Biodegradación de compuestos xenobióticos y recalcitrantes

Biotecnología. Fisiología y metabolismo microbiano. Enlaces químicos. Detoxificación. Pesticidas. Detergentes sintéticos. Hidrocarburos. Cometabolismo. Sintrofía

  • Enviado por: La rizos
  • Idioma: castellano
  • País: España España
  • 22 páginas
publicidad

BIODEGRADACIÓN DE COMPUESTOS XENOBIÓTICOS Y RECALCITRANTES

INTRODUCCIÓN

La actividad industrial y el desarrollo tecnológico producen necesariamente residuos. La contaminación sistemática del medio ambiente por esos residuos puede trazarse en la historia a los comienzos de las sociedades urbanas. Es, por ejemplo, interesante, la existencia de sitios contaminados por metales pesados por actividades metalúrgicas del Neolítico, del Imperio Romano y de la Edad Media, por no mencionar las escombreras y vertederos en funcionamiento durante siglos en las proximidades de las grandes ciudades. El problema de la calidad del agua para consumo humano y del aire ha sido recurrente también a lo largo de la historia, ya que su deterioro ha procedido en muchos casos de actividades antropogénicas. Sin embargo, los problemas actuales de contaminación ambiental por especies químicas tienen su origen mayoritario en:

  • El desarrollo a gran escala de la química de síntesis desde comienzos del siglo XX. Este desarrollo introdujo y sigue introduciendo en la Naturaleza un tipo de enlaces químicos prácticamente desconocidos en la Biosfera (xenobióticos), sobre todo de átomos de carbono unidos covalentemente a grupos muy electronegativos (halógenos y grupos nitro y amino), lo que confiere una extraordinaria estabilidad a los productos resultantes.

  • Las explotaciones mineras y metalúrgicas masivas, cuyos procesos transforman a los metales desde formas biológicamente inactivas a especies iónicas con una alta reactividad en sistemas vivos.

  • La extracción y combustión de enormes cantidades de minerales fósiles (carbón y petróleo) como base energética de todas las sociedades industrializadas, con la consiguiente descarga de CO2 y las deposiciones ácidas de nítrico y sulfúrico.

  • La demanda social y utilización masiva de polímeros sintéticos (típicamente los plásticos), formados a base de productos del petróleo en combinación con aditivos de síntesis.

  • Las prácticas de agricultura intensiva, con su requerimiento tanto de abonos nitrogenados y de fuentes de fosfato como de pesticidas y herbicidas para el control de plagas. Un problema asociado es el de los residuos resultantes de la manufactura y consumo de productos vegetales o de origen vegetal.

  • La emisión de productos farmacéuticos al medio ambiente como consecuencia de la producción y el consumo creciente de moléculas bioactivas de síntesis o semi-síntesis.

Estos problemas son absolutamente universales y en mayor o menor medida aparecen en todos los países, aunque algunos de ellos están exacerbados en sociedades como la nuestra que ha experimentado un desarrollo industrial acelerado en las últimas décadas. Por otra parte, aunque las nuevas (bio) tecnologías pueden proporcionar un cierto remedio a muchos problemas de contaminación intensiva y extensiva, el deterioro medioambiental causado por la actividad industrial no es simplemente un problema técnico o científico. La generación de residuos es algo consustancial a la existencia de las actividades petroquímicas y metalúrgicas sin las cuales nuestra sociedad actual no sería viable. Las tecnologías y procesos industriales pueden ser más limpios, pero no totalmente limpios y una sociedad sin contaminación requeriría un profundo cambio social y de forma de vida que ninguna fuerza política significativa sostiene hoy en el mundo occidental.

El desarrollo de la Microbiología y, posteriormente, de la Biología Molecular en este siglo ha proporcionado herramientas conceptuales y materiales para abordar de forma más racional el tratamiento biológico de los residuos urbanos e industriales.

La Fisiología y el metabolismo microbiano es la herramienta fundamental de la Biotecnología para el medio ambiente. Las rutas de degradación aerobia y anaerobia de numerosos contaminantes ambientales son hoy día conocidas en gran detalle. Esto permite tanto la introducción deliberada de cepas específicas en lugares contaminados como vectores de nuevas actividades, como la creación de nichos ecológicos que permitan una colonización rápida por un tipo deseado de microorganismos.

Una segunda herramienta es la genética molecular, que ha permitido la disección hasta el nivel más básico de las actividades biodegradativas y detoxificadoras de los microorganismos. También ha permitido una comprensión de cómo las bacterias desarrollan nuevas capacidades catabólicas.

Desde un punto de vista biológico y evolutivo, la aparición reciente de nuevos compuestos, o la movilización a formas bioactivas de los ya existentes, plantea el problema de su integración en los grandes ciclos naturales de regeneración de los elementos, mediados por microorganismos de distinto tipo.

La etapa limitante de la biodegradación o detoxificación de la mayoría de los compuestos tóxicos en el medio ambiente se relaciona con su biodisponibilidad, la eficiencia de las rutas catabólicas para su metabolismo y de los procesos microbianos de re-mineralización.

