Aproximación al diseño de sistemas de bio-reactores para la delignificación de materiales lignocelulósicos y para la decontaminación de suelos y efluentes. Approximation to the design of bio-reactors systems for the delignificación of lignocellulosic materials and for the decontamination of soil and effluents

Los materiales lignocelulósicos residuales de las actividades agroindustriales pueden ser aprovechados como fuente de lignina, hemicelulosa y celulosa. El tratamiento químico del material lignocelulósico se debe enfrentar al hecho de que dicho material es bastante recalcitrante a tal ataque, fundamentalmente debido a la presencia del polímero lignina. Esto se puede lograr también utilizando hongos de la podredumbre blanca de la madera. Estos producen enzimas lignolíticas extracelulares fundamentalmente Lacasa, que oxida la lignina a CO2. Tambien oxida un amplio rango de sustratos ( fenoles, polifenoles, anilinas, aril-diaminas, fenoles metoxi-sustituídos, y otros), lo cual es una buena razón de su atracción para aplicaciones biotecnológicas. La enzima tiene potencial aplicación en procesos tales como en la delignificación de materiales lignocelulósicos y en el bioblanqueado de pulpas para papel, en el tratamiento de aguas residuales de plantas industriales, en la modificación de fibras y decoloración en industrias textiles y de colorantes, en el mejoramiento de alimentos para animales, en la detoxificación de polutantes y en bioremediación de suelos contaminados. También se la ha utilizado en Q.Orgánica para la oxidación de grupos funcionales, en la formación de enlaces carbono- nitrógeno y en la síntesis de productos naturales complejos. HIPOTESIS: Los hongos de podredumbre blanca, y en condiciones óptimas de cultivo producen distintos tipos de enzimas oxidasas, siendo las lacasas las más adecuadas para explorarlas como catalizadores en los siguientes procesos:  Delignificación de residuos de la industria forestal con el fin de aprovechar tales desechos en la alimentación animal.  Decontaminación/remediación de suelos y/o efluentes industriales. Se realizarán los estudios para el diseño de bio-reactores que permitan responder a las dos cuestiones planteadas en la hipótesis. Para el proceso de delignificación de material lignocelulósico se proponen dos estrategias: 1- tratar el material con el micelio del hongo adecuando la provisión de nutrientes para un desarrollo sostenido y favorecer la liberación de la enzima. 2- Utilizar la enzima lacasa parcialmente purificada acoplada a un sistema mediador para oxidar los compuestos polifenólicos. Para el proceso de decontaminación/remediación de suelos y/o efluentes industriales se trabajará también en dos frentes: 3) por un lado, se ha descripto que existe una correlación positiva entre la actividad de algunas enzimas presentes en el suelo y la fertilidad. En este sentido se conoce que un sistema enzimático, tentativamente identificado como una lacasa de origen microbiano es responsable de la transformación de compuestos orgánicos en el suelo. La enzima protege al suelo de la acumulación de compuestos orgánicos peligrosos catalizando reacciones que involucran degradación, polimerización e incorporación a complejos del ácido húmico. Se utilizarán suelos incorporados con distintos polutantes(por ej. policlorofenoles ó cloroanilinas.) 4) Se trabajará con efluentes industriales contaminantes (alpechínes y/o el efluente líquido del proceso de desamargado de las aceitunas). The lignocellulosic raw materials of the agroindustrial activities can be taken advantage as source of lignin, hemicellulose and cellulose. The chemical treatment of this material is not easy because the above mentioned material is recalcitrant enough to such an assault, due to the presence of the lignin. This can be achieved also using the white-rot fungi of the wood. It produces extracellular ligninolitic enzymes, fundamentally Laccase, which oxidizes the lignin to CO2. The enzyme has application in such processes as in the delignification of lignocellulosic materials and in the biobleaching of fibers for paper industry, in the treatment of waste water of industrial plants, in the discoloration in textile industries, in the improvement of food for ruminants, in the detoxification of polutants and in bioremediation of contaminated soils. HYPOTHESIS: The white-rot fungi produce different types of enzymes, being the laccases the most adapted to explore them as catalysts in the following processes:  Delignification of residues of the forest industry in order to take advantage of such waste in the animal feed.  Decontamination of soils and / or waste waters. The studies will be conducted for the design of bio reactors that allow to answer to both questions raised in the hypothesis. For the delignification process of lignocellulosic material they propose two strategies: 1- to treat the material with the fungi 2-to use the partially purified enzyme to oxidize the polyphenolic compounds. For the soil and/or waste water decontamination process, we have: 3- Is know that the enzyme protects to the soil of the accumulation of organic dangerous compounds catalyzing reactions that involve degradation, polymerization and incorporation to complexes of the humic acid. There will be use soils incorporated into different pollutants. 4- We will work with waste waters (alpechins or the green olive debittering effluents.

