Se describe la naturaleza de los Hap's así como probables medidas de remediación de los mismos.

1. Hidrocarburos Aromáticos Policiclicos
Biorremediación.
•Andrea Garcilazo Vera
Ingeniería Ambiental

2. LOS HIDROCARBUROS
AROMÁTICOS POLICÍCLICOS

3. Estructura de los HAPs
• Los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAPs) se definen por ser
estructuras formadas por 2 o más moléculas de benceno fusionadas.
• Se conocen unos 100 HAPs diferentes ya que existe una elevada cantidad
de isómeros. La estructura atómica del anillo bencénico les confiere una
gran estabilidad termodinámica debido a la elevada energía de resonancia
negativa que proporciona contener seis orbitales moleculares π por
solapamiento cíclico.
• Todos los compuestos con sistemas electrónicos π-cíclicos son catalogados
como aromáticos.

5. Origen y distribución de los HAPs en el medio
ambiente
• El anillo bencénico es una de las estructuras más ampliamente distribuida en
la naturaleza. Se encuentra formando parte de compuestos mono y
policíclicos, así como de otras substancias más complejas como la lignina.
• Los HAPs se forman por la exposición de moléculas orgánicas a:
• Las mezclas de HAPs de origen petrogénico se distinguen de las pirolíticas por
ser más ricas en HAPs alquilados debido a la diferente temperatura de
formación.
• Elevadas temperaturas.
Pirólisis
• Bajas temperaturas
.
• Elevadas presiones durante millones de años en
sedimentos, durante la formación del petróleoOrigen Petrogénico

7. •Las características más importantes que condicionan el comportamiento
de los HAPs en el medio ambiente van ligadas a las características
fisicoquímicas.
•Son de gran importancia la hidrofobicidad, que aumenta cuanto mayor sea
el número de anillos y la volatilidad de los HAPs de menor peso molecular.
Debido a las propiedades hidrofóbicas, los HAPs muestran una fuerte
tendencia a adsorberse a las superficies lo que dificulta su biodegradación,
así como a acumularse en la cadena trófica.
•De hecho los compuestos aromáticos heterocíclicos, los cuales contienen
átomos de nitrógeno, azufre u oxígeno, también pueden considerarse
HAPs, en sentido amplio, debido a que también muestran características
similares.

9. •Básicamente las fuentes de HAPs se resumen en tres: el petróleo o origen
petrogénico, la combustión o origen pirolítico (a partir de combustibles
fósiles, madera, erupciones, etc.) y la síntesis por seres vivos, cuya
aportación es minoritaria.
•La agencia de protección ambiental americana ha incluido los HAPs entre sus
contaminantes prioritarios. Esto fundamentalmente se debe a la peligrosidad
intrínseca de los HAPs, debido a la toxicidad aguda y a la toxicidad de tipo
teratogénico, mutagénico y carcinogénico que presentan. Asimismo también
se bioacumulan y su biodegradación en general es mucho más lenta,
especialmente los de elevado peso molecular que la de otros hidrocarburos.

10. Biodegradación de HAPs
• Los microorganismos juegan un papel importante en la eliminación de los
HAPs en los ecosistemas terrestres y acuáticos, siendo la degradación
microbiana el principal proceso de descontaminación natural . Por lo tanto es
necesario un buen conocimiento y control de este proceso natural para
aplicarlo a tecnologías de biorremediación.
• En la figura 2.2 se muestran las primeras reacciones de transformación
aeróbica de los HAPs, siendo característico de los hongos y los mamíferos la
introducción de un solo átomo de oxígeno mediante una monooxigenasa que
contiene el citocromo P-450, y la transfromación a trans-dihidrodioles. En este
proceso de transformación se generan metabolitos más solubles, para su
posterior eliminación (proceso de detoxificación). Los hongos lignolíticos
pueden degradar e incluso mineralizar los HAPs mediante el conjunto de
enzimas implicados en la utilización de polímeros vegetales como la lignina.