Aunque en muchos casos existe el potencial genético y enzimático para que con una presión selectiva prolongada se generen rutas con nuevas especificidades catabólicas, estas pueden no aparecer lo suficientemente rápido o no ser lo suficientemente eficaces.

El conocimiento acumulado sobre los mecanismos moleculares de evolución natural de rutas catabólicas, proporciona unas pautas racionales para acelerar el proceso en el laboratorio y conseguir en unos años lo que la Naturaleza tardaría décadas o siglos.

En este sentido, la genética y la tecnología del ADN recombinante abren la posibilidad de combinar en un sólo microorganismo actividades de interés medioambiental que aparecen en la Naturaleza únicamente por separado, o bien de crear actividades completamente nuevas.

Entre los microorganismos más interesantes como vectores para la introducción medioambiental de actividades detoxificadoras destaca el género Pseudomonas y sus parientes próximos Alcaligenes, Rhizobium, Rhodobacter, Arthrobacter y Acinetobacter. Este tipo de microorganismos, generalmente aerobios, presenta una enorme capacidad de adaptación al medio, tanto en lo que se refiere a la utilización de una variedad de compuestos químicos como fuente de carbono, como a su supervivencia en condiciones físicas adversas. Además, su manipulación genética es relativamente sencilla gracias al desarrollo durante los últimos 15 años de una colección de herramientas genéticas de amplio espectro de huésped en la que se incluyen replicones, fagos, transposones y vectores de clonaje de distinto tipo. Desafortunadamente, la situación es muy distinta con los microorganismos implicados en los procesos biodegradativos anaerobios. En este caso, los estudios sobre su fisiología van muy por delante de los de su genética, debido a la dificultad de desarrollar sistemas adecuados de transferencia de ADN.

CLASIFICACIÓN

Algunos de los xenobióticos más conocidos son los plaguicidas entre los que se incluyen herbicidas, insecticidas, nematicidas, funguicidas, etc.

Los compuestos xenobióticos pueden ser considerados hidrocarburos con diversos grupos sustituidos, por tanto conviene tener en cuenta las rutas de degradación de los hidrocarburos alifaticos, alicíclicos y aromáticos.

  • PESTICIDAS

  • Dentro de los plaguicidas se encuentran los ácidos clorofenoxialquil carboxílicos, ureas sustituidas, nitrofenoles, triacinas, fenilcarbamato, organoclorados, organofosforados. Algunas de estas sustancias pueden actuar como donadores de electrones o como fuente de carbono para ciertos microorganismos.

    Herbicidas Clorofenólicos

    Las sales y ésteres de algunos de los ácidos clorofenólicos, son irritantes moderados de la piel, ojos y mucosas respiratoria y gastrointestinal.

    En la producción de algunos de estos herbicidas pueden formarse otras substancias aún más tóxicas debido a temperaturas excesivas. Ejemplo: pentaclorofenol (PCP)

    Herbicidas Nitrofenólicos y Nitrocresólicos

    Ejemplo: paraquat y diquat

    Insecticidas de Cloruros Orgánicos Sólidos

    Los organoclorados son tóxicos, su persistencia en el ambiente sin ser destruidos llega a ser de años y se bioacumulan, es decir, van aumentando su concentración al ir ascendiendo en la cadena trófica.

    Los cloruros orgánicos se absorben en varios grados en el intestino, pulmón y piel. Después de la exposición a algunos cloruros orgánicos (en particular el DDT), una parte importante de la dosis absorbida se almacena en el tejido graso, como el compuesto principal inalterado. La mayoría de los cloruros orgánicos son, en cierto grado, desclorados, oxidados y, después, conjugados.

    La acción tóxica principal de los pesticidas de cloruros orgánicos se dirige al sistema nervioso, agentes tales como el DDT y el metoxicloro tienden a causar efectos menos severos, mientras que los ciclodienos, el mirex y el lindano están asociados con ataques más violentos y muertes.

    Entre ellos destacan: DDT, Aldrín, Clordano, Heptacloro, Lindano.

    DDT

    El DDT es conocido como Dicloro-Difenil-Tricloroetano fue muy beneficioso para el ser humano en su lucha contra la malaria, ya que era altamente efectivo para controlar el mosquito Anofeles. Es una molécula muy lipófila y muy insoluble en agua, pero su estabilidad química y su liposolubilidad compuso el problema. El DDT no es metabolizado muy rápidamente por los animales, se deposita y se almacena en los tejidos finos grasos. El período biológico del DDT es cerca de ocho años; es decir, toma cerca de ocho años para que un animal metabolice la mitad de la cantidad que asimila. Si la ingestión continúa en una tarifa constante, el DDT se acumula dentro del animal en un cierto plazo, efecto bioacumulativo. Aunque no causa daños por toxicidad, su persistencia es muy preocupante.

    Insecticidas Organofosfatados

    Los organofosfatos son muy tóxicos para el hombre, tanto, como los más conocidos venenos entre los que destacan el arsénico, la estricnina o el cianuro. Desde la remoción de los insecticidas de cloruros orgánicos, los insecticidas organofosfatados se han convertido en los insecticidas de mayor uso en la actualidad.