Sustentabilidad del monocultivo de soja y otras alternativas agrícolas, en relación a los recursos suelo y agua, en la Región Centro-Norte de Córdoba. Sustainability of soybean monoculture and another agricultural alternatives, in relation to soil and water natural resources, in the north-central area of Cordoba (Argentina).

En este proyecto se pretende demostrar que existen alternativas sustentables al monocultivo de soja y económicamente factibles si se consideran los costos ambientales.Se cumplirán los siguientes objetivos específicos:- Caracterizar la sensibilidad de indicadores de calidad del suelo: infiltración, densidad aparente, penetrometría, C orgánico, fracciones de la MO y un índice químico de disponibilidad de N. - Medir escurrimiento y erosión en dos microcuencas con manejos contrastantes donde existe instrumental instalado y registros desde hace mas de 10 años.- Establecer rangos para las situaciones encontradas en los suelos representativos de la región.- Integrar los parámetros considerados en un sistema de diagnóstico de calidad/salud del suelo, para las condiciones de la región. - Aplicar el sistema de Calidad/salud del suelo para situaciones con monocultivo de soja y otras alternativas.- Calibrar y aplicar el modelo de simulación de la materia orgánica AMG, al monocultivo de soja y otras alternativas, a distintas escalas temporales y espaciales.- Estimar los costos ambientales de monocultivo a partir de los datos obtenidos.- Extrapolar los resultados del monocultivo y las otras alternativas a los suelos característicos, para estimar la sustentabilidad de los suelos en el centro-norte de la provincia de Córdoba.Se trabajará en dos áreas piloto en campos de productores, con y sin erosión hídrica. Se evaluarán parámetros indicadores del estado de los suelos, se los integrará en un sistema, se evaluarán los suelos con situaciones de monocultivo de soja y manejos contrastantes y se los correlacionará con su historial de intervención antrópica. Se brindará una herramienta apta para el ordenamiento territorial.

Utilización de biomarcadores para la evaluación integrada de la calidad del agua de la cuenca del río Suquía.Utilization of biomarkers for the integrated evaluation of water quality of the Suquía River Basin.

En los últimos años el grupo de investigación ha caracterizado la calidad de los cuerpos de agua, detectando gradientes de calidad ambiental que se manifiestan por la aparición de tóxicos que generan cambios en la calidad del agua, sedimento y especialmente en la biota. El presente proyecto propone una evaluación integrada de la contaminación de los recursos hídricos abarcando el estudio de las causas de la contaminación y las respuestas biológicas que se producen ante dichas alteraciones. Por ello nuestro objetivo principal es evaluar la contaminación de los recursos acuáticos a través del desarrollo y aplicación de diversas herramientas. El enfoque multidisciplinario del mismo permitirá integrar los análisis de las diferentes áreas de estudio, con el fin de brindarán soluciones al problema generalizado de la contaminación acuática. El fin último es alcanzar una mejor valoración de los cambios temporales y espaciales en la calidad de las cuencas hídricas. Se propone analizar la presencia y concentración de tóxicos en agua, suelo, sedimento y biota conjuntamente con la evaluación de los efectos sobre los organismos a diferentes niveles de organización, lo que permitirá determinar y seleccionar los indicadores más eficientes de la contaminación ambiental. Se desarrollarán biomarcadores moleculares basados en expresión genética en la biota acuática y biomarcadores morfológicos, histológicos y bioquímicos. Además se evaluará el efecto del estrés tóxico sobre los hábitos natatorios de peces utilizando un software recientemente desarrollado por el grupo. También se intensificará la búsqueda de biomarcadores específicos de disrupción endocrina en peces tales como aromatasa, vitelogenina, parámetros estáticos y dinámicos de espermatozoides y comportamiento de cortejo y cópula. Así, el plan propuesto brindará un conjunto de herramientas, con diverso grado de complejidad, para ser usadas en la correcta evaluación del impacto ambiental de las actividades humanas. El grupo de trabajo pretende realizar una fuerte contribución a los conocimientos de base para crear conciencia sobre el problema de las diferentes cuencas en estudio, a fin de llevar a cabo un control sostenido de la calidad de los recursos acuáticos.

