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• Laura Alejandra Vásquez

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ACTIVIDAD MICROBIANA EN PROCESOS DE DEGRADACIÓN BIOLÓGICA ELABORADO: Álvaro Iván Guevara Químico (UN) Especialista Química Ambiental (UIS)

METABOLISMO Término general que describe todas las actividades químicas de una célula. Se divide en catabolismo y anabolismo.

METABOLISMO CATABOLISMO: Incluye los procesos bioquímicos con los que se degrada un sustrato y se forman productos finales, mientras se libera energía. El sustrato es el alimento. En el tratamiento de aguas residuales el sustrato se oxida. El proceso de oxidación libera energía, la cual se transfiere a un portador que la almacena para que la bacteria la aproveche después. Algunas sustancias químicas que el catabolismo desprende las aprovechan las células bacterianas en sus funciones vitales.

ANABOLISMO: Incluye los procesos químicos mediante los cuales las bacterias sintetizan nuevos compuestos químicos necesarios para que las células vivan y se reproduzcan. El proceso de síntesis lo impulsa la energía almacenada en el portador de energía.

DESCOMPOSICIÓN DE RESIDUOS:

El tipo de receptor de electrones disponible para el catabolismo determina el tipo de descomposición que usa un cultivo mixto de microorganismos.

DESCOMPOSICIÓN AERÓBICA Características: •

El oxígeno moléculas (O2) actúa como receptor terminal de electrones.

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Los productos químicos finales de la descomposición son principalmente dióxido de carbono (CO2), agua y nuevo material celular.

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La producción de sustancias gaseosas malolientes es mínima.

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En los sistemas saludables de aguas naturales la descomposición aeróbica es el principal medio de auto-purificación.

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Debido a la gran cantidad de energía que se libera en la oxidación aeróbica, la mayoría de los organismos aeróbicos tiene altas tasas de crecimiento. Por lo tanto comparado con otros sistemas, los sistemas aerobios presentan una producción relativamente grande de nuevas células.

DESCOMPOSICIÓN ANÓXICA • La descomposición anóxica requiere que haya nitrato (NO3-) como receptor terminal de electrones, en ausencia de oxígeno molecular. La oxidación por esta ruta se llama desnitrificación.

• Los productos finales de la desnitrificación son principalmente nitrógeno gaseoso (N2), dióxido de carbono (CO2), agua y nuevo material celular. • La tasa de producción de células nuevas, aunque no es tan alta como en la descomposición aeróbica, es relativamente alta.

DESCOMPOSICIÓN ANAERÓBICA •

La descomposición anaeróbica requiere que no haya oxígeno molecular ni nitrato como receptores terminales de electrones. El sulfato (SO4-2), el dióxido de carbono y los compuestos orgánicos que se puedan reducir sirven como receptores terminales de electrones.

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La descomposición anaeróbica produce dióxido de carbono, metano y agua como productos finales principales. Otros productos finales que pueden aparecer son: amoniaco, sulfuro de hidrógeno y mercaptenos (un grupo de compuestos orgánicos con presencia de azufre). Como consecuencia de estos tres últimos compuestos, la descomposición anaeróbica se caracteriza porque produce muy mal olor.

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Ya que durante la oxidación anaeróbica se liberan cantidades relativamente pequeñas de energía, la cantidad de producción de células es baja. Por tanto, la producción de lodos también es baja.

DEGRADACIÓN AEROBICA Vs DEGRADACIÓN ANAERÓBICA

DEGRADACIÓN AEROBICA Vs DEGRADACIÓN ANAERÓBICA  La alta producción de nuevas células que se da en los sistemas aeróbicos, hace que en estos sistemas se genere más lodo biológico que en los sistemas de oxidación anaeróbica.  La descomposición aeróbica es el método de elección para grandes cantidades de aguas residuales diluidas (con menos de 500 mg/L de DBO5), ya que la descomposición es rápida, eficiente y tiene bajo potencial de mal olor.  Con respecto al agua residual concentrada (DBO5 mayor de 1000 mg/L) no es adecuada la descomposición aeróbica, debido a la dificultad de suministrar el oxígeno suficiente y a la gran cantidad de lodo biológico que se produce.

DEGRADACIÓN AEROBICA Vs DEGRADACIÓN ANAERÓBICA •

En núcleos urbanos o industrias pequeñas, donde se usan lagunas aireadas, se pueden tratar aguas con DBO5 hasta de 3000 mg/L en forma satisfactoria mediante descomposición aeróbica.

