respiración de las bacterias
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CAPITULO V
RESPIRACIN ANAEROBIA
En los organismos aerobios el oxgeno es el receptor final de los electrones
durante la respiracin. Esto es muy eficiente pues el oxgeno tiene un potencial
muy bajo de reduccin. Los organismos anaerobios utilizan receptores de
electrones que tienen un potencial ms alto de reduccin que el oxgeno, lo que
significa que la respiracin es menos eficiente y conduce generalmente a tasas
de crecimiento ms lentas que en los aerobios. Muchos anaerobios facultativos
pueden utilizar tanto oxgeno como receptores finales de electrones alternativos
para la respiracin dependiendo de las condiciones ambientales. La mayora de
los organismos de respiracin anaerobia son hetertrofos, aunque hay algunos
auttrofos. Todos los procesos que describiremos a continuacin son
disimilativos, es decir que proporcionan energa pero no nutrientes para la
clula (lo que sera asimilativo). Se conocen tambin las rutas asimilativas de
muchas formas de respiracin anaerobia. (Figura N 5.1 y Cuadro N 5.1).
Figura N 5.1. Respiracin Anaerobia
Fuente: (Diaz-Baez, M.; Espitia, S. y Molina, F. 2002).
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En ausencia de un aceptor externo de electrones, muchos organismos pueden oxidar
algunos compuestos orgnicos con liberacin de energa, proceso denominado
fermentacin. Bajo esas condiciones slo se produce la oxidacin parcial del
compuesto orgnico, y nicamente es liberada una pequea parte de la energa,
permaneciendo el resto en los productos resultantes (Cuadro N 5.2). Esas oxidaciones
parciales implican la misma sustancia como dador y aceptor de electrones a la vez.
Cuadro N 5.1. Principales Reacciones Bioqumicas del Proceso de la Digestin
Anaerobia.
Fuente: (Zinder, 1998).
Cuadro N 5.2. Resumen de los diferentes tipos de fermentaciones
ACEPTORES DE ELECTRONES PRODUCTOSNitrato (NO3-) Nitrito (NO2-)
Oxido Nitroso (N2O)Nitrgeno (N2)
Nitrito (NO2-) Oxido nitroso (N2O)Nitrgeno (N2)
Sulfato (SO4-2) Sulfuro (H2S)
Hierro frrico (Fe+3) Hierro ferroso (Fe+2)
Dixido de Carbono (CO2) Metano (CH4)
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Fuente: Zinder, S. 1998
5.1. DESNITRIFICACIN
Desnitrificacin: es un proceso anxico en el cual los nitratos son reducidos a
nitrgeno gaseoso. Las desnitrificacin es utilizada en post-tratamientos de
aguas residuales para remover nutrientes
La desnitrificacin (o denitrificacin) es la reduccin bioqumica del ion nitrato
(NO3), presente en el suelo o el agua, a xido de nitrgeno (N2O) o como
nitrgeno molecular o diatmico (N2) que es la sustancia ms abundante en la
composicin del aire, as el nitrgeno regresa a la atmsfera. Por su lugar en el
ciclo del nitrgeno este proceso es el opuesto a la fijacin del nitrgeno. Este
proceso se consigue bajo condiciones anxicas o anaerobias (sin oxgeno). Es
fundamental para que el nitrgeno vuelva a la atmsfera y comience el ciclo
nuevamente.
El uso desasimilativo de nitrato se llama desnitrificacin, y ocurre por medio de
una serie de fases donde el N va cambiando su estado de oxidacin. La
desnitrificacin es un proceso de anoxia en el que hay un dador de electrones
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orgnico o inorgnico, se oxidan sustratos a expensas de la reduccin de
nitrato (NO3-) o nitrito (NO2-) a nitrgeno gas (N2) como se muestra a
continuacin:
La desnitrificacin es la utilizacin del nitrato (NO3-) como receptor terminal de
electrones. Es un proceso extensamente distribuido y utilizado por muchos
miembros de Proteobacteria.
Muchos anaerobios facultativos utilizan la desnitrificacin porque el nitrato,
como el oxgeno, tiene un bajo potencial de reduccin. Muchas bacterias
desnitrificadoras pueden tambin utilizar el hierro frrico (Fe3+) y algunos
compuestos orgnicos como receptores de electrones.
La desnitrificacin implica la reduccin paso a paso del nitrato (NO3-) al nitrito
(NO2- ), al xido ntrico (NO), al xido nitroso (NO2) y al nitrgeno (N2) mediante
las enzimas nitrato reductasa, nitrito reductasa, xido ntrico reductasa y xido
nitroso reductasa, respectivamente.
Los protones son transportados a travs de la membrana por la NADH
reductasa, las quinonas y el xido nitroso reductasa para producir el gradiente
electroqumico crtico para la respiracin. (Figura N 5.2)
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Figura N 5.2. Procesos de Desnitrificacin
Fuente: (Pares I.F. y A. Jurez, 1997).
Algunos organismos (por ejemplo, E. coli) producen solamente nitrato reductasa
y, por lo tanto, solo pueden realizar la primera reduccin, lo que lleva a la
acumulacin del nitrito. Otros (por ejemplo, Paracoccus denitrificans o
Pseudomonas stutzeri) reducen el nitrato totalmente. La desnitrificacin
completa es un proceso ambientalmente significativo porque algunos productos
intermedios de la desnitrificacin (xido ntrico y xido nitroso) son gases
importantes que reaccionan con la luz del sol y el ozono para producir cido
ntrico, un componente de efecto invernadero de la lluvia cida.
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La desnitrificacin es tambin biolgicamente importante en el tratamiento de
aguas residuales donde se utiliza para reducir la cantidad de nitrgeno emitida
al ambiente de tal modo que reduce la eutrofizacin.
5.1.1. Tipos de Desnitrificacin
La desnitrificacin requiere un sustrato oxidable ya sea orgnico o inorgnico
que acte como fuente de energa, por lo que la desnitrificacin puede llevarse
a cabo tanto por bacterias hetertrofas como auttrofas.
El mayor problema de la desnitrificacin biolgica es la contaminacin potencial
del agua tratada con: bacterias, fuente de carbono residual (desnitrificacin
hetertrofa) y la posibilidad de formacin de nitritos, lo cual hace necesario un
post-tratamiento. A da de hoy, los procesos desarrollados para la
desnitrificacin biolgica son diversos usando distintos sustratos y diferentes
configuraciones de reactores. Pero hay que destacar que prcticamente la
totalidad de los sistemas de desnitrificacin desarrollados se basan en la
desnitrificacin hetertrofa habiendo un gran vaco en el conocimiento y
desarrollo de la desnitrificacin auttrofa.
A. Desnitrificacin Hetertrofa
En la desnitrificacin hetertrofa, un sustrato orgnico,
como metanol, etanol, cido actico, glucosa, etc. acta como fuente de
energa (donador de electrones) y fuente de carbono.
La desnitrificacin hetertrofa es un proceso biolgico de reduccin del nitrato
presente en las aguas residuales a nitrgeno molecular en condiciones
anxicas por la accin de bacterias hetertrofas
(Pseudomonas, Paraccocus, Alcaligenes, Thiobacillus, Bacillus), que usan un
sustrato orgnico como fuente de carbono y energa.
En el proceso de desnitrificacin existe adems la posibilidad de acumulacin
de intermediarios (NO2, N2O, NO) debido al tipo y concentracin del sustrato
empleado o a las condiciones de operacin (temperatura, pH, tiempo de
residencia hidrulico, tiempo de retencin celular). En base a esto, para que la
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transformacin culmine en N2, debern controlarse las condiciones ambientales
como el nivel de O2 disuelto, la fuente de carbono orgnico, la concentracin de
nitratos, la relacin C/N, la disponibilidad de fsforo, pH, temperatura y posible
presencia de txicos.
Una de las reacciones que implica una desnitrificacin hetertrofa podra ser la
de la oxidacin del cido actico:
1.25 CH3COOH + 2 NO3- 2.5 CO2 + N2 + 2 OH- + 1.5 H2O.
G=-1054.8 kJ/ reaccin.
La desnitrificacin hetertrofa es ampliamente aplicada por su alta eficiencia y
bajo costo. La tasa de desnitrificacin heterotrfica es alta, permitiendo el uso
de reactores de poco volumen y bajos costes. Sin embargo el carbn residual
de este proceso causa diversos problemas para el tratamiento de aguas
potables, lo que convierte a la desnitrificacin auttrofa en una buena
alternativa.
