respiración de las bacterias

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172 CAPITULO V RESPIRACIÓN ANAEROBIA 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. (Figura N° 5.1 y Cuadro N° 5.1). Figura N° 5.1. Respiración Anaerobia Fuente: (Diaz-Baez, M.; Espitia, S. y Molina, F. 2002).

Author: manueljaimes13

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Respiracion bacterias

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  • 172

    CAPITULO V

    RESPIRACIN ANAEROBIA

    En los organismos aerobios el oxgeno es el receptor final de los electrones

    durante la respiracin. Esto es muy eficiente pues el oxgeno tiene un potencial

    muy bajo de reduccin. Los organismos anaerobios utilizan receptores de

    electrones que tienen un potencial ms alto de reduccin que el oxgeno, lo que

    significa que la respiracin es menos eficiente y conduce generalmente a tasas

    de crecimiento ms lentas que en los aerobios. Muchos anaerobios facultativos

    pueden utilizar tanto oxgeno como receptores finales de electrones alternativos

    para la respiracin dependiendo de las condiciones ambientales. La mayora de

    los organismos de respiracin anaerobia son hetertrofos, aunque hay algunos

    auttrofos. Todos los procesos que describiremos a continuacin son

    disimilativos, es decir que proporcionan energa pero no nutrientes para la

    clula (lo que sera asimilativo). Se conocen tambin las rutas asimilativas de

    muchas formas de respiracin anaerobia. (Figura N 5.1 y Cuadro N 5.1).

    Figura N 5.1. Respiracin Anaerobia

    Fuente: (Diaz-Baez, M.; Espitia, S. y Molina, F. 2002).

    E0119924Resaltado

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  • 173

    En ausencia de un aceptor externo de electrones, muchos organismos pueden oxidar

    algunos compuestos orgnicos con liberacin de energa, proceso denominado

    fermentacin. Bajo esas condiciones slo se produce la oxidacin parcial del

    compuesto orgnico, y nicamente es liberada una pequea parte de la energa,

    permaneciendo el resto en los productos resultantes (Cuadro N 5.2). Esas oxidaciones

    parciales implican la misma sustancia como dador y aceptor de electrones a la vez.

    Cuadro N 5.1. Principales Reacciones Bioqumicas del Proceso de la Digestin

    Anaerobia.

    Fuente: (Zinder, 1998).

    Cuadro N 5.2. Resumen de los diferentes tipos de fermentaciones

    ACEPTORES DE ELECTRONES PRODUCTOSNitrato (NO3-) Nitrito (NO2-)

    Oxido Nitroso (N2O)Nitrgeno (N2)

    Nitrito (NO2-) Oxido nitroso (N2O)Nitrgeno (N2)

    Sulfato (SO4-2) Sulfuro (H2S)

    Hierro frrico (Fe+3) Hierro ferroso (Fe+2)

    Dixido de Carbono (CO2) Metano (CH4)

  • 174

    Fuente: Zinder, S. 1998

    5.1. DESNITRIFICACIN

    Desnitrificacin: es un proceso anxico en el cual los nitratos son reducidos a

    nitrgeno gaseoso. Las desnitrificacin es utilizada en post-tratamientos de

    aguas residuales para remover nutrientes

    La desnitrificacin (o denitrificacin) es la reduccin bioqumica del ion nitrato

    (NO3), presente en el suelo o el agua, a xido de nitrgeno (N2O) o como

    nitrgeno molecular o diatmico (N2) que es la sustancia ms abundante en la

    composicin del aire, as el nitrgeno regresa a la atmsfera. Por su lugar en el

    ciclo del nitrgeno este proceso es el opuesto a la fijacin del nitrgeno. Este

    proceso se consigue bajo condiciones anxicas o anaerobias (sin oxgeno). Es

    fundamental para que el nitrgeno vuelva a la atmsfera y comience el ciclo

    nuevamente.

