INTRODUCCIÓ
Actualment la
nostra societat està molt influenciada per la industrialització i l’elevat grau
de desenvolupament tecnològic. Això comporta un seguit de conseqüències
negatives que desemboca en un problema mediambiental important: la
contaminació. En aquest treball ens centrarem en el tractament dels metalls
pesants i la seva reincorporació al cicle biològic per mitjà de mecanismes
microbiològics. Entenem per metalls pesants tots aquells elements metàl·lics
que són perjudicials pel medi ambient, són d’altes densitats i tòxics pels
essers humans en quantitats elevades, com per exemple poden ser el mercuri, el
plom i el cadmi.
BIOREMEDIACIÓ I PROBLEMÀTICA DE METALLS PESANTS
Davant d’aquesta
problemàtica han aparegut diversos processos de bioremediació, és a dir, una
manera natural i eficaç de degradar contaminants orgànics o extreure’n els
inorgànics per netejar el medi contaminat, utilitzant agents biològics com a
vector, principalment microorganismes, fongs i/o plantes. En el nostre cas
explicarem l’ús de microorganismes per a la bioremediació de metalls pesants,
tractant una sèrie de tècniques i mecanismes que poden modificar els seus
estats oxidatius fent disminuir el volum i els graus de toxicitat, i permeten reduir les
problemàtiques de contaminació per metalls en els sòls i en les aigües
superficials o subterrànies.
MICROORGANISMES I MECANISMES MICROBIOLÒGICS
En el cas dels
metalls pesats, ja que es tracten d’espècies químiques no biodegradables,
trobem dos principals mecanismes d’actuació:
1. Mobilització dels metalls pesants: Mecanisme
en el qual es passa d’una fase sòlida inicialment insoluble a una fase líquida final
que és soluble. Dintre d’aquest trobem la Biolixivació.
Biolixivació:
És la
mobilització dels metalls a través de l’excreció d’àcids orgànics o amb
reaccions de metilació.
Figura 1: Processos
de Biolixivació emprats en la biomineria. A: solubilització del mineral; B:
obtenció de Cu metàl·lic i C: recuperació i recirculació de Fe3+.
Mitjançant l’acció de
microorganismes, s’extreuen els metalls i minerals quan estan en fase aquosa,
per tant passarem d’un estat sòlid insoluble a un estat líquid soluble. Aquest
procés es duu a terme depenent del microorganisme i dels metalls en qüestió:
S’ utilitzen bacteris com ‘Thiobacillus
ferroxidans’ o ‘Thiobacillus thiooxidans’ en la recuperació de Cu,
Ni, Zn y Cd, tant en condicions aeròbies
com anaeròbies, ja que poden utilitzar el catió Fe3+ com
últim acceptor d’electrons en lloc de l’O2. Aquests microorganismes són acidòfils, és a dir, que tenen
un pH òptim de entre 2,5 i 5,5 aproximadament.
També existeixen alguns fongs com el ‘Trichoderma
harzianum’ que poden solubilitzar MnO2, Fe2O3
y Zn metàl·lic mitjançant l’alliberació de quelats (compost format per un ió
metàl·lic, lligams covalents i d’estructura heterocíclica orgànica). La ‘Ralstonia
eutropha’ és una bactèria que és capaç d’acumular metalls pesants, fent una prèvia
solubilització dels mateixos mitjançant la alliberació de sideròfors (pèptids
que són alliberats al medi amb l’objectiu de captar Fe, és a dir, quelants
fèrrics).
I un altre cas seria la utilització
combinada de la solubilització del Pb, mitjançant el fong ‘Aspergillus niger’,
amb l’acumulació de metall dissolt per part de les plantes que creixen en sòls
contaminats. Això es coneix amb el nom de fitoremediació, on la retenció del
metall es duu a terme per l’acumulació de vegetals.
2. Immobilització dels metalls pesants: Mecanismes
mitjançant els quals es passa d’una fase aquosa a una de sòlida.
Bioadsorció:
La bioadsorció és un fenomen que s’utilitza
per tractar metalls pesants com: cadmi, crom, plom, níquel, zinc i coure. Els
microorganismes emprats en aquest tractament retenen els metalls pesants a
intervals de temps relativament curts al entrar en contacte amb solució
d’aquests metalls.
Aquest procés es troba en creixement continu,
ja que és rentable econòmicament, juntament amb altres vies en estudi de
sistemes bioadsorbents, com per exemple la utilització de consorcis microbians
o sistemes mixtos que utilitzen microorganismes i macromolècules absorbents.
