El documento describe los métodos para medir el crecimiento microbiano y los parámetros cinéticos durante un proceso de biorremediación. Explica cómo calcular la tasa de crecimiento de las cepas mediante recuentos de UFC a diferentes tiempos y cómo esto puede usarse para optimizar la biorremediación. También presenta ejemplos de cálculos de tasas de crecimiento para diferentes cepas y un conteo rutinario de control durante un proceso.
2. Objetivos
Conocer las metodologías de determinación del número de
microorganismos presentes en una muestra ambiental, medio
de cultivo o celda experimental.
Identificar los parámetros cinéticos que se deben estimar en
un trabajo de biorremediación.
Comprender los parámetros que inciden sobre la cinética de
crecimiento y por ende de la biorremediación.
Emplear los parámetros cinéticos, en un caso real práctico.
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3. CINÉTICA
MICROBIANA
CRECIMIENTO MICROBIANO
“El crecimiento de células, microorganismos, células
vegetales y animales, puede mirarse bajo dos aspectos o
tipos de crecimiento reproductivo.
a) Células individuales o población de células en
crecimiento sincronizado para estudio del ciclo de vida
celular. Procesos en laboratorio.
b) División estocástica de la población, o división al azar.
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4. Crecimiento Microbiano
MEDICIÓN DEL CRECIMIENTO MICROBIANO .
El cálculo del número de células que existen en una
suspensión se puede llevar a cabo mediante :
1. el recuento celular (microscopía),
2. número de colonias),
3. masa celular (peso seco, medida del nitrógeno celular,
turbidimetría) o
4. actividad celular (grado de actividad bioquímica con
relación al tamaño de la población).
Todos estos métodos se clasifican en dos apartados:
métodos directos y métodos indirectos.
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5. Métodos de conteo
Métodos directos:
Recuento del número de células en una
cámara Thoma
Peso seco celular
Determinación de nitrógeno o de proteínas
totales
Determinación de DNA
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6. Métodos de conteo
Métodos indirectos:
1. Recuento de colonias en placa
2. Recuento sobre filtro de membrana
3. Consumo de oxígeno
4. Liberación de dióxido de carbono
5. Concentración de un enzima constitutivo
6. Decoloración de un colorante
7. Incorporación de precursores radiactivos
8. Medida de la turbidez
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7. Métodos de conteo
El peso seco (contenido de sólidos) de las células
bacterianas que se encuentran en una suspensión se
obtiene por el secado de un volumen en un horno a 105°C
hasta peso constante. Esta técnica es útil para grandes
volúmenes de muestra.
La desventaja de este método es que componentes volátiles
de la célula pueden perderse por el secado y puede existir
alguna degradación.
También la muestra seca puede recobrar humedad durante
el pesado, principalmente si el ambiente tiene una humedad
relativa alta.
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8. Métodos de conteo
PESO ESPECÍFICO ANHIDRO:
ρ0 = Peso anhidro
Volumen Anhidro
PESO ESPECÍFICO A H% DE HUMEDAD
ρk = Peso al H% de humedad
Volumen al H% de humedad
Cuando la humedad es del 12 %,se llama peso específico
normal
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9. Métodos de conteo
ABSORCIÓN:
La nefelometría mide la luz dispersada por una solución
de partículas.
La turbidimetría mide la luz dispersada como un
decrecimiento de la luz transmitida a través de la
solución.
Los métodos de dispersión de la luz son las técnicas más
utilizadas para monitorear el crecimiento de los cultivos
bacterianos.
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10. Métodos de conteo
Turbidimetría: La turbidimetría mide la reducción de la
transmisión de luz debido a partículas de una suspensión y
cuantifica la luz residual transmitida.
Absorbancia en función del Peso Seco
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11. Métodos de conteo
Absorbancia = K x Peso Seco
K: constante que varía con la longitud de onda
utilizada y representa la inversa del peso seco del
microorganismo que produce un aumento de 10
veces en el valor de la absorbancia(1/W0).
Peso seco: Concentración celular bacteriana
expresada en unidades de peso seco (µg/ml-mg/ml).
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12. Métodos de conteo
RECUENTO MICROSCÓPICO:
Para estos recuentos se utilizan generalmente
cámaras de recuentos, aunque también pueden
realizarse a partir de muestras filtradas en
membranas y transparentes o teñidas con
colorantes fluorescentes (Naranja de acridina).
