DEGRADACIÓN DE HIDROCARBUROS

      Como se ha comentado en la introducción debido a la amplitud del tema  vamos a centrarnos mas concretamente en la bioremediación de hidrocarburos del petróleo el cual  es un producto natural que se origina por la transformación anaeróbica de la biomasa en condiciones de temperatura y presión elevadas.
El petróleo, debido a la existencia de filtraciones naturales, ha mantenido siempre contacto con la biosfera. Sin embargo, la magnitud de este fenómeno natural es pequeña si se compara con la cantidad de crudo extraído en las perforaciones petrolíferas, que se calcula en unos 2000 millones de toneladas anuales. Por eso de la preocupación actual. Aún así podemos decir que los componentes del petróleo son biodegradables gracias a la acción de los microorganismos aunque su degradación es relativamente lenta. También decir que los vertidos accidentales de petróleo en tierra suelen ser más fáciles de contener y limpiar que si se producen en agua.

Es importante mencionar primero antes de describir en general como se degradan los hidrocarburos, que el petróleo es una mezcla compleja de hidrocarburos alifáticos, alicíclicos y aromáticos. También contiene una menor proporción de compuestos que no son hidrocarburos como ácidos nafténicos, fenoles, tioles, compuestos heterocíclicos de nitrógeno, compuestos de azufre y metaloporfirinas. Además cada tipo de crudo tiene varios cientos de componentes diferentes. Por todo ello hay que tener en cuenta que se necesitan muchas vías catabólicas diferentes, por lo tanto muchas poblaciones diferentes que puedan utilizar estos compuestos como fuente de energía y carbono.

    A continuación se contempla de manera breve y general los sistemas que utilizan los microorganismos para degradar los diferentes tipos de hidrocarburos:

                1-Degradación de hidrocarburos alifáticos en presencia de oxigeno: 

                2-Degradación de hidrocarburos aromaticos en presencia de oxigeno:

               3-Degradación anaeróbica:

 

1- Degradación de hidrocarburos alifáticos en presencia de oxigeno: 

    Los hidrocarburos alifáticos los podemos clasificar en alcanos, alquenos y alquilos dependiendo de lo saturados que estén  sus enlaces. Como norma general decir que como mas insaturado sea una cadena carbonatada ( más dobles y triples enlaces) más difícil o lenta será su degradación. De igual manera los alcanos de cadena larga son más resistentes a la biodegradación a medida que la longitud de su cadena aumenta. Cuando alcanzan un peso molecular superior a 500 dejan de servir como fuente de carbono para el crecimiento microbiano. En general también la presencia de ramificaciones reduce la tasa de biodegradación porque los átomos de carbono terciarios y cuaternarios interfieren con los mecanismos de degradación o lo bloquean totalmente.

    Los microorganismos que utilizan hidrocarburos como sustrato  deben de tener enzimas denominada monooxigenasas que son dependientes de oxigeno. La mayoría de los microorganismos en teoría si son capaces de sobrevivir en ese ambiente pueden degradar sin mas problemas  hidrocarburos de cadena larga.
Para que sea de fácil comprensión y sin entrar en demasiados detalles metabólicos podemos decir que para que los microorganismos pu
edan degradar alcanos primero deben de oxidar con oxigeno el último carbono de la molécula gracias al complejo multienzimático que no hacen mas que incorporar esta molécula de oxigeno. Así se obtiene un hidrocarburo con un grupo alcohol siendo así una molécula mas reactiva. Mediante otras enzimas este grupo alcohol se oxida mas hasta grupo aldheído y finalmente carboxílico. Así se obtiene una molécula similar a un ácido graso y puede ser degradado a acetil-CoA por b-oxidación. Este proceso de oxidación también puede darse en carbonos no terminales dando lugar a dos ácidos grasos que se procesarán por b-oxidación. Todo este proceso se puede ver representado esquematizado en la imagen de la izquierda.