    El uso desasimilativo de nitrato se llama desnitrificacin, y ocurre por medio de

    una serie de fases donde el N va cambiando su estado de oxidacin. La

    desnitrificacin es un proceso de anoxia en el que hay un dador de electrones

    E0119924Resaltado

  • 175

    orgnico o inorgnico, se oxidan sustratos a expensas de la reduccin de

    nitrato (NO3-) o nitrito (NO2-) a nitrgeno gas (N2) como se muestra a

    continuacin:

    La desnitrificacin es la utilizacin del nitrato (NO3-) como receptor terminal de

    electrones. Es un proceso extensamente distribuido y utilizado por muchos

    miembros de Proteobacteria.

    Muchos anaerobios facultativos utilizan la desnitrificacin porque el nitrato,

    como el oxgeno, tiene un bajo potencial de reduccin. Muchas bacterias

    desnitrificadoras pueden tambin utilizar el hierro frrico (Fe3+) y algunos

    compuestos orgnicos como receptores de electrones.

    La desnitrificacin implica la reduccin paso a paso del nitrato (NO3-) al nitrito

    (NO2- ), al xido ntrico (NO), al xido nitroso (NO2) y al nitrgeno (N2) mediante

    las enzimas nitrato reductasa, nitrito reductasa, xido ntrico reductasa y xido

    nitroso reductasa, respectivamente.

    Los protones son transportados a travs de la membrana por la NADH

    reductasa, las quinonas y el xido nitroso reductasa para producir el gradiente

    electroqumico crtico para la respiracin. (Figura N 5.2)

    E0119924Resaltado

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    Figura N 5.2. Procesos de Desnitrificacin

    Fuente: (Pares I.F. y A. Jurez, 1997).

    Algunos organismos (por ejemplo, E. coli) producen solamente nitrato reductasa

    y, por lo tanto, solo pueden realizar la primera reduccin, lo que lleva a la

    acumulacin del nitrito. Otros (por ejemplo, Paracoccus denitrificans o

    Pseudomonas stutzeri) reducen el nitrato totalmente. La desnitrificacin

    completa es un proceso ambientalmente significativo porque algunos productos

    intermedios de la desnitrificacin (xido ntrico y xido nitroso) son gases

    importantes que reaccionan con la luz del sol y el ozono para producir cido

    ntrico, un componente de efecto invernadero de la lluvia cida.

  • 177

    La desnitrificacin es tambin biolgicamente importante en el tratamiento de

    aguas residuales donde se utiliza para reducir la cantidad de nitrgeno emitida

    al ambiente de tal modo que reduce la eutrofizacin.

    5.1.1. Tipos de Desnitrificacin

    La desnitrificacin requiere un sustrato oxidable ya sea orgnico o inorgnico

    que acte como fuente de energa, por lo que la desnitrificacin puede llevarse

    a cabo tanto por bacterias hetertrofas como auttrofas.

    El mayor problema de la desnitrificacin biolgica es la contaminacin potencial

    del agua tratada con: bacterias, fuente de carbono residual (desnitrificacin

    hetertrofa) y la posibilidad de formacin de nitritos, lo cual hace necesario un

    post-tratamiento. A da de hoy, los procesos desarrollados para la

    desnitrificacin biolgica son diversos usando distintos sustratos y diferentes

    configuraciones de reactores. Pero hay que destacar que prcticamente la

    totalidad de los sistemas de desnitrificacin desarrollados se basan en la

    desnitrificacin hetertrofa habiendo un gran vaco en el conocimiento y

    desarrollo de la desnitrificacin auttrofa.

    A. Desnitrificacin Hetertrofa

    En la desnitrificacin hetertrofa, un sustrato orgnico,

    como metanol, etanol, cido actico, glucosa, etc. acta como fuente de

    energa (donador de electrones) y fuente de carbono.

    La desnitrificacin hetertrofa es un proceso biolgico de reduccin del nitrato

    presente en las aguas residuales a nitrgeno molecular en condiciones

    anxicas por la accin de bacterias hetertrofas

    (Pseudomonas, Paraccocus, Alcaligenes, Thiobacillus, Bacillus), que usan un

    sustrato orgnico como fuente de carbono y energa.

