Semana 8

BIOTRANSFORMACIONES DE LOS COMPUESTOS XENOBIOTICOS

Los organismos están expuestos a un gran número de diferentes sustancias químicas xenobióticas, que, una vez absorbidas por el organismo, se acumulan en él y pueden amenazar su equilibrio funcional. Si la concentración de cualquier xenobiótico en el organismo es excesiva, inevitablemente comportará un riesgo para las funciones de las biomoléculas que actúen en su entorno, pudiendo alterar el correcto funcionamiento de un órgano, tejido, sistema, etc, interfiriendo en las reacciones bioquímicas. Al igual que la absorción y la distribución, dos procesos de transferencia, la Biotransformación también se lleva a cabo utilizando los mecanismos existentes en los tejidos, para ello se usa la misma maquinaria bioquímica con la que se metabolizan los compuestos endógenos, a veces de estructura química similar. Al conjunto de reacciones metabólicas por medio de las cuales los organismos modifican la estructura química de un XB se le denomina BIOTRANSFORMACIÓN. Podemos predecir que la biotransformación de un XB consiste fundamentalmente en incrementar su polaridad para posibilitar su eliminación, en convertir un compuesto no polar en uno soluble en agua. Este es el mecanismo más común que usan los organismos para transformar y eliminar los XBs ambientales. EL METABOLISMO DE XENOBIÓTICOS POR LOS ORGANISMOS. REACCIONES DE FASE I Y DE FASE II.II. PROCESO DE BIOTRANSFORMACIÓNLos humanos y muchos otros animales están constantemente expuestos en su medioambiente a una vasta variedad de agentes xenobióticos; los cuales pueden ser de origen natural oformados por intervención del hombre, En general los compuestos más lipofílicos son másfácilmente absorbidos a través de la piel, pulmones o del tracto gastrointestinal. La constanteexposición a este tipo de sustancias podría resultar en su acumulación dentro del organismo, almenos que se presente un sistema eficaz de eliminación. Con excepción de la exhalación, para que un agente xenobiótico pueda ser eliminado del organismo, requiere que sea soluble en fase acuosa, lo anterior funciona para compuestos no volátiles y en consecuencia serán excretados por

la orina y las heces, que son las predominantes rutas de eliminación. Sin embargo, los compuestos lipofílicos que se encuentran en los fluidos de excreción tienden a difundir hacia las membranas y en consecuencia son reabsorbidos, mientras que los compuestos solubles en agua son excretados, lo que dejaría aparentemente una acumulación de los agentes xenobióticoslipofílicos dentro del organismo (Caldwell and Paulson, 1964; Klaassen et al, 1986).1. Panorama general.De acuerdo a la estructura de la membrana celular, esta le confiere una selectividad en la absorción tanto de las sustancias endógenas como xenobióticas. Esta selectividad permite que existan vías de absorción específica para los nutrimentos hidrosolubles con un gasto energético(transporte activo), pero por otra parte aunque la mayoría de los organismos vivos son casi impermeables a la gran mayoría de las sustancias hidrosolubles no deseables, no pueden prevenir la absorción de la mayoría de las sustancias liposolubles. En la Figura 1.1. tenemos resumido en un esquema ilustrativo, las principales vías de absorción y eliminación tanto de compuestos endógenos como exógenos (Anders, 1985; Manahan, 1990; Shibamoto y Bjeldanes, 1996).Reacciones fase I.La función de este tipo de reacciones, es modificar la estructura química de la molécula,por introducción de grupos funcionales como son hidroxilo, amino, carboxilo entre otros. También,se puede obtener una mayor polaridad del agente xenobiótico por exposición de gruposfuncionales como es el proceso de hidrólisis. Posiblemente la oxidación es la reacción másimportante de las reacciones de fase I; en general estas reacciones están mediadas por el sistemade oxidación microsomal que contiene el citrocromo P-450, también conocido como “ sistemaoxidasa de función mixta” , el cual requiere del cofactor nicotin-adenin-dinucleótido-reducido (NADPH) como donador inicial de electrones y oxígeno molecular como oxidante, según se observa en la Figura 2.1 (Repetto, 1981; Klaassen et al, 1985; Manahan, 1990).En el esquema anterior, un electrón del NADPH se transfiere al citocromo P-mediante la enzima NADPH-Citrocromo P-450-reductasa. Hay que hacer notar que el origen del citocromo P-450, se refiere a que es una proteína cromógena que cuando se une al monóxido de carbono, da una forma reducida que presenta un máximo de absorción espectral a 450 nm. Aunqueeste sistema oxidativo forma parte de muchos tejidos del organismo, el sitio de la oxidación de la mayoría de los xenobióticos se presenta en el retículo endoplásmico liso del hígado. Hay muchas formas de citocromo P-450 o isoenzimas que le dan características particulares al organismo que las

contiene, presentándose una diferenciación en el proceso de Biotransformaciónintra e interespecie.El sistema de oxidación microsomal con participación de la citocromo P-450 esinducible; así, la administración de sustancias oxidables incrementa su actividad, como es el caso de la administración de barbitúricos, ciertos plaguicidas entre otros xenobióticos; lo que le confiere una adaptación del retículo endoplásmico liso del hígado al incremento del proceso oxidativo. Elanterior sistema, además de mediar muchas reacciones de oxidación; también, puede llevar a cabo reacciones de reducción, como es la conversión de los colorantes azóicos a sus correspondientes aminas, cuando se presentan condiciones anaerobias (Hodgson and Guthrie, 1980; Timbrell, 1985).2.1. Hidroxilación aromática. La hidroxilación aromática, para el sistema más simple se describe en la Figura 2.1.1, el cual es uno de los procesos oxidativos de mayor importancia. Los mayores productos de la hidroxilación aromática son fenoles, pero también se pueden formar catacoles y quinoles. Consecuentemente un número variable de metabolitos hidroxilados se pueden formar, lo cual dependerá de las características particulares de la especie considerada.Reacciones de fase II.Este tipo de reacciones metabólicas son de biosíntesis por lo cual requieren de un gasto energético (formación de enlaces químicos); por lo tanto, son reacciones enzimáticas que aparte de requerir de ciertos cofactores, necesitan de substratos de alta energía como es el ATP.Las reacciones de fase II también se denominan como reacciones de conjugación,involucran la adición a los compuestos xenobióticos de moléculas endógenas, las cuales generalmente son polares y de alta disponibilidad por parte del organismo. Estos grupos endógenos son adicionados a grupos funcionales presentes ya en los compuestos xenobióticos, oque fueron introducidos o expuestos en la fase I del proceso de biotransformación. El propósito final es de obtener moléculas polares y con bajo coeficiente de partición lípido/agua, para que se facilite su excreción al disminuir substancialmente su carácter lipofílico (Klaassen et al, 1986;Manahan, 1990).Semana 10

TOXICIDAD DE LOS CONTAMINANTELos Contaminantes orgánicos persistentes (COPs) conocidos

internacionalmente por sus siglas en inglés, POPs

(PersistentOrganicPollutants) son un conjunto de compuestos

orgánicosfabricado artificialmente por el hombre muy tóxicos, que tiene un

tiempo de persistencia en el ambiente muy largo. Al ser un compuesto artificial,

las bacterias y demás organismos no pueden descomponerlo y degradarlos

fácilmente. Muchos tienen efectos acumulativos, ya que se almacenan en los

tejidos grasos fijándose en la cadena alimenticia y pueden tener efectos

hormonales.

Hacen parte de los contaminantes orgánicos persistentes, los compuestos

químicos tóxicos, que se clasifican en pesticidas, insecticidas organoclorados,

herbicidas, PCB. Los compuestos químicos tóxicos son sustancias que,

generalmente, no ocurren en la naturaleza, sino que han sido sintetizadas por

químicos a partir de sustancias más simples.Entre los químicos tóxicos más

destacados se pueden resaltar; los pesticidas y los insecticidas

organoclorados.

El carbono forma muchos compuestos con cloro, algunos de los cuales se

encuentran en la naturaleza, aunque usualmente en muy pequeñas cantidades.

En vista de su toxicidad para algunas plantas e insectos, muchos de estos

compuestos organoclorados, que se producen sintéticamente por la acción del

cloro elemental sobre los hidrocarburos derivados del petroleo, han encontrado

un amplio uso como pesticidas. Otros compuestos organoclorados se han

aplicado en plástico y en la industria electrónica. El enlace carbono-cloro es

difícil de romper, de manera que la presencia de cloro disminuye, también, la

reactividad de otros enlaces en las moléculas orgánicas. Esta falta de

reactividad es un inconveniente para muchas aplicaciones. Sin embargo, esta

misma propiedad significa que una vez los compuesto organoclorados han

entrado en el medio ambiente, se degradan lentamente y, por tanto, tienden a

acumularse.Antecedentes históricos

Ha habido varios casos de intoxicación agudo por el mal manejo de los COP, así como con la contaminación accidental de alimentos y con accidentes industriales. Uno de los primeros fue la intoxicación crónica que ocurrió en Turquía en 1960-63, a causa de la contaminación de alimentos con hexaclorobenceno. Este accidente causo la muerte de un 90% de los afectores y alta tasa de cirrosis hepática, profiria y trastornos urinarios, artríticos y neurológicos.2

En cuanto al efecto crónico de los COP sobre la fauna, la primera voz de alerta la dio, en 1962, Rachel Carson en su libro "La primavera silenciosa", en la que describió por primera vez que la disminución en la poblaciones de aves, la cual atribuyo al uso indiscriminado de plaguicidas sintéticos. Posteriormente numerosos estudios demostraron que los plaguicidas organoclorados, en particular el DDT, se biomagnifica a lo largo de las cadenas tróficas y causa daños graves en los organismos situados en los niveles superiores de ellas, como las aves de presas y los mamíferos marinos, aunque las concentraciones ambientales de estos compuestos en el ambiente fueran muy bajas. Originalmente se pensó que bastaba con dejar de utilizar estos plaguicidas en cada país en particular para resolver el problema; sin embargo el tiempo ha

demostrado que esto no es suficiente y que se requiere medidas de carácter global.2

Propiedad de las COPs

Los compuestos orgánicos persistentes se caracterizan por:3

Altamente tóxicos para los seres humanos y el medio ambiente[editar · editar código]Persistentes[editar · 

Son muy estables, a los distintos tipos de degradaciones posibles, lo que supone una larga vida de los mismos en el medio.Bioacumulable

Se acumulan en los tejidos grasos de los organismos vivos y se incorporan en las cadenas alimentarias, provocando sus peores consecuencias en las especies superiores de la cadena trófica, como los seres humanos.Desplazarse largas distancias a través del aire y el agua[editar · editar código]

Debido a una de sus propiedades (su baja presión de vapor), se pueden mover a grandes distancias de la fuente de emisión y distribuirse ampliamente por el planeta a través del aire, el agua, o mediante especies migratorias, depositándose especialmente en las regiones más frías de la Tierra.

