Lixiviado microbiano de minas minerales



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USO DE LOS MICROORGANISMOS EN LA MINERÍA Y BIORREMEDIACIÓN, MANEJO DE AGUAS RESIDUALES Y DESECHOS ORGÁNICOS

Jesús Plazas Saldaña

Universidad del Quindío, Armenia, Quindío, Colombia. Grupo de laboratorio de Microbiología; Facultad de Ciencias Básicas y Tecnologías.



LIXIVIADO MICROBIANO DE MINAS MINERALES

Los microorganismos ayudan a extraer metales valiosos de menas minerales.



Lixiviación del cobre

En presencia de sulfatos los metales pesados pueden ser eliminados por la acción de bacterias anaeróbicas reductoras de sulfatos tales como Desulfovibrio y Desulfotomaculum. Bajo condiciones anaeróbicas las bacterias utilizan fuentes de carbón tales como el ácido láctico para generar ácido sulfhídrico a partir de sulfato:



El ácido sulfhídrico reacciona con los metales presentes formando sulfuros metálicos insolubles:



El bicarbonato formado en la primera reacción se descompone en CO2 y H2O, incrementando el pH y favoreciendo la precipitación de sulfuros.

Bacterias como Thiobacillus ferrooxidans actúan como catalizadores y aceleran la tasa de oxidación de los minerales que contienen sulfuro, ayudando a solubilizar el metal. Los metales que se oxidan más fácilmente se prestan más a la lixiviación. Las menas de sulfuro de hierro y de sulfuro de cobre, como la pirotita (FeS) y la covelita (CuS), son lixiviadas fácilmente, mientras que las menas de plomo y de molibdeno lo son lixiviadas con mayor dificultad.

La mena se amontona en una gran pila de lixiviado, a través de la cual se hacer percollar una solución de ácido sulfúrico diluido (con un pH aprox.2). Se recoge el líquido que sale del fondo de la pila, rico en mineral y se transporta a una plata donde se precipita y purifica.



T. ferrooxidans es capaz de oxidar el Cu+ de la calcocita (Cu2S) a Cu2+, formando el mineral covelita (CuS). En esta reacción no se produce ningún cambio de valencia en el ion sulfuro. Las bacterias utilizan como fuente de energía la reacción de Cu+ a Cu2+. La covelita puede ser oxidada después, produciéndose sulfato y Cu2+ soluble.

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Figura 1. La reacción 1 es principalmente biológica (bacteriana), mientras que la 2 es, a la vez biológica y química. La reacción 3 es estrictamente química. Para que la reacción 3 siga adelante es esencial que el Fe2+ (de la oxidación de sulfuro en CuS a sulfato) sea reoxidada a Fe3+ por T. ferrooxidans y Leptospirillum ferrooxidans.

El hierro férrico reacciona con CuS y origina la solubilización del cobre y la formación de hierro ferroso. En presencia de O2, y con pH acido, T. ferrooxidans vuelve a oxidar el hierro ferroso a su forma férrica y este hierro se bombea hacia la parte superior de la pila, y así puede oxidar más sulfuro de cobre. El proceso mantiene funcionando mediante la oxidación de Fe2+ a Fe3+ que realiza la bacteria.

El enorme tamaño de las pilas hace que penetre poco oxígeno en ellas; aunque la mayoría de las reacciones requieren oxígeno, las reacciones de oxidación pueden realizarse porque Thiobacillus ferrooxidans puede usar como aceptor de electrones en ausencia de oxígeno. La temperatura en el interior de la carga de lixiviado a menudo aumenta como resultado de la actividad microbiana y esto genera un problema ya que T. ferrooxidans es mesófila.

Lixiviación del oro

El oro aparece frecuentemente asociado con minerales que contienen arsénico y pirita. T. ferrooxidans, T. thiooxidans y Leptospirillum ferrooxidans se utilizan para atacar y solubilizar el mineral de arsenopirita y en el proceso se libera oro. El oro es acomplejado con cianuro.



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Se realiza en biorreactores, el biolixiviado efectuado de esta forma libera más del 95% del oro atrapado. El arsénico y el cianuro son residuos tóxicos y ambos se eliminan en el biorreactor, el arsénico como un precipitado férrico y el cianuro mediante oxidación microbiana a CO2 y urea.



BIORREMEDIACIÓN

La biorremediación puede definirse como la degradación natural o biológica dirigida a la contaminación ambiental, se lleva a cabo normalmente por microorganismos y su actividad puede ser favorecida por el suministro de nutrientes o incrementando la población microbiana en un proceso conocido como bioincrementación.

Los contaminantes del medioambiente, están presentes como resultado de los efluentes industriales, aguas residuales domésticas, aguas de la minería, vertederos, descargas de residuos y vertidos accidentales. Estos contaminantes pueden encontrarse en mares, estuarios, lagos y suelos.

Residuos inorgánicos

Los metales y otros compuestos inorgánicos son procedentes de una serie de actividades, incluyendo la minería. Muchos metales son requeridos por los organismos vivos para su normal funcionamiento pero a altas concentraciones pueden llegar a ser tóxicos. Entre ellos se encuentran el mercurio, el plomo, el arsénico, el cadmio y el selenio. Muchos de esos oligoelementos llevan a cabo reacciones de oxidorreducción catalizadas por microorganismos.

Por ejemplo, el cobre es un micronutriente esencial (elemento traza) para las plantas, pero un exceso de cobre puede causar inhibición de la fotosíntesis, de la síntesis de pigmentos y daño a las membranas plasmáticas.

Transformación del mercurio

Aunque el mercurio se encuentra en concentraciones muy bajas, es un producto industrial muy utilizado y es el componente activo de muchos plaguicidas. Debido a su capacidad de acumulación en los tejidos vivos y a su alta toxicidad, el mercurio tiene una gran importancia desde el punto de vista ambiental. La explotación de yacimientos de mercurio y la incineración de combustibles fósiles liberan al ambiente unas 40000 toneladas anuales de mercurio. También es un producto secundario de la industria electrónica, especialmente en la fabricación de pilas y cables; de la industria química y de la incineración de residuos urbanos.

