BIOTECNOLOGIA AMBIENTALJuliana Osorio EchavarríaIngeniera Química. M Sc en IngenieríaUniversidad de Antioquia

“Desarrollo, uso y regulación de los sistemas biológicos para la remediación de ambientes contaminados (tierra, aire, agua), y la creación de procesos amigables con el medio ambiente (desarrollo sustentable, bioenergía y tecnologías de producción limpias)”

¿Qué es la Biotecnología Ambiental?

Beneficios y Aplicaciones de la Biotecnología Ambiental:

Beneficios Aplicaciones

Reducción de combustibles fósiles como materia prima.

Reducción de costes de producción.

Más eficiente energéticamente.

Más amigable con el medio ambiente.

BIOENERGÍA

Biorremediación

Materiales Biodegradables

Bioenergía:

Energía renovable proveniente de material biológico. Se obtiene tanto de sistemas biológicos que producen biocombustibles, así como de la biomasa y sus productos derivados.

Ventajas

Disponibilidad de fuentes orgánicas renovables de energía.

Proceso carbono-neutral (bajos niveles de contaminación de CO2).

Posibilidad de implementar un sistema de eco-agricultura con cero residuos agrícolas (convertidos en energía). Proyecto

Bioenergía

Biocombustibles-Cultivos

Energéticos

Biomasa-Biogás

Microorganismos

Cultivosenergéticos

Bioetanol

ProcesoClasificación

BIOTECNOLOGÍA AMBIENTALProcesos mediados pormicroorganismo paraconservar el medio

ambiente

BIORREMEDIACIÓN

BIODEGRADACIÓN

Eliminación de sustancias contaminantes

Degradación de materiales

BIORREMEDIACIÓN

El aumento de la población y el desarrollo industrial sin precedentesalcanzados durante el siglo XX han elevado la presencia de

contaminantes sólidos y líquidos a niveles críticos.

La consecuencia ha sido la aparición de problemas de contaminación que antes se desconocían y para los cuales la

sociedad no estaba preparada.

La industria química produce gran cantidad de compuestos xenobióticos, cuya estructura química

difiere de los compuestos orgánicos naturales.

Algunos de estos compuestos xenobióticos, con grupos halógenos y nitrogenados, utilizados  como

propelentes, refrigerantes, disolventes, bifenoles policlorados(PCB),

plásticos, detergentes, explosivos y plaguicidas, son resistentes (recalcitrantes) a la biodegradación.

Otros se degradan muy lentamente, de modo co-metabólico sólo en presencia de un segundo sustrato, que es empleado como fuente primaria de energía, o dan lugar a residuos ,a veces poliméricos, peligrosos

para el ambiente.

Algunos de los xenobióticos más recalcitrantes sufren un proceso de biomagnificación en las redes tróficas. Este proceso se inicia con los microorganismos y causa la acumulación del xenobiótico en los niveles tróficos superiores, donde provoca graves daños ecológicos.

LA BIORREMEDIACIÓN UTILIZA LA CAPACIDAD NATURAL DELOS ORGANISMOS COMO BACTERIAS, HONGOS, LEVADURAS O

PLANTAS QUE ACUMULAN O DEGRADAN LOS ELEMENTOS TOXICOS EN EL AMBIENTE.

LOS SISTEMAS DE BIORREMEDIACION CONSISTEN PRINCIPALMENTEEN EL USO DE MICROORGANISMOS NATURALES

(LEVADURAS, HONGOS O BACTERIAS) EXISTENTES EN ELMEDIO AMBIENTE PARA DESCOMPONER O DEGRADAR

SUSTANCIAS PELIGROSAS EN SUSTANCIAS DECARÁCTER MENOS TÓXICO O BIEN INOCUAS

PARA EL MEDIO AMBIENTE Y LA SALUD HUMANA

Herramientas

Biorremediación

Degradación Enzimática

Remediación microbiana

Fito remediación

Mico remediación

Microorganismos

ContaminanteNutrientes(oxígeno y otros)

Mineralización oTransformación

Proceso

La biorremediación es una técnica relativamente reciente. Surgió en 1.990 como alternativa biotecnológica utilizando microorganismos capaces de degradar contaminantes xenobióticos

El concepto de biorremediaciónón incluye una serie de procesos naturales como: biodegradación, bioaumentación, dilución, adsorción, volatilización, biodisponibilidad

Su relación con procesos de producción limpia radica en que busca igualmente:1. Reducción de los residuos 2. Reutilización y reciclado3. Tratamiento o control de la contaminación

HOYAYER MAÑANA

Ambiente, una fuerza de cambio

Tratamientoy

Remediación

La Ecología Industrial es el estudio por medio de sistemas de ingeniería basado en principios ambientales o ecológicos, que integra a la producción y al consumo aspectos de diseño, proceso, uso y terminado de productos, satisfactores o servicios de una manera en que se minimice el impacto ambiental y la utilización de recursos y energía

Los industriales deben dejar de ver los productos, efluentes y emisiones como flujos que salen de la planta y verlos como parte integral y responsabilidad de la compañía.