El funcionament d’aquest mecanisme es duu a
terme per mitjà d’una interacció fisicoquímica entre els microorganismes i els
metalls, units per lligands des de la superfície cel·lular. Això només passa si
tenim grups funcionals que pertanyents a molècules com carboxil, hidroxil,
amino, fosfat o sulfhidril. A més es diferència per ser un mecanisme ràpid i
que no depèn excessivament de la temperatura.
Bioacumulació:
Aquest mecanisme
cel·lular consta d’integrar el metall pesant que es troba a la superfície cel·lular
dins del microorganisme utilitzant el sistema de transport de membrana, tenint així
un consum d’energia. Aquest consum
d’energia es genera a través del sistema H+ -ATPasa.
Un cop el metall
ja es troba dins el citoplasma del microorganisme és recobert per proteïnes
riques en grups sulfhídrics anomenats metal·lotioneïnes o per un vacúol, com en
els fongs.
Un exemple seria la bactèria Pseudomonas
aeruginosa que acumula urani al citoplasma, igual que la llevadura Saccaromyces
cerevisiae.
Biomineralització:
Es basa en l’obtenció de
metalls, carbonats de calci, fosfats i hidròxids mitjançant microorganismes que els fan precipitar fóra
del citoplasma a través d’una bomba cel·lular, on al mateix temps entren
protons H+ provocant una alcalinització de la superfície cel·lular
externa, i la conseqüent precipitació dels metalls pesants. També es pot dur a
terme per mitjà d’enzims que fan precipitar els metalls formant sulfurs i fosfats, com per exemple en cultius
mixtes de bactèries reductores de sulfat o l’acumulació de CdS en la paret cel·lular
de les bactèries Klebsiella planticola i Pseudomonas aeruginosa.
Biotransformació:
Es tracta d’un procés en el que intervenen
enzims microbians, en el qual el metall en qüestió (normalment tòxic) pateix un
canvi químic que pot donar com a resultat composts poc solubles en aigua o
composts volàtils.
Un bacteri capaç de realitzar una
biotransformació a la naturalesa, és el Pseudomonas aeruginosa que pot reduir el
catió Hg2+ a Hg0. Seguint en aquest procés hi ha una sèrie de microorganismes
que uneixen un metil (CH3) a la molècula anterior aconseguint així composts
volàtils i en alguns casos més tòxics que el compost inicial.
Figura 2: Biotransformacions
en el cicle biogeoquímic del mercuri (Hg).
Això pot servir en casos com el del Cr (VI),
un contaminant molt utilitzat en industria (automòbil, siderúrgia…) i de màxima
prioritat degut a que és molt tòxic (molt, cancerigen) i al estar en solució aquosa
no perd el seu potencial tòxic. Amb la utilització de microorganismes es pot passar de Cr(VI) a Cr(III) que no
és tòxic.
Figura 3: Esquema general dels diferents tipus de mecanismes
microbiològics d’immobilització de metalls pesants.
Video 1
CONCLUSIONS
La bioremediació pot ser una
alternativa molt eficaç per a reduït l’impacte ambiental que generen els
residus produïts per l’home.
El fet d’aconseguir que els
microorganismes redueixin al màxim les substàncies contaminants al medi millora
la diversitat dels ecosistemes considerablement.
Hauriem de conscienciar-nos
d’utilitzar més els mètodes de bioremediació, ja que són menys costosos
econòmicament en vers els altres processos d’eliminació de metalls pesants (
restauració ). Un altre avantatge sobre la bioremediació és que es pot efectuar
in-situ , és a dir, no cal moure el
material a tractar de lloc. Convindria invertir més temps i capital en la
investigació de nous microorganismes capaços de bioremeditzar metalls pesants,
per a garantir una millora en el camp de les contaminacions per metalls
pesants.
Noticies
relacionades sobre l’evolució de la bioremediació dels metalls pesants:
-
Universidad técnica Federico Santa María ( 2012 ). Científicos de la USM crean bacterias para
la biorremediación de metales pesados. Recuperat el 27/11/2013 , des de http://www.dgc.usm.cl/2012/09/28/cientificos-de-la-usm-crean-bacteria-para-biorremediacion-de-metales-pesados/
-
CONICET (Consejo Nacional de Investigaciones Científicas
y Técnicas ) (2013). Descubren
levaduras capaces de ser utilizadas en procesos de biorremediación. Recuperat
el 29/11/2013, des de http://www.conicet.gov.ar/descubren-levaduras-capaces-de-ser-utilizadas-en-procesos-de-biorremediacion/
BIBLIOGRAFIA
Washington, D.C. : American Society for Microbiology, cop.
