Aplicaciones de la Biotecnología Ambiental

La biotecnología ambiental se aplica en diversas áreas clave:

• Monitorización: Para identificar y evaluar problemas ambientales.
• Eliminación: Tratamiento de residuos (vertederos, aguas residuales) y procesos de biorremediación.
• Prevención: Para minimizar o eliminar la contaminación, incluyendo el uso de energías renovables.

Grandes Problemas Medioambientales

Contaminación

Acumulación de materiales de desecho en el medio ambiente que pueden dañar al hombre o al ecosistema. Existen dos tipos de compuestos:

• Compuestos Naturales: Orgánicos e inorgánicos, como el petróleo y el nitrato.
• Compuestos Xenobióticos: Compuestos que proceden de la actividad humana y son recalcitrantes (difíciles de eliminar biológicamente).

Efecto Invernadero y Cambio Climático

El cambio climático se debe al aumento del efecto invernadero. Parte de la radiación que alcanza el planeta queda atrapada. Existen dos tipos de radiaciones: solar y la emitida por el cuerpo terrestre. El aumento de gases de efecto invernadero (como el CO₂) favorece este fenómeno.

Agotamiento de los Recursos Naturales

Causado por el aumento de la población, el incremento del consumo y la demanda de alimentos.

Desarrollo Sostenible

Desarrollo que asegura las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las futuras generaciones para satisfacer sus propias necesidades. Para lograrlo, se implementan estrategias como:

• Monitorización de la contaminación.
• Biorreparación (biorremediación).
• Prevención de la contaminación mediante procesos industriales mejorados y nuevos productos.
• Recuperación de recursos naturales.

Monitorización del Medio Ambiente

Métodos Físico-Químicos

Incluyen diversas técnicas para medir la calidad ambiental:

• Análisis gravimétrico: Se añade un compuesto que precipita al combinarse con el compuesto de interés.
• Medida de pH.
• Análisis colorimétrico: Para medir turbidez y color.
• Electrodos de oxígeno e iones específicos.
• Absorción atómica: Para medir elementos puros.
• Técnicas cromatográficas y espectrométricas: Para medir compuestos orgánicos.

Bioindicadores

Son organismos o sistemas biológicos que sirven para evaluar variaciones en la calidad ambiental porque tienen efectos medibles al ser expuestos a un contaminante. Sus características son:

• Fácilmente identificables.
• Biología bien conocida.
• Se encuentran en muchos hábitats.

Ejemplo: Los líquenes, porque son muy sensibles y estructuralmente simples.

Biomarcadores

Tipos de respuestas biológicas medibles ante la exposición a contaminantes:

• Ecológico: Cambio en la densidad de población.
• Comportamiento: Alteraciones en las actividades normales.
• Fisiológico: Acumulación de metales pesados, producción de CO₂ o DBO (Demanda Biológica de Oxígeno, parámetro que analiza aguas e indica la cantidad de oxígeno necesaria para que se oxide biológicamente la materia orgánica presente en esa agua).
• Bioquímico: Acumulaciones de proteínas o enzimas frente al contaminante, como el citocromo P450 o las metalotioneínas.
• Genético: Cambio en la expresión de genes (ejemplo: RT-PCR, donde se transforma un ARN en ADNc).

Biosensores

Dispositivos pequeños que miden la presencia de una sustancia porque esta interacciona con un elemento biológico. Esta interacción provoca un cambio que se traduce por un elemento físico-químico en una señal medible.

• Elemento de Censo: Puede ser ADN, proteínas, orgánulos o células enteras.
• Detector: Puede ser electroquímico, fotométrico, termométrico o piezoeléctrico.

Los sensores basados en células enteras pueden ser:

• Constitutivos: Con un promotor del gen informador que se expresa siempre hasta que hay un estrés.
• Semi-específicos: El gen informador está bajo un promotor inducible bajo estrés.
• Específicos: Responden ante un compuesto concreto (basados en genes que generan una proteína detectable en presencia de una sustancia porque esta se une al promotor).

También existen sistemas que no tienen promotores, donde el microorganismo sintetiza proteínas que no dimerizan hasta que la sustancia presente provoca la dimerización, haciéndolas detectables por fluorescencia.