    Ejemplos de estos son: Diazinón, Malatión, Paratión,  2,4-D (ácido 2,4-diclorofenoxiacético), 2,4,5 T (ácido2,4,5,triclorofenoxiacético), Dalapín, Atrazina, Simazina, Propazina.

    2. DETERGENTES SINTÉTICOS

    Los detergentes aniónicos son todavía los de mayor uso en lavado de ropa. Los detergentes catiónicos son tóxicos para microorganismos en las concentraciones normalmente utilizadas para limpieza. Se emplean cuando se desea una buena desinfección, aparte de la limpieza, como en hospitales, restaurantes, etc. En los últimos años se ha descubierto que los detergentes no iónicos del tipo alquilato tienden a persistir en aguas naturales alterando procedimientos de reproducción de peces y otros organismos acuáticos.

    3. HIDROCARBUROS AROMÁTICOS POLICÍCLICOS (PAH)

    Se forman por la combustión incompleta de materia orgánica, de forma natural y por actividad humana como procesos comerciales con combustión de carbón incompleta, fabricación de gas, etc. Son más solubles en grasas que en agua, afectan a la piel y al hígado, son cancerígenos.

    4. HIDROCARBUROS ALIFÁTICOS CLORADOS (CAH)

    Los CAH con dos átomos de carbono pueden ser saturados (etanos) o insaturados (etenos). Los disolventes clorados se han empleado mucho en la limpieza de ropa, motores, piezas electrónicas y otros artículos contaminados por grasa.

    5. HIDROCARBUROS AROMÁTICOS CLORADOS

    Difenilos policlorados (PCB)

    Usados en la década de 1950 en condensadores eléctricos y transformadores, fluidos hidráulicos y bombas de aceite, adhesivos, colorantes y tintas.

    Los PCB se caracterizan por una gran resistencia al fuego y riesgos de explosión, además de propiedades eléctricas aislantes, también son resistentes a ataques químicos y biológicos.

    Pentaclorofenol (PCP)

    Es uno de los conservantes de madera de uso más difundido. El cloro es un grupo que extrae electrones que convierte al grupo hidroxilo de los fenoles clorados en un ácido más fuerte. Son bastante solubles en agua, por lo que se encuentran corrientemente entre los contaminantes de aguas subterráneas, además de suelos de alto contenido orgánico y sedimentos.

    Los PCP y otros fenoles clorados son biodegradables de forma aerobia y anaerobia. El PCP es tóxico para microorganismos a concentraciones tan bajas como 1 mg/l, pero puede conseguirse la tolerancia a concentraciones muchos más altas mediante aclimatación.

    Dioxinas

    Se forman como coproductos no deseados en la fabricación de pesticidas, combustión e incineración, blanqueo y desinfección con cloro y control de polvo y sedimentos.

    Las dioxinas tienen muchos congéneres posibles, de los que el más tóxico es la 2, 3, 7, 8-tetraclorodibenzo-p-dioxina (TCDD), que se piensa sea el producto químico sintético más venenoso que jamás se haya producido. Sus efectos biológicos, incluyendo la teratogenidiada y la carcinogenicidad, dependen de las especie, sexo y vía de exposición. Las respuestas humanas comprenden cloroacné, pérdida de sueño, insomnio, disfunción hepática, aborto espontáneo y cáncer.

    6. HIDROCARBUROS AROMÁTICOS NITRADOS: EXPLOSIVOS

    La fabricación, uso y eliminación de explosivos de operaciones militares han producido una gran contaminación de suelos y aguas subterráneas. Los explosivos más utilizados: TNT, RDX y HMX.

    Aunque la incineración es una de las opciones habitualmente consideradas en el caso de suelos, es imposible para aguas residuales y, en general, caro. La investigación sobre el potencial de corrección biológica es un esfuerzo en curso que está produciendo algunos resultados positivos.

    PERSISTENCIA EN EL MEDIO AMBIENTE

    Muchos compuestos xenobióticos habituales en operaciones industriales, actividades urbanas o en explotaciones agrícolas, son persistentes en el medio ambiente y pueden llegar a causar graves problemas de contaminación. Las razones de su persistencia son:

    • Químicas: sustituyentes extraños (Cl o otros halógenos), enlaces inusuales (carbonos cuaternarios), anillos aromáticos muy condensados o excesivos tamaños moleculares (plásticos).

    • Físicas: insolubilidad.

    • Celulares: carencia de permeasas específicas, toxicidad, etc.  

    El uso de otros xenobióticos como herbicidas, insecticidas y pesticidas de empleo intensivo se ha venido beneficiando en los últimos años de la creciente sustitución de los agentes persistentes por especies químicas con una vida media ambiental mucho menor. Aun así, ocasionalmente aparecen casos de contaminación por pesticidas asociados a su utilización masiva en explotaciones de agricultura intensiva.