B. Desnitrificacin Auttrofa
En la desnitrificacin auttrofa, la fuente de energa es inorgnica,
como hidrgeno o compuestos reducidos de azufre: sulfhdrico (H2S)
o tiosulfato (S2O32-), la fuente de carbono, tambin inorgnica, es el CO2.
Algunas bacterias desnitrificantes son quimiolitoauttrofas y pueden oxidar
compuestos inorgnicos de azufre como sulfhdrico (H2S), azufre elemental
(S0), tiosulfato (S2O32-) o sulfito (SO32-) anaerbicamente a expensas de la
reduccin del nitrato. Entre ellas, auttrofos obligados que crezcan a pHs
neutros tan solo se conocen dos: Thiobacillus denitrificans y Thiomicrospira
denitrificans y pueden llevar a cabo la sulfoxidacin en condiciones aerbicas o
anxicas. Recientemente se ha aislado Thioalkalivibrio denitrificans, un
auttrofo, oxidador de azufre, capaz de crecer anaerbicamente usando nitrito
como aceptor de electrones a pH bsico.
Las ventajas de este proceso respecto a la heterotrofa son varias. Para el
tratamiento de aguas residuales, evita tener que aadir materia orgnica,
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reducindose as los costes, y para tratamiento de aguas potables, evita
carbono residual en el efluente, ya que reduce el riesgo de sobrecrecimiento en
los sistemas a tratar y de desinfeccin de la zona por los productos producidos
debido a que los organismos autotrfos crecen ms despacio y producen
menos biomasa, con la consiguiente formacin de menos productos celulares.
Adems los organismos auttrofos estn mejor adaptados para el tratamiento
de aguas subterrneas porque crecen a bajas concentraciones de compuestos
orgnicos biodegradables. Tambin posee un gran inters comercial y desde el
punto de vista de la biotecnologa ambiental puesto que es uno de los pocos
ejemplos en los que puede oxidarse biolgicamente compuestos reducidos del
azufre (sulfoxidacin) en ausencia de oxgeno elemental.
Pero la principal ventaja de este proceso es la aparicin de la desnitrificacin
acoplada a la oxidacin de compuestos reducidos del azufre, combinando la
eliminacin simultnea de dos tipos de contaminantes, los nitratos y los
compuestos reducidos del azufre teniendo as gran inters por sus aplicaciones
biotecnolgicas.
5.1.2. Aplicaciones
Algunas de las aplicaciones, reales o potenciales de la desnitrificacin auttrofa
son:
Control de problemas de corrosin y olores por sulfdrico en sistemas dealcantarillado mediante la adiccin de nitrato.
Estimulacin, mediante adiccin de nitratos, de la degradacin biolgicadel sulfhdrico en salmueras de campos petrolferos, reduciendo los
problemas asociados a su toxicidad, corrosividad y tendencia a formar
metales insolubles de azufre.
Tratamiento del biogs o gas natural para eliminar el H2S presente. Eliminacin simultanea de N y S en el tratamiento de aguas residuales
mediante recirculacin de los nitratos resultantes de la fase de
nitrificacin, a una fase anaerobia, reduciendo los nitratos y oxidando los
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sulfuros, alcanzando un doble beneficio en una sola etapa. Esta
aproximacin no es solo terica y ya ha sido ensayada para tratar los
efluentes de produccin de levaduras.
Eliminacin de nitratos del agua potable y agua residual usando S. Eliminacin de nitrato de aguas subterrneas mediante la insercin
de membranas con hidrgeno y dixido de carbono o usando un lecho
mixto con sulfuro y grnulos de calcita en proporcin de volumen 1:1
con Thiobacillus denitrificans.
En condiciones de mucha humedad en el suelo, la falta de oxgeno obliga a
ciertos microorganismos a emplear nitrato en vez de oxgeno en su respiracin.
Por tanto, la capacidad de reducir el nitrato a compuestos gaseosos est
limitada a los organismos que pueden utilizar el oxgeno del nitrato y del nitrito
en su metabolismo. Por tanto, las condiciones ms favorables para que tenga
lugar la desnitrificacin bacteriana incluyen la existencia de un drenaje
deficiente, una temperatura superior a 25C, baja acidez del suelo y suficientes
aportes de materia orgnica fcilmente descomponible.
5.1.3. Bacterias Desnitrificantes
La conversin del nitrgeno, en forma de nitratos, a formas ms rpidamente
eliminables se puede llevar a cabo gracias a la accin de diversos gneros de
bacterias. De entre ellas, se pueden destacar:
Auttrofos: Pseudonomas, Alcaligenes, Bacillus, Agrobacterium. Quimiolitrtofos: Thiobacillus, Thiomicrospira, Nitrosomas. Diaztrofos: Rhizobium, Azospirillum. Fottrofos: Rhodopseudomonas. Arqueobacterias: Halobacterium. Hetertrofas: Achromobacter, Aerobacter, Alcalibacter, Alcaligenes,
Bacillus, Brevibacterium, Flavobacterium, Lactobacillus, Micrococcus,
Proteus, Pseudomonas y Spirillum.
Se incluyen varias especies de Pseudomonas, Alcaligenes y bacilos. Por su
actividad las prdidas de nitrgeno en la atmsfera es ms o menos equilibrada
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por lo que se elimina en el suelo por las bacterias nitrificantes, que forman el
ciclo relativamente fiable.
Un grupo de bacterias que reducen los nitratos o nitritos en nitrgeno que
contienen los gases. Los posibles ejemplos incluyen
Thiobacillus denitrificans, Micrococcus denitrificans, Paracoccus y
Pseudomonas . Esto es importante ya que permite nitrgeno al ciclo (ciclo de
nitrgeno) nuevamente en la atmsfera. Estas bacterias tambin se han
implicado en el agotamiento de la fertilidad del suelo, y con ello la productividad
agrcola.
5.2 REDUCCIN DEL SULFATO
Los sulfatos son las sales o los steres del cido sulfrico.
Contienen como unidad comn un tomo de azufre en el centro
de un tetraedro formado por cuatro tomos de oxgeno.
Las bacterias reductoras de sulfato pueden ser utilizadas para
convertir el sulfato (SO42-) o sulfito (SO32-) a sulfuro (S2-) como se muestra en la
reaccin inferior. Las bacterias utilizan sustratos dadores de electrones
presentes en aguas residuales (contaminacin orgnica) o agregando sustratos
para la reduccin de sulfato. Los sustratos son parcialmente oxidados
(por ejemplo, al acetato) o totalmente oxidado a dixido de carbono.
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por lo que se elimina en el suelo por las bacterias nitrificantes, que forman el
ciclo relativamente fiable.
Un grupo de bacterias que reducen los nitratos o nitritos en nitrgeno que
contienen los gases. Los posibles ejemplos incluyen
Thiobacillus denitrificans, Micrococcus denitrificans, Paracoccus y
Pseudomonas . Esto es importante ya que permite nitrgeno al ciclo (ciclo de
nitrgeno) nuevamente en la atmsfera. Estas bacterias tambin se han
implicado en el agotamiento de la fertilidad del suelo, y con ello la productividad
agrcola.
5.2 REDUCCIN DEL SULFATO
Los sulfatos son las sales o los steres del cido sulfrico.
Contienen como unidad comn un tomo de azufre en el centro
de un tetraedro formado por cuatro tomos de oxgeno.
Las bacterias reductoras de sulfato pueden ser utilizadas para
convertir el sulfato (SO42-) o sulfito (SO32-) a sulfuro (S2-) como se muestra en la
reaccin inferior. Las bacterias utilizan sustratos dadores de electrones
presentes en aguas residuales (contaminacin orgnica) o agregando sustratos
para la reduccin de sulfato. Los sustratos son parcialmente oxidados
(por ejemplo, al acetato) o totalmente oxidado a dixido de carbono.
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por lo que se elimina en el suelo por las bacterias nitrificantes, que forman el
ciclo relativamente fiable.
Un grupo de bacterias que reducen los nitratos o nitritos en nitrgeno que
contienen los gases. Los posibles ejemplos incluyen
Thiobacillus denitrificans, Micrococcus denitrificans, Paracoccus y
Pseudomonas . Esto es importante ya que permite nitrgeno al ciclo (ciclo de
nitrgeno) nuevamente en la atmsfera. Estas bacterias tambin se han
implicado en el agotamiento de la fertilidad del suelo, y con ello la productividad
agrcola.
5.2 REDUCCIN DEL SULFATO
Los sulfatos son las sales o los steres del cido sulfrico.
Contienen como unidad comn un tomo de azufre en el centro
de un tetraedro formado por cuatro tomos de oxgeno.