El mercurio elemental (Hg0) es la forma principal en la que se encuentra este elemento en la atmósfera. Es volátil, y se oxida fotoquímicamente a ion mercurio (Hg2+). La reacción microbiana es la metilación del mercurio (produce metilmercurio, CH3Hg+); es toxico y soluble, por lo que puede concentrarse a través de la cadena alimentaria acuática. El metilmercurio es unas cien veces más tóxico que el Hg0 o el Hg2+, se concentran en los peces y actúa como una potente neurotoxina.

El mercurio bivalente (Hg2+) y el metilmercurio (CH3Hg+) son tóxicos para los organismos superiores como para los microorganismos. Algunas bacterias llevan a cabo la biotransformación de formas tóxicas de mercurio a formas no toxicas. En bacterias Gram negativas resistentes al mercurio, la enzima reductasa mercúrica transfiere dos electrones de Hg2+ a reduciéndolo a Hg0.

Pseudomonas aeruginosa es una bacteria Gram negativa, su resistencia al mercurio se debe a que posee un plásmido que contiene genes mer para la resistencia a dicho metal. Los genes mer están bajo el control de la proteína reguladora MerR.

Los plásmidos aislados de microorganismos Gram positivos y Gram negativos del dominio Bacteria codifican algún tipo de resistencia a metales pesados. Ciertos plásmidos que confieren resistencia a antibióticos también tienen genes para la resistencia al mercurio y al arsénico. Otros plásmidos codifican sólo la resistencia a metales pesados.



Staphylococcus aereus posee resistencia al mercurio, al cadmio, al arsenato y al arsenito. La resistencia al arsenato y al cadmio se debe a la acción de enzimas que expulsan inmediatamente todos los iones de arsenato o cadmio incorporados, evitando así que los metales desnaturalicen las proteínas.

Residuos procedentes del petróleo

El petróleo crudo es una mezcla compleja y variable de compuestos orgánicos. La mayoría de los compuestos del crudo son hidrocarburos; los dos grupos principales de hidrocarburos aromáticos son los monocíclicos (BTEX) y los hidrocarburos policíclicos (PAHs) tales como naftaleno, antraceno y fenantreno.

Una gran variedad de bacterias, diversos mohos y levaduras, y algas verdes pueden oxidar hidrocarburos aeróbicamente. El metano el hidrocarburo más sencillo es degradado por bacterias metanotróficas.

Biorremediación de los vertidos de crudo en el mar

Cuando se libera crudo en el mar por pérdidas de los tanques de almacenamiento o los vertidos por accidentes durante su transporte, éste no se mezcla con el agua marina y flota en la superficie. El crudo flotante si no alcanza la costa, se dispersará debido a la acción de las olas. La dispersión permitirá que microorganismos capaces de degradar los hidrocarburos puedan degradar el crudo vertido. El crudo se considera un producto natural y como tal se considera biodegradable.

La primera etapa en la recuperación y limpieza de un vertido petrolífero es detener la liberación y contener el vertido. La superficie del crudo puede ser eliminada mecánicamente con succionadores en las áreas arenosas y en las costas rocosas se suele intentar un lavado del crudo al mar pero los detergentes pues ser tan dañinos para el medioambiente como lo es el petróleo. Estos métodos no pueden eliminar todo el crudo y por lo tanto el crudo que queda debe ser eliminado por biorremediación. El crudo puede ser eliminado por la población microbiana en el mar y en la costa, ya que los microorganismos capaces de utilizar hidrocarburos como fuente de carbono y energía se encuentran ampliamente distribuidos. Las fracciones de hidrocarburos volátiles se evaporan rápidamente, quedando los componentes aromáticos y alifáticos de cadena larga para que sean eliminados por los organismos; actúan oxidando el petróleo a CO2.

Los microorganismos oxidadores de hidrocarburos crecen rápidamente sobre la superficie del petróleo y la actividad es más extensa si las condiciones ambientales como temperatura y nutrientes inorgánicos (N y P) son las adecuadas.

La biodegradación de los hidrocarburos está asociada con el metabolismo y crecimiento microbiano. La degradación aeróbica de los hidrocarburos es considerablemente más rápida que el proceso anaeróbico, de modo que un suministro de oxígeno será preciso para mantener las condiciones aeróbicas si se quiere una degradación rápida. La temperatura afecta el crecimiento microbiano, así que a bajas temperaturas la velocidad de degradación será lenta. El pH del suelo afectará al crecimiento bacteriano y a la solubilidad del compuesto que debe ser degradado.

La velocidad de degradación de los hidrocarburos también dependerá de la estructura de los compuestos. Los compuestos más simples alifáticos y aromáticos monocíclicos se degradan rápidamente, pero estructuras más complejas tales como los PAHs pueden persistir durante algún tiempo.

Biorremediación de suelos

Los suelos contienen un gran número de bacterias y hongos, cianobacterias y algas que son capaces de degradar hidrocarburos.

Los compuestos petroquímicos, PAHs y BTEX son degradados por los microorganismos del suelo que los utilizan como fuente de energía y de compuestos carbonados para la síntesis celular. Los hidrocarburos son compuestos reducidos estables y por lo tanto la degradación ocurre mediante oxidación bajo condiciones aeróbicas o anaeróbicas.

Los hidrocarburos alifáticos, aromáticos monocíclicos y policíclicos pueden ser degradados anaeróbicamente siempre que el oxígeno pueda ser obtenido del agua bajo condiciones metanogénicas, a partir del nitrato bajo condiciones nitrificantes y a partir del sulfato bajo condiciones reductoras de azufre. Los hidrocarburos se transforman en compuestos que pueden entrar en el ciclo de Krebs.

Los compuestos monocíclicos, como es el caso del benceno, son primero hidroxilados por una enzima deoxigenasa a cis-1,2-dihidroxi-1,2-dihidrobenceno, que después es convertido en catecol. El catecol puede seguir dos rutas: escisión en orto, que da lugar a cis, cis-muconato, mientras que la escisión en meta da lugar a semialdehído 2-hidroximucónico. Ambas rutas dan lugar a compuestos que pueden entrar en ciclo de Krebs.





