Casos Pràctics de Biotecnologia Ambiental i Microbiologia Aplicada

CAS PRÀCTIC 1: Bioremediació in situ de dissolvents clorats

Pregunta: Aplicació de la bioremediació in situ

Explica detalladament com es pot aplicar la bioremediació in situ per eliminar dissolvents clorats d’un plomall d’aigües subterrànies, indicant els processos microbians implicats, condicions necessàries i avantatges d’aquesta tècnica.

Resposta: Deshalogenació reductiva anaeròbia

La bioremediació in situ és una tècnica sostenible utilitzada per eliminar contaminants orgànics persistents, com els dissolvents clorats, directament en el lloc contaminat, evitant l’excavació o el bombeig d’aigües subterrànies.

Procés microbià clau: Deshalogenació reductiva

Els dissolvents clorats, com el percloroetilè (PCE) i el tricloroetilè (TCE), són compostos tòxics i persistents que es degraden molt lentament en condicions aeròbies. Per això, el procés més eficient per a la seva eliminació és la deshalogenació reductiva en condicions anaeròbies.

Determinats bacteris anaerobis estrictes, especialment del gènere Dehalococcoides, utilitzen els dissolvents clorats com a acceptors finals d’electrons en el seu metabolisme, substituint progressivament els àtoms de clor per àtoms d’hidrogen i transformant els compostos inicialment tòxics en productes menys tòxics o innocus.

Ruta de degradació

El procés de degradació segueix habitualment la ruta:

PCE → TCE → DCE → VC → Etè

L’etè és un compost innocu que pot escapar a l’atmosfera sense generar problemes ambientals.

Condicions necessàries i tècniques d'aplicació

Perquè aquest procés sigui efectiu, cal mantenir unes condicions estrictament anaeròbies al medi, així com la presència de donadors d’electrons (com lactat, etanol o hidrogen) que permetin la transferència d’electrons als compostos clorats. Aquestes condicions es poden afavorir mitjançant:

• Bioestimulació: Aportació de nutrients i donadors d’electrons al medi.
• Bioaugmentació: Inoculació de soques específiques (en casos on no hi ha suficients microorganismes deshalogenadors).
• Tècnica complementària: Barreres reactives permeables (PRB), que afavoreixen el procés de deshalogenació reductiva.

Avantatges de la bioremediació in situ

Els avantatges de la bioremediació in situ són múltiples:

• Tècnica de baix cost.
• Impacte ambiental mínim.
• Permet restaurar els ecosistemes afectats sense alterar la seva estructura i funcionalitat.
• Contribueix a la recuperació de la qualitat de les aigües subterrànies de manera eficient i sostenible.

CAS PRÀCTIC 2: Producció de bioetanol, biodièsel, biogàs i hidrogen

Pregunta: Descripció dels processos de biocombustibles

Descriu detalladament els processos de producció de bioetanol, biodièsel, biogàs i hidrogen, indicant matèries primeres, microorganismes implicats i avantatges ambientals de cadascun.

Resposta: Alternatives renovables als combustibles fòssils

Els biocombustibles són una alternativa renovable i sostenible als combustibles fòssils, ja que s’obtenen a partir de matèries primeres renovables i contribueixen a la reducció d’emissions de gasos d’efecte hivernacle. Els principals biocombustibles estudiats són el bioetanol, el biodièsel, el biogàs i l’hidrogen.

1. Bioetanol

• Procés: Fermentació alcohòlica de sucres simples. Si la matèria primera és biomassa lignocel·lulòsica, primer es realitza un pretractament i una hidròlisi enzimàtica.
• Microorganisme: Llevats com Saccharomyces cerevisiae.
• Avantatge ambiental: L’etanol s’obté per destil·lació i pot utilitzar-se barrejat amb gasolina per reduir emissions de CO₂.