Las bacterias reductoras de sulfato pueden ser utilizadas para
convertir el sulfato (SO42-) o sulfito (SO32-) a sulfuro (S2-) como se muestra en la
reaccin inferior. Las bacterias utilizan sustratos dadores de electrones
presentes en aguas residuales (contaminacin orgnica) o agregando sustratos
para la reduccin de sulfato. Los sustratos son parcialmente oxidados
(por ejemplo, al acetato) o totalmente oxidado a dixido de carbono.
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El Sulfato se comporta como un receptor de electrones alternativos para apoyar
la respiracin anaerbica. La formacin de sulfuro biognico es el primer paso
para procesos biotecnolgicos, dirigidos a la eliminacin y recuperacin de
metales pesados o azufre.
Durante la degradacin anaerobia de la materia orgnica, puede ocurrir que las
BSR utilicen el sulfato como aceptor de electrones, aunque pueden utilizar
tambin compuestos como el tiosulfato, el tetrationato y el azufre elemental. Los
donadores de electrones ms utilizados por las BSR son H2, lactato, piruvato
entre otros.
Las BSR son anaerobios estrictos, ampliamente distribuidas en ambientes
acuticos y terrestres, cumplen un importante papel en las etapas finales de la
degradacin de la materia orgnica, especialmente en la remocin de los
sulfatos presentes en el afluente.
Pueden crecer en presencia o ausencia de sulfatos, utilizando vas metablicas
diferentes; una fermentativa y la otra oxidativa
La reduccin del sulfato es un proceso energtico relativamente pobre usado
por muchas bacterias Gram negativas (Proteobacterias gamma) y por
organismos Gram positivos relacionados con Desulfotomaculum o con la
archaea Archaeoglobus. Como producto final metablico se obtiene sulfuro del
hidrgeno (H2S).
Muchos organismos reductores del sulfato son hetertrofos, empleando
compuestos del carbono tales como lactato y piruvato (entre muchos otros)
como donadores de electrones mientras que otros son auttrofos, que utilizan el
gas hidrgeno (H2) como donador de electrones.
Algunas bacterias auttrofas reductoras del sulfato pueden utilizar el fosfito
(HPO3-) como donador de electrones (por ejemplo, Desulfotignum
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phosphitoxidans) o son capaces de generar dos compuestos a partir del azufre,
en este caso un donador de electrones y un receptor de electrn) usando el
tiosulfato (S2O32-, por ejemplo, Desulfovibrio sulfodismutans).
Todos los organismos reductores del sulfato son anaerobios obligados. Puesto
que el sulfato es energticamente estable, antes de que pueda ser
metabolizado debe primero ser activado por adenilacin para formar APS
(adenosina 5-fosfosulfato) de tal modo que se consume ATP. El APS es
entonces reducido por la enzima APS reductasa a sulfito (SO32-) y AMP.
En los organismos que utilizan compuestos de carbono como donadores de
electrones, el ATP consumido es proporcionado por la fermentacin del
substrato de carbono. El hidrgeno producido durante la fermentacin es
realmente quin conduce la respiracin durante la reduccin del sulfato.
Eventualmente, los electrones pasan de la enzima hidrogenasa a la APS
reductasa, que junto con la sulfito reductasa termina la reduccin del sulfato a
sulfuro del hidrgeno. El gradiente que mueve al protn se establece debido al
hecho de que la hidrogenasa, que convierte H2 a 2H+, se localiza en el
periplasma (o fuera de la clula en las bacterias Gram positivas).
Bacterias reductoras de sulfato
Bacteria Desulfovibrio vulgaris; la barra en la parte superior derecha es de
0,5 micrmetros de largo.
Muchas bacterias pueden reducir pequeas cantidades de sulfatos con el fin de
sintetizar azufre que contienen componentes de la clula, lo que se conoce
como la reduccin del sulfato de asimilacin. Por el contrario, las bacterias
reductoras de sulfato que pueden reducir grandes cantidades sulfato para
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obtener energa y expulsar a los sulfuros que resultan como desecho; se
conoce como la reduccin del sulfato disimilacin.
Son anaerobios que utilizan el sulfato como el terminal receptor de
electrones de su cadena de transporte electrnico.
La mayora de bacterias reductoras de sulfato pueden tambin reducir otros
inorgnicos oxidados de azufre compuestos, como el sulfito, tiosulfato o azufre
elemental. Figura N 5.3.
Figura N 5.3. Sulfato Reduccin en la Degradacin de la Materia Orgnicapolimrica.
Fuente: (Gibson G., 1998)
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5.2.1. Reduccin del Sulfato con Lactato
El lactato y el piruvato pueden ser dadores de electrones para la reduccin del sulfato
(Figura N 5.4). El lactato es oxidado a piruvato por la lactato deshidrogenasa y los
electrones producidos son utilizados para producir hidrgeno molecular.
El piruvato es convertido en CO2, H2 y acetil fosfato por un proceso anlogo al utilizado
por los clostridios. Se requiere siempre una hidrogenasa citoplasmtica.
El hidrgeno producido difunde rpidamente a travs de la membrana protoplasmtica,
siendo recapturado gracias a otra hidrogenasa periplasmtica y su cofactor, el
citocromo c3.
Los electrones producidos entran en el citoplasma y los protones crean un gradiente
protnico a travs del cual puede producirse ATP por la ATP-asa. En el citoplasma los
electrones producidos son utilizados para la reduccin del APS a sulfuro por la APS
reductasa y la bisulfito reductasa.
En esferoplastos de D. gigas que han perdido la hidrogenasa periplasmtica y el
citocromo c3 no se oxida el lactato con sulfato. Aadiendo hidrogenasa purificada del
mismo microorganismo y citocromo se restaura parcialmente la actividad (40%).
D. desulfuricans, creciendo en el quimiostato, puede simultneamente fermentar un
exceso de piruvato produciendo H2 en tanto que el SO2-4 a concentracin limitante
sigue siendo reducido. Aadiendo ms SO2-4 deja de producirse H2.
En el cultivo discontinuo de D. vulgaris, en las primeras etapas de crecimiento, se
libera H2 y no se forma sulfuro.
Este ltimo slo aparece despus de que se inicia una recaptacin de H2. No
obstante, una elevada concentracin exterior de H2 puede inhibir completamente la
oxidacin del lactato y el piruvato.
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Figura N 5.4. Ciclo del hidrgeno en las bacterias reductoras del azufre.
Fuente: (Muoz, A. et al 2001)
5.2.2. METABOLISMO DEL CARBONO EN LOS SULFATO REDUCTORES
Los reductores de sulfatos pueden utilizar un nmero muy limitado de fuentes de
carbono. Este reducido espectro de sustratos utilizables se debe a que la oxidacin
con sulfato tiene un bajo rendimiento energtico. El sulfato es el nico aceptor final de
electrones que debe ser primeramente activado reaccionando con ATP para dar
adenosina fosfosulfato (APS). El APS es reducido a sulfito por transferencia de 2 e- (E'0= -60 mV) y el sulfito es reducido luego a sulfuro (E0 = -116 mV). Esto supone la
transferencia de 6 e- o de tres transferencias de 2 e-, con tritionato y to- sulfato como
intermediarios. Como consecuencia de estos relativamente bajos potenciales de xido-
reduccin, la energa que puede obtenerse de la oxidacin del sustrato es pequea.
Comprese con el O2 (E0 = +820 mV) y el NO-3 (E'0 = +433 mV).
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La eliminacin del acetato de los medios anaerobios se consider durante mucho
tiempo restringida a los metangenos. Sin embargo, Pfen- nig y Biebl mostraron que
los miembros del nuevo gnero Desulfuromonas producen sulfuro y oxidan acetato a
CO2 en presencia de azufre elemental. Por otra parte, Desulfobacter postgatei slo puede
utilizar acetato como sustrato orgnico para el crecimiento. En esta bacteria se han
encontrado todos los enzimas del ciclo de los cidos tricarboxlicos, por lo que se ha
propuesto para la oxidacin del acetato la va referida en la Figura N 5.5.
Figura N 5.5. Metabolismo del acetato en Desulfobacter postgatei
Fuente: (Pezacka E. y Harland G. W. 1996)
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La fosforilacin a nivel le sustrato no puede suministrar el ATP necesario para la
reduccin de sulfato y para el crecimiento. De este modo, se requiere el concurso de
otro sistema generador de energa concomitante con la oxidacin del acetato.
Actualmente se cree que la principal distincin taxonmica entre los reductores de
sulfato debe situarse entre aquellos que pueden oxidar acetato y los que lo acumulan
como resultado de la oxidacin parcial de otros sustratos orgnicos.