Figura 2. Ruta de degradación del benceno (Glazer and Nikaido, 1994).

Compuestos sintéticos orgánicos

Estos compuestos orgánicos son denominados xenobióticos, algunos de estos productos son los pesticidas (biocidas), herbicidas y conservantes. La mayoría son liberados al medioambiente a través de su uso directo, frecuentemente se encuentran las aguas subterráneas contaminadas con solventes clorados como el tricloroeteno, tetracloruro de carbono y tetracloroeteno. Muchos de los compuestos xenobióticos pueden ser degradados por microbios, pero otros solo pueden eliminarse lentamente.

La persistencia de los xenobióticos en el medioambiente se debe a toxicidad para los microorganismos. La tasa de degradación de los xenobióticos en el suelo y en el agua también depende de la presencia de microorganismos con capacidad enzimática para degradar las moléculas. Debido a que los xenobióticos no se encuentran normalmente en la naturaleza, el nivel de microorganismos capaces de degradarlos puede ser muy bajo. En muchos casos se requiere un periodo de adaptación antes de que ocurra la degradación.

Se han encontrado organismos capaces de degradar xenobióticos en suelos y sedimentos, particularmente en lugares contaminados, e incluyen las bacterias, hongos y algas. Algunos xenobióticos son oxidados completamente a CO2, otros pueden ser degradados parcialmente si en el ambiente hay algún tipo de materia orgánica que pueda servir de fuente de energía primaria.

El pentaclorofenol (PCP) es un herbicida y fungicida utilizado en la conservación de la madera, puede ser degradado por microorganismos en condiciones aeróbicas y anaeróbicas incluyendo Flavobacterium, Arthrobacter, Rhodococcus y el hongo blanco Phanerochaete chryososporium.

Decloración reductora

Los compuestos orgánicos clorados se utilizan como aceptor terminal de electrones en condiciones anóxicas. Ocurre la transformación de compuestos clorados en metabolitos inocuos.

Las bacterias del género Desulfomonile se encargan de la reducción de clorobenzoato a benzoato.



Degradación de compuestos aromáticos clorados mediante oxigenasas

En la degradación aeróbica del plaguicida 2,4,5-T por Burkholderia cepacia, después de la decloración una enzima dioxigenasa rompe el anillo aromático generando compuestos (succinato y acetato) que son catabolizados en el ciclo del ácido cítrico.

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Figura 3. Vía de la degradación aeróbica de 2,4,5-T.
Uso de los microorganismos en el manejo de aguas residuales
Aguas residuales:
Tipo de agua que está contaminada con sustancias fecales y orina, procedentes de desechos orgánicos humanos o animales. Su importancia es tal que requiere sistemas de canalización, tratamiento y desalojo.
Todas las aguas naturales contienen cantidades variables de otras sustancias en concentraciones que varían de unos pocos mg/litro en el agua de lluvia a cerca de 35 mg/litro en el agua de mar. A esto hay que añadir, en las aguas residuales, las impurezas procedentes del proceso productor de desechos, que son los propiamente llamados vertidos.

Las aguas servidas están formadas por un 99% de agua y un 1% de sólidos en suspensión y solución. Estos sólidos pueden clasificarse en orgánicos e inorgánicos.



  • Los sólidos inorgánicos están formados principalmente por nitrógeno, fósforo, cloruros, sulfatos, carbonatos, bicarbonatos y algunas sustancias tóxicas como arsénico,cianuro, cadmio, cromo, cobre, mercurio y zinc.

  • Los sólidos orgánicos se pueden clasificar en nitrogenados y no nitrogenados. Los nitrogenados, es decir, los que contienen nitrógeno en su molécula, son proteínas, ureas, aminas y aminoácidos. Los no nitrogenados son principalmente celulosa, grasas y jabones.

Clasificación de las aguas residuales:


  • Agua residual doméstica:

Residuos líquidos provenientes de viviendas o edificaciones comerciales o institucionales.

  • Agua residual industrial:

Vertimientos líquidos provenientes de procesamientos de recursos naturales.

  • Aguas residuales municipales:

Residuos líquidos transportados por el alcantarillado de una localidad.
Tratamientos biológicos de las aguas residuales
Se basan en la utilización de organismos vivos (microorganismos), tales como bacterias, hongos e incluso macrófitos (plantas).

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El tratamiento de aguas residuales consiste en una serie de procesos físicos, químicos y biológicos que tienen como fin eliminar los contaminantes presentes en el agua efluente del uso humano. El objetivo del tratamiento es producir agua limpia (o efluente tratado) o reutilizable en el ambiente y un residuo sólido o fango (también llamado biosólido o lodo) convenientes para su disposición o reuso. Es muy común llamarlo depuración de aguas residuales para distinguirlo del tratamiento de aguas potables.


Efectos de las aguas residuales


Papel de los microorganismos
Los microorganismos se pueden utilizar para descomponer contaminantes en aguas residuales. Este tipo de tratamiento de agua se denomina tratamiento biológico del agua. Durante el tratamiento biológico del agua los microorganismos descomponen la materia orgánica del agua, nitratos y fosfatos.

La estabilización de la materia orgánica se obtiene biológicamente por medio de una variedad de microorganismos que convierten la materia coloidal y orgánica en distintos gases y protoplasma. Como éste tiene una gravedad específica un poco mayor que la del agua, se elimina del líquido tratado mediante sedimentación por gravedad.

Es importante destacar que no se logrará el tratamiento completo a menos que salga de la solución el protoplasma producido a partir de la materia orgánica, ya que el protoplasma, aunque es orgánico, se contará demanda biológica de oxígeno (DBO) en el efluente. Si no se elimina el protoplasma, el único tratamiento que se aplicará es el asociado con la conversión bacteriana de una parte de la materia orgánica presente originalmente en diversos productos finales gaseosos.
La DQO es “la cantidad de oxígeno necesario para oxidar la materia orgánica por medios químicos y convertirla en dióxido de carbono y agua”.

