Tema 46.2

Tema 46. Microbiología Industrial

1. Microbiología Industrial. Biotecnología microbiana

2. Microorganismos de interés industrial: Mejora de cepas

3. Las fermentaciones. Metabolitos primarios y secundarios.

4. Principales aplicaciones industriales de los microorganismos.
Antibióticos. Aminoácidos. Ácidos orgánicos, Biopolímeros,
Biosurfactantes. Productos fermentados

5. Biocoversiones microbianas

6. Microbiología de los alimentos fermentados
7. Biodegradación y biorremediación
8. Bioaumento
9. Microorganismos como productos: nanobacterias, biosensores,
biopesticida


Industria alimentaria

Fermentación láctica: productos lácteos

• Streptococcus
• Leuconostoc
Bacterias lácticas • Pediococcus
• Lactobacillus


Fermentaciones Lácticas

Ruta del 6-
fosfogluconato

Fosfocetolasa

F. homoláctica

Streptococcus, Pediococcus,
F. heteroláctica Lactobacillus
Carecen de fructosa 1.6-difosfato
aldolasa.

Lactobacillus, Leuconostoc


Leches fermentadas: Yogurt
Streptococcus termophilus
Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus

El crecimiento de ambos produce un efecto sinérgico
o El estreptococo utiliza los péptidos y aminoácidos liberados por el
lactobacilo a partir de las proteínas de la leche
o El crecimiento del lactobacilo está estimulado por diversos
compuestos producidos por el estreptococo
• ácido fórmico
• CO2
• ácido pirúvico
o La producción de ácido láctico, compuestos aromáticos y
polisacáridos es también más rápida cuando se cultivan
conjuntamente


Probióticos
Lactobacillus y Bifidobacterium

• Adyvantes microianos
─ Inmunomoduladores
─Anticancerosos
─Control de diareeas
─Mejora de la enfermedad de Crohn


Quesos

• Más de 2000 variedades
• Se inocula la leche con cultivos seleccionados de bacterias
lácticas
• Fermentación: la acidez provoca la coagulación de las proteínas
de la leche cuajo (requesón)
• Prensado Extrusión del agua (suero)
• Salado y maduración

1. Fermentación láctica: pH 5.1-5.3
2. Maduración: diferentes bacterias y hongos


Fermentación (cuajado) Prensado

Moldeado
Salado y Maduración


M IC R O O R G A N ISM O S Q U E
IN T E R V IE N E N E N L A F A B R IC A C IÓ N
D E Q U E SO S

Q ueso E stadíos iniciales E stadíos tardíos
S treptococcus
M ozzarella (b lando, no
term ophilus
m adu rad o)
L actobacillus bu lgaricus
C am em b ert (bland o, L actococcu s lactis P en icilliu m cam em berti
m adu rad o) L actococcu s crem oris B ervibacterium linens
L actococcu s lactis P en icilliu m roqueforti
R oq uefort (sem ibland o)
L actococcu s crem oris
L actococcu s lactis P ropion ibacteriu m
E m m enthal (duro, L actococcu s helveticu s sh erm anii
m adu rad o) S treptococcus P ropion ibacteriu m
term ophilus freu den reich ii
L actococcu s lactis
L actococcu s crem oris
P arm esano (m uy duro,
S treptococcus L actobacillu s bulgaricu s
m adu rad o)
term ophilus


Fermentación alcoholica: bebidas alcohólicas
Glucosa → Piruvato → Acetaldehído → Etanol
Glucolisis Piruvato Alcohol
descarboxilasa deshidrogenasa

Glucosa + 2 Pi + 2 ADP + 2 H = 2 Etanol + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2O

Bebidas alcohólicas
Saccharomyces cerevisiae y otras especies
• Cerveza: malta de cebada, lúpulo
• Vino: a partir de uva prensada (fermentación alcohólica + fermentación
maloláctica).



Bebidas alcohólicas: El vino

F. alcohólica: Etapa esencial de la vinificación, transforma los azúcares en:
alcohol,
anhidrido carbónico y
compuestos que contribuirán al aroma.

F. maloláctica: no se busca sistemáticamente. Tiene por objeto transformar el
ácido málico en ácido láctico (monoácido) lo que permite obtener vinos menos
ácidos y más ligeros (Burdeos tintos y Champagne).


