BIORREMEDIACIÓN DE AGUAS
CURSO
:
MICROBIOLOGÍA
PROFESOR
:
RAMOS, Roberto
INTE INTEGR GRAN ANTE TES S: C
2
Ó
008126
DI
9
G
2
O
008097
2
8
008096
APELLIDO Y NOMBRE
8
MARCELO, Daniel MELÉNDEZ, Jose SOSA, Daniel
SEMESTRE
:
2010-I
GRUPO
:
Nº2 (C10)
2010
1. INTRODUCCIÓN En los inicios de su desarrollo económico y social, la sociedad creía haber sido bendecida con una abundancia ilimitada de recursos
naturales,
lo
que
originó
una
administración
desordenada de los mismos. Actualmente esos recursos muestran en mayor o menor grado el descuido al que han sido sometidos; tal es el caso, por ejemplo, de la contaminación de las aguas fluviales por sustancias químicas peligrosas de uso común en la actividad minera, el cual junto con otras actividades que también impactan en el agua será tema central del presente trabajo. Todos los procesos que conducen a cambios estructurales o de fase de los contaminantes ambientales poseen un fundamento químico, incluyendo aquéllos en los que intervienen los microorganismos. Bajo ciertas circunstancias, el rol principal de los microorganismos consiste en proporcionar las condiciones ideales para que ocurran las transformaciones químicas en vez de biodegradar directamente los contaminantes. La biotecnología moderna o el uso de organismos diseñados y modificados genéticamente para realizar labores específicas, se ha transformado en una herramienta muy útil y de alta proyección para el medio ambiente, ya que con la aplicación de técnicas de biorremediación, se ha logrado reducir la concentración y contaminación de distintas sustancias como petróleo, hidrocarburos policíclicos y aromáticos, solventes industriales, pesticidas y metales (plomo, mercurio, etc.), lo que está contribuyendo a la restauración medioambiental.
2. IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA La preservación de la biosfera representa uno de los mayores problemas y desafíos para la humanidad al iniciarse el siglo XXI. El acelerado desarrollo tecnológico, debido a las crecientes demandas y expectativas del hombre, junto al acelerado crecimiento de la población, produce una enorme presión sobre nuestro planeta, que se traduce en niveles cada vez mayores de contaminación. La contaminación de una parte de nuestra biosfera como es la del agua es un problema muy preocupante para el hombre, puesto que este es un compuesto vital que representa el 70% de nuestro organismo y la gran mayoría de la superficie terrestre, además de ser habitad de millones de especies que se ven afectadas por el incremento de la contaminación de este recurso durante las últimas décadas por derrames de petróleo, aguas sépticas, relaves mineros, etc. ya que el hombre vierte en el agua todo lo que se puede disolver en ella, muestra de una clara inconsciencia en las consecuencias que trae esto. Hace poco un derrame de petróleo en el Golfo de México dejo muertos a más de 100 animales que se han encontraron hasta el momento en las costas de Luisiana (EE.UU.), esto nos demuestra la gravedad del asunto. El petróleo causa muchos disturbios en los ecosistemas acuáticos y en las playas cercanas; crea una capa impermeable que obstaculiza el paso de la luz solar que utiliza el fitoplancton para realizar el proceso de la fotosíntesis, interfiere en el intercambio gaseoso del mar, cubre la piel y las branquias de los animales acuáticos provocándoles la muerte por asfixia, entre otros muchos problemas igual de graves, al igual que afecta la economía de las playas que se ven contaminadas.
Los relaves mineros provenientes de la minería afecta directamente a nuestro país contaminando ríos y lagos de la sierra que se encuentran cerca de las mineras. Un claro ejemplo es el Lago Junín, el cual se encuentra dentro de la Reserva Nacional de Junín. Este lago, actualmente, contiene gran cantidad de residuos de metales como hierro, arsénico,
cadmio, mercurio, zinc, plomo, manganeso y cobre (residuos comunes en este tipo de contaminación), provenientes del Complejo Metalúrgico de la Oroya, los cuales ocasionan la muerte de la mayoría de la flora y fauna que ahí habitan. No solamente se ven afectados la flora y fauna del ecosistema victima de estos residuos, sino también afecta gravemente al subsuelo, lo cual ocasiona infertilidad de la tierra. Por otro lado la población se ve muy afectada por estos residuos como el caso de los pobladores de Vitoc, un distrito ubicado en la provincia de Jauja. Los habitantes de dicha zona se ven perjudicados por los relaves de plomo que llegan a los ríos Tulumayo, Chanchamayo y Perené, a través del río afluente Aynamayo, el cual se encuentra a corta distancia de las instalaciones de la minera San Vicente, de propiedad de la compañía San Ignacio de Morococha S.A. Estos restos químicos provienen de ácidos muy fuertes, por lo cual su presencia en el agua atenta en contra de la salud de los pobladores, puesto que normalmente esta se usa para su consumo; como consecuencia de esto, los niños de Vitoc sufren de problemas a la piel: como la dermatosis, además de complicaciones gastrointestinales. En resumen la contaminación por metales pesados ocasiona graves problemas en la salud de pobladores, como por ejemplo: uno de estos es el plomo, que daña principalmente la sangre, el sistema nervioso central, el sistema reproductivo y los riñones, entre otros a los que diariamente se enfrentan los pobladores.