Manejo ganadero y restauración de ambientes montanos en relación a la biodiversidad, el suelo y la producción de agua. Livestock management and ecological restoration of mountain environments in relation to biodiversity, soil and water production.

Las áreas montanas brindan numerosos bienes y servicios a la humanidad cómo la provisión de agua. Asimismo, albergan una biota muy diversa y existe en ellas una actividad económica de considerable importancia centrada en la ganadería. En algunos casos las actividades asociadas a la ganadería pueden modificar los ecosistemas montanos y los bienes y servicios que brindan de forma drástica. Esto se debe a los cambios en la vegetación, y la pérdida y compactación de los suelos, que tiene repercusiones en la cantidad de agua captada, evapotranspirada y almacenada. También tiene repercusiones sobre la biodiversidad, tanto positivas como negativas. Aquí nos propusimos investigar cómo los cambios en la cobertura vegetal producidos por cuatro siglos de uso ganadero en el piso superior de las Sierras de Córdoba (Centro Argentino) han afectado a atributos del ecosistema como la diversidad vegetal, la integridad de los suelos y la capacidad de proveer agua a la población humana. A su vez, nos propusimos estudiar en detalle cómo las distintas opciones actuales de manejo pueden afectar a la cobertura vegetal y por ende a los atributos del ecosistema. De este modo, esperamos: (1) poder desarrollar un modelo espacialmente explícito que permita predecir la evolución del ecosistema ante distintos escenarios de manejo. (2) Más a largo plazo determinar los costos y los beneficios de los distintos manejos, en términos de la conservación de la biodiversidad, los suelos y la provisión de agua. El área de estudio cuenta un Sistema de Información Geográfica muy completo que incluye numerosas capas de información (vegetación, topografía, casas y caminos y otras). Además, existe en el área un Parque Nacional, con potreros bajo distintos manejos ganaderos (exclusión, cargas ganaderas moderadas continuas y estacionales), y una zona con herbivoría nativa de guanacos, que fueron reintroducidos recientemente en el Parque. Fuera del Parque, hay establecimientos con ganadería tradicional, con cargas ganaderas altas; así como un área donde se ha realizado una restauración modelo mediante reforestación y revegetación de zonas erosionadas. Estos escenarios representan una oportunidad muy especial para realizar estudios comparativos de la evolución de la fisonomía, composición florística, diversidad vegetal, integridad del suelo (erosión, tasa de infiltración, contenido de agua a lo largo del año) y el caudal de los arroyos en la estación seca. En este proyecto proponemos seguir con mediciones de la evolución de la vegetación bajo los distintos escenarios y seguir averiguando métodos de restauración de la vegetación. Además, proponemos empezar a realizar mediciones relacionadas al valor de los distintos tipos de cobertura vegetal, resultado de cuatro siglos de historia de disturbio, sobre la diversidad y los recursos hídricos. Por otro lado, realizaremos mediciones ecofisiológicas en las especies dominantes, para comprender sus efectos sobre el ciclo del agua.

Caracterización de la calidad del agua y de la ictiofauna de tres embalses de la cuenca del Rio Tercero (Córdoba, Argentina). Characterization of water quality and ichthyofauna in three reservoirs in Río Tercero basin (Córdoba, Argentina).