    Tabla de la persistencia de herbicidas e insecticidas en los suelos

    Sustancia

    Tiempo para la desaparición del 75 al 100%

    Insecticidas clorados

     

    DDT

    4 años

    Aldrín

    3 años

    Clordano

    5 años

    Heptacloro

    2 años

    Lindano

    3 años

    Insecticidas organofosforados

     

    Diazinón

    12 semanas

    Malatión

    1 semana

    Paratión

    1 semana

    Herbicidas

     

    2,4-D(ácido 2,4-diclorofenoxiacético)

    4 semanas

    2,4,5T(ácido2,4,5,triclorofenoxiacético)

    20 semanas

    Dalapín

    8 semanas

    Atrazina

    40 semanas

    Simazina

    48 semanas

    Propazina

    1.5 años

    COMETABOLISMO

    Los microorganismos han sido siempre conocidos por tener la habilidad de transformar moléculas orgánicas en productos orgánicos que se acumulan en un medio de cultivo. Estas conversiones han dado lugar a una prominente microbiología industrial por la importancia de los productos que se han generado, especialmente agentes farmacéuticos. La primera evidencia de transformaciones análogas con elementos químicos importantes, desde el punto de vista ambiental, surgió de un estudio de ácidos alifáticos clorurados.

    La transformación de un compuesto orgánico por un microorganismo que es incapaz de usar el substrato como fuente de energía o como un elemento nutritivo esencial, se denomina cometabolismo. Esto da lugar a poblaciones activas que obtienen beneficios no nutricionales de los substratos que cometabolizan.

    Hay que destacar dos tipos de reacciones que se dan en cultivos puros de bacterias:

    • En uno, el compuesto cometabolizado es transformado sólo en presencia de un segundo substrato, que realmente será el compuesto que da lugar al crecimiento. Para heterótrofos, el substrato que aporta energía es orgánico. Para autótrofos, es inorgánico.

    • En la otra reacción, el compuesto esta metabolizado incluso en ausencia de un segundo substrato.

    Significado ambiental

    El cometabolismo es simplemente un tipo especial de transformación microbiana. Esas transformaciones tienen una importancia considerable en la naturaleza y por ello han sido la base para la gran atención otorgada al cometabolismo, y es por estas salidas medioambientales que el cometabolismo es considerado como un tipo especial de transformación biológica. Estas consecuencias ambientales son evidentes desde las características del proceso, específicamente la inhabilidad de los organismos de crecer a expensas del compuesto orgánico y la conversión del substrato en un producto orgánico que se suele acumular.

    Las reacciones cometabólicas tienen impactos en la naturaleza diferentes a los impactos producidos por las biodegradaciones. Cuando las transformaciones tienen lugar no se sabe si el microorganismo tendrá o no un segundo substrato disponible para crecer. Los organismos que llevan acabo estas reacciones cometabólicas en laboratorio son Pseudomonas, Acinetobacter, Nocardia, Bacillus, Mycococcus, Achromobacter, etc. Existe un gran número de conversiones, reacciones y productos asociados con el cometabolismo.

    El cometabolismo genera productos orgánicos, pero el carbono en el substrato no es transformado en constituyentes típicos de la célula. Esto es evidente en estudios de cultivos puros y en muestras de medios naturales. Muchos compuestos son cometabolizados en abonos o en aguas de alcantarillado.

    Dos efectos son inmediatamente evidentes:

    • El primero, debido al pequeño tamaño de la población o a la biomasa de los organismos, que intervienen en la transformación de la mayoría de los productos químicos sintéticos en superficie y por debajo de abonos y de aguas de alcantarillado, el proceso de transformación de un elemento químico por cometabolismo es bastante lento y el grado de conversión no incrementa con el tiempo. Esto contrasta con productos químicos usados como carbono y fuentes de energía porque el grado de metabolismo de esos substratos incrementa según los organismos se multiplican.

    • Segundo, muchos productos orgánicos se acumulan como resultado del cometabolismo y tienden a persistir.

    Un ejemplo de cometabolismo en contaminantes viene dado por el hongo de raíces blancas, Phanerochaete chrysosporium, el cual degrada distintos tipos de compuestos organoclorados, incluyendo el DDT, PCBs, y clorodioxinas, bajo condiciones apropiadas. El sistema enzimático responsable de esta degradación es el de las peroxidasas, que los hongos emplean para degradar la lignina constituyente de las plantas, bajo condiciones normales.

    Los compuestos orgánicos, que pueden ser utilizados por organismos para obtener energía para su crecimiento, son los más susceptibles de ser biodegradados en el medio ambiente. Los microorganismos que obtienen electrones y energía de las transformaciones, llevan acabo la mayoría de las degradaciones que se producen en plantas de tratamiento biológico de aguas residuales. Algunos compuestos, sin embargo, no se utilizan como fuente de energía para microorganismos, principalmente debido a que ningún organismo tiene las enzimas necesarias para su biodegradación completa. Algunos de esos compuestos pueden transformarse mediante cometabolismo, que es la transformación fortuita de un compuesto mediante enzimas o cofactores diseñados para otros propósitos.