El transporte de COPs depende de la temperatura; en un proceso conocido como “efecto saltamontes”; estos productos químicos “saltan” alrededor del planeta, se evaporan en los lugares cálidos, se dejan llevar por el viento y las partículas de polvo, se asientan en la tierra en lugares templados, y luego se evaporan y siguen desplazándose. A medida que estas sustancias se alejan del Ecuador encuentran climas más templados con menos evaporación. El resultado es un desplazamiento general de los contaminantes hacia los polos y las zonas montañosas.

Estas características los hacen muy peligrosos y su aleatoriedad aparente se agrava por el hecho de que el daño a menudo tarda en aparecer o es indirecta. Muchos tienen una toxicidad crónica, lo que significa que aunque la exposición a corto plazo frecuentemente no sea peligrosa, a largo plazo si lo es.Características químicas y fisicoquímicas de las COPs

Químicas

Los COP pertenecen a dos subgrupos: los hidrocarburos policíclicos y los halogenados. En este último grupo, la mayoría contienen uno o más átomos de halógenos unidos a unos átomos de carbono. El halógeno puede ser cloro o bromo, pero por lo común en los COP predomina el cloro. A causa de la baja polaridad y la estabilidad de los enlace carbono-halógeno, estos compuestos son pocos reactivos y resistentes a la degradación biológica y fotoquímica, algunas propiedades dependen de la estructuras de las moléculas y de la naturaleza de sus átomos que la forman. En general, los compuestos clorados son más estables y por lo tanto más persistentes que los alifáticos clorados, por lo que la mayoría de los COP son aromáticos. se acepta que, a mayor número de átomo halógeno en la molécula, la liposolubilidad, la tendencia a la bioacumulación y la estabilidad en las moléculas también son mayores. En paticular, la estabilidad ha sido la base de muchos de usos de los COPs pero,

al mismo tiempo, es la causa de que se resistan a la degradación de todo tipo y de que su vida en el ambiente sea elevada.2

Fisicoquímicas

Además de la persistencia, las propiedades fisicoquímicas de mayor importancia para el comportamiento ambiental de los COP son la solubilidad en agua, la presión de vapor. La constante de la ley de Henrry (H), el coeficiente de participación octanol-agua (Kow) y el coeficiente de participación de carbono orgánico-agua (Koc). Estas propiedades varían de manera muy amplia, dependiendo de la naturaleza de las moléculas. por lo tanto, hay compuestos orgánicos clorados de persistencia y toxicidad bajas y escasa movilidad ambiental, que es poco probable que representen un riesgo para el ambiente o la salud humana, así como también lo hay de baja solubilidad en agua, muy soluble en lípidos y de presión de vapor relativamente alta a las temperaturas ambientales más comunes, por lo que típicamente son semi-volátiles, lo que les confiere la movilidad ambiental que los caracteriza. este grupo de compuestos son los de mayor peligrosidad e interés desde el punto de vista ambiental y de salud por riesgo que presentan y a ellos se refiere específicamente la abfeviatura COP.2

"Tipos de compuestos orgánicos persistentes"[editar · editar código]

Existen muchos tipos de compuestos orgánicos persistentes, pero los más importantes debido a su gran toxicidad y uso son:

pesticidas Productos industriales

Productos secundarios no intencionales

de procesos industriales o

combustión

AldrinaBifenilospoliclorados (PCBs)

Dioxinas

Clordano furanos

DDT

Dieldrina

Endrina

Heptacloro

Hexaclorobenceno

Mirex

Toxafeno

tabla N°1 compuestos orgánicos persistentes catalogados por el tratado de Estocolmo como los más peligrososPesticidas[editar · editar código]Artículo principal: Pesticidas

Los pesticidas son sustancias que pueden matar directamente a organismos no deseados o bien controlarlos, por ejemplo interfiriendo con el proceso

reproductivo. Todos los pesticidas químicos presentan la propiedad común de bloquear procesos metabólicos vitales de los organismos. la aplicación de los pesticidas implica a la agricultura, de hecho la capacidad actual de los países desarrollados de producir y cultivar grandes cantidades de alimento en relativamente pequeñas extensiones de terrenos y con relativamente poco trabajo humano, ha sido posible gracia al uso de los pesticidas. existen varios tipos de pesticidas: Acaricias (ácaros), Avivias (pájaros), Bactericidad (bacterias), fungicidas (hongos), Raticidas (roedores), herbicidas (plantas),insecticidas (insectos), entre otros. pero los más preocupande por su uso masivo y alta toxicidad son los insecticidas organoclorados.1

Insecticidas organoclorados[editar · editar código]Artículo principal: Insecticida

La mayoría de estos pesticidas constituyen ingredientes activos organoclorados, muchos de los cuales presentan propiedades notables:

1.- Estabilidad a la descomposición o degradación en el medio ambiente.

2.- Bajas solubilidades en agua, exceptos que estén presentes átomos de oxigeno o nitrógeno en las moléculas.

3.- Alta solubilidad en medios hidrocarbonados, como la materia grasa de lo organismos vivos.

4.- Relativamente alta toxicidad a los insectos, pero baja para los seres humanos.El DDT[editar · editar código]Artículo principal: DDT

El DDT o para-diclodifeniltricloroetano, su formula es (ClC6H4)2CH(CCl3) estructuralmente, el DDT es un etano substituido. en un carbono, los tres hodrogenos son remplazados por átomos de cloro, mientras que en el otro, dos de los tres hidrógenos son substituidos por un fenilo (es decir, un radical de bencenos); cada uno de los anillos contiene un átomo de cloro en posición para, es decir directamente opuesto al corbono del anillo que está unido a la unidad de etano. en los seres humanos la mayor parte del DDT que es ingerido se elimina lentamente. la mayoría del DDT, almacenada en la masa humana es DDE (metabolito del DDT, producido en el ambien por degradación de DDT) que estaba presente en lo alimentos ingeridos, y que se formó del DDT originalmente presente en el ambiente.1

Hexaclorobenceno (HCB)[editar · editar código]Artículo principal: HCB

el compuesto Hexaclorobenceno (HCB), (C6Cl6),es estable, fácil de preparar a partir de cloro y el benceno, es muy soluble es medios orgánicos pero insoluble en agua: solo 0,0062 miligramos de HCB se disuelve en un litro de agua. es un sólido blanco cristalino que no ocurre en forma natural en el medio ambiente. Se forma como producto secundario durante la manufactura de otras sustancias químicas. Pequeñas cantidades pueden también producirse durante la incineración de basura municipal.Aldrina[editar · editar código]

la Aldrina es un Plaguicida utilizado desde los años 50 en la lucha contra los insectos del suelo como las termitas, saltamontes, gusano de la raíz del maíz y otras plagas agrícolas, al igual que en la protección de las estructuras de madera, en veterinaria y en control de vectores( organismo capaz de portar y transmitir un agente infeccioso).sólido blanco, cristalino e inodoro, y como producto industrial( aldrina de calidad técnica o grado técnico, es un sólido cerosos de color pardo oscuro).4

Endrina

la Endrina es un pesticida de amplio espectro usado para controlar insectos, ácaros, roedores y pájaros, que se fumiga en las hojas de algunos cultivos como el algodón y los cereales.Clordano

El clordano es un compuesto manufacturado cuya formula es (C10H6Cl8), que se usó como plaguicida en los Estados Unidos entre 1948 y 1988. El clordano técnico no es una sola sustancia química, sino que es una mezcla de clordano puro con otros compuestos similares al clordano. El clordano técnico no ocurre naturalmente en el medio ambiente. Es un líquido espeso con un color que varía entre incoloro y ámbar. El clordano tiene un olor levemente irritante. es un Plaguicida usado para el control de hormigas, saltamontes, termitas subterráneas, coleópteros, larvas de Notuidae, etc. en algodón, arroz, maíz y cítricos. También usado en la madera como preservativo.sus propiedades químicas son:5

1.- Estable frente a ácidos.

2.- Descompone al calentarlo intensamente o en contacto con bases, produciendo humos tóxicos (vapores de cloro, cloruro de hidrógeno y fosgeno), y atacando al plástico, caucho y recubrimientos.

3.- El clordano técnico es una mezcla de hidrocarburos clorados con isómeros, compuestos y subproductos estrechamente afines (60-75% de compuesto puro y entre un 25-40% de compuestos relacionados): transclordano (24%), isómeros del clordano (22%), heptacloro (10%), nonacloro (7%) y otros componentes (19%).

4.- Los disolventes usados en formulaciones comerciales pueden modificar las propiedades físicas y toxicológicas.Mirex[editar · editar código]

El mirex (C12H4Cl4O) es un producto manufacturado que no ocurren en forma natural en el medio ambiente, es un sólido, blanco, cristalino, que no presenta olor. Se usó desde 1959 a 1972 para controlar cierto tipo de hormigas y como retardador de llamas en plásticos, goma, pintura, papel y artículos eléctricos. El Mirex es muy resistente frente a los oxidantes fuertes excepto a altas temperaturas, y no es atacado por ácidos como clorhídrico, nítrico y sulfúrico y no es compatible con agentes oxidantes tales como: percloratos, peróxidos, permanganatos, cloratos, nitratos, cloro, bromo, flúor y dicromatos. se considera uno de los plaguicidas más estables y persistentes, y sus estudios han demostrado que es tóxico para varias especies vegetales y animales

como: peces, aves y abejas. Se adhiere firmemente (por lo que la migración hacia el agua subterránea resulta improbable) y es muy resistente a la degradación, aunque está sujeto a la evaporación.6

Toxafeno[editar · editar código]

El toxafeno es un insecticida que contiene más de 670 productos químicos. Generalmente se encuentra en forma de sólido o gas y en su forma natural es un sólido ceroso de color amarillo a ámbar que huele a trementina. No se enciende ni se evapora cuando está en forma sólida o cuando se mezcla con líquidos. El toxafeno también se conoce como canfeclor, clorocanfeno, policlorocanfeno y canfeno clorado. El toxafeno fue uno de los insecticidas más usados en los Estados Unidos hasta 1982, cuando la mayoría de sus usos se prohibieron; existe prohibición total desde 1990. El toxafeno se usó principalmente en el sur de los Estados Unidos para controlar insectos en cosechas de algodón y en otras cosechas. También se usó para controlar insectos en el ganado y para matar peces indeseables en lagos.7

Heptacloro[editar · editar código]

El heptacloro es una sustancia química manufacturada que no ocurre naturalmente en el ambiente. El heptacloro puro es un polvo blanco que huele a alcanfor (bolas de naftalina). La forma de menor pureza es de color canela. Heptagran, Basaklor, Drinox, Soleptax, Termide Gold Crest H-60 y Velsicol, son nombres registrados del heptacloro. El heptacloro se usó extensamente es el pasado como plaguicida en viviendas, edificios y en cosechas de alimentos. Estos usos terminaron en el año 1988. Actualmente sólo puede usarse para el control de hormigas en transformadores bajo tierra. El epóxido de heptaclorotambién es un polvo blanco. Las bacterias y los animales degradan al heptacloro a epóxido de heptacloro.8

Es más probable encontrar epóxido de heptacloro que heptacloro en el ambiente, El heptacloro no se disuelve en agua fácilmente; el epóxido de heptacloro se disuelve más fácilmente, este se adhieren fuertemente a partículas del suelo y se evaporan lentamente al aire. El epóxido de heptacloro puede permanecer mucho tiempo en el suelo y el agua y Las plantas pueden incorporar heptacloro del suelo.