Diseño del producto y del proceso

Productos de menor impacto ambiental.Incrementar eficiencias de transformación.Selección de materia primas de menor impacto ambiental.Minimización del uso de recursos.Reciclaje.Integración de los efluentes y emisiones a otros procesos.Uso eficiente de la energía.

MEDIOAMBIENTE

SOCIEDADINDUSTRIA

PRODUCCIÓN MAS LIMPIA

Prevención Ambiental

PROCESOS

Conservación de la materia prima, agua y energía. Eliminación de sustancias peligrosas.

PRODUCTOS

Reducción de todos los impactos durante el ciclo de vida del producto.

Mejora de la Tecnología

Iniciativae Ingenio

Cambiode actitudes

Reducción de los riesgosa la Salud y al Medio Ambiente

DESARROLLO SUSTENTABLE

Reciclaje fuera del proceso vía terceros

Recuperación y reuso al interior del proceso de producciónREUSO Y

RECICLAJE

Incremento de la vida de los productos

Diseño con menor impacto ambientalCAMBIOS EN EL

PRODUCTO

Cambios Tecnológicos / Tecnologías más Limpias

Sustitución de mat.primas e insumos contaminantes

Mejoramiento en la gestión y prácticas de operación

CAMBIOS EN EL

PROCESOREDUCCIÓ

N EN EL ORIGEN

PRE-TRATAMIENTO Y TRATAMIENTO

DISPOSICIÓN - DESTRUCCIÓN - BIORREMEDIACIÓN

Generalidades sobre los colorantes

• Teñido es un proceso combinado de blanqueamiento y coloración, lo que genera cantidades voluminosas de las aguas residuales y, a su vez provoca la degradación del medio ambiente

• Estos efluentes contienen altos: STD, DBO, COD, pH, color, cloros, sulfatos e ingredientes cancerígenos como colorantes

• Alta DBO en el agua residual no tratada puede causar un rápido agotamiento del oxígeno disuelto si se vierten directamente en las fuentes superficiales de agua

• La alta alcalinidad y trazas de cromo (empleados en los tintes) afectan negativamente a la vida acuática.

Residuos Textiles

• Absorben con mucha fuerza en longitudes de onda en el espectro visible

• Se componen de compuestos poli aromáticos

• Son resistentes a la degradación biológica.

(1) Ácidos, (2) Directos, (3) Azoicos, (4) Dispersos, (5) Sulfurosos, (6) Reactivos, (7) Básicos, (8) Mordientes, (9) Tina, (10) ópticos / fluorescentes abrillantadores, (11) pigmentos y (12) Solventes

Colorantes usados en la industria textil

Que es la toxicidad aguda?Exposiciones únicas o múltiples en un corto espacio de tiempo (usualmente menos de 24 horas).

Irritacion en la piel Sensibilización de la piel

Toxicidad aguda de tintes textiles

Toxicidad crónica de tintes textiles

Que es la toxicidad cronica?

Una condición causada por la exposición repetida o de largo plazo a dosis bajas de una sustancia tóxica

No genotoxicoGenotoxico

1] Solubles en agua

2] Insoluble en agua

Mutagenesis

Cancerigenos

Teratógenos

Industrias Textiles, Tintorerías y productoras de colorantes

Solución a desventajas presentadas por métodos clásicos de tratamiento

Tratamiento de efluentes

Tratamientos Convencionales

Tratamientos Alternos

Causantes de problemas de impacto ambiental por sus efluentes

Biorremediación

Hongos de la pudrición blanca de

la madera

Transformación o metabolización de

contaminantes

Colorantes Industriales

Procesos Biotecnológicos

BIORREMEDIACION: HongosCiertos hongos son muy efectivos en la remoción de un amplio rango de contaminantes, por ejemplo:

Sustancias empleadas en la preservación de la madera.

Hidrocarburos aromáticos policíclicos. Organoclorados. Bifenilos policlorados. Tinturas. Pesticidas. Fungicidas. Herbicidas. Lignina.

Mecanismo

Los hongos tienen enzimas ligninasa y celulasa que descomponen los materiales leñosos. Esto permite a los hongos obtener el carbono y la energía que necesitan para su crecimiento.

Estas enzimas no son específicos, lo que significa que puede actuar sobre sustratos como contaminantes del medio ambiente.

Lignino

Peroxidasa (LiP)Manganeso

Peroxidasa (MnP)Lacasa

El mecanismo principal de degradación empleado por los hongos de la pudrición blanca de la madera, es el sistema de enzimas degradativas de la lignina (LMEs)

Versátil

Peroxidasa (VP)

El mecanismo del sistema degradador de lignina está basado en la producción de radicales libres. Este mecanismo permite que estas enzimas sean catalíticamente activas sobre una gran diversidad de sustratos orgánicos

Lignino peroxidasa

Manganeso peroxidasa

Lacasa

Citocromo P450

Veratril alcohol oxidasa

Hongos ligninolíticos

OCH3

OHHO

OLignin

O

OH

OCH3

OHO

HO

O

OH

OH

CH3OO O

HO

OCH3

OHOH

O

CH3OOH

O OH

CH3O

O

O

OCH3OOH

Lignin

OCH3

O

OHHO

OCH3O

OHHO

OCH3

O

CHO

HO

Lignino Peroxidasa

Manganeso Peroxidasa

Lacasa

Mecanismo Fisico

Hifas permiten a los hongos ampliar su superficie, por lo que es más fácil ponerse en contacto con el contaminante.

