La biodegradación microbiana es el uso de métodos de biorremediación y biotransformación para aprovechar la capacidad natural del metabolismo xenobiótico microbiano para degradar, transformar o acumular contaminantes ambientales, incluidos hidrocarburos (por ejemplo, aceite), bifenilos policlorados (PCB), hidrocarburos poliaromáticos (HAP), compuestos heterocíclicos. (como piridina o quinolina ), sustancias farmacéuticas, radionúclidos y metales.
El interés en la biodegradación microbiana de contaminantes se ha intensificado en los últimos años, [1] [2] y los importantes avances metodológicos recientes han permitido análisis detallados de alto rendimiento genómico, metagenómico, proteómico, bioinformático y otros de alto rendimiento de microorganismos ambientalmente relevantes , proporcionando nuevos conocimientos sobre biodegradación. vías y la capacidad de los organismos para adaptarse a las condiciones ambientales cambiantes.
Los procesos biológicos juegan un papel importante en la eliminación de contaminantes y aprovechan la versatilidad catabólica de los microorganismos para degradar o convertir dichos compuestos. En microbiología ambiental , los estudios globales basados en el genoma están aumentando la comprensión de las redes metabólicas y reguladoras, además de proporcionar nueva información sobre la evolución de las vías de degradación y las estrategias de adaptación molecular a las condiciones ambientales cambiantes.
Biodegradación aeróbica de contaminantes
La creciente cantidad de datos genómicos bacterianos brinda nuevas oportunidades para comprender las bases genéticas y moleculares de la degradación de contaminantes orgánicos . Los compuestos aromáticos se encuentran entre los más persistentes de estos contaminantes y se pueden aprender lecciones de los estudios genómicos recientes de Burkholderia xenovorans LB400 y Rhodococcus sp. cepa RHA1, dos de los genomas bacterianos más grandes completamente secuenciados hasta la fecha. Estos estudios han ayudado a ampliar nuestra comprensión del catabolismo bacteriano , la adaptación fisiológica no catabólica a compuestos orgánicos y la evolución de grandes genomas bacterianos . Primero, las vías metabólicas de los aislados filogenéticamente diversos son muy similares con respecto a la organización general. Por tanto, como se señaló originalmente en las pseudomonas , un gran número de vías "aromáticas periféricas" canalizan una gama de compuestos naturales y xenobióticos en un número restringido de vías "aromáticas centrales". Sin embargo, estas vías están organizadas genéticamente en modas específicas de género, como lo ejemplifican las vías b-cetoadipato y Paa. Los estudios genómicos comparativos revelan además que algunas vías están más extendidas de lo que se pensaba inicialmente. Por lo tanto, las rutas de Box y Paa ilustran la prevalencia de estrategias de escisión de anillos no oxigenolíticos en procesos de degradación aromática aeróbica. Los estudios genómicos funcionales han sido útiles para establecer que incluso los organismos que albergan un gran número de enzimas homólogas parecen contener pocos ejemplos de verdadera redundancia. Por ejemplo, la multiplicidad de dioxigenasas de escisión de anillos en ciertos aislados de rodococos puede atribuirse al catabolismo aromático críptico de diferentes terpenoides y esteroides. Finalmente, los análisis han indicado que el flujo genético reciente parece haber jugado un papel más significativo en la evolución de algunos genomas grandes, como el LB400, que otros. Sin embargo, la tendencia emergente es que los grandes repertorios de genes de potentes degradadores de contaminantes como LB400 y RHA1 han evolucionado principalmente a través de procesos más antiguos. Que esto sea cierto en especies tan filogenéticamente diversas es notable y sugiere además el antiguo origen de esta capacidad catabólica. [3]
Biodegradación anaeróbica de contaminantes
La mineralización microbiana anaeróbica de contaminantes orgánicos recalcitrantes es de gran importancia ambiental e implica reacciones bioquímicas novedosas e interesantes. [4] En particular, hidrocarburos y compuestos halogenados mucho tiempo han sido puesto en duda ser degradable en ausencia de oxígeno, pero el aislamiento de anaeróbico hidrocarburo-degradantes hasta ahora desconocido y reductivamente deshalogenante bacterias durante las últimas décadas proporcionado prueba definitiva para estos procesos en la naturaleza. Si bien inicialmente dicha investigación involucró principalmente compuestos clorados , estudios recientes han revelado una deshalogenación reductora de restos de bromo y yodo en pesticidas aromáticos. [5] Se ha demostrado que otras reacciones, como la reducción abiótica inducida biológicamente por los minerales del suelo, [6] desactivan herbicidas relativamente persistentes a base de anilina mucho más rápidamente que lo observado en ambientes aeróbicos. Se descubrieron muchas reacciones bioquímicas novedosas que permiten las respectivas vías metabólicas, pero el progreso en la comprensión molecular de estas bacterias fue bastante lento, ya que los sistemas genéticos no son fácilmente aplicables a la mayoría de ellas. Sin embargo, con la aplicación cada vez mayor de la genómica en el campo de la microbiología ambiental , ahora se dispone de una perspectiva nueva y prometedora para obtener conocimientos moleculares sobre estas nuevas propiedades metabólicas. Durante los últimos años se determinaron varias secuencias genómicas completas a partir de bacterias capaces de degradar