    Las conversiones cometabólicas que parecen implicar un sólo enzima, son las reacciones de hidroxilación, oxidación, desnitrificación, hidrólisis, etc, pero muchas de las conversiones son complejas e implican varios enzimas. Incluso un substrato, que en la naturaleza mantendrá el crecimiento de microorganismos, será metabolizado por algunas bacterias en cultivo sin incorporación de carbono en sus células.

    La mayoría de las enzimas son bastante específicas en las transformaciones que catalizan, otras no lo son y transforman otros productos. Ejemplos excelentes de enzimas no específicas son las oxigenasas que inician la oxidación de hidrocarburos como el metano y el tolueno. El metano es empleado por el metabolismo de varias bacterias ya que permite su crecimiento y constituye una fuente de carbono:

    CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O + biomasa + energía

    Enzima Monooxigenasa

    El cometabolismo es muy importante para controlar la degradación de compuestos químicos biológicamente resistentes, como el tricloroetileno (TCE), contaminante extendido en los ambientes subterráneos. La transformación de TCE por bacterias metanotróficas es un cometabolismo aerobio y tiene lugar en dos fases:

    • Oxidación de metano.

    • Epoxidación del TCE ( eliminación del cloro mediante cometabolismo).

    La monooxigenación del metano (MMO) inicia la oxidación del metano formando metanol. Esto requiere, además, oxígeno elemental y aporte de potencia reductora, designada por 2H. La MMO oxida también al TCE, convirtiéndolo en TCE epóxido, compuesto inestable que se degrada químicamente a una diversidad de productos que pueden ser mineralizados por otros microorganismos. Por esto la biodegradación del TCE se efectúa mediante cometabolismo

    El cometabolismo requiere de NADH para aportar el 2H. Si el organismo no dispone de sustrato donante, o no tiene reservas internas almacenadas para producir el NADH requerido, no se produce el cometabolismo.

    Oxidación de metano (metabolismo normal)

    Figura 6: Pasos de la transformación del TCE por bacterias metanotróficas

    Un organismo cuyo substrato de crecimiento está contenido en una mezcla de muchas materias puede encontrar ventajas en oxidar compuestos que utilizan otros organismos. Al hacer disponibles los substratos a otros organismos, el primero de ellos obtiene mejor acceso a su substrato de crecimiento. En los sistemas ecológicos complejos intervienen a menudo muchos microorganismos diferentes que trabajan juntos de forma simbiótica para que todos puedan beneficiarse. Tanto si las reacciones son específicas como si no, se aprovecha el cometabolismo para biodegradar compuestos que permanecerían de otra manera persistentemente en el medio ambiente.

    SINTROFÍA

    El sintrofismo es la asociación en la que el crecimiento de un organismo depende de la mejora con los factores de crecimiento, nutrientes o substratos aportados por otro organismo que vive cerca. A veces, ambos se benefician. Este tipo de mutualismo se denomina también alimentación cruzada o fenómeno del satelitismo.

    Un ejemplo de sintrofía sería el de este esquema:

    La población 1 puede metabolizar el compuesto A, formando el compuesto B, pero no puede ir más allá de este punto sin la cooperación de otra población porque le faltan las enzimas necesarias para efectuar la siguiente transformación de la vía. La población 2 no puede usar el compuesto A, pero sí el compuesto B a partir del cual forma el compuesto C. Ambas poblaciones, 1 y 2, pueden realizar los pasos posteriores a la formación del compuesto C, produciendo así la energía necesaria y los productos finales que ninguna de las dos poblaciones podría producir por separado.

    La sintrofía permite a las poblaciones microbianas realizar actividades como la síntesis de un producto, que no podrían llevar a cabo por separado.

    Un ejemplo clásico de dicha sintrofía es la que muestran Enterococcus faecalis y Escherichia coli. Ninguno de los dos organismos por separado puede convertir la arginina en putrescina. E. faecalis es capaz de transformar la arginina en ornitina, que E. coli utiliza para producir putrescina; E. coli puede usar la arginina y producir agmatina, pero no puede obtener putrescina sin ayuda. Una vez que se ha producido la putrescina, E. coli y E. faecalis pueden usarla.

    Las relaciones de sintrofía se basan frecuentemente en la capacidad de una población de suministrar factores de crecimiento a otra. En un medio mínimo, Lactobacillus arabinosus y E. faecalis pueden crecer juntos, pero no por separado.

    De manera parecida, una población mixta de especies de Nocardia y Pseudomonas puede degradar el ciclohexano, pero no puede hacerlo ninguna de las dos poblaciones por separado. La relación se basa en la capacidad de Nocardia de metabolizar el ciclohexano, formando productos que alimentan a las especies de Pseudomonas. Éstas producen biotina y factores de crecimiento que las especies de Nocardia requieren para su crecimiento.

    BIODEGRADACIÓN

    Pesticidas

    El principal problema con respecto a productos químicos fueron los pesticidas clorados, siendo el de mayor importancia el DDT.

    Dos características de los pesticidas clorados que conducen a un gran perjuicio son su resistencia a la biodegradación y su hidrofobia. Esta última significa una fuerte afinidad a materia orgánica del suelo y tejidos grasos. Los pesticidas clorados son captados y concentrados por el plancton. Posteriormente se concentran en el tejido graso de los peces que comen el plancton y se concentran finalmente en pájaros y otros carnívoros, como el ser humano. Esta tendencia a acumular biológicamente propulsa sus impactos negativos en organismos superiores.