La DQO se utiliza para medir el grado de contaminación y se expresa en miligramos de oxígeno diatómico por litro (mgO2/l).

Cuanto mayor es la DQO más contaminante es la muestra.

Las concentraciones de DQO en las aguas residuales industriales pueden tener unos valores entre 50 y 2000 mgO2/l, aunque es frecuente, según el tipo de industria, valores de 5000, 1000 e incluso más altos.


La D.B.O. es “la cantidad de oxígeno que los microorganismos, especialmente bacterias (aeróbias o anaerobias facultativas: Pseudomonas, Escherichia, Aerobacter, Bacillus), hongos y plancton, consumen durante la degradación de las sustancias orgánicas contenidas en la muestra”.

La DBO se utiliza para medir el grado de contaminación y se expresa en miligramos de oxígeno diatómico por litro (mgO2/l). Como el proceso de descomposición varía según la temperatura, este análisis se realiza en forma estándar  durante cinco días a 20 ºC; esto se indica como D.B.O5.

Cuanto mayor sea la contaminación, mayor será la D. B. O.

La D. B. O. proporciona una medida sólo aproximada de la materia orgánica biodegradable presente en las aguas residuales.

Agua Pura............................................................ 0 - 20 mg/lt

Agua Levemente Contaminada....................... 20 - 100 mg/lt

Agua Medianamente Contaminada ................100 - 500 mg/lt

Agua Muy Contaminada ............................. 500 - 3000 mg/lt

Agua Extremadamente Contaminada .... 3000 - 15000 mg/lt

Relación entre D. Q. O y D. B. O

El valor de la D. Q. O. siempre será superior al de la D. B. O. debido a que muchas sustancias orgánicas pueden oxidarse químicamente pero no biológicamente.



Clasificación de los microorganismos

De acuerdo a sus niveles tróficos (fuente de energía y de carbono y su relación con el oxígeno).

Según su régimen predilecto de temperatura:


    • Psicrófilas: 20°C

    • Mesófilas: 25°C - 40°C

    • Termófilas: 45°C – 60°C

    • Estenotermófilas: 60°C



Organismos en el tratamiento de aguas residuales
BACTERIAS:


  • Las bacterias anaerobias

Funcionan en los sistemas cerrados como los tanques sépticos. Consumen residuos orgánicos y excretan metano y gas sulfuro de hidrógeno, que son tóxicos. El agua residual entra en el tanque séptico, donde se asienta a medida que se separa en una capa de espuma, una capa media de agua "limpia" y una capa de lodo. El trabajo de las bacterias en la capa de lodo es alimentarse de tantas partes comestibles de los residuos como sea posible. Los restos no comestibles son bombeados periódicamente. El agua en la capa media se mantiene llena de bacterias y virus dañinos, de modo que todavía requiere de filtrado. El agua entra en las líneas de lixiviación, que es un sendero que serpentea por tubos perforados bajo tierra, donde el suelo filtra el agua que se filtra hacia el suministro de agua subterránea o se evapora en el aire.

  • Las bacterias aeróbicas

Las bacterias aeróbicas o aerobias operan en sistemas abiertos que suministran una cantidad inmediata de oxígeno disponible. Ejemplos de esto incluyen los humedales y los estanques de retención de aguas residuales. Estas bacterias consumen los residuos orgánicos y el oxígeno, y expulsan agua y dióxido de carbono como productos de desecho. Estas bacterias desempeñan un papel vital en los ecosistemas como los humedales, ya que crean el dióxido de carbono necesario para regar las plantas para que crezcan y ayuden a mantener los niveles de agua consumidos por la evaporación.

El proceso natural de la limpieza del agua se consigue gracias a una bacteria que se alimenta de los desechos que contienen las aguas servidas. Gracias a esta bacteria aparece en los sistemas de tratamiento de aguas por medio biológicos de biodigestion, donde por medio de diversos métodos se pone en contacto esta bacteria con el agua para acelerar el procesos natural. Utilizando una película fija de bacteria en diversas piezas de ingenierías distintas (estudiadas para tener mejor contacto con el agua a la hora de limpiarla) el agua se pone en contacto con la bacteria para provocar una biodigestion mucho más rápida que el proceso natural.


HONGOS
Los hongos ligninolíticos han desarrollado un sistema enzimático único y no específico que funciona en el ambiente extracelular. El mecanismo del sistema degradador de lignina está basado en la producción de radicales libres. Este mecanismo permite que estas enzimas sean catalíticamente activas sobre una gran diversidad de sustratos orgánicos. La enorme diversidad
estructural de los contaminantes que son degradados por estos hongos, les confiere un uso potencial en biorremediación.

Enzimas ligninolíticas de hongos A partir de los estudios realizados con hongos ligninolíticos en los años setenta, se comprobó que la degradación de la lignina daba lugar a productos que provenían de la ruptura


oxidativa de anillos aromáticos. Por lo que se pensó que las oxigenasas extracelulares podían estar involucradas en la transformación de la lignina. Algunos años después, tres grupos reportaron de manera independiente, el descubrimiento de una ligninasa capaz de oxidar y despolimerizar la lignina y compuestos modelo, y cuya actividad enzimática depende del peróxido de hidrógeno.
Estudios espectroscópicos mostraron que esta ligninasa era distinta de las oxigenasas P450, compartía algunas características con las
hemoproteínas transportadoras de oxígeno y que era en realidad una peroxidasa. A esta enzima se le denomina ahora como lignino peroxidasa (LiP).
ALGAS:
Las microalgas que se utilizan en el tratamiento de aguas residuales se caracterizan por soportar elevadas concentraciones de nutrientes contenidos en las aguas residuales, los cuales son requeridos para el desarrollo y crecimiento poblacional, por los que los microorganismos presentan ciertas adaptaciones para poder sobrevivir en estos medios.

Las algas, utilizan dióxido de carbono para crecer que luego transforman en oxígeno. Ahí ya tenemos una ventaja para utilizarlas en las aguas residuales, ya que forman una simbiosis con las bacterias, tan necesarias para eliminar los contaminantes orgánicos.