    En el proceso de desnitrificacin existe adems la posibilidad de acumulacin

    de intermediarios (NO2, N2O, NO) debido al tipo y concentracin del sustrato

    empleado o a las condiciones de operacin (temperatura, pH, tiempo de

    residencia hidrulico, tiempo de retencin celular). En base a esto, para que la

  • 178

    transformacin culmine en N2, debern controlarse las condiciones ambientales

    como el nivel de O2 disuelto, la fuente de carbono orgnico, la concentracin de

    nitratos, la relacin C/N, la disponibilidad de fsforo, pH, temperatura y posible

    presencia de txicos.

    Una de las reacciones que implica una desnitrificacin hetertrofa podra ser la

    de la oxidacin del cido actico:

    1.25 CH3COOH + 2 NO3- 2.5 CO2 + N2 + 2 OH- + 1.5 H2O.

    G=-1054.8 kJ/ reaccin.

    La desnitrificacin hetertrofa es ampliamente aplicada por su alta eficiencia y

    bajo costo. La tasa de desnitrificacin heterotrfica es alta, permitiendo el uso

    de reactores de poco volumen y bajos costes. Sin embargo el carbn residual

    de este proceso causa diversos problemas para el tratamiento de aguas

    potables, lo que convierte a la desnitrificacin auttrofa en una buena

    alternativa.

    B. Desnitrificacin Auttrofa

    En la desnitrificacin auttrofa, la fuente de energa es inorgnica,

    como hidrgeno o compuestos reducidos de azufre: sulfhdrico (H2S)

    o tiosulfato (S2O32-), la fuente de carbono, tambin inorgnica, es el CO2.

    Algunas bacterias desnitrificantes son quimiolitoauttrofas y pueden oxidar

    compuestos inorgnicos de azufre como sulfhdrico (H2S), azufre elemental

    (S0), tiosulfato (S2O32-) o sulfito (SO32-) anaerbicamente a expensas de la

    reduccin del nitrato. Entre ellas, auttrofos obligados que crezcan a pHs

    neutros tan solo se conocen dos: Thiobacillus denitrificans y Thiomicrospira

    denitrificans y pueden llevar a cabo la sulfoxidacin en condiciones aerbicas o

    anxicas. Recientemente se ha aislado Thioalkalivibrio denitrificans, un

    auttrofo, oxidador de azufre, capaz de crecer anaerbicamente usando nitrito

    como aceptor de electrones a pH bsico.

    Las ventajas de este proceso respecto a la heterotrofa son varias. Para el

    tratamiento de aguas residuales, evita tener que aadir materia orgnica,

  • 179

    reducindose as los costes, y para tratamiento de aguas potables, evita

    carbono residual en el efluente, ya que reduce el riesgo de sobrecrecimiento en

    los sistemas a tratar y de desinfeccin de la zona por los productos producidos

    debido a que los organismos autotrfos crecen ms despacio y producen

    menos biomasa, con la consiguiente formacin de menos productos celulares.

    Adems los organismos auttrofos estn mejor adaptados para el tratamiento

    de aguas subterrneas porque crecen a bajas concentraciones de compuestos

    orgnicos biodegradables. Tambin posee un gran inters comercial y desde el

    punto de vista de la biotecnologa ambiental puesto que es uno de los pocos

    ejemplos en los que puede oxidarse biolgicamente compuestos reducidos del

    azufre (sulfoxidacin) en ausencia de oxgeno elemental.

    Pero la principal ventaja de este proceso es la aparicin de la desnitrificacin

    acoplada a la oxidacin de compuestos reducidos del azufre, combinando la

    eliminacin simultnea de dos tipos de contaminantes, los nitratos y los

    compuestos reducidos del azufre teniendo as gran inters por sus aplicaciones

    biotecnolgicas.

    5.1.2. Aplicaciones

    Algunas de las aplicaciones, reales o potenciales de la desnitrificacin auttrofa

    son:

    Control de problemas de corrosin y olores por sulfdrico en sistemas dealcantarillado mediante la adiccin de nitrato.

    Estimulacin, mediante adiccin de nitratos, de la degradacin biolgicadel sulfhdrico en salmueras de campos petrolferos, reduciendo los

    problemas asociados a su toxicidad, corrosividad y tendencia a formar

    metales insolubles de azufre.