12. Hidrocarburos
El numero de carbonos y su estructura química
determina su clasificación.
Los hidrocarburos alifáticos son de cadena lineal o
ramificada y pueden ser saturados (alcanos) o
insaturados (alquenos y alquinos).
Los hidrocarburos
de cadenas cíclicas, pueden ser
saturados (ciclo alcanos) o con uno o
mas anillos bencénicos (aromáticos)

13. Existen dos clases de hidrocarburos aromáticos
los de bajo peso molecular que
tienen de 2 a 3 anillos aromáticos
como el naftaleno, fluoreno,
fenantreno y antraceno y derivados
los de alto peso molecular que
tienen de 4 a 7 anillos aromáticos
como el criseno

14. Su importancia está relacionada a su movilidad, debido
a su peso molecular.
Los HAPs de alto peso molecular son relativamente
inmóviles y por ende, de baja volatilidad y solubilidad
y, en consecuencia esto afecta su distribución y
conducta en el ambiente.

15. Donde encontramos compuestos aromáticos
ciertos tipos de
caucho
Lubricantes
tinturas
detergentes
medicamentos
plaguicidas
solvente de
compuestos
orgánicos
aditivo en los
combustibles
solvente de pinturas
revestimientos
adhesivos
tintas
producción de
polímeros
nylon
poliuretanos
pinturas de uñas
resinas fenólicas
resinas de fundición
Colorantes
productos
farmacéuticos
Herbicidas
funguicidas
bactericida
detergentes
antioxidantes
aditivos para aceites

16. Aceites
Lubricantes
• Los aceites lubricantes están constituidos por una base
lubricante y una serie de aditivos. Dependiendo del uso del
aceite, la base lubricante será mineral (proveniente del
petróleo crudo), sintética o vegetal.

17. • Para mejorar las características del aceite es común
añadir aditivos en proporciones de un 15 y un 25% en
volumen de producto terminado estos son de distinta
naturaleza y confieren al aceite propiedades específicas

18. Impactos en la Salud y el Medio
Ambiente
• En el caso de el uso de aceites existe el riesgo de que se
liberen contaminantes tóxicos, como es el caso de los
hidrocarburos aromáticos policíclicos, metales pesados y
compuestos clorados.

19. Si no se dispone adecuadamente, el aceite causa graves
problemas al ambiente:
Si se arroja al suelo, éste contiene una serie de hidrocarburos, metales y aditivos que favorecen su
penetración y dispersión en el terreno, destruye el humus vegetal y acaba con la fertilidad del suelo.
Si el aceite usado se quema, sin un tratamiento y control adecuado, emite gases tóxicos debido a la
presencia de plomo, cloro, fósforo, azufre, entre otros. Se estima que la quema de cinco litros de
aceite, contaminan, 1millon de m3de aire, que es la cantidad de aire respirada por una persona
durante tres años.

20. Legislación ambiental en materia de residuos
peligrosos
El conocimiento del tipo de contaminación y su concentración es
fundamental para establecer las condiciones del sitio, el riesgo
que representa y la selección de posibles tecnologías de
recuperación
Los límites de limpieza para hidrocarburos en suelos y aguas
dependerán de las normas vigentes en México.

21. Suelo
El suelo esta compuesto por tres fases
la fase sólida, compuesta a su vez por la fracción mineral y la
orgánica
la fase liquida
la fase gaseosa
En un promedio general la materia orgánica constituye un 5% del
suelo, el agua 25%, el aire 25% mientras que la fracción mineral
esta representada en un porcentaje del 45%

22. Contaminación del suelo
La contaminación del suelo consiste en una degradación
química que provoca la pérdida parcial o total de la
productividad del suelo como consecuencia de la acumulación
de sustancias tóxicas que modifican negativamente sus
propiedades.