Semana 11

CONTAMINACION INOGANICOSSe denomina compuesto químico inorgánico a todos aquellos compuestos que están formados por distintos elementos, pero en los que su componente principal no siempre es el carbono, siendo el agua el más abundante. En los compuestos inorgánicos se podría decir que participan casi la totalidad de elementos conocidos. como el oro,plata .[editar · editar código]

Mientras que un compuesto orgánico se forma de manera natural tanto en animales como en vegetales, uno inorgánico se forma de manera ordinaria por la acción de varios fenómenos físicos y químicos: electrólisis, fusión, etc. También podrían considerarse agentes de la creación de estas sustancias a la energía solar, el agua, el oxígeno.

Los enlaces que forman los compuestos inorgánicos suelen ser iónicos o covalentes.

Ejemplos de compuestos inorgánicos:

Cada molécula de cloruro de sodio (NaCl) está compuesta por un átomo de sodio y otro de cloro.

Cada molécula de agua (H2OEfectos de los gases de la atmósfera en el clima[editar · editar código]

Smog en Shanghái

Efectos climáticos: generalmente los contaminantes se elevan o flotan lejos de sus fuentes sin acumularse hasta niveles peligrosos. Los patrones de vientos, las nubes, la lluvia y la temperatura pueden afectar la rapidez con que los contaminantes se alejan de una zona. Los patrones climáticos que atrapan la contaminación atmosférica en valles o la desplacen por la tierra pueden, dañar ambientes limpios distantes de las fuentes originales. La contaminación del aire se produce por toda sustancia no deseada que llega a la atmósfera. Es un problema principal en la sociedad moderna. A pesar de que la contaminación del aire es generalmente un problema peor en las ciudades, los contaminantes afectan el aire en todos lugares. Estas sustancias incluyen varios gases y partículas minúsculas o materia de partículas que pueden ser perjudiciales para la salud humana y el ambiente. La contaminación puede ser en forma de gases, líquidos o sólidos. Muchos contaminantes se liberan al aire como resultado del comportamiento humano. La contaminación existe a diferentes niveles: personal, nacional y mundial.

El efecto invernadero evita que una parte del calor recibido desde el sol deje la atmósfera y vuelva al espacio. Esto calienta la superficie de la tierra. Existe una cierta cantidad de gases de efecto de invernadero en la atmósfera que son absolutamente necesarios para calentar la Tierra, pero en la debida proporción. Actividades como la quema de combustibles derivados del carbono aumentan esa proporción y el efecto invernadero aumenta. Muchos científicos consideran que como consecuencia se está produciendo el calentamiento global. Otros gases que contribuyen al problema incluyen losclorofluorocarbonos (CFCs), el metano, los óxidos nitrosos y el ozono.

Daño a la capa de ozono: el ozono es una forma de oxígeno O3 que se encuentra en la atmósfera superior de la tierra. El daño a la capa de ozono

se produce principalmente por el uso declorofluorocarbonos (CFCs). La capa fina de moléculas de ozono en la atmósfera absorbe algunos de los rayos ultravioletas (UV) antes de que lleguen a la superficie de la tierra, con lo cual se hace posible la vida en la tierra. El agotamiento del ozono produce niveles más altos de radiación UV en la tierra, con lo cual se pone en peligro tanto a plantas como a animales.

Algunos contaminantes provienen de fuentes naturales

Los incendios forestales emiten partículas, gases y sustancias que se evaporan en la atmósfera, son los llamados Compuestos Orgánicos Volátiles, también conocidos como COVs o VOCs, por sus siglas en inglés, (VolatileOrganicCompounds).

Partículas de polvo ultra finas creadas por la erosión del suelo cuando el agua y el clima sueltan capas del suelo, aumentan los niveles de partículas en suspensión en la atmósfera.

Los volcanes arrojan dióxido de azufre y cantidades importantes de roca de lava pulverizada conocida como cenizas volcánicas.

El metano se forma en los procesos de pudrición de materia orgánica y daña la capa de ozono. Puede acumularse en el subsuelo en altas concentraciones o mezclado con otroshidrocarburos formando como bolsas de gas natural.

specie reactiva de oxígeno

Las especies reactivas del oxígeno (ERO o ROS por reactive oxygenspecies)

incluyen iones de oxígeno, radicales libres y peróxidos tanto inorgánicos como

orgánicos. Son generalmente moléculas muy pequeñas altamente reactivas

debido a la presencia de una capa de electrones de valencia no apareada.

Estas especies se forman de manera natural como subproducto del

metabolismo normal del oxígeno y tienen un importante papel en la

señalización celular. Sin embargo, en épocas de estrés ambiental sus niveles

pueden aumentar en gran manera, lo cual puede resultar en daños

significativos a las estructuras celulares. Esto lleva en una situación conocida

como estrés oxidativo.

Efectos dañinos

Normalmente las células son capaces de defenderse a sí mismas contra los

daños de las especies reactivas del oxígeno mediante el uso de enzimas como

la superóxidodismutasa y lacatalasa. Pequeñas moléculas antioxidantes como

el ácido ascórbico (vitamina C), ácido úrico, y glutatión también desempeñan

un rol importante como antioxidantes celulares. Del mismo modo, los

polifenoles antioxidantes colaboran en la prevención de los daños causados

por las especies reactivas del oxígeno eliminando radicales libres. Por el

contrario, la capacidad antioxidante del espacio extracelular es relativamente

poca e.g. el más importante antioxidante en el plasma humano es el ácido

úrico.

Los efectos de las especies reactivas del oxígeno sobre el metabolismo celular

han sido bien documentadas en una gran variedad de especies. Estos incluyen

no sólo los roles en la muerte celular programada y la necrosis, sino también

efectos positivos, tales como la inducción de genes de defensa y la

movilización de los sistemas de transporte de iones. También se lo implica con

frecuencia en funciones de señalización redox o señalización oxidativa. En

particular, las plaquetas que participan en la reparación de heridas

y homeostasis de la sangre liberan especies reactivas del oxígeno para reclutar

más plaquetas en los sitios de lesión. Estas también proporcionan un enlace a

la adaptación del [sistema inmune] a través del reclutamiento de glóbulos

blancos.

Las especies reactivas del oxígeno están implicadas en la actividad celular a

una variedad de respuestas inflamatorias incluyendo las enfermedades

cardiovasculares. También pueden estar involucradas en el

daño cóclear inducido por elevados niveles de sonido, ototoxicidad de drogas

como el cisplatino y en la sordera congénita en animales y humanos. La

señalización redox también está implicada en la mediación de la apoptosis o

muerte celular programada y en la lesión isquémica. Ejemplos concretos son

los accidentes cerebrovasculares y ataques cardíacos.

En general, los efectos nocivos de las especies reactivas del oxígeno en la

célula son:

1. Daños al ADN

2. Oxidación de ácidos grasos poliinsaturados

3. Oxidación de aminoácidos en las proteínas t

4. RESUMEN.

De acuerdo con el Plan Director para la Protección del Suelo se considera como suelo contaminado aquél que ha sufrido un cambio en sus características físicas, químicas o biológicas que por su naturaleza, dimensión o duración en el tiempo resulte incompatible con sus propiedades funcionales de uso o suponga una amenaza grave para la salud pública o el medio ambiente. Los metales pesados constituyen uno de los grupos de contaminantes ambientales sujetos a una mayor investigación y preocupación, fundamentalmente debido a su movilidad y a las bajas concentraciones a las que comienzan a manifestar sus efectos tóxicos.

1. IMPORTANCIA DEL ESTUDIO DE LA CONTAMINACIÓN DE SUELOS.

El suelo es un componente ambiental que por su origen, formación y evolución no puede ser aislado del entorno que lo circunda, representando, en la mayoría de ecosistemas terrestres, el medio físico-químico en el que se desarrolla la vida. Es frágil, de difícil y larga recuperación, y de extensión limitada. Por ello, un uso inadecuado del mismo puede contribuir a la degradación de este recurso natural no renovable a corto plazo. 

De todo lo anterior se desprende que el concepto tradicional de degradación de suelos como pérdida o reducción del potencial productivo resulta en la actualidad insuficiente, pues existen otras formas de degradación que si bien no están orientadas hacia la producción, disminuyen la calidad medioambiental y, por tanto, la sostenibilidad de los sistemas. Una alternativa consiste en considerar como degradación cualquier cambio en las propiedades del suelo que ocasione una reducción en las funciones que el mismo puede desempeñar. Se puede hablar de diferentes tipos de degradación (física, química y/o biológica), según se produzca una alteración de dichas propiedades del suelo.

FUENTES DE CONTAMINACIÓN POR METALES PESADOS.

Se pueden distinguir diferentes fuentes de contaminación de los suelos por metales pesados dependiendo de su origen. En ocasiones, la propia naturaleza del material originario y su alteración son los responsables de la contaminación; en este caso, se denomina contaminación endógena. Otras veces los aportes contaminantes son externos, frecuentemente como resultado de actividades antropogénicas, denominándose contaminación exógena. La contaminación de origen natural es significativamente menos importante que la de origen antropogénico.

5.

Figura 1. Las principales fuentes de contaminación exógena proceden de los aportes indirectos a través del aire, que con el tiempo se depositan por vía saca o húmeda sobre el suelo, siendo la minería y la producción de energía las actividades industriales que contribuyen en mayor medida a este tipo de contaminación, junto con la incineración de plásticos, los residuos orgánicos y los combustibles fósiles.

Otras causas que contribuyen a la contaminación del suelo por aporte directo, son el uso inadecuado de fertilizantes minerales y productos fitosanitarios, el vertido de los residuos que se generan (estiércol, purines, residuos sólidos urbanos, lodos de estaciones depuradoras de aguas residuales), y la utilización de aguas de calidad inadecuada para uso agrícola. Los vertidos industriales o la implantación de vertederos donde se acumulan distintos tipos de residuos, son además otras fuentes importantes de contaminación por metales pesados.

