Biorremediación y Tecnologías Limpias: Soluciones Sostenibles para el Medio Ambiente

Tema 17. Biorremediación

Biorremediación y factores: Utilización de organismos vivos para reducir o eliminar riesgos medioambientales debido a la acumulación de compuestos tóxicos o residuos peligrosos. Factores: Propiedades del contaminante (biodegradabilidad), presencia de microorganismos adecuados (autóctonos o añadidos al ecosistema), disponibilidad del contaminante, naturaleza físico-química del medio contaminado, toxicidad (afecta a la capacidad del organismo para asimilarlo).

Biorremediación, tipos según comunidad bacteriana: Biorremediación natural (realizada por organismos autóctonos del medio afectado, puede ser aerobia o anaerobia), Bioestimulación (se introducen modificaciones en el medio como aporte de nutrientes o aire para potenciar la biorremediación natural), Bioaumentación (se añaden microorganismos especializados al medio contaminado). Tipos según donde se realice la biorremediación: In situ, ex situ (se extrae tierra o agua contaminada), combinado.

Cometabolismo: Enzimas del inicio de una ruta metabólica, no son específicas por lo que pueden degradar distintos compuestos contaminantes. Ejemplo: las oxigenasas implicadas en la degradación aerobia de hidrocarburos. Sintrofismo: acción de varios microorganismos en un sustrato para degradar combinando sus actividades metabólicas.

Biorremediación de metales pesados: Especies químicas no biodegradables que, a partir de bajas concentraciones, son tóxicas pero pueden cambiar de estado de oxidación según las condiciones físico-químicas. Los microorganismos actúan según el estado de oxidación y los compuestos que formen el metal. Si se moviliza el metal (biolixiviación), si se inmoviliza (biorremediación/mineralización/adsorción/secuestro), si se transforma (biorremediación/transformación). Mecanismos: Bioadsorción (los metales se adsorben pasivamente sobre componentes de la pared celular o sobre exopolisacáridos, es reversible, no afectado por inhibidores del metabolismo pero sí por condiciones físico-químicas), Secuestro intracelular (sistema de transporte de membrana interna al metal pesado del entorno celular con gasto de energía y lo secuestra en el citoplasma por proteínas específicas o en vacuolas si son hongos), Biomineralización (precipitación de metales, ya sea porque una bomba expulsa el metal tóxico al exterior celular y hay un flujo de H hacia el interior o porque se formen sulfuros o fosfatos y favorezca que precipite el metal), Biotransformación (cambio químico en el metal pesado en estado de oxidación o metilación, mediado por enzimas microbianas).

Biorremediación de vertidos de petróleo: Mezcla natural de hidrocarburos del tipo: saturados alifáticos o alicíclicos, hidrocarburos aromáticos ciclados como benceno y asfaltenos y resinas complejas. Microorganismos que degradan petróleo: Bacterias no hidrocarbonoclásticas no específicas que degradan hidrocarburos, azúcares y aminoácidos en suelo como Pseudomonas o en agua marina como Vibrios, bacterias hidrocarbonoclásticas específicas que solo degradan hidrocarburos, son marinas, ejemplo: cicloclasticus. Degradación aerobia de hidrocarburos (Degradación de alcanos: Estos pasan a ácidos grasos, se oxidan de forma progresiva los grupos metilos terminales, la monooxigenasa es la enzima que añade un hidroxilo a partir de oxígeno y reduce otro O a agua, acaba en la β-oxidación de ácidos grasos formados). (Degradación de compuestos aromáticos: Moléculas muy estables, se introducen 1 o 2 grupos OH por monooxigenasas, hidroxilasas o dioxigenasas dando una estructura menos estable atacada por una segunda dioxigenasa y se metaboliza mediante el ciclo de Krebs). Degradación anaerobia de hidrocarburos (Es más lenta que la degradación aerobia, los alcanos en bacterias desnitrificantes y sulfatorreductoras por respiración anaerobia, pueden existir rutas diferentes a la β-oxidación del ácido graso. Los compuestos aromáticos en bacterias desnitrificantes y sulfato por respiración anaerobia, en el resto activación del tolueno para pasar al acetil-CoA al ciclo de Krebs).

