Biotehnologia Mediului

8/3/2019 Biotehnologia Mediului

1/44

Biotehnologia mediului

Biotehnologia are ca obiect utilizarea integrat a biochimiei, microbiologiei iingineriei pentru obinerea de bunuri industriale, agricole, proteciasntii sau protecia mediului folosind potenialul microorganismelor,

celulelor animale sau vegetale cultivate sau unor pri ale acestora

Obiective:

1. Eliminarea polurii existente n mediu (ap, sol, aer), prin

detecia contaminanilor i bioremediere.

Etapele reducerii polurii:- determinarea naturii compuilor chimici poluani

- determinare concentraiei acestora- alegerea metodei de bioremediere- tratamentul i ndeprtarea poluanilor din mediu prin metoda aleas

Monitorizarea polurii: bioindicatori, biomarkeri


2/44

2. Tratarea poluanilor rezultai din procese industriale, agricolesau casnice cror prezen nu poate fi prevenit.

Bioremedierea poate fi inclus ca etap tehnologic distinct nainte ca

apele sau gazele rezultate s fie eliminate n mediu.

Exemple:

- epurarea biologic a apelor reziduale casnice i a celor provenite din

anumite industrii (alimentar)- degradarea cu microorganisme a hidrocarburilor care ar putea poluamediul- eliminarea prin bioremediere a poluanilor de natur gazoas: bioxid desulf, oxizi de azot, bioxid de carbon

reducerea efectului de ser!


3/44


4/44


5/44

Microorganisme utilizate n biotehnologii

Condiii pentru ca o structur s poat fi considerat form de via:

s posede o membran celular care s o diferenieze de mediul

nconjurtor s fie capabil s se reproduc s fie capabil s realizeze nite activiti biochimice cunoscute sub

denumirea de metabolism s conin ADN, ARN i proteine

Microorganisme - acele organisme a cror mrime este mai mic de 0,1 mmi nu sunt vizibile cu ochiul liber

1. Procariote - nu au nucleu individualizat i nici membran nuclear -

virui, bacterii alge albastre, arheobacterii

2. Eucariote -organisme mai evoluate care au nucleu i membrannuclear strict individualizate fungii, drojdii


6/44

Bacterii

Organisme unicelulare formate dintr-o mas protoplasmatic, mrginit de omembran rigid, fr a avea un nucleu definit.

Forma: sfere (coci), bastonae (bacili), spirale (spirili)

Dimensiuni: 0,5-10 m, uzual n jur de 2 m

Structura celular a unei procariote


7/44

Fungii (mucegaiuri)

Organisme eucariote filamentoase

Caracteristici:

au aparat vegetativ (tal) bine difereniat n membran, citoplasm inucleu formeaz micelii (reele de hife) se dezvolt prin nmugurire n mod nelimitat, iar nmulirea are locprin sporulare

Conidii de PenicilliumHif


8/44

Drojdii

Ciuperci unicelulare, care se gsesc mai ales n sol

Caracteristici:

se pot nmuli prin diviziune (nmugurire) i prin spori. form rotund, eliptic sau alungit dimensiuni cuprinse ntre 4-20m

Celul de drojdie (imagine microscopic)


9/44

Alge

Alge verzi Alge roii


10/44

Selectarea i ameliorarea microorganismelor

Etapele selectrii i ameliorrii microorganismelor

Izolarea microorganismului sau alegerea sa din coleciile de culturi Testarea microorganismului prin realizarea unor culturi pure sau mixte

Ameliorarea microorganismului prin mutagenez sau inginerie genetic

Factorii de care depinde dezvoltarea microorganismelor

Factori fizici: temperatura, lumina, umiditatea, presiunea hidrostatic, agitarea,

radiaiile electromagnetice Factori chimici: concentraia substanelor nutritive anorganice i organice dinmediu, aciditatea mediului, prezena oligoelementelor i factorilor de cretere,concentraia metaboliilor i substanelor toxice

Factori biologici: organismele inferioare sau superioare existente n mediulrespectivRelaiile posibile cu alte organisme: simbioz, metabioz, antagonism,

neutralism


11/44

Ameliorarea microorganismelor prin

mutagenez i inginerie genetic

Mutanii- indivizi care difer de populaia speciei prin una sau mai multecaracteristici, care se transmit ereditar.

