Tema 46.2

Tema 46. Microbiología Industrial

1. Microbiología Industrial. Biotecnología microbiana

2. Microorganismos de interés industrial: Mejora de cepas

3. Las fermentaciones. Metabolitos primarios y secundarios.

4. Principales aplicaciones industriales de los microorganismos.

Antibióticos. Aminoácidos. Ácidos orgánicos, Biopolímeros,

Biosurfactantes. Productos fermentados

5. Biocoversiones microbianas

6. Microbiología de los alimentos fermentados7. Biodegradación y biorremediación8. Bioaumento9. Microorganismos como productos: nanobacterias, biosensores,

biopesticida


Industria alimentaria

Fermentación láctica: productos lácteos

Bacterias lácticas

• Streptococcus • Leuconostoc• Pediococcus• Lactobacillus

6. Microbiología de los alimentos fermentados


Fermentaciones Lácticas

F. homoláctica

F. heterolácticaCarecen de fructosa 1.6-difosfato aldolasa.

Ruta del 6-fosfogluconato

Lactobacillus, Leuconostoc

Fosfocetolasa

Streptococcus, Pediococcus, Lactobacillus


Streptococcus termophilusLactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus

El crecimiento de ambos produce un efecto sinérgicoo El estreptococo utiliza los péptidos y aminoácidos liberados por el

lactobacilo a partir de las proteínas de la leche o El crecimiento del lactobacilo está estimulado por diversos

compuestos producidos por el estreptococo • ácido fórmico• CO2• ácido pirúvico

o La producción de ácido láctico, compuestos aromáticos y polisacáridos es también más rápida cuando se cultivan conjuntamente

Leches fermentadas: Yogurt


ProbióticosLactobacillus y Bifidobacterium

• Adyvantes microianos

─ Inmunomoduladores

─Anticancerosos

─Control de diareeas

─Mejora de la enfermedad de Crohn


• Más de 2000 variedades• Se inocula la leche con cultivos seleccionados de bacterias

lácticas• Fermentación: la acidez provoca la coagulación de las proteínas

de la leche cuajo (requesón)• Prensado Extrusión del agua (suero)• Salado y maduración

1. Fermentación láctica: pH 5.1-5.32. Maduración: diferentes bacterias y hongos

Quesos


Fermentación (cuajado) Prensado

Moldeado Salado y Maduración


M IC RO O R G ANISM O S Q UE IN TERV IENEN EN LA FA BRIC ACIÓ N

DE Q UESO S

Q ueso Estadíos iniciales Estadíos tardíos M ozzarella (blando, no m adurado)

Streptococcus term ophilus Lactobacillus bulgaricus

C am em bert (blando, m adurado)

Lactococcus lactis Lactococcus crem oris

Penicillium cam em berti Bervibacterium linens

R oquefort (sem iblando) Lactococcus lactis Lactococcus crem oris

Penicillium roqueforti

Em m enthal (duro, m adurado)

Lactococcus lactis Lactococcus helveticus Streptococcus term ophilus

Propionibacterium sherm anii Propionibacterium freudenreichii

Parm esano (m uy duro, m adurado)

Lactococcus lactis Lactococcus crem oris Streptococcus term ophilus

Lactobacillus bulgaricus



Fermentación alcoholica: bebidas alcohólicas

Bebidas alcohólicasSaccharomyces cerevisiae y otras especies• Cerveza: malta de cebada, lúpulo• Vino: a partir de uva prensada (fermentación alcohólica + fermentación

maloláctica).

Glucosa → Piruvato → Acetaldehído → Etanol

Glucosa + 2 Pi + 2 ADP + 2 H = 2 Etanol + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2O

Piruvato descarboxilasa

Glucolisis Alcohol deshidrogenasa



F. alcohólica: Etapa esencial de la vinificación, transforma los azúcares en:alcohol, anhidrido carbónico y compuestos que contribuirán al aroma.

F. maloláctica: no se busca sistemáticamente. Tiene por objeto transformar el

ácido málico en ácido láctico (monoácido) lo que permite obtener vinos menos

ácidos y más ligeros (Burdeos tintos y Champagne).

Bebidas alcohólicas: El vino



Fermentation

Adición de sulfito destrucción de las levaduras y bacterias

Adición del inóculo de levadura

Prensado para separar los sólidos del vino

Clarificación en cubas de sedimentación

.Añejo en barricas

Filtración

Embotellado

Prensado de la uva

Elaboración del vino tinto


Elaboración de la cerveza


¿Que es la Bioremediación?

