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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).
E0119924Resaltado
E0119924Resaltado
E0119924Resaltado
E0119924Resaltado
E0119924Resaltado
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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
E0119924Resaltado
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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)
E0119924Resaltado
E0119924Resaltado
E0119924Resaltado
E0119924Resaltado
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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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177
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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178
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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179
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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180
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
-
181
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.
181
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.
E0119924Resaltado
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182
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
E0119924Resaltado
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183
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
E0119924Resaltado
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184
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)
E0119924Resaltado
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185
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.
E0119924Resaltado
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186
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).
E0119924Resaltado
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187
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)
E0119924Resaltado
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188
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.
E0119924Resaltado
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189
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.
E0119924Resaltado
-
190
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.
-
191
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:
-
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).
-
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).
-
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:
-
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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213
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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214
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
-
215
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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216
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.
-
217
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.