    Tratamiento del biogs o gas natural para eliminar el H2S presente. Eliminacin simultanea de N y S en el tratamiento de aguas residuales

    mediante recirculacin de los nitratos resultantes de la fase de

    nitrificacin, a una fase anaerobia, reduciendo los nitratos y oxidando los

  • 180

    sulfuros, alcanzando un doble beneficio en una sola etapa. Esta

    aproximacin no es solo terica y ya ha sido ensayada para tratar los

    efluentes de produccin de levaduras.

    Eliminacin de nitratos del agua potable y agua residual usando S. Eliminacin de nitrato de aguas subterrneas mediante la insercin

    de membranas con hidrgeno y dixido de carbono o usando un lecho

    mixto con sulfuro y grnulos de calcita en proporcin de volumen 1:1

    con Thiobacillus denitrificans.

    En condiciones de mucha humedad en el suelo, la falta de oxgeno obliga a

    ciertos microorganismos a emplear nitrato en vez de oxgeno en su respiracin.

    Por tanto, la capacidad de reducir el nitrato a compuestos gaseosos est

    limitada a los organismos que pueden utilizar el oxgeno del nitrato y del nitrito

    en su metabolismo. Por tanto, las condiciones ms favorables para que tenga

    lugar la desnitrificacin bacteriana incluyen la existencia de un drenaje

    deficiente, una temperatura superior a 25C, baja acidez del suelo y suficientes

    aportes de materia orgnica fcilmente descomponible.

    5.1.3. Bacterias Desnitrificantes

    La conversin del nitrgeno, en forma de nitratos, a formas ms rpidamente

    eliminables se puede llevar a cabo gracias a la accin de diversos gneros de

    bacterias. De entre ellas, se pueden destacar:

    Auttrofos: Pseudonomas, Alcaligenes, Bacillus, Agrobacterium. Quimiolitrtofos: Thiobacillus, Thiomicrospira, Nitrosomas. Diaztrofos: Rhizobium, Azospirillum. Fottrofos: Rhodopseudomonas. Arqueobacterias: Halobacterium. Hetertrofas: Achromobacter, Aerobacter, Alcalibacter, Alcaligenes,

    Bacillus, Brevibacterium, Flavobacterium, Lactobacillus, Micrococcus,

    Proteus, Pseudomonas y Spirillum.

    Se incluyen varias especies de Pseudomonas, Alcaligenes y bacilos. Por su

    actividad las prdidas de nitrgeno en la atmsfera es ms o menos equilibrada

  • 181

    por lo que se elimina en el suelo por las bacterias nitrificantes, que forman el

    ciclo relativamente fiable.

    Un grupo de bacterias que reducen los nitratos o nitritos en nitrgeno que

    contienen los gases. Los posibles ejemplos incluyen

    Thiobacillus denitrificans, Micrococcus denitrificans, Paracoccus y

    Pseudomonas . Esto es importante ya que permite nitrgeno al ciclo (ciclo de

    nitrgeno) nuevamente en la atmsfera. Estas bacterias tambin se han

    implicado en el agotamiento de la fertilidad del suelo, y con ello la productividad

    agrcola.

    5.2 REDUCCIN DEL SULFATO

    Los sulfatos son las sales o los steres del cido sulfrico.

    Contienen como unidad comn un tomo de azufre en el centro

    de un tetraedro formado por cuatro tomos de oxgeno.

    Las bacterias reductoras de sulfato pueden ser utilizadas para

    convertir el sulfato (SO42-) o sulfito (SO32-) a sulfuro (S2-) como se muestra en la

    reaccin inferior. Las bacterias utilizan sustratos dadores de electrones

    presentes en aguas residuales (contaminacin orgnica) o agregando sustratos

    para la reduccin de sulfato. Los sustratos son parcialmente oxidados

    (por ejemplo, al acetato) o totalmente oxidado a dixido de carbono.

    181

    por lo que se elimina en el suelo por las bacterias nitrificantes, que forman el

    ciclo relativamente fiable.

