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Biorem metal1

El documento describe cómo los microorganismos pueden realizar dos transformaciones de los metales: la movilización, pasando de un estado insoluble a soluble, o la inmovilización, pasando de soluble a insoluble. También explica mecanismos como la biolixiviación, biosorción, bioacumulación e inmovilización de metales pesados mediante microorganismos resistentes.

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Drenaje Acido de Mina •  El  Thiobacillus ferrooxidans  oxida sulfitos y azufre a SO 4   ²-   produciendo ácido sullfúrico (pH ~2) FeS 2  + 3.5 O 2  + H 2 O ---> Fe ² + +  2 SO 4   ²-  + 2 H+ (biológico) 2Fe ² + + 0.5 O 2  + 2 H+ ---> 2Fe ³ + + H 2 O (biológico) FeS 2  + 14 Fe ³ + + 8 H 2 O ---> 15 Fe ² + + 2 SO 4 ² - + 16 H+ (abiotic) •  el DAM tiene una alta concentración de  metales y la naturaleza ácida del ambiente disuelve  los minerales  •  Una vez que el flujo del ácido alcanza el pH neutro  al curso de agua, el pH aumenta y el Fe(III) precipita. •  La misma bacteria también se usa en biolixiviación:  removiendo  metales de minerales de baja ley,  bajando el pH y disolviendo la mayoría de minerales. •  $2 a $3 billiones de oro se extraen por biolixiviación  al año.  El Cobre se estima en $8
Tratamiento del drenaje ácido de minas •  Humedales, Compost (anaeróbico) : gran laguna con una capa de  sustrato orgánico. •  La capa de “compost” se hace con yuyo, aserrín, residuos de madera o arboles  mezclados con arcilla o barro. •  Un humedal de compost típico tiene 12 a 24 pulgadas de sustrato orgánico y  plantadas con rastrojos o vegetación emergente. •  Humedal reducido donde el sustrato orgánico promueve los procesos químicos y  microbianos que generan alcalinidad e incrementa el pH. •  Anóxico de manera que el sulfato es reducido a sulfito metálico precipitado y el pH  se incrementa •  Puede sostener agua a un pH muy bajo. •  Excelente, alternativa de bajo costo para tratar el DAM
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Biorem metal1

  • 1.
  • 2.
  • 3.  
  • 4. Drenaje Acido de Mina • El Thiobacillus ferrooxidans oxida sulfitos y azufre a SO 4 ²- produciendo ácido sullfúrico (pH ~2) FeS 2 + 3.5 O 2 + H 2 O ---> Fe ² + + 2 SO 4 ²- + 2 H+ (biológico) 2Fe ² + + 0.5 O 2 + 2 H+ ---> 2Fe ³ + + H 2 O (biológico) FeS 2 + 14 Fe ³ + + 8 H 2 O ---> 15 Fe ² + + 2 SO 4 ² - + 16 H+ (abiotic) • el DAM tiene una alta concentración de metales y la naturaleza ácida del ambiente disuelve los minerales • Una vez que el flujo del ácido alcanza el pH neutro al curso de agua, el pH aumenta y el Fe(III) precipita. • La misma bacteria también se usa en biolixiviación: removiendo metales de minerales de baja ley, bajando el pH y disolviendo la mayoría de minerales. • $2 a $3 billiones de oro se extraen por biolixiviación al año. El Cobre se estima en $8
  • 5. Tratamiento del drenaje ácido de minas • Humedales, Compost (anaeróbico) : gran laguna con una capa de sustrato orgánico. • La capa de “compost” se hace con yuyo, aserrín, residuos de madera o arboles mezclados con arcilla o barro. • Un humedal de compost típico tiene 12 a 24 pulgadas de sustrato orgánico y plantadas con rastrojos o vegetación emergente. • Humedal reducido donde el sustrato orgánico promueve los procesos químicos y microbianos que generan alcalinidad e incrementa el pH. • Anóxico de manera que el sulfato es reducido a sulfito metálico precipitado y el pH se incrementa • Puede sostener agua a un pH muy bajo. • Excelente, alternativa de bajo costo para tratar el DAM
  • 6.
  • 7. Los sideróforos son péptidos con capacidad complejante que liberados al medio captan el Fe, que es utilizado como oligoelemento dentro del metabolismo celular. La biosíntesis de sideróforos, si bien se induce en ausencia de Fe en el medio, también ocurre en presencia de otros metales, con el fin de desintoxicar el entorno celular .