23. Contaminación del suelo por hidrocarburos
A medida que transcurre el tiempo después de un derrame, se va
modificando la composición del hidrocarburo por acción de los agentes
ambientales.
Por su carácter lipofílico se pueden bioacumular y concentrar en
sedimentos y suelos.
Primero se pierden los
hidrocarburos volátiles
Se produce la eliminación
de parafinas [por
evaporación, por actividad
fotoquímica o actividad
biológica]
Como resultado de ello el
contaminante se enriquece
en compuestos pesados,
difíciles de degradar; por lo
que la velocidadde reacción
disminuye a medida que
transcurre el tiempo

24. Procedimientos para la descontaminación de suelos
Cuando se empezó a actuar sobre los espacios contaminados, el método solía
consistir en retirar los residuos y/o suelo contaminado a un vertedero o
cubrirlos con una capa impermeable (confinamiento).
Posteriormente, se planteó la necesidad de desarrollar alternativas para
solucionar de forma permanente y menos costosa el problema de los espacios
contaminados.

25. Biodegradación de
hidrocarburos
• Existen dos métodos usados en la degradación de
hidrocarburos
El primero se basa en las capacidades
metabólicas de las especies presentes
en los hidrocarburos, la degradación
se consigue al modificar el sustrato,
por aereación o aplicando un
fertilizante.
En el segundo se adicionan
poblaciones foráneas de
microorganismos que son escogidos
por sus capacidades de degradar
hidrocarburos. El método de siembra
de microorganismos requiere que se
agregue una cantidad de inoculo
mayor a la biomasa que esta presente
en el medio para asegurar la
supervivencia del inoculo

26. La estrategia seguida por
los microorganismos
consiste en desestabilizar
el anillo aromático
mediante la introducción
de dos grupos hidroxilo.
Así, el compuesto pasa a
ser susceptible de ataque
enzimático para rendir
formas asimilables del
carbono.

27. La presencia de alto nivel de PAHs en suelos
contaminados sigue planteando problemas
importantes debido a la persistencia y la
genotoxicidad que esta relacionada con el
aumento del tamaño de la molécula y el número
creciente de anillos de benceno todo esto va de la
mano con la tasa de biodegradación ambiental.

28. Para ejemplo
la vida media de la molécula de fenantreno de tres anillos en
suelos y sedimentos puede variar desde 16 hasta 126 días,
mientras que la vida media de la molécula de benzo cinco
anillos [a] pireno (BaP) puede variar desde 229 hasta 1.400
días
La estabilidad electroquímica y la hidrofobicidad son dos
factores cruciales para la creción de altos niveles de PAHs
en el medio ambiente.

29. Más tarde, demostraron que una comunidad
bacteriana aislada de un sitio de residuos de
creosota era capaz de utilizar fluoranteno como su
única fuente de carbono y energía para el
crecimiento bacteriano.

30. TIPOS DE BIORREMEDIACIÓN
• DEGRADACION ENZIMATICA
• BIORREMEDIACION MICROBIANA
• FITORREMEDIACION

31. DEGRADACION ENZIMATICA
• Agregamos enzimas diseñadas con alta especificidad al
sitio contaminado degradando las sustancias nocivas
.
Una ventaja
Las enzimas no son consumidas por las reacciones,
por lo que degradaran por largo tiempo.

32. BIORREMEDIACION MICROBIANA
• En este caso utilizaremos HONGOS en el
foco contaminante para descomponer
sustancias tóxicas a través del uso de micelios
fúngicos que producen enzimas capaces de
degradar los componentes contaminantes

33. FITORREMEDIACION
• Usamos SERES VEGETALES para la
descontaminación.
A través de sistemas radiculares de plantas y
árboles extraemos los metales pesados y otros
contaminantes de suelo, agua y aire.