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La baja producción de lodos que se da en la degradación anaeróbica, se aprovecha en el tratamiento de aguas residuales, usando la descomposición anaeróbica para estabilizar los lodos producidos durante las descomposiciones aeróbicas y anóxicas.

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Aunque para residuos concentrados (DBO5 mayores de 1000 mg/L) la digestión anaeróbica es bastante adecuada, casi siempre se le debe dar un acabado a la depuración de agua con tratamiento aeróbico para cumplir con las normas de descarga.

ECOSISTEMA MICROBIANO

ECOSISTEMA MICROBIANO CULTIVOS PUROS: Son cultivos microbianos en los que sólo está presente una especie de microorganismos. CULTIVOS MIXTOS: Son cultivos microbianos en los que conviven muchas especies de microorganismos. Estas especies compiten y sobreviven dentro de los límites que les impone el entorno.

CRECIMIENTO DE POBLACIONES BACTERIANAS Las bacterias se reproducen por fisión binaria, de manera sexual o por gemación. Generalmente lo hacen por fisión binaria; la célula original se convierte en dos organismos nuevos. El tiempo requerido para cada división, conocido como tiempo de generación, puede variar desde menos de 20 minutos hasta varios días. Por ejemplo, si el tiempo de generación tarda 30 minutos, una bacteria podría generar 16’777.216 bacterias luego de un periodo de 12 horas, siempre y cuando pudiera continuar dividiéndose indefinidamente. En la realidad las cosas no ocurren así, pues las bacterias no continúan dividiéndose indefinidamente debido a limitaciones impuestas por su entorno.

ECOSISTEMA MICROBIANO Requisitos para el crecimiento de la población bacteriana: 1. Un aceptor terminal de electrones. 2. Macronutrientes. • Carbono para la formación de células. • Nitrógeno para la formación de células (presente en los aminoácidos de las proteínas y en las bases nitrogenadas de los ácidos nucleicos). • Fósforo para los transportadores de energía (ATP) y formación de células (presente en los grupos fosfato de los ácidos nucleicos). • Azufre para la formación de células (presente en algunos aminoácidos esenciales de las proteínas).

3. Micronutrientes. • Metales en traza. • Vitaminas.

4. Ambiente apropiado. • Humedad. • Temperatura. • pH.

CRECIMIENTO DE POBLACIONES BACTERIANAS

En condiciones óptimas una sola bacteria podría producir mas de dos millones en un lapso de 7 horas si cada microorganismo se dividiera en dos a un ritmo constante de 20 minutos.

CRECIMIENTO EN CULTIVOS PUROS El crecimiento de una población bacteriana tal como se lleva a cabo en un cultivo puro, realizado sobre medio líquido sintético que forma parte de un reactor tipo batch, comprende las siguientes fases: • • • • •

Fase de retardo, latencia o adaptación Fase de crecimiento acelerado Fase de crecimiento exponencial Fase estacionaria Fase de muerte

En estos casos el patrón de crecimiento es el número de bacterias.

CRECIMIENTO EN CULTIVOS PUROS

CRECIMIENTO EN CULTIVOS PUROS

FASE DE RETARDO, LATENCIA O ADAPTACIÓN

Fase en la cual las bacterias deben ajustarse al entorno y empezar la síntesis de nuevo protoplasma. Se inicia al agregar un inoculado a un medio de cultivo, y representa el tiempo que requieren los organismos para aclimatarse a su nuevo ambiente y empezar a dividirse. FASE DE CRECIMIENTO ACELERADO

Fase en la cual las bacterias comienzan a reproducirse. Puesto que no todos los individuos se reproducen al mismo ritmo, el incremento poblacional es gradual.

CRECIMIENTO EN CULTIVOS PUROS FASE DE CRECIMENTO EXPONENCIAL Fase en la cual la población de organismos es lo suficientemente grande y la división celular se da a un ritmo prácticamente constante. La reproducción es por fisión binaria (cada célula se divide para producir dos nuevas células), de modo que el incremento poblacional corresponde a una progresión geométrica: 1→2→4→8→16→32, y así sucesivamente. La población bacteriana (P) después de la enésima generación está dada por la expresión siguiente: 𝑷 = 𝑷𝟎 (𝟐)𝒏 Donde P0 es la población al final de la fase de crecimiento acelerado y n es el número de generaciones.