    Un grupo de bacterias que reducen los nitratos o nitritos en nitrgeno que

    contienen los gases. Los posibles ejemplos incluyen

    Thiobacillus denitrificans, Micrococcus denitrificans, Paracoccus y

    Pseudomonas . Esto es importante ya que permite nitrgeno al ciclo (ciclo de

    nitrgeno) nuevamente en la atmsfera. Estas bacterias tambin se han

    implicado en el agotamiento de la fertilidad del suelo, y con ello la productividad

    agrcola.

    5.2 REDUCCIN DEL SULFATO

    Los sulfatos son las sales o los steres del cido sulfrico.

    Contienen como unidad comn un tomo de azufre en el centro

    de un tetraedro formado por cuatro tomos de oxgeno.

    Las bacterias reductoras de sulfato pueden ser utilizadas para

    convertir el sulfato (SO42-) o sulfito (SO32-) a sulfuro (S2-) como se muestra en la

    reaccin inferior. Las bacterias utilizan sustratos dadores de electrones

    presentes en aguas residuales (contaminacin orgnica) o agregando sustratos

    para la reduccin de sulfato. Los sustratos son parcialmente oxidados

    (por ejemplo, al acetato) o totalmente oxidado a dixido de carbono.

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    por lo que se elimina en el suelo por las bacterias nitrificantes, que forman el

    ciclo relativamente fiable.

    Un grupo de bacterias que reducen los nitratos o nitritos en nitrgeno que

    contienen los gases. Los posibles ejemplos incluyen

    Thiobacillus denitrificans, Micrococcus denitrificans, Paracoccus y

    Pseudomonas . Esto es importante ya que permite nitrgeno al ciclo (ciclo de

    nitrgeno) nuevamente en la atmsfera. Estas bacterias tambin se han

    implicado en el agotamiento de la fertilidad del suelo, y con ello la productividad

    agrcola.

    5.2 REDUCCIN DEL SULFATO

    Los sulfatos son las sales o los steres del cido sulfrico.

    Contienen como unidad comn un tomo de azufre en el centro

    de un tetraedro formado por cuatro tomos de oxgeno.

    Las bacterias reductoras de sulfato pueden ser utilizadas para

    convertir el sulfato (SO42-) o sulfito (SO32-) a sulfuro (S2-) como se muestra en la

    reaccin inferior. Las bacterias utilizan sustratos dadores de electrones

    presentes en aguas residuales (contaminacin orgnica) o agregando sustratos

    para la reduccin de sulfato. Los sustratos son parcialmente oxidados

    (por ejemplo, al acetato) o totalmente oxidado a dixido de carbono.

    E0119924Resaltado

  • 182

    El Sulfato se comporta como un receptor de electrones alternativos para apoyar

    la respiracin anaerbica. La formacin de sulfuro biognico es el primer paso

    para procesos biotecnolgicos, dirigidos a la eliminacin y recuperacin de

    metales pesados o azufre.

    Durante la degradacin anaerobia de la materia orgnica, puede ocurrir que las

    BSR utilicen el sulfato como aceptor de electrones, aunque pueden utilizar

    tambin compuestos como el tiosulfato, el tetrationato y el azufre elemental. Los

    donadores de electrones ms utilizados por las BSR son H2, lactato, piruvato

    entre otros.

    Las BSR son anaerobios estrictos, ampliamente distribuidas en ambientes

    acuticos y terrestres, cumplen un importante papel en las etapas finales de la

    degradacin de la materia orgnica, especialmente en la remocin de los

    sulfatos presentes en el afluente.

    Pueden crecer en presencia o ausencia de sulfatos, utilizando vas metablicas

    diferentes; una fermentativa y la otra oxidativa

    La reduccin del sulfato es un proceso energtico relativamente pobre usado

    por muchas bacterias Gram negativas (Proteobacterias gamma) y por

    organismos Gram positivos relacionados con Desulfotomaculum o con la

    archaea Archaeoglobus. Como producto final metablico se obtiene sulfuro del

    hidrgeno (H2S).