Las cámaras más utilizadas son las de Hawksley y
la de Petroff-Hausser. La primera tiene la ventaja
que puede ser utilizada con objetivos de inmersión,
aunque la mayoría de los recuentos se realizan
con objetivos secos.
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14. Métodos de conteo
Recuento de microorganismos.
Tipo de cuadro
Area
[cm2]
Volumen
[ml]
Factor
[1/Volumen]
Cuadrado total 1.00 x 10-2 2.00 x 10-5 5.00 x 104
Cuadrado grande 4.00 x 10-4 8.00 x 10-7 1.25 x 106
Cuadrado pequeño 2.50 x 10-5 5.00 x 10-8 2.00 x 107
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16. Fases de la curva de
crecimiento
La fase Lag, en la que el microorganismo se
adapta a las nuevas condiciones y pone en marcha
su maquinaria metabólica para poder crecer
activamente. La duración de esta fase es variable y
en general es mayor cuanto más grande sea el
cambio en las condiciones en las que se encuentra
el microorganismo.
La fase de crecimiento exponencial. El número
de bacterias crece en forma exponencial en un
tiempo relativamente corto
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17. Fases de la curva de
crecimiento
La fase estacionaria, en la que no hay
aumento neto de microorganismos, lo que no
significa que no se dividan algunos, sino que la
aparición de nuevos individuos se compensa
por la muerte de otros.
La fase de muerte, en la que el número de
microorganismos vivos disminuye de forma
exponencial con una constante k que depende
de diferentes circunstancias.
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18. Factores que inciden sobre
el crecimiento microbiano
EFECTO DE LA CONCENTRACIÓN DE SUSTRATO .
la generación del producto se mantiene constante mientras la
concentración del sustrato no sea limitante. Esto se definiría
como
[ES] = [Et] [S]
[S] + (k2 + k -1) / k1
La velocidad inicial de la reacción está determinada por
v = k2 [ES]
Si definimos KM como (k2 + k -1) / k1 y Vmax como k2 [Et],
obtenemos que
v = Vmax [S] / KM + [S]
Esta es la ecuación de Michaelis-Menten.
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19. Factores que inciden
sobre el crecimiento
microbiano
Estos últimos dos parámetros son importantes, porque nos
dan información directa sobre cuán bien el microorganismo
se une al sustrato (KM) y sobre cuán bien el
microorganismo convierte el sustrato en producto una vez
se une (Vmax). De hecho, KM es la constante de
disociación dinámica del microorganismo con el sustrato, y
Vmax es la concentración molar del microorganismo por la
constante catalítica (Kcat).
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20. CINÉTICA MICROBIANA
RELACIONES MATEMÁTICAS:
En un cultivo estático con crecimiento exponencial el tiempo de
generación celular es equivalente al tiempo de generación del
cultivo y viene dado por 1/k. En un quimiostato, el tiempo de
generación en cultivo es la inversa del ritmo de crecimiento
instantáneo de un cultivo, el cual se expresa por la siguiente
ecuación diferencial:
dx = μx ó μ= 1 dx
dt x dt
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21. Factores que inciden
sobre el crecimiento
microbiano
Donde x es el número de células o la concentración del
organismo (miligramos de peso seco por mililitro) a un
tiempo t, y μ es el ritmo o velocidad de crecimiento
instantáneo. Con la integración de la ecuación anterior entre
los límites xo y xt, se obtienen la siguiente ecuación:
ln xt -ln xo = μt
o, como se expresa generalmente la solución,
Xf = xo e μt
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22. Factores que inciden sobre
el crecimiento microbiano
Puesto que xf es también igual a 2kt xo, la relación entre k
y μ puede derivarse combinando las dos ecuaciones:
Xo e μt = 2kt xo
Suprimiendo los factores comunes, tomando logaritmo
natural y despejando μ, se obtiene:
μ = k(ln 2) = 0.693 k
Así, se puede calcular μ, el ritmo de crecimiento
instantáneo para un quimiostato, multiplicando k por 0.693
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24. Ecuación del
proceso
La ecuación de un proceso aeróbico, muestra
como el conocimiento de la fórmula del
contaminante, es fundamental, para determinar
la cantidad de O2. A partir de la ecuación es
factible hacer el cálculo (extrapolación), del
volumen de oxígeno necesario por m3 de
residuos.