Las fuentes de carbono sobre las que pueden crecer los reductores de sulfato pueden
ser CO2, cierto nmero de compuestos orgnicos incluyendo el benzoato pero
excluyendo azcares e hidrocarburos y, finalmente, cidos orgnicos desde el acetato
al estearato. Sin embargo, hay un grupo que slo puede oxidar parcialmente un
nmero muy reducido de compuestos, como el lactato, y otro que puede oxidar una
amplia variedad de fuentes de carbono, tales como cidos grasos de peso molecular
relativamente alto. En este ltimo caso se encuentran los que acumulan acetato y los
que pueden llevar a cabo su mineralizacin.
Aunque la glucosa no puede ser normalmente utilizada por los reductores de sulfatos,
se han conseguido adaptar algunas cepas de Desulfotomaculum nigrificans. En estas
cepas son simultneamente funcionales las vas de Embden-Meyerhof y la de Entner-
Doudoroff, lo cual es excepcional a pesar de que esta ltima va se haya encontrado
con carcter exclusivo en algunas bacterias anaerobias. En el caso referido,
Desulfotomaculum nigrificans lleva a cabo un proceso anlogo a la oxidacin del piruvato
con SO2-4 con un aporte adicional de produccin interna de H2 con electrones de baja
energa.
Muchas especies, incluyendo Desulfovibrio vulgaris y D. desulfuricans, pueden oxidar H2con SO2-4. En estos casos, la asimilacin del carbono, se reparte generalmente entre
CO2 y acetato en la proporcin del 30% y del 70%, respectivamente. Sin embargo, hay
especies que pueden crecer auto- trficamente reduciendo CO2.
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En diversas condiciones, muchos reductores de sulfato producen H2. Por lo tanto, al
igual que ocurre con el acetato, el H2 puede ser tanto sustrato como producto final del
catabolismo.
5.2.3. Importancia Ecolgica
Se generaliza el sulfato en agua de mar, los sedimentos o el agua rica en materia
orgnica en descomposicin.
Las bacterias reductoras de sulfato son comunes en entornos anaerbicos en los que
la ayudan en la degradacin de materiales orgnicos. En estos ambientes
anaerbicos, bacterias fermentadoras extraer energa de las grandes molculas
orgnicas, y resultan pequeos compuestos, como cidos orgnicos y alcoholes que
son oxidados por acetogenos y metangenos.
Los lodos procedentes de un estanque, y el color negro se deben a los sulfuros
metlicos que resultan de la accin de bacterias reductoras de sulfato.
El txico sulfuro de hidrgeno es un producto de desecho de bacterias reductoras de
sulfato, y su olor a huevo podrido es a menudo un indicador de la presencia de
bacterias reductoras de sulfato en la naturaleza. Las bacterias reductoras de sulfato
son los responsables de los olores sulfurosos de los lodazales. Gran parte del sulfuro
de hidrgeno reacciona con los iones metlicos en el agua para producir sulfuros
metlicos. Estos sulfuros metlicos insolubles, como el sulfuro de hierro FeS, a
menudo son de color negro o marrn, lo que da el color oscuro de los lodos.
En ingeniera, las bacterias reductoras de sulfato pueden crear problemas cuando las
estructuras metlicas estn expuestos al sulfato que contienen el agua: la interaccin
del agua y el metal crea una capa de hidrgeno molecular en la superficie metlica; el
sulfato de bacterias reductoras oxidan el hidrgeno, la creacin de sulfuro de hidrgeno
contribuye a la corrosin.
Algunos microorganismos son capaces de remover azufre de los compuestos
orgnicos:
Bajo condiciones de aerobiosis la remocin del azufre o desulfuracin de loscompuestos orgnicos origina formacin de sulfatos: Sulfatacin.
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Bajo condiciones de anaerobiosis se produce normalmente cido sulfhdricoa partir de la mineralizacin de los compuestos orgnicos sulfurados: Sulfo
reduccin. Figura N 5.6.
Figura N 5.6. Alternativas del metabolismo del sulfato a nivel orgnico einorgnico
Fuente: Londoo Carvajal A. 2002.
5.2.4. La eliminacin de Metales Pesados y la Recuperacin:
La forma insoluble de sulfuros biognicos precipita altamente con metales
pesados (como el cobre o zinc). As, los sulfuros pueden precipitar los metales
pesados solubles en las aguas residuales arroyos o aguas subterrneas
contaminadas. Los sulfuros metlicos precipitados se pueden quitar. Dado que
los iones de los metales estn muy concentrados en el precipitado, pueden ser
reciclados en la industria para su reutilizacin.
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Precipitacin de metales pesados de sulfuros biognicas
Eliminacin de Azufre y recuperacin:
Los sulfuros bigenas en parte, pueden oxidarse en condiciones de
microaerofilia (bajas concentraciones de oxgeno) por las bacterias quimiotrofos
para formar azufre elemental insoluble (S0) como se muestra en la Figura 5. El
azufre elemental sedimentado de las aguas residuales se puede recoger para
su reutilizacin en la industria. Generalmente se utiliza un reactor de
sulfoxidacin en condiciones de microaerofilia como un post-tratamiento para
una reduccin de sulfato con el fin de eliminar y recuperar azufre. Los reactores
de sulfoxidacin tambin se pueden utilizar para limpiar las corrientes de gas
que contienen sulfuro de hidrgeno (H2S). En la siguiente reaccin se muestra
la oxidacin de sulfuros en condiciones de microaerofilia por bacterias
quimiotrofos a azufre elemental
5.3. ACETOGNESIS
La Acetognesis es un proceso mediante el cual el acetato es producido
por bacterias anaerobias de una variedad de fuentes energa (por
ejemplo, hidrgeno) y el carbono (por ejemplo, el dixido de carbono). Las
diferentes especies de bacterias que son capaces de acetognesis se
denominan colectivamente acetogenos.
En la acetognesis los cidos grasos voltiles se convierten en cido
actico, dixido de carbono y de hidrgeno. La acetognesis es un tipo de
metabolismo microbiano que utiliza hidrgeno (H2) como donador de electrones
y dixido de carbono (CO2) como receptor de electrones para producir acetato
(en esto es similar a la metanognesis). Las bacterias que pueden sintetizar
-
192
autotrficamente acetato se denominan homoacetgenas. La reduccin del
dixido de carbono en todos los homoacetgenos se produce por la ruta del
acetilo-CoA. Esta ruta tambin es utilizada para la fijacin del carbono por las
bacterias reductoras del sulfato auttrofas y por los metangenos
hidrogenotrofos. A menudo, los homoacetgenos pueden tambin ser
fermentantes, usando el hidrgeno y dixido de carbono producidos como
resultado de la fermentacin para producir acetato, que se secreta como
producto final.
2 CO2 (aq) + 4H2 (aq) CH3COOH (aq) + 2 H2O
5.3.1. Bacteria Acetogenas
Son microorganismos estrictamente anaerobios muchos de los cuales catalizan
la formacin de acetato a partir de hidrogeno y CO2 en su metabolismo
energtico. Filogenticamente las bacterias acetogenicas son diversas y a la
fecha se han descrito 19 gneros.
Entre sus caractersticas metablicas se han descrito que como las bacterias
homoacetonas aquellas que forman acetato como nico metabolito y producen
tres moles de acetato por mol de glucosa. En otros casos puede formarse
acetato por reduccin del CO2 junto a otros productos de fermentacin como
alcoholes, cidos grasos voltiles y algunos compuestos aromticos, .tales
microorganismos constituyen el grupo de las bacterias heteroacetogenas.
Independientemente tenemos una formacin de acetato que no incluye la
reduccin de CO2.
La mayor parte de las bacterias homoacetogenas son capaces de crecer de
forma autotrfica en una atmsfera de CO2/H2, pero en algunos casos se
requiere la adicin de extractos de levadura y/o vitaminas. Los metales son
esenciales para el crecimiento de las acetogenas, pero solo a nivel de trazas.
-
193
5.3.2. Formacin de Acetato por fermentacin de sustratos orgnicos
En general, en el mundo microbiano la formacin de acetato por fermentacin
puede tener lugar bien por la fermentacin de acetilP a travs de las
fosfocetolasas, o bien por descarboxilacin del piruvato.
En el primer caso se encuentran las bacterias del acido actico, las bacterias
heterofermentativas del acido lctico y los miembros el gnero Bifidobacterium,
todos los cuales pueden producir acetato a partir de hexosas y pentosas a
travs de esta va. La 6-fosfohexosa-fosfocetolasa solo s ha detectado en
alguna bacteria del acido actico y en Bifidobacterium. La presencia de esta
enzima posibilita transformar las hexosas en acido actico exclusivamente
(como es el caso de A. xylinum y muchas especies de Bifidobacterium).
