Clase 1 Microbiologia Basica y Aplicada a La Minera

Biotecnologa Minera y Lixiviacin Microbiana

Dr. Mario Esparza Mantilla Laboratorio de Biominera. Departamento de Acuicultura. Facultad de

Recursos del Mar. Universidad de Antofagasta. Chile.

[email protected] Mayo 2013

FACULTAD DE RECURSOS DEL MAR-DEPARTAMENTO DE ACUICULTURA

Pila

de

Bio

lixiv

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16

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33

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01

2.

A. ferrooxidans

Unidad I: MICROBIOLOGIA BASICA Y APLICADA A LA MINERA

BIOMINERIA

Microbiologa

Gentica

Biologa Molecular

Bioinformtica

Bioprocesos

Bio-Hidrometalurga

UNIDAD II. LIXIVIACION MICROBIANA

A. caldus

Unidad III. OPERACIONES DE BIOHIDROMETALURGICA

Contenidos del curso Teorico-Prctico

Desde las clulas microbianas a la obtencin industrial de metales

FACULTAD DE RECURSOS DEL MAR-DEPARTAMENTO DE ACUICULTURA

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Lixiviacin Microbiana

OBJETIVOS: Entrenar a los estudiantes en tcnicas de muestreo, aislamiento, conteo e identificacin molecular de microorganismos biolixiviantes. CONTENIDOS: 1. Introduccin a la microbiologa. Los dominios de la vida. Bacterias, arqueas y eucarias. 2. Cintica de crecimiento microbiano. Parmetros de anlisis. 3. Fisiologa Microbiana. Metabolismo auttrofo y hetertrofo, nutrientes, demanda de oxgeno, carbono y sustratos energticos. 4. Muestreo y aislamiento de bacterias, recuento microbiano, caracterizacin morfolgica y cultivos slidos y lquidos de bacterias y arqueas biolixiviantes. 5. Identificacin molecular de microorganismos biolixiviantes. Anlisis de ADN y marcadores genticos asociados al metabolismo energtico de metales y al metabolismo de carbono.

Laboratorio de Biominera Dr. Mario Esparza Mantilla

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MICROBIOLOGIA BASICA Y APLICADA A LA MINERA

Cintica de crecimiento microbiano

Fisiologa Microbiana

Muestreo y aislamiento de bacterias

Recuento y caracterizacin microbiana

Identificacin molecular y genmica

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( 2

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Introduccin a la Microbiologa


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Cla

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lase

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Las clulas microbianas digieren minerales

Sulfuro Metlico (MFeS2)

Bacterias Biolixiviantes

M2+

Fe2+

Fe3+

S

SO42- + 2H+

M2+

1. Cmo realiza el proceso? 2. Qu elementos biolgicos tiene para

digerir el mineral? 3. Cmo evade la toxicidad del metal,

mecanismos?

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mit

y c

ols

( 2

01

0).

1. Comprender como crecen y funciona la clulas microbiana.

2. Entender el rol de la clula en un ambiente extremo: pH cido, poco sustrato, metales pesados, etc.


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Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)

El origen de los dominios de la vida

El 80% de la historia de la tierra fue exclusivamente dominada por vida microbiana.

LUCA ( Last Universal Common Ancestor)



Los dominios de la vida

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Virus 24 300 nm

Bacterias 0.5 5 m

Protozoos 1 10 m

Algas

10 m a tamaos

mas grandes

Hongos (levaduras y

mohos)

6 m a tamaos

mas grandes


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Tamaos de los microorganismos



Composicin qumica de las Bacterias


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Tipos de Bacterias


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Estructura de la clula procariota


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Caractersticas de las Bacterias

La mayora tiene pared celular

Algunas presentan capsula

Presentan cromosoma circular,

( algunos de forma linear)

Algunas presentan plsmidos

Algunas presentan Pili o flagelos.

Algunas presentan inclusiones intracelulares (Glicgeno; carboxisomas, magnetosomas).

Algunas pueden producir esporas.