    Muchos organismos reductores del sulfato son hetertrofos, empleando

    compuestos del carbono tales como lactato y piruvato (entre muchos otros)

    como donadores de electrones mientras que otros son auttrofos, que utilizan el

    gas hidrgeno (H2) como donador de electrones.

    Algunas bacterias auttrofas reductoras del sulfato pueden utilizar el fosfito

    (HPO3-) como donador de electrones (por ejemplo, Desulfotignum

    E0119924Resaltado

  • 183

    phosphitoxidans) o son capaces de generar dos compuestos a partir del azufre,

    en este caso un donador de electrones y un receptor de electrn) usando el

    tiosulfato (S2O32-, por ejemplo, Desulfovibrio sulfodismutans).

    Todos los organismos reductores del sulfato son anaerobios obligados. Puesto

    que el sulfato es energticamente estable, antes de que pueda ser

    metabolizado debe primero ser activado por adenilacin para formar APS

    (adenosina 5-fosfosulfato) de tal modo que se consume ATP. El APS es

    entonces reducido por la enzima APS reductasa a sulfito (SO32-) y AMP.

    En los organismos que utilizan compuestos de carbono como donadores de

    electrones, el ATP consumido es proporcionado por la fermentacin del

    substrato de carbono. El hidrgeno producido durante la fermentacin es

    realmente quin conduce la respiracin durante la reduccin del sulfato.

    Eventualmente, los electrones pasan de la enzima hidrogenasa a la APS

    reductasa, que junto con la sulfito reductasa termina la reduccin del sulfato a

    sulfuro del hidrgeno. El gradiente que mueve al protn se establece debido al

    hecho de que la hidrogenasa, que convierte H2 a 2H+, se localiza en el

    periplasma (o fuera de la clula en las bacterias Gram positivas).

    Bacterias reductoras de sulfato

    Bacteria Desulfovibrio vulgaris; la barra en la parte superior derecha es de

    0,5 micrmetros de largo.

    Muchas bacterias pueden reducir pequeas cantidades de sulfatos con el fin de

    sintetizar azufre que contienen componentes de la clula, lo que se conoce

    como la reduccin del sulfato de asimilacin. Por el contrario, las bacterias

    reductoras de sulfato que pueden reducir grandes cantidades sulfato para

    E0119924Resaltado

  • 184

    obtener energa y expulsar a los sulfuros que resultan como desecho; se

    conoce como la reduccin del sulfato disimilacin.

    Son anaerobios que utilizan el sulfato como el terminal receptor de

    electrones de su cadena de transporte electrnico.

    La mayora de bacterias reductoras de sulfato pueden tambin reducir otros

    inorgnicos oxidados de azufre compuestos, como el sulfito, tiosulfato o azufre

    elemental. Figura N 5.3.

    Figura N 5.3. Sulfato Reduccin en la Degradacin de la Materia Orgnicapolimrica.

    Fuente: (Gibson G., 1998)

    E0119924Resaltado

  • 185

    5.2.1. Reduccin del Sulfato con Lactato

    El lactato y el piruvato pueden ser dadores de electrones para la reduccin del sulfato

    (Figura N 5.4). El lactato es oxidado a piruvato por la lactato deshidrogenasa y los

    electrones producidos son utilizados para producir hidrgeno molecular.

    El piruvato es convertido en CO2, H2 y acetil fosfato por un proceso anlogo al utilizado

    por los clostridios. Se requiere siempre una hidrogenasa citoplasmtica.

    El hidrgeno producido difunde rpidamente a travs de la membrana protoplasmtica,

    siendo recapturado gracias a otra hidrogenasa periplasmtica y su cofactor, el

    citocromo c3.

    Los electrones producidos entran en el citoplasma y los protones crean un gradiente

    protnico a travs del cual puede producirse ATP por la ATP-asa. En el citoplasma los

    electrones producidos son utilizados para la reduccin del APS a sulfuro por la APS

    reductasa y la bisulfito reductasa.

    En esferoplastos de D. gigas que han perdido la hidrogenasa periplasmtica y el

    citocromo c3 no se oxida el lactato con sulfato. Aadiendo hidrogenasa purificada del

    mismo microorganismo y citocromo se restaura parcialmente la actividad (40%).