Mutagenez indus - folosirea de ageni mutageni fizici (radiaiile ultraviolete)sau chimici (etilenimina)

Ingineria genetic- modificarea materialului genetic (ereditar) al organismuluin scopul eliminrii unor caracteristici nedorite i inducerii altora dorite

Tehnica ADN recombinat - una sau mai multe gene ale unui organism suntizolate i introduse ntr-un alt organismAcidul dezoxiribonucleic (ADN) - macromolecul cu schelet polinucleotidic iform de dublu helix care conine ntr-o form codificat informaia necesarsintezei proteinelor i enzimelor, ct i pe cea privind replicarea materialuluigenetic necesar asigurrii reproducerii.Gena - un segment din macromolecula de ADN care acioneaz ca unitate

funcional i conine informaia necesar sintezei unei catene polipeptidice


12/44

Structura ADN


13/44

Obiectivele ingineriei genetice

1. Inserarea unei singure gene strine ntr-un alt organism, pentru a-i conferiacestuia o caracteristic nou

2. Alterarea modului n care acioneaz o gen existent n organismul dat,avnd ca rezultat modificarea anumitor caracteristici ale organismuluirespectiv

3. Inserarea unei gene n organismul gazd astfel ca acesta s produc uncompus anumit, n general o protein

Organisme modificate genetic (GMO)


14/44


15/44

c. Surse de energie i nutrieni

Tipuri de metabolism celularMetabolism - totalitatea reaciilor care au loc n celule avnd ca scop generareaenergiei i formarea componentelor necesare celulei

- catabolism- anabolism

Fotoautotrofie -folosirea energiei solare ca surs de energei i a bioxidului decarbon pentru construirea celulelorEx: plantele i algele

Fotoheterotrofie -folosirea ca surs de energie tot a energiei solare, nscomponentele celulei sunt construite pe seama unei surse de carbon organicEx: bacteriile verzi nesulfuroase

Chemoautotrofie - organismele care i procur energia din substane anorganiceiar ca surs de carbon folosesc bioxid de carbonEx: bacteriile nitrifiante

Chemoheterotrofie -utilizarea compuilor organici att ca surs de carbon ct i deenergie.Ex: majoritatea bacteriilor i eucariotelor (fungii, drojdii, animale)


16/44

Metabolismul microorganismelor chemoheterotrofe

Degradarea catabolic a hidrailor de carbon cu structur mai complex laglucoz, care este apoi degradat la rndul ei la bioxid de carbon i ap, cueliberare de energie. Energia metabolic rezultat este

nmagazinat sub form de ATP

Metabolismul aerob

substraturile organice sunt transformate in procese care au loc n mai multe etapentr-o serie de produse cu structur mai complex: acid citric, acid glutamic, lizin,proteine bioactive, antibiotice, biostimulatori, etc. sunt intens exoterme

Metabolismul anaerob (fermentaii)

n general sunt nsoite de degajarea unui gaz (bioxid de carbon) produc mai puin energie dect n cele aerobe produii de fermentaie obinui au n general cifr de oxidare mic i pot fi obinuipe mai multe ci metabolice:

- fermentaie alcoolic - rezult alcool etilic i bioxid de carbon- fermentaie homolactic - rezult acid lactic- metanogenez - rezult metan (i bioxid de carbon)


17/44

d. Temperatura

Optimul de temperatur al majoritii microorganismelor: 30-37C

Microorganisme mezofile - au temperatura optim de cretere ntre 15-45C:

Microorganisme capabile s triasc n condiii de temperatur extreme:

psichrofile - au optimul de temperatur la 15C i pot crete la 0C sau chiarmai jos dac au la dispoziie ap lichid

termofile - au optimul de temperatur ntre 45-60Chipertermofile - capabile s creasc la temperaturi de 80-110C.

e. pH-ul

Valoarea optim de pH pentru creterea microorganismelor se situeazn domeniul neutru (in jur de 7,0)

Tipuri care prefer condiii acide sau alcaline:acidofile - nu pot crete dect la valori de pH cuprinse ntre 1 i 4alcalifile - cresc la valori pH de peste 9


18/44

Realizarea de condiii sterile de cultivare

Sterilizarea termic: se face cu abur sau aer fierbinte

Sterilizarea cu radiaii (UV, raze X, etc.): sterilizarea aerului dinlaboratoare biologice sau unele secii de fabricaie

Sterilizarea prin filtrare: mai ales pentru aerul destinat aerrii

culturilor de microorganisme aerobe

Sterilizarea chimic: pentru utilaje, rezervoare, hale de fabricaie

- substane antiseptice

- substane dezinfectante


19/44

Dezvoltarea culturilor de microorganisme

nmulirea microorganismelor prin diviziune transversal


20/44

Fazele dezvoltrii unui microorganism

Faza de adaptare la mediu (sau lag = ntrziere n lb. englez) - celulelecresc n volum i sintetizeaz proteinele i materialul genetic, dar nc nu senmulesc.