Los embalses constituyen reservorios de agua artificiales que se forman para brindar múltiples propósitos. La generación de energía, la provisión de agua para consumo y riego, la atenuación de crecientes y los usos recreacionales, figuran como los más destacados. La calidad del agua y el grado de eutrofización, condicionan la realización de diferentes usos con consecuencias directas e indirectas para la Salud Pública y el recurso íctico. La eutrofización es precisamente uno de los problemas más recurrentes en los embalses de la provincia de Córdoba. Las hipótesis son: 1-El incremento en la concentración de nutrientes, principalmente fósforo y nitrógeno, favorecen la producción de florecimientos algales, con consecuencias negativas sobre la sociedad y el ambiente; 2 - El estrés ambiental producto del grado de eutrofización de los embalses aumenta la susceptibilidad de Odontesthes bonariensis, situación que contribuye al desarrollo de parásitos y a la disminución de su condición corporal. Los objetivos generales del proyecto son: a) Evaluar la variabilidad temporal y espacial de la calidad del agua de tres embalses de la cuenca del río Tercero; b) Estudiar diferentes características biológicas de la ictiofauna presente. Los reservorios a estudiar son Arroyo Corto (64,57W, 32,22S; 357 ha), Río Tercero (64,38W, 32,17S; 4600 ha) y Piedras Moras (64,28W, 32,18S; 830 ha). La superficie, cantidad de tributarios y características limnológicas que presentan estos embalses son contrastantes. Se determinará de manera estacional y en diferentes sitios de muestreo de cada embalse la calidad del agua para distintos usos, a través de análisis físico-químicos y biológicos según metodología estándar, realizando mediciones in situ y en laboratorio. Se evaluará el grado de eutrofia de los reservorios a través de la concentración de nutrientes, clorofila-a y transparencia de agua. Para evaluar la distribución espacial de clorofila-a se integraran SIG-sensores remotos y se determinarán modelos geoestadísticos para predecir florecimientos algales su composición y su relación con riesgos potenciales para la salud y el recurso íctico. Se determinará la diversidad y riqueza de la ictiofauna y la abundancia poblacional (captura por unidad de esfuerzo), la condición corporal, el crecimiento y el estado sanitario del pejerrey O. bonariensis. Para ello se utilizaran artes de pesca pasivos (red de enmalle, trasmallo), activos (red de arrastre) y aparejos de pesca (espineles). Por último, se determinará la abundancia y distribución de Limnoperma fortunei en el embalse Río Tercero. Los resultados obtenidos permitirán evaluar la calidad del agua, el estado trófico y prevenir los riesgos para la salud pública y animal en una de las cuencas de alto impacto antrópico del país. Por su parte, se obtendrán datos sobre distribución, ecología y condición de la ictiofauna, permitiendo el uso sustentable del recurso pesquero. Se obtendrán herramientas que facilitarán la gestión sistémica y la toma de decisiones en el manejo del recurso agua, su saneamiento y la determinación de áreas críticas de riesgo.

Biorremediación de cromo y fenol mediante la aplicación de microorganismos nativos de la Provincia de Córdoba Bioremediation of chromium and phenol by the application of native microorganisms from Córdoba Province

