Tema 3. Interaccions microbianes amb contaminants inorgànics (2010)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Ciencias Ambientales - 3º curso
Asignatura Microbiologia ambiental
Año del apunte 2010
Páginas 12
Fecha de subida 31/08/2014
Descargas 2
Subido por

Vista previa del texto

TEMA 3.
INTERACCIONS INORGÀNICS − MICROBIANES AMB CONTAMINANTS Parlem sobretot de contaminacions per nitrats, mines àcides i metalls, en les quals els microorganismes hi estan implicats.
1. NITRATS (conversió microbiana de nitrats) • Contaminen tant l’aigua com l’atmosfera.
• A nivell agrícola: ƒ Per obtenir més producció, s’imposen adobs al sòl en forma de ƒ ƒ ƒ • nitrogen reduït NH4 o bé de NO3 (els hi agrada més a les plantes).
NH4 Æ pot ser directament incorporat al pool de matèria orgànica de la planta. Si el sòl està molt oxigenat, poden haver bacteris nitrificants (NH4 Æ NO3 Æ incorporació a les plantes).
Aquest amoni, també pot unir-se a partícules del sòl i quedar-se retingut.
NO3 Æ si és un sòl sense O2, pot ser usat com a acceptor i ser respirat, provocant desnitrificació (pèrdua del NO3 del sòl), per això els pagesos el que fan es airejar els sòl remenant-lo. A més, el nitrat pot combinar-se amb H2O per la seva càrrega + i passar a formar els efluents d’aigua, aleshores és rentat del sòl.
Si les plantes contenen simbiosis amb fixadors de nitrogen atmosfèric, no cal afegir adob i s’estalvien aquests problemes.
S’ha volgut saber mitjançant diversos estudis, la quantitat d’adob que s’ha de col·locar per tal que no hi hagi pèrdues.
Ex.: Estudi a Ohio Es va administrar NH4 el qual ràpidament era nitrificat i incorporat.
Resultat Æ 50% incorporat a les plantes.
25% retingut al sòl.
25% es perdia per volatilització, lixiviació (20%) amb l’aigua, o bé per desnitrificació (80%).
Lixiviació Æ El pas de NO3 a l’H2O pot donar lloc a eutrofització o bé a contaminació humana. Hi ha una llei que parla de la quantitat de NO3- que pot haver a l’H2O i que és tolerat pel consum humà (50mg/L de nitrats i 0.5mg/L de nitrits).
• Efectes del NO2 ƒ No pot haver nitrats a l’aigua ja que aquests poden ser reduïts a nitrits, el qual si que és un producte molt tòxic ja que s’uneix a l’hemoglobina substituint al O2 provocant que els teixits no s’oxigenin (METAHEMOGLOBINÈMIA). En nadons, s’anomena 24 síndrome del nen blau i els que la pateixen tenen un tracte digestiu poc àcid, propici per la reducció del NO3 a NO2).
ƒ Encara això, usem els nitrits com a conservants en aliments, ja que inhibeixen els creixement de Clostridium botulinum. També s’usa com a additiu alimentari ja que s’uneix a la mioglobina donant lloc a un color més vermellós a la carn fent que tingui millor aspecte.
ƒ Podem donar lloc a la formació de nitrosamines, les quals són productes làbils que es fan malbé al tracte digestiu, així, també poden donar lloc a nitrofenols depenent de l’aliment que s’ingereixi, els quals són substàncies carcinògenes.
• Desnitrificació ƒ Ajuden a la degradació de la capa d’ozó (per formar-lo hem de tenir O2 + O).
ƒ El N2O dona lloc a N2 + O* (altament reactiu) que interacciona amb N2O per donar lloc a òxid nítric (NO) que interacciona amb un O3 donant lloc a N2O + O2 i al seu torn, el NO2 reacciona amb un O donant lloc a N2O + O2, provocant una retroalimentació.