Faza creterii exponeniale (sau log) - celulele se divid i are loc o cretereconstant a populaiei celulare care se dubleaz la intervale regulate, dupfiecare timp de generaie. Populaia este format din celule tinere, dar foartesensibile la factori nocivi.

Faza staionar (post-log) - datorit srcuirii mediului n resurse nutritivecreterea este mult ncetinit. Numrul diviziunilor scade mult i pe ansamblunumrul de celule rmne constant. Celulele sunt ns mai mature, mairezistente la factori nocivi i unele ncep s sporuleze.

Faza de declin - majoritatea celulelor mor, celulele sunt btrne isporuleaz intens.


21/44


22/44


23/44

Calculul vitezei de cretere

N

tXX 2

0 ====

dt

tN ====

dt

t

t

X

X2lnln

0

====

dd

t

ttt

XX 693,02lnlnln0 ========

Xt - numrul de celule prezente dup un anumit timp t

X0 - numrul iniial de celule

N -numrul de dublri n intervalul de timp

td - timpul de dublare (timpul de generaie)


24/44

Ecuaia Monod

SS CK

Cvv

S

++++

====max

vmax - viteza maxim de cretere n condiii optime

Cs - concentraia substratuluiKs - constant care exprim afinitatea microorganismului pentru substratul

respectiv (concentraia de substrat pentru care viteza de cretere estejumtate din cea maxim)


25/44

Bioremedierea

Definiia bioremedierii: procesul n care deeuri de natur organic sauanorganic sunt degradate n condiii controlate, pe cale biologic, pn la oform netoxic sau la un nivel de concentraie admis de legislaia in vigoare.


26/44

Contaminani importani

uzine de prelucrare a minereurilorcadmiu, plumb, mercurMetale grele

uzine chimicenitrofenol, clorfenolFenoli i clorfenoli

zone miniere, zone militaretrinitrotoluenExplozivi

aeroporturi, instalaii portuare, uzine

petrochimice

instalaii de gazeificare a crbunilor,

instalaii de producere i utilizare a

gudroanelor

benzen, toluen

compui aromatici polinucleari

Substane petrochimice

agricultur, uzine chimice, tratamentul

lemnului

compui organofosforiciInsecticide

tratamentul lemnuluipentaclorfenolFungicide

agricultur, uzine chimiceatrazin, araclor,

acid 2,4-diclorfenoxiacetic

IerbicideagriculturDDT, lindanPesticide

uzine chimice

curtorii chimice

cloroform, tetraclorur de carbon

tricloretilen

Solveni

Surse posibileExemple reprezentativeClase de contaminani


27/44

Evoluia poluanilor care ajung n mediu

Acumularein sol

Acumularein apa

Biodegradare Acumulare inlantul trofic

Biodegradare Acumularein sol

Acumularein atmosfera

Degradare

se adsorb nu se adsorb solubili in lipide insolubiliin lipide

nereactivi reactivi

solubili in apa insolubili in apa

nevolatili volatili

POLUANTI

nedegradabil nedegradabil


28/44

Decontaminarea solului

Metode tradiionale:ndeprtarea stratului contaminat i transportarea lui ntr-un deponeu special izolarea i acoperirea stratului contaminat

Metode fizico-chimice: incinerarea descompunerea chimic (Ex: declorurarea catalizat de baze, oxidareacatalizat de radiaii UV)

BioremediereControlul i optimizarea unui proces de bioremediere

- identificarea populaiei microbiene capabile s degradeze poluaniirespectivi,

- identificarea accesibilitii poluanilor pentru degradare- asigurarea condiiilor pentru biodegradare (compoziia i umiditateasolului, temperatur, pH, factori nutrieni, concentraie de oxigen,concentraii metale grele)


29/44

Microorganisme capabile s degradeze compuii poluani

Aerobe exemple: Pseudomonas,Alcaligenes, Sphingomonas, Rhodococcus iMycobacterium. Pot degrada pesticide, alcani, sau hidrocarburi aromatice i demulte ori pot utiliza asemenea compui drept singura surs de carbon i energie.

Anaerobe - Nu sunt la fel de mult folosite ca cele aerobe, dar exist anumite tipuricare au trezit mare interes. Exemplu: microorganismele care pot degrada compuibifenilici policlorurai care se gsesc n sedimentele unor ruri.

