BIOTRANSFORMACIÓN DE RESIDUOS ORGÁNICOS

Facultad de Agronomía – Curso de Microbiología

Problemática mundial

Residuos de la agricultura, agroindustrias (lecherías, queserías), actividad forestal, industrias, animales o el hombre llevan a la acumulación de desechos orgánicos e inorgánicos en los suelos y cauces de agua, acumulación de productos químicos sintéticos y la producción de sustancias tóxicas.

Objetivo en el tratamiento de residuos

� Disminuir la carga contaminante (Ej: tratamiento de estiércol en la industria lechera)

� Aprovechar los restos como fuente de energía (producción de etanol, H2, metano)

� Obtener moléculas de interés (producción de proteínas celulares)

� Producir alimentos (cultivo de hongos comestibles, proteínas microbianas, lombrices)

Tecnologías de biotransformación

� Biodegradación aerobia� COMPOSTAJE� VERMICOMPOSTAJE

� Biodegradación anaerobia� BIODIGESTOR

� BIORREMEDIACIÓN

COMPOSTAJE

Definición:

Proceso biológico controlado de descomposición de la materia orgánica contenida en restos de origen animal o vegetal, en condiciones aeróbicas, cuyo resultado final es un producto que ha sido estabilizado y sanitizado, de alto contenido en sustancias húmicas y que se puede aplicar al suelo para mejorar sus características, sin causar riesgos al medio ambiente (DINAMA)

Es un proceso de degradación aeróbica que combina fases mesófilas (15 a 45ºC) y termófilas (45 a 70 ºC) para conseguir la reducción de los residuos orgánicos y su transformación en un producto estable y valorizable

TRATAMIENTO AEROBIO

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2+ 6H2O ∆G°’ = -2870 KJ/mol

Etapas biológicas del proceso

Tiempo

Tem

pera

tura

Mes

ófi la

Term

ófila

Enfr

iam

ient

o

Mad

urac

ión

PASTEURIZACIÓN

Evolución teórica de los diferentes componentes en un compost

Microorganismos del compost

Bacterias, Actinomycetes y Hongos

Microorganismos asociados a las pilas de compost

Bacteria Hongos

Mesófilos

Pseudomonas spp. Alternaria spp.

Achromobacter spp. Cladosporium spp.

Bacillus spp. Aspergillus spp.

Flavobacterium spp. Mucor spp.

Clostridium spp. Humicola spp.

Streptomycetes spp. Penicillium spp.

Termófilos

Bacillus spp. Aspergillus fumigatus

Steptomyces spp. Mucor pusillus

Termoactinomycetes spp. Chaetomium thermophile

Thermus spp. Humicola lanuginosa

Thermomonospera spp. Absidia ramosa

Micropolyspora spp. Sporotrichum thermophile

clostridium thermocellum Torula thermophile

Thermoascus aurantiacus

Factores fisicoquímicos que afectan al compostaje

� Disponibilidad de nutrientes� Aireación: la concentración del oxígeno no debe ser inferior al

5-10% del volumen de los macroporos � Temperatura: no superar los 70°C� Humedad

� >60% ausencia de aire, putrefacción� 40-60% óptima� <40% reducción de actividad microbiana� <12% cesa la actividad microbiana, induce

anaerobiosis y pérdida de nutrientres

� pH: el óptimo se sitúa entre 6 y 7.5� Granulometría� Relación C:N

� >30/1 proceso lento� 25-30/1 óptimo� <25/1 pérdidas de N

Residuos a compostar

Son fuentes de carbono la paja, hojas secas, astillas y aserrín, y algunos tipos de papel y cartón sin tinta

Son fuentes de nitrógeno lamateria vegetal verde, estiércol,restos de frutas y verduras, etc.

La cantidad y calidad de

nutrientes de los sustratos iniciales afectan el grado de compostaje y

las características del producto final

Relación C:N de los residuos a compostar

Materiales C:N

Lodos activados 6

Cortes de césped 12-15

Estiércol 20-50

Humus del suelo 10

Residuos vegetales 12

Paja de trigo 80

Aserrín 200-500

Madera 400

Propiedades deseables de un compost

% N >2

C:N <20

% cenizas 10-20

% humedad 10-20

% P 0.15-1.5

Color Marrón oscuro

Olor Terroso

% capacidad de retención de agua

150-200

% azúcares reducidos <35

Cualidades agronómicas

� Mejora de las propiedades químicas y bioquímicas de los suelos� La adición de compost al suelo aumenta la materia

orgánica favoreciendo su estructura y la capacidad de retención de agua e infiltración

� Contiene cantidades significativas de nutrientes para plantas: N, P, K, S y micronutrientes