2. Biodièsel

• Procés: Transesterificació (triglicèrids reaccionen amb metanol o etanol en presència de catalitzadors alcalins, NaOH o KOH).
• Matèria primera: Olis vegetals o greixos animals.
• Producte: Metil o etil èsters d’àcids grassos (biodièsel) i glicerol com a subproducte.
• Avantatge ambiental: És biodegradable, no tòxic i pot utilitzar-se pur o barrejat amb dièsel convencional, reduint la contaminació atmosfèrica.

3. Biogàs

• Procés: Digestió anaeròbia de matèria orgànica.
• Fases: Hidròlisi, acidogènesi, acetogènesi i metanogènesi.
• Matèria primera: Purins, fangs de depuradora o fracció orgànica de residus sòlids urbans.
• Producte: Gas format principalment per metà (CH₄) i diòxid de carboni (CO₂).
• Avantatge ambiental: Pot utilitzar-se per generar energia tèrmica i elèctrica; el digestat s'aprofita com a fertilitzant, tancant el cicle de nutrients dins l’economia circular.

4. Hidrogen

• Procés: Vies biològiques com la biofotòlisi, la fotofermentació i la fermentació fosca.
• Mecanismes: En la biofotòlisi, algues i cianobacteris utilitzen llum per trencar la molècula d’aigua. En la fotofermentació, bacteris fotosintètics degraden compostos orgànics amb llum. La fermentació fosca utilitza bacteris anaerobis sense llum.
• Avantatge ambiental: És un vector energètic net, ja que en la seva combustió només genera aigua, i pot tenir un paper clau en la transició cap a una economia sostenible.

Preguntes Ràpides sobre Biotecnologia i Microbiologia Ambiental

1. Eliminació d'amoni en aigües residuals (EDAR)

   Pregunta: A les aigües residuals d’un abocament industrial s’ha detectat una concentració elevada d’amoni. Explica quins processos biològics es poden aplicar en una EDAR per eliminar aquest compost i quins microorganismes hi intervenen.

   Resposta: Mitjançant nitrificació-desnitrificació, Nitrosomonas i Nitrobacter oxiden NH₄⁺ a NO₃⁻, i bacteris heteròtrofs redueixen NO₃⁻ a N₂ gas.

2. Eliminació microbiana de dissolvents clorats

   Pregunta: Un vessament de dissolvents clorats ha contaminat un aqüífer. Explica quin procés microbià permetria la seva eliminació en condicions anaeròbies, indicant la ruta de degradació i els microorganismes implicats.

   Resposta: Mitjançant deshalogenació reductiva, Dehalococcoides degraden PCE → TCE → DCE → VC → Etè en absència d’oxigen utilitzant donadors d’electrons.

3. Fases i factors del compostatge

   Pregunta: En un procés de compostatge de residus sòlids urbans, indica quines fases es produeixen, quins microorganismes hi intervenen principalment en cada fase i quins factors ambientals són importants per assegurar l’eficiència del procés.

   Resposta: Hi ha fase mesòfila (bacteris), termòfila (bacteris i fongs) i maduració (fongs i actinobacteris), controlant temperatura, humitat i oxigen.

4. Producció de biogàs en tractament de fangs

   Pregunta: En el tractament de fangs a una EDAR es genera biogàs. Explica quin procés microbià permet aquesta producció de biogàs, quins són els passos del procés, els microorganismes implicats i els productes obtinguts.

   Resposta: La digestió anaeròbia (hidròlisi, acidogènesi, acetogènesi i metanogènesi) per bacteris i arqueus produeix biogàs (CH₄ i CO₂) i digestat.

5. Producció de bioetanol a partir de biomassa lignocel·lulòsica

   Pregunta: En el marc de la producció de biocombustibles, descriu el procés de producció de bioetanol a partir de biomassa lignocel·lulòsica, indicant els passos necessaris, els microorganismes implicats i la seva importància ambiental.

   Resposta: Es fa pretractament i hidròlisi de biomassa, fermentació amb Saccharomyces cerevisiae a etanol, reduint emissions respecte als combustibles fòssils.

