FACULTAD DE RECURSOS DEL MAR-DEPARTAMENTO DE ACUICULTURA
Biotecnología Minera y Lixiviación Microbiana
. 2 1 0 2 a z r a p s E o i r a M . o t o F . m n s m 0 0 3 3 a . m 6 1 n ó i c a i v i x i l o i B e d a l i P
Dr. Mario Esparza Mantilla Laboratorio de Biominería. Departamento de Acuicultura. Facultad de Recursos del Mar. Mar. Universidad de Antofagasta. Chile.
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Contenidos del curso Teorico-Práctico
Unidad I: MICROBIOLOGIA BASICA Y APLICADA A LA MINERA
Unidad III. OPERACIONES DE BIOHIDROMETALURGICA Microbiología Bioinformática
Genética Biología Molecular
BIOMINERIA
Bioprocesos
Bio-Hidrometalurgía
UNIDAD II. LIXIVIACION MICROBIANA A. ferrooxidans ferrooxidans
A. caldus
FACULTAD DE RECURSOS DEL MAR-DEPARTAMENTO DE ACUICULTURA
Lixiviación Microbiana D A D I
N U I
“Desde las células microbianas a la obtención industrial de metales”
MICROBIOLOGIA BASICA Y APLICADA A LA MINERA OBJETIVOS: Entrenar a los estudiantes en técnicas de muestreo, aislamiento, conteo e identificación molecular de microorganismos biolixiviantes. CONTENIDOS: 1. Introducción a la microbiología. Los dominios de la vida. Bacterias, arqueas y eucarias. 2. Cinética de crecimiento microbiano. Parámetros de análisis. 3. Fisiología Microbiana. Metabolismo autótrofo y heterótrofo, nutrientes, demanda de oxígeno, carbono y sustratos energéticos. 4. Muestreo y aislamiento de bacterias, recuento microbiano, caracterización morfológica y cultivos sólidos y líquidos de bacterias y arqueas biolixiviantes. biolixiviantes. 5. Identificación molecular de microorganismos biolixiviantes. Análisis de ADN y marcadores genéticos asociados al metabolismo energético de metales y al metabolismo de carbono.
D A D I
N U I
MICROBIOLOGIA BASICA Y APLICADA A LA MINERA
Introducción a la Microbiología 1 e s a l C
N U I
Cinética de crecimiento microbiano
Fisiología Microbiana Microbiana
. ) 0 1 0 2 ( s l o c y t i m m a Z
Muestreo y aislamiento de bacterias 2 e s a l C
D A D I
Recuento y caracterización microbiana
Identificación molecular y genómica
MICROBIOLOGIA BASICA Y APLICADA A LA MINERA Las células microbianas digieren minerales D A D I
N U I
M2+ Fe2+ Fe3+
. ) 0 1 0 2 ( s l o c y t i m m a Z
SO42- +
2H+
S° Sulfuro Metálico (MFeS2) 1. 2.
Comprender como crecen y funciona la células microbiana. Entender el rol de la célula en un ambiente extremo: pH ácido, poco sustrato, metales pesados, etc.
M2+
Bacterias Biolixiviantes 1. ¿Cómo realiza el proceso? 2. ¿Qué elementos biológicos tiene para digerir el mineral? 3. ¿Cómo evade la toxicidad del metal, mecanismos?
Introducción a la Microbiología El origen de los dominios de la vida D A D I
El 80% de la historia de la tierra fue exclusivamente dominada por vida microbiana.
