APLICACIÓ DELS BIOFILMS EN LA BIOREMEDIACIÓ D’AIGÜES RESIDUALS CONTAMINADES AMB MERCURI Queralt Güell Bujons. Grau Microbiologia. 2013-2014
Coure (Cu)
Níquel (Ni)
Plom (Pb)
Arsènic (As)
Cadmi (Cd)
Estany (Sn)
Cobalt (Co)
Crom (Cr)
Mercuri (Hg)
METALLS PESANTS
EL PAPER DELS MICROORGANISMES
1.Barkay, T., Wagner-Döbler, I. Adv. Appl. Microbiol. 57, 1–52 (2005).
2.Gaona Martínez, X. El mercurio como contaminante global. Universitat Autònoma de Barcelona (2004).
3.Health and Safety at Work. Minamata: the strange disease [Internet]. Available at: http://www.healthandsafetyatwork.com/hsw/minimata
4.Madigan, M.T., Martinko, J.M., Parker, J. et al. Biología de los microorganismos: Brock. (2003).
5.MTI Minas Castilla la Mancha. Mina de Almadén [Internet]. Disponible a: http://mti-minas-castillalamancha.blogspot.com.es/2008/02/minas-de-almadn.html
6.United Nations Environment Programme, Global Mercury Assessment. (2002).
7.Von Canstein, H., Kelly, S., Li,Y. et al. Appl. Environ. Microbiol. 68, 2829–2837 (2002).
8.Von Canstein, H., Li, Y., Leonhäuser, J. et al. Appl. Environ. Microbiol. 68, 1938–1946 (2002).
9.Von Canstein, H., Li, Y., Timmis, K.N. et al. Appl. Environ. Microbiol. 65, 5279–84 (1999).
10.Von Canstein, H. Li, Y., Wagner-Döbler,I. et al. Biotechnol. Bioeng. 74, 212–9 (2001).
11.Wagner-Döbler, I. Appl. Microbiol. Biotechnol. 62, 124–33 (2003).
12.Wagner-Döbler, I., Von Castein, H., Li, Y. et al. Environ. Sci. Technol. 34, 4628–4634 (2000).
INTRODUCCIÓ
Metilació
Oxidació
Degradació
CH3Hg+
Figura1. Esquema explicatiu del cicle del mercuri, on es troben destacats en taronja els processos en què
intervenen els microorganismes. 1. Volatilització 2. Oxidació 3. Reducció microbiana 4. Reaccions redox en
superfície 5. Oxidació microbiana/abiòtica 6. Metilació microbiana/abiòtica 7. Degradació microbiana (operó mer)/
abiòtica 8. Incorporació aigües/sòls 9. Degradació microbiana 10.Precipitació 11. Oxidació per Tiobacillus. Font
informació: 1,2,4,6
Badia de Minamata (Japó). Intoxicació
Zona minera d’Almadén (Espanya). Contaminació ambiental
INCIDENTS HISTÒRICS
Condicions anòxiques
Responsables:
δ-Proteobacteria / Metanògens
Sulfat reductors
Reductors ferro (Geobacter)
Condicions oxigenades
Responsables: Bacillus / Streptomyces
Desmetilació reductiva (operó mer)
Desmetilació oxidativa
Hg0 : volatilització
Hg2+ : cicles metilació/desmetilació
Detecció/Regulació: merR/merD
Transport i la mobilització: merP/merT/merC
Detoxificació enzimàtica:
merA (Hg2+ Hg0)
merB (CH3Hg+ Hg2+ Hg0)
RESISTÈNCIA
MICROBIANA
TÈCNIQUES
BIOREMEDIACIÓ
BIOREMEDIACIÓ. Els biofilms
Figura2. . Imatge d’un biofilm d’un reactor de
depuració de mercuri. S’observa la prevalença de
formes bacil·lars corresponents al gènere
Pseudoomonas, envoltades per una matriu
d’exopolisacàrids. Font: 8
Eficiència en bioremediació
Mètode. Reducció a Hg0 -> retenció al biofilm Catalitzador reacció. Biofilm de múltiples espècies Infraestructura. Bioreactor llit fix Matèria a tractar. Efluents indústria clor-alcalina
APLICABILITAT
A) Escalat. Disseny i resultats
Columnes laboratori Planta pilot Bioreactors laboratori
20 ml
Material suport.
Perles vidre silicat/ fibra
cel·lulòsica.
Inòcul.
Pseudomonas putida Spi3
Medi
Extracte llevat i sucrosa Font:9
Eficiència eliminació 90-99%
Màxim [Hg] suportable: 7-9mg/l
pH paràmetre crític
5,5cm 5,5cm
Material suport.