3. DINÁMICA DE LOS CONTAMINANTES EN EL SUELO.

El suelo se ha convertido en un medio receptor de multitud de sustancias potencialmente contaminantes. Su condición de interfase entre la biosfera (biomasa terrestre, biomasa marina y hombre), la litosfera (corteza, suelo y sedimentos), la hidrosfera (agua dulce y agua de mar) y la atmósfera lo convierte en una “estación de tránsito” de los contaminantes, en la que pueden permanecer retenidos grandes períodos de tiempo (lo que aumenta la posibilidad de que puedan ser degradados y perder su naturaleza contaminante) o ser tan móviles que se incorporen a los demás medios y, de ahí, a las redes tróficas con los consecuentes problemas que ello acarrearía.

Figura 2. La dinámica de los contaminantes en el suelo y las interacciones entre planta-animal-hombre-medioambiente son factores todos ellos a tener en cuenta a la hora de evitar problemas de contaminación.

6. 4. ESPECIACIÓN DE LOS CONTAMINANTES EN EL SUELO.

Los contaminantes se diluyen más o menos rápidamente en los ríos o en el aire. Sin embargo, en los suelos tienden a acumularse. Por esta razón, el suelo actúa como un sumidero de la mayor parte de los contaminantes, incluidos los metales pesados. 

La toxicidad de un agente contaminante no sólo va a depender de sí mismo sino también de las características del medio donde se encuentre de manera que la sensibilidad de los suelos a la agresión que tiene lugar por parte de los agentes contaminantes va a ser muy distinta dependiendo de una serie de características edáficas.

5. FORMAS DE RETENCIÓN Y DISPONIBILIDAD DE LOS METALES EN EL SUELO.

Los metales pesados pueden presentarse en el suelo bajo diferentes formas: 

1. Solubles en la solución del suelo.2. Como iones intercambiables de los coloides que integran el complejo de cambio. 3. Formando complejos con la materia orgánica. 4. Adsorbidos en los óxidos e hidróxidos de Fe, Mn y Al, sulfuros y fosfatos. 5. Como constituyentes de los minerales secundarios del suelo. 

Los metales pesados son retenidos en los suelos de distintas formas, tal

y como se indica en la Tabla 1. A su vez, dichas formas de retención representan diferentes grados de disponibilidad relativa para las plantas.

Sección 12

ACCIÓN DE CONTAMINANTES SOBRE EL DNA.

La Hemogenética Forense nace a principios de siglo, cuando Karl

Landsteiner describe el sistema ABO de los hematíes y Von Durgen y

Hirschfeld descubren su transmisión hereditaria. Esta ciencia surgió como

una rama de la Criminalística cuyo objetivo era la identificación genética

tanto en casos de investigación criminal como en estudios biológicos de la

paternidad. Inicialmente, las investigaciones se centraban en el estudio de

antígenos eritrocitarios (sistema ABO, Rh, MN), proteínas séricas, enzimas

eritrocitarias y sistema HLA. Con el estudio de dichos marcadores podía

incluirse o excluirse una persona como posible sospechoso por poseer una

combinación genética igual o diferente a la del vestigio biológico hallado en

el lugar de los hechos.

7. Pero fue a mediados de siglo cuando gracias al descubrimiento del ADN

y de su estructura y al posterior avance en las técnicas de análisis de

dicha molécula la Hemogenética Forense evolucionó considerablemente

hasta el punto de que hoy en día puede hablarse de una nueva

subespecialidad dentro de la Medicina Forense: la Genética

Forense. Dicha ciencia estudia básicamente unas regiones del ADN que

presentan variabilidad entre los distintos individuos, es decir, estudia

regiones polimórficas del ADN. Así, analizando un determinado número

de regiones polimórficas, la probabilidad de que dos individuos sean

genéticamente iguales es prácticamente nula (excepto en el caso de

gemelos univitelinos).

8. Aunque la Ciencia poseía las herramientas necesarias para el estudio

del ADN, su aplicación en la resolución de casos judiciales no se produjo

hasta 1985, cuando el Ministerio del Interior Británico solicitó la ayuda de

Alec J. Jeffreys, profesor de Genética de la Universidad de Leicester.

Los primeros casos de Criminalística fueron resueltos gracias a la

técnica de los RFLPs (Fragmentos de Restricción de Longitud

Polimórfica). Jeffreys descubrió la existencia de unas regiones

minisatéliteshipervariables dispersas por el genoma humano que al ser

tratadas con enzimas de restricción generaban fragmentos de longitud

variable. Estudios posteriores realizados el mismo Jeffreys demostraron

que las diferencias en el tamaño de estos fragmentos se debían a que

estas regiones consistían en un determinado número de repeticiones en

tándem de una secuencia central, el cual variaba de unos individuos a

otros.  

9. El primer locus de ADN polimórfico fué descubierto por Wyman y White

en 1980 usando una sonda de ADN arbitraria. De esta manera

observaron fragmentos de más de 15 longitudes diferentes en una

pequeña muestra de individuos. Posteriormente se encontraron otros

locihipervariables como en la secuencia del gen de la insulina humana,

en el oncogen “ras”, en el pseudogen de la zeta-globina y en el gen de la

mioglobina. Estos locihipervariables constaban de repeticiones en

tándem de una secuencia de oligonucleótidos (11 a 60 pb), de manera

que las diferentes longitudes de los fragmentos originados dependían

del número de dichas repeticiones y se les denominó VNTR(“Variable

Number of TandemRepeat”).10.Tras el descubrimiento de los primeros VNTRs se vio que éstos podían

ser aplicados a la medicina forense y sustituir a los marcadores clásicos.

11.En un principio la manera de estudiar dichos marcadores se hizo por

medio de la técnica llamada hibridación con sondas o Southernblot. Esta

técnica consta básicamente de las siguientes etapas:

Semana 13

BIORREMEDIACIÓN DE LA CONTAMINACIÓN

Biorremediación (I): una estrategia para eliminar contaminantes respetuosa con el medio ambiente

Este artículo es uno de los más personales que me ha tocado escribir, ya que

afecta directamente al área en la cual estoy realizando mis proyectos de

investigación. En este primer artículo me limitaré a exponer algunas

definiciones, así como el ámbito de actuación de la biorremediación.

¿Qué es la biorremediación?

La biorremediación es el uso de seres vivos para restaurar ambientes

contaminados. Es un concepto que no se debe de confundir con depuración. La

depuración es la eliminación, ya sea por métodos físico/químicos o biológicos,

de un contaminante antes de que éste alcance el medio ambiente. Cuando la

contaminación ya se ha producido, se precisa restaurar el ecosistema

contaminado, para lo que se pueden utilizar diversas estrategias. Una de ellas

es la biorremediación.

¿Qué organismos participan?

Se pueden emplear diversos organismos en los procesos de biorremediación.

Los más usados son los microorganismos (tanto bacterias, como algas y

hongos) y las plantas (en procesos llamados fitorremediación), pero también se

pueden utilizar otros seres vivos tales como los nemátodos (vermiremediación).

Entre los microorganismos destacan especialmente las bacterias, los seres

vivos con mayor capacidad metabólica del planeta. Las bacterias pueden

degradar prácticamente cualquier sustancia orgánica. Si la sustancia se

degrada completamente se habla de mineralización; este es el proceso ideal,

pero no siempre ocurre. Algunas sustancias no son degradadas sino

transformadas en otras (biotransformación). La biotransformación puede ser

peligrosa, ya que la nueva sustancia formada puede ser tan nociva o más que

la de partida. Finalmente hay sustancias que no son degradadas y se las

denomina recalcitrantes. Éstas se acumulan durante mucho en el medio

ambiente, especialmente si además son resistentes a procesos físico/químicos

como la radiación ultravioleta o la oxidación.

Las bacterias además pueden eliminar los contaminantes en ambientes donde

hay oxígeno (llamados aeróbicos), pero también en ambientes sin oxígeno

(llamados anaeróbicos), ya que pueden respirar otras sustancias diferentes al

oxígeno (aceptores de electrones), como por ejemplo el nitrato, el sulfato, el

hierro (III), el manganeso, el selenio y un largo etcétera.

¿Qué tipos de contaminantes se pueden eliminar por biorremediación?

Todos aquellos contaminantes que puedan ser degradados o transformados

por los seres vivos son susceptibles de ser eliminados mediante procesos de

biorremediación. Los compuestos orgánicos suelen ser degradados total o

parcialmente y eliminados por completo del ecosistema. Por ejemplo,

compuestos contaminantes tales como el tolueno, el fenol o los polibifenilos

clorados (PCBs) pueden ser utilizados como fuente de carbono por bacterias,

tanto en condiciones aeróbicas como anaeróbicas. Bacterias de los géneros

Pseudomonas, Ralstonia, Burkholderia o Mycobacterium pueden eliminar

hidrocarburos aromáticos como el tolueno o el naftaleno, pesticidas como las

atrazinas, aditivos de la gasolina como el tricloruro de etilo o sustancias

venenosas como el cianuro potásico, tanto de ambientes sólidos (suelos) como

líquidos (rios y mares).

Pero, además muchas bacterias son capaces de modificar sustancias químicas

peligrosas, transformándolas en otras menos tóxicas. Así, algunas bacterias

pueden reducir la biodisponibilidad (hacerla menos accesible y por tanto menos

tóxica) de metales pesados tales como el mercurio, el arsénico, el cromo, el

cadmio, el zinc o el cobre.

Los mecanismos por los cuales las bacterias son capaces de degradar o

transformar estas sustancias serán capítulo de un próximo artículo.

Figura: Ejemplo del empleo de bacterias para la eliminación de un

contaminantes en capas profundas del suelo. En este ejemplo las sustancias

contaminantes están haciendo peligrar un acuífero. Para su eliminación se

inyecta en el suelo nutrientes y aceptores de electrones que favorecen el

crecimiento de microoganismos que acabarán eliminando la sustancia tóxica.

¿Qué utilidad tienen los microorganismos usados en biorremediación?

El estudio de los procesos de biorremediación tiene un gran interés, y no sólo

por las ventajas que posee la restauración de un ecosistema. Las bacterias

responsables de la biorremediación, los procesos bioquímicos que llevan a las

reacciones de degradación, así como los genes que codifican las enzimas

responsables de estos procesos se están analizando tanto para un

conocimiento desde un punto de vista básico como aplicado. Conocer las

proteínas responsables de estos procesos, así como los genes que codifican

éstas, como han evolucionado y se han dispersado en los diferentes

ecosistemas, permite conocer mejor la evolución ligada a procesos

geoquímicos de nuestro planeta.

Además ese conocimiento ha servido y está sirviendo para desarrollar

herramientas de interés biotecnológico como por ejemplo, el uso de las

bacterias, o parte de ellas en procesos de biominería (extracción de metales de

interés usando bacterias), de bioproducción de sustancias de interés tales

como bioplásticos o biopolímeros, energía (electricidad), sustancias de interés

farmacológico, o enzimas que realizan procesos químicos de una forma más

eficiente y más respetuosa con el medio ambiente que la industria química.