6. Tècniques de bioremediació de sòls contaminats per hidrocarburs

   Pregunta: En un procés de bioremediació in situ de sòls contaminats per hidrocarburs, quina tècnica podries aplicar per afavorir la degradació dels contaminants i quines condicions ambientals hauries de controlar per assegurar l’eficiència del procés?

   Resposta: Aplicaria bioestimulació (nutrients i oxigen) controlant pH, humitat i temperatura per afavorir la degradació aeròbia per bacteris heteròtrofs.

7. Eliminació biològica de fòsfor en EDAR

   Pregunta: Explica com s’elimina biològicament el fòsfor en una EDAR, indicant el tipus de microorganismes implicats i el mecanisme pel qual es retira el fòsfor del medi aquàtic.

   Resposta: Els bacteris PAO (Acumuladors de Polifosfats) acumulen fòsfor com a polifosfats intracel·lulars en cicles anaerobis-aerobis, retirant-lo amb la biomassa extreta.

8. Biolixiviació i extracció de metalls

   Pregunta: En una operació de biomineria, explica en què consisteix la biolixiviació per a l’extracció de metalls, indicant el mecanisme microbià implicat i els microorganismes responsables d’aquest procés.

   Resposta: Bacteris com Acidithiobacillus ferrooxidans oxiden Fe²⁺ a Fe³⁺, que solubilitza sulfurs metàl·lics alliberant metalls en solució.

9. Paper dels enzims en processos industrials sostenibles

   Pregunta: En el context de processos industrials sostenibles, explica el paper dels enzims, indicant un exemple concret de la seva aplicació i els avantatges ambientals que presenten respecte als processos químics tradicionals.

   Resposta: Els enzims acceleren reaccions a baixa energia; per exemple, les xilanases en el blanqueig de paper redueixen l’ús de clor i contaminants.

10. Bioplàstics PLA i PHA

    Pregunta: Què són els bioplàstics PLA i PHA, com s’obtenen, i quins avantatges ambientals tenen en comparació amb els plàstics convencionals?

    Resposta: El PLA s’obté de fermentació de sucres i el PHA de bacteris amb excés de C. Són biodegradables i redueixen la contaminació plàstica.

11. Condicions per a la biodegradació de xenobiòtics

    Pregunta: S’ha detectat la presència de compostos xenobiòtics persistents en un sòl agrícola. Explica quines condicions són necessàries perquè la seva biodegradació per microorganismes sigui efectiva i quins factors poden limitar aquest procés.

    Resposta: Cal presència de microorganismes degradadors, biodisponibilitat del contaminant i condicions òptimes de pH, nutrients i temperatura.

12. Biofilm vs. biomassa en suspensió

    Pregunta: Explica què és un biofilm i quin avantatge té respecte als sistemes de biomassa en suspensió en els processos de tractament biològic d’aigües residuals.

    Resposta: Un biofilm és biomassa adherida a superfícies, aportant estabilitat i alta densitat microbiana en tractaments d’aigües residuals.

13. Biosurfactants i remediació ambiental

    Pregunta: Què són els biosurfactants i quins avantatges tenen en processos de remediació ambiental?

    Resposta: Els biosurfactants són tensioactius biodegradables produïts per microorganismes que milloren la solubilització de contaminants i són menys tòxics que els tensioactius químics.

CAS PRÀCTIC 3: Funcionament complet d’una EDAR

Pregunta: Explicació detallada del procés d'una EDAR

Explica detalladament el funcionament d’una Estació Depuradora d’Aigües Residuals (EDAR), incloent el tractament biològic, la línia de fangs i l’eliminació de nutrients.

Resposta: Estructura i processos de depuració

Una Estació Depuradora d’Aigües Residuals (EDAR) és una infraestructura clau per al tractament d’aigües residuals urbanes i industrials abans del seu retorn al medi natural, contribuint a la protecció dels ecosistemes aquàtics i a la salut pública. El seu funcionament s’estructura en dues línies principals: la línia d’aigües i la línia de fangs.