• Bio-Remediar = utilizar organismos vivos (bacterias, hongos, plantas etc) para resolver un problema medioambiental

• Bioremediación = Aplicación de principios microbiológicos y de ingeniería para la descontaminación ambiental. Para degradar o transformar contaminantes (orgánicos o inorgánicos) tóxicos en compuestos no tóxicos para los seres superiores.

Área de la biotecnología ambiental que utiliza sistemas biológicos para catalizar la degradación y/o transformación de compuestos tóxicos del

medio ambiente a moléculas menos perjudiciales

7. Biodegradación y biorremediación y bioaumento


Se basa en la idea de que losmicroorganismos son capaces de utilizarlos compuestos de su hábitat para elcrecimiento y el metabolismo propio. Enesta característica descansa el principiode la bioremediación. Utilizar a losmicroorganismos para retirar loscontaminantes del medio ambiente oconvertirlos en formas menos tóxicas.Existe una gran diversidad demicroorganismos que realizan esteproceso como parte de su propiometabolismo.

Principios de la bioremediación7. Biodegradación y biorremediación y bioaumento


Ventajas de la biorremediación•Poco costosa

•Provocan poca alteración del medio

•Mineralización del compuesto

Inconvenientes de la biorremediación•Lentitud del proceso (limitación de los microorganismos)

•Dificultad en ciertos hábitat

•Especificidad



¿A qué debe su Eficacia?• A la gran diversidad de microorganismos existentes.

Supone grandes recursos para la limpieza del medio ambiente

• Generalmente son microorganismos autóctonos del ecosistema contaminado

• Los microorganismos degradadores aparecen de forma espontánea en ambientes contaminados

• Su aparición está favorecida por la difusión horizontal de genes en ambientes con gran presión selectiva



El problema



BIOREMEDIACIÓN

NATURAL (bioatenuación) IN SITU EX SITU

BIOESTIMULACIÓN BIOAUMENTO

FITOREMEDIACIÓN

Tipos y técnicas de bioremediación7. Biodegradación y biorremediación y bioaumento


Bioatenuación: No es en sentido estricto una técnica de bioremediación

Es la naturaleza la que reduce o elimina al contaminanteEl contaminante se degrada de forma natural con el tiempo.

Bioremediación natural o intrinseca

Ventajas:

• poco mantenimiento

• bajo coste

• Poca alteración del sitio

• Si en el lugar de actuación hay microorganismos degradadores

• Si hay condiciones de nutrientes y ambientales adecuadas

Inconvenientes:

• Proceso lento

• Con continua monitorización del sitio contaminado

• Requiere una caracterización previa del lugar.

• Puede producirse la migración de contaminantes a otros lugares

•No es eficaz a altas concentraciones de contaminantes


BIOREMEDIACIÓN

NATURAL (bioatenuación) IN SITU EX SITU

BIOESTIMULACIÓN BIOAUMENTO

FITOREMEDIACIÓN

Tipos y técnicas de bioremediación

• No se mueve el sitio contaminado y se ahorra costes

• Requiere más tiempo de actuación

• Requiere una caracterización previa que permita la eficacia del método

• No hay uniformidad de actuación por la variabilidad de los sitios contaminados

Se requiere crear condiciones adecuadas para el crecimiento de organismos descontaminantes (bioestimulación y fitoremediación) o la introducción de organismos adaptados a la degradación (bioaumento)


Bioestimulación:Estimulación de la microbiota autóctona proporcionando nutrientes o

condiciones adecuadas (pH, agua, temperatura, oxigeno..).

Nutrientes:Son requeridos para el crecimiento celular:

Suelen ser los factores limitantes de la actividad microbiana.

Agua:

Sirve como medio de transporte de los nutrientes.

Temperatura:

Afecta la actividad microbiana. También afecta a la pérdida de contaminantes por volatización

Donadores/ Aceptores de electrones:

Sistema de biorremediación de diseño subterráneo. Los nutrientes y el oxígeno se añaden al suelo para promover la degradación


Uso de cultivos microbianos seleccionados o modificados genéticamente con capacidad demostrada in vitro para la degradación de grupos específicos de contaminantes y para sobrevivir bajo condiciones medioambientales adversas.

También se utilizan microorganismos autóctonos aislados de los sitios contaminados, cultivados por separado y adicionados al sitio contaminado.

Cometabolismo utiliza microorganismos que al crecer sobre un compuesto produce enzimas que transforman químicamente otros compuestos sobre los que no pueden crecer.