Estas bacterias, o parte de ellas también pueden ser usadas para desarrollar

biosensores, sistemas de detección de sustancias más eficientes y rápidos que

los típicos análisis químicos. Todas estas aplicaciones sólo se han podido

obtener después de un profundo conocimiento de la biología molecular que

subyace en los procesos de biorremediación. Pero eso será otro tema.

BIODEGRADACIÓN DE AMNIMALESInterrelación entre pájaros, murciélagos, lagartijas, ballenas y temperaturaPor ejemplo, sorprendió leer en su momento cómo especies tan distintas como murciélagos, pájaros, lagartijas y ballenas, entre otras, contribuyen a mitigar los peores efectos del cambio climático, quizá guiándose por un reloj universal que todos compartimos en lo más primitivo de nuestra herencia genética.

Mientras la Universidad de Maryland ha relacionado la labor de especies tan distintas como murciélagos, pájaros y lagartijas en el crecimiento de las plantas de enormes ecosistemas, al mantener estable la población de insectos que se alimentan de la flora, investigadores australianos han demostrado que el plancton del Pacífico Sur disminuye, al faltar hierro para fertilizar las aguas.Las grandes cantidades de hierro, en este caso, han provenido de las heces de ballena, y habrían disminuido en la zona en los últimos años debido a la caza realizada por balleneros japoneses.¿Una historia inverosímil? No lo es tanto cuando se conoce que sólo las heces de ballena aportan el 12% del hierro de la superficie del Pacífico Sur.

Cuando desaparecen especies, se pierden oportunidadesEl naturalista estadounidense Edward O. Wilson explica que la pérdida de biodiversidad y la extinción de animales de todos los reinos antes de que hayan sido siquiera catalogados por la ciencia no es sólo un desastre ético y medioambiental.Además de certificar nuestra poca pericia como especie dominante, la pérdida de ecosistemas repercute sobre nuestro bienestar en el futuro, ya que buena parte de los avances en medicina, diseño industrial o desarrollo de modelos, patrones y materiales proceden de nuestro estudio de animales, plantas, hongos, bacterias y organismos unicelulares como las arqueobacterias, algunas de las cuales viven en soluciones de arsénico (como explico en este vídeo de nuestra visita al lago Mono, California, en el pasado verano).Para entender lo relacionados que están los patrones naturales con nuestras propias creaciones, basta echar un vistazo a la obra de Antoni Gaudí, o leer el influyente El lenguaje de patrones (A patternlanguage), obra coordinada por Christopher Alexander en la que se trata de instaurar un lenguaje que sirva para desarrollar cualquier diseño o arquitectura, desde la concepción de un objeto a la planificación de una ciudad entera. Incluimos esta obra entre nuestros 10 libros esenciales sobre vida sencilla y minimalismo.Biorremediación: usar seres vivos para afrontar problemas medioambientalesA menudo hemos citado estudios de campo sobre el potencial remediador que algunas especies de seres vivos tienen sobre ecosistemas maltrechos por el ser humano. Por ejemplo, el micólogo Paul Stamets ha dedicado su vida a estudiar el comportamiento y las propiedades de uno de los seres vivos más importantes y esquivos del planeta, los micelios, u hongos subterráneos cuyos filamentos microscópicos tejen marañas sobre el manto de la tierra, actuando como "conciencia" del suelo, al poder transmitir información básica sobre los nutrientes de una zona determinada a árboles y otras plantas.Los micelios comparten la estructura de su diseño con otros patrones presentes en animales complejos. Sus hifas tejen una delicada estructura capilar que se extiende bajo la tierra como un sistema nervioso, similar a estructuras más cercanas a nosotros mismos, como nuestro sistema nervioso, o a la versión más compleja que conocemos de esta estructura, nuestro propio cerebro. Paul Stamets lo explicaba magistralmente durante una intervención en el ciclo de conferencias TED Talks.Sabemos, a través del estudio de los hongos micorriza, que los micelios se asocian con las raíces de los árboles, convirtiendo materia orgánica en nutrientes y, a cambio, obteniendo azúcares de los árboles. Estudiando este comportamiento, Paul Stamets ha demostrado que los hongos no sólo descomponen la materia orgánica típica dispuesta sobre cualquier sotobosque, sino que también pueden ser usados para convertir el petróleo y los pesticidas (materia orgánica, al fin y al cabo) en hidratos de carbono simples.Existen animales, por tanto, que transforman la contaminación y los desastres medioambientales en una oportunidad. En este caso, el petróleo y los pesticidas se convierten en abono orgánico, o la base de nuevos materiales y tejidos, por ejemplo.Aumenta el ejército de defensores de Gaia: se presenta el soldado "lombriz de tierra"Murciélagos, pájaros, lagartijas, ballenas y micelios son sólo algunos de los seres vivos cuya actividad, imperceptible y desconocida para nosotros,

repercute sobre un delicado equilibrio que difícilmente recibirá ayudas a gran escala en los próximos años, a tenor de las reticencias existentes para firmar un nuevo tratado climático más ambicioso que el de Kioto, que finaliza en dos años.Cuando menos fe tenemos en la incipiente gobernanza mundial para temas que nos afectan a todos (clima, economía, seguridad, derechos humanos, etcétera), el inframundo de los seres vivos sigue despertando nuestro yo más optimista. La última "pequeña" lección de la vida: científicos de América del Sur han estudiado la voracidad de especies comunes de lombriz de tierra con los metales pesados procedentes de materiales contaminados que encuentran a su paso.

El estudio ha confirmado que es posible usar lombrices de tierra para limpiar suelo y líquido contaminados en entornos tan poco paradisíacos como sitios industriales y vertederos. Todavía recuerdo la visita que Kirsten y yo realizamos al gigantesco vertedero de Kimbriki, el mayor de Sídney, Australia. Es fácil olvidar que nuestra responsabilidad personal con la basura que generamos no desaparece cuando la depositamos en la papelera o contenedor.

Semana14

BIODEGRADACIÓN MICROBIANA DE CONTAMINANTES I.

tratamiento de aguas residuales con sistema vetiver

Se define como biorremediación a cualquier proceso que

utilice microorganismos, hongos, plantas o las enzimas derivadas de ellos para

retornar un medio ambiente alterado por contaminantes a su condición natural.

La biorremediación puede ser empleada para atacar contaminantes específicos

del suelo, por ejemplo en la degradación bacteriana de compuestos

organoclorados o de hidrocarburos. Un ejemplo de un tratamiento más

generalizado es el de la limpieza de derrames de petróleo por medio de la

adición de fertilizantes con nitratos o sulfatos para estimular la reproducción de

bacterias nativas o exógenas (introducidas) y de esta forma facilitar la

descomposición del petróleo crudo.

Inspección y aplicaciones

Los procesos naturales de biorremediación y fitorremediación (remediación por

plantas) se han usado desde hace siglos; tal es el caso de la desalinización de

terrenos agrícolas por la acción de plantas capaces de extraer las sales. La

biorremediación usando microorganismos fue inventada por el científico

norteamericano George M. Robinson. Éste trabajó como ingeniero petrolero

asistente de la compañía Santa María de California en ladécada de 1960 y se

dedicó a experimentar con una serie de microbios en frascos contaminados

de petróleo.

Se puede clasificar a la biorremediación como in situ o ex situ. La primera

consiste en tratar el material contaminado en el lugar en que se encuentra sin

trasladarlo a otra parte. Algunos ejemplos de estas tecnologías consisten en

operaciones de compostaje, la ventilación biológica, la utilización

debiorreactores, la filtración por raíces o la estimulación biológica.

En los procesos ex situ el material contaminado es trasladado a otro lugar para

realizar o completar su descontaminación.

No todos los contaminantes son fáciles de biorremediar por medio de

microorganismos. Por ejemplo, los metales pesados como el cadmio y

el plomo y el mercurio no son absorbidos o capturados por estos organismos.

La incorporación de algunos de estos metales dentro de la cadena alimentaria

(bioacumulación) agrava el problema. Se puede usar la remediación por medio

de plantas o fitorremediación. Es muy útil en estos casos porque es posible

usar plantas transgénicas que concentren estas toxinas en sus partes aéreas

(sobre la tierra), las cuales pueden ser cosechadas y eliminadas.1 Los metales

pesados obtenidos de esta cosecha pueden ser concentrados aún más por

incineración para ser desechados o bien reciclados para usos industriales.

La eliminación de una gran variedad de contaminantes del medio ambiente

requiere un conocimiento creciente de la relativa importancia de sus ciclos

químicos y redes de regulación del ciclo del carbono en diversos ambientes y

para cada compuesto en particular. Con seguridad que esta tecnología se

desarrollará aún más en el futuro.2

Tecnologías de ingeniería genética

El uso de la ingeniería genética para crear organismos específicamente

diseñados para la biorremediación tiene gran potencial.3 La

bacteria Deinococcusradiodurans (el organismo más resistente a la radiación

que se conozca) ha sido modificado para que pueda consumir el tolueno y los

iones de mercurio de desperdicio nuclear altamente radioactivo.4

Microrremediación

Se llama Microrremediación a una forma de remediación en que se usan

hongos para descontaminar suelos. Este término fue usado por primera vez

por Paul Stamets y se refiere al uso demicelios fungales para la

biorremediación.

Uno de los principales papeles de los hongos en los ecosistemas es el de

descomposición, que es efectuado por los micelios. Éstos segregan enzimas

extracelulares y ácidos que sirven para degradar la lignina y la celulosa, los dos

componentes principales de la pared celular de las células de plantas. Estos

compuestos están formados de largas cadenas de carbono e hidrógeno con

uniones químicas muy fuerte que le dan la robustez a las fibras vegetales y a la

madera. Estas estructuras químicas son muy similares a las de muchos

contaminantes actuales. Lo fundamental en la microrremediación es identificar

la cepa de hongos más apropiada para tratar cada tipo específico de

contaminante. Algunas cepas dan buenos resultados para degradargases

neurotóxicos como el agente VX y el gas sarín.

SEMANA 15

BIODEGRADACIÓN MICROBIANA DE CONTAMINANTES II.

La mayoría de los microorganismos son heterótrofos (o más exactamente quimiorganoheterótrofos), con compuestos orgánicos como fuentes de carbono y de energía. Los microorganismos heterótrofos viven de los alimentos que roban a anfitriones vivos (como comensales o parásitos) o de la materia orgánica muerta de todo tipo (saprófagos). Este metabolismo microbiano constituye el principal factor de descomposición de todos los organismos después de muerte. Muchos microorganismos eucariontes son heterótrofos por depredación o parasitismo, características también encontradas en algunas bacterias tales como Bdellovibrio (un parásito intracelular de otras bacterias, causando la muerte de sus víctimas) y algunas Myxobacteria tales

como Myxococcus (depredadora de otras bacterias a las que mata y succiona mediante la cooperación de enjambres de numerosas células).