El acido pirvico puede producir acido actico por descarboxilacin. En las
levaduras y en las bacterias del acido actico se encuentra una descarboxilasa
que produce directamente acetaldehdo y CO2 a partir del piruvato.
El acetaldehdo pasa acetato bien mediante una deshidrogenasa dependiente
de NAD+ o bien de un sistema ligado al citocromo C553 sin otros cofactores.
Otros muchos microorganismos aerobios y facultativos descarboxilan
oxidativamente el piruvato para producir acetato mediante reacciones ms
complejas.
Por ejemplo, en E. coli se ha descrito un complejo enzimtico formado por tres
elementos: E1: piruvato deshidrogenasa ligada al TPP, E2: dihidrolipoato
transacetilasa y E3: dihidrolipoato deshidrogenasa ligada al FAD. Este complejo
recibe el nombre de piruvato deshidrogenasa Figura N 5.7). La
descarboxilacin del piruvato tendra lugar a travs de las siguientes etapas:
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194
Figura N 5.7. Etapas de descarboxilacin del piruvato a travs decomplejo enzimtico de E. coli.
Fuente: (Pares I.F. y A. Jurez, 1997).
El enzima flavinico se reoxidaria con NAD+, lo cual no es muy frecuente, estando este
ultimo ligado a un citocromo para su reoxidacin a travs de la cadena de transporte de
electrones hasta el oxigeno molecular. En bacterias facultativas, como E. coli y B.
macerans, el complejo de la piruvato deshidrogenasa es drsticamente inhibido en
ausencia de oxigeno. Su funcin queda sustituida por la piruvato-formiato liasa que no
requiere NAD+ y produce acetil- CoA y formiato.
-
195
El formiato puede acumularse o desdoblaste parcial o totalmente en CO2 y H2 por
accin de la formiato-hidrogeno liasa (ver capitulo 9 y 14).
El acetil-CoA se transforma en acetato por el sistema de la fosfotransacetilasa y la
acetoquinasa que ya ha sido comentado.
Sin embargo, tambin puede dar etanol por el acetaldehdo deshidrogenasa (ACDH) y
el alcohol deshidrogenasa (ALDH).
Todo el sistema resulta mucho ms eficiente para poder aumentar el consumo de
sustrato, existiendo suficientes recursos para reoxidar el NADH + H+. La formacin de
acido frmico por descarboxilacin del piruvato tambin tiene lugar en Clostridium
acidi-urici, lo cual es una excepcin dentro de los miembros de este gnero.En los gneros Clostridium y Desulfovibrio (en ausencia de sulfato) no se forma acido
frmico y el sistema de descarboxilacin incluye ferredoxina y biotina como cofactores.
El sistema enzimtico recibe el nombre de piruvato-ferrodoxina oxidorreductasa y la
reaccin que cataliza suele denominarse ruptura fosforoclastica del piruvato (Figura N
5.8). C. acidi-urici es una excepcin dentro del gnero Clostridium, ya que utiliza el
sistema que da lugar a formiato.
Aparte de los sistemas de descarboxilacin del piruvato descritos, es importante
resaltar que el enzima CoA transacetilasa puede actuar conjuntamente con el lipoato
-
196
transacetilasa en las bacterias que producen juntamente con el lipoato transacetilasa
en las bacterias que producen acetoina.
No se necesita NAD+ para la reoxidacin del lipoato, tanto si se produce acetolacto
como Diacetilo. En las propionibacterias se forma acetil lipoato a partir de acetaldehdo
activo (CH3- CHOH-TPP-E), regenerndose E-TPP.
El acetil lipoato reacciona con el CoA, formando acetil-CoA. En este caso el lipoato se
reoxida con NAD+, no formndose hidrogeno. Esto es lo que puede ocurrir en la
formacin de acetato a partir del piruvato en algunas bacterias del acido lctico, asi
como en la fermentacin del lactato por las bacterias del acido propinico.
Figura N 5.8. Descarboxilacin del piruvato por el complejo piruvato-ferredoxinaoxidorreductasa.
Fuente: (Murray, R. K. et. al. 2005)
-
197
El piruvato reacciona con el enzima (E-TPP, que contiene pirofosfato de tiamina)
siendo descarboxilado (1). El complejo lactil-enzima es entonces oxidado, generndose
acetil-CoA (2). Los dos electrones son transferidos a la ferrodoxina, que se reduce.
Debido al bajo potencial red-x de esta (E0 = -0.41 V), una hidrogenasa puede oxidarla
generando hidrgeno (3).
5.3.3. Formacin de Acetato por reduccin directa de CO2
El acetato puede originarse tanto en procesos fermentativos de sustratos
orgnicos como en el desarrollo aerobio de diversos microorganismos que
crecen utilizando materia orgnica. Con independencia de estos dos tipos de
microorganismos formadores de acetato, existen tambin las bacterias
denominadas propiamente acetogenicas, las cuales sintetizan este acido a
partir de CO2 y/o de otros precursores de un solo tomo de carbono. Este grupo
incluye las bacterias del acido butrico que catalizan esta sntesis.
-
198
La sntesis de acetato a partir de CO2 se ha obtenido al inocular un cultivo
bacteriano que produca acetato a lodos de aguas residuales despus de una
incubacin en atmsfera de hidrogeno. Clostridium aceticum y Clostridium
thermoaceticum, convierten a los azucares en acetato y lo sintetiza a partir de
CO2 y H2.
5.3.4. La va de Word para la fijacin autotrfica de CO2
El actual conocimiento de la va de sntesis de acetato desde CO2 en C.
thermoaceticum se representa en la Figura N 5.9, se conoce con el nombre de
va de Word o va de los corrinoides. Algunas enzimas son exclusivos de esta
va metablica: la formiato deshidrogenada (que contiene tungsteno, selenito y
hierro); la monxido de carbono deshidrogenasa (que tiene nquel, Zinc y
hierro); la protena corrinoide (que es un derivado de la vitamina B12), y una
metil-transferasa. Los intermediarios metablicos ms importantes son el
formiato, los portadores de C1 del tetrahidrofolato y el metil corrinoide.
La fermentacin de una molcula de glucosa dara dos molculas de piruvato.
De estas se derivan dos de acetil-coA. Por otra parte, las dos molculas de CO2resultantes de la descarboxilacin del piruvato seguiran dos aminos diferentes
para acabar produciendo la tercera molcula de acetil-coA. Una de las
molculas forma metil-tetrahidrofolato (CH3-H4 folato), mientras que la otra
participa en la reaccin del monxido de carbono deshidrogenasa.
El metil-tetrahidrofolato pierde el grupo metilo, que pasa al corrinoide (CoE).
Para que esto se lleve a cabo deben tener lugar las dos reacciones siguientes:
El grupo metilo del corrinoide se condensa con el monxido de carbono y el
coenzima A para dar acetil coA:
-
199
Figura N 5.9. Fermentacin de la glucosa por C. thermoaceticum y fijacinautotrfica del CO2 por la va de Word para la fijacin autotrfica de CO2
Fuente: (Pares I.F. y A. Jurez, 1997).
El intermediario clave de la Co-deshidrogenasa (Co-Ni-E) puede formarse
tambin a partir de CO y directamente del piruvato con piruvato-ferredoxina
oxidorreductasa, TPP y ferredoxina. Por otra parte, puede ser el origen del
metilo del metil-tetrahidrofolato por la reaccin de la CO deshidrogenasa.
-
200
En C. thermoaceticum se han aislado varios Co-metilcorrinides, incluyendo Co
(5-metoxi-bencimidazolil)-Co-metilcobamida y acido Co-metilcobirico. Estos
compuestos son los precursores del acetil-CoA y no se encuentran libre sino
unidos a una protena, la deshidrogenasa del monxido de carbono en C.
thermoaceticum y C. formicoaceticum, la cual lleva nquel.
De este modo, el COP puede sustituir al piruvato o al CO2 como precursor del
grupo CH3 del acetato. Una fraccin aislada, la cual contiene una
Metiltransferasa que puede sintetizar acetil-CoA a partir de monxido de
carbono utilizando ATP y metiltetrahidrofolato. De esta forma el CO, al igual
que el CO2, puede formar tanto al grupo metilo como el carboxilo del acetato.
5.3.5. La generacin de energa en las bacterias acetogenas
Cuando las bacterias acetogenas crecen con glucosa, transformndola en
acetato, la acetoquinasa es responsable de la formacin del ATP (Fig.5.3). Por
otra parte, la reaccin de formacin del metil-tetrahidrofolato implica un
consumo de ATP. Si bien existe una formacin neta ATP al crecer con glucosa,
el crecimiento, con CO2/H2 requiere una generacin adicional de energa.
