Biotecnologia Ambiental Charla Tecnoparque Sena
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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.