Fungii lignilolitice - Exemplu Phanaerochaete chrysosporium - pot crete pesubstraturi foarte comune ca paie sau coceni de porumb i pot degrada o marevarietate de contaminani persisteni


30/44

Strategii de bioremediere1. Folosirea de microorganisme indigene

2. Stimularea creterii microorganismelor indigene

Modaliti de stimulare favorizarea degradrii aerobe asigurarea unei cantitisuficiente de oxigen

temperatura mai ridicat va avea efect favorabil. adugarea unorsubstane fertilizante cu coninut de azot

pH-ulsolului - influeneaz att viteza de cretere amicroorganismelor ct i solubilitatea i prin aceastaaccesibilitatea compusului care trebuie degradat.

controlul coninutului de metale grele

3. Bioaugmentare4. Utilizarea de microorganisme manipulate genetic


31/44

Tehnici de bioremediere

Tehnici in situ (adic la faalocului)

Aratul solului- nivelul de

oxigenare al solului crete icontaminanii vor fi dispui n modmai uniform

Bioventilaia - favorizareaptrunderii aerului sau oxigenului

n sol pentru a crete activitateabiologic, concomitent cuevacuarea substanelor volatile


32/44

Tehnici de bioremediere - in situ

Biobarbotarea - injectarea de aer sub presiune sau oxigen pur n zonacontaminat, care poate fi sol sau ap


33/44

Tehnici de bioremediere - ex situ

Excavarea i ndeprtarea soluluicontaminat

Compostarea - combinarea soluluicontaminat excavat cu diferite deeuriagricole sau forestiere uor

biodegradabile i compostare conformtehnicii cunoscute

Utilizarea bioreactoarelorVariante constructive: cu agitare,

cu strat fix, cu strat fluidizat, cu nmolactiv, vase cilindrice (tobe) rotative


34/44

Schema flux a bioremedierii solului contaminat prinfolosirea unui bioreactor

sol poluat

excavarea solului

transportul soluluila bioreactor dezvoltarea culturii

sterilizare

cultur starterde microorganisme

Mediu de cultur(ap, nutrieni)

bioremedierea

n bioreactor

sol depoluat

ap, nutrieni

aer

aer

abur


35/44

Fitoremedierea

Avantaje

Poate fi utilizat pentru eliminarea anumitor compui toxici pe caremicroorganismele nu le pot degrada.

Este considerat cu 50-80% mai ieftin dect alte alternative, Este superioar estetic Solul nu trebuie excavat

Dezavantaje

Durata mai mare a procesului, care necesit cteva cicluri devegetaie, Prezena contaminailor poate reduce considerabil viteza de creterea plantelor

Plantele care au acumulat compuii toxici pot reprezenta un pericolpentru vietile slbatice i pot ajunge n lanul trofic.

Definiie: utilizarea plantelor pentru ndeprtareacontaminanilor i metalelor grele din sol i ap


36/44

Factor de bioconversie

Condiii ca o plant s poat fi utilizat pentru fitoremediere s tolereze poluantul respectiv s aib vitez mare de cretere i un randament ridicat pe hectar decultur s acumuleze compusul toxic (n general un metal) de preferin n

partea care se poate recolta s aib un factor de bioconversie ridicat

Definiia factorului de bioconversie: concentraia poluantului n plantraportat la cea din mediu.

Condiia ca o contaminare s fie redus la mai puin de 50% din valoareainiial n 10 recolte: planta respectiv s aib un factor de bioconversie decel puin 20.

Hiperacumulatori: plante care pot acumula de 50-100 ori mai multe metaledect plantele obinuite (aproximativ 400 de specii cunoscute).

Exemplu: Thlaspi caerulescens poate acumula 10-15.000 mg/kg Zn, dar

produce numai 2-5 t biomas/ha

Modaliti pentru realizarea fitoremedierii


37/44

Modaliti pentru realizarea fitoremedierii

Fitoextracie (Fitoacumulare) ndeprtarea contaminanilor saumetalelor din sol i stocarea lor n plante

Fitodegradare preluarea de ctre plante a compuilor organici dinsol, sedimente sau ape i degradarea lorFitovolatilizare trecerea poluantului prin corpul plantei, fiind apoivolatilizat prin frunze

Fitostabilizare transformarea unor specii moleculare n altele mai

puin toxiceFixarea unor poluani gazoi din atmosfer de ctre plante

Biofiltre pentru poluani gazoi


38/44

Biofiltre pentru poluani gazoi


39/44

Biotehnologiile ca alternative de tehnologii curate

Tehnologii curate - acele tehnologii care permit reciclarea substanelor,deeurilor sau valorificarea poluanilor ca materii prime secundare.