ƒ El problema de la desaparició de la capa d’O3 és l’òxid nitrós, el qual es forma degut a la utilització de fertilitzants (entre un 10-20% del N2O) usats en l’agricultura. Encara que les majors emissions són produïdes per les combustions.
• SOLUCIONS 1. Controlar l’ús de fertilitzants Æ regulat per llei (cada comunitat fa una normativa dins uns marges d’ús establerts).
2. Augment de la fixació biològica del nitrogen Æ és hipotètic ja que no es dóna perquè s’hauria de modificar genèticament per tal que hi hagués més plantes capaces de fixar el N2.
3. Inhibició dels nitrificants (Nitrosomonas) Æ els que provoca el problema són els nitrats, els quals s’incorporen als fertilitzants en forma d’amoni o urea. Com a inhibidors podem usar nitrapirina, dicranidimina (DCD) o DMPP que provoquen que no es produeixi el pas de tot el NH4 a NO3. Això provoca que encara que el que s’incorpora és NH4, no hi ha una major productivitat. Aquests inhibidors són mòbils, persistents, econòmics, no tòxics, bacteriostàtics i específics. Amb això s’ha aconseguit: a) Disminució de la lixiviació.
b) Disminució de les emissions de òxid nitrós.
c) Disminució de fertilitzacions (ja hi ha suficient creixement).
d) Augment del rendiment.
25 2. MINES ÀCIDES • Ens referim a una part de l’activitat minera la qual genera uns lixiviats caracteritzats per ser àcids. Aquests productes modifiquen el pH de llacs i rius provocant l’abolició de la vida en aquells indrets.
• Relació dels microorganismes en mineria Æ hi ha microorganismes capaços de realitzar biolixiviació ja que utilitzen metalls per solubilitzar-los. Ex.: ¼ part del Cu que s’obté en mineria és per biolixiviació.
• Beneficis Æ produeixen solubilització, immobilització i concentració del metall.
• Problemes Æ donen lloc a un augment de la solubilització i a l’augment de la concentració de metalls a l’ambient.
• • • • Les conseqüències de tot això provoca una disminució del pH en l’aigua, un augment de la terbolesa a causa de l’augment de la [metalls] cosa que implica un canvi de l’estabilitat del sistema que fa desaparèixer moltes formes de vida.
Aquests problema no es dóna en totes les mines, sinó que depèn dels metalls que trobem i la forma en que es trobin.
En estat natural, els metalls normalment es troben en la seva forma reduïda (enterrats sense oxigen), no obstant, en les mines, es posen en contacte amb O2 i H2O creant una oxidació espontània (sense acció microbiana) d’aquests metalls.
Exemple.: Biolixiviació de la PIRITA I. 2FeS2 + 7O2 + 2H2O Æ 2Fe2+ + 4SO4 2-+ 4H+ (sulfúric) ƒ A mesura que es va exposant el metall a l’aire, cada vegada disminueix més el pH, fins que arriba a un pH massa àcid perquè la reacció es pugui donar espontàniament i a partir d’aquí intervenen els microorganismes.
ƒ pH neutre Æ espontània ƒ pH < 4.5 Æ espontània/lenta ƒ pH 3.5 – 4.5 Æ Metallogenium ƒ pH < 3.5 Æ Thiobacillus II. 2Fe2+ + 1/2 O2 + 2H+ Æ 2Fe3+ + H2O (quimilitòtrofs) ƒ La realitzen microorganismes com thiobacillus.
ƒ És una reacció amb un rendiment energètic molt baix, ja que el donador és el Fe+3/Fe+2 (E0=+0.77V) i l’acceptor O2/H2O (E0=+0.82V), això dona un rendiment de AG0 = -31KJ (2-3 ATP) per tant, necessiten oxidar molt ferro.
ƒ Així, la majoria del poc ATP que produeixen està destinat a la producció de poder reductor.
26 III. 2Fe3+ + 6 H2O Æ 2Fe(OH)3 + 6H+ ƒ Dona lloc a ferro soluble (lixiviat) que pot passar a l’aigua, la qual té un pH més alt i pot donar lloc a hidròxid fèrric.