No solo en Junín se ve este tipo de consecuencias sino también en Puno como la mayoría de poblaciones que viven cerca a estas empresas, por este motivo no es de extrañar la graves protestas
que
estas
personas
realizan
en
contra
del
establecimiento de las mineras cerca de sus hogares. Ante todos estos problemas la reciente idea de biorremediación del agua es una alternativa muy eficaz para poder purificar este recurso tan valioso e importante para el hombre al igual que para otras muchas especies; en general, para todos los seres vivos.
3. MARCO TEÓRICO La habilidad de los microorganismos para degradar y reciclar los contaminantes ambientales ha sido reconocida desde hace muchos siglos. La biodegradación es el mecanismo más importante que atenúa la migración de contaminantes orgánicos disueltos en el agua subterránea. Los microorganismos autóctonos frecuentemente utilizan la biodegradación de diferentes tipos de compuestos orgánicos sintéticos como un nicho metabólico para obtener energía y construir bloques para la síntesis de nuevo material celular.
3.1. Requerimientos La biodegradación de contaminantes ambientales es un proceso de autopurificación que ocurre cuando condiciones sitioespecíficas conducen al crecimiento e degradadores específicos y al funcionamiento de sus enzimas. •
Presencia de organismos con el requerido potencial de degradación.
•
Presencia de cepas degradadores específicas en la zona contaminada.
•
Accesibilidad del contaminante por degradar a los microorganismos.
•
Inducción de enzimas degradantes apropiadas.
•
Disponibilidad apropiada de donantes y aceptores de electrones.
•
Disponibilidad de nutrientes.
•
pH adecuado y capacidad buffer.
•
Temperatura adecuada.
•
Ausencia de sustancias tóxicas o inhibidoras.
3.2. Recalcitrancia Es un término utilizado para denotar que un compuesto orgánico es relativamente resistente a la biodegradación. Esto se debe generalmente a limitaciones fisiológicas de las bacterias presentes y/o a las propiedades ambientales. Existen varios niveles de recalcitrancia; algunos compuestos son muy recalcitrantes y no se degradan en una magnitud adecuada (por ejemplo, algunos polímeros orgánicos sintéticos) o, se degradan muy lentamente (ejemplo, polímeros estructurales de plantas, lignina).
3.3 Mecanismos comunes de biotransformación 3.3.1. Hidroxilación: Este tipo de transformación involucra la adición de grupos –OH, incrementando así la solubilidad y la consiguiente biodegradabilidad de hidrocarburos y algunos nitroaromáticos y compuestos aromáticos; un ejemplo simple, lo constituye la oxidación de alcanos en sitios contaminados con productos derivados del petróleo. Esta reacción aerobia es mediada por enzimas que atacan la parte final de la cadena transformando los alcanos en alcohol primario.
O2
CH3-(CH2)n-CH3 → CH3-(CH2)n-CH2OH monooxigenasa
Las reacciones siguientes normalmente involucran oxidación posterior del alcohol transformándose en un aldehído y luego a un ácido carboxílico.