    La tendencia de los pesticidas clorados a su gran reparto entre el suelo y tejidos grasos fue anteriormente reconocida como uno de los aspectos de su resistencia a la biodegradación por microorganismos.

    La estructura química de los pesticidas clorados los convierte además, en escasamente susceptibles a reacciones de trasformación biológica, especialmente en condiciones aerobias. Los sustituyentes clorados y la gran ramificación bloquean los lugares de ataque de las enzimas.

    Los pesticidas clorados son muy resitentes a la trasformación en condiciones aerobias, pero no tanto a las condiciones anaerobias. Realmente, todos los pesticidas de la figura 1, excepto el heptacloro epóxido, se transformaban en condiciones de metanogénesis anaerobias. Una observación interesante en el caso del DDT es que era rápidamente deshalogenado por reducción a DDD y que el DDD desaparecía también, pero más lentamente.

    En la actualidad se reconoce corrientemente que la deshalogenación reductora se produce en condiciones anaerobias fuertemente reductoras para todos los compuestos aromáticos y alifáticos clorados. Aunque esta observación es interesante, y a veces importante, las condiciones de reducción fuerte no se producen en todas partes en el medio ambiente, por lo que no puede contarse con ellas, en general, para llevar a cabo la eliminación de toxicidad de compuestos clorados. El otro aspecto es que la halogenación reductora no produce necesariamente la total destrucción del producto químico. De ello es un ejemplo la formación de DDD a partir de DDT.

    Los pesticidas basados en fósforo son en general muy tóxicos, pero expuestos al agua se hidrolizan bastante rápido de forma química o mediante enzimas.

    Los pesticidas de carbamato se transforman rápidamente en el medio ambiente mediante hidrólisis.

    Los pesticidas de s-triacina son biodegradables. La atracina es uno de los miembros de las s-triacinas que más corrientemente se encuentran por ser uno de los herbicidas más utilizado. La biodegradación de la atracina implica la eliminación en etapas de cadenas laterales alquílicas, seguida de desaminación, deshalogenación y escisión del anillo.

    Figura 1: Pesticidas clorados típicos utilizados en el pasado.

    Figura 2: Otras formas de pesticidas de uso corriente.

    Detergentes sintéticos

    Existen tres tipos básicos de detergentes sintéticos: aniónicos, catiónicos y no iónicos. Los detergentes no iónicos no están ionizados y su solubilidad depende de polímeros de óxido de etileno unidos a un extremo hidrófobo que disuelve las grasas. Un motivo de preocupación en los últimos años ha sido el descubrimiento de que los detergentes no iónicos del tipo alquilato tienden a persistir en aguas naturales.

    La relativa persistencia de alquilfenoles polietoxilados está relacionada con el grupo hidrófobo alquilo ramificado unido al anillo aromático (ver figura 3). Generalmente, contienen 8 o 9 carbonos. El alto grado de ramificación de estos grupos alquilícos imparte resistencia a la biodegradación.

    La trayectoria de biodegradación general en condiciones aerobias y anaerobias comienza con la degradación de la cadena lateral del óxido de etileno. La escisión de la cadena lateral del anillo aromático deja un residuo de alquilfenol. Resulta también interesante el descubrimiento de que al clorar agua para suministro y aguas residuales, los grupos alquilo pueden llegar a clorarse o bromarse, lo que conduce a compuestos orgánicos halogenados de estructura parecida a los pesticidas, pudiendo tener propiedades tóxicas. Incluso sin halogenación, los residuos de alquilfenol polietoxilado muestran toxicidad a peces.

    Figura 3: Distintas clases de detergentes sintéticos

    Hidrocarburos

    Los compuestos orgánicos constituidos exclusivamente de carbono e hidrógeno se denominan hidrocarburos.

    Una característica común de los hidrocarburos es que son biodegradables de forma aerobia. Sin embargo, la tasa de biodegradación aerobia depende de la complejidad de la molécula. Los hidrocarburos grandes muy ramificados, o que contienen muchos anillos aromáticos son difíciles de degradar. Uno de los aspectos de su escasa biodegradabilidad es su baja solubilidad en agua. El otro es que la compleja estructura hace difícil que los organismos encuentren el lugar para realizar el ataque enzimático inicial.

    El paso inicial en la degradación de hidrocarburos por bacterias es, generalmente, la introducción de oxígeno en la molécula con una oxigenasa, que requiere una inversión de energía en forma de NAD(P)H y oxígeno elemental. El hidrocarburo se oxida mediante dos electrones como NADH.

    La ventaja para los microorganismos es que los productos de las reacciones de oxigenación están más disponibles. Específicamente los productos son fácilmente atacados en posteriores reacciones de deshidrogenación e hidroxilación, que producen NADH y son más solubles en agua.