  • 8. Ralstonia sp. CH34 ( Ralstonia metallidurans ) • Bacteria Gram negativa aislada en tanque de sedimentación de fábrica de zinc • Resistente a Zn 2 + (20 mM), Co 2 + (20 mM), Cd 2 + (5 mM) • Resistente a Hg 2 + • 7 determinantes que codifican para la resistencia a metales pesados tóxicos • 2 megaplásmidos indígenas pMOL30 (238 kb) y pMOL28 (180 kb) Bioremediación – Usa los pasos de reducción para inmovilizar los metales por precipitación de carbonatos – Usa Ralstonia in sitios con altas concentraciones de metales (sitios mineros) para degradar compuestos orgánicos – Cepas de Ralstonia modificadas genéticamente capaces de degradar compuestos orgánicos y reducir metales y radionúclidos para ser usados en tanques de desechos mezclados DOE
  • 9.
  • 10.  
  • 11.
  • 12. Localización potencial de centros de quelación de iones metálicos en proteínas de superficie de bacterias Gram-negativas : 1. En proteínas intracelulares. 2. En prot. periplásmicas. 3. Como proteínas de membrana externa (PME). 4. En sitios permisivos de PME orientados al exterior. 5. En dominios anclados en PME.
  • 13.
  • 14.  
  • 15.
  • 16.  
  • 17. HONGOS • Disponible y barato, procedente de la industria de fermentación • La desventaja es que las impurezas adheridas a la biomasa durante la fermentación puede afectar la sorción del metal • La pared celular es el sitio principal de deposición del metal • Polisacáridos constituyen hasta el 90% de la pared celular del hongo • A veces polisacáridos estan fosfatados. Mucor tiene 20% de contenido de fosfato en la pared celular en peso seco
  • 18. Biosorción de Cu 2 +, Pb 2 +, Cd 2 + con el alga marina Ecklonia maxima • Alta capacidad de sorción 85, 227, 84 mg/g para Cu 2 +, Pb 2 +, Cd 2 + • Sorción rápida: equilibrium alcanzado dentro de 60 min • Regeneración (recuperación de metales) con 2M NaCl. Lleva a 35x de concentración de metal desde 100 mg/L a 3,500 mg/L • El tamaño de partícula es importante: • Partículas mas pequeñas (75 µm) sorben mas rápido, pero tiene menos capacidad y menor regeneración • Las partículas mas grandes (1.2 mm) sorben mas despacio, tiene mas capacidad y se regeneran mejor
  • 19. Condiciones de pH • Biosorción funciona en un rango amplio de pH desde el drenaje ácido de mina hasta aguas residuales alcalinas tratadas por precipitación • No obstante la efectividad de la biosorción a un pH dado depende de la naturaleza del sorbente • Generalmente hay mejor sorción de cationes mientras el pH aumenta debido a que los grupos funcionales son desprotonados a pH mas alto • Generalmente hay mejor sorción de aniones mientras el pH disminuye debido a que los grupos funcionales son protonados a pH mas bajo • A pH muy alto, precipitación de hidróxidos. Si hay precipitación, puede obturar a la columna de cama fija. • Algunos cationes que ocurren como complejos cargados negativamente (AgCl 2 -) pueden mostrar un descenso de la toma con el pH aumentando.
  • 20.
  • 21. Requisitos de las partículas biosorbentes • Alta capacidad de sorción- conteniendo lo menos posible de material inerte • Cinética favorable - hidrofílico, alta porosidad, o estructura de gel y tamaño de partícula de 0.5-1.5 mm • Dinámica de flujo del reactor suave de manera que no use partículas muy pequeñas o muy absorbentes • Debe ser posible la regeneración de las partículas • Elución del metal posible con poco agente desorbente sin dañar el biosorbente • A veces pretratamiento con ácido o base u solventes orgánicos o detergentes
  • 22. INMOVILIZACION DE MATERIAL BIOLOGICO Técnica de inmovilización Biomasa Metal Alginato de calcio Chlorella vulgaris Au, Cu, Fe, Zn Gel de poliacrilamida Citrobacter Rhizopus U, Cd, Pb, Cu, Co Sílica AlgaSORB Ca, Ni, U, Pb, Hg, Cd, As, Zn, Ag Poliuretano Pseudomonas aeruginosa U polisulfona Citrobacter sp. Pb, Cd, Zn
  • 23. Biosorbentes Comerciales • AlgaSORB usa el alga de agua dulce Chlorella vulgaris para tratar soluciones diluidas (1-100mg/L), abajo de 1 mg/L o menos • AMT-BIOCLAIM usa biomasa de Bacillus para manufacturar material granulado para tratamiento de aguas residuales y recuperación de metales. >99% de soluciones metálicas diluidas no selectivas pueden ser regeneradas muchas veces • BioFix- biomasa de espirulina, levaduras, algas, plantas ricas en xantano y goma guar para darle consistencia al producto- remoción selectiva de metales en un amplio rango de pH- cinética de sorción y desorción rápidas
  • 24. Biosorción Bacteriana Gram positiva • PG (20-30 nm de grosor) tiene ácidos teicoico y teicurónico (40-90% de la pared celular • PG tiene grupos funcionales carboxílicos + en las cadenas de aminoácidos • Acido Teicoico : grupos funcionales fosfodiésteres • Acido teicurónico TUA: grupos funcionales carboxílicos
  • 25.  
