CARRERA DE ESPECIALIZACION EN CARRERA DE ESPECIALIZACION EN BIOTECNOLOGIA INDUSTRIALBIOTECNOLOGIA INDUSTRIAL

FCEyN-INTIFCEyN-INTI

Materia de Articulación CEBI_E2b

Biotecnología de los microorganismos

procariotasDocente a cargo: Eva L. M. Figuerola

CEBI_E2b_5 : Microorganismos en la recuperación de minerales y energía_5

Fuentes alternativas

de energía

Escenario globalAUMENTO DEMANDA

ENERGÉTICA

AGOTAMIENTODE LOS

COMBUSTIBLES FÓSILES

DETERIORO DEL MEDIO AMBIENTE

CRECIENTE INTERÉSDESARROLLO DE ENERGIAS

RENOVABLES

PRESIÓN PÚBLICOPOR DESARROLLO

SUSTENTABLEhttp://www.astromia.com/

Fuentes renovables de energía

BioetanolBiodieselH

2

CH4

Producción de biometano

Biogás

• Metano producido por microorganismos a partir de materias primas renovables

Materias primas para producción de biogás

Digestión anaeróbica

Digestión anaeróbica

Producción de H2

H2 como combustible

• El H2 tiene la mayor cantidad de energía

por unidad de peso entre los combustibles gaseosos

• Es libre de C, se oxida a H2O

• Se produce a partir de gas natural, por refinación del petróleo o gasificación de carbón

Producción de hidrógeno

http://energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production

Photoelectrochemical

Solar thermochemical hydrogenCarbon capture utilization & storage

Producción de biohidrógeno

Venkata Mohan 2013

A partir de biomasa

Producción de bio H2

K. Srirangan 2011

Hidrogenasas

Clostridium pasteurianumDesulfovibrio desulfuricans

Desulfovibrio gigasMethanocaldococcus jannaschii

(arqueas)

www.sciencedirect.com

Estrategias de producción

15% rendimientoAlta velocidadVersatilidad de sustrato

RendimientoEstequiométricoSecuencial ocombinado

Inhibición por amonioCambios metabólicos PHBUso de VFA

La materia prima representa hasta un 95% de los costos

Altos costos fotobioreactorBaja eficiencia

Requerimiento de luzBaja productividadInhibición por O

2

Limitaciones

Fermentación oscura

Homoacetógenos (CO2 +H

2)

Metanógenos (CO2 +H

2)

Reductores de sulfatos

C6H12O6 + 2H2O → 2CH3COOH + 4H2 +

2CO2

ΔGo = - 206 kJ

C6H12O6 → C3H7COOH + 2H2 + 2CO2

ReducciónRendimientoen cultivos mixtos

F. oscura- Vías de producción de H

2

[NiFe]-hydrogenase

Anaerobios aerotolerantes

Anaerobios estrictos

[FeFe]-hydrogenaseDependiente de Fd

Fermentación oscura

máximo de 2 a 4 moles de H2 por mol de glucosa.

heterologous NAD(P)H o (Fd)-dependent hydrogenase (along withFd:NAD(P)+-oxidoreductase (FNR) and anappropriate Fd)

Facultativos Obligados

Kontur 2012

Foto-fermentación

For example, glucose-fedRhodobacter sphaeroides cells can excrete pyruvate [26], butintroduction of Rhodospirillum rubrum genes encodingpyruvate-formate lyase and formate-hydrogen lyase intoR. sphaeroides resulted in an increased H2 yield (to 4 molH2/mol glucose) [28].

Inmobilizacióncelular

Ciclo de calvin

Fotosíntesis oxigénica

Ni-Fe

Proteínas de fusiónH

2asa-PSI

C3-PSIH

2asa-Fd

Fermentación photo-darksecuencial

Fermentación oscura produce VFAs inhibitoriosLas PNB utilizan VFAs para fotofermentación

Fermentación Photo-dark combinada

1ra etapaFermentación oscura (anaerobios facultativos)

C6H12O6 + 2 H2O → 2 CH3COOH + 2 CO2 + 4 H2.

2da etapaFoto-fermentación (bacterias fotosintéticas)2 CH3COOH + 4 H2O → 8 H2 + 4 CO2.