Biorremediación de xenobióticos: Son compuestos químicos no naturales derivados de la industria como derivados aromáticos clorados y nitrogenados. Son escasamente biodegradables debido a su estructura, toxicidad, persistencia y acumulación. Mecanismos de deshalogenación (oxidativa donde el halógeno se elimina y se reemplaza por iones hidroxilo, hidrolítica donde se sustituye al halógeno por un ion hidroxilo o reductiva donde se reemplaza por un hidrógeno).

Fitorremediación: Empleo de plantas para eliminar, degradar o contener contaminantes en suelos, aguas, etc. Mediante fitoestabilización donde se adsorbe o precipita el compuesto en sus raíces por microorganismos asociados a las raíces, fitoextracción ya que se absorbe y almacena en raíces, tallos o hojas, fitodegradación porque se transforma en otro compuesto propio de la planta, fitovolatilización. Son técnicas no destructivas, pasivas, de bajo coste, beneficiosas para el suelo y que pueden servir para combatir la contaminación.

Tema 18. Tecnologías limpias

Las Tecnologías limpias permiten eliminar o reducir la contaminación en su origen mediante: cambios en los procesos (sustitución de métodos químicos por enzimas o microorganismos), producción de plásticos biodegradables, biocombustibles o bioelectrogénesis (electricidad generada por microorganismos), control biológico (uso de material biológico para control de plagas y enfermedades), mejora biológica de la producción agrícola por microorganismos, recuperación de recursos naturales como metales, desulfuración del carbón y petróleo.

Química verde: Desarrollo y uso de procesos industriales menos contaminantes. Sustituye procesos químicos por biotecnológicos con microorganismos o enzimas para reducir el gasto energético y de agua y la producción de compuestos contaminantes. Ejemplo de enzimas técnicas (detergentes), para alimentación (zumos, cervezas), alimentación animal en fabricación de pienso.

Biología sintética: Rediseño de sistemas biológicos para nuevos propósitos y aplicaciones. Integra disciplinas como biología, ingeniería y bioinformática. Ejemplo, síntesis de índigo a través de una leguminosa Indigofera tinctoria donde se obtiene índigo por síntesis química y también de forma natural. Actualmente se estudia la posibilidad de clonar en E.coli genes de otros organismos para una producción más responsable del índigo.

Energías renovables: Aquellas que se obtienen de fuentes naturales "inagotables"; unas por la gran cantidad de energía que contienen y otras porque son capaces de regenerarse por medios naturales. Biocombustibles (Cualquier combustible que al menos en un 80% derive de organismos vivos recolectados en los 10 años que preceden a su producción, energía solar almacenada, es una fuente de energía renovable que depende del sol, biodegradable y biocombustible. Los biocombustibles de 2ª y 3ª generación se obtienen de otras fuentes como microalgas o cultivos que no se usen como alimento). Biodiesel (biocombustible compuesto por ésteres metílicos formado a partir de ácidos grasos y metanol, los de 1ª generación proceden de plantas oleaginosas que se transforman en ésteres metílicos dando glicerina, emite menos gases que el gasóleo, los biodiesel de 2ª generación no proceden de plantas comestibles y los de 3ª generación proceden de microalgas). Bioetanol (biocombustible obtenido por fermentación de azúcares de materia orgánica vegetal con bacterias/levaduras. Azúcares como almidón de cereales, celulosa y hemicelulosa. Requiere enzimas y altas temperaturas para obtener etanol). Biogás (biocombustible de 2ª generación rico en metano generado del tratamiento anaerobio de residuos urbanos/industriales, se reduce el DBO por el uso de microorganismos anaerobios). Biohidrógeno (hidrógeno producido por algas/bacterias/arqueas que genera electricidad. Puede darse por biofotólisis, fotofermentación o fermentación en oscuridad). Bioelectrogénesis (generación de electricidad usando procariotas capaces de donar electrones a un metal).