Presentan también una actividad metabólica elevada, una capacidad de resistir variaciones ambientales y un desarrollo de cultivo en fase exponencial, con la afinidad de tolerar altas concentraciones de nutrientes inorgánicos.
PROTOZOARIOS:

Los protozoos son considerados como bioindicadores del estado de funcionamiento de las depuradoras de aguas residuales, destacando en la detección y prevención de variaciones en la continuidad de los procesos. Son los principales consumidores de las poblaciones bacterianas en los sistemas acuáticos e intervienen en la formación de coágulos sedimentables. En resumen, son fundamentales en los sistemas de depuración biológica de las aguas residuales. 

Los protozoos son organismos unicelulares que presentan todas las estructuras necesarias para realizar sus funciones vitales. Son de dimensiones microscópicas variables entre las 10 micras y varios milímetros. Su interior celular está diferenciado por el núcleo, donde se aloja el material genético y el citoplasma. 

El metabolismo de los protozoos es la base de su actuación en la depuración de las aguas; primero por el consumo directo de materia orgánica disuelta en el agua y de las poblaciones bacterianas que se desarrollan en el medio, lo cual provocará posteriormente la formación de flóculos:

Protozoos acumulaciones de materia, a través de la excreción de materiales mucilaginosos. 

En los medios acuáticos, los protozoos, junto con las formas fotosintéticas, juegan un importante papel como productores primarios de las redes alimentarias. Este proceso se desarrolla en dos fases; mineralización del medio, caracterizada por una disminución de la materia orgánica y, la segunda de saneamiento, en la que disminuye la concentración de bacterias y de sales. Durante la mineralización, aumenta la concentración de bacterias y de protozoos que van a descomponer la materia orgánica, a la vez que excretan sales minerales que remineralizarán el agua. Posteriormente se desarrollan otro tipo de protozoos que se alimentan de bacterias, como son los ciliados, rotíferos y nematodos, que van a hacer disminuir la población bacteriana, reducen la cantidad de sales minerales del medio y sirven de soporte a otras poblaciones superiores. 

Para su desarrollo ingieren la materia orgánica disuelta en el agua y las colonias de bacterias, formando en su interior vacuolas digestivas, repletas de enzimas encargadas de la degradación del alimento en el caso de los organismos heterótrofos, o a través de citoplasma cromatóforo, orgánulos con función fotosintética, en el caso de los autótrofos. 

Los productos de excreción, que salen del cuerpo de diversa manera, formarán los flóculos, que son agregaciones de partículas minerales, materia orgánica, bacterias y protozoos en el seno de la matriz mucilaginosa, la cual presenta la particularidad de ser pegajosa. Estos flóculos serán fácilmente decantables en procesos de depuración de aguas residuales convencionales. 


ROTIFEROS:

Los rotíferos son animales multicelulares, aeróbicos, heterotróficos. Su nombre es originado del hecho que poseen dos juegos de antenas rotatorias, las cuales giran y les comunican movimiento para capturar su alimento. Los rotíferos son muy eficientes consumiendo bacterias dispersas y floculadas, así como partículas pequeñas de material orgánico. La presencia de rotíferos en el agua depurada indica una alta eficiencia en el proceso aeróbico de purificación.
Plantas macrófitas para estanques

Un ejemplo de estas plantas macrófitas para estánques son:



  • Typha (espadañas)

  • Phragmites australis (carrizo)

  • Iris pseudoacorus (lirio amarillo)

  • Scirpus holochoenus (junco churrero)

  • Scirpus lacustris (junco de laguna)

  • Juncus acutus (junco redondo)

  • Juncus effusus (junco fino)

  • Lythrum salicaria (arroyuela)

  • Carex riparia (carex de las riberas)

Aunque en esta ocasión hablamos del uso de plantas macrófitas para estanques, su principal uso está indicado en el mercado de la fitodepuración. Mediante esta técnica, estas plantas translocan oxigeno desde la parte aérea hasta las raíces, favoreciendo el establecimiento de colonias de microorganismos que contribuyen a la eliminación de contaminantes así como su capacidad de absorción de nitrógeno, fósforo y metales pesados, contribuyendo de esta manera a la mejora de la calidad de las aguas.

Así, algunos usos industriales de las plantas macrófitas cultivadas proporcionan alimento tanto animal como humano, con especies tan importantes como el arroz, la producción de biomasa (pasta de celulosa, biocombustibles…), la depuración de aguas residuales, la fertilización y mejora de suelos, etc.
Descomposición de residuos
El tipo de reaceptor de electrones disponible para el catabolismo determina el tipo de descomposición que usa un cultivo mixto de microorganismos.


  • Descomposición aeróbica

  • Descomposición anóxica

  • Descomposición anaeróbica

Descomposición aeróbica:



  • Principal medio de autopurificación.

  • Debido a la gran cantidad de energía que se libera en la oxidación aeróbica, la mayoría de los organismos aeróbicos tienen altas tasas de crecimiento.

Descomposición anóxica:

  • La tasa de producción de células vivas es relativamente alta.

Descomposición anaeróbica:

  • Requiere que no haya oxígeno molecular ni nitrato.

  • Fermentación, un proceso de dos pasos. En el primero hay formación de ácidos volátiles y el en el segundo , los ácidos orgánicos se convierten en metano.

La descomposición anaeróbica se divide en cuatro etapas diferentes:





Fase hidrolítica

Fase acidificante

Fase acetogénica

Fase metanogénica

Hidrólisis de grasas, carbohidratos y proteínas.

Los ácidos grasos son convertidos en acetato, hidrógeno y dióxido de carbono.

Los ácidos orgánicos son convertidos en acetato y dióxido de carbono.

Formación de metano por bacterias metanogénicas.

Clostridium

Eubacterium

Bacterioides

Peptococcus

Propionbacterium

Syntrophobacter

Desulfovibrio

Syntrophomonas

Methanobateirum

Methanobacillus

Methanococcus

Methanosarcina

MICROORGANISMOS QUE AYUDAN A LA DEGRADACIÓN DE MATERIA ORGÁNICA.