La contaminación ambiental por metales pesados como el cromo y por compuestos orgánicos como los fenoles es un grave problema a nivel mundial debido a su toxicidad y a sus efectos adversos sobre los seres humanos, la flora y la fauna, tanto por su acumulación en la cadena alimentaria como por su continua persistencia en el medio ambiente. En un estudio preliminar, efectuado por nuestro laboratorio, se han detectado elevados niveles de estos contaminantes en sedimentos y efluentes en zonas industriales del sur de la provincia de Córdoba, lo cual plantea la necesidad de removerlos. Entre las tecnologías disponibles, la biorremediación, que se basa en el uso de sistemas biológicos, como los microorganismos, para la detoxificación y la degradación de contaminantes, se presenta como una alternativa probablemente más efectiva y de menor costo que las técnicas convencionales. Sin embargo, la aplicación de esta tecnología depende en gran parte de la influencia de las características particulares y específicas de la zona a remediar. En consecuencia, en primer lugar se caracterizará la zona de muestreo y se aislarán e identificarán microorganismos nativos de la región, tolerantes a cromo y fenol, a partir de muestras de suelo, agua y sedimentos, ya que podrían constituir una adecuada herramienta biotecnológica, mejor adaptada al sitio a tratar. Posteriormente se estudiará la biorremediación de Cr y fenol utilizando dichos microorganismos, analizando su capacidad para biotransformar, bioacumular o bioadsorber a estos contaminantes, y se determinarán las condiciones óptimas para el tratamiento. Se analizarán los posibles mecanismos fisiológicos, bioquímicos y moleculares involucrados en la remediación, que constituye una etapa crucial para el diseño de una estrategia adecuada y eficiente. Finalmente, se aplicará esta tecnología a escala reactor, como una primera aproximación al tratamiento a mayor escala. De esta manera se espera reducir los niveles de estos contaminantes y así minimizar el impacto ambiental que ellos producen en suelos y acuíferos. A futuro, la utilización de los microorganismos seleccionados, de manera individual o formando consorcios, para el tratamiento de efluentes industriales previa liberación al medio ambiente, o su uso en bioaumento, constituirían posibles alternativas de aplicación. Los principales impactos científico-tecnológicos del proyecto serán: (a) la generación de una nueva tecnología biológica de decontaminación de cromo y fenol, intentando presentar soluciones frente a una problemática ambiental que afecta a nuestra región, pero que además es común a la mayoría de los países, (b) la formación de nuevos recursos humanos en el área y (c) el trabajo en colaboración con otros grupos de investigación que se destacan en el área de biotecnología ambiental. Environmental pollution produced by heavy metals, such as chromium and organic compounds like phenolics is a serious global problem due to their toxicity, their adverse effects on human life, plants and animals, their accumulation in the food chains and also by their persistance in the environment. In a previous study performed in our laboratory, high levels of these pollutants were detected in sediments and effluents from industrial zones of the south of Cordoba Province, which determine the need to remove them. Among various technologies, bioremediation which is based on the use of biological systems, such as microorganisms, to detoxify and to degrade contaminants, is probably the most effective alternative, and it is less expensive than other conventional technologies. However, the application of this technology depends on the influence of the particular and specific characteristics of the zone to be remediate. As a consecuence, at the first time, the zone of sampling will be characterized and then, native microorganisms, tolerant to chromium and phenol, will be isolated from soils, water and sediments and identificated. These microorganisms would be an adequate biotechnological tool, more adapted to the conditions of the site to be remediate than other ones. Then, the ability of these selected microorganisms to biotransform, bioaccumulate or biosorbe chromium and phenol will be studied and the optimal conditions for the treatment will be determined. The possible physiological, biochemical and molecular mechanisms involved in bioremediation will be also analized, because this is a crucial step in the design of an adequate and efficient remediation strategy. Finally, this technology will be applied in a reactor, as an approximation to the treatment at a major scale. A reduction in the levels of these pollutants will be expected, to minimize their environmental impact on soils and aquifers.

Mejoramiento del comportamiento térmico de sistemas de calentamiento de agua solares termosifónicos hechos con materiales no convencionales y con tanques de almacenamiento verticales y horizontales Performance improvement of solar thermosyphonic systems for water heating made of non conventional materials and using horizontal and vertical storage tanks