En muchas bacterias acetogenas se ha demostrado la presencia de
hidrogenasa. Al parecer hay 2 hidrogenasas una soluble en el citoplasma y otra
fijada a ala membrana. La primera se utilizara para reoxidar el NADH,
producindose hidrogeno. La segunda reciclara el hidrogeno formndose ATP
por el sistema de ATPasa. Cuando crece con azucares, este sistema genera
ATP con independencia del que se obtiene degradando la glucosa hasta
piruvato.
Cuando el crecimiento se realiza en CO2/H2, la hidrogenasa citoplasmtica,
solo se induce por la presencia de sustratos orgnicos. En atmsfera de
CO2/H2 funcionaria nicamente el sistema catalizado por la hidrogenasa ligada
a la membrana y el sistema de ATPasa (Figura N 5.10).
-
201
Figura N 5.10. Esquema de los sistemas de transporte de electrones ytransposicin de protones ATPasa en las bacterias acetogenas creciendocon CO2\H2.
Fuente: (Valdez Vazquez, I., et al. 2004)
5.3.6. Otras vas metablicas utilizadas por las bacterias Acetogenas:
En las bacterias acetogenas pueden encontrarse otros mecanismos
bioqumicas que conducen a la formacin de acetato a partir de diversos
compuestos orgnicos y CO2.
A. Sistemas dependientes del Tetrahidrofolato
A partir de metiltretahidrofolato, amoniaco y CO2 puede sintetizarse glicina, en
una reaccin catalizada por la glicincarboxilasa (1).la glicina puede convertirse
-
202
en acetato mediante la glicina reductasa (2) por otra parte, el metil
tretahidrofolato puede dar lugar a piruvato, el cual descarboxila posteriormente ,
dando acetato:
La glicina formada por la glicincarbixilasa puede tambin incorporar un grupo
metilo del tetrahidrofolato, generndose finalmente piruvato, el cual es
descarboxilado a acetato.
B. Reduccin indirecta del CO2
Existen indicios existentes que el piruvato puede ser el intermediario para una
conversin cuantitativa de un mol de glucosa en tres de acetato segn la
siguiente va: (Figura N 5.11).
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203
Figura N 5.11. Sistema de Reduccin indirecta del CO2
Fuente: (Pares I.F. y A. Jurez, 1997).
203
Figura N 5.11. Sistema de Reduccin indirecta del CO2
Fuente: (Pares I.F. y A. Jurez, 1997).
203
Figura N 5.11. Sistema de Reduccin indirecta del CO2
Fuente: (Pares I.F. y A. Jurez, 1997).
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204
5.4. REDUCCIN DEL HIERRO FRRICO (FE3+)5.4.1. Mecanismos de la reduccin del hierro frrico (fe3+)
El hierro frrico es un receptor terminal de electrones extensamente utilizado
por los organismos anaerobios auttrofos y hetertrofos. El flujo de electrones
en estos organismos es similar a los que usan como receptores terminales
oxgeno o nitrato, salvo que en los organismos reductores de hierro frrico la
enzima final es la hierro-frrico reductasa. Los organismos modelo incluyen
Shewanella putrifaciens y Geobacter metallireducens. Algunas bacterias
reductoras del hierro frrico (tales como G. metallireducens) pueden utilizar
hidrocarburos txicos tales como el tolueno como fuente de carbono, por lo que
hay un gran inters en usar estos organismos como agentes de
biorremediacin en acuferos contaminados ricos en hierro frrico.
Los procesos de solubilizacin y extraccin de elementos recuperables a partir
de minerales o slidos mediados por la accin de microorganismos (bacterias u
hongos) son conocidos como biolixiviacion. Si la recuperacin de los metales de
valor puede ser usada para el enriquecimiento del mineral por remocin de
impurezas o constituyentes indeseables, a travs de la accin directa o
indirecta de microorganismos son conocidos como biobeneficiacion,
La bacteria ms activa en los procesos de biolixiviacion pertenece al gnero
Thiobacillus, especficamente Thiobacillus ferrooxidans. Muchos tiobacilus son
especies quimiolitotrofas y su energa deriva de la oxidacin de compuestos de
azufre reducidos o parcialmente reducidos, incluidos sulfuros, azufre elemental
y tiosulfato, obtenindose como producto final sulfato.
Asimismo destacan otras especies como Thiobacillus thiooxidans,
Metallogenium spp,. Gallionella sp,. Leptospirillum ferroxidans, Acidianus
brierleym, Sulfolobus spp y Sulfobacillus estas dos ltimas termofilicas,
Acidithiobacillus ferrooxidans es una cepa bacteriana nativa con capacidad de
oxidar hierro ferroso y compuestos del azufre, aislada a partir de efluentes y
material de minas de oro. Despus de 15 das de biooxidacion de sulfuros
-
205
metlicos, la bacteria mostr accin catalizadora sobre el proceso de disolucin
del mineral,
El pH adecuado es una condicin necesaria para el cecimiento del
microorganismo y su variacin es decisiva para la solubilizacin de ciertos
metales presentes en el mineral, siendo determinante para el rendimiento del
proceso de biolixiviacion, la bacteria Thiobacillus ferrooxidans tiene un rango
optimo de crecimiento en condiciones altamente acidicas con valores de pH de
2,0 a 2,5 favorable para la oxidacin de hierro ferroso y sulfuros. Para valores
de pH cercanos a 2,0 ocurre una considerable inhibicin de T. ferrooxidans.,
pero Thiobacillus ferrooxidans puede ser adaptado para valores de pH menores
por adicin de acido.
5.4.2. Rol bioquimico y microorganismos reductores de Fe3+
En minerales sulfurosos se ha estudiado el rol del sulfato ferrico y el oxigeno en
la oxidacin de metales sulfurosos, ya que el primero resalta como el principal
agente involucrado en el ataque indirecto de dichos minerales las reacciones
generales que envuelven la accin del hierro ferrico son:
En la presencia de bacterias ferrooxidantes, el hierro ferroso producido en estas
reacciones puede ser oxidado a hierro frrico, establecindose por lo tanto un
proceso cclico. Dicho ataque oxidativo tiene dos etapas (I) la interaccin
qumica del hierro frrico con el mineral sulfuroso y (II) la regeneracin del
hierro frrico por la bacteria.El hierro frrico se puede reducir en condiciones
anxicas a la forma ferrosa, ms soluble.
-
206
Si hay suficientes H2S se forman precipitados de sulfuro de hierro. La
inundacin del suelo crea las condiciones anxicas que favorecen la
acumulacin de hierro ferroso.
En ambientes aerbicos, la mayor parte del hierro esta en estado frrico.
Diversas bacterias forman sideroforos, que unen al hierro facilitando as la
absorcin celular.
Algunos quimiolitotrofos oxidan hierro para formar energa celular.
Estas bacterias oxidadoras del hierro pueden generar grandes cantidades de
este elemento.
El hierro frrico es un receptor terminal de electrones extensamente utilizado
por los organismos anaerobios auttrofos y heterotrfos. El flujo de electrones
en estos organismos es similar a los que usan como receptores terminales
oxgeno o nitrato, salvo que en los organismos reductores de hierro frrico la
enzima final es la hierro-frrico reductasa. Los organismos modelo incluyen
Shewanella putrifaciens y Geobacter metallireducens. Algunas bacterias
reductoras del hierro frrico (tales como G. metallireducens) pueden utilizar
hidrocarburos txicos tales como el tolueno como fuente de carbono, por lo que
hay un gran inters en usar estos organismos como agentes de
biorremediacin en acuferos contaminados con hierro frrico
5.5. OTROS RECEPTORES TERMINALES DE ELECTRONESINORGNICOS
Adems de los numerosos y comunes receptores terminales de electrones
enumerados arriba, existen algunos organismos que pueden utilizar iones
inorgnicos exticos en la respiracin anaerobia. Mientras que estos procesos
pueden ser a menudo menos significativos ecolgicamente, son de inters
considerable para la biorremediacin, especialmente de metales pesados. Los
ejemplos incluyen:
Reduccin del ion mangnico (Mn4+) al ion manganoso (Mn2+).
-
207
Reduccin del selenato (SeO42-) a la selenita (SeO32-) y de la selenita alselenio inorgnico (Se).
Reduccin del arseniato (AsO43-) al arsenito (AsO33-).
5.5.1. Reduccin del ion Mangnico (Mn4+) al ion Manganoso (Mn2+).
De manera semejante al hierro, los microorganismos tambin, lo reciclan de
su estado reducido a oxidado.