2H
O2
CH3-(CH2)n-CH2OH → CH3-(CH2)n-CHO → CH3(CH2)n-COOH deshidrogenación
oxigenación
El ácido graso puede ser entonces metabolizado vía Betaoxidación, la cual es una vía central de metabolismo que rompe la cadena lineal del ácido graso, produciendo fragmentos de dos carbonos (acetil-CoA). Para operar esta vía no requiere condiciones aerobias, y es inhibida cuando la cadena es ramificada o, alguno de los átomos de carbono posee sustitutivos xenóforos como el Cl o NO 2. Los fragmentos resultantes de acetil-CoA pueden entrar subsecuentemente en el ciclo de Krebs, el cual completa el proceso de mineralización (se genera CO 2). Alternativamente se pueden usar intermedios del ciclo de Krebs como material para la síntesis de nuevo material celular. La hidroxilación también puede ocurrir en forma anaerobia. En este caso, no existe oxígeno molecular y el oxígeno atómico se deriva del agua.
3.3.2. Ruptura oxidativa de anillos aromáticos: los anillos aromáticos (benceno) son constituyentes comunes de los contaminantes orgánicos y su degradación aerobia es mediada por enzimas oxigenasas. Primero, el anillo es dihidroxilado (prerequisito del proceso); para la posterior ruptura oxidativa del catecol resultante. Los hidrocarburos aromáticos también pueden ser degradados bajo condiciones anaerobias, aunque estas reacciones son usualmente mucho más lentas. En este caso, los anillos aromáticos bencenoides son generalmente carboxilados y transformados a ésteres CoA-.
3.3.3.
Transformaciones
de reducción:
estas
ocurren
típicamente bajo condiciones anaerobias e involucran el uso del
contaminante objetivo aceptor de los electrones transferidos desde
una
molécula
reducida
como
H 2,
o
donadores
intracelulares de electrones como co-enzimas reducidas (NADH o NADPH). La dehalogenación reductiva consiste en la remoción de átomos de halógeno (Cl, Br y F) apara atenuar los grandes riesgos provocados por la toxicidad y la persistencia de estos compuestos, tales como los disolventes clorado y los pesticidas. La reducción del grupo funcional nitro a grupos aminos llegan a ser procesos fáciles que se realizan en los sustitutivos comunes de compuestos energéticos (RDX, HMX, y TNT) y algunos pesticidas (4,6-dinitro-o-cresol, EPN, y paratión), detoxificando la molécula orgánica (excepto en la reducción del nitrobenceno a anilina, la cual es altamente tóxica).
3.3.4. Reacciones sintéticas: se refieren a la adición de moléculas al componente objetivo (por degradar). Dichas reacciones son más raras en biodegradación que en anabolismo. Sin embargo, algunos xenobióticos pueden ser detoxificados por conjugación
con
intermediarios
conectados
consigo
mismos;
en
vías
metabólicas,
carboxilados,
metilados
o y
humificados.
3.4 Biotransformación de metales pesados Los microorganismos necesitan para crecer una amplia variedad de metales en concentraciones trazas (como Zn, Co, Ni y Mo), debido a que muchas enzimas los utilizan en sus sitios activos para facilitar la catálisis, como cuando ejercen distorsión electrónica sobre el sustrato; y/o mediando la transferencia de electrones. Sin embargo, la cantidad de metales asimilados para tales propósitos metabólicos es relativamente pequeña y esto no
es un mecanismo de atenuación importante en comparación con las reacciones de biotransformación. A pesar de que los microorganismos no pueden convertir los metales a elementos diferentes pueden catalizar las reacciones de oxidación o reducción que afectan la solubilidad y movilidad de muchos metales. Los microbios pueden ser indirectamente responsables de la reducción metálica mediante la producción de reductantes relativamente fuertes, como H 2S de SO4-2 y Fe(II) de Fe(III).
3.5. Cooperación entre diferentes especies microbianas para biodegradación mejorada La mineralización de la mayoría de los compuestos orgánicos peligrosos en el ambiente es raramente realizada por cepas bacterianas singulares. Biorremediación es frecuentemente el resultado de una intricada red de consorcios y actividades microbianos y la probabilidad de una biorremediación exitosa se incrementa con la gran diversidad microbiana. Frecuentemente, especies diferentes colaboran en la degradación gradual de químicos orgánicos complejos o material genético intercambiable que dotan al recipiente con habilidades mejoradas de biodegradación. Algunas bacterias también excretan sustancias que proveen de nutrientes o factores de crecimiento a otros microorganismos o remueven y neutralizan compuestos que inhiben la actividad de degradadores específicos.
3.5.1. Comensalismo: es una interacción microbiana benéfica que involucra “metabolismo asociado” donde una población se beneficia de “migajas” (desechos) de otra. Esta es una interacción unidireccional, ya que la población que produce las migajas no es afectada por las reacciones subsecuentes.