IV. 14Fe3+ + FeS2 + 8H2O Æ 15Fe2+ + 2SO4 2- + 16H+ ƒ El fèrric es combina amb la pirita fent que el procés sigui continu i arribarà un moment en què el lixiviat sortirà de la mina i precipitarà.
CONCLUSIÓ Æ 2FeS2 + 71/2 O2 + 7H2O 2Fe(OH)3 + 4H2SO4 • Exemple.: Rio Tinto (Huelva): ƒ Hi ha una regió que s’assembla molt a l’ambient de Mart.
ƒ Es va plantejar fer un tractament per tal de fer augmentar el pH ja que quan aquesta aigua arriba al mar, tots els Fe(OH)3 precipiten.
ƒ Conté molta diversitat microbiana així com de metalls.
ƒ Quan es van començar a extreure els minerals, la gent no va tenir en compte els efectes que portaria i es pensava que quan es tanqués la mina, el problema s’acabaria, però això no és així, ja que mentre se segueixin tenint substrats, els microorganismes seguiran treballant.
ƒ Mesures per arreglar el problema 1) Prevenció Æ impermeabilitzar el sòl per tal que els lixiviats no puguin rentar-se i contaminar. Controlar la quantitat d’aigua de les mines, extraient-la amb bombes.
Evitar el contacte amb l’oxigen (aïllar al mina de l’exterior Æ complicat).
Quan això no s’aconsegueix, els contaminants segueixen drenant-se i el que es fa és aplanar el terreny i posar substrat per tal que hi creixi vegetació, així, l’oxigen del sòl s’acabarà consumint i hi haurà un moment en què no es drenarà més lixiviat.
2) Tractament químic Æ tractar amb sals (hidròxid sòdic, carbonat sòdic, amoni...) per tal de neutralitzar els àcids.
Aquests agents alcalinitzants són cars i generen residus difícils de tractar.
3) Tractament biològic Æ hi ha microorganismes sulfat reductors que usen com a acceptor SO4-2 i produeixen H2S, el qual reacciona amb metalls fent-los precipitar.
27 Amb aquest tractament, s’aconsegueix neutralitzar el pH i reduir la [metalls].
Els SR són anaeròbics estrictes i els lixiviats tenen O2, per aconseguir fer-ho, hem d’extraure el O2 afegint matèria orgànica (els heteròtrofs consumeixen la matèria orgànica i l’oxigen) això propiciarà el creixement dels SR, els quals poden ser afegits artificialment per tal que actuïn com a iniciadors.
4) Inhibició de l’activitat microbiana (no s’utilitza) Æ Podem inhibir els thiobacillus ja que hi ha uns compostos (àcids carboxílics, alfa-cetoàcids) que inhibeixen el seu creixement. Encara que això no és útil en ambients naturals perquè els heteròtrofs se’ls menjarien.
5) Imitar aiguamolls / humedal / wetland ƒ Són uns sistemes que actuen com a biofiltres.
ƒ Es construeixen per que no contaminin els naturals.
ƒ Procediment de formació: a) Fer un forat poc profund (80-120cm) i b) c) d) ƒ ƒ anivellar-lo per formar l’estructura, amb terra o ciment.
Col·locar un plàstic impermeable i poc resistent per separar l’aigua i el terra.
Recobrir amb grava o compost.
Amb un sistema de bombes, fer que l’aigua amb lixiviat entri.
També poden incorporar-se plantes.
e) Aquests aiguamolls, provoquen l’aparició de gradients horitzontals (pH) i verticals (O2). Es col·loquen els aiguamolls en sèrie amb un cert desnivell (pendent) entre ells, així l’aigua anirà passant d’un a l’altre, eliminant progressivament els lixiviats.
A dintre l’aiguamoll, es donen diferents reaccions que neutralitzen el pH i fan precipitar els metalls.
Aquestes reaccions poden de tipus: A. Abiòtic.