El manganeso se encuentra en la ecosfera tanto en su forma reducida o
manganosa (Mn2+) como en su forma oxidada o mangnica (Mn4+)
La estabilidad de estos iones depende mucho del pH y del potencial redox.
En presencia de oxigeno con un pH superior a 8 el ion manganoso se oxida a
ion mangnico tetravalente, este forma un dixido (MnO2) insoluble en agua,
que no se puede asimilar directamente a las plantas.
En algn hbitat marino y de agua dulce, la precipitacin de manganeso
forma ndulos. Estos ndulos se originan en los sedimentos anoxicos,
cuando el manganeso entra en un ambiente aerbico, se oxida y se precipita,
en parte por accin de las bacterias, formando ndulos.
El manganeso tiene cinco estados de oxidacin principales: Mn2+, Mn3+, Mn4+,
Mn6+ y Mn7+. El in Mn2+ es la especie de manganeso ms estable en
soluciones cidas, pero puede oxidarse a estados de oxidacin mayores debido
al aumento del potencial. El in mangnico, Mn3+, se forma a partir del Mn2+ por
oxidacin electroltica y es estable respecto a la hidrlisis a concentraciones
elevadas de cido.
Generalmente, se acepta que no existe el anin acuoso simple del estado de
oxidacin del Mn4+, estando su qumica dominada por el MnO2 insoluble. Se ha
planteado, adems, que los iones Mn4+ pueden existir en soluciones cidas. El
estado de oxidacin Mn6+ slo existe como in MnO42-, que slo es estable en
soluciones muy bsicas y no se forma durante el electro obtencin de cobre.
-
208
Durante el electro obtencin del cobre, el Mn2+ primeramente se oxida a Mn3+ y,
ste a su vez, se oxida a MnO4-, junto con la formacin de partculas slidas de
MnO2. La existencia de especies de alto estado de oxidacin es consistente con
los altos potenciales redox de la solucin. El dixido de manganeso formado
sobre el nodo, al desprenderse de la superficie, puede arrastrar consigo una
fraccin significativa de la capa de xidos de plomo (la adherencia de los xidos
de plomo depende de las propiedades de la aleacin base plomo) que, en su
conjunto, forman la llamada borra andica, trmino dado en plantas de electro
obtencin a este lodo, para diferenciarlo del barro andico formado en el
proceso de electro refinacin de cobre. El deterioro parcial de esta capa, deja
expuesta la aleacin de plomo que vuelve enseguida a oxidarse.
5.5.2. Reduccin del arseniato (AsO43-) al arsenito (AsO33-)
Numerosos estudios acerca de la movilidad del arsnico en el medio ambiente
describen aspectos fundamentales de su comportamiento, distribucin de
especies qumicas de arsnico en diversos entornos, reacciones de equilibrio
fundamentales, rol de las interacciones del arsnico en interfaces slidos-agua
en la distribucin, su acumulacin en organismos, etc.
En el ambiente acutico las valencias ms comunes del arsnico en el agua
son +3 (arsenito) y +5 (arsenato) tal formado las especies hidrolizadas
inorgnicas H3AsO3, H2AsO-3, HAsO2-3 y AsO3-3 (valencia +3), H3AsO4, H2AsO-4,
HAsO2-4 y AsO3-4 (valencia +5).
El arsnico tambin se encuentra presente en menores concentraciones en
forma orgnica. Se asume que la formacin de estos compuestos proviene
exclusivamente de la actividad de organismos vivos.
Solo en aguas de origen antropognico se pueden esperar otras formas de
arsnico diferentes de +3 y +5. Debido a las marcadas diferencias en el
comportamiento qumico de ambas formas del arsnico, es altamente
-
209
recomendable conocer su distribucin para un tratamiento eficiente de remocin
de arsnico del agua.
Existen varias similitudes entre el comportamiento del arsnico y el fsforo en
aguas naturales cuando el arsnico est presente como arsenato.
5.5.3. Remocin de arsnicoLas tecnologas para la remocin de arsnico se basan en uno proceso
fisicoqumico o en la combinacin de varios. Los mtodos ms conocidos de
tratamiento de agua para remover arsnico se clasifican en a)Procesos de
coagulacin y precipitacin, b) Intercambio inico, c) Adsorcin en lechos
granulares de materiales que retienen arsnico, y d) Otros procesos.
Para todos los procesos mencionados anteriormente se requiere de una
oxidacin completa de As (III). Esto se debe a que el As (III) se remueve en
menor proporcin que el As (V).
Por lo tanto cualquier tecnologa de remocin incluye a la oxidacin como
pretratamiento.
Para la oxidacin del As (III) a As (V), se puede utilizar: el oxigeno atmosfrico,
hipoclorito y permanganato estos productos son los mas usados en el proceso
de oxidacin de arsnico en los pases en desarrollo.
Las unidades de tratamiento casero se utilizan bsicamente para proporcionar
agua segura de beber y para la coccin de alimentos de una familia, requieren
cerca de 5 litros de agua per capita por da. Varias unidades de tratamiento
casero se estn proponiendo actualmente y otras estn en desarrollo.
Normalmente, el agua de una fuente afectada con arsnico se recoge y se
vierte manualmente en las unidades.
5.6. RECEPTORES TERMINALES DE ELECTRONES ORGNICOS
Algunos organismos, en vez de usar compuestos inorgnicos como receptores
terminales de electrones en la respiracin, pueden utilizar compuestos
orgnicos. Los ejemplos incluyen:
Reduccin de fumarato a succinato.
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210
Reduccin de xido trimetil amina (TMAO) a trimetilamina (TMA). Reduccin de dimetil sulfoxido (DMSO) a dimetil sulfuro (DMS). Declorinacin reductora.
5.6.1. Reduccin de fumarato a succinato.
El succinato puede aparecer como producto final de fermentacin siguiendo
tres vas diferentes. C. kluyveri utiliza la va del malonato, va que tambin
utilizan las bacterias entricas. El sustrato es el acetil-CoA que, mediante dos
carboxilaciones, acaba transformndose en succinato. (Figura N 5.6).
La fumarato reductasa es una enzima que convierte fumarato a succinato y es
importante en el metabolismo microbiano para la respiracin anaerbica.
Succinato + Aceptor Fumarato + Aceptor reducido
En otras palabras, la fumarato reductasa acopla la reduccin de fumarato a
succinato a la oxidacin de la quinona a quinol, en una reaccin opuesta a la
catalizada por el complejo II de la cadena respiratoria (succinato
deshidrogenasa).
El complejo de la fumarato reductasa incluye tres subunidades. La subunidad A
contiene el sitio de reduccin de fumarato y una flavn adenn
dinucletido covalentemente unida al grupo prosttico. La subunidad B contiene
tres centros hierro-azufre. La subunidad C oxida menaquinol y consiste en cinco
segmentos helicoidales transmembrana y une dos molculas de hemo b.
Otra alternativa metablica para la produccin de succinato la constituye la ya
descrita para las bacterias del acido propionico, la cual es tambin utilizada por
las enterobacterias como la del malonato.
-
211
Finalmente, la va del acido glioxilico tambin puede llevar a la produccin de
succinato (Figura N 5.12) en bacterias que pueden utilizar el acetato como
nica fuente de carbono:
De este modo:
2 Acetil-CoA + NAD+ Succinato + NADH + H+ + 2HS-CoA
La reaccin clave en este caso es la catalizada por la isocitrato liasa:
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212
Figura N 5.12. Produccin de Succinato por Clostridium kluyveri
(1) Acetil-CoA carboxilasa. (2) Malonil-CoA semialdehdo deshidrogenasa. (3) 3-Hidroxi-propionialdehdo-CoA deshidrogenasa. (4) Acroil-CoA hidratasa. (5) Propionil-CoA deshidrogenasa. (6) Propionil-CoA carboxilasa. (7) Metilmalonil-CoA mutasa. (8)Succinil-CoA sintetasa.
Fuente: (Pares I.F. y A. Jurez, 1997).
212
Figura N 5.12. Produccin de Succinato por Clostridium kluyveri
(1) Acetil-CoA carboxilasa. (2) Malonil-CoA semialdehdo deshidrogenasa. (3) 3-Hidroxi-propionialdehdo-CoA deshidrogenasa. (4) Acroil-CoA hidratasa. (5) Propionil-CoA deshidrogenasa. (6) Propionil-CoA carboxilasa. (7) Metilmalonil-CoA mutasa. (8)Succinil-CoA sintetasa.
Fuente: (Pares I.F. y A. Jurez, 1997).