    En la actualidad son muchos los hidrocarburos aromáticos que se sabe son biodegradables en ausencia de oxígeno, se han aislado organismos que efectúan la biodegradación de muchos hidrocarburos aromáticos y se han descubierto trayectorias bioquímicas por medio de las que el oxígeno procedente del agua o de hidrocarburos carboxílicos se introduce en el anillo aromático. En general, las reacciones anaerobias son bastante lentas comparadas con sus contrapartidas aerobias, pero se producen y tienen importancia en el caso de los hidrocarburos aromáticos. Está surgiendo la evidencia de que los hidrocarburos alifáticos también pueden degradarse en ausencia de oxígeno.

    • BTEX y MTBE:

    Los compuestos BTEX tienen un significado especial debido a que son tóxicos y más solubles en agua que el resto de los hidrocarburos de la gasolina.

    Estos compuestos se biodegradan en condiciones aerobias. El paso inicial de oxidación es difícil y requiere una oxidasa junto a oxígeno elemental y energía en forma de NADH. La biodegradación de los BTEX la pueden iniciar muchas oxidasas distintas.

    La dioxigenasa añade dos átomos de oxígeno al anillo a la vez, mientras que la monooxigenasa añade uno.

    En todas las trayectorias de los hidrocarburos aromáticos intervienen reacciones de oxidación, hasta el extremo de que dos grupos hidroxilo quedan situados uno junto al otro en el anillo. El anillo se disocia entonces por la adición de más oxígeno, bien entre los dos carbonos unidos a los grupos hidroxilo (fisión orto) o a uno de los dobles enlaces adyacentes (fisión meta). Esto produce un compuesto alifático carboxilado que puede ser posteriormente oxidado por las reacciones de deshidrogenación e hidroxilación habituales.

    Figura 4: Principales hidrocarburos aromáticos constituyentes de la gasolina, conocidos generalmente como compuestos BTEX

    • Hidrocarburos aromáticos policíclicos ( PAH)

    Los PAH se forman por la combustión incompleta de materia orgánica, de forma natural, y por actividad humana.

    Los PAH son biodegradables en condiciones aerobias. Los compuestos de dos a cuatro anillos son bastante fácilmente biodegradados por muchos organismos. Como en el caso de los compuestos BTEX, la oxidación se inicia por oxigenasas que requieren oxígeno elemental. Los PAH de mayor número de anillos, sin embargo, son bastante resistentes a la biodegradación, debido, de nuevo, a su complejidad y baja solubilidad.

    • Disolventes clorados y otros hidrocarburos alifáticos halogenados.

    Los disolventes clorados son los contaminantes orgánicos más frecuentes en aguas subterráneas. Los hidrocarburos alifáticos clorados (CAH), y compuestos clorados relacionados, contienen, generalmente, uno o dos átomos de carbono y de uno a seis átomos de cloro.

    Los CAH más corrientemente usados no son compuestos naturales, y quizá por esta razón no han evolucionado suficientemente los sistemas de enzimas capaces de degradarlos para hacer que sean ampliamente biodegradables. Esta naturaleza resistente se relaciona también con el hecho de que son muy resistentes a la descomposición química, lo que es una de las razones principales por las que su uso comercial ha alcanzado tal éxito.

    El orden de su resistencia a la degradación biológica está estrechamente relacionado a la fuerza del enlace halógeno-carbono.

    La relativa resistencia a la biodegradación de productos orgánicos halogenados aumenta del bromo al flúor, pasando por el cloro.

    Aunque los CAH son resistentes, pueden ser transformados biológicamente en condiciones adecuadas. En primer lugar algunos pueden usarse como donantes de electrones para generar energía y crecimiento, tanto en condiciones aerobias como anaerobias. En segundo lugar, otros se transforman estrictamente mediante cometabolismo. En tercer lugar, algunos pueden usarse como aceptores de electrones, tanto para generar energía o por cometabolismo.

    Figura 5: Principales hidrocarburos alifáticos clorados (CAH), que se han encontrado contaminando aguas subterráneas y las trayectorias de transformación biológica, cuya existencia es conocida (indicadas con una x)

    • Hidrocarburos aromáticos clorados

    Los compuestos aromáticos clorados comprenden bencenos clorados de anillo único, fenoles, clorados y benzoatos clorados y compuestos de dos anillos, como los difenilos policlorados.

    Los compuestos de anillo único son fácilmente biodegradables y sirven como sustratos primarios para energía de organismos y crecimiento en condiciones aerobias. La biodegradación anaerobia de estos compuestos no se consigue tan fácilmente.

  • Difenilos policlorados ( PCB)

  • Pese a su naturaleza altamente resistente, los PCB pueden biodegradarse cuando se producen los adecuados microorganismos y condiciones ambientales. La degradación de los PCB puede producirse tanto en condiciones aerobias como anaerobias. En general, los PCB menos clorados son más fácilmente transformados de forma aerobia, mientras que los más clorados se transforman más fácilmente en condiciones anaerobias.