La mineralización de compuestos recalcitrantes como los PCB, disolventes
clorados
y
algunos
pesticidas
se
basa
frecuentemente en comensalismo co-metabólico.
3.5.2. Sintrofismo: viene a ser una asociación no obligatoria entre dos o más poblaciones microbianas que se suministran entre sí requerimientos nutricionales, tal como factores de crecimiento. A diferencia del comensalismo, sintrofismo es una interacción benéfica mutua.
3.5.3.
Transferencia
necesidad
interespecífica
de colaboración entre
de hidrógeno:
la
diferentes poblaciones
microbianas es especialmente importante bajo condiciones anaerobias, donde los compuestos orgánicos son degradados a productos no tóxicos como acetato, CO 2, CH4 y H 2, por la acción combinada de muchos tipos diferentes de bacterias. La transferencia interespecífica de hidrógeno es una conexión crítica en la cadena alimenticia anaerobia debido a que previene la acumulación de los productos de fermentación y mejora la mineralización
anaerobia.
Específicamente,
bacterias
fermentativas productoras de hidrógeno y acetogénicas están en desventaja termodinámica si el hidrógeno se acumula. Por eso, fermentadores y acetógenos se asocian mutualmente con organismos consumidores de hidrógeno (metanógenos) para mantener bajos los niveles de H 2.
4. DISCUSIONES Y CONCLUSIONES Un gran número de categorías de contaminantes químicos y residuos han sido
eliminados
eficazmente
mediante
la
biorremediación. Las aplicaciones de esta tecnología incluyen a los tres grupos de residuos peligrosos más comunes: Hidrocarburos de petróleo, creosota y disolventes clorados. La mayoría de las aplicaciones de biorremediación se ha referido a derrames de combustibles; las actividades de biorremediación se distribuyen aproximadamente como sigue: 33% petróleo, 28% creosota, 22% compuestos alifáticos halogenados, 9% pesticidas y 8% otros (mezclas de químicos), viéndolo en perspectivas del primer mundo. Observamos que la biolixiviación tiene resultados prometedores y cuya efectividad en el tratamiento de metales en pos de evitar la contaminación del agua ha sido comprobada, sin embargo, presenta ciertas dificultades; la excesiva presencia de metales pesados, y los cambios extremos en las condiciones ambientales ideales, que suelen darse de manera natural, solo son algunas de estas. Recordemos que las bacterias son organismos vivientes, por ende están sujetos a sufrir estos cambios mientras no se descubra una nueva forma de mejorar el proceso, es decir, la
biolixiviación
es
el
mejor
camino
para
disminuir
la contaminación mientras las condiciones la favorezcan. Hasta el momento, la biolixiviación, que viene siendo la mejor propuesta para el tratamiento de metales pesados, está siendo usada en nuestro país, mostrando buenos resultados e implicando la mejora económica y la disminución del impacto ambiental, mas no esto se ha aplicado a grandes escalas. La biorremediación ofrece ventajas y desventajas que deber ser consideradas antes de decidirse por su utilización. Sin embargo
es una gran opción si ponemos en un mayor grado de importancia a la biósfera.
5. CASOS EN EL PERÚ Actualmente existen nuevos métodos de biorremediación, más económicos y más “limpios”, con los cuales tratar los residuos de los relaves mineros, uno de estos métodos es la biolixiviación. La biolixiviación, como se dijo, es la oxidación bacteriana empleada para el tratamiento de minerales sulfurados auríferos y se fundamenta en la acción efectiva de la arqueobacteria Thiobacillus ferrooxidans,
la cual es capaz de oxidar especies
reducidas de azufre a sulfato, y para oxidar el ión ferroso a ión férrico.
Thiobacillus ferrooxidans
es eficaz en un ambiente ácido
y aeróbico, es móvil y quimiolitótrofo autótrofo, y se presenta en forma de bastoncitos de 1 a 2 µm de largo por 0.5 a 1.0 µm de ancho. Presenta su punto isoeléctrico entorno de 4.0 a 5.0 y se desenvuelven en el intervalo de temperatura de 28 a 35°C. La fuente de energía fundamental para el
Thiobacillus ferrooxidans
es el ión Fe+2, pudiendo ser utilizados también el azufre y sus formas reducidas.