N U I
LUCA ( Last Universal Common Ancestor)
Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Introducción a la Microbiología Los dominios de la vida D A D I
N U I
Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Introducción a la Microbiología Tamaños de los microorganismos Virus
24 – 300 nm
D A D I
N U I
Bacterias
0.5 – 5 µm
Protozoos
1 – 10 µm
Algas
10 µm a tamaños mas grandes
Hongos (levaduras y mohos)
6 µm a tamaños mas grandes
Introducción a la Microbiología Composición química de las Bacterias D A D I
N U I
Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Introducción a la Microbiología Tipos de Bacterias D A D I
N U I
Introducción a la Microbiología
D A D I
N U I
Tipos de Bacterias
Introducción a la Microbiología Estructura de la célula procariota D A D I
N U I
Introducción a la Microbiología Características de las Bacterias • •
• • • • •
•
La mayoría tiene pared celular Algunas presentan capsula Presentan cromosoma circular, ( algunos de forma linear) Algunas presentan plásmidos Algunas presentan Pili o flagelos. Algunas presentan inclusiones intracelulares (Glicógeno; carboxisomas, magnetosomas). Algunas pueden producir esporas.
D A D I
N U I
Introducción a la Microbiología Estructuras anatómicas de las Bacterias D A D I
N U I
Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Introducción a la Microbiología Clasificación de las Bacterias D A D I
N U I
Introducción a la Microbiología Gram +
Clasificación de las Bacterias
Gram D A D I
N U I
Introducción a la Microbiología
D A D I
N U I
Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Cinética del crecimiento microbiano Cinética de crecimiento microbiano
D A D I
N U I
Las bacterias mineras extremo acidófilas presentan un crecimiento poblacional lento ( desde días a semanas) Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Cinética del Crecimiento Microbiano Crecimiento de Acidithiobacillus ferrooxidans ATCC23270 en 9K+Azufre (control a pH: 1,5)
D A D I
N U I
MADIGAN, M., MARTINKO, J. & PARKER, J. (2008). BROCK BIOLOGY OF THE MICROORGANISMS.
Li y cols. (2011). Folia Microbiol 56:439 –451
Cinética del Crecimiento Microbiano Tasa específica de crecimiento (µ) de bacterias
•
La ecuación que describe el crecimiento, está dada por:
D A D I
N U I
Ecuación de Mond N: cantidad de bacterias t: Tiempo de incubación µ: Tasa de crecimiento bacteriano
Integrando:
N: Cantidad inicial de bacterias t: Tiempo de generación bacteriana Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Cinética del Crecimiento Microbiano Tasa específica de crecimiento (µ) de bacterias
D A D I
N U I
Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Cinética del Crecimiento Microbiano Las bacterias mineras extremo acidófilas presentan las siguientes características
D A D I
N U I
1. El habitad presenta escasos nutrientes 2. Condiciones de pH muy ácidas 3. La distribución de la fuente de Carbono y energía es heterogénea 4. Inicio y termino del proceso con escasa densidad celular 5. La disponibilidad de 02 es diferentes para la mayoría de las células 6. Las células no llegan a densidades mayores a 1010/ml 7. El metabolismo predominantes es quimiolitoautótrofo 8. Escasa materia orgánica para biosíntesis celular 9. Alto estrés celular 10. Alta cantidad de metales pesados y iones tóxicos al metabolismo celular bacteriano. 11. Dificultad de manipulación genética
Fisiología Microbiana Las célula biolixiviante Acidithiobacillus ferrooxidans se alimentan de CO 2 y obtienen energía de la oxidación de Fe 2+,S°, tiosulfato, H2 e Uranio. D A D I
N U I
Esparza y cols., (2009)
Fisiología Microbiana La fijación de carbono en microorganismos quimiolitoautótrofos D A D I
N U I
Los carboxisomas almacenan CO2 en bacterias quimilitoautótrofas
Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Fisiología Microbiana Metabolismo de CO 2 y síntesis de compuestos orgánicos en Bacterias autótrofas D A D I
N U I
Bowien, (1997); Tabita, (2000); Omata y cols, (2000); Cerff, (2001), Romagnoli y tabita, (2007)
Esparza y cols., (2009)
Fisiología Microbiana Metabolismo microbiano D A D I
N U I
Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Fisiología Microbiana Metabolismo energético en Bacterias D A D I
N U I
Bacterias Biolixiviantes
Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Fisiología Microbiana La membrana celular bacteriana D A D I