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Estructuras anatmicas de las Bacterias

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Clasificacin de las Bacterias


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Gram +

Gram- Clasificacin de las Bacterias


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Cintica del crecimiento microbiano

Las bacterias mineras extremo acidfilas presentan un crecimiento poblacional lento ( desde das a semanas)

Cintica de crecimiento microbiano



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MADIGAN, M., MARTINKO, J. & PARKER, J. (2008). BROCK BIOLOGY OF THE MICROORGANISMS. Li y cols. (2011). Folia Microbiol 56:439451


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Cintica del Crecimiento Microbiano

Crecimiento de Acidithiobacillus ferrooxidans ATCC23270 en 9K+Azufre (control a pH: 1,5)

La ecuacin que describe el crecimiento, est dada por:

Ecuacin de Mond N: cantidad de bacterias t: Tiempo de incubacin : Tasa de crecimiento bacteriano Integrando:

N: Cantidad inicial de bacterias t: Tiempo de generacin bacteriana



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Tasa especfica de crecimiento () de bacterias



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Tasa especfica de crecimiento () de bacterias

Las bacterias mineras extremo acidfilas presentan las siguientes caractersticas

1. El habitad presenta escasos nutrientes

2. Condiciones de pH muy cidas

3. La distribucin de la fuente de Carbono y energa es heterognea 4. Inicio y termino del proceso con escasa densidad celular

5. La disponibilidad de 02 es diferentes para la mayora de las clulas

6. Las clulas no llegan a densidades mayores a 1010/ml

7. El metabolismo predominantes es quimiolitoauttrofo

8. Escasa materia orgnica para biosntesis celular

9. Alto estrs celular

10. Alta cantidad de metales pesados y iones txicos al metabolismo celular bacteriano.

11. Dificultad de manipulacin gentica


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Las clula biolixiviante Acidithiobacillus ferrooxidans se alimentan de CO2 y obtienen energa de la oxidacin de Fe 2+,S, tiosulfato, H2 e Uranio.

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Esparza y cols., (2009)



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Los carboxisomas almacenan CO2 en bacterias quimilitoauttrofas

La fijacin de carbono en microorganismos quimiolitoauttrofos


Metabolismo de CO2 y sntesis de compuestos orgnicos en Bacterias auttrofas

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Esparza y cols., (2009) Bowien, (1997); Tabita, (2000); Omata y cols, (2000); Cerff, (2001), Romagnoli y tabita, (2007)



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Metabolismo microbiano


Metabolismo energtico en Bacterias


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Bacterias Biolixiviantes

La membrana celular bacteriana



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La membrana celular de bacterias y arqueas



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Anatoma de la membrana Celular Bacteriana

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Bacterias Gram (-)



Respiracin y cadena de energa de las Bacterias

Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012) Coenzima Q ( oxidada y reducida)

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Fuentes energticas para el crecimiento microbiano ( respiracin aerbica)


Hierro

Azufre


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+0,10

+0,05

-0,30

-0,50

E0 (V)



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Generacin de la Fuerza Motriz Protnica durante la respiracin aerbica de las Bacterias



Cantidad de energa producida por oxidacin de donadores de electrones inorgnicos

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Metabolismo de H2 en bacterias y produccin de material celular

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Proceso de Oxidacin de azufre por bacterias

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Proceso de Oxidacin de azufre por bacterias



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Metabolismo del de azufre por bacterias



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Transporte de electrones y conservacin de energa en bacterias reductoras del sulfato


Fuentes energticas para el crecimiento microbiano ( respiracin anaerbica)



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La morfolgica de la clulas lixiviantes depende del sustrato energtico

A. ferrooxidans

A. caldus

1.5x0.5m 3.0x0.25m

1.2x0.4m 2.4x0.2m

S

S

S2O32-

S2O32-

He, H y cols.(2010). Geomicrobiology Journal (27):707713.

Fisiologa microbiana


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Distribucin de Bacterias en partculas de suelo y restos orgnicos

Las Bacterias buscan un soporte inorgnico para formar colonias


Proceso de Oxidacin del Hierro por bacterias


Flujo de electrones durante la oxidacin de Fe 2+ por Acidithiobacillus ferrooxidans

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Bacterias oxidantes del Hierro



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Bacterias Biolixiviantes oxidantes del Fe 2+

Avances y modelos de Estudio

El manejo de la fuente de carbono incrementa la biomasa celular

La Combe & Luecking. (1990)

Acidithiobacillus ferrooxidans en presencia de ms cantidad de CO2 en el medio aumenta su densidad celular


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Resultados en la obtencin de oro por A. ferrooxidans


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Resultados en la obtencin de metales por A. ferrooxidans al incrementar la fuente de carbono

Acevedo y cols. (1998). Biotech.let.20(3): 257-259.

Se demuestra que la bacteria que

crece en exceso de CO2 se

aumenta el rendimiento de la

biolixiviacin, segn lo anterior se

debera a que hay ms biomasa

y por ende mayor capacidad

lixiviante.


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Metabolismo del arsnico en bacterias

Preguntas


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