Línia d’aigües: Tractament primari i secundari

1. Pretractament: Elimina sòlids grossos (reixes) i sorres (desarenadors).
2. Tractament primari: Separació dels sòlids en suspensió mitjançant sedimentació.
3. Tractament secundari (Biològic): Microorganismes aerobis degraden la matèria orgànica biodegradable. Es poden utilitzar sistemes de fangs activats o sistemes de biofilm (llits percoladors o biodiscs).

Eliminació de nutrients

• Nitrogen: S’elimina mitjançant nitrificació (Nitrosomonas i Nitrobacter oxiden amoni a nitrat) seguida de desnitrificació en condicions anòxiques (bacteris heteròtrofs redueixen nitrat a nitrogen gas).
• Fòsfor: S’elimina biològicament mitjançant bacteris acumuladors de fòsfor (PAO), que l’incorporen dins la seva cèl·lula en forma de polifosfats durant els cicles anaerobis-aerobis.

Línia de fangs

Els fangs generats es tracten mitjançant digestió anaeròbia, que estabilitza la matèria orgànica i redueix el volum de fang. Aquest procés genera biogàs (principalment metà), que pot aprofitar-se energèticament. Finalment, el fang estabilitzat pot ser utilitzat com a fertilitzant o valoritzat.

En conjunt, una EDAR permet transformar aigües residuals en aigües depurades que compleixen la normativa per al seu abocament, reduir la càrrega contaminant i generar energia i subproductes útils, integrant-se dins d’un model d’economia circular.

Preguntes addicionals sobre EDAR

1. Què és la nitrificació i quins microorganismes hi participen?

   És l’oxidació aeròbia de NH₄⁺ a NO₃⁻ per Nitrosomonas (NH₄⁺ → NO₂⁻) i Nitrobacter (NO₂⁻ → NO₃⁻) al tractament d’aigües residuals.

2. Què són els bacteris PAO i quin paper tenen a les EDAR?

   Són bacteris que acumulen fòsfor intracel·lularment com a polifosfats, eliminant-lo biològicament de l’aigua a les EDAR i prevenint l’eutrofització.

3. Què és un biofilm i per a què s’utilitza en tractament d’aigües?

   És un conjunt de microorganismes adherits a superfícies dins una matriu extracel·lular, usat en biodiscs i llits percoladors per degradar matèria orgànica.

CAS PRÀCTIC 4: Biolixiviació i biomineria per a recuperació de metalls

Pregunta: Procés de biolixiviació i biomineria

Explica detalladament el procés de biolixiviació i el paper de la biomineria en la recuperació de metalls, indicant els microorganismes implicats i el mecanisme bioquímic.

Resposta: Extracció sostenible de metalls

La biolixiviació és una tecnologia de la biomineria que permet l’extracció de metalls valuosos de menes de baixa qualitat mitjançant microorganismes, essent una alternativa sostenible als processos de fusió i pirometal·lúrgics tradicionals. Aquesta tècnica és especialment rellevant en un context de transició energètica, ja que permet recuperar metalls com el coure, níquel, cobalt, liti i or.

Mecanisme bioquímic i microorganismes implicats

En el procés de biolixiviació, els metalls es troben habitualment en forma de sulfurs metàl·lics (com la pirita, FeS₂). Els bacteris quimiolitòtrofs aerobis implicats són:

• Acidithiobacillus ferrooxidans: Oxida Fe²⁺ a Fe³⁺.
• Acidithiobacillus thiooxidans i Leptospirillum ferrooxidans: Oxiden sofre elemental a sulfat.

El Fe³⁺ actua com un agent oxidant dels sulfurs metàl·lics, alliberant els ions metàl·lics a la fase líquida, la qual cosa permet la seva recuperació posterior per precipitació o altres tècniques.