B. Biòtic Æ La vegetació (Thypa, Sphagnum) serveix perquè ella mateixa acumula metalls i a més, les arrels consoliden (estabilitzen) el sòl i potencien l’activitat microbiana. El SR neutralitzen el pH i precipiten els metalls.
28 ƒ Característiques dels aiguamolls o Econòmics.
o S’ha de tenir un terreny.
o Temps llarg per recuperar el pH.
o Clima Æ canvis en l’activitat de l’aiguamoll depenent de les condicions climatològiques.
3) METALLS • Relacionats amb les mines àcides.
• Fonts de contaminació per metalls Æ activitat minera, indústria farmacèutica (melcromines), pesticides, piles, etc.
• Molts metalls són tòxics pels èssers vius quan entre a la xarxa tròfica i ens poden arribar a nosaltres.
• Efectes dels metalls en persones: disfuncions hepàtiques o fins i tot la mort, entre altres transtorns.
• Els que han solubilitzat els metalls i els han introduït a la xarxa tròfica, són els microorganismes.
• Relació microorganismes – metalls 1) Elements essencials per la vida dels microorganismes Æ Són metalls que realitzen diverses funcions, com per exemple: centre actiu d’enzims, estabilitzadors d’estructures cel·lulars o creadors de gradients de membrana. També poden actuar com a micronutrients que sempre s’han d’afegir al medi de cultiu, encara que no tots requereixen els mateixos. Ex.: tungsté: només el requereix Pyrococcus furiosus.
Aquests elements essencials poden arribar a ser tòxics si els trobem a una elevada concentració.
2) Tòxics ƒ ƒ ƒ Mostren efectes negatius sobre el creixement microbià a petit concentracions.
Aquests metalls tòxics actuen sobre la cèl·lula, afectant a la seva viabilitat a diferents nivells: a) Inhibició activitat enzimàtica (Hg, Pb, As, Cd,Cu).
b) Alteració membrana cel.lular (Hg, Pb, Zn, Ni, Cu, Cd).
c) Inhibició divisió cel.lular (Pb, Cd, Hg, Ni).
d) Dany DNA o mutacions (Hg, Pb, Cd, As).
e) Inhibició traducció (Hg, Pb, Cd).
f) Inhibició transcripció (Hg).
g) Desnaturalització proteines (Hg, Pb, Cd).
Després de patir tots aquests efectes, finalmente la cèl·lula es llisa.
29 ƒ Mecanismes de resistència a la toxicitat ♦ No existeix cap mecanisme que serveixi per a tots els metalls.
♦ La amjoria de mecanismes, estan codificats per plàsmids, es a dir, són transferibles.
♦ Qualsevol grup microbià estudiat, té resistència a algun metall.
♦ Aquests mecanismes estan presents des de l’inici de la vida.
♦ Tipus de resistències: 1) Generals - No depén de l’estrès metal·lic, són mecanismes que normalment tenen altres funcions, els quals sempre estan actius, però quan hi ha un metall, interfereixen en la seva detoxificació.
- Poden donar-se de diverses maneres: a. De manera espontània, els metalls amb càrrega +, poden unir-se a la membrana, paret o càpsula (càrrega ). No implica consum energètic i els metalls s’acumulen a l’exterior.
b. Durant el metabolisme, s’incorporen substàncies i s’excreten productes, per exemple.: Els SR generen H2S, el qual pot interaccionar amb el metall i formar compostos insolubles que precipiten. No hi ha consum d’ATP.
c. Reducció de la valència del metall Æ pot provocar que el metall passi de ser disponible a no ser-ho. Per exemple el Hg passa a ser gas i es vol·latilitza. Pot ser un mecanisme específic o bé general (vermell/blau).
2) Depenents del metall - Permeten detoxificació amb despessa energètica.
a. Segrest intracel·lular de metalls Æ el fosfat es combina amb el metall, cosa que provoca l’acumulació intracel·lular. Hi ha despessa energètica.
b. Metalotioneines like Æ són petites proteïnes amb moltes cisteïnes les quals 30 s’uneixen a metalls per formar complexes.