contaminantes orgánicos anaeróbicos. El genoma de ~ 4,7 Mb de la cepa EbN1 de Aromatoleum aromaticum desnitrificante facultativo fue el primero en ser determinado para un degradador anaeróbico de hidrocarburos (usando tolueno o etilbenceno como sustratos ). La secuencia del genoma reveló alrededor de dos docenas de grupos de genes (incluidos varios parálogos ) que codifican una red catabólica compleja para la degradación anaeróbica y aeróbica de compuestos aromáticos. La secuencia del genoma constituye la base de los estudios detallados actuales sobre la regulación de vías y estructuras enzimáticas . Recientemente se completaron más genomas de bacterias anaeróbicas degradantes de hidrocarburos para la especie reductora de hierro Geobacter metalireducens (número de acceso NC_007517) y la Dechloromonas aromatica reductora de perclorato (número de acceso NC_007298), pero aún no se han evaluado en publicaciones formales. También se determinaron genomas completos para bacterias capaces de degradación anaeróbica de hidrocarburos halogenados por halorespiración : los genomas de ~ 1,4 Mb de Dehalococcoides ethenogenes cepa 195 y Dehalococcoides sp. la cepa CBDB1 y el genoma de ~ 5,7 Mb de la cepa Y51 de Desulfitobacterium hafniense . La característica de todas estas bacterias es la presencia de múltiples genes parálogos para deshalogenasas reductoras, lo que implica un espectro deshalogenante de organismos más amplio de lo que se conocía anteriormente. Además, las secuencias del genoma proporcionaron conocimientos sin precedentes sobre la evolución de la deshalogenación reductiva y las diferentes estrategias para la adaptación de nichos. [7]
Recientemente, se ha hecho evidente que algunos organismos, incluido Desulfitobacterium chlororespirans , originalmente evaluados para halorespiración en clorofenoles, también pueden usar ciertos compuestos bromados, como el herbicida bromoxinilo y su principal metabolito como aceptores de electrones para el crecimiento. Los compuestos yodados también pueden deshalogenarse, aunque el proceso puede no satisfacer la necesidad de un aceptor de electrones. [5]
Biodisponibilidad, quimiotaxis y transporte de contaminantes
La biodisponibilidad , o la cantidad de una sustancia fisioquímicamente accesible a los microorganismos, es un factor clave en la biodegradación eficiente de los contaminantes. O'Loughlin y col. (2000) [8] mostró que, con la excepción de la arcilla caolinita , la mayoría de las arcillas del suelo y las resinas de intercambio catiónico atenuaron la biodegradación de 2-picolina por Arthrobacter sp. cepa R1, como resultado de la adsorción del sustrato a las arcillas. La quimiotaxis , o el movimiento dirigido de organismos móviles hacia o desde los productos químicos en el medio ambiente, es una respuesta fisiológica importante que puede contribuir al catabolismo efectivo de moléculas en el medio ambiente. Además, también son importantes los mecanismos para la acumulación intracelular de moléculas aromáticas a través de varios mecanismos de transporte. [9]
Biodegradación del aceite
El aceite de petróleo contiene compuestos aromáticos que son tóxicos para la mayoría de las formas de vida. La contaminación episódica y crónica del medio ambiente por el petróleo causa una gran alteración del medio ambiente ecológico local. Los entornos marinos en particular son especialmente vulnerables, ya que los derrames de petróleo cerca de las regiones costeras y en mar abierto son difíciles de contener y complican los esfuerzos de mitigación. Además de la contaminación causada por las actividades humanas, aproximadamente 250 millones de litros de petróleo ingresan al medio marino cada año a partir de filtraciones naturales. [10] A pesar de su toxicidad, una fracción considerable del aceite de petróleo que ingresa a los sistemas marinos es eliminada por las actividades de degradación de los hidrocarburos de las comunidades microbianas, en particular por un grupo de especialistas recientemente descubierto, las bacterias hidrocarbonoclasticas (HCB). [11] Alcanivorax borkumensis fue el primer HCB en tener su genoma secuenciado. [12] Además de los hidrocarburos, el petróleo crudo a menudo contiene varios compuestos heterocíclicos , como la piridina, que parecen degradarse mediante mecanismos similares a los de los hidrocarburos. [13]
Biodegradación del colesterol
Muchos compuestos esteroides sintéticos, como algunas hormonas sexuales, aparecen con frecuencia en las aguas residuales municipales e industriales, actuando como contaminantes ambientales con fuertes actividades metabólicas que afectan negativamente a los ecosistemas. Dado que estos compuestos son fuentes de carbono comunes para muchos microorganismos diferentes, su mineralización aeróbica y anaeróbica se ha estudiado ampliamente. El interés de estos estudios radica en las aplicaciones biotecnológicas de las enzimas transformadoras de esteroles para la síntesis industrial de hormonas sexuales y corticoides. Muy recientemente, el catabolismo del colesterol ha adquirido una gran relevancia porque está involucrado en la infectividad del patógeno Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ). [1] [14] Mtb causa la enfermedad de la tuberculosis , y se ha demostrado que se han desarrollado nuevas arquitecturas enzimáticas para unir y modificar compuestos esteroides como el colesterol en este organismo y también en otras bacterias que utilizan esteroides. [15] [16] Estas nuevas enzimas podrían ser de interés por su potencial en la modificación química de sustratos de esteroides.
