Biodegradación aeróbica de Bifenilos Policlorados (PCBs)

1. Biodegradación aeróbica de Bifenilos Policlorados (PCBs) Ma. Elena Merizalde 9no. semestre

2. PROBLEMA Biomagnificación y bioacumulación en los niveles tróficos dentro de la cadena alimenticia, su acumulación causa varios efectos en la salud de los organismos que han sido expuestos.

8. JUSTIFICACION “Aproximadamente 1.5 millones de toneladas de PCBs fueron producidos comercialmente a nivel mundial desde 1929 hasta 1979. De la producción total se estima que 750.000 toneladas han sido liberadas al ambiente y una cantidad no determinada de PCBs está presente en equipos eléctricos todavía en servicio (U.S. EPA, 1997; HELCOM, 2001; Mondello, 2002)”. Los efectos de la contaminación del medio ambiente, sus causas y las consecuencias de la exposición de los sistemas biológicos a agentes nocivos es lo que motiva a la investigación de tecnologías más efectivas, rápidas y ecológicas para recuperar suelos contaminados. Si se toman en cuenta los efectos contaminantes de los bifenilos policlorados y el riesgo potencial que estos implican para el organismo humano por su incorporación a través de la cadena alimenticia, se comprende la importancia de poder encontrar la metodología más eficiente que puede aminorar los problemas causados por la bioacumulación y biomagnificación de estos contaminantes.

9. MARCO TEORICO

10. BIFENILOS POLICLORADOS (PCB) • Son compuestos arómaticos sintéticos compuestos de la estructura de bifenilo, es decir dos anillos de benceno enlazados entre sí, y que están clorados en diversos grados • Es uno de los doce contaminantes mas nocivos fabricados por el hombre. • Se acumulan en tejidos adiposos y se adhieren fuertemente a matrices orgánicas tales como el suelo. • Los PCBs pueden tener sustituciones de cloro en la posición para, meta y orto.

11. AROCLOR • Tienen diferentes nombres comerciales y sus productores tiene su propio sistema para identificarlos. • Las exposiciones agudas de PCBs en el humano pueden producir erupciones cutáneas, cloracné, purito y quemaduras, irritación de ojos, cambios pigmentarios en piel y uñas, irritación del tracto respiratorio, nerviosismo y fatiga. Límites permisibles de bifenilos policlorados • Los materiales que contienes PCB´s son clasificados de acuerdo a la concentración de PCB´s presente (Kuckuck, 2000). PCB puro > 500 ppm Contaminado con PCB entre 5 y 500 ppm Sin contaminación de PCB < 5 ppm

12. Los PCB se utilizaron en una variedad muy amplia de aplicaciones industriales y de consumo:

13. REMEDIACIÓN DE SUELOS Y SEDIMENTOS CONTAMINADOS CON BIFENILOS POLICLORADOS • Las técnicas para remediar incluyen procesos físicos, químicos y biológicos con el fin de cambiar el estado original a productos menos tóxicos.

14. PROCESO BIOLOGICO La biorremediación de suelos contaminados con PCBs puede llevarse a cabo mediante bacterias anaerobias y aerobias, las cuales pueden actuar en forma individual o en consorcio. Existen procesos solamente anaerobios, aerobios o mixtos

15. Proceso Anaeróbico • Estudios con gránulos anaerobios, formados por bacterias sintrópicas, acetogénicas y metanogénicas, han demostrado que éstos son capaces de degradar congéneres en las posiciones orto, meta y para, alcanzándose porcentajes de remoción de hasta un 70%. Con tales estudios, se ha comprobado que los gránulos anaeróbicos tienen características de tolerancia al oxígeno y capacidad para degradar a temperatura ambiente, que los hacen convenientes para ser utilizados en biorremediación in situ de ambientes contaminados por PCBs . (De Giorgis et. al., 2003).

16. Período de duración 20 semanas • Reducen el número de cloruros • El aislamiento de cultivos puros no ha sido posible • Los PCBs actúan como aceptores de electrones y el cloro se reemplaza con hidrógeno R-Cl+ 2e-+ 2H+→R-H + HCl

17. Biodegradación combinada • Evans en 1996 propuso la combinación de un proceso anaerobio, con uno aerobio ya que podría aumentar la transformación de los PCBs. El tratamiento anaerobio inicial convierte a los compuestos altamente clorados a PCBs menos clorados. Estos últimos serán atacados por los microorganismos aerobios para su completa degradación Ataque anaerobio Ataque aerobio

18. Procesos Aeróbicos MICROORGANISMOS QUE INTERVIENEN EN EL PROCESO • Bacterias Gram negativas y Gram positivas • Dentro de las bacterias aeróbicas individuales más utilizadas cabe destacar Alcaligenes euthropus H850,Pseudomonas sp. y Acinetobacter sp.