Enzimática o in vitro

Lu 2015

Ventajas y desventajas de los métodos de producción de biohidrógeno

Hallenbeck 2013

Inconvenientes para la producción

Sistemas bioeléctricos

CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANO

Son sistemas bioeléctricos (BES) que transforman la energía química de los enlaces en energía eléctrica mediante reacciones catalizadas por microorganismos.

Celdas microbianas de combustible

Aceptor final de electrones

Modificado- Lovley 2008

Los electrones de fuente de energía son transportados hasta el aceptor final mediante la cadena de transporte de electrones

Celdas microbianasde combustible

Aceptor final de electrones

ELECTRODO

Bacterias ANODOFILAS o

EXOELECTROGENICAS

Modificado- Lovley 2008

Esquema de una MFC

ÁNODO CÁTODO

PUENTE SALINO

OXIDACIÓNMATERIA ORGÁNICA

REDUCCIÓN DE O2

e-

e-

e-

e-

e- e-

+

MO a H+ + b CO2 + a e- O

2 + 2 H+ + 2 e- H

2O

O2

Esquema de una MFC

ÁNODO CÁTODO

PUENTE SALINO

OXIDACIÓNMATERIA ORGÁNICA

REDUCCIÓN DE O2

e-

e-

e-

e-

e- e-

+

MO a H+ + b CO2 + a e- O

2 + 2 H+ + 2 e- H

2O

O2

OXIDACIÓNMATERIA ORGÁNICA

REDUCCIÓN DE O2

e-

e-

e-

e-

H+

MO a H+ + b CO2 + a e-

O2 + 2 H+ + 2 e- H

2O

ÁNODO

ÁNODOCÁTODO

Celdas sedimentarias SMFC

Bacterias electrogénicas

Kiely 2011

Transferencia de electrones

Franks 2010

S.

oneidensis

Proteus,

Bacillus

Geobacter

Geobacter sulfurreducens

Reguera

Shewanella oneidensis

Shi 2012

Interacciones sinérgicas

Comunidad bacteriana en SMFC

Sacco 2012

Aplicaciones de las MFC• Generación de electricidad

• Produccion de hidrógeno

• Tratamiento de efluentes

• Biosensores de DBO

Gil 2003

Lovley 2006

Lebônêwww.wired.com

SMFC para estación meteorológica

Tender 2008

Celdas micorbianas electrolíticas

Son también BES, pero en este caso consumen energía eléctrica para la producción de bio-hidrógeno o bio-metano en el cátodo

Celdas microbianaselectrolíticas

MEC producción de H2

www.sciencedirect.com

Bioetanol y biodiesel

Biocombustibles de primera y segunda generación

http://www.sustainablescientists.org/

Pared celular en plantas

Guptka 2015

http://www2.lbl.gov/Publications/YOS/Feb/

Fuentes de biomasa lignocelulósica

Tong 2012

Pretratamientos

Guptka 2015

Celulasas

Guptka 2015

• SHF: hidrólisis y fermentación separadas» S. cerevisiae

• SSF: sacarificación y fermentación simultáneas» evita inhibición por sustrato

» reactor único

» misma temperatura para hidrólisis y fermentación

• SSCF: sacarificación y cofermentación simultáneas

» Escherichia coli, Zymomonas mobilis y S. cerevisiae

recombinantes para utilización de pentosas.

» Z. mobilis es capaz de fijar N2

• Fermentación de hexosas y pentosas

• Alto rendimiento

• Producción a elevadas temperaturas

Saccharomyces cerevisiae, más utilizado, solo hexosasCultivos mixtosMO genéticamente modificados

Producción convencional de Biodiesel

Fjerbaek 2008

Ácidos grasos/ triglicéridos Ésteres alquílicos de ácidos grasos

Transesterificación

Andreani 2012

Proceso enzimáticoLipasas

lower energy requirement; pure quality of biodiesel and glycerol; high product yield; easy recovery of products; and no wastewater generation.The

Catalizadores para producción de biodiesel

Microorganismosen el mejoramiento y crecimiento

vegetal

Fijación de N2

Ciclo del nitrógeno

Bothe 2007

60% del ingreso de N

2

al ciclo

Diazótrofos

Fijación de N2

Vida libreAeróbicos, microaeróbicos

AnaeróbicosQuimiótrofos o fotótrofos

Asociados a raíz

Diazótrofos(bacterias o arqueas)