Thiobacillus ferrooxidans
Algunos factores que influyen negativamente en la lixiviación son la presencia de metales pesados, particularmente los iones de Ag, Hg y Mn, que son venenosos para las bacterias; además la existencia de temperaturas muy altas muchas veces como consecuencia de las reacciones exotérmicas propias, son inconvenientes para algunos tipos de bacterias. Mejores métodos para la extracción de los metales lo forman, los de lixiviación por pilas usados en la actualidad en la extracción de los sulfuros de cobre. En este método se prefiere triturar el mineral para aumentar su superficie de ataque y algunas veces cuando hay la presencia excesiva de finos se aglomera el material antes de enviarlo a las pilas. El piso de las pilas recibe un tratamiento previo de impermeabilizado colocando, además membranas de material plástico; el piso de la pila está dotado de una cierta inclinación que va a permitir al licor de lixiviación fluir por gravedad; sistemas de aeración a menudo se instalan para aumentar el flujo de aire. Se acumula el mineral en forma de pilar de gran dimensión y se le riega ya sea por aspersión o por goteo con la solución bacteriana, igual que en el caso anterior la solución rica en el metal valioso es recogida en el fondo para luego recuperar el valor por los métodos conocidos ya mencionados. Aunque la lixiviación bacteriana es corrientemente aplicada para la recuperación del cobre y el uranio, sin embargo están ya siendo usada para la recuperación de otros materiales sulfurosos, como en el tratamiento de la esfalerita y la galena que son sulfuros de zinc y de plomo respectivamente. En el Perú (Tamboraque) se está haciendo uso de la lixiviación bacteriana para el tratamiento de la arsenopirita y pirita aurífera contenido en bastos depósitos de relaves, la lixiviación bacteriana descompone la arsenopirita logrando que el oro entrampado quede libre y por lo tanto en condiciones de ser disuelto por el cianuro, en la forma tradicional de recuperarlo.
También está demostrado la posibilidad de lixiviar los concentrados de plomo y de zinc, los sulfuros son oxidados por las bacterias
Thiobacillus,
habiéndose detallado que en el caso
del zinc, los sulfuros tipo marmatítico, son los más rápidamente lixiviados, lo cual se explica por el hierro que contiene la molécula de marmatita. En este sentido la biolixiviación bacteriana acompañada de lixiviación química está siendo aplicada con éxito en Toquepala (Perú) donde los licores de lixiviación de los botaderos de Cuajone y Toquepala son tratados en la planta de extracción por solvente y electrodeposición para añadir 30000 toneladas anuales de cobre a la producción de cobre electrolítico de Southern Perú Copper Corporation. Por lo demás el proceso de lixiviación bacteriana tiene ya algunos años de aplicación en Cerro Verde (Arequipa) con resultados halagadores. El mayor impedimento a la lixiviación bacteriana ha sido la lentitud del proceso, debido esencialmente a que las bacterias como seres vivientes están sometidas a los embates del medio ambiente y son particularmente sensibles a variaciones
de
humedad
y
temperatura
extremas.
La
biolixiviación será más sencilla para las especies nativas siempre presentes en los depósitos, pero estas no se reproducen en gran escala por esto es necesario preparar cepas artificiales en el laboratorio, con las características de las nativas y que son finalmente las bacterias que se regaran sobre el material. En las posibilidades actuales de manipulación genética es de esperarse el nacimiento de bacterias con mejores características. La lixiviación bacteriana resulta en el reto más importante en el futuro de
la
Metalurgia,
los
métodos
tradicionales
de
recuperación de metales deberán dar paso a métodos no
contaminantes y la biolixiviación es uno de ellos y que debe responder a la exigencia de un mundo atribulado que clama por un ambiente que no se contamine más.
6. BIBLIOGRAFÍA •
ALPACA,
Melitón.
Biolixiviación
nueva:
la
opción
metalúrgica [en línea]. Revista del Instituto de Investigación de la Facultad de Geología, Minas, Metalurgia y Ciencias Geográficas. Lima, Perú. Universidad Nacional Mayor de San Marcos. [Diciembre de 1998]. •
HUMBERTO, Jorge. Lixiviación bacteriana o biolixiviación
[en línea]. Sappiens.com: la comunidad del conocimiento. [Enero de 2002]. •
ÁLVAREZ, Pedro. Biorremediación y atenuación natural
de acuíferos
contaminados por
sustancias
químicas
peligrosas. Primera edición. Impreso en Venezuela. Editorial Gráficas Gloria S.A. 2003. Capítulo 3: Reacciones de biodegradación. •
http://books.google.com.pe/books?
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