34. TIPO DE TECNICAS
• Dependiendo del tipo de contaminante puede
ser:
• Aerobio o anaerobio
• In-situ (en el lugar contaminado)
• Ex-situ (el suelo se traslada a un laboratorio)

35. FACTORES INFLUYENTES
• Los factores que hacen favorable la transformación de
los contaminantes son :
• Necesidad de nutrientes.
• pH del suelo
• Temperatura
• Humedad
• Estructura química del hidrocarburo

36. TECNICAS DE BIORREMEDIACION
• 1- BIOVENTING
• 2- ATENUACION NATURAL
• 3- BIOESTIMULACION
• 4-BIOPILAS

37. 1. Bioventeo/Bioaireación/Bioventing:
• In situ
• De bajo coste
• Procesos físico-químicos de interacción contaminante-suelo y
procesos de biodegradación de forma natural en el medio.
• Debido a la aireación del suelo se va a favorecer la
degradación de los hidrocarburos por dos motivos: por
volatilización, facilitando la migración de la fase volátil de los
contaminantes, y por biodegradación, ya que al incrementar
la oxigenación del suelo se van a estimular la actividad
bacteriana

39. 2. Atenuación natural:
• biorremediación in-situ
• procesos de biotransformación natural que reducen
mediante una serie de mecanismos la concentración
de los contaminantes.
• Se aplica en aquellos casos en los que exista
contaminación producida por hidrocarburos
halogenados o no halogenados

41. 3. Bioestimulación:
Técnica de biorremediación in-situ
Utilizada para el tratamiento de aguas subterránea
que se extraen mediante pozos.

42. 4. Biopilas
• Ex-situ
• Suelos excavados
• Formación de pilas de material biodegradable
(suelo contaminado + materia orgánica).

44. Todos estos hidrocarburos acaban contaminando cualquier medio :
•El aire: Pasan al aire a través de emisiones volcánicas , incendios
forestales, combustión del carbón y por el escape de automóviles,
incluso pueden evaporarse al aire fácilmente desde el suelo o de
aguas superficiales
•El agua: Estos hidrocarburos pueden llegar a contaminar las aguas
a través de plantas industriales o plantas de tratamiento de aguas .
•El suelo: Lo hacen adhiriéndose a partículas residuales del suelo y
son capaces por tanto de movilizarse a traves de el suelo y
contaminar el agua subterránea.

45. Utilización de hongos en la degradación de
Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos.

46. Varios estudios han demostrado que
diversos hongos son capaces de
mineralizar HAP.
Estos hongos se pueden clasificar en dos grupos;
Hongos no ligninolíticos
Ejemplo: Cunninghamella elegans.
Hongos ligninolíticos
Ejemplo: Pleurotus ostreatus.

47. Hongos no ligninolíticos
• Estos metabolizan HPA’s mediante el sistema del
citocromo P-450 monooxigensa, el cual se basa en
la capacidad de catalizar la inserción de oxigeno en
una gran cantidad de compuestos orgánicos.

48. • La vía en la oxidación inicial de los HPA con citocromo
P450 monooxigenasa cataliza la reacción que forma
trans-dihidrodiols.
• La inserción de un átomo
de oxígeno molecular (O2)
en un sustrato orgánico (RH)
a la vez que el otro átomo de oxígeno es reducido a agua:
RH + O2 + 2H+ + 2e– → ROH + H2O.
• https://www.youtube.com/watch?v=aljU-7l4ObM

49. • Otra vía metabólica de los hongos para la
degradación de los HAP implica: hidroxilación
por una monooxigenasa, la conjugación con el
ion sulfato (metil, glucósido, glucurónido, y
xilósido), seguido por una hidroxilación
adicional a compuestos (metabolitos).

50. Benzopireno
• El benzopireno es un hidrocarburo policíclico aromático
potencialmente carcinógeno.
• El a-benzopireno se produce por condensación de cinco
anillos de benceno durante los procesos de combustión a
temperaturas de 300 a 600 °C.

52. • Las enzimas P450 han sido identificadas en todas los
linajes de vida orgánica, incluyendo los mamíferos,
aves, peces, insectos, gusanos, plantas, hongos, etc.
Se conocen más de 7.700 secuencias.
• Los hongos metabolizan compuestos de HAP a
metabolitos similares a los formados por
enzimas de mamíferos.