Fragments roca volcànica.
Inòcul.
9 soques Hg resistents
(α/γ- Proteobacteria)
Medi
Extracte llevat i sucrosa Font:10
7000ml
Reducció Hg
(bioreactor llit fix)
NaOH
Neutralització
(pH 6,5-7,5)
Carbó
actiu
Purificació (filtre
carbó actiu)
Material suport.
Fragments pedra tosca
Inòcul.
7 soques gènere
Pseudomonas
Medi
Extracte llevat i sucrosa Font: 12
Operació en bypass
Control paràmetres: [Hg],
O2, Cl2 , conductivitat,
pH, potencial redox, T
Eficiència eliminació 97%
[Hg] mínima bioreactor (50μg/l), filtre de
carbó actiu (10μg/l)
Operació estable, malgrat fluctuacions
B) Comunitats i poblacions
SISTEMA OBERT Colonitzacions externes
Inoculació soques resistents
Fluctuacions poblacions Pèrdua d’alguns membres inòcul
Xarxa de nínxols ecològics
amb diferents característiques
i resistències
• Més resistents protecció
més sensibles
• Recuperació espontània
després altes [Hg]
• Més estabilitat davant
estressos ambientals
• Més robustesa
C) Costos econòmics
COMUNITAT DIVERSA I DINÀMICA
Comunitat 4-5 soques
[Hg]: diversitat i abundància
Dominància gènere
Pseudomonas
Força selecció
principal [Hg]
[Hg]: diversitat i abundància
CONCLUSIONS REFERÈNCIES
• El mercuri genera una greu problemàtica sanitària i ecològica, a causa de la qual és necessari potenciar i incentivar la disminució de les emissions per la reducció dels reservoris de mercuri.
• La utilització de biofilms en bioremediació de mercuri és un mètode eficient, sostenible i econòmic. Aquestes característiques els defineixen com una solució real en l’eliminació de mercuri en aigües residuals, tot i que la seva aplicabilitat a grans escales necessita més estudis i investigacions.
• Els biofilms amb diversitat d’espècies són els més eficients i estables a l’hora d’operar en condicions ambientals canviants i davant d’estressos diversos.
Capacitat adaptació Resistència condicions adverses
Els objectius d’aquest treball són conèixer la problemàtica del mercuri i el potencial dels biofilms en bioremediació, estudiant conseqüentment l’aplicabilitat pràctica
d’aquests sistemes microbians per la remediació específica del mercuri en aigües residuals.
Zinc (Zn)
Figura3. Gràfic representatiu de l’operació d’un bioreactor inoculat amb un
biofilm de diverses espècies. Font: 7
OPERACIÓ BYPASS. Condicions: •[Hg] > 10mg/l •pH >7,5 / <6,5
•T > 47ºC •[Cl] > 0,5mg/l
.
Figura4. Gràfic representatiu de l’operació de la planta pilot en una
indústria clor-alcalina durant cinc dies. Es poden observar les
fluctuacions, el períodes d’operació en bypass (fletxes vermelles) i
les concentracions finals obtingudes que tot i estar influenciades per
la concentració Hg inicial, disminueixen fins als límits desitjats en
sortir de la planta. Font: 12
Les dades representades són les del biofilm més
estable i eficaç en comparació amb la resta de
biofilms, d’una sola espècie, avaluats en l’estudi.
3
5
Taula1.
Comparació
entre la tècnica
tradicional
(fisicoquímica) i
la biològica.
Font: 11
Font:8
Fonts
• Naturals
• Evaporació escorça i hidrosfera
• Emissions volcàniques
• Antropogèniques (majoritàries)
• Puntuals (indústria clor-alcalina aigües residuals)
• Difuses (amalgames dentals)
Formes
• Inorgàniques
• Elemental (Hg0)
• Iònic (Hg+/Hg2+)
• Orgàniques
• CH3Hg+ , CH3HgCH3
(majoritàries) • C + grup funcional
orgànic
Toxicitat
• Sanitària
• Unió grups –SH proteïnes: alteració funcions cel·lulars
• Afectació Sistema Nerviós Central i del Sistema Cardiovascular
• Ecològica
• Acumulació animals magnificació cadena tròfica
Eficiència eliminació 96%
480 dies d’operació efectiva
No afectació temperatura
Bombolleig disrupció mecànica
[Hg] mínima aconseguida: 140μg/l Biofilm de diverses espècies
Reducció a
Hg0 OPERÓ MER
δ