Avantatges i control de paràmetres

La biolixiviació té diversos avantatges, com el baix consum energètic, la reducció d’emissions contaminants, la possibilitat de tractar menes de baixa concentració i l’adaptabilitat a zones remotes. Tanmateix, és un procés lent i requereix un control acurat de paràmetres com el pH (habitualment àcid), la concentració d’oxigen i la temperatura per mantenir l’activitat òptima dels microorganismes.

Preguntes addicionals sobre Bioprocessos

4. Quines són les fases de la digestió anaeròbia i quin és el producte final?

   Hidròlisi, acidogènesi, acetogènesi i metanogènesi; produeix biogàs (CH₄ i CO₂) i digestat estabilitzat com a fertilitzant.

5. Què és la deshalogenació reductiva?

   És un procés anaerobi on bacteris com Dehalococcoides substitueixen clor per hidrogen en dissolvents clorats, degradant-los fins a etè innocu.

6. Què és la bioestimulació?

   És l’aportació de nutrients o donadors d’electrons al medi per estimular la degradació de contaminants per microorganismes en bioremediació.

7. Què és una barrera reactiva permeable (PRB)?

   És una estructura subterrània amb material reactiu que degrada o immobilitza contaminants quan l’aigua subterrània hi passa.

8. Què és el PLA i com s’obté?

   És un bioplàstic biodegradable obtingut per polimerització d’àcid làctic produït per fermentació de sucres per bacteris o llevats.

9. Què és un PHA i com s’obté?

   És un biopolímer biodegradable produït per bacteris com a reserva de carboni en condicions de limitació de nutrients amb excés de carboni.

10. Què són els biosurfactants?

    Són tensioactius biodegradables produïts per microorganismes amb aplicacions ambientals i industrials com a substituts de surfactants químics.

11. Quins microorganismes s’utilitzen en biolixiviació i quin és el mecanisme?

    Bacteris com Acidithiobacillus ferrooxidans oxiden Fe²⁺ a Fe³⁺, que solubilitza sulfurs metàl·lics per recuperar metalls.

12. Què són els bioplàstics bio-basats i en què es diferencien dels biodegradables?

    Els bio-basats provenen de fonts renovables però no sempre són biodegradables; els biodegradables poden descompondre’s per acció microbiana.

Preguntes Específiques de Microbiologia

1. A què es pot deure que una població microbiana sigui “no cultivable”?

   Pot deure’s al fet que requereixen condicions ambientals o nutrients específics que no es reprodueixen al laboratori o depenen de sinergies amb altres microorganismes.

2. Quin paper juguen els bacteris ANAMMOX en la natura?

   Els bacteris ANAMMOX oxiden amoni utilitzant nitrit com a acceptor d’electrons, produint N₂ gas i contribuint a l’eliminació de nitrogen en medis aquàtics.

3. Com obtenir un consorci microbià per a bioremediació d'oli?

   En un vessament d’oli de transferència de calor, es recollirien mostres de sòl contaminat i s’enriquirien en medi amb oli com a única font de carboni per seleccionar microorganismes degradadors.

4. Informació de la seqüenciació del gen ARNr 16S

   Permet identificar i quantificar les poblacions bacterianes presents en una mostra i determinar la seva diversitat i composició taxonòmica.

5. El gen AlkB com a biomarcador

   El gen AlkB es pot utilitzar com a biomarcador per determinar capacitat degradadora d’hidrocarburs alifàtics, ja que codifica per una alquena monooxigenasa implicada en la seva degradació.

6. Reaccions de formació de metà en tancs anaerobis

   La metanogènesi per reducció de CO₂ amb H₂ i la metanogènesi per escissió d’àcid acètic en CH₄ i CO₂.

7. Què és el cometabolisme?

   És la transformació d’un contaminant per un microorganisme sense obtenir energia ni creixement, degut a l’activitat enzimàtica inespecífica.

8. Fases d’un procés de compostatge

   Fase mesòfila inicial, fase termòfila amb descomposició ràpida i eliminació de patògens, i fase de maduració amb estabilització del material.