Adición de sulfito
destrucción de las
Prensado para
levaduras y bacterias separar los sólidos
Adición del del vino
inóculo de Clarificación en
levadura cubas de
sedimentación

Fermentation
Prensado de la
uva

Filtración

.Añejo en barricas Embotellado

Elaboración del vino tinto


Elaboración de la cerveza


7. Biodegradación y biorremediación y bioaumento
¿Que es la Bioremediación?
• Bio-Remediar = utilizar organismos vivos (bacterias, hongos,
plantas etc) para resolver un problema medioambiental

• Bioremediación = Aplicación de principios microbiológicos y de
ingeniería para la descontaminación ambiental. Para degradar o
transformar contaminantes (orgánicos o inorgánicos) tóxicos en
compuestos no tóxicos para los seres superiores.

Área de la biotecnología ambiental que utiliza sistemas biológicos para
catalizar la degradación y/o transformación de compuestos tóxicos del
medio ambiente a moléculas menos perjudiciales


Principios de la bioremediación
Se basa en la idea de que los
microorganismos son capaces de utilizar
los compuestos de su hábitat para el
crecimiento y el metabolismo propio. En
esta característica descansa el principio
de la bioremediación. Utilizar a los
microorganismos para retirar los
contaminantes del medio ambiente o
convertirlos en formas menos tóxicas.
Existe una gran diversidad de
microorganismos que realizan este
proceso como parte de su propio
metabolismo.



Ventajas de la biorremediación
•Poco costosa
•Provocan poca alteración del medio
•Mineralización del compuesto

Inconvenientes de la biorremediación
•Lentitud del proceso (limitación de los microorganismos)
•Dificultad en ciertos hábitat
•Especificidad



¿A qué debe su Eficacia?
• A la gran diversidad de microorganismos existentes.
Supone grandes recursos para la limpieza del medio
ambiente
• Generalmente son microorganismos autóctonos del
ecosistema contaminado
• Los microorganismos degradadores aparecen de forma
espontánea en ambientes contaminados
• Su aparición está favorecida por la difusión horizontal de
genes en ambientes con gran presión selectiva



El problema



Tipos y técnicas de bioremediación

BIOREMEDIACIÓN

NATURAL (bioatenuación) IN SITU EX SITU

BIOESTIMULACIÓN BIOAUMENTO

FITOREMEDIACIÓN


Bioremediación natural o intrinseca
Bioatenuación: No es en sentido estricto una técnica de
bioremediación

Es la naturaleza la que reduce o elimina al contaminante
El contaminante se degrada de forma natural con el tiempo.
• Si en el lugar de actuación hay microorganismos degradadores
• Si hay condiciones de nutrientes y ambientales adecuadas

Inconvenientes: Ventajas:
• Proceso lento • poco mantenimiento
• Con continua monitorización del sitio contaminado • bajo coste
• Requiere una caracterización previa del lugar. • Poca alteración del sitio
• Puede producirse la migración de contaminantes a
otros lugares
•No es eficaz a altas concentraciones de contaminantes


BIOREMEDIACIÓN

NATURAL (bioatenuación) IN SITU EX SITU

BIOESTIMULACIÓN BIOAUMENTO

FITOREMEDIACIÓN

Se requiere crear condiciones adecuadas para el crecimiento de organismos
descontaminantes (bioestimulación y fitoremediación) o la introducción de
organismos adaptados a la degradación (bioaumento)

• No se mueve el sitio contaminado y se ahorra costes
• Requiere más tiempo de actuación
• Requiere una caracterización previa que permita la eficacia del método
• No hay uniformidad de actuación por la variabilidad de los sitios contaminados


Bioestimulación:
Estimulación de la microbiota autóctona proporcionando nutrientes o
condiciones adecuadas (pH, agua, temperatura, oxigeno..).
Nutrientes:
Son requeridos para el crecimiento celular:
Suelen ser los factores limitantes de la actividad microbiana.

Donadores/ Aceptores de electrones:
Agua:
Sirve como medio de transporte de los
nutrientes.
Temperatura:

Afecta la actividad microbiana. También
afecta a la pérdida de contaminantes por
volatización

Sistema de biorremediación de diseño subterráneo. Los
nutrientes y el oxígeno se añaden al suelo para promover la
degradación


Bioaumento:
Uso de cultivos microbianos seleccionados o modificados
genéticamente con capacidad demostrada in vitro para la
degradación de grupos específicos de contaminantes y para
sobrevivir bajo condiciones medioambientales adversas.

También se utilizan microorganismos autóctonos aislados de los
sitios contaminados, cultivados por separado y adicionados al sitio
contaminado.

Cometabolismo utiliza microorganismos que al crecer sobre un
compuesto produce enzimas que transforman químicamente otros
compuestos sobre los que no pueden crecer.