    En condiciones aerobias, la molécula de difenilo (armazón de la molécula de PCB) se degrada de forma parecida a otros hidrocarburos aromáticos: añadiendo oxigenasa de oxígeno elemental a uno de los anillos aromáticos produciendo grupos hidroxilo. Si la oxidación continúa, se produce la escisión de uno de los anillos, pudiendo conducir, eventualmente a ácido benzoico. Este ácido sigue la trayectoria habitual de los hidrocarburos aromáticos, su anillo se oxida, se escinde y continúa la oxidación.

    Los PCB con pocos átomos de cloro en la molécula pueden entrar fácilmente en la trayectoria de la oxidación aerobia del difenilo, pero mayores cloraciones hacen difícil el ataque mediante enzimas del anillo. Los PCB más sujetos a degradación aerobia son los que contienen de uno a tres átomos de cloro en la molécula.

    Lo mismo que en otras deshalogenaciones los PCB actúan como aceptores de electrones, lo que requiere la presencia de donantes de electrones.

    Una de las principales barreras para una deshalogenación más rápida es la insolubilidad de los PCB más clorados y su enorme reparto entre las partículas del sedimento, haciéndolas menos disponibles a la biodegradación.

  • Pentaclorofenol:

  • El efecto combinado del gran reparto entre materia orgánica en el suelo y toxicidad hace algo difícil la biodegradación aerobia de este compuesto.

    En el caso de la oxidación aerobia, un primer paso es la deshalogenación oxigenolítica. Este primer paso se produce mediante hidrólisis o por la acción de una enzima oxigenasa, oxígeno elemental y dos NAD(P)H.

    También se produce la degradación anaerobia, esto es de gran importancia, ya que las aguas subterráneas contaminadas suelen ser anaerobias. Esta degradación anaerobia se produce fácilmente en cultivos mezcla. El PCP sirve como un aceptor de electrones en deshalogenación reductora de la misma manera que en el caso de otros compuestos orgánicos halogenados alifáticos o aromáticos. Por ello a fin de conseguir la deshalogenación anaerobia necesita estar presente un donante de electrones, como el acetato o el hidrógeno elemental.

    Es posible la completa deshalogenación del fenol, por lo que el fenol se biodegrada de forma anaerobia. La mineralización del PCP en condiciones anaerobias puede suministrar los electrones necesarios para conducir la eliminación reductora del cloro

  • Dioxinas:

  • La biodegradación es una alternativa deseable, pero las dioxinas y los compuestos relacionados son muy resistentes a la biodegradación.

    En muchos estudios sobre biodegradación aerobia sólo se observa una limitada transformación de dioxinas, que generalmente supone la adición de oxígeno con enzimas oxigenasas, dando como resultado la formación improductiva de análogos mono y dihidroxilados, que tienden a acumularse sin posterior degradación.

    Sin embargo las bacterias que contienen dioxigenasas selectivas que sustituyen simultáneamente un grupo OH en un carbono portador de un enlace éter y en un carbono adyacente sin sustituir conducen a la escisión de enlaces éter y a la mineralización del compuesto.

    Por otra parte, como en el caso de los PCB, la deshalogenación es un proceso muy lento.

    Figura 7: Estructura de la dioxina clorada y otros compuestos relacionados.

    Explosivos

    Los principales explosivos son: TNT, RDX y HMX. Una característica de ellos es la presencia de grupos nitroso (- NO2) en la molécula.

    La transformación del TNT produce generalmente la reducción de un grupo nitroso para formar un grupo amino.

    Los productos de transformación amínica están sometidos a interacciones posteriores entre sí y con compuestos del suelo, formando complejos estables mediante enlaces covalentes. Los productos que se forman son grandes e insolubles. Por ello la desaparición del TNT se observa a menudo en entornos biológicamente activos, pero no se produce corrientemente la mineralización.

    El RDX es más fácilmente mineralizable que el TNT y no está sometido a procesos de transformación parcial; sin embargo la tasa a la que el RDX desaparece habitualmente es más lenta que la del TNT.

    La transformación biológica del HMX se produce principalmente en condiciones anaerobias, conduciendo a la formación de intermedios mono y di nitrosos.

    Figura 8: Explosivos corrientes problemáticos para el medio ambiente.

    Elementos inorgánicos:

    Los procesos microbianos pueden afectar a la evolución de los contaminantes del medio ambiente inorgánicos. Aunque no se pude destruir a los elementos inorgánicos, los microorganismos pueden cambiar su especificidad de tal forma que sean señaladamente alteradas su movilidad y toxicidad. La precipitación, volatilización, adsorción y solubilización son las reacciones que alteran la movilidad de los elementos inorgánicos.

    Uno de los métodos por los que los microorganismos pueden reducir concentraciones de elementos inorgánicos en el agua es mediante inmovilización en la biomasa de microbios, o exopolímeros microbianos.

    La adsorción hidrófoba, la formación de complejos o la incorporación como cofactores esenciales son los mecanismos por los que los elementos inorgánicos pueden concentrarse en la biomasa.

    Existe el potencial de llevar a cabo la inmovilización y la peligrosidad de muchos compuestos inorgánicos peligrosos mediante procesos biológicos. Sin embargo, las transformaciones biológicas también pueden ocasionar el efecto inverso, ocasionado que sean más móviles, más dispersos y más tóxicos.