CRECIMIENTO EN CULTIVOS PUROS

FASE ESTACIONARIA

En entornos de laboratorio o ingeniería, la fase de crecimiento logarítmico da lugar a una nueva fase, denominada fase estacionaria, en donde se estabiliza la población microbiana debido a factores tales como los que se exponen a continuación: • • •

Se va agotando el sustrato (o los nutrientes necesarios para el crecimiento microbiano). Se acumulan productos secundarios tóxicos. Aparecen enfermedades o el espacio se vuelve limitado.

Así pues en algún punto la población se vuelve constante porque cesa la fisión celular o se equilibran las tasas de muerte y reproducción, esto quiere decir que el crecimiento de células nuevas se compensa con el número de células que van muriendo. La duración de esta fase puede ser muy variable, algunas veces prolongada y otras muy breve.

CRECIMIENTO EN CULTIVOS PUROS FASE DE MUERTE Después de la fase estacionaria, las bacterias empiezan a morir con mayor rapidez que la de su reproducción. Esta fase de muerte tiene diversas causas que, en esencia, son una extensión de las que originan la fase estacionaria. La fase de muerte corresponde a una curva de decaimiento exponencial. Cuando el crecimiento se mide en términos de masa bacteriana la fase de muerta suele coincidir con la denominada fase endogénica, en donde los microrganismos son forzados a metabolizar su protoplasma sin que haya reemplazo, debido a que la concentración de alimento disponible se encuentra al mínimo. Durante esta fase puede ocurrir el fenómeno conocido como lisis, en el cual los nutrientes que quedan en las células muertas pueden servir para suministrar alimento a las células restantes (crecimiento críptico). El proceso general en el cual se da una disminución neta de la masa celular se denomina respiración endógena, la cual se promueve en procesos de interés ambiental como la estabilización biológica de lodos provenientes de PTAR.

CRECIMIENTO EN CULTIVOS PUROS

CRECIMIENTO EN CULTIVOS PUROS

CRECIMIENTO EN CULTIVOS MIXTOS En el tratamiento de las aguas residuales, como en la naturaleza, no existen cultivos puros de microorganismos. La mayoría de los procesos de tratamiento biológico se componen de poblaciones mixtas, complejas e interrelacionadas, en donde cada tipo de microorganismo del sistema tiene su propia curva de crecimiento. Aunque las bacterias son los microorganismos de importancia fundamental, muchos otros organismos participan en la estabilización de los desechos orgánicos. En los cultivos mixtos compite una mezcla de especies que sobreviven dentro de los límites establecidos por el ambiente. La dinámica de población es el término con que se describe el éxito de las diversas especies en competencia en función del tiempo. Se expresa en forma cuantitativa en términos de masa relativa de microorganismos.

CRECIMIENTO EN CULTIVOS MIXTOS

Imagen tomada de: Metcalf-Eddy (1981). Tratamiento y depuración de las aguas residuales, 2° Edición., Editorial Labor. Barcelona.

CRECIMIENTO EN CULTIVOS MIXTOS Los factores principales que rigen la dinámica de las diversas poblaciones microbianas son: • • • • •

Las limitaciones de alimento y espacio. La competencia entre organismos por el alimento La relación entre depredador y presa. Factores ambientales como la temperatura y el pH Niveles de oxígeno disuelto (condiciones aerobias o anaerobias)

El éxito relativo de un par de especies que compiten por el mismo sustrato es función de su capacidad para metabolizar el sustrato. La especie con más éxito metabolizará el sustrato en forma más completa. Al hacerlo, obtendrá más energía para la síntesis, y en consecuencia, alcanzará una masa mayor.

RELACIONES ENZIMA - SUSTRATO EN EL METABOLISMO BACTERIANO El sustrato es el alimento. Para organismos heterótrofos corresponderá especialmente a materia orgánica biodegradable. Las enzimas son proteínas o proteínas combinadas con una molécula inorgánica o una molécula orgánica de bajo peso molecular. Las enzimas son los catalizadores biológicos, pues pueden aumentar en gran medida la velocidad de las reacciones químicas sin que su estructura química se vea alterada.

