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 s
in 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 puedan 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.