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CnHaObNc + (2n + 0,5 a - 1,5c –b)/2 O2→nCO2 + cNH3 + a-3c/2 H2O
25. Parámetros que se deben medir en
biorremediación
Con fines investigativos los parámetros son muchos, para fines
prácticos y legales, los parámetros son los siguientes:
Tasa de crecimiento microbiano
Tasa de biodegradación
Tiempo de vida media
Eficiencia
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26. Tasa de crecimiento
microbiano
La tasa de crecimiento microbiana, es un parámetro
específico de cada cepa, que se determina realizando el
conteo de UFCs a las 4 y 24 horas de la siembra en medio
sólido, mediante la fórmula:
Otra forma de expresar o representar la cinética es
considerando el incremento en el número de células (dN) en
un intervalo corto de tiempo (dt). En este caso, la ecuación
que describe la cinética es la siguiente:
dN/dt = μN donde μ se denomina tasa de crecimiento.
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28. Ejemplo de cálculo de tasa de
crecimiento microbiano
En el ejemplo se han empleado nueve cepas en el
tratamiento, se puede calcular la tasa de crecimiento
individual de cada cepa o la tasa de crecimiento del
consorcio.
Es necesario considerar que la tasa de crecimiento del
consorcio puede ser considerablemente inferior, superior o
presentar variación insignificante, debido a efectos de
concurrencia, inhibición, activación, o adición de las cepas
participantes; por esto, en la preparación de consorcios, se
sebe evaluar la ausencia de efectos inhibidores que reduzcan
la tasa de crecimiento de los microorganismos empleados.
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30. Conteo rutinario de control
durante un proceso de
biorremediación
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CEPA
Ufc x106
I II III IV V
Cepa 1
32 0,08 0,51 0,09 0,78
Cepa 2
21 1,10 1,80 2,60 3,70
Cepa3
25 0,70 0,40 0,80 0,95
Cepa 4
15 0,05 0,90 0,70 1,00
Cepa 5
9 0,03 0,20 0,50 0,84
Cepa 6
41 0,80 0,92 1,40 1,70
Cepa 7
63 0,70 0,92 1,10 1,20
Cepa 8
6 0,02 0,04 0,05 0,08
Cepa 9
12 0,03 0,80 0,67 0,97
Tiempo
24h 30 días 60 días 90 días 120 días
31. Tasa de degradación
Este es otro de los parámetros de relevancia, que se debe
calcular en un trabajo de biorremediación, en especial en los
trabajos de campo, donde no es factible el control de los
parámetros ambientales y este parámetro se constituye el
principal medio de comprobación de la eficiencia de un trabajo
efectuado.
Al igual que la tasa de crecimiento, es un parámetro
específico de cada cepa, y refleja la velocidad con la que el
microorganismos metaboliza (degrada) el contaminante, esto
es , la cantidad de contaminante que se elimina en la unidad
de tiempo.
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32. Tasa de degradación
La curva de degradación es inversamente proporcional a la
curva de crecimiento microbiana, construida a parir del conteo
rutinario de UFCs, de los sistemas de tratamiento.
Para el efecto los datos de UFCs en forma logarítmica, deben
ser los tomados en la misma fecha en la que se tomaron las
muestras, para determinar el avance de la degradación de
contaminantes.
Esta relación tiene relevancia jurídico legal, la no
correspondencia de estas dos curvas; acarrearía problemas
de credibilidad sobre la eficiencia de los trabajos de
biorremediación realizados.
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33. Tasa de degradación
Relación de las
curvas de
crecimiento
microbiano y la
curva de
degradación de
los contaminantes
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34. Tasa de degradación
La tasa de degradación se calcula por la fórmula modificada
de Monod, considerando el proceso como una reacción de
primer orden.
Donde lnCo en la concentración inicial y C la concentración
medida en el tiempo x.
