carrera de especializacion en biotecnologia...
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CARRERA DE ESPECIALIZACION EN CARRERA DE ESPECIALIZACION EN BIOTECNOLOGIA INDUSTRIALBIOTECNOLOGIA INDUSTRIAL
FCEyN-INTIFCEyN-INTI
Materia de Articulación CEBI_E2b
Biotecnología de los microorganismos
procariotasDocente a cargo: Eva L. M. Figuerola
CEBI_E2b_5 : Microorganismos en la recuperación de minerales y energía_5
Fuentes alternativas
de energía
Escenario globalAUMENTO DEMANDA
ENERGÉTICA
AGOTAMIENTODE LOS
COMBUSTIBLES FÓSILES
DETERIORO DEL MEDIO AMBIENTE
CRECIENTE INTERÉSDESARROLLO DE ENERGIAS
RENOVABLES
PRESIÓN PÚBLICOPOR DESARROLLO
SUSTENTABLEhttp://www.astromia.com/
Fuentes renovables de energía
BioetanolBiodieselH
2
CH4
Producción de biometano
Biogás
• Metano producido por microorganismos a partir de materias primas renovables
Materias primas para producción de biogás
Digestión anaeróbica
Digestión anaeróbica
Producción de H2
H2 como combustible
• El H2 tiene la mayor cantidad de energía
por unidad de peso entre los combustibles gaseosos
• Es libre de C, se oxida a H2O
• Se produce a partir de gas natural, por refinación del petróleo o gasificación de carbón
Producción de hidrógeno
http://energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production
Photoelectrochemical
Solar thermochemical hydrogenCarbon capture utilization & storage
Producción de biohidrógeno
Venkata Mohan 2013
A partir de biomasa
Producción de bio H2
K. Srirangan 2011
Hidrogenasas
Clostridium pasteurianumDesulfovibrio desulfuricans
Desulfovibrio gigasMethanocaldococcus jannaschii
(arqueas)
www.sciencedirect.com
Estrategias de producción
15% rendimientoAlta velocidadVersatilidad de sustrato
RendimientoEstequiométricoSecuencial ocombinado
Inhibición por amonioCambios metabólicos PHBUso de VFA
La materia prima representa hasta un 95% de los costos
Altos costos fotobioreactorBaja eficiencia
Requerimiento de luzBaja productividadInhibición por O
2
Limitaciones
Fermentación oscura
Homoacetógenos (CO2 +H
2)
Metanógenos (CO2 +H
2)
Reductores de sulfatos
C6H12O6 + 2H2O → 2CH3COOH + 4H2 +
2CO2
ΔGo = - 206 kJ
C6H12O6 → C3H7COOH + 2H2 + 2CO2
ReducciónRendimientoen cultivos mixtos
F. oscura- Vías de producción de H
2
[NiFe]-hydrogenase
Anaerobios aerotolerantes
Anaerobios estrictos
[FeFe]-hydrogenaseDependiente de Fd
Fermentación oscura
máximo de 2 a 4 moles de H2 por mol de glucosa.
heterologous NAD(P)H o (Fd)-dependent hydrogenase (along withFd:NAD(P)+-oxidoreductase (FNR) and anappropriate Fd)
Facultativos Obligados
Kontur 2012
Foto-fermentación
For example, glucose-fedRhodobacter sphaeroides cells can excrete pyruvate [26], butintroduction of Rhodospirillum rubrum genes encodingpyruvate-formate lyase and formate-hydrogen lyase intoR. sphaeroides resulted in an increased H2 yield (to 4 molH2/mol glucose) [28].
Inmobilizacióncelular
Ciclo de calvin
Fotosíntesis oxigénica
Ni-Fe
Proteínas de fusiónH
2asa-PSI
C3-PSIH
2asa-Fd
Fermentación photo-darksecuencial
Fermentación oscura produce VFAs inhibitoriosLas PNB utilizan VFAs para fotofermentación
Fermentación Photo-dark combinada
1ra etapaFermentación oscura (anaerobios facultativos)
C6H12O6 + 2 H2O → 2 CH3COOH + 2 CO2 + 4 H2.
2da etapaFoto-fermentación (bacterias fotosintéticas)2 CH3COOH + 4 H2O → 8 H2 + 4 CO2.