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Figura N 5.12. Produccin de Succinato por Clostridium kluyveri
(1) Acetil-CoA carboxilasa. (2) Malonil-CoA semialdehdo deshidrogenasa. (3) 3-Hidroxi-propionialdehdo-CoA deshidrogenasa. (4) Acroil-CoA hidratasa. (5) Propionil-CoA deshidrogenasa. (6) Propionil-CoA carboxilasa. (7) Metilmalonil-CoA mutasa. (8)Succinil-CoA sintetasa.
Fuente: (Pares I.F. y A. Jurez, 1997).
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5.6.2. Reduccin de Oxido trimetil amina (TMAO) a Trimetilamina (TMA).
El xido trimetil amina TMAO es un producto qumico producido comnmente
por los peces que cuando se reduce a TMA produce un fuerte olor.
OTMA (xido de trimetil amina). Est en el pescado fresco. En procesos de
degradacin pasa a TMA.
Los mtodos para determinar el OTMA son mtodos qumicos que utilizan:
Acido pcrico. Mtodos de HPLC, que son cromatografas lquidas de alta
resolucin. Mediante cromatografa gaseosa.
El OTMA constituye una parte caracterstica e importante de la fraccin NNP en
las especies de agua de mar y merece, por lo tanto, una mencin ms amplia.
Este compuesto se encuentra en todas las especies de peces de agua de mar
en cantidades del 1 al 5 por ciento del tejido muscular (peso seco), pero est
virtualmente ausente en especies de agua dulce y en organismos terrestres.
Aunque se han efectuado muchos trabajos sobre el origen y el papel del OTMA,
hay todava mucho por esclarecer. Se ha demostrado que el OTMA se forma
por biosntesis de ciertas especies del zooplancton. Estos organismos poseen
una enzima (TMA monooxigenasa) que oxida la TMA a OTMA.
La TMA comnmente se encuentra en plantas marinas, al igual que otras
aminas metiladas (monometilamina y dimetilamina). El pez que se alimenta de
plancton puede obtener OTMA de su alimentacin (origen exgeno). Algunas
especies de peces son capaces de sintetizar OTMA a partir de TMA, pero esta
sntesis se considera de menor importancia.
El sistema de la TMA-oxidasa se encuentra en los microsomas de las clulas y
es dependiente de la presencia de Dinucletido de nicotinamida y de adenina
fosfato (NADPH):
(CH3)3N + NADPH + H+ + O2 (CH3)3NO + NADP+ + H2O
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Resulta enigmtico que esta monooxigenasa pueda ser encontrada tan
extensamente en mamferos (en los que se cree funciona como desintoxicante),
mientras que en la mayora de los peces la actividad de esta enzima es baja o
imperceptible.
Hay un sistema OTMA-reductor presente en el msculo de ciertas especies
pelgicas. La cantidad de OTMA en el tejido muscular depende de la especie,
estacin del ao, rea de pesca, etc. En general, las mayores cantidades se
encuentran en elasmobranquios y calamares (75-250 mg N/100 g), el bacalao
tiene algo menos (60-120 mg N/100 g), mientras que los peces planos y
pelgicos tienen el mnimo. Los peces pelgicos (sardinas, atn, caballa)
presentan mayor concentracin de OTMA en el msculo oscuro mientras que
los demersales, peces de carne blanca, tienen ms alto contenido en el
msculo blanco.
En elasmobranquios, el OTMA parece desempear un papel en la
osmorregulacin y ha sido demostrado que al pasar pequeas rayas por una
mezcla de agua dulce y agua de mar (1:1) se origina una reduccin del OTMA
intracelular en el orden del 50 por ciento. En los telesteos el papel del OTMA
es ms incierto.
Se han propuesto varias hiptesis respecto al papel del OTMA, a saber:
El OTMA es esencialmente un residuo, la forma desintoxicada de laTMA.
El OTMA es un osmorregulador. El OTMA tiene funciones "anticongelantes". El OTMA no tiene una funcin significativa. Se acumula en el msculo
cuando el pez ingiere alimentos que contienen OTMA.
Actualmente se acepta el papel osmorregulador del OTMA.
Dado que la presencia del OTMA haba sido determinada previamente y
virtualmente slo en especies marinas, se especulaba que el OTMA, junto con
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altas cantidades de taurina, podran tener efectos adicionales por lo menos en
pescados de agua dulce.
La Trimetilamina es un compuesto orgnico que tiene como frmula N(CH3)3.
Se trata de una amina terciara, inflamable e higroscpica. En bajas
concentraciones presenta un fuerte olor a "pescado", mientras que a altas
concentraciones tiene un olor similar al del amonaco. A temperatura ambiente
(25C) se presenta como un gas, y se comercializa usualmente en cilindros
presurizados o en solucin acuosa al 40%, ya que al igual que el amonaco es
muy soluble en ese liquido.
La trimetilamina es un producto de la descomposicin de animales y plantas. Es
la principal sustancia responsable del olor desagradable asociado
al pescado descompuesto, a algunas infecciones, y al mal aliento. Adems se
encuentra asociada a la toma de grandes dosis de colina y carnitina. Los
sensores de gases utilizados para comprobar la frescura del pescado detectan
trimetilamina.
Conversin de Oxido de trimetilamna en Trimetilamina
A. Mecanismo general.La reduccin del oxido de trimetilamna en trimetilamina es efectuada por accin
de deshidrogenada producidas por microorganismos, especialmente
Pseudomonas.
B. Ecuacin general
C. Naturaleza del sustrato AH2.Estos sustratos corresponden a succinatos, acetatos, formiatos, azucares,
lactatos y piruvatos. Un sustrato muy comn es el acido lctico
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En esta reaccin se producen dos moles de TMA y una mol de acido actico. El
grado de descomposicin se puede medir o detectar por la TMA o por el acido
actico.
5.6.3. Reduccin de Dimetil sulfoxido (DMSO) a Dimetil sulfuro (DMS).
DMSO es un producto qumico marino y de agua dulce comn que tambin es
odorfero cuando se reduce a DMS
El dimetil sulfuro (DMS) CONFIERE un sabor caracterstico a las cervezas
lager. El DMS se forma a partir de dos precursores que se producen durante la
germinacin y que pueden ser destruidos por un fuerte secado. Un precursor es
la S-metilmetionina (SMM), o un pptido que la contenga, el otro precursor es el
dimetil sulfoxido (DMSO). Durante el secado parte del SMM reacciona
formando DMS, el cual se volatilizara y perder en parte, y la parte restante se
puede oxidar a DMSO, que ser reducido a DMS por la levadura.
En la practica, la va principal de obtencin de DMS es a partir de SMM formado
en la germinacin es lentamente degradado durante el secado al aumentar la
temperatura, dando niveles mayores de DMS libre en el fondo del lecho de
malta. Parte de este DMS se oxida al migrar a travs del lecho, formando
DMSO, sobre todo en la zona superior. Al final, solo una parte del DMS formado
permanece en la malta, y el resto se escapa con el aire de salida.
Del total de precursores de DMS existentes en la malta, solo una parte se activa
para formar DMS. Este precursor activo se forma a partir del precursor inactivo
a altas temperaturas. As, la formacin del precursor activo aumenta con la
temperatura final del secado. Segn la temperatura y el tiempo de aplicacin,
se puede obtener un mayor o menor contenido de DMS en la cerveza final.
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5.6.4. Declorinacin Reductora.
La declorinacin reductora es el proceso por el cual los compuestos orgnicos
con cloro se reducen para formar productos finales sin cloro. Puesto que los
compuestos orgnicos que contienen cloro son importantes (y a menudo
difciles de degradar) contaminantes ambientales, la declorinacin reductora es
un proceso importante en la biorremediacin.
5.7. FERMENTACIN PROPIONICA
Esta es una fermentacin realizada por especies del gnero Propionibacterium
en la cual los productos principales de la fermentacin de la glucosa son los
cidos propinico y actico. Esta es la fermentacin mediante la cual se
produce el queso suizo, el sabor peculiar se lo dan los cidos y los huecos se
deben a la gran produccin de CO2.
5.7.1. Mecanismos de la fermentacin propinicaLa fermentacin propinica de hexosas se hace de dos maneras:
Hexosas cido lctico cido propinico
Hexosas cido pirvico cido propinico
Su ecuacin fundamental es la siguiente:
3 C6HI1206 4 CH3-CH2 - COOH + 2 CH3-COOH + 2 CO2 + 2H2O:
Glucosa Ac. propinico + Ac. Actico + CO2 + 3 ATP
Las bacterias del gnero Propionibacterium llevan a cabo la fermentacin
acidopropinica, en el que los productos de la fermentacin son: cido lctico,
cido propinico, succnico, actico y CO2.