DESECHOS ORGÁNICOS

Los organismos del suelo, usan los residuos de las plantas y los animales y los derivados de la materia orgánica como alimentos. A medida que descomponen los residuos y la materia orgánica, los nutrientes en exceso (nitrógeno, fósforo y azufre) son liberados dentro del suelo en formas que pueden ser usadas por las plantas (disponibilidad de nutrientes). Los productos de desecho producidos por los microorganismos contribuyen a la formación de la materia orgánica del suelo.

La adición continua de residuos de plantas y otra materia orgánica por medio de su transformación por los organismos del suelo, proporciona capacidad para la autorrecuperación de la arquitectura del suelo que ha sido dañada. La parte viva del suelo es responsable de mantener la disponibilidad de agua y aire, proveer nutrientes a las plantas, destruir a los agentes contaminantes y mantener la estructura del suelo. Consecuentemente, el suelo puede almacenar más agua y actuar como sumidero de dióxido de carbono.



Los microorganismos, tales como las bacterias, y los invertebrados grandes como las lombrices de tierra y los insectos, ayudan a descomponer los residuos de los cultivos mediante su ingestión y mezcla con el mineral madre del suelo; en el proceso reciclan energía y nutrientes de las plantas.

Las bacterias descomponen los sustratos de fácil uso, los compuestos de carbono simple tales como las exudaciones de las raíces y los residuos frescos de las plantas. Los desechos producidos por las bacterias se convierten en materia orgánica. Algunos de estos «descomponedores» pueden descomponer incluso pesticidas y agentes contaminantes en el suelo. Son especialmente importantes en la inmovilización y retención de nutrientes en sus células y, por lo tanto, previenen la pérdida de nutrientes de la zona de las raíces.

  • Las cianobacterias son los primeros que infectan los residuos en sedimentos frescos. Fijan el carbono y el nitrógeno atmosféricos y producen pequeñas cantidades de materia orgánica. En el transcurso de pocos años son unidas por musgos, líquenes y otras plantas primitivas.

Rhodopseudomonas plastrus: crece en lagunas de residuos porcinos, excrementos de lombrices de tierra, sedimentos marinos costeros y agua del estanque. Puede crecer con o sin oxígeno, puede utilizar la luz, compuestos inorgánicos, o compuestos orgánicos para la energía, puede adquirir carbono de la fijación del dióxido de carbono o compuestos derivados de plantas verdes, y también puede fijar el nitrógeno. Puede modular la fotosíntesis de acuerdo a la cantidad de luz disponible. Estas bacterias se pueden utilizar para la síntesis de 'bioplástico' y la producción de hidrógeno. Degrada compuestos aromáticos que se encuentran en los residuos agrícolas e industriales.

Rhodobacter spaeroides: Pueden obtener energía a través de la fotosíntesis. Sus mejores condiciones de crecimiento son fototrofía anaeróbica y quimioheterotrofía aeróbica en la ausencia de luz. Es capaz de fijar el nitrógeno y de crecer a través de la fermentación y la respiración aeróbica y anaeróbica. No requiere condiciones inusuales para el crecimiento.

  • Los quimioautotróficos obtienen su energía para el crecimiento y desarrollo de otros elementos químicos tales como nitrógeno, azufre, hierro o hidrógeno en lugar de obtenerlo de los compuestos del carbono. Algunas de estas bacterias (nitrosomonas y nitrobacterias) son importantes para el proceso de la nitrificación en el cual el amonio se convierte en nitratos y, en una etapa posterior, en la denitrificación del nitrato en óxido nitroso y gas nitrógeno. Además son muy importantes para la degradación de los agentes contaminantes.

La nitrificación descompone completamente materia orgánica, con la liberación de compuestos nitrogenados disponibles para los vegetales (formas minerales, no orgánicas). Esto completa el ciclo del nitrógeno.

Nitritación (Nitrosomonas spp.): NH3 + O2 → NO2  + 3H+ + 2e



Nitratación (Nitrobacter spp.): NO2 + H2O → NO3 + 2H+ + 2e

  • Los actinomicetos al igual que los hongos, forman hifas. Descomponen a altos niveles de pH los compuestos más complejos como la quitina y la celulosa. Además, al descomponer la materia orgánica, algunos actinomicetos como los del género Streptomyces producen varios antibióticos.

Streptomyces albus: se encuentra en el polvo, el suelo, los granos y la paja; algunas cepas producen actinomicetina.

Streptomyces griseus: es Gram positiva. Son productores de antibióticos y tienen capacidad para producir la estreptomicina, un compuesto que ha mostrado una actividad bactericida significativa contra microorganismos como Yersinia pestis (causante de la peste) y Mycobacterium (causante de tuberculosis).

  • Bacterias ácido lácticas: producen ácido láctico a partir de azúcares. Dado que las bacterias se alimentan de compuestos orgánicos como azúcares y proteínas, se concentran en los residuos verdes de las plantas jóvenes y en la rizósfera (el área alrededor de las raíces) donde se alimentan de células muertas y sustancias orgánicas liberadas por las raíces. El ácido láctico es un fuerte esterilizador, que suprime microorganismos patógenos e incrementa la rápida descomposición de materia orgánica. Las bacterias ácido lácticas aumentan la fragmentación de los componentes de la materia orgánica, tales como la lignina y la celulosa.

Lactobacillus plantarum: encontrado en diversos productos fermentados y también se presenta en la saliva. Opera usando un metabolismo homofermentativo (es decir, sólo producen ácido láctico a partir de azúcares) y son aerotolerantes a pesar de la ausencia de cadena respiratoria. Esta aerotolerancia es dependiente del manganeso.

Lactobacillus casei: bacteria anaerobia Gram positiva que se encuentra en el intestino y boca de los humanos. Productora de ácido láctico. Se ha comprobado que esta especie particular de lactobacilo es muy resistente a rangos muy amplios de pH y temperatura.

Streptococcus lactics: bacteria Gram positiva utilizada en la producción de suero de leche y queso. No produce esporas y no son móviles. Tienen metabolismo homofermentativo. Cuando se añade a la leche, utiliza enzimas para producir ATP, a partir de lactosa. El subproducto de la producción de energía de ATP es el ácido láctico.