Enzimática o in vitro
Lu 2015
Ventajas y desventajas de los métodos de producción de biohidrógeno
Hallenbeck 2013
Inconvenientes para la producción
Sistemas bioeléctricos
CELDAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANO
Son sistemas bioeléctricos (BES) que transforman la energía química de los enlaces en energía eléctrica mediante reacciones catalizadas por microorganismos.
Celdas microbianas de combustible
Aceptor final de electrones
Modificado- Lovley 2008
Los electrones de fuente de energía son transportados hasta el aceptor final mediante la cadena de transporte de electrones
Celdas microbianasde combustible
Aceptor final de electrones
ELECTRODO
Bacterias ANODOFILAS o
EXOELECTROGENICAS
Modificado- Lovley 2008
Esquema de una MFC
ÁNODO CÁTODO
PUENTE SALINO
OXIDACIÓNMATERIA ORGÁNICA
REDUCCIÓN DE O2
e-
e-
e-
e-
e- e-
+
MO a H+ + b CO2 + a e- O
2 + 2 H+ + 2 e- H
2O
O2
Esquema de una MFC
ÁNODO CÁTODO
PUENTE SALINO
OXIDACIÓNMATERIA ORGÁNICA
REDUCCIÓN DE O2
e-
e-
e-
e-
e- e-
+
MO a H+ + b CO2 + a e- O
2 + 2 H+ + 2 e- H
2O
O2
OXIDACIÓNMATERIA ORGÁNICA
REDUCCIÓN DE O2
e-
e-
e-
e-
H+
MO a H+ + b CO2 + a e-
O2 + 2 H+ + 2 e- H
2O
ÁNODO
ÁNODOCÁTODO
Celdas sedimentarias SMFC
Bacterias electrogénicas
Kiely 2011
Transferencia de electrones
Franks 2010
S.
oneidensis
Proteus,
Bacillus
Geobacter
Geobacter sulfurreducens
Reguera
Shewanella oneidensis
Shi 2012
Interacciones sinérgicas
Comunidad bacteriana en SMFC
Sacco 2012
Aplicaciones de las MFC• Generación de electricidad
• Produccion de hidrógeno
• Tratamiento de efluentes
• Biosensores de DBO
Gil 2003
Lovley 2006
Lebônêwww.wired.com
SMFC para estación meteorológica
Tender 2008
Celdas micorbianas electrolíticas
Son también BES, pero en este caso consumen energía eléctrica para la producción de bio-hidrógeno o bio-metano en el cátodo
Celdas microbianaselectrolíticas
MEC producción de H2
www.sciencedirect.com
Bioetanol y biodiesel
Biocombustibles de primera y segunda generación
http://www.sustainablescientists.org/
Pared celular en plantas
Guptka 2015
http://www2.lbl.gov/Publications/YOS/Feb/
Fuentes de biomasa lignocelulósica
Tong 2012
Pretratamientos
Guptka 2015
Celulasas
Guptka 2015
• SHF: hidrólisis y fermentación separadas» S. cerevisiae
• SSF: sacarificación y fermentación simultáneas» evita inhibición por sustrato
» reactor único
» misma temperatura para hidrólisis y fermentación
• SSCF: sacarificación y cofermentación simultáneas
» Escherichia coli, Zymomonas mobilis y S. cerevisiae
recombinantes para utilización de pentosas.