  • 26.  
  • 27.  
  • 28.  
  • 29.
  • 30.
  • 31.
  • 32.  
  • 33.
  • 34.
  • 35. Ej. el agregado de Fe en un efluente a tratar, en presencia de bacterias reductoras del sulfato . Estas bacterias producen sulfuros que precipitan en forma de FeS, sobre la superficie celular. Los otros metales contaminantes utilizan el FeS formado como soporte y cristalizan sobre sus cristales. Luego, aprovechando las propiedades magnéticas del Fe, pueden separarse fácilmente de la fase soluble, descontaminando así el material
  • 36. MECANISMOS DE TOXICIDAD DE LOS METALES PESADOS PARA LAS BACTERIAS • Algunos metales pesados (Zn 2 +, Cu 2 +, Ni 2 +, Co 2 +) juegan un rol importante como elementos traza (zinc superóxido dismutasa, citocromo c oxidasa, acetil-SCoA sintetasa, B 12 ) • En altas concentraciones, inclusive los metales traza son tóxicos • Toxicidad No-específica por unión a grupos -SH • Remplaza iones importantes fisiológicos Asociación con grupos sulfidrilos Cu 2 + + HS- ==> CuS(s) Sólidos logK HgS(s) 52.7 AgS2(s) 50.1 CuS(s) 36.1 PbS(s) 27.5 CdS(s) 27.0 Remplazo de iones significantes fisiológicamente • Cd 2 + with Ca 2 + • Ni 2 + with Fe 2 + • Cromato con sulfato • Arsenato con fosfato
  • 37.
  • 38. TRANSPORTE Y RESISTENCIA AL ARSENATO EN Escherichia coli . El Arsenato y fosfato entran al periplasma con la proteína Porin (PhoE). Luego al citoplasma por la proteina Pit o el sistema Pst (proteína unida al fosfato PstS. El complejo PstABC ATPasa para el ingreso por la membrana interna). Dentro de la célula, el arsenato es reducido a arsenito por la proteína ArsC (dependiente de glutaredoxina y glutation) y el arsenito es bombeado fuera de la célula por el ArsAB efflux ATPasa.
  • 39. TRANSPORTE y RESISTENCIA AL ARSENATO EN STAPHYLOCOCCUS . Arsenato y fosfato se presume que se transportan al citoplasma por 2 transportadores de membrana. Dentro de la célula, el arsenato es reducido a arsenito por la proteína ArsC, acoplada a la tioredoxina y el arsenito es bombeado fuera de la célula por la proteína ArsB sola.
  • 40. TRANSPORTE Y RESISTENCIA AL CADMIO Y CINC EN S. aureus El Cadmio es transportado al citoplasma por el transportador de manganeso y el cinc probablemente por el transportador de magnesio. A concentraciones altas, ambos cationes son bombeados fuera por el único polipéptido tipo CadA P- ATPasa.
  • 41. TRANSPORTE Y RESISTENCIA AL CROMATO EN A. eutrophus . El Cromato es transportado al citoplasma por los transportadores de sulfato. A concentraciones altas, el cromato es bombeado fuera por la proteína ChrA (asociada posiblemente con la ChrB ).
  • 42. APLICACIONES EN SISTEMAS DE RESISTENCIA A LOS METALES • Biosensores – Medición de la concentración de ión libre – Evaluación de la toxicidad del metal para un sistema biológico – Util para una evaluación rápida de la salud del ambiente natural