Los hongos descomponen la materia orgánica más resistente, reteniendo en el suelo los nutrientes obtenidos bajo forma de biomasa de hongos y liberación de dióxido de carbono. Muchos de los productos de desechos secundarios son ácidos orgánicos; por ello, los hongos ayudan a incrementar la acumulación de materia orgánica rica en ácidos húmicos, resistentes a una degradación posterior. Además importantes para la descomposición de las estructuras de los anillos de carbono de algunos agentes contaminantes.

  • Levaduras: las sustancias bioactivas, como hormonas y enzimas, producidas por las levaduras, promueven la división celular activa. Sus secreciones son sustratos útiles para otros microorganismos eficientes como bacterias ácido lácticas y actinomicetos.

El conjunto de estos microorganismos generan su propio alimento para crecer, y a su vez liberan sustancias que pueden ser beneficiosas para los cultivos. Capaces de colonizar, procesar y fragmentar partículas orgánicas de gran tamaño en otras de menor tamaño hasta sus componentes estructurales, devolviéndole al suelo los elementos necesarios para la nutrición de las plantas. Los azúcares comúnmente utilizados por las levaduras durante su crecimiento son la glucosa y la fructosa, que contienen 6 átomos de carbono. Sin embargo, Candida utilis se emplea en la industria alimentaria y puede crecer metabolizando pentosas.

Saccharomyces cerevisiae: es el detonador de la fermentación y produce el calentamiento necesario de la materia orgánica con lo cual se destruyen microorganismos no deseados presentes en los desechos de esta manera se percibe el olor agradable a fermento con lo que se eliminan los malos olores de las bacterias putrefactoras.

Candida utilis: se obtiene biomasa (materia orgánica originada en un proceso biológico, utilizable como fuente de energía) a partir de estas levaduras, se usa para mejorar el alimento forrajero. Además, su crecimiento sobre determinados alimentos puede incrementar su valor nutritivo.

  • Otros hongos: son aeróbicos y mueren en el caso de inundaciones o compactación del suelo. Las micorrizas mejoran la estructura del suelo uniendo sus partículas en agregados más estables por medio de sus hifas. Las hifas unen las partículas simples de las arcillas en agregados mayores, posibilitando de este modo que llegue más oxígeno además de mejorar la capacidad de retención de agua disponible. Esto promueve la rápida multiplicación de bacterias aeróbicas benéficas que pueden fijar nitrógeno, solubilizar fósforo y procesar otros elementos en formas utilizables para las raíces de las plantas y las bacterias.

Trichoderma viride: Vive en suelos que contienen materia orgánica o desechos de vegetales en descomposición. Es una alternativa de control biológico muy eficaz contra el daño causado por diversos hongos fitopatógenos que atacan a los cultivos. Puede ser usado como biorremediador de suelos. Las conidias de Trichoderma viride al entrar en contacto con el suelo y detectar la presencia del fitopatógeno, genera hifas que crecen paralelamente a la hifa del hongo dañino, después de reconocerlo se adhieren y lo penetran enrollándolo hasta estrangularlo, consumiéndolo y compitiendo con él por el espacio, energía y luz. La producción de antibióticos por parte de Trichoderma hace que el área donde se desarrolla este hongo esté libre de otros hongos dañinos al cultivo.

Mucor hiemalis: crece en un medio de fermentación que contiene minerales y glucosa o un aceite como fuente de carbono. El hongo produce una cantidad significativa de lipasa en presencia de glucosa, pero la actividad de la lipasa aumenta notablemente cuando se añade aceite al medio al comienzo de la fermentación. Entre los diversos tipos de triglicéridos usados ​​como fuente de carbono, el aceite de oliva es más eficaz en la inducción de la lipasa.

Aspergillus oryzae: se utiliza para procesar los alimentos de forma natural, de manera que resulten más asimilables y nutritivos y se conserven mucho tiempo. El cultivo madre es usado para elaborar bebidas y productos predigeridos a partir de legumbres y cereales. Es de alto contenido en enzimas catalíticas incluyendo la amilasa, que convierte el almidón en azúcares simples.

Aspergillus niger: puede existir en dos formas básicas: levaduras e hifas y su hábitat natural es el heno y el compostaje. Se cultiva para producir varios productos químicos: ácido cítricoácido glucónico. Enzimas: glucoamilasa, galactosidasafitasa. Estos microorganismos pasan el fósforo de formas orgánicas a inorgánicas, insolubles a solubles. Esta liberación permite el paso de fosfatos insolubles a formas disponibles para las plantas. Actualmente se investiga si el hongo puede solubilizar también compuestos de hierro, otro importante micronutriente vegetal.

Penicillium spp.: Se hallan en el suelo, la vegetación caída y aire. Viven principalmente en las sustancias orgánicas biodegradables. Se encuentran entre las principales causas de deterioro de los alimentos. Muchas especies producen micotoxinas muy tóxicas. Algunas especies afectan a las frutas y bulbos de plantas, incluyendo manzanas y peras, cítricos, y ajo.

Los protozoarios son los mayores productores del nitrógeno disponible para las plantas. El nitrógeno liberado por los protozoarios está en forma de amonio, fácilmente disponible para las raíces de las plantas y otros organismos.

Rhizobium spp.: bacterias Gram negativas. Pertenece a un grupo de bacterias fijadoras de nitrógeno que se denominan colectivamente rizobio. Viven en simbiosis con determinadas plantas en su raíz, después de un proceso de infección inducido por la propia planta mediante la secreción de lectina, a las que aportan el nitrógeno necesario para que la planta viva y ésta a cambio le da cobijo. Más específicamente, la condición de simbiosis viene dada por la formación de una molécula de transporte de oxígeno, equivalente a la hemoglobina, llamada leghemoglobina. Sólo se puede sintetizar cuando los dos organismos se encuentran en simbiosis; por parte de la bacteria se sintetiza el grupo Hemo de dicha molécula, y por parte de la planta se sintetiza la apoliproteína. Así, mediante la nueva molécula formada, se puede llevar a cabo el transporte de oxígeno necesario para el metabolismo de la bacteria (y así poder fijar el nitrógeno requerido por la planta).