N U I
Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Fisiología Microbiana La membrana celular de bacterias y arqueas D A D I
N U I
Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Fisiología Microbiana Anatomía de la membrana Celular Bacteriana
D A D I
N U I
Bacterias Gram (-)
Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Fisiología Microbiana Respiración y cadena de energía de las Bacterias D A D I
N U I
Coenzima Q ( oxidada y reducida)
Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Fisiología Microbiana Fuentes energéticas para el crecimiento microbiano ( respiración aeróbica) E (V) 0
Azufre
-0,50
D A D I
N U I
-0,30
+0,05
Hierro +0,10
Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Fisiología Microbiana Generación de la Fuerza Motriz Protónica durante la respiración aeróbica de las Bacterias
D A D I
N U I
Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Fisiología Microbiana
Cantidad de energía producida por oxidación de donadores de electrones inorgánicos
D A D I
N U I
Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Fisiología Microbiana Metabolismo de H2 en bacterias y producción de material celular D A D I
N U I
Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Fisiología Microbiana Proceso de Oxidación de azufre por bacterias D A D I
N U I
Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Fisiología Microbiana Proceso de Oxidación de azufre por bacterias D A D I
N U I
Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Fisiología Microbiana Metabolismo del de azufre por bacterias D A D I
N U I
Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Fisiología Microbiana Transporte de electrones y conservación de energía en bacterias reductoras del sulfato D A D I
N U I
Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Fisiología Microbiana Fuentes energéticas para el crecimiento microbiano ( respiración anaeróbica)
D A D I
N U I
Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Fisiología Microbiana Fisiología microbiana D A D I
A. ferrooxidans
S2O32-
°
S
1.5x0.5µm
N U I
3.0x0.25µm
La morfológica de la células lixiviantes depende del sustrato energético 1.2x0.4µm
A. caldus
°
S
2.4x0.2µm
S2O32-
He, H y cols.(2010). Geomicrobiology Journal (27):707 –713.
Fisiología Microbiana Distribución de Bacterias en partículas de suelo y restos orgánicos D A D I
N U I
Las Bacterias buscan un soporte inorgánico para formar colonias
Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Fisiología Microbiana Proceso de Oxidación del Hierro por bacterias D A D I
N U I
Flujo de electrones durante la oxidación de Fe 2+ por Acidithiobacillus ferrooxidans Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Fisiología Microbiana Bacterias oxidantes del Hierro D A D I
N U I
Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Fisiología Microbiana Bacterias Biolixiviantes oxidantes del Fe 2+ D A D I
N U I
Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Fisiología Microbiana Bacterias Biolixiviantes oxidantes del Fe 2+ D A D I
N U I
Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Fisiología Microbiana Bacterias Biolixiviantes oxidantes del Fe 2+ D A D I
N U I
Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Fisiología Microbiana Bacterias Biolixiviantes oxidantes del Fe 2+ D A D I
N U I
Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
Fisiología Microbiana Avances y modelos de Estudio D A D I
N U I
El manejo de la fuente de carbono incrementa la biomasa celular
Acidithiobacillus ferrooxidans en presencia de más cantidad de CO 2 en el medio aumenta su densidad celular La Combe & Luecking. (1990)
Fisiología Microbiana
Avances y modelos de Estudio Resultados en la obtención de oro por A. ferrooxidans
D A D I
N U I
Fisiología Microbiana
Avances y modelos de Estudio D A D I
N U I
Resultados en la obtención de metales por A. ferrooxidans al incrementar la fuente de carbono
Se demuestra que la bacteria que crece en exceso de CO 2 se aumenta el rendimiento de la biolixiviación, según lo anterior se debería a que hay más biomasa y por ende mayor capacidad lixiviante.
Acevedo y cols. (1998). Biotech.let.20(3): 257-259.
Fisiología Microbiana Metabolismo del arsénico en bacterias D A D I
N U I
Brock Biology of the Microorganism, 13 ed (2012)