La mayoría de las bacterias patógenas son parásitos heterótrofos de seres humanos o de otras especies eucariontes. Los microorganismos heterótrofos son extremadamente abundantes en naturaleza y responsables de la degradación de los polímeros orgánicos tales como celulosa, quitina o lignina que son generalmente indigeribles para los animales más grandes. Esta degradación, generalmente, requiere la colaboración de varios organismos distintos, cada uno de los cuales realiza uno de los pasos de la degradación hasta obtener dióxido de carbono. Hay muchas variaciones en este tema, pues diversos organismos pueden degradar diversos polímeros y secretar diversos residuos. Algunos organismos pueden incluso degradar los compuestos más recalcitrantes tales como pesticidas y petróleo, realizando su reciclado.

Bioquímicamente, el metabolismo heterótrofo procarionte es mucho más versátil que el de los organismos eucariontes, aunque muchos procariontes comparten los modelos metabólicos más básicos con los eucariontes, por ejemplo, usando la glicolisis (también llamada ruta EMP) para el metabolismo del azúcar y el ciclo del ácido cítrico en la degradacción del acetato, produciendo energía bajo la forma de ATP y reduciendo energía bajo la forma de NADH o quinona. Estas rutas metabólicas básicas están muy extendidas porque también están implicadas en la biosíntesis de muchos componentes necesarios para el crecimiento de la célula (a veces en la dirección contraria). Sin embargo, muchas bacterias y archaea utilizan rutas metabólicas alternativas con la excepción de la glicolisis y del ciclo del ácido cítrico. Un ejemplo bien estudiado es el metabolismo del azúcar por la ruta del ceto-desoxi-fosfogluconato (también llamada ruta ED) enPseudomonas en vez de la ruta glicolítica. Por otra parte, hay incluso una tercera ruta alternativa catabólica del azúcar usado por algunas bacterias, la ruta de la pentosa fosfato.

Esta diversidad y capacidad metabólicas de los procariontes que les permite utilizar una variedad enorme de compuestos orgánicos se debe a una historia y diversidad evolutivas mucho más profundas que las de los eucariontes. Es también significativo que las mitocondrias se originaron en los eucariontes por endosimbiosis de una bacteria relacionada con los parásitos intracelulares Rickettsia, y también los simbiontes de las plantas Rhizobium o Agrobacterium. Por lo tanto, no es sorprendente que todas las mitocondrias eucariotas compartan características metabólicas con estas Proteobacteria. La mayoría de los microorganismos respiran (usando una cadena de transporte de electrones), aunque el oxígeno no es el único receptor terminal de electrones que puede usarse. El uso de receptores terminales de electrones distintos al oxígeno tiene consecuencias biogeoquímicas importantes.Fermentación

Artículo principal: Fermentación

La fermentación es un tipo específico de metabolismo heterótrofo que utiliza carbono orgánico en vez de oxígeno como receptor terminal de electrones. Esto significa que estos organismos no utilizan una cadena de transporte de

electrones para oxidar NADH a NAD+ y por lo tanto deben tener un método alternativo para usar esta energía reductora y mantener una fuente de NAD+ para el funcionamiento apropiado de las rutas metabólicas normales (por ejemplo, la glicolisis). Puesto que no requieren oxígeno, los organismos fermentantes son anaerobios. Muchos organismos pueden utilizar fermentación bajo ciertas condiciones anaerobias y respiración cuando el oxígeno está presente. Estos organismos son anaerobios facultativos. Para evitar la superproducción de NADH, los organismos fermentantes obligados generalmente no tienen un ciclo completo del ácido cítrico. En vez de usar ATPasas como en la respiración, el ATP en organismos fermentantes es producido por la fosforilación a nivel de sustrato donde un grupo fosfato se transfiere de un compuesto orgánico de gran energía al ADP para formar el ATP.

Como resultado de la necesidad de producir compuestos orgánicos con fosfato de la alta energía (generalmente bajo la forma de CoA-ésteres) los organismos fermentantes utilizan NADH y otros cofactores para producir una gran variedad de subproductos metabólicos reducidos, a menudo incluyendo hidrógeno. Estos compuestos orgánicos reducidos son generalmente ácidos orgánicos cortos y alcoholes derivados del piruvato, el producto final de la glicolisis. Ejemplos incluyen el etanol, acetato, lactato y el butirato. Los organismos fermentantes son muy importantes industrialmente y se utilizan parar elaborar muchos tipos de productos alimenticios. Los productos finales metabólicos producidos por cada especie bacteriana específica son los responsables del gusto y características de cada alimento.

No todos los organismos fermentantes usan fosforilación a nivel de sustrato. En su lugar, algunos organismos son capaces de acoplar directamente la oxidación de compuestos orgánicos de poca energía con la formación de un gradiente electroquímico para mover un protón (o sodio) y así realizar la síntesis de ATP. Ejemplos de estas formas inusuales de fermentación incluyen la fermentación del succinato por el Propionigeniummodestum y la fermentación del oxalato por Oxalobacterformigenes. Estas reacciones son de rendimiento energético extremadamente bajo. Los seres humanos y otros animales también utilizan la fermentación para consumir el exceso de NADH produciendo lactato, aunque ésta no es la forma principal de metabolismo como en los microorganismos fermentantes.

Tipos de fermentación:

- Fermentación láctica -Fermentación alcohólicaModos metabólicos especiales[editar · editar código]

Metilotrofía[editar · editar código]

La metilotrofía se refiere a la capacidad de un organismo para utilizar compuestos C1 como fuentes de energía. Estos compuestos incluyen el metanol, aminas metílicas, formaldehído ymetanoato. Varios otros sustrato menos comunes que carecen de enlaces carbono-carbono también se pueden utilizar para el metabolismo. Ejemplos de metilotrofos son las bacteriasMethylomonas y Methylobacter. La metanotrofía es un tipo específico de metilotrofía que puede usar también metano (CH4) como fuente

del carbono. El metano es oxidado secuencialmente a metanol (CH3OH), formaldehído (CH2O), metanoato (HCOO- ) y finalmente a dióxido de carbono usando inicialmente la enzima metano-monooxigenasa.

Puesto que se requiere oxígeno para este proceso todos los metanotrofos (convencionales) son aerobios obligados. La reducción de energía se produce en la forma de quinonas y NADH durante la oxidación, lo que origina la fuerza motiva del protón y, por lo tanto, la generación de ATP. Los metilotrofos y metanotrofos no se consideran autótrofos porque suelen incorporar algunos de los metanos oxidados (u otros metabolitos) como carbono celular antes de su oxidación completa a CO2. El carbono se adquiere en el nivel del formaldehído usando la ruta de la serina(Methylosinus, Methylocystis) o la ruta de la ribulosamonofosfato (Methylococcus), dependiendo de la especie de metilotrofo.

Además de la metilotrofía aerobia, el metano se puede también oxidar anaeróbicamente. Esto lo realizan un conjunto de bacterias reductoras del azufre y archaeametanógenas que trabajan sintróficamente. Poco se sabe actualmente sobre la bioquímica y ecología de este proceso.

La metanogénesis es la producción biológica de metano. Es realizada por los metanógenos, archaeas estrictamente anaerobias tales como Methanococcus, Methanocaldococcus,Methanobacterium, Methanothermus, Methanosarcina, Methanosaeta y Methanopyrus. La bioquímica de la metanogénesis es única en la naturaleza por el uso de varios cofactores inusuales que reducen secuencialmente los sustratos a metano. Estos cofactores son responsables (entre otras cosas) del establecimiento de un gradiente protónico a través de la membrana externa que conduce a la síntesis de ATP. Existen varios tipos de metanogénesis que se diferencian en los compuestos iniciales oxidados.

Algunos metanógenos reducen el dióxido de carbono (CO2) a metano (CH4) utilizando usualmente electrones del hidrógeno (H2) quimiolitoautotróficamente. Estos metanógenos se suelen encontrar en ambientes que contienen organismos fermentantes. La colaboración estrecha entre metanógenos y bacterias fermentantes se puede considerar sintrofía porque los metanógenos, que confían en los fermentantes para la obtención del hidrógeno, evitan la inhibición de los mismos impidiendo la excesiva acumulación de hidrógeno. Este tipo de relación sintrófica se denomina concretamente transferencia de hidrógeno entre especies.

Un segundo grupo de metanógenos utiliza metanol (CH3OH) como sustrato para la metanogénesis. Éstos organismos son quimioorganotrofos, pero todavía autótrofos porque usan CO2 como única fuente de carbono. La bioquímica de este proceso es bastante diferente de la metanogénesis que reduce el dióxido de carbono. Todos los metanógenos autótrofos utilizan una variación de la ruta del acetilo-CoA para fijar el CO2 y obtener el carbono celular.

Por último, un tercer grupo de metanógenos producen metano y dióxido de carbono a partir de acetato (CH3COO- ) que es partido literalmente entre dos

carbonos. Estos organismos rompedores de acetato son los únicos metanógenosquimioorganoheterótrofos.Sintrofía[editar · editar código]

La sintrofía, en el contexto del metabolismo microbiano, se refiere a la colaboración de varias especies para realizar una reacción química que, de otra forma, sería desfavorable energéticamente. El ejemplo mejor estudiado de este proceso es la oxidación de los productos fermentantes finales (tales como acetato, etanol y butirato) por organismos tales como Syntrophomonas. Aisladamente, la oxidación de butirato a acetato e hidrógeno es energéticamente desfavorable. Sin embargo, cuando un metanógenohidrogenotrofo está presente, el uso del gas de hidrógeno bajará perceptiblemente la concentración del hidrógeno (a 10-5 atmósferas) y desplazará el equilibrio de la reacción de la oxidación del butirato. La energía libre disponible de la metanogénesis baja desde -131 kJ/mol en condiciones estándares a -17 kJ/mol a una presión de hidrógeno de 10 -5 atmósferas. Éste es un ejemplo de transferencia de hidrógeno entre especies. De esta manera, las fuentes de energía de bajo rendimiento de carbono pueden ser utilizadas por un consorcio de organismos que realizarán la degradación adicional y eventual mineralización de estos compuestos. Estas reacciones ayudan a prevenir una excesiva pérdida de carbono a la escala de tiempo geológicos, lanzándolo de nuevo a la biosfera en formas usables tales como metano y CO2.Respiración anaerobia[editar · editar código]

En los organismos aerobios el oxígeno es el receptor final de los electrones durante la respiración. Esto es muy eficiente pues el oxígeno tiene un potencial muy bajo de reducción. Los organismos anaerobios utilizan receptores de electrones que tienen un potencial más alto de reducción que el oxígeno, lo que significa que la respiración es menos eficiente y conduce generalmente a tasas de crecimiento más lentas que en los aerobios. Muchos anaerobios facultativos pueden utilizar tanto oxígeno como receptores finales de electrones alternativos para la respiración dependiendo de las condiciones ambientales. La mayoría de los organismos de respiración anaerobia son heterótrofos, aunque hay algunos autótrofos. Todos los procesos que describiremos a continuación son disimilativos, es decir que proporcionan energía pero no nutrientes para la célula (lo que sería asimilativo). Se conocen también las rutas asimilativas de muchas formas de respiración anaerobia.Desnitrificación[editar · editar código]

La desnitrificación es la utilización 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 desnitrificación porque el nitrato, como el oxígeno, tiene un bajo potencial de reducción. Muchas bacterias desnitrificadoras pueden también utilizar el hierro férrico (Fe3

+ ) y algunos compuestos orgánicos como receptores de electrones. La desnitrificación implica la reducción paso a paso del nitrato al nitrito (NO2

- ), al óxido nítrico (NO), al óxido nitroso (NO2) y al nitrógeno (N2) mediante las enzimas nitrato reductasa, nitrito reductasa, óxido nítrico reductasa y óxido nitroso reductasa, respectivamente. Los protones son transportados a través de

la membrana por la NADH reductasa, las quinonas y el óxido nitroso reductasa para producir el gradiente electroquímico crítico para la respiración.