Domenii de aplicaie

obinerea de compui chimici (de tonaj mare i de sintez fin)

realizarea de procese industriale mai puin poluante obinerea de energie tratarea apelor reziduale i bioremedierea monitorizarea mediului agricultur


40/44

Direcii de dezvoltare

1. Utilizarea componentelor plantelor ca materii prime pentru produse

chimice sau ca mediu nutritiv pentru cultivarea microorganismelor:

hidrai de carbon, proteine, grsimi- 70 mil. t produse chimice se obin anual pe baz de plante

2. Obinerea de compui chimici care sunt metabolii ai microorganismelor:

etanol, glicerin, aceton, butanol, 1,3-propandiol, acid lactic, acid citric

3. Obinerea de polimeri biodegradabili de origine microbian:

acid polilactic, xantan, polihidroxialcanoai

- Anual se produc 150 mil. t mase plastice, din care 25 mil. t sunt

nedegradabili i se acumuleaz n mediu

Produse chimice obinute prin procedee biotehnologice


41/44


Etanolul

- se obine prin fermentaia zaharurilor cu drojdii- materie prim de baz n industria chimic, practic orice compus chimic putndu-se obinepornindu-se de la etanol.- bioetanol

Glicerina

- produs secundar al fermentaiei alcoolice- pentru a obine cantiti mari de glicerin, calea de metabolizare anaerob a zaharurilortrebuie modificat pentru a se produce cantiti mari de glicerin i nu de alcol etilic

Acetona i butanolul

- au fost produse prin fermentaie nc din anul 1914, cu bacterii din specia Clostridiumacetobutylicum pe baz de zaharuri, prin fermentaie aerob.Avantaje comparativ cu obinerea petrochimic:

- folosete materii prime regenerabile- prin inginerie genetic au fost create noi varieti de microorganisme care pot crete pereziduuri- cantitatea mare de ape reziduale care se formeaz nu mai reprezint un dezavantaj- procesul de fermentaie poate avea loc la 60C, iar solvenii produi pot fi izolai din

mediul de fermentaie prin evaporare pe msur ce se formeaz.



42/44


1,3-Propandiolul

- reprezint o materie prim important pentru obinerea unor polimeri,dar are i utilizri de solvent i lubrifiant.- obinerea pe cale biotehnologic a 1,3-propandiolului: din glucoz, cu otulpin de Escherichia colirecombinat

Acidul lactic

- se fabric industrial prin fermentaie cu bacterii lactice, din substraturi

ca glucoz, zaharoz (din melas), maltoz- este folosit ca materie prim pentru lacuri i diverse mase plastice.

Acidul citric

- se obine din culturi deAspergillus nigerprin fermentaie pe substraturi

de glucoz sau zaharoz- este utilizat n industria alimentar i n industria chimic

Polimeri de origine microbian


43/44

g

Xantanul polizaharid produs de microorganismulXanthomonas campestris

-se produce la un nivel de peste 20.000 toneanual i este utilizat mai ales n industria alimentar.

Polihidroxialcanoaii de diverse tipuri, de exemplu polihidroxibutiraii, produi deun foarte mare numr de specii bacteriene (ca Bacillus megaterium)

- se acumuleaz intracelular, ajungnd la un coninut de pn la 90% din greutatean substan uscat a celulei- pot fi produi din resurse regenerabile ( zaharoz, amidon, celuloz, trigliceride),produse secundare (melas, zer, glicerin) sau chimicale (acid propionic, acid4-hidroxibutiric).

- au dezavantajul c sunt casani i au stabilitatetermic sczut, de aceea se utilizeaz sub formde copolimeri, care au proprietti mai bune

Procese industriale curate realizate cu ajutorul


44/44

Procese industriale curate realizate cu ajutorulbiotehnologiilor

Decontaminarea unor materii prime

- desulfurizarea petrolului

- desulfurizarea crbunilorProcedee biocatalitice

- industria detergenilor- hidroliza amidonului la glucoz i alte zaharuri fermentescibile cu -amilaz iamiloglucozidaz- industria maselor plastice: hidroliza acrilonitrilului la acrilamid (materia primpentru fabricarea poliacrilamidei) cu enzima nitrilaz

Degradarea i reciclarea deeurilor

- epurarea biologic a apelor reziduale i obinerea de biogaz

Biotehnologia Mediului

Documents

Transcript of Biotehnologia Mediului