� Causa poco perjuicio al medio ambiente (asumiendo que es libre de metales pesados o materia orgánica peligrosa)

� Ahorro económico en abonos químicos� Es un sistema de reciclaje, con una útil revalorización del

residuo� Colabora en el control de enfermedades de las plantas y

en reducir las pérdidas en las cosechasUso comercial del compost como producto en jardines,

Degradación natural de la materia orgánica vs compostaje

� La concentración de nutrientes es mayor en el compost

� La estructura del suelo no permite la liberación brusca de calor (el mismo se disipa y la temperatura no sube)

� Los organismo termófilos no se incrementan en los cambios en el suelos como lo hacen en los compost

� La velocidad de los cambios es muy diferente (45-200 días en el compost, años en el suelo)

� La acción del viento y el mezclado facilita la degradación en el compost

� Mayor diversidad de materiales compostados

� Baja carga contaminante y remoción de semillas de malezas en el compost

IMM: Programa de tratamiento de residuos orgánicos - TRESOR

Área de compostaje

VERMICOMPOSTAJE

Generalidades:

� Es una variación de la tecnología del compostaje en la cual se utilizan lombrices para acelerar la degradación de la materia orgánica

� La lombriz cava galerías en el compost moliendo y humedeciendo partículas en el tubo digestivo

� Sus excrementos están formados por agregados de tierra, materia orgánica digerida, secreciones intestinales y urinarias de más fácil asimilación por las raíces de las plantas

� La descomposición de la materia orgánica es realizada por los microorganismos del tracto digestivo de las lombrices

Proceso:

� El material se dispone en canteros� Ancho: 1-1.20 m� Altura: 0.30-0.40 m� Largo: variable

� Material picado y bien mezclado (puede ser precompostado)� Sustrato recomendado: estiércol, restos de café,

te y yerba� Evitar: ajo, cebolla, residuos cítricos

� Humedad: 60-80%

Desventajas

� Necesita más mano de obra� El material debe estar triturado para una

mayor eficiencia en la degradación� Necesita de una mayor área: 1000 m2 para

producir 100 ton de compost por día� No presenta fase termófila, que produciría el

proceso de pasteurización de los residuos

BIODIGESTOR ANAEROBIO

Biodigestor

En su forma más simple, es un contenedor cerrado, hermético e impermeable dentro del cual se deposita el material orgánico para que a través de la degradación anaerobia se produzca gas metano y fertilizantes orgánicos ricos en nitrógeno, fósforo y potasio, y además se disminuya el potencial contaminante de los excrementos

Tratamiento anaerobio

� C6H12O6 → 3 CH4 + 3 CO2

∆G°’ = - 394 kJ/mol

� En la digestión anaerobia aprox. 90% de la energía disponible de la materia orgánica se transforma en compuestos gaseosos

� 70 a 90% menos de biomasa generada que en respiración aerobia

Digestión anaerobia - Metanogénesis

� Proceso anaerobio microbiano de oxidación de la materia orgánica a CH4 y CO2

� Ocurre en forma secuencial� Ausencia de aceptores externos de electrones

inorgánicos (O2, NO3-, NO2

-, SO4-2, Fe+3, So, etc.)

� Ausencia de luz� Interviene una población microbiana muy heterogénea q

actúa en una cadena alimentaria (ppalmente bacterias)� Los sustratos pueden ser estiércol o mezclas complejas

de celulosa, hemicelulosa, lignina, proteínas, lípidos, minerales, etc.

� Los m.o utilizan estos compuestos como fuente de energía y carbono, mineralizando cada vez más los restos orgánicos hasta alcanzar un equilibrio.

#

1. Fermentadoras primarias

2 .Metanogénicas hidrogenotróficas

3 .Metanogénicas aceticlásticas

4 .Fermentadoras acetogénicas

5 y 6. Homoacetogénicas

Etapas de la digestión anaerobia

I. Hidrólisis y fermentación

� Degradación de polímeros complejos (proteínas, polisacáridos, lípidos, ac. nucleicos) a monómeros (azúcares, aminoácidos, ac. grasos, glicerol, purinas y pirimidinas)

� Participan enzimas hidrolíticas de múltiples microorganismos anaerobios estrictos o anaerobios facultativos, que utilizan los compuestos de la hidrólisis.

� Fermentacion a propionato, acetato, butirato, lactato, etanol CO2 y H2

Sintrofismo

� Asociaciones sintroficas (transferencia de H 2interespecies)� Bacterias que degradan ácidos grasos en anaerobiosi s y

bacterias consumidoras de H 2

� Otros compuestos: aminoácidos, alcoholes, aromático s, etc.