    D. desulfuricans, creciendo en el quimiostato, puede simultneamente fermentar un

    exceso de piruvato produciendo H2 en tanto que el SO2-4 a concentracin limitante

    sigue siendo reducido. Aadiendo ms SO2-4 deja de producirse H2.

    En el cultivo discontinuo de D. vulgaris, en las primeras etapas de crecimiento, se

    libera H2 y no se forma sulfuro.

    Este ltimo slo aparece despus de que se inicia una recaptacin de H2. No

    obstante, una elevada concentracin exterior de H2 puede inhibir completamente la

    oxidacin del lactato y el piruvato.

    E0119924Resaltado

  • 186

    Figura N 5.4. Ciclo del hidrgeno en las bacterias reductoras del azufre.

    Fuente: (Muoz, A. et al 2001)

    5.2.2. METABOLISMO DEL CARBONO EN LOS SULFATO REDUCTORES

    Los reductores de sulfatos pueden utilizar un nmero muy limitado de fuentes de

    carbono. Este reducido espectro de sustratos utilizables se debe a que la oxidacin

    con sulfato tiene un bajo rendimiento energtico. El sulfato es el nico aceptor final de

    electrones que debe ser primeramente activado reaccionando con ATP para dar

    adenosina fosfosulfato (APS). El APS es reducido a sulfito por transferencia de 2 e- (E'0= -60 mV) y el sulfito es reducido luego a sulfuro (E0 = -116 mV). Esto supone la

    transferencia de 6 e- o de tres transferencias de 2 e-, con tritionato y to- sulfato como

    intermediarios. Como consecuencia de estos relativamente bajos potenciales de xido-

    reduccin, la energa que puede obtenerse de la oxidacin del sustrato es pequea.

    Comprese con el O2 (E0 = +820 mV) y el NO-3 (E'0 = +433 mV).

    E0119924Resaltado

  • 187

    La eliminacin del acetato de los medios anaerobios se consider durante mucho

    tiempo restringida a los metangenos. Sin embargo, Pfen- nig y Biebl mostraron que

    los miembros del nuevo gnero Desulfuromonas producen sulfuro y oxidan acetato a

    CO2 en presencia de azufre elemental. Por otra parte, Desulfobacter postgatei slo puede

    utilizar acetato como sustrato orgnico para el crecimiento. En esta bacteria se han

    encontrado todos los enzimas del ciclo de los cidos tricarboxlicos, por lo que se ha

    propuesto para la oxidacin del acetato la va referida en la Figura N 5.5.

    Figura N 5.5. Metabolismo del acetato en Desulfobacter postgatei

    Fuente: (Pezacka E. y Harland G. W. 1996)

    E0119924Resaltado

  • 188

    La fosforilacin a nivel le sustrato no puede suministrar el ATP necesario para la

    reduccin de sulfato y para el crecimiento. De este modo, se requiere el concurso de

    otro sistema generador de energa concomitante con la oxidacin del acetato.

    Actualmente se cree que la principal distincin taxonmica entre los reductores de

    sulfato debe situarse entre aquellos que pueden oxidar acetato y los que lo acumulan

    como resultado de la oxidacin parcial de otros sustratos orgnicos.

    Las fuentes de carbono sobre las que pueden crecer los reductores de sulfato pueden

    ser CO2, cierto nmero de compuestos orgnicos incluyendo el benzoato pero

    excluyendo azcares e hidrocarburos y, finalmente, cidos orgnicos desde el acetato

    al estearato. Sin embargo, hay un grupo que slo puede oxidar parcialmente un

    nmero muy reducido de compuestos, como el lactato, y otro que puede oxidar una

    amplia variedad de fuentes de carbono, tales como cidos grasos de peso molecular

    relativamente alto. En este ltimo caso se encuentran los que acumulan acetato y los

    que pueden llevar a cabo su mineralizacin.

