• Dehidrohalogenación CCl3CH3 CCl2CH2 + HCl

http://umbbd.msi.umn.edu/index.htmlMicrobial biocatalytic reactions andbiodegradation pathways

• 188 pathways• 1293 reacciones• 1199 compuestos• 833 enzimas• 467 microorganismos• 50 grupos funcionales orgánicos

BioaumentaciónBioaumentación

The reservoir contains up to a 30-day supply ofBacta-Pur® beneficial biotechnologies andnutrients. The nutrients have been speciallydeveloped to allow rapid growth and to optimizenitrifier production. A dosing pump transfersprecise quantities of bacterial/nutrient mixtureto the bioreactor.

Stallwood et al., Low temperature bioremediation of oil-contaminated soilusing biostimulation and bioaugmentation with a Pseudomonas sp. frommaritime Antarctica J. Appl. Microbiol. 99, 794–802 (2005)

Problemas Problemas con la con la bioaumentaciónbioaumentación

-+++Agentes debiodegradación

++++Pseudomonas,Rhodococcus,etc.

Producción de

biomasa

Consumo de

C

Adaptación, selección, depredación, tropismo

Limitaciones Limitaciones a la a la biodegradacibiodegradaciónón

• Falta de inducción del operón catabólico

• Falta de reconocimiento del sustrato

• Stress celular (contaminante o ambiente)

• Caos metabólico por múltiples contaminantes

• Baja solubilidad

• Balance termodinámico del proceso de degradación