1999 2nd ed. Manual of industrial microbiology and biotechnology
New York ; Environmental
microbiology, Wiley-liss 1992
Biorremediación:
aspectos generales. Biorremediación de: metal·les pesados, vertidos de Petróleo
y xenobióticos. Fitorremediación. 18 de Novembre del 2013. http://personal.us.es/jvinar/Tema%2022Bt%200708.pdf
BIORREMEDIACIÓN. 20 de
Novembre del 2013. http://www2.uah.es/tejedor_bio/bioquimica_ambiental/biorremediacion.pdf
Aplicación de técnicas
de biorremediación para el tratamiento de residus Industriales con alto
contenido de metales pesados. 2011. Tesis doctoral. 22 de Novembre del
2013. http://sedici.unlp.edu.ar/bitstream/handle/10915/2706/Documento_completo.pdf?sequence=1
Bioremediación de metales pesados. Dr. Jim Field.
(2010). Departamento de ingeniería química y ambiental (Universidad de
Arizona). 24 de Novembre del 2013. http://binational.pharmacy.arizona.edu/sites/binational.pharmacy.arizona.edu/files/all_files/Biorem-MP.pdf
Hola el treball m'ha semblat molt interessant ja que, el nostre també hem utilitzat la bioremediació però en el cas del petroli. Però m'ha quedat un dubte: a la bioacumulació quan el microorganisme ha integrat el metall i l'ha recobert per proteïnes aquest el sintetitza, o el degrada i en desprèn algun residu,..?
ResponEliminaBones Txell! A veure els microorganismes per a la bioremediació de metalls pesats només poden degradar i eliminar del tot els metalls o bé acumular-los, no els sintetitzen. Tal com diu el mètode de la bioacumulació, els microorganismes primer acumulen el metall en forma aquosa dins el citoplasma, i després les proteïnes riques en grups sulfhídrics anomenats metal·lotioneïnes, el que fan és unir els enllaços metàl·lics dels metalls i així precipiten de fase líquida a sòlida.
EliminaTots
Bones companys. M'agradaria comentar-vos un dubte que tinc ja que aquest tema en particular em sembla molt interessant. La pregunta és, en el cas dels bacteris que immobilitzen els metalls, seria possible recuperar aquests metalls de forma més o menys pura i que així puguin ser utilitzats posteriorment com a recurs? Moltes gràcies.
ResponEliminaBones Arnau, respecte aquesta pregunta, nosaltres també ho vam pensar quan realitzàvem el treball. El que vam trobar és que tenint en compte que la idea fonamental de la bioremediació és eliminar els metalls pesats, també presenta la possibilitat de explotar més aquests metalls bio acumulats, ja que els microorganismes poden produir unes nanopartícules, que estan investigant per poder trobar possibles beneficis. Esperem que t’hagi servit d’ajuda!
EliminaEt deixem aquí un enllaç on s'explica millor tot aquest procés.
http://www.slideshare.net/soulrokkuman/bioacumulacion-de-metales
Tots
Moltes gràcies, m'ha semblat molt interessant que aquests microorganismes siguin capaçós d'acomular els metalls en forma de nanopartícules i per tant de generar un subproducte útil.
Eliminaen l'apartat de Biolixivació parleu que els bacteris extreuen els matalls de fase liquida a fase solida o al ravés?
ResponEliminapau fuya sabench
Bones mEtall! En la biolixivació els metalls es troben en fase aquosa però són insolubles, per tant, es troben en fase sòlida. Mitjançant l'acció dels microorganismes, aquests passaran els metalls (estat sòlid) a fase líquida soluble. Tal i com hem explicat en aquest apartat, aquest procés es duu a terme en funció del microorganisme i del metall en qüestió.
EliminaTots.
Hola, aquest treball m'ha semblat molt interessant. Només volia preguntar-vos que quan parleu de biotransformació dieu que hi ha una sèrie de microorganismes que uneixen un metil a la molècula anterior i aconsegueix compostos volàtils que en alguns casos poden ser més tòxics que el compost inicial. Llavors, si el que aconseguim és un compost més tòxic que l'inicial segueix sent encara més perjudicial pel medi ambient?
ResponEliminaAroa Navarrete Martínez.
Bones Aroa, tal com diem en alguns cassos (pocs) el compost que s'aconsegueix pot ser tòxic, en aquests cassos si que seguiria siguent perjudicial pel mediambient però no per el medi en concret que volem extreuren els metalls. Tot hi això en la gran majoria de cassos això no passa.
EliminaTots
Moltes gràcies, dubte aclarit!
EliminaAroa Navarrete Martínez.