Algunos organismos (por ejemplo, E. coli) producen solamente nitrato reductasa y, por lo tanto, solo pueden realizar la primera reducción, lo que lleva a la acumulación del nitrito. Otros (por ejemplo, Paracoccusdenitrificans o Pseudomonasstutzeri) reducen el nitrato totalmente. La desnitrificación completa es un proceso ambientalmente significativo porque algunos productos intermedios de la desnitrificación (óxido nítrico y óxido nitroso) son gases importantes que reaccionan con la luz del sol y el ozono para producir ácido nítrico, un componente de efecto invernadero de la lluvia ácida. La desnitrificación es también biológicamente importante en el tratamiento de aguas residuales donde se utiliza para reducir la cantidad de nitrógeno emitida al ambiente de tal modo que reduce la eutroficación.Reducción del sulfato[editar · editar código]

La reducción del sulfato es un proceso energético relativamente pobre usado por muchas bacterias Gram negativas (Proteobacterias gamma) y por organismos Gram positivos relacionados conDesulfotomaculum o con la archaea Archaeoglobus. Como producto final metabólico se obtiene sulfuro del hidrógeno (H2S) . Muchos organismos reductores del sulfato son heterótrofos, empleando compuestos del carbono tales como lactato y piruvato (entre muchos otros) como donadores de electrones mientras que otros son autótrofos, con el gas hidrógeno (H2) como donador de electrones. Algunas bacterias reductoras del sulfato autótrofas inusuales pueden utilizar el fosfito (HPO3

- ) como donador de electrones (por ejemplo, Desulfotignumphosphitoxidans) o son capaces de generar dos compuestos a partir del azufre, en este caso un donador de electrones y un receptor de electrón) usando el tiosulfato (S2O3

2-, por ejemplo, Desulfovibriosulfodismutans).

Todos los organismos reductores del sulfato son anaerobios obligados. Puesto que el sulfato es energéticamente estable, antes de que pueda ser metabolizado debe primero ser activado poradenilación 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 (SO3

2- ) y AMP. En los organismos que utilizan compuestos de carbono como donadores de electrones, el ATP consumido es proporcionado por la fermentación del sustrato de carbono. El hidrógeno producido durante la fermentación es realmente quién conduce la respiración durante la reducción del sulfato. Eventualmente, los electrones pasan de la enzima hidrogenasa a la APS reductasa, que junto con la sulfito reductasa termina la reducción del sulfato a sulfuro del hidrógeno. El gradiente que mueve al protón se establece debido al hecho de que la hidrogenasa, que convierte H2 a 2H+, se localiza en el periplasma (o fuera de la célula en las bacterias Gram positivas).Acetogénesis[editar · editar código]

La acetogénesis es un tipo de metabolismo microbiano que utiliza hidrógeno (H2) como donador de electrones y dióxido de carbono (CO2) como receptor de electrones para producir acetato (en esto es similar a la metanogénesis). Las bacterias que pueden sintetizar autotróficamente acetato se

denominan homoacetógenas. La reducción del dióxido de carbono en todos los homoacetógenos se produce por la ruta del acetilo-CoA. Esta ruta también es utilizada para la fijación del carbono por las bacterias reductoras del sulfato autótrofas y por los metanógenoshidrogenotrofos. A menudo, los homoacetógenos pueden también ser fermentantes, usando el hidrógeno y dióxido de carbono producidos como resultado de la fermentación para producir acetato, que se secreta como producto final.Reducción del hierro férrico (Fe3+)[editar · editar código]

El hierro férrico es un receptor terminal de electrones extensamente utilizado por los organismos anaerobios autótrofos y heterotrófos. El flujo de electrones en estos organismos es similar a los que usan como receptores terminales oxígeno o nitrato, salvo que en los organismos reductores de hierro férrico la enzima final es la hierro-férrico reductasa. Los organismos modelo incluyenShewanellaputrifaciens y Geobactermetallireducens. Algunas bacterias reductoras del hierro férrico (tales como G. metallireducens) pueden utilizar hidrocarburos tóxicos tales como el toluenocomo fuente de carbono, por lo que hay un gran interés en usar estos organismos como agentes de biorremediación en acuíferos contaminados ricos en hierro férrico.Otros receptores terminales inorgánicos de electrones[editar · editar código]

Además de los numerosos y comunes receptores terminales de electrones enumerados arriba, existen algunos organismos que pueden utilizar iones inorgánicos poco comunes en la respiración anaerobia. Mientras que estos procesos pueden ser a menudo menos significativos ecológicamente, son de interés considerable para la biorremediación, especialmente de metales pesados. Los ejemplos incluyen:

Reducción del ion mangánico (Mn4+ ) al ion manganoso (Mn2+ ). Reducción del selenato (SeO4

2- ) a selenito (SeO32- ) y del selenito a selenio

inorgánico (Se). Reducción del arseniato (AsO4

3- ) a arsenito (AsO33- ).

Receptores terminales de electrones orgánicos[editar · editar código]

Algunos organismos, en vez de usar compuestos inorgánicos como receptores terminales de electrones en la respiración, puede utilizar compuestos orgánicos. Los ejemplos incluyen:

Reducción de fumarato a succinato. Reducción de óxido trimetil amina (TMAO) a trimetilamina (TMA). Reducción de dimetilsulfoxido (DMSO) a dimetil sulfuro (DMS). Declorinación reductora.

TMAO es un producto químico producido comúnmente por los peces que cuando se reduce a TMA produce un fuerte olor. DMSO es un producto químico marino y de agua dulce común que también es odorífero cuando se reduce a DMS. La declorinación reductora es el proceso por el cual los compuestos orgánicos con cloro se reducen para formar productos finales sin cloro. Puesto que los compuestos orgánicos que contienen cloro son importantes (y a menudo difíciles de degradar) contaminantes ambientales, la declorinación reductora es un proceso importante en la biorremediación.

Quimiolitotrofía[editar · editar código]

La quimiolitotrofía es un tipo de metabolismo en la cual la energía se obtiene de la oxidación de compuestos inorgánicos. La mayoría de los organismos quimiolitotrofos son también autótrofos. La quimiolitotrofía tiene dos funciones importantes: la generación de la energía (ATP) y la generación de potenciales reductores (NADH).Oxidación del hidrógeno[editar · editar código]

Muchos organismos son capaces de usar hidrógeno (H2) como fuente de energía. Previamente se han mencionado varios mecanismos de oxidación anaerobia del hidrógeno (por ejemplo, la reducción del sulfato y las bacterias acetogénicas), pero además el hidrógeno se puede utilizar también como fuente de energía aerobia. En estos organismos, el hidrógeno es oxidado por una hidrogenasa ligada a la membrana, realizando el desplazamiento del protón vía una transferencia de electrones a varias quinonas y citocromos. En muchos organismos se utiliza una segunda hidrogenasacitoplásmatica para generar un potencial reducido bajo la forma de NADH, que se usará posteriormente para fijar el dióxido de carbono vía el ciclo de Calvin. Los organismos que oxidan del hidrógeno, tales como Ralstoniaeutrophaeutropha, viven a menudo en las zonas de transición oxigenadas-anóxicas de la naturaleza para aprovechar el hidrógeno producido por los organismos fermentantes anaerobios mientras que todavía pueden acceder al oxígeno.Oxidación del azufre[editar · editar código]

Algunas bacterias oxidan compuestos reducidos de azufre, como sulfuro de hidrógeno (H2S), azufre inorgánico (S0) y tiosulfato (S2O3

2- ), para formar ácido sulfúrico (H2SO4). Un ejemplo clásico es Beggiatoa, un microbio descrito originalmente por Sergei Winogradsky, uno de los fundadores de la microbiología.

El azufre inorgánico es almacenado interior o exteriormente a la célula hasta que es necesitado. El proceso es posible porque el azufre es energéticamente mejor donante de electrones que el sulfuro inorgánico o el tiosulfato, permitiendo a un número neto de protones atravesar la membrana. Los organismos que oxidan el azufre generan el potencial reductor para la fijación del dióxido de carbono vía el ciclo de Calvin usando el flujo inverso de electrones, un proceso que requiere energía que mueva a los electrones en contra del gradiente termodinámico para producir NADH.

La oxidación del azufre se realiza generalmente en dos etapas. Bioquímicamente, los compuestos de azufre reducidos se convierten en sulfito (SO3

2- ) que a su vez son transformados posteriormente a sulfato por la enzima sulfito oxidasa. Algunos organismos, realizan la misma oxidación usando un sistema inverso de APS reductasa, invirtiendo el usado por las bacterias reductoras del sulfato (véase arriba). En todos los casos, la energía liberada se transfiere a la cadena de transporte de electrones para la producción de ATP y NADH. Además de la oxidación aerobia del azufre, algunos organismos (por ejemplo, Thiobacillusdenitrificans) utilizan nitrato (NO3

2- ) como receptor terminal de electrones y por lo tanto crecen anaeróbicamente.

Oxidación del hierro ferroso (Fe2+ )[editar · editar código]

El hierro ferroso es una forma soluble de hierro estable a un pH extremadamente bajo o bajo condiciones anaerobias. Bajo condiciones aerobias y pH moderado, el hierro ferroso se oxida espontáneamente a la forma férrica (Fe3+ ) y abióticamente a hidróxido férrico (Fe(OH)3 ) insoluble. Existen, por lo tanto, tres tipos distintos de microbios oxidadores del ión ferroso.