Cooperación simbiótica entre bacterias metabólicamente diferentes que dependen

una de otra para la degradación de un sustrato (generalmente por causas

energéticas)

Etapas de la digestión anaerobia

II. Acetogénesis y deshidrogenación

� Oxidación de butirato, propionato, ácidos grasos de cadena larga a H2, CO2 y acetato acoplado a utilización de H2

� Estas bacterias actúan sinérgicamente (sintrofía ) con otros microorganismos que consumen el H2 producido (metánogénicos o sulfato reductores) y de esta forma permiten que se establezca el primer grupo (que es inhibido por el H2)

� Formación de gránulos con estrecha asociación entre generador y consumidor de H2

Etapas de la digestión anaerobia

III.MetanogénesisEs la última etapa de la cadena trófica y las bacterias metanogénicas producen CH4 a partir de acetato e H2 en la digestión anaerobia.

� CO2 + 4 H2 CH4 + 2 H2O

� CH3COOH CH4 + CO2 ACETICLASTICASACETICLASTICASACETICLASTICASACETICLASTICAS

HIDROGENOTROFICAS HIDROGENOTROFICAS HIDROGENOTROFICAS HIDROGENOTROFICAS

Bacterias metanogénicas

� Pertenecen al dominio Archaea (arqueobacterias)

� Anaerobias estrictas (pot redox inferior a -400 mV)

� Consumen poco sustratos (acetato, H2 y formiato, metanol, metilaminas)

� Sensibles a tóxicos, generalmente crecen a pH neutros y en mesofilia (25 - 40 ºC), también hay termófilas

� Se reconocen 5 órdenes: Methanobacteriales, Methanococcales, Methanomicrobiales, Methanosarcinales y Methanopyrales

Aplicaciones

� Generación de metano como combustible (poco empleado en la actualidad)

� Generación de biofertilizantes� Descontaminación de desechos:

� Digestores anaeróbicos (residuos industriales y agrícolas, lodos activados de reactores aerobios)

� Rellenos sanitarios

Biodigestores rurales

Modelo Hindú Modelo Chino

Biofertilizante

� Es el efluente de la digestión anaerobia en los biodigestores.

� En los biodigestores rurales se utiliza estiércol diluído, el biofertilizante resultante es una suspensión homogénea que actúa como activador de la población microbiana del suelo con la resultante dinamización de toda la actividad biológica.

� La relación C:N baja indica una estabilización del producto, con la fracción lignocelulósica no degradada y abundante biomasa microbiana.

Proyecto MDL Lanas Trinidad

Transformación de lagunas anaerobias para la recuperación de biogás, reducción de las emisiones de GEI y generación eléctrica

En total se reducirá la emisión en 20.000 toneladas de CO2 eq. por año. Esta cantidad sería equivalente a la emisión de 4.600 automóviles con un recorrido anual promedio de 18.000 km, similar al parque automotriz de la ciudad de Trinidad

BIORREMEDIACIÓN

Definición:

Es la manipulación de microorganismos para reducir, eliminar, contener o

transformar contaminantes presentes en suelos, sedimentos, agua o aire

Entradas de contaminantes

� Los contaminantes del suelo y agua son típicamente químicos introducidos por la actividad humana (xenobióticos ), y tienen el potencial de causar daño al ambiente

� La entrada más común es por la aplicación de pesticidas, por pérdidas de tanques de almacenamiento o fugas en sistemas de transporte

� Existen compuestos químicos, incluso algunos de origen natural que por su composición no pueden ser degradados por los m.o o son de muy lenta degradación denominados recalcitrantes

Contaminantes más comunes del suelo

� Solventes clorinados: tricloroetileno (TCE) y tetracloroetileno (PCE), acetona, butanol, cloruro de metilo

� Explosivos:2,4,6-trinitrotolueno (TNT)

� Metales: cromo, cadmio, plomo

� Radiactivos: plutonio

� Pesticidas: atrazina, benlate y malathion

� BTEX, un compuesto de benzeno, tolueno, etilbenceno y xileno

� PAH, hidrocarburo poliaromático

� PCB, bifenilos policlorados

Microorganismos útiles en biorremediación

Géneros más comunes de bacterias y hongos

Residuo degradado Microorganismos

Petróleo Pseudomonas, Proteus, Bacillus,Penicillium, Cunninghamella

Aromáticos Pseudomonas, Achromobacter,Bacillus, Arthrobacter, Penicillium,Aspergillus, Fusarium,PhanerocheateCadmio Staphylococcus, Bacillus ,Pseudomonas, Citrobacter,Klebsiella, Rhodococcus

Azufre Thiobacillus

Cromo Alcaligenes, Pseudomonas

Cobre Escherichia, Pseudomonas

Hongos

Ausencia de vías catabólicas para la biodegradación ¿obstáculo insalvable?