Hola,
ResponEliminaSabríeu dir-me ( dins l'apartat de biomineralització), quin dels dos mètodes és el més eficient? I quin dels dos és el més utilitzat?
Gràcies
Bones Marti! Doncs el mètode més eficient i utilitzat és el primer, la biomineralització en que els microorganismes fan precipitar els metalls mitjançant una bomba cel·lular; per altre banda també s'utilitzarà l'altre mètode depenent del cas que estiguem tractant.
EliminaTots
Bona tarda companys, el tema del treball és un tema molt interessant i crec que important. Podrieu dir-me si aquestes diferents tècniques i mecanismes per a la bioremedació dels metalls pesants que heu esmentat s'han posat en pràctica o nomès estan en fase d'investigació?. Faig aquesta pregunta ja que em sembla recordar que hi han mecanismes que estàn en fase d'investigació per a millorar el procès. Pot ser?
ResponEliminaMoltes gràcies.
Roger Porta
L'autor ha eliminat aquest comentari.
EliminaBones tet! a l'apartat de noticies relacionades sobre la bioremediació de metalls pesants, hem penjat dos enllaços en els quals diferents grups de científics estudien nous microorganismes capaços de realitzar processos de bioremediació dels metalls pesants. Els diferents mecanismes s'han posat en pràctica.. Espero que hagi servit d'ajuda!
EliminaTots.
Hola nois!
ResponEliminaQuan parleu del segon mètode (el de immobilització dels metalls pesants) quin dels 4 que esmenteu és el que més s'utilitza? I quins avantatges i inconvenients té?
Moltes gràcies,
Ariadna Rodríguez
Bones! El més utilitzat és el mètode de la bioadsorció ja que tal i com hem esmentat és rentable econòmicament i ràpid, cosa que li ofereix un gran avantatge en vers els altres mètodes respectius. Per contra, podríem dir que no és gaire rendible quan tenim una contaminació amb nivells baixos de metalls pesants, ja que aquest mètode s'utilitza per concentracions altes de metalls pesants. Per una contaminació amb baixes quantitats es fa servir sistemes biològics a partir de solucions diluïdes (tenen el suficient potencial per realitzar-ho i són menys costosos). Tot i així en cada cas s'haurà d'estudiar quin és el millor mètode, ja que hi ha altres factors que poden influir (les condicions del medi on es trobi, per exemple).
EliminaEsperem haver-te servit d'ajuda!
Tots
Hola nois! M'ha semblat un tema molt interesant, sobretot per les diferents vies d'actuació que hi han, ja que això et permet escollir la més adient a les necessitats, però tinc un dubte. En el cas de la fitoremediació, aquests metalls no afecten negativament als vegetals? És a dir, no és tòxic per ells, i conseqüentment, també per altres herbívors?
ResponEliminaBones Silvii! Aquesta incorporació, degradació o eliminació dels metalls presents a l'ambient per part de certes plantes, dependrà de si el nivell de toxicitat, és a dir, de si la concentració de metalls és molt elevada o no. Si és molt elevada aquestes plantes no seràn capaces de sobreviure tot i poder degradar els metalls.
EliminaEn conclusió, els metalls poden afectar negativament als vegetals.
Tots.
Bones, tinc un petit dubte, pel que tinc entes, en la fitoremediació, un cop la planta ja ha complert la seva funció d'emmagatzemar metalls es talla i s'ha de tractar per tal de extreure els metalls que tenen acumulats, sabeu si per tractar aquests metalls de les plantes es pot fer servir altres mecanismes de bioremediació amb microorganismes, o han de tenir un tractament més quimic o de laboratori?
ResponEliminaBones Lluis! Sí, tens raó la planta és tallada per extreure els metalls que tenen acumulats. El tractament posterior però consisteix en nitrificar els metalls pesants, és a dir, triturar les plantes que contenen els metalls pesants amb presència de nitrogen. Seria un tractament més aviat físico-químic.
EliminaTots.
Salutacions companys,
ResponEliminaPer al mètode de la bioacumulació, quin és el procediment per "capturar" el microorganisme després de que absorbeixi el contaminant i poder-lo extreure del medi que hem tractat?
Merci,
Albert Cereza
Bones, tal i com ens diu la paraula la bioacumulació és un mètode en el qual els microorganismes només acomulen el metall. En aquest no s'inclou l'extracció del micrrorganisme del medi, no s'especifica en cap dels mètodes.
ResponEliminaPossibles mètodes d'extracció podríen ser per l'acció directe de l'home (antròpicament), o per competència directe amb un altre microorganisme.
Tots.