SimbióticosMicro-aeróbicos

Estructuras especializadasFijan N2 para su hospedador

Nitrogenasa

Diazótrofos de vida libre

Azotobacter vinelandii

naukas.com

Anabaena Aerobios fotótrofos

Anaerobios estrictos

AerobiosRhodospirillum rubrum

www.micrographia.com

Anaerobios fotótrofos

Methanosarcina barkeri

jb.asm.org

Desulfovibrio vulgaris

Diazótrofos de vida libre

Anaerobios facultativos

Solo fijan N2 en condiciones anaeróbicas

Klebsiella pneumoniae

Diazótrofos simbiontes

Rhizobium- leguminosa

Frankia- aliso

http://alpandino.org/

Liquen

Azospirillum, Azotoarcus, Azotobacter, Herbaspirillum- gramíneas

http://www.miliarium.com/

Nitrogenasa

pubs.rsc.org

Mo/Fe/V

Nitrogenasa

Bothe 2007

Nitrogenasa

Otras reacciones catalizadas por el complejo nitrogenasa

Nitrogenasa insensible a oxígeno

Gallon 2001

Simbiosis Rhizobium-leguminosasNodulación

overton.tamu.edu

Se produce la fijación de N2 que permite a la planta crecer en suelos pobres y a la bacteria desarrollarse en un ambiente controlado.

Leghemoglobina

http://www.calvin.edu/

Controla la concentración de O

2 en el nódulo

Es sintetizada solo durante la interacción rizobio-planta

Especificidad

La bacteria reconoce los flavonoides excretados por la planta y secreta una molécula señal NOD que es reconocida por el hospedador

Especificidad

Etapas de la nodulación

• Reconocimiento del socio adecuado y adhesión de la bacteria al pelo radicular

• Excreción de factores nod

• Invasión del pelo y formación del tubo de infección

• Desplazamiento hacia la raíz principal

• Aparición de bacteroides y fijación de N2

• División de células vegetales y bacterianas para formar un nódulo maduro

Rhizosfera

http://www.nature.com/

Etapas de la nodulación

Etapas de la nodulación

Adhesión

www.pnas.org

En el primer paso de adherencia están involucradas ricadesina y lectinas de la bacteria y los complejos de calcio de la superficie del pelo radicular

Tubo de infección (celulosa)

trébol blanco/ R. leguminosarum bv trifolii

Diferenciación

Las células bacterianas se diferencian a bacteroides

http://blog.lib.umn.edu/

Simbiosoma

Bacteroide

Tipo de nódulo

Leguminosas tropicales(alantoína)

Leguminosas templadas(asparragina)

Genes de nodulaciónRegulador de la transcripción

El reconocimiento del flavonoide inductor produce la unión de NodD al sitio promotor (nod box)

En Rhizobium leguminosarum biovar viciae los genes nod están en un plásmido (Sym)

Síntesis del núcleo de lipo-quitina

Modificación del factor NOD

Rango de hospedador

Transportadores de membrana para factor Nod

Glucosamina sintetasafactor Nod

Fijación de N2 en el nódulo

Inoculantes

INOCULANTE PARA SOJABradyhizobium sp.

Un inoculante es un concentrado de bacterias específicas, que aplicado convenientemente a la semilla poco antes de su siembra, mejora el desarrollo del cultivo. Su empleo es una práctica agronómica reconocida en el mundo por sus beneficios productivos y económicos (principalmente en gramíneas y leguminosas)

Azospirillum brasilense

inoculante para trigo

Inoculantes y biofertilizantes

Solubilización de fósforo

Producción de ácidos orgánicos (cítrico, oxálico, glucónico) que actúan sobre el pH del suelo, favoreciendo la solubilización del fósforo inorgánico y liberando fosfatos a la solución del suelo. Producción de enzimas fosfatasas (que actúan sobre las uniones ésteres) liberando los grupos fosfatos de la materia orgánica a la solución del suelo.

Producción de sustancias estimuladoras del crecimiento por Pseudomonas, Inducción de la iniciación radicular Incrementar la formación de raíces y pelos radiculares (trigo).

Hormonas, como auxinas, giberelinas y citoquininas, y también producen sustancias de otro tipo, como aminoácidos y promotores específicos de crecimiento.Antibióticos y sideróforos que impiden el desarrollo de patógenos fúngicos, previniendo infecciones en las plantas de trigo inoculadas.

Inoculantes y biofertilizantes

MO promotores del crecimento vegetal

Mecanismos de

acción