El objeto de estudio de este proyecto son los sistemas de calentamiento de agua mediante energía solar que funcionan termosifónicamente. En particular se tratará con dos diseños particulares generados por fabricantes de la Provincia de Córdoba y que han solicitado el asesoramiento del Grupo de Energía Solar (GES) para el mejoramiento de la performance térmica de dichos equipos. Se trata de dos sistemas que tienen materiales no tradicionales y se diferencian además por tener una distinta disposición del tanque de almacenamiento: uno es en forma vertical y el otro en forma horizontal. Basados en los resultados de un ensayo bajo norma internacional, donde se detectaron algunas puntos factibles de mejora, se propone en este proyecto el análisis en detalle de los equipos, para lo cual se les debe desarmar completos, para realizar un estudio analítico y experimental de los mismos con el objeto de hacer un planteo teórico-analítico del comportamiento de los mismos, con la implementación de propuestas de mejora y chequeo de los resultados. Se propone entonces como objetivo lograr un mejoramiento de la performance térmica de los citados equipos a partir de un estudio experimental y analítico. Asumiendo esta posibilidad de mejora, se plantea la hipótesis de que es posible representar el funcionamiento de estos equipos mediante modelos físico-matemáticos desarrollados a partir de ecuaciones y correlaciones conocidas y procesos a interpretar mediante resoluciones numéricas y softwares específicos de simulación. De esta manera, se plantea el despieze completo de los equipos para estudiar en detalle su estructura y conexiones internas y a partir de la geometría, dimensiones y propiedades termofísicas de materiales constructivos y fluidos de trabajo, realizar modelos físico-matemáticos que permitan realizar variaciones de propiedades y geometría y así buscar las mejores combinaciones que produzcan equipos más eficientes térmicamente. Los modelos físico-matemáticos serán codificados en lenguajes de alto nivel para poder luego de una validación de los modelos, correr simulaciones en un software de reconocimiento internacional que permite sumar dichos modelos mediante un protocolo de comunicación, haciendo que las poderosas prestaciones del software se puedan aplicar a nuestros modelos. Se complementará el estudio con un análisis exergético para identificar los puntos críticos en que se producen las pérdidas de oportunidad de aprovechar la energía disponible, para así analizar cómo solucionar los problemas en dichos puntos. Los materiales a utilizar serán los propios equipos provistos por los fabricantes, que serán modificados convenientemente para operarlos como prototipos Se espera obtener un conocimiento acabado de los procesos y principios de funcionamiento de los equipos, que permita plantear las mejoras, las cuales se implementarán en los prototipos, realizándose una medición mediante norma igual a la inicial para ver en que magnitud se logran las mejoras esperadas. Se pretende además que las mejoras a implementar, en la etapa de transferencia a las empresas involucradas, redunden no sólo en un beneficio técnico, sino que también los sea desde el punto de vista económico. Para ello se trabajará también sobre los procesos y métodos de fabricación para que los equipos mejorados no sean mas caros que los originales y de ser posible sean aún más económicos, todo esto apuntando a la difusión de la energía solar térmica y poner al alcance de todos estos equipos tan convenientes para la propagación de las energías limpias. El proyecto redundará también en un importante beneficio para el conocimiento de la comunidad científica en general, con el aporte de nuevos resultados en diseños novedosos y con nuevos materiales. Además, la institución se beneficiará con la formación que obtendrán los integrantes del proyecto, muchos de ellos en etapa de realización de sus estudios de posgrado y en una etapa importante de su vida como investigadores. The main goal of this project is the improvement of two thermosyphonic solar water heating systems, made of non conventional materials and with different arrangement of their storage tanks: one is vertical and the other one horizontal. The thermosyphonic systems are provided by manufacturers of the Córdoba Province, who came to the Solar Energy Group (GES) of the National University of Río Cuarto looking for help for the design of their products. In an agreement with these manufacturers, it was proposed this project in order to work analytically and experimentally in order to obtain physical-mathematical models of these two systems, which allow for changes to look by means of simulations the best changes to implement on the equipments for the improvement of their thermal performance. Then, the materials to be used are the proper systems provided by the manufacturers, which will be disarmed to be studied in detail. After the analytical study the proposals of improvement will be implemented in a high level language of programming to perform simulations in the environment of a well-known software for energy simulations (TRNSYS). After the simulations, the best modifications will be physically implemented in the prototypes to perform finally the same normalized test of the beginning and check the magnitude of the implemented improvements. The importance of this project is based on the offer of better systems the companies would make, which would benefit the deployment of the thermal solar energy. Another relevant point is to make the new equipments at the same cost of the previous ones or cheaper, in order to achieve a good deployment of the solar water heating systems; then, the manufacture processes and methods must be studied to obtain not only good technical solutions, but also economical equipments. In addition, this project will contribute to the increasing of the knowledge in the area of thermosyphonic solar systems and the training of postgraduate students.