» Z. mobilis es capaz de fijar N2
• Fermentación de hexosas y pentosas
• Alto rendimiento
• Producción a elevadas temperaturas
Saccharomyces cerevisiae, más utilizado, solo hexosasCultivos mixtosMO genéticamente modificados
Producción convencional de Biodiesel
Fjerbaek 2008
Ácidos grasos/ triglicéridos Ésteres alquílicos de ácidos grasos
Transesterificación
Andreani 2012
Proceso enzimáticoLipasas
lower energy requirement; pure quality of biodiesel and glycerol; high product yield; easy recovery of products; and no wastewater generation.The
Catalizadores para producción de biodiesel
Microorganismosen el mejoramiento y crecimiento
vegetal
Fijación de N2
Ciclo del nitrógeno
Bothe 2007
60% del ingreso de N
2
al ciclo
Diazótrofos
Fijación de N2
Vida libreAeróbicos, microaeróbicos
AnaeróbicosQuimiótrofos o fotótrofos
Asociados a raíz
Diazótrofos(bacterias o arqueas)
SimbióticosMicro-aeróbicos
Estructuras especializadasFijan N2 para su hospedador
Nitrogenasa
Diazótrofos de vida libre
Azotobacter vinelandii
naukas.com
Anabaena Aerobios fotótrofos
Anaerobios estrictos
AerobiosRhodospirillum rubrum
www.micrographia.com
Anaerobios fotótrofos
Methanosarcina barkeri
jb.asm.org
Desulfovibrio vulgaris
Diazótrofos de vida libre
Anaerobios facultativos
Solo fijan N2 en condiciones anaeróbicas
Klebsiella pneumoniae
Diazótrofos simbiontes
Rhizobium- leguminosa
Frankia- aliso
http://alpandino.org/
Liquen
Azospirillum, Azotoarcus, Azotobacter, Herbaspirillum- gramíneas
http://www.miliarium.com/
Nitrogenasa
pubs.rsc.org
Mo/Fe/V
Nitrogenasa
Bothe 2007
Nitrogenasa
Otras reacciones catalizadas por el complejo nitrogenasa
Nitrogenasa insensible a oxígeno
Gallon 2001
Simbiosis Rhizobium-leguminosasNodulación
overton.tamu.edu
Se produce la fijación de N2 que permite a la planta crecer en suelos pobres y a la bacteria desarrollarse en un ambiente controlado.
Leghemoglobina
http://www.calvin.edu/
Controla la concentración de O
2 en el nódulo
Es sintetizada solo durante la interacción rizobio-planta
Especificidad
La bacteria reconoce los flavonoides excretados por la planta y secreta una molécula señal NOD que es reconocida por el hospedador
Especificidad
Etapas de la nodulación
• Reconocimiento del socio adecuado y adhesión de la bacteria al pelo radicular
• Excreción de factores nod
• Invasión del pelo y formación del tubo de infección
• Desplazamiento hacia la raíz principal
• Aparición de bacteroides y fijación de N2
• División de células vegetales y bacterianas para formar un nódulo maduro
Rhizosfera
http://www.nature.com/
Etapas de la nodulación
Etapas de la nodulación
Adhesión
www.pnas.org
En el primer paso de adherencia están involucradas ricadesina y lectinas de la bacteria y los complejos de calcio de la superficie del pelo radicular
Tubo de infección (celulosa)
trébol blanco/ R. leguminosarum bv trifolii
Diferenciación
Las células bacterianas se diferencian a bacteroides
http://blog.lib.umn.edu/
Simbiosoma
Bacteroide
Tipo de nódulo
Leguminosas tropicales(alantoína)
Leguminosas templadas(asparragina)
Genes de nodulaciónRegulador de la transcripción
El reconocimiento del flavonoide inductor produce la unión de NodD al sitio promotor (nod box)
En Rhizobium leguminosarum biovar viciae los genes nod están en un plásmido (Sym)
Síntesis del núcleo de lipo-quitina
Modificación del factor NOD
Rango de hospedador
Transportadores de membrana para factor Nod
Glucosamina sintetasafactor Nod
Fijación de N2 en el nódulo
Inoculantes
INOCULANTE PARA SOJABradyhizobium sp.
Un inoculante es un concentrado de bacterias específicas, que aplicado convenientemente a la semilla poco antes de su siembra, mejora el desarrollo del cultivo. Su empleo es una práctica agronómica reconocida en el mundo por sus beneficios productivos y económicos (principalmente en gramíneas y leguminosas)
Azospirillum brasilense
inoculante para trigo
Inoculantes y biofertilizantes
Solubilización de fósforo
Producción de ácidos orgánicos (cítrico, oxálico, glucónico) que actúan sobre el pH del suelo, favoreciendo la solubilización del fósforo inorgánico y liberando fosfatos a la solución del suelo. Producción de enzimas fosfatasas (que actúan sobre las uniones ésteres) liberando los grupos fosfatos de la materia orgánica a la solución del suelo.
Producción de sustancias estimuladoras del crecimiento por Pseudomonas, Inducción de la iniciación radicular Incrementar la formación de raíces y pelos radiculares (trigo).
Hormonas, como auxinas, giberelinas y citoquininas, y también producen sustancias de otro tipo, como aminoácidos y promotores específicos de crecimiento.Antibióticos y sideróforos que impiden el desarrollo de patógenos fúngicos, previniendo infecciones en las plantas de trigo inoculadas.
Inoculantes y biofertilizantes
MO promotores del crecimento vegetal
Mecanismos de
acción