Las enzimas extracelulares pueden trabajar mas fácilmente sobre el contaminante

Microorganismo Tipo de compuestoTrametes versicolor Colorantes azo

Colorantes metálicosColorantes reactivos

Coriolus versicolor Colorantes TextilesColorante tina

Anamorfo R1 de Bjekandera sp.

Colorantes reactivos, dispersos y ácidos

Bjerkandera adusta Colorantes azoColorantes ftalocianinasColorantes reactivos

Phanerochaete chrysosporium

Tratamiento de aguas de biopulpeoTintes polimericos y sulfonadosColorantes reactivos, dispersos y ácidos

Pleurotus ostreatus Colorantes reactivosEfluentes textiles artificialesColorantes tipo remazol

Decoloración de negro reactivo 5 en cultivo sumergido para diferentes hongos de pudrición blanca. (Tomada de Mohoric, M et al.)

Espectro UV-Visible del colorante PolyR 478 antes (▬) y después (…) del tratamiento con el hongo de pudrición blanca

Espectros de Absorción de muestras inicial y final obtenidas del tratamiento con el hongo A. discolor en medio Kirk Modificado de: A) Mezcla de cuatro colorantes industriales, B) Mezcla de cuatro colorantes industriales y diferentes sales utilizadas en procesos textiles. Día Inicial (─) y Día Final (---) de tratamiento.

Rojo Erionyl

Turquesa Erionyl

Azul Terasil

Rojo Cibacron

100 200 300 4000

20

40

60

80

100

Concentración (mg/L)

Dec

olor

ació

n (

%)

Concentración de Colorante Individual (ppm)

Colorante 100 200 300 400Turquesa Erionyl 19 27 42 56

Azul Terasil 12 26 42 58Rojo Erionyl 14 30 38 40

Rojo Cibacron 10 22 30 39

Turquesa Erionyl (■); Azul Terasil (■); Rojo Erionyl (■); Rojo Cibacron (■)

DECOLORACIÓN DE AGUAS RESIDUALES SINTETICAS

A.

B.

Espectros de Absorción de muestras inicial y final obtenidas del tratamiento con el hongo A. discolor en medio Kirk Modificado de: A) Mezcla de cuatro colorantes industriales, B) Mezcla de cuatro colorantes industriales y diferentes sales utilizadas en procesos textiles. Día Inicial (─) y Día Final (---) de tratamiento.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Decoloración (%)

Adsorción (%)

MnP máx. (U/L)

LiP máx. (U/L)

Comportamiento de la decoloración, adsorción de los colorantes y producción de enzimas ligninolíticas durante el tratamiento de aguas residuales textiles simuladas con A. discolor. Mezcla de cuatro colorantes industriales en medio Kirk (barras blancas) y Mezcla de cuatro colorantes industriales en medio Kirk suplementado con sales (barras grises).

ADSORCIÓN DE COLORANTE COMO MECANISMO ALTERNO DE TRATAMIENTO

Representación esquemática de la adsorción de colorantes sobre la superficie de la pared celular. Tomada de Das, S. et al.

La biotecnología moderna tiene un papel importante en la restauración de sitios ambientalmente deteriorados. El reto actual es desarrollar herramientas biotecnológicas que formen parte de procesos limpios y eficientes energéticamente, involucrados dentro del nuevo concepto de ecología industrial, para la prevención, el control y la remediación de contaminaciones ambientales.

Los hongos ligninolíticos sintetizan un sistema enzimático extracelular muy particular y no específico. El mecanismo de estos sistemas responsables de degradar la lignina está basado en la formación de radicales libres, lo cual hace que estas enzimas sean activas catalíticamente sobre una gran diversidad de sustratos orgánicos. Debido a esto, los hongos ligninolíticos poseen un uso potencial muy atractivo en la biorremediación de ambientes contaminados con mezclas complejas de contaminantes peligrosos.

Estos hongos tienen la capacidad de mineralizar completamente a CO2 los contaminantes muy recalcitrantes, como los bifenilos policlorados, los explosivos aromáticos, los hidrocarburos policíclico aromáticos, los plaguicidas clorados y organofosforados. Asimismo, pueden decolorar efluentes contaminados con colorantes de origen industrial. Todo esto resalta la versatilidad de los sistemas enzimáticos de los hongos ligninolíticos, ya que son enzimas de poca especificidad que pueden reconocer sustratos con estructuras moleculares muy diversas.

  Una serie de estrategias se han desarrollado para el

tratamiento de colorantes y efluentes textiles. La elección de la mejor estrategia depende definitivamente de la composición y de los procesos potenciales de reutilización. Este proceso permitiría la mineralización parcial o total de los colorantes textiles y otros contaminantes que están contenidos en dichos efluentes.