FITOREMEDIACIÓN
Utilización de plantas para descontaminar suelos: para
eliminar, transferir, estabilizar y destruir contaminantes
LAS PLANTAS DE FORMA NATURAL:
•Extraen y utilizan gran cantidad
de agua

•Extraen nutrientes del suelo

•Obtienen su energía de la luz

•Estabilizan el suelo y sedimentos
frente a la erosión

•Restauran la estructura y la
materia orgánica del suelo


Procesos de fitoremediación
• Fitovolatilización: Eliminación de contaminantes del suelo a la atmósfera a través de la
planta
• Fitoestabilización: Producción de sustancias químicas por la planta que inmovilizan a los
contaminantes y previenen la migración a aguas subterraneas
• Fitoextracción: Consumo del contaminante (generalmente metales) por la planta y
cosecha e eliminanción de la planta contaminada.
• Fitodegradación: Metabolismo de los contaminantes por los tejidos de la planta. La planta
produce enzimas (dehalogenasa y oxigenasa) que catalizan la degradación
• Rizodegradación: Metabolismo microbiano de contaminantes por la rizosfera.

Las enzimas de la raíz de la planta
degradan los contaminantes
orgánicos


FITOREMEDIACIÓN


FITOREMEDIACIÓN
Ventajas:
• Coste reducido
• Método amigable con el
medio ambiente.
Inconvenientes:
• Periodo prolongado de tiempo
para obtener resultados
• Produce residuos que hay que
eliminar

Physocarpus Aster Cirsium
opulifolius novae-angliae 27
discolor



BIOREMEDIACIÓN

NATURAL EX SITU IN SITU

LANDFARMING COMPOSTAJE BIOREACTORES


LAND FARMING
Técnica de bioremediación ex situ a gran escala que requiere la excavación
del suelo contaminado se retira y se lleva a otro terreno limitado y
preparado. Se controlan las condiciones del suelo para optimizar la
degradación:
• Contenido en humedad: regado y drenajes
• Aireación: arado frecuente de la tierra
• pH (adición de caliza)
• Adición de nutrientes: nitrógeno, fósforo, potasio (fertilizantes)

El suelo bioremediado puede ser utilizado en
agricultura, en reforestación y otros usos


LAND FARMING
Ventajas:
Contaminantes remediados:
• No produce residuos
• Hidrocarburos del petróleo
• Poco costoso
• Pesticidas
• Poco impacto ambiental
• Conservantes de maderas

Inconvenientes:
• Se requiere mucho espacio
• Se ve influenciado por las condiciones medioambientales
• Deben tratarse previamente los contaminantes volátiles
• Requiere evaluación previa del suelo
• Puede provocar eliminación de contaminantes al aire


COMPOSTAJE
Es un tratamiento aeróbico y termófilo en el que el material contaminado
se mezcla con materriales orgániccos para proporcionar la porosidad y el
balance C/N que promueve la actividad microbiana termófila.
Tipos:
•Apilamiento en pilas de volteo
•Pilas estáticas de aireación forzada

Este sistema también incluye un sistema de recolección de lixiviados y otro de
tratamiento de aguas residuales


COMPOSTAJE
ETAPAS:
1. Etapa mesófila (Tª ambiente hasta los 40ºC disminuye el pH ligeramente
2. Etapa termófila: hasta 70ºC mueren los microorganismos mesófilos y
aparecen los termófilos (Degradación de solubles)
3. Etapa de enfriamiento: degradación de polímeros. Mueren los termófilos
y de nuevo aparecen los mesófilos
4. Etapa de maduración


COMPOSTAJE
Ventajas:
1. Aplicable a la mayoría de compuestos orgánicos
2. La etapa termófila elimina a los patógenos por lo
que se pasteuriza el residuo (compost)
3. Se genera un residuo de valor como fertilizante
por lo que posee mayor rentabilidad económica
que otros procesos.

Contaminantes remediados:
• Suelos contaminados con PAHs
• Suelos con explosivos (TNT..)


biopesticida

• nanotecnología
– e.g., Uso de estructuras 3-D de caparazones de diatomeas (de
silice)
– e.g., Uso de magnetosomas de bacterias magnetotácticas en
resonancias Magnetica nuclear para la detección de cánceres


biopesticida

Biosensores
• Organismos vivos, enzimas u orgánulos unidos a electrodos para la
detección de sustancias específicas
– La detección se hace por conversión de los productos de la
reacción biológica en corriente electrica
• Amplio número de aplicaciones


biopesticida
Biopesticidas
• Agenties biológicos como bacterias, hongos o virus o sus componentes
que pueden utilizarse para matar insectos susceptibles

• Bacillus thuringiensis
– Cuerpo parasporal
• Producido durante la esporulación como un cristal intracelular de
proteina toxica
• Actua como insecticida biológico
– Insecticida (Bt)
• A diferencia de otros insecticida quimicos es biodegradable y no se
acumula en el ambiente


Toxina Bt

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