Post on 07-Apr-2018
transcript
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
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
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!
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
3/44
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
4/44
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
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
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
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
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
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
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
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)
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
9/44
Alge
Alge verzi Alge roii
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
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
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
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
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
12/44
Structura ADN
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
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)
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
14/44
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
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)
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
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)
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
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
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
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
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
19/44
Dezvoltarea culturilor de microorganisme
nmulirea microorganismelor prin diviziune transversal
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
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.
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
21/44
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
22/44
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
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)
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
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)
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
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.
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
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
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
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
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
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)
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
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
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
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
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
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
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
32/44
Tehnici de bioremediere - in situ
Biobarbotarea - injectarea de aer sub presiune sau oxigen pur n zonacontaminat, care poate fi sol sau ap
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
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
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
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
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
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
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
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
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
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
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
38/44
Biofiltre pentru poluani gazoi
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
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
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
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
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
41/44
Produse chimice obinute prin procedee biotehnologice
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.
Produse chimice obinute prin procedee biotehnologice
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
42/44
Produse chimice obinute prin procedee biotehnologice
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
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
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
8/3/2019 Biotehnologia Mediului
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