19. Las bacterias capaces de degradar PCBs poseen genes (bphA, bphB, bphC, bphD) los que codifican las enzimas involucradas en la degradación aerobia. • El proceso enzimático se da por la vía bifenil (bph). La que involucra cuatro enzimas:

20. PRODUCTOS ENZIMAS PRODUCTOS FINALES

21. Figura 3: Vía de degradación por PCBs por bacterias anaeróbicas

22. MARCO METODOLOGICO

23. Caracterización del contaminante • La biodegradación de los PCBs depende del grado de cloración del bifenil. • Las bacterias aeróbicas degradan de manera eficaz los bifenilos monoclorados, diclorados, triclorados y tetraclorados. • La biorremediación aeróbica, tiene mejores resultados en suelos contaminados y sedimentos moderadamente contaminados (20 a 700 de PCB / kg), en donde el nivel de contaminación disminuye de un 40-75%.

24. Caracterización de la flora • Las Pseudomonassp.han sido ampliamente utilizadas. Su metabolismo es respiratorio, generalmente aerobio. • Presentan una versatilidad metabólica debido a su capacidad de utilizar como fuente de carbono substratos muy variados. • Las bacterias que son capaces de degradar PCBs poseen genes bphA, bphB, bphC, bphD, que codifican las enzimas involucradas en la vía de degradación aerobia. Pseudomonassp.

25. Material y Métodos Degradación de PCBs mediante Pseudomonassp. • Preparación del inóculo Cada uno de los cultivos de Pseudomonas sp se sembró en placas petri con agar común mediante el método en superficie y se incubó a 37ºC por 24 horas. Se realizó la cosecha bacteriana con 5 ml de solución salina fisiológica en tubos de ensayo. Se hicieron diluciones hasta alcanzar una concentración de 106 bacterias por ml que es el inóculo bacteriano. • Inoculación al biorreactor Se inoculó 1 ml de inóculo bacteriano a un biorreactor tipo Air Lift de 250 ml de capacidad. Colocando 100 ml de Medio Mínimo de Sales (MMS) más 1 mg de Aroclor 1242. Se puso en funcionamiento el biorreactor, por un período de 7 días, teniendo en cuenta los siguientes parámetros: pH 7.0, aireación (60 cm3/min) y temperatura ambiente (21ºC).

27. c) Determinación de la capacidad de degradación Se evaluará la degradación del PCB Aroclor 1242, mediante un cromatógrafo de gases, siguiendo la norma EPA 8082.

28. RESULTADOS

30. Cantidad de Aroclor 1242 degradado por tres cultivos de Pseudomonas sp

31. Eficiencia y Parámetros Críticos del Método

32. DISCUSION

33. La degradación de PCBs en el ambiente es un proceso relativamente lento y variable. Por lo tanto la transformación de PCBs a nivel ambiental está influenciada por algunos factores que incluyen concentración de PCBs, tipo de población microbiana, disponibilidad de nutrientes y temperatura (Farrington, 2000). •  Los resultados obtenidos referente al porcentaje de degradación bacteriana de Aroclor 1242 (96%); corroboran investigaciones que evaluaron la degradación de mezclas comerciales de PCBs. Portero (2007) degradación de Aroclor 1254 y 1260 (31 a 53%) Tucker et al. (1975) demostró que una variedad de Aroclores fueron degradados: Aroclores 1221 y 1242 (90 a 100%) y el Aroclor 1254 parcialmente (50 a 70%).

34. Las Pseudomonas han desarrollado el potencial genético para el uso de bifenilos policlorados como fuente de carbono y energía en los procesos metabólicos. (Focht,1994). La supervivencia de las Pseudomonas sugiere que poseen la capacidad de utilizar bifenilos policlorados como donadores de electrones, debido a que la fuente de carbono se incluyó en el medio de cultivo (Focht, 1994). • La cepa seleccionada en este estudio coincide con los resultados de investigaciones realizadas por Bedard et al. (1986 y 1987), Gibson et al. (1993), Billingsleyet al. (1997) y Seahet al. (2001) que identificaron a especies pertenecientes a los géneros Pseudomonas sp., como especies con excepcional rango de degradación de congéneres de PCBs de Aroclor 1242, 1248 y 1254.

35. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

36. Los tres cultivos degradaron Aroclor 1242 en cantidades de: 0,9984mg, 0,8940 mg y 0,9838 mg., teniendo una capacidad de adaptación y crecimiento en el medio líquido de enriquecimiento suplementado con bifenil policlorado. • Los tres cultivos de Pseudomonas sp. degradan de manera efectiva bifenilos con cuatro cloros en su estructura. Estas bacterias pueden ser consideradas aptas para utilizarse en procesos que permitan generar tecnologías de biorremediación para zonas contaminadas con PCBs. • El promedio de eficiencia de degradación de PCBs es del 96%. • Para una degradación eficiente se deben tomar en cuenta los siguientes parámetros como: pH 7.0, aireación (60 cm3/min) y 21°C (temperatura ambiente).

37. Los niveles de degradación obtenidos en laboratorio deberían ser probados en procesos de mayor escala. • Para obtener una degradación más completa se debería trabajar con procesos combinados como reactores tipo batch, en donde exista una fase anaerobia y una aerobia. • Se deberían realizar más estudios sobre la degradación de PCBs con bacterias anaerobias, para conocer el mecanismo de decloración de los PCBs.