Para incluir al tiempo, se debe realizar el cálculo de la
pendiente, mediante la fórmula: Pendiente = Y2-Y1 / X2 – X1
Donde Y2=ln2 y Y1=ln1; X2 y X1 son el tiempo final e inicial
respectivamente
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35. Ejemplo de cálculo de la
Tasa de Biodegradación
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Cepa
Muestra TPHs ppm Muestra HAPs ppm
I II III IV V I II III IV V
X1 5000 4629 3731 2978 2120 850 837 819 798 720
X2 5000 4896 4662 4132 3700 850 652 387 105 78
X3 5000 4021 3657 2133 1867 850 812 779 721 720
X4 5000 4729 4119 3027 2630 850 845 832 812 801
X5 5000 4502 4194 3645 3112 850 827 814 802 798
X6 5000 4679 4510 4467 4230 850 721 413 156 94
X7 5000 4003 3729 2765 2079 850 691 396 138 97
X8 5000 4867 4622 4139 4002 850 800 784 726 710
X9 5000 4902 4762 4473 4137 850 770 625 251 112
Tiempo/días
0 30 60 90 120 0 30 60 90 120
41. Variación de lnCo/C
de HAPs
41
0
0.5
1
1.5
2
2.5
1 2 3 4 5
lnCo/C
Tiempo de medición
Variación de lnCo/C HAPs
U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7 U8 U9
42. Grafico construido a partir
datos experimentales
42
0
20
40
60
80
100
120
1 2 3 4 5 6
CONCENTRACIÓNENppm
ln UFC
DEPENDENCIA DE TPHS DE UFC
TPHs
Ufc
43. Tiempo de vida media
Este parámetro también es de vital importancia para:
1. Estimar el tiempo necesario para la biorremediación.
2. Estimar los costos operativos
3. Considerar la influencia de las condiciones ambientales en
el proceso a través del tiempo.
4. Desde el punto de vista de la pericia, saber si un trabajo se
ha ejecutado en el tiempo que se dice haber realizado.
Se determina mediante la fórmula:
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46. Tiempos de vida media
de los residuos
46
Cepa TIEMPO (días)
TPHs
TIEMPO (días)
HAPs
X1 106,6 575,0
X2 300,0 40,58
X3 107,8 690,0
X4 140,8 1533,3
X5 222,5 1916,6
X6 821,4 40,8
X7 127,7 43,2
X8 431,2 750,0
X9 530,7 43,1
47. Tiempos de vida media de los
residuos
Para nuestro ejemplo, en el caso de TPHs con la primera
cepa, para degradar 5000 ppm hasta el límite permisible para
suelo uso agrícola de la legislación ambiental ecuatoriana de
2000ppm, se requieren en total 192 días.
Para HAPs con la tercera cepa se requieren 2760 días para
tener menos 100ppm.
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49. Eficiencia
Con la determinación de la eficiencia, se puede escoger la
cepa más idónea para realizar un trabajo de biorremediación.
Es necesario considerar que la eficiencia de una cepa en
relación a un contaminante puede ser alta y frente a otra baja
o moderada, muy rara vez se encuentra cepas eficientes para
una amplia gama de residuos.
Adicionalmente, la eficiencia depende de la congruencia de
muchos factores, en especial de los microambientales del
sistema de tratamiento, principalmente del pH y la
temperatura.
La eficiencia se calcula por:
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𝒀 = 𝑪𝒇 𝒙 100
𝑪𝒐
51. Conclusiones
Conocimos las metodologías de determinación del número
de microorganismos presentes en una muestra ambiental,
medio de cultivo o celda experimental
Identificamos los parámetros cinéticos que deben
determinarse obligatoriamente en un trabajo de
biorremediación y su relevancia legal.
Comprender los parámetros que inciden sobre la cinética de
crecimiento y por ende de la biorremediación.
Conocimos un ejemplo práctico de aplicación de estos
parámetros.
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52. Cuestionario
1. ¿Qué relación existe entre la curva de crecimiento microbiano
y la tasa de degradación de un contaminante?
2.-¿Qué utilidad práctica tiene la determinación del tiempo de
vida media de un residuo y cuál es su importancia legal?
3.- De las técnicas y métodos de conteo de UFCs, ¿cuál es para
usted el más importante y por qué?
4.- En la curva de crecimiento microbiano ¿qué significado tiene
la face Lag?
5.- ¿Como se determina la tasa de crecimiento microbiano?
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53. Bibliografía
Ronald L Crawford and Don L Crawford (1996).
Bioremediation: Principles and Applications. Cambridge
University Press.
Shree Nath Singh Editor. (2012). Microbial Degradation of
Xenobiotics. Springer-Verlag Berlin Heidelberg.
Rosa Margesin Franz Schinner(Eds.) (2005). Manual for Soil
Analysis – Monitoring and Assessing oil Bioremediation.
Springer-Verlag Berlin Heidelberg.
Rainer Stegmann. Gerd Brunner. Wolfgang Calmano.
Gerhard Matz (Eds.) (2001). Treatment of Contaminated Soil
Fundamentals, Analysis, Applications. Springer-Verlag Berlin
Heidelberg
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