Gast energètic.
c. Bombes d’efflux Æ es detecta el metall i es sintetitzen unes proteïnes transportadores que mitjançant el sistema ATPasa bombejen tot el que entra cap a l’exterior cel·lular.
d. Volatilització Æ passar el metall de soluble a gas. Ex.: el Hg amb 2CH3 és un compost volàtil, aleshores, hi ha metil·lases que permeten la detoxificació.
3) No essencials Æ no sabem quina funció tenen.
• INTERÈS (BIOREMEDIACIÓ) ƒ Els microorganismes són capaços de solubilitzar i immobilitzar els metalls, cosa que ens serveix per detoxificar diferents ambients naturals (aigües, sòls...) mitjançant la immobilització dels metalls i la seva biolixiviació.
ƒ Per descontaminar un ambient que conté metalls, podem: i. Volatilitzar Æ el metall passa a un altre ambient (atmosfera).
ii. Unió a envoltes cel·lulars Æ immobilització.
iii. Precipitar-los Æ bacteris sulfat reductors.
ƒ Tots aquests processos tenen lloc als aiguamolls.
ƒ Mètodes per dur a terme la bioremediació de líquids 1. BIOACUMULACIÓ / BIOADSORCIÓ ♦ Bioacumulació: implica activitat metabòlica.
♦ Bioadsorció - Unió passiva del metall a l’envolta cel·lular.
- Són capaços de fer-la fongs, bacteris, algues i plantes.
- Es requereixen unes envoltes amb càrrega -, encara que en els diferents organismes, canvien els llocs d’unió, el tipus de metall (afinitat) o la quantitat de metall que s’hi uneix.
- Segons l’estat cel·lular, l’acumulació de metall serà més o menys eficient.
- Ex.: La cèl·lula vegetativa uneix poc Ba, en canvi l’espora n’acumula molt.
- Procediment: o Fem servir bacteris, fongs i algues.
o Podem utilitzar cèl·Lules vives o mortes (mantenen la q-), també productes microbians amb q- o bé, extractes microbians. Encara que el 31 o o o o o mètode més utilitzat és el de les cèl·lules mortes, aixó és degut a què les vives són més costoses de amntenir i a més, poden veure’s afectades per elevades concentracions de metalls, en canvi, les mortes no.
Els altres mètodes també són menys utilitzats perquè són més cars (obtenció, extracció dels productes metabòlics...).
Per seleccionar la biomassa, usem fangs activats de depuradora, residus de fermentació, llevats industrials i blooms d’algues o cianobacteris, que no tenen altra funció i així ens surt més econòmic.
La biomassa recuperada, es renta, es tritura i després s’ha de matar les cèl·lules. Ex.: Anabaena: quan s’autoclava, acumula més metall que amb un tractament químic.
Després es deshidrata i es compacta la biomassa per tal d’obtenir boletes que uneixin els metalls.
La matriu es col·loca en una columna per la qual es fa passar l’aigua contaminada, així, segrestarà els metalls, obtenint aigua pura. Per desunir els metalls de la amtriu, es fan tractaments àcids o bàsics per tal de recuperar el metall i reciclar la matriu.
Aquest procès es fa a gran escala i si funciona, es un procès molt barat, es generen pocs residus, té una elevada eficiència (es pot triar el microorganismes, el substrat...).
El duen a terme el següents microorganismes: – Algues marines: ♦ Ecklonia maxima ♦ Lessonia flavicans Cu/Zn/Ni/Cd/Pb ♦ Durviella potatoriu ♦ Sargassum (Cd/Cu/U) – Fongs: ♦ Saccharomyces cerevisiae (Cd/U/Co/Pb) ♦ Aspergillus niger (U/Mn/Pb/Co) ♦ Phanaerochaete chrysosporium (Hg) ♦ Rhizopus sp. (U, Cd) – Bacteris: ♦ Bacillus sp. (Zn, Pb, Cd, Ni) ♦ Rhodobacter sphaeroides (Cd, Pb) ♦ Escherichia coli (Cu/Cr/Ni) 32 2. PRECIPITACIÓ ♦ S’agafa un reactor amb SR per exemple, el quals produeixen H2S, que s’uneix als metalls i el fan precipitar al fons del reactor, obtenint una aigua neta.