RELACIONES ENZIMA - SUSTRATO EN EL METABOLISMO BACTERIANO Las enzimas tienen un alto grado de eficiencia para convertir el sustrato en productos finales. Una molécula de enzima puede cambiar muchas moléculas de sustrato por minuto en productos finales.

Las enzimas tienen un alto grado de especificidad respecto al sustrato, lo que indica que la célula tiene que producir una enzima diferente por cada sustrato que utiliza. Una reacción enzimática puede representarse por la siguiente ecuación general:

(𝑺) (𝑬) + 𝑬𝒏𝒛𝒊𝒎𝒂 𝑺𝒖𝒃𝒔𝒕𝒓𝒂𝒕𝒐

𝒌𝟏 𝒌𝟐

(𝑬)(𝑺) 𝑪𝒐𝒎𝒑𝒍𝒆𝒋𝒐 𝑬𝒏𝒛𝒊𝒎𝒂 − 𝒔𝒖𝒔𝒕𝒓𝒂𝒕𝒐

𝒌𝟑 𝒌𝟒

+

(𝑷) (𝑬) + 𝑷𝒓𝒐𝒅𝒖𝒄𝒕𝒐 𝑬𝒏𝒛𝒊𝒎𝒂

Cuando las enzimas actúan como catalizadores forman un complejo con el sustrato, el cual es seguidamente transformado en un producto mientras que la enzima vuelve a quedar en su forma original. En este punto el producto puede combinarse con otra enzima, por lo que pueden formarse varios productos intermedios antes de que se produzca el producto final. En una célula viva, la transformación del substrato original en un producto final se consigue por un sistema enzimático de este tipo.

RELACIONES ENZIMA - SUSTRATO EN EL METABOLISMO BACTERIANO La actividad de las enzimas se ve sustancialmente afectada por el pH y la temperatura así como por la concentración del substrato. Cada enzima tiene una temperatura y un pH óptimos, que van a repercutir en el pH y la temperatura óptimos para la célula.

BIOENERGÉTICA EN EL METABOLISMO BACTERIANO Junto con las enzimas, se requiere energía para que se lleven las reacciones bioquímicas de las células. En la célula se libera energía mediante oxidación de la materia orgánica o inorgánica, o por reacción fotosintética. La energía liberada es capturada y almacenada en las células por ciertos compuestos orgánicos, siendo el compuesto de almacenamiento más frecuente el adenosín trifosfato (ATP). La energía capturada por este compuesto se utiliza para la síntesis, movilidad y mantenimiento de la célula.

El ATP y su papel crucial en diferentes sistemas biológicos como molécula portadora de energía.

BIOENERGÉTICA EN EL METABOLISMO BACTERIANO

Cuando la molécula de ATP ha consumido su energía en las reacciones de síntesis y mantenimiento de la célula, cambia a un estado descargado llamado adenosin difosfato (ADP). Esta molécula de ADP puede entonces capturar la energía liberada en la ruptura de materia orgánica e inorgánica, adoptando así de nuevo la forma de ATP.

BIOENERGÉTICA EN EL METABOLISMO BACTERIANO El metabolismo total de las células bacterianas involucra muchas reacciones catabólicas y anabólicas (todas ellas catalizadas por sistemas enzimáticos). La energía liberada en las reacciones catabólicas es capturada por el sistema catalizado por enzimas que incluyen al ATP y transferida entonces a través de este a las reacciones anabólicas (deficitarias de energía).

BIOENERGÉTICA EN EL METABOLISMO BACTERIANO

BIBLIOGRAFIA Metcalf-Eddy (1981). Tratamiento y depuración de las aguas residuales, 2° Edición., Editorial Labor. Barcelona. Metcalf & Eddy (1991). Wastewater Engineering Treatment,disponsal, reuse. 3° Edición., Editorial Mc Graw Hill. Davis, M., Cornwell, D. (1998). Introduction to Environmental Engineering. 3° Edición, Editorial Mc. Graw Hill. Nueva York. Davis, M., Masten, S. (2005). Ingeniería y Ciencias Ambientales. 1° Edición, Editorial Mc. Graw Hill. Mexico. Madigan, M., Martinko, J., Parker, J. (1999). Brock biología de los microorganismos. 8° Edición. Pentice Hall, Madrid. Orozco, C., Pérez, A., Gonzales, M., Rodriguez, F., Alfayate, J. (2003). Contaminación ambiental una visión desde la química, 1° Edición., Editorial Thomson. Madrid.