El primero es el de acidófilos, tales como las bacterias Acidithiobacillusferrooxidans y Leptospirrillumferrooxidans, así como la archaea Ferroplasma. Estos microbios oxidan el hierro en ambientes que tienen un pH muy bajo y son importantes en el drenaje ácido de minas.

El segundo tipo de microorganismos oxida el hierro ferroso a pH neutro en las zonas de transición oxigenada-anóxica. Estas bacterias, tales como Gallionellaferruginea y Sphaerotilusnatans, y las bacterias acidófilas oxidantes del hierro son aerobias.

El tercer tipo de microorganismos oxidadores del hierro es el de las bacterias fotosintéticas anaerobias tales como Chlorobium, que utilizan el hierro ferroso para producir NADH para la fijación autótrofa del dióxido de carbono. Bioquímicamente, la reducción aerobia del hierro es un proceso muy pobre energéticamente que por lo tanto requiere la oxidación de grandes cantidades de hierro por enzima rusticianina para facilitar la formación de la fuerza motiva del protón. Durante la oxidación del azufre se necesita un flujo de electrones inverso para producir el NADH usado para la fijación del dióxido de carbono vía el ciclo de Calvin.Nitrificación[editar · editar código]

La nitrificación es el proceso por el cual el amoníaco (NH3) es convertido en nitrato (NO3

- ). La nitrificación es realmente el beneficio neto de dos procesos distintos: la oxidación de amoníaco anitrito (NO2

- ) por una bacteria nitrificante (por ejemplo, Nitrosomonas) y la oxidación de nitrito a nitrato por una bacteria nitrito-oxidante (por ejemplo, Nitrobacter). Ambos procesos son extremadamente poco energéticos y llevan a tasas de crecimiento muy lentas para ambos tipos de organismos.

Bioquímicamente, la oxidación del amoníaco ocurre por la oxidación en varios pasos del amoníaco a hidroxilamina (NH2OH) por la enzima amonio monooxigenasa en el citoplasma, seguida por la oxidación de la hidroxilamina a nitrito por la enzima hidroxilaminaoxidoreductasa en el periplasma. El ciclo de electrones y protones es muy complejo pero como beneficio neto solamente un protón se desplaza a través de la membrana por cada molécula de amoníaco oxidada.

La reducción del nitrito es mucho más simple: el nitrito es oxidado por la enzima nitrito oxidoreductasa unida al desplazamiento de un protón por una cadena de transporte de electrones muy corta. Esto conduce de nuevo a tasas de crecimiento muy bajas para estos organismos. Se requiere oxígeno tanto para la oxidación del amoníaco como para la del nitrito, lo que implica que las bacterias nitrificantes y oxidadoras de nitrito sean aerobias. Como en la oxidación del azufre y del hierro, el NADH para la fijación del dióxido de

carbono en el ciclo de Calvin es generado por un flujo inverso de electrones, poniendo otra carga metabólica a un proceso ya energéticamente pobre.Anammox[editar · editar código]

Anammox denota la oxidación anaerobia del amoníaco, un proceso descubierto recientemente (a finales de los 90). La realizan los miembros de Planctomycetes (por ejemplo, CandidatusBrocadiaanammoxidans) e implica el acoplamiento de la oxidación de amoníaco con la reducción de nitrito. Como no se requiere oxígeno para este proceso, estos organismos son estrictamente anaerobios.

Asombrosamente, durante el metabolismo del anammox se produce hidracina (N2H4), un combustible para cohetes como compuesto intermedio. Para ocuparse de la alta toxicidad de la hidracina, las bacterias del anammox contienen un orgánulo intracelular llamado anammoxasoma rodeado por una membrana lípida escalonada y altamente compacta (e inusual) en la que queda confinada la hidracina. La naturaleza de estos lípidos es única, al igual que el uso de hidracina como intermedio metabólico.

Los organismos del Anammox son autótrofos, aunque el mecanismo por el cual realizan la fijación del dióxido de carbono todavía no es conocido. Debido a esta característica, son organismos que se utilizan industrialmente para eliminar el nitrógeno en los procesos del tratamiento de aguas residuales. Estos organismos proliferan extensamente en los sistemas acuáticos anaerobios y se ha especulado que generan aproximadamente el 50% de la producción de gas nitrógeno en algunos ambientes marinos.Fototrofía[editar · editar código]

Muchos microorganismos son capaces de usar la luz como fuente de la energía (fototrofía). De éstos, Cyanobacteria y las algas son particularmente significativas porque son oxigénicas, usando agua como donador de electrones para la transferencia del electrón durante la fotosíntesis. Junto con las plantas, estos microorganismos son responsables de toda la generación biológica de oxígeno sobre la Tierra. En cierto sentido, todos los generadores biológicos de oxígeno descienden de estos microorganismos puesto que los cloroplastos fueron adquiridos por endosimbiosis de un linaje de Cyanobacteria. Así, los principios generales del metabolismo en Cyanobacteria se pueden también aplicar a los cloroplastos.

Además de la fotosíntesis oxigénica, muchas bacterias pueden también fotosintetizar de forma anaerobia, típicamente con sulfuro de hidrógeno (H2S) como donador de electrones para producir sulfato. El azufre inorgánico (S0), tiosulfato (S2O3

2- ) y el hierro ferroso (Fe2+ ) son también usados por algunos organismos. Filogenéticamente, todas las bacterias fotosintéticas oxigénicas descienden de Cyanobacteria, mientras que las bacterias fotosintéticas anoxígenas pertenecen a las bacterias púrpuras (Proteobacteria), a las bacterias verdes del azufre (por ejemplo,Chlorobium), a las bacterias verdes no del azufre (por ejemplo, Chloroflexus) o a Heliobacteria (bacterias Gram positivas de contenido GC bajo). Además de estos organismos, algunos otros (por ejemplo la archaea Halobacterium o la bacteria Roseobacter, entre otras) pueden utilizar la luz para producir energía usando la

enzima bacteriorodopsina. Este tipo de metabolismo no se considera fotosíntesis sino fotofosforilación, puesto que genera energía, pero no fija directamente el carbono.

Como consecuencia de la diversidad de bacterias fotosintéticas, existen numerosos mecanismos por los cuales la luz es convertida en energía para el metabolismo. Todos los organismos fotosintéticos localizan sus centros de reacción fotosintéticos dentro de membranas, que pueden ser invaginaciones de la membrana citoplásmica (bacterias púrpuras), membranas del tilacoide(Cyanobacteria), estructuras en antena especializadas llamadas los clorosomas (las bacterias verdes del azufre y no del azufre) o la membrana citoplásmica en sí misma (heliobacteria). Diversas bacterias fotosintéticas también contienen diversos pigmentos fotosintéticos tales como clorofilas y carotenoides permitiendo que se aprovechen diversas porciones del espectro electromagnético y de este modo habiten diversas zonas. Algunos grupos de organismos contienen estructuras captadoras de luz más especializadas, por ejemplo, ficobilisomas en Cyanobacteria y clorosomas en las bacterias verdes del azufre y no del azufre, aumentando la eficiencia en la utilización de la luz.

Bioquímicamente, la fotosíntesis anoxígena es muy diferente de la fotosíntesis oxigénica. Las Cyanobacteria (y por extensión los cloroplastos) usan un esquema Z de flujo de electrones que es utilizado eventualmente para formar NADH. Se utilizan dos centros reactivos distintos (fotosistemas) y la fuerza motiva del protón es generada usando un flujo cíclico de electrones y quinona. En las bacterias fotosintéticas anoxigénicas el flujo de electrones es cíclico, transfiriendo los electrones de nuevo, una vez empleados en la fotosíntesis, al único centro de la reacción. Se genera la fuerza motiva protón usando solamente quinona. En Heliobacteria y en las bacterias verdes del azufre y no del azufre se forma NADH usando la proteína ferredoxina, una reacción energéticamente favorable. En las bacterias púrpuras se forma NADH mediante el flujo inverso de electrones debido al potencial químico más bajo de este centro de reacción. En todos los casos, sin embargo, se genera y se utiliza la fuerza motiva de un protón para conducir la producción de ATP vía una ATPasa.

La mayoría de los microorganismos fotosintéticos son autótrofos, fijando dióxido de carbono vía el ciclo de Calvin. Algunas bacterias fotosintéticas (por ejemplo, Chloroflexus) son fotoheterótrofos, lo que significa que utilizan compuestos orgánicos como fuente de carbono para el crecimiento. Algunos organismos fotosintéticos también son capaces de fijar nitrógeno.Fijación de nitrógeno[editar · editar código]

Artículo principal: Fijación de nitrógeno

El nitrógeno es un elemento requerido para el crecimiento por todos los sistemas biológicos. Aunque es extremadamente común (80% por volumen) en la atmósfera en forma de gas (N2) es generalmente inaccesible biológicamente debido a su alta energía de activación. En toda la naturaleza solamente las bacterias especializadas son capaces de la fijación de nitrógeno, convirtiéndolo en amoníaco (NH3) que es asimilado fácilmente por todos los organismos. Éstas bacterias, por lo tanto, son muy importantes ecológicamente

y son a menudo esenciales para la supervivencia de ecosistemas enteros. Esto es especialmente cierto en el océano, en donde las cyanobacterias fijadoras de nitrógeno son menudo las únicas fuentes de nitrógeno. También es muy importante en el suelo, existiendo simbiosis especializadas entre legumbres y bacterias fijadores de nitrógeno, imprescindibles para el crecimiento de estas plantas.

La fijación de nitrógeno se puede encontrar en casi todos los linajes bacterianos y clases fisiológicas pero no es una característica universal. Puesto que la enzima nitrogenasa, responsable de la fijación de nitrógeno, es muy sensible al oxígeno que la inhibirá irreversiblemente, todos los organismos fijadores de nitrógeno deben tener un cierto mecanismo para mantener la concentración de oxígeno baja. Las posibilidades incluyen:

Heterocistos en los agregados o filamentos celulares de cyanobacteria (por ejemplo Anabaena) en donde una célula no realiza la fotosíntesis sino que solamente fija el nitrógeno para sus socias que a cambio la proveen de energía.

Nódulos en las raíces de las plantas (por ejemplo, Rhizobium), en donde la planta le proporciona oxígeno a la bacteria a través de moléculas de leghemoglobina.

Forma de vida anaerobia (por ejemplo, Clostridiumpasteurianum). Metabolismo muy rápido (por ejemplo, Azotobactervinelandii).

La producción y actividad de la nitrogenasa se regula muy en detalle, tanto porque la fijación de nitrógeno es un proceso extremadamente costoso energéticamente (se requieren 16-24 ATPs por N2 fijado) como por la sensibilidad extrema de la nitrogenasa al oxígeno.