53. Hongos ligninolíticos
• La lignina es un polímero presente en las paredes celulares
de organismos.
• Las enzimas extracelulares fúngicas de lignina parecen ser
más propensas a hacer el ataque inicial sobre los HPA en el
suelo.
• Estas enzimas
carecen de selectividad.

54. • Incluida la lignina peroxidasa (LIP), manganeso peroxidasa
(MNP) y lacasas. Estas enzimas oxidan una amplia variedad de
compuestos orgánicos.
• Este complejo enzimático inespecífico
fúngico extracelular, tiene potencial en
la eliminación xenobióticos con estructura
química similar a la lignina.

56. Grandes cantidades de micelio de varias especies de
hongos de la pudrición blanca se utilizan para aumentar
la extensión de la biorremediación de HAPs en el suelo.
• La mejor,cepa caracterizada - chrysosporium
Phanerochaete – puede a las quininas
correspondientes por lignina peroxidasa y gestionar
manganeso peroxidasa (Bogan et al., 1996a, b).

57. • La oxidación de HPA en cultivos de hongos de
pudrición blanca resultan inicialmente en
quininas. Debido a que la quinina es menos
tóxico que sus respectivos metabolitos
generados por el citocromo P450
monooxigenasas, la oxidación enzimática de
HPAs por ligninooxidorreductasas podrían ser
una estrategia más útil en desintoxicación y
procesos de biorremediación.

59. Degradación de los HAP

60. • Las bacterias para la biodegradación de la
mezcla de HAP esta influenciada por la
biodisponibilidad.
BIODISPONIBILIDAD: se
considera que es un proceso
dinámico que es determinado
por la tasa de transferencia de
masa de sustrato a las micro
células microbianos en relación
con su actividad catabólica
intrínseca.
Surfactantes
• fisiológicas de los
microorganismos
• la estructura química
del hidrocarburo
• los factores
ambientales del suelo

61. Ventajas Desventajas
o Se le atribuye el aumento de
solubilidad y biodisponibilidad.
o De fácil comercialización,
distribución y a bajo costo.
o Su toxicidad y los efectos de
los intermedios (residuos)
suelen ser más tóxicos que los
compuestos originales
o Mejora la degradación del
hidrocarburo
o Algunos son biodegradables
o Se podría utilizar como sustrato
primario cuando el contaminante se
degrada
co-metabólicamente.
o Degradación preferencial del
surfactante, puede disminuir la
degradación del contaminante,
la degradación del surfactante
reducirá el efecto de la
biodisponibilidad.
Ventajas Desventajas
o Son biodegradables
o Menos tóxicos que los sintéticos
o Las moléculas de superficie se
adaptan a los cambios de sustrato de
crecimiento
o Tienen estructuras definidas.
o Mejora la degradación del
hidrocarburo
o Se le atribuye el aumento de
solubilidad y biodisponibilidad.
o Son amigables al medioambiente.
o La producción a gran escala de
biosurfactantes es compleja y difícil.
o Algunos biosurfactantes pueden ser
tan tóxicos como los sintéticos.
o Pueden competir con el hidrocarburo
como sustrato preferencial.
o La producción de biosurfactantes no
es económicamente viable.
Surfactantes
Biosurfactantes

62. • El patrón de utilización de los HAP no es sólo el resultado
de biodisponibilidad, sino también de interacciones
metabólicas relacionadas con el cometabolismo.
• El cometabolismo microbiano es la transformación de un
compuesto orgánico por un microorganismo que es
incapaz de usar el substrato como fuente de energía o
como un elemento nutritivo esencial.
Cometabolismo de un tipo de HAP podrían tener un efecto
sinérgico aumentando la degradación de los otros. Por lo tanto,
el cometabolismo puede ampliar la gama de PAH atacado por
una cepa definida, especialmente para la degradación de HAP
con peso molecular grande.