� Muchos genes codificadores de biodegradación en transposones y plásmidos

� Las rutas bioquímicas evolucionan constantemente y el intercambio de información genética mediada por plásmidos entre cepas microbianas puede ampliar el espectro de biodegradación

� Tecnología del ADN recombinante

Factores que afectan la biorremediación

Parámetro Condición requerida para

la actividad microbiana

Humedad del suelo 25-28% de capacidad de

retención de agua

pH del suelo 5.5-6.8

Contenido de O2 Aerobio

Contenido de nutrientes N y P

Temperatura (ºC) 15-45

Contaminantes No demasiado tóxicos

Metales pesados <2000 ppm

Tipo de suelo Baja arcilla o contenido

en limo

La biorremeciación puede realizarse:

� in situ es el tratamiento del material contaminado en su lugar original

� ex situ es la remoción del material contaminado para ser tratado en otro lugar

Estrategias de biorremediación in situ o ex situ

� Biorremediación intrínseca� Bioestimulación� Bioventilación� Bioaumentación� Rellenos sanitarios “Landfarming”� Compostaje� Fitorremediación

Bioestimulación y ventilación In situ

� La biorremediación “in situ” consiste en la inyección o percolación de agua no contaminada, con oxígeno disuelto, que puede ser extraída de la napa por una bomba y a la cual se le agrega nutrientes.

Bioestimulación y ventilación Ex situ

� Se procede a la remoción del material a tratar y se transporta a piletas o reactores donde se agregan nutrientes y oxígeno

� Los sedimentos se “limpian” en pasos sucesivos y los componentes orgánicos se remueven y se oxidan

Biorremediación ex situ Transformaciones microbianas implicadas en la biodegradación

� MINERALIZACIÓN� Molécula orgánica CO2, N2, CH4, etc.

� COMETABOLISMO� Transformación de un compuesto orgánico por

microorganismos incapaces de utilizarlo como fuente de energía y carbono

� Los productos obtenidos pueden ser utilizados por una segunda especie

Cometabolismo

Suc

ralo

sa in

cial

–C

(%)

Degradación de xenobióticos: pesticidas

� Toxicidad hacia organismos no blanco� Crecimiento de especies resistentes� Persistencia en suelo y/o lixiviación a cursos de

agua� Efecto sobre el ecosistema altamente

dependiente de otras variables:� Propiedades del suelo: materia orgánica, historia

del suelo� Dosis aplicada� Tiempo transcurrido después de la aplicación

Sustancia Tiempo para 75-100% de desapariciónInsecticidas

cloradosDDTAldrinClordanoHeptacloroLindano

4 años3 años5 años2 años3 años

Insecticidas Organofosforados

DiazinónMalatiónParatión

12 semanas1 semana1 semana

Herbicidas 2-4, D 2,4,5 T Dalapin AtrazinaSimazinaPropazina

4 semanas20 semanas8 semanas40 semanas48 semanas1.5 años

Persistencia en suelos de insecticidas y herbicidas

Pesticidas: Atrazina

� Algunos son fuente de carbono y/o dadores de electrones para microorganismos del suelo y desaparecen rápido, pero otros como por ejemplo la atrazina son más persistentes

� La atrazina (2-cloro-4-etilamino-6-iopropilamino-s-triazina) es un herbicida de importancia especialmente en el manejo de malezas en cultivos de maíz y sorgo. Todas las reacciones en la degradación de atrazina pueden realizarse biológicamente.

Sistemas agrícolas: contaminacióncon nitrógeno (NO3 y NH3)

� Origen: fertilizantes químicos y excretas animales

Eutrofización de aguas superficiales

Efectos adversos en humanos: metahemoglobinemia

Estrategia

Pozos para la inyección de sustratos carbonados como dadores de electrones para la biorremediación de aguas contaminadas con nitratos

Bajo condicionesanaeróbicas se producedenitrificación (el nitratocontaminante se liberacomo gases (N2O, N2)

Ventajas y desventajas de la biorremediación:

� Menos riesgosa para el personal que la aplica� Es más económico que otros procesos ya que los

contaminantes pueden tratarse en el lugar� Es un proceso natural de bajo impacto ambiental� El contaminante puede presentarse con baja

biodisponibilidad y limitar la aplicación de biorremediación

� La situación se agrava en el caso de una mezcla de contaminantes, donde uno puede ser degradado y otro resulta tóxico para el m.o

� El conocimiento del manejo de interacciones entre lo biológico, químico y físico en sitios con mezclas complejas de contaminantes todavía es muy limitado

Bibliografía

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� Atlas & Bartha. Ecología microbiana y microbiología ambiental. 4°ed.

� www.samsoluciones.es - Compostaje CMC http://www.youtube.com/watch?v=LVh-9uv6Xes