COMO LA MATERIA ORGÁNICA FORMA LA ESTRUCTURA DEL SUELO

Cuando los residuos vegetales son incorporados a los suelos varios compuestos orgánicos se descomponen. La descomposición es un proceso biológico donde el colapso físico y la transformación bioquímica de las moléculas de los complejos orgánicos de los materiales muertos se convierten en moléculas simples e inorgánicas.

Los residuos de los cultivos contienen principalmente compuestos complejos de carbono que se originan en las paredes celulares. Estas cadenas de carbono, con cantidades variables de oxígeno, hidrógeno, nitrógeno, fósforo y azufre adjuntos, son las bases para los azúcares simples y los aminoácidos.

La descomposición sucesiva del material muerto y la materia orgánica modificada resulta en la formación de una materia orgánica más compleja llamada humus. El humus afecta las propiedades del suelo; aumenta la capacidad de intercambio catiónico y aporta nitrógeno, fósforo y otros nutrientes durante su lenta descomposición.

El humus también cumple una función importante en la estructura del suelo. Sin humus los suelos con altos contenidos de arcilla se compactarían fácilmente al ser labrados. Los polisacáridos son las sustancias que realmente unen las partículas de suelo. Los azúcares, los aminoácidos y los fosfolípidos son las fuentes de nitrógeno, fósforo y azufre para los microorganismos y el crecimiento de las plantas.

La actividad de excavación de las lombrices aporta canales para la entrada de aire y el paso del agua, lo cual tiene un importante efecto sobre la difusión del oxígeno. Incrementan la porosidad general.

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DESCRIPCIÓN:



Componentes orgánicos del suelo: Son los organismos vivos y sus restos sin descomponer, parcialmente descompuestos y descompuestos completamente, así como productos de su transformación.

Organismos vivos: (edafón) insectos, bacterias, algas, hongos, raíces.

Materia orgánica: Componentes no vivos que forman una mezcla heterogénea compuesta en gran parte por los productos resultantes de las transformaciones microbianas y químicas de residuos orgánicos.

Productos inalterados: productos frescos y no modificados de residuos antiguos  (principalmente celulosas y ligninas)

Productos alterados: son productos que no mantienen similitudes físicas y/o químicas con los materiales de los que proceden.

Sustancias no húmicas: Compuestos pertenecientes a productos bioquímicos como pueden ser: aminoácidos, lípidos, carbohidratos.

Sustancias húmicas: sustancias de peso molecular relativamente alto,  formadas por reacciones de síntesis secundarias. El término se usa para describir el material oscuro o sus fracciones obtenidas sobre la base de características de solubilidad: ácidos húmicos, ácidos fúlvicos, huminas.

Los ácidos húmicos y fúlvicos son complejas agrupaciones macromoleculares en las que las unidades fundamentales son compuestos aromáticos de carácter fenólico procedentes de la descomposición de la materia orgánica y compuestos nitrogenados, tanto cíclicos como alifáticos sintetizados por ciertos microorganismos presentes en suelo. Las diferencias entre estas subdivisiones son debidas a variaciones en la acidez y grado de hidrofobicidad (contenido de restos aromáticos y alquílicos de cadena larga).

COMPONENTES MÁS IMPORTANTES DEL SUELO

Los microorganismos a su vez sintetizan la mayoría de los polisacáridos del suelo a medida que descomponen los residuos frescos. Los polisacáridos promueven una mejor estructura del suelo a través de su habilidad para aglutinar partículas orgánicas de suelo en agregados estables. Influyen en la capacidad de intercambio catiónico, la retención de aniones y la actividad biológica.

El nitrógeno del suelo ocurre principalmente en formas orgánicas como los aminoácidos, los ácidos nucleicos y los aminoazúcares. Pequeñas cantidades existen bajo forma de aminas, vitaminas, pesticidas y sus productos de degradación; el resto está presente como NH4+.

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA TASA DE DESCOMPOSICIÓN DE MATERIA ORGÁNICA EN EL SUELO



Temperatura del suelo: crea las condiciones adecuadas para que los microorganismos puedan permanecer activos y produzcan residuos los cuales consisten de materia orgánica suficientemente degradada para quedar inmediatamente disponible para las plantas. Cuando las temperaturas del suelo son frescas, inferiores a 7,2 °C, la acción microbiana se lentifica dramáticamente, afectando la cantidad de nutrientes disponibles para las plantas. Las temperaturas altas matan a los microorganismos y detienen su acción, e incluso a todo el proceso de descomposición.

Humedad: el suelo demasiado seco crea un ambiente donde los microorganismos encargados de convertir materia orgánica en nutrientes no pueden trabajar en forma eficiente. Como estos necesitan humedad para vivir, no pueden consumir la materia orgánica.

Cantidad de materia: cuando hay un gran porcentaje de materia orgánica en el suelo, la tasa de descomposición es alta porque se crea un ambiente en el que los microorganismos que consumen el material pueden existir en grandes cantidades.

Composición del suelo: los suelos con un alto contenido de arcilla tienen bajos niveles de porosidad y oxígeno lo que lleva a una disminución de la acción microbiana. Por otro lado, los suelos arenosos son porosos y tienen niveles de humedad y temperatura muy fluctuantes, lo que afecta adversamente la actividad microbiana.

Profundidad de la materia: La descomposición de materia orgánica es mayor en los primeros cm de suelo, donde hay oxígeno y humedad disponible para que prosperen los microorganismos. El material orgánico ubicado por debajo de esa profundidad se degradará más lentamente.

Tipo de plantas: los tipos de plantas que crecen en el suelo afectan la descomposición de la materia orgánica. Los árboles caducifolios mantienen el suelo sano y a la actividad microbiana alta. Aunque la tasa de degradación es más alta, la cantidad de material orgánico puede aumentar a lo largo de los años ya que es agregado naturalmente al suelo.

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