63. • Varias bacterias tienen la capacidad de
degradar de bajo y alto peso molecular a los
HAP.
Mycobacterium sp. cepa PYR-1 la
cual degrada pireno y fluoranteno.
Esta bacteria mostro un agotamiento
en naftaleno, fenantreno,
antraceno. La disminución de las
concentraciones de fluoranteno,
pireno y benzopireno con respecto a
los controles no fue estadísticamente
significativa, aunque si se logro
detectar rompimiento en los anillos.

64. • Cuando a los compuestos (fenantreno,
antraceno y pireno) se le suma la bacteria
Mycobacterium, harán que sus tasas de
reducción alcancen valores máximos durante
las primeras 168h. Sin embargo, las tasas de
biodegradación de fluoranteno y pireno son
significativamente menores que la de
fenantreno

65. La mayoría de estos metabolitos fueron
ácidos carboxilicos aromáticos formados
como resultado de la utilización de
crecimiento de sustratos (fenantreno, pireno
y fluoranteno).
estos compuestos parcialmente oxidados
producidos por una cepa microbiana puede
ser degradado por otros.

66. Un estudio llevado a cabo con antraceno ha
confirmado que todos los productos de
oxidación detectados de este compuesto por
hongos de podredumbre blanca puede ser
mineralizada por bacterias autóctonas. (por
ejemplo, lodos activados).

67. Bjerkandera sp. BOS55
• La adición del hongo de podredumbre blanca Bjerkandera
sp. BOS55 el cual fue capaz de eliminar el 99,2 y el 83,1% de
pireno antraceno y el 38.5% de benzo pireno y dio como
resultado un aumento inicialmente rápido en el nivel de CO2 y
la recuperación del nivel de solubilidad en agua se redujo a
16% de los niveles iniciales. Esto demostró que la aireación en
el cultivo fue adecuada.

68. • Algunos hongos pueden utilizar citocromo
P450 para transformar HAP y activarlos para
una mayor degradación por bacterias, se
sugirió que la degradación de HAP en la
naturaleza es una consecuencia de la ruptura
secuencial por hongos y las bacterias, los
hongos con la realización de la oxidación
inicial.

69. Penicillium
nonligninolytic
janthinelum
VUO 10201
25% del benzo pireno fue
mineralizada a CO2 por estos co-
cultivos bacterianos de más de 49
días, acompañado por la
desaparición de los compuestos
intermedios.
S. maltophilia
VUN 10010
Inoculación de cocultivos-bacteriana por hongos en el suelo contaminado por
PAH resultó en una mejora significativa de la degradación de alto peso molecular.

70. Durante la última década, una gran
variedad de microorganismos han
sido aislados y caracterizado por su
capacidad para degradar diferentes
HAP. También muchas enzimas
metabólicas para la degradación de
diferentes HAP se han aislado a
partir de microorganismos
CONCLUSION

71. • Los microorganismos han
evolucionado para adaptarse
a los HAP presentes en el sitio
contaminado. Muchos
microorganismos producen
biosurfactantes para
aumentar la biodisponibilidad
en sustratos disponibles.

72. En la ingeniería genética la
conversión de genes, la
duplicación de genes y la
transposición hacen que se
produzca nuevas cepas con
propiedades deseables para
la biorremediación de
acuerdo al conocimiento de
PAH.
Otras tecnologías diseñadas
es por ejemplo la adición de
pequeñas cantidades de
biosurfactantes a la tierra que
contienen HAP pueden
aumentar la composición la
dispersión y la
biodisponibilidad.

73. BIBLIOGRAFÍA.
• Fungi in Bioremediation Cap. 7
edited by Geoffrey M. Gadd
• Microbial biodegradation of polyaromatic hydrocarbons
Ri-He Peng, Ai-Sheng Xiong, Yong Xue, Xiao-Yan Fu, Feng Gao,
Wei Zhao, Yong-Sheng Tian & Quan-Hong Yao.
• Eluniversal.com
• Wikipedia.com