Análisis de biotratamiento de residuos
El desarrollo sostenible requiere la promoción de la gestión ambiental y una búsqueda constante de nuevas tecnologías para tratar grandes cantidades de desechos generados por el aumento de las actividades antropogénicas . El biotratamiento, el procesamiento de desechos utilizando organismos vivos, es una alternativa ecológica, relativamente simple y rentable a las opciones de limpieza físico-química. Los entornos confinados, como los biorreactores , se han diseñado para superar los factores limitantes físicos, químicos y biológicos de los procesos de biotratamiento en sistemas altamente controlados. La gran versatilidad en el diseño de ambientes confinados permite el tratamiento de una amplia gama de residuos en condiciones optimizadas. Para realizar una evaluación correcta, es necesario considerar varios microorganismos que tienen una variedad de genomas y transcripciones y proteínas expresadas. A menudo se requiere una gran cantidad de análisis. Utilizando técnicas genómicas tradicionales, estas evaluaciones son limitadas y requieren mucho tiempo. Sin embargo, se pueden aplicar varias técnicas de alto rendimiento desarrolladas originalmente para estudios médicos para evaluar el biotratamiento en entornos confinados. [17]
Ingeniería metabólica y aplicaciones biocatalíticas
El estudio del destino de las sustancias químicas orgánicas persistentes en el medio ambiente ha revelado una gran reserva de reacciones enzimáticas con un gran potencial en la síntesis orgánica preparativa, que ya se ha explotado para una serie de oxigenasas a escala piloto e incluso industrial. Se pueden obtener nuevos catalizadores a partir de bibliotecas metagenómicas y enfoques basados en secuencias de ADN . Nuestra creciente capacidad para adaptar los catalizadores a reacciones específicas y requisitos de proceso mediante mutagénesis racional y aleatoria amplía el campo de aplicación en la industria química fina, pero también en el campo de la biodegradación . En muchos casos, estos catalizadores deben explotarse en bioconversiones de células completas o en fermentaciones , lo que exige enfoques de todo el sistema para comprender la fisiología y el metabolismo de las cepas y enfoques racionales para la ingeniería de células completas a medida que se presentan cada vez más en el área de sistemas. biotecnología y biología sintética. [18]
Biodegradación por hongos
En el ecosistema, diferentes sustratos son atacados a diferentes velocidades por consorcios de organismos de diferentes reinos. Aspergillus y otros mohos juegan un papel importante en estos consorcios porque son expertos en reciclar almidones, hemicelulosas, celulosas, pectinas y otros polímeros de azúcar. Algunos aspergilli son capaces de degradar compuestos más refractarios como grasas, aceites, quitina y queratina. La máxima descomposición ocurre cuando hay suficiente nitrógeno, fósforo y otros nutrientes inorgánicos esenciales. Los hongos también proporcionan alimento a muchos organismos del suelo. [19]
Para Aspergillus, el proceso de degradación es el medio de obtención de nutrientes. Cuando estos moldes degradan sustratos artificiales, el proceso generalmente se llama biodeterioro. Tanto el papel como los textiles (algodón, yute y lino) son particularmente vulnerables a la degradación por Aspergillus . Nuestro patrimonio artístico también está sujeto al asalto de Aspergillus . Para dar solo un ejemplo, después de que Florencia en Italia se inundó en 1969, el 74% de los aislados de un fresco de Ghirlandaio dañado en la iglesia de Ognissanti fueron Aspergillus versicolor . [20]
Ver también
- Biodegradacion
- Biorremediación
- Biotransformación
- Biodisponibilidad
- Quimiotaxis
- Microbiología
- Microbiología ambiental
- Microbiología industrial
Referencias
- ↑ a b Koukkou, Anna-Irini, ed. (2011). Biorremediación microbiana de no metales: investigación actual . Prensa Académica Caister . ISBN 978-1-904455-83-7.
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