Biodiversidad Microbiana y Metagenómica

Evaluación de la Biodiversidad de Microorganismos

Mediante marcadores genéticos, se extrae el ARNr del ambiente y se secuencian los genes. El más importante es el ARNr 16S/18S, que contiene secuencias altamente conservadas y permite identificar el grupo taxonómico sin necesidad de secuenciar los genes enteros.

Técnicas Cualitativas

• DGGE (Electroforesis en Gel con Gradiente Desnaturalizante): Sirve para fragmentos cortos y separa por secuencia. En el gel hay acrilamida con urea-formamida que desnaturaliza el ADN. Se añade una cola GC para que el fragmento se quede atascado en el gel al abrirse las hebras. Separa secuencias moleculares que difieren en un solo nucleótido, permitiendo distinguir microorganismos distintos.
• Hibridación por Fluorescencia in situ (FISH): Se usan sondas cortas (de 18 nucleótidos) marcadas con fluorocromo que identifican el ARNr.
• Clonación de ARNr 16S.

Técnicas Fisiológicas y Ecológicas

Métodos de enriquecimiento y evaluación de capacidades metabólicas y ecológicas.

Secuenciación Masiva y Metagenómica

Importancia de la Secuenciación Masiva

Es crucial para descubrir nuevos genes porque permite desarrollar librerías metagenómicas donde se comparan los genes de distintas especies. La metagenómica consiste en secuenciar todo el genoma de una comunidad de microorganismos.

Librerías Metagenómicas y Análisis Funcional

Las librerías metagenómicas son colecciones de material genético obtenido de organismos en un ambiente y que permiten obtener información de ellos sin necesidad de cultivarlos.

Tipos de análisis funcional para identificar una nueva enzima:

• Actividades enzimáticas.
• Metrex (expresión regulada por metabolitos).
• Sigex (expresión inducida por sustrato).

Mejora del Funcionamiento de una Enzima: Evolución Dirigida

Técnicas utilizadas para optimizar las propiedades de las enzimas:

1. PCR con Taq polimerasa (mutagénesis aleatoria).
2. DNA Shuffling: Los diferentes genes que codifican para enzimas similares se digieren con DNAsa y se reensamblan de nuevo aleatoriamente mediante PCR, generando enzimas recombinantes que pueden seleccionarse.
3. Casting: Se dirigen mutaciones a los aminoácidos (aa) que forman el sitio activo de la enzima, generando las combinaciones posibles de aa del sitio activo.

Gestión y Tratamiento de Residuos

Clasificación de Residuos Sólidos

• Agrarios: Procedentes de la agricultura, ganadería y pesca.
• Sólidos Urbanos: Basura y mantenimiento urbano.
• Industriales: Residuos generados por la industria.
• Médicos y Laboratorios.
• Radiactivos.

Tratamiento de Materia Orgánica: Vertederos Controlados vs. Compostaje

Vertederos Controlados

Diseñados para recoger el metano producido por la descomposición anaerobia microbiana de la Materia Orgánica (M.O.). Poseen tuberías porosas que recogen el biogás y están revestidos con plástico y gravilla para evitar lixiviados. El metano se quema para liberar CO₂, que es menos perjudicial.

Compostaje

Consiste en la estabilización biológica de residuos orgánicos por microorganismos bajo condiciones aerobias. Es un proceso que alcanza altas temperaturas.

Etapas del Compostaje

El compostaje es una alternativa a la descomposición en vertederos, donde los microorganismos estabilizan los residuos orgánicos bajo condiciones aerobias. Fases:

1. Degradación de solubles.
2. Mineralización.
3. Degradación de polímeros.
4. Formación de sustancias húmicas.

Fases Termodinámicas

• Fase Mesófila: Bacterias y hongos mesófilos. Aumenta la temperatura y baja el pH (producto de los ácidos producidos en la fermentación). Se degradan monómeros.
• Fase Termófila: Bacterias y hongos termófilos. Sube la temperatura y el pH (por el amonio producido al degradar proteínas). Se degradan polímeros hasta que quedan complejos.
• Fase de Maduración: La M.O. se acompleja por hongos, dando lugar a las sustancias húmicas.

Tratamiento de Aguas Residuales

El tratamiento es biológico y tiene como objetivo eliminar la materia orgánica del agua y reducir la DBO.