♦ Triga unes 2 setmanes en donar-se.
♦ Recupera el pH.
♦ Elimina el 95% dels metalls i a més, és eficaç contra molt tipus de metalls.
♦ Es requereix que s’addicioni matèria orgànica com a font de carboni pels SR.
♦ Per alguns metalls, es requereix la utilització de soques de SR juntament amb metanògens, per tal de què aquests utilitzin els acetats produïts pels SR i a més produir metà que és útil industrialment.
ƒ Bioremediació de sòlids – Consisteix en immobilitzar in situ els metalls, encara que no és una bona estratègia, per aixó només es fa en zones on no es opden extraure i sobre les quals es fa un control periòdic molt rigoròs. Altra metodologia consisteix en extraure els metalls del sòl canviat l’estat d’oxido-reducció del metall per produir la lixiviació.
– Biolixiviació • És útil en mineria, per residus industrials, sòls i sediments.
• Hi ha molts pocs microorganismes capaços de produir la biolixiviació (només alguns bacteris i fongs).
• Hi ha microbis que oxiden el ferròs (Fe+2) a fèrric (Fe+3) el qual pot solubilitzar els metalls. Altres, produeixen àcids orgànics o àcid sulfúric que solubilitzen metalls i els passen a la fase aquosa.
• Avantatges de lixiviació biològica Æ es pot fer in situ, és específica per a un etall concret, eficient i requereix poca energia.
• Desavantatges Æ procès llarg, depén de la climatologia i presenta elevada toxicitat.
• Un cop s’ha fet això, tenim un sòl net més un lixiviat (líquid) que s’ha de remediar mitjançant mètodes de remediació dels contaminants líquids abans mencionats.
33 ƒ Metil·lacions microbianes – És l’addició d’un grup CH3 a un metall per forma un metil metall el qual pot ser altre cop metil·lat donant lloc a un dimetil metall que és volàtil.
– Un metall metil·lat, augmenta la toxicitat i la capacitat per acumular-se (Hg, Sn, Pb), en canvi, en el cas del Se, aquest es volatilitza fàcilment i l’As si es metil·la, perd la seva toxicitat.
– Bioacumulació Æ augment de la concentració del producte a mesura que avancem en la xarxa tròfica. No només es dóna en metalls, sinó també en compostos xenobiòtics. Aquestes substàncies que es bioacumulen, són no degradables i lipofíliques (el metall s’uneix a la membrana i es va acumulant cada cop més).
– Exemple.: Mercuri (Hg): • És un metall que s’ha fet servir moltíssim i en elevades quantitats, cosa que ha provocat que hi hagi més mercuri disponible de que cal.
• El Hg0 pot ser fotooxidat i convertir-se en Hg+2 que no és volàtil i torna a l’ambient (aigua o sediments), aquí, pot torna a convertir-se en Hg0 i tornar a l’atmosfera, o bé unir-se a àcids i precipitar (immobilitzar-se), de la mateixa manera que pot ser metil·lat (metilcianocloramina) donant lloc a metil-Hg que es pot tornar a metil·lar formant dimetil-Hg i volatilizant-se, o bé incorporar-se a la xarxa tròfica.
• El metil-Hg és un potent mutagènic, desnaturalitza proteïnes i és bioacumulable.
• No se sap perquè els microorganismes metil·len, però es veu que alguns tenen mecanismes de resistència (Hgreductasa, organomercurial lligasa...).
• Contaminació humana per mercuri Æ Una empresa química del Japò (Badia de Minamata), abocava organomercurials als rius, cosa que va provocar una contaminació de la població que donava lloc a tremolors, afectació del sistema nerviòs ja que pot travessar la barrera hematoencefàlic i placentària.
34 35 ...