Bioaumento:


FITOREMEDIACIÓNUtilización de plantas para descontaminar suelos: para eliminar, transferir, estabilizar y destruir contaminantes

LAS PLANTAS DE FORMA NATURAL:•Extraen y utilizan gran cantidad de agua

•Extraen nutrientes del suelo

•Obtienen su energía de la luz

•Estabilizan el suelo y sedimentos frente a la erosión

•Restauran la estructura y la materia orgánica del suelo


Procesos de fitoremediación• Fitovolatilización: Eliminación de contaminantes del suelo a la atmósfera a través de la planta

• Fitoestabilización: Producción de sustancias químicas por la planta que inmovilizan a los contaminantes y previenen la migración a aguas subterraneas

• Fitoextracción: Consumo del contaminante (generalmente metales) por la planta y cosecha e eliminanción de la planta contaminada.

• Fitodegradación: Metabolismo de los contaminantes por los tejidos de la planta. La planta produce enzimas (dehalogenasa y oxigenasa) que catalizan la degradación

• Rizodegradación: Metabolismo microbiano de contaminantes por la rizosfera.

Las enzimas de la raíz de la planta degradan los contaminantes orgánicos


FITOREMEDIACIÓN


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Ventajas:• Coste reducido• Método amigable con el

medio ambiente. Inconvenientes:• Periodo prolongado de tiempo

para obtener resultados• Produce residuos que hay que

eliminar

FITOREMEDIACIÓN

Physocarpus Aster Cirsium opulifolius novae-angliae discolor


BIOREMEDIACIÓN

NATURAL EX SITU IN SITU

LANDFARMING COMPOSTAJE BIOREACTORES

Tipos y técnicas de bioremediación


LAND FARMINGTécnica de bioremediación ex situ a gran escala que requiere la excavación del suelo contaminado se retira y se lleva a otro terreno limitado y preparado. Se controlan las condiciones del suelo para optimizar la degradación:

• Contenido en humedad: regado y drenajes• Aireación: arado frecuente de la tierra• pH (adición de caliza)• Adición de nutrientes: nitrógeno, fósforo, potasio (fertilizantes)

El suelo bioremediado puede ser utilizado en agricultura, en reforestación y otros usos


LAND FARMINGVentajas:• No produce residuos

• Poco costoso

• Poco impacto ambiental

Inconvenientes:• Se requiere mucho espacio

• Se ve influenciado por las condiciones medioambientales

• Deben tratarse previamente los contaminantes volátiles

• Requiere evaluación previa del suelo

• Puede provocar eliminación de contaminantes al aire

Contaminantes remediados:• Hidrocarburos del petróleo

• Pesticidas

• Conservantes de maderas


COMPOSTAJE

Este sistema también incluye un sistema de recolección de lixiviados y otro de tratamiento de aguas residuales

Es un tratamiento aeróbico y termófilo en el que el material contaminado se mezcla con materriales orgániccos para proporcionar la porosidad y el balance C/N que promueve la actividad microbiana termófila.Tipos:

•Apilamiento en pilas de volteo•Pilas estáticas de aireación forzada


COMPOSTAJEETAPAS:

1. Etapa mesófila (Tª ambiente hasta los 40ºC disminuye el pH ligeramente

2. Etapa termófila: hasta 70ºC mueren los microorganismos mesófilos y aparecen los termófilos (Degradación de solubles)

3. Etapa de enfriamiento: degradación de polímeros. Mueren los termófilos y de nuevo aparecen los mesófilos

4. Etapa de maduración


COMPOSTAJEVentajas:

1. Aplicable a la mayoría de compuestos orgánicos

2.La etapa termófila elimina a los patógenos por lo que se pasteuriza el residuo (compost)

3.Se genera un residuo de valor como fertilizante por lo que posee mayor rentabilidad económica que otros procesos.

Contaminantes remediados:• Suelos contaminados con PAHs

• Suelos con explosivos (TNT..)


9. Microorganismos como productos: nanobacterias, biosensores, biopesticida

• nanotecnología– e.g., Uso de estructuras 3-D de caparazones de diatomeas (de

silice)– e.g., Uso de magnetosomas de bacterias magnetotácticas en

resonancias Magnetica nuclear para la detección de cánceres


Biosensores• Organismos vivos, enzimas u orgánulos unidos a electrodos para la

detección de sustancias específicas– La detección se hace por conversión de los productos de la

reacción biológica en corriente electrica• Amplio número de aplicaciones




Biopesticidas• Agenties biológicos como bacterias, hongos o virus o sus componentes

que pueden utilizarse para matar insectos susceptibles


• Bacillus thuringiensis– Cuerpo parasporal

• Producido durante la esporulación como un cristal intracelular de proteina toxica

• Actua como insecticida biológico– Insecticida (Bt)

• A diferencia de otros insecticida quimicos es biodegradable y no se acumula en el ambiente


Toxina Bt

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