Tipos de Filtros Biológicos

• Filtros Biológicos: Tanque con un biofilm por donde pasa el agua, reduciendo la contaminación a medida que fluye.
• Lodos Activados: El agua se trata al ser aireada en un tanque grande y mezclada con flóculos microbianos.

Etapas del Tratamiento

1. Pretratamiento: Retira componentes sólidos grandes.
2. Tratamiento Primario: Elimina sólidos en suspensión por decantación, generando residuos sólidos.
3. Tratamiento Secundario: Elimina o reduce la materia orgánica disuelta mediante tratamiento biológico. Consta de una fase aerobia (donde se genera un segundo residuo) y otra anaerobia (que degrada la biomasa microbiana producida en la primera fase).
4. Tratamiento Terciario: Consiste en eliminar patógenos y nutrientes inorgánicos como el nitrógeno y el fósforo.

Biorremediación de Contaminantes Específicos

Cometabolismo en la Biorremediación de Xenobióticos

El cometabolismo es importante porque los compuestos xenobióticos son normalmente resistentes a la degradación biológica. El cometabolismo puede generar, a partir de estos compuestos, otras sustancias que sí pueden ser degradadas biológicamente.

El cometabolismo es un proceso por el cual las enzimas metabólicas de un organismo pueden modificar químicamente un producto sin que ello le aporte carbono o energía. El xenobiótico degradado en el cometabolismo no induce la actividad de la enzima. Ejemplo: Deshalogenación oxidativa del herbicida 2,4,5-T.

Mecanismos de Biorremediación de Metales Pesados

• Bioadsorción: Acumulación en la superficie celular por cargas positivas de los metales que interaccionan con las cargas negativas de la pared.
• Secuestro Intracelular: El organismo incluye el metal pesado dentro de su estructura.
• Biomineralización: Precipitación de metales en forma de carbonatos, sulfuros o fosfatos. Estos se exportan y se unen con el metal, dando un compuesto neutro que precipita.
• Biotransformación: El microorganismo hace que el metal sea neutro y deje de interaccionar, cambiando el estado de oxidación del metal pesado.

Bacterias Hidrocarbonoclásticas

Son bacterias que solo crecen en presencia de hidrocarburos, alimentándose de su degradación. Para crecer en el medio, el contaminante debe estar presente como fuente de Carbono (C) y Energía (E).

Biotecnología y Energía

Biología Sintética: Producción de Índigo

La producción de índigo en bacterias es un ejemplo de biología sintética porque se utiliza una E. Coli modificada genéticamente a la que se le han añadido varias enzimas, dándole la capacidad de sintetizar índigo.

Definición de Biología Sintética: Rediseño de sistemas biológicos para obtener nuevos propósitos o aplicaciones. Integra muchas disciplinas como la genómica o la ingeniería metabólica.

Biocombustibles como Energías Renovables

Los biocombustibles se consideran energías renovables porque pueden regenerarse por medios naturales.

Ventajas

• Renovable (depende del Sol).
• Fácilmente biodegradable (baja toxicidad).
• Los residuos pueden usarse para fabricar más biocombustibles.

Desventajas

• Encarecen el precio de los alimentos (solucionado con los biocombustibles de segunda generación, producidos por organismos que no compiten con la cadena alimentaria).
• Pérdida de biodiversidad por la instauración de monocultivos.
• Pérdida de superficie forestal.
• Gasto energético en los cultivos (fertilizantes, tractores, etc.).

Biodiésel de Tercera Generación

El biodiésel es un biocombustible compuesto por ésteres metílicos formados a partir de ácidos grasos (triglicéridos) y metanol.

En la tercera generación, los triglicéridos proceden de microalgas (con altos porcentajes de grasas y que carecen de ligninas) en lugar de plantas, por lo que se obtiene un mayor rendimiento.

Tecnología para la Degradación de Residuos Lignocelulósicos

La tecnología ideal a desarrollar para la degradación de residuos lignocelulósicos buscaría disponer de microorganismos que degraden los residuos directamente en etanol, sin pretratamientos y mediante una sacarificación y fermentación simultáneas.

Para ello, se requerirían:

• Microorganismos que degraden la celulosa y la hemicelulosa (celulosomas: complejos multiproteicos con diversidad de celulasas).
• Microorganismos que fermenten tanto hexosas como pentosas (como la levadura Pichia stipitis).
• Microorganismos con alta tolerancia al etanol.