Pero como decía aunque la mayoría de microorganismos en teoría sean capaces de utilizar este mecanismo pocos pueden vivir en esas condiciones. Para hacerlo deben ser capaces de vivir en un medio muy hidrófobo como es el petróleo. Por lo tanto para colonizar las interfases petróleo-agua tienen que variar sustentiblemente la membrana. Además para introducir los hidrocarburos en la célula lo hacen vía vesícula. Por lo tanto si hablamos de requerimientos genéticos no solo es necesario el sistema monooxigenasa sino otros genes que permitan variar la envoltura y formación de esas vesículas. Por esta razón son pocos las especias que puedan realizar esta biodegradación. Sin duda la especie con mas posibilidades y la mas estudiada en el campo es Pseudomonas.

    (Arriba)

2-Degradación de hidrocarburos aromaticos en presencia de oxigeno:           

    En el caso de los hidrocarburos aromáticos, el principal problema para degradarlos es romper este anillo aromático que pueden ser muy variados. Los microorganismos que utilizan estos compuestos aromáticos como fuente de carbono ,lo que hacen es que en lugar de utilizar una enzima monooxigenasa específica para cada molécula diferente, utilizan unas vías bioquímicas llamadas vias altas o periféricas que consisten en modificar los diferentes anillos aromáticos absorbidos en protocatechuate y catechol. Es decir, la gran variedad de compuestos aromáticos que se pueden encontrar son modificados y convertidos a estas dos moléculas. A partir de estas dos moléculas que convergen todos los compuestos, ya se puede llevar a cabo el rompimiento del anillo mediante enzimas específicas. Esta segunda fase en la degradación seria lo que se conocería como vías bajas. La imagen de la derecha ilustra la ruta metabólica de estas vías bajas. 

A nivel génico decir que los genes que intervienen en las vías bajas suelen encontrarse a nivel cromosómico. Sin embargo los genes que intervienen en las vías altas debido a su gran variedad, suelen codificarse en plásmidos, aumentando así la probabilidad de adquirir nuevas vías por  transferencia génica horizontal. Por ejemplo, el plásmido TOL ( pWWO) contiene los genes implicados en transformar el tolueno a protocatechuate o catechol.( En el apartado de regulación génica se hace un esmento especial).  

     

(Arriba)

 

3-Degradación anaeróbica:       

        El hecho que  en todos los ambientes donde los hidrocarburos naturales se forman el oxigeno no esta presente, ha hecho pensar a la comunidad científica que los hidrocarburos no podrían ser degradados anaeróbicamente. Pero a finales de 1980s se descubrieron algunos microorganismos que si tenían cierta actividad degradadora bajo condiciones totalmente extrictas.
Este conocimiento es tan reciente que aún no se comentan ni en los libros de textos mas  especializados en el tema ni siquiera la posibilidad. Actualmente se está trabajando mucho en este insólito campo por la importancia que tiene y las aplicaciones potenciales que pueda tener en la biorremediación. Hay que tener en cuenta que en la mayoría de los lugares contaminados donde se quiere aplicar estas técnicas de biorremediación hay condiciones anoxigénicas o de seguida se consume el oxigeno. Lo que se hacia hasta ahora en estas situaciones es insuflar aire en estos ambientes mediante una bomba para favorecer la degradación aeróbica. Evidentemente esta técnica hace encarecer el proceso aparte que a veces  la difusión de oxigeno no puede ser posible
.
Los pocos estudios realizados hasta ahora han desvelado que los mecanismos de degradación en estas condiciones son totalmente diferentes a los utilizados en presencia de oxigeno excepto la b-oxidación que también se da en condiciones anóxicas. En general se dan procesos de reducción o condensación con otras moléculas para activar primero los compuestos.

Como en esta pagina se quiere dar una idea general sobre el campo de la biorremediación si se desea saber mas sobre mecanismos de degradación de diferentes compuestos aromaticos en condiciones anaeróbias se recomienda la lectura del siguiente review. y para los mecanismos que se utilizan para degradar compuestos recalitrantes  se recomienda este otro review.