    Aunque la glucosa no puede ser normalmente utilizada por los reductores de sulfatos,

    se han conseguido adaptar algunas cepas de Desulfotomaculum nigrificans. En estas

    cepas son simultneamente funcionales las vas de Embden-Meyerhof y la de Entner-

    Doudoroff, lo cual es excepcional a pesar de que esta ltima va se haya encontrado

    con carcter exclusivo en algunas bacterias anaerobias. En el caso referido,

    Desulfotomaculum nigrificans lleva a cabo un proceso anlogo a la oxidacin del piruvato

    con SO2-4 con un aporte adicional de produccin interna de H2 con electrones de baja

    energa.

    Muchas especies, incluyendo Desulfovibrio vulgaris y D. desulfuricans, pueden oxidar H2con SO2-4. En estos casos, la asimilacin del carbono, se reparte generalmente entre

    CO2 y acetato en la proporcin del 30% y del 70%, respectivamente. Sin embargo, hay

    especies que pueden crecer auto- trficamente reduciendo CO2.

    E0119924Resaltado

  • 189

    En diversas condiciones, muchos reductores de sulfato producen H2. Por lo tanto, al

    igual que ocurre con el acetato, el H2 puede ser tanto sustrato como producto final del

    catabolismo.

    5.2.3. Importancia Ecolgica

    Se generaliza el sulfato en agua de mar, los sedimentos o el agua rica en materia

    orgnica en descomposicin.

    Las bacterias reductoras de sulfato son comunes en entornos anaerbicos en los que

    la ayudan en la degradacin de materiales orgnicos. En estos ambientes

    anaerbicos, bacterias fermentadoras extraer energa de las grandes molculas

    orgnicas, y resultan pequeos compuestos, como cidos orgnicos y alcoholes que

    son oxidados por acetogenos y metangenos.

    Los lodos procedentes de un estanque, y el color negro se deben a los sulfuros

    metlicos que resultan de la accin de bacterias reductoras de sulfato.

    El txico sulfuro de hidrgeno es un producto de desecho de bacterias reductoras de

    sulfato, y su olor a huevo podrido es a menudo un indicador de la presencia de

    bacterias reductoras de sulfato en la naturaleza. Las bacterias reductoras de sulfato

    son los responsables de los olores sulfurosos de los lodazales. Gran parte del sulfuro

    de hidrgeno reacciona con los iones metlicos en el agua para producir sulfuros

    metlicos. Estos sulfuros metlicos insolubles, como el sulfuro de hierro FeS, a

    menudo son de color negro o marrn, lo que da el color oscuro de los lodos.

    En ingeniera, las bacterias reductoras de sulfato pueden crear problemas cuando las

    estructuras metlicas estn expuestos al sulfato que contienen el agua: la interaccin

    del agua y el metal crea una capa de hidrgeno molecular en la superficie metlica; el

    sulfato de bacterias reductoras oxidan el hidrgeno, la creacin de sulfuro de hidrgeno

    contribuye a la corrosin.

    Algunos microorganismos son capaces de remover azufre de los compuestos

    orgnicos:

    Bajo condiciones de aerobiosis la remocin del azufre o desulfuracin de loscompuestos orgnicos origina formacin de sulfatos: Sulfatacin.

    E0119924Resaltado

  • 190

    Bajo condiciones de anaerobiosis se produce normalmente cido sulfhdricoa partir de la mineralizacin de los compuestos orgnicos sulfurados: Sulfo

    reduccin. Figura N 5.6.

    Figura N 5.6. Alternativas del metabolismo del sulfato a nivel orgnico einorgnico

    Fuente: Londoo Carvajal A. 2002.

    5.2.4. La eliminacin de Metales Pesados y la Recuperacin:

    La forma insoluble de sulfuros biognicos precipita altamente con metales

    pesados (como el cobre o zinc). As, los sulfuros pueden precipitar los metales

    pesados solubles en las aguas residuales arroyos o aguas subterrneas

    contaminadas. Los sulfuros metlicos precipitados se pueden quitar. Dado que

    los iones de los metales estn muy concentrados en el precipitado, pueden ser

    reciclados en la industria para su reutilizacin.

  • 191

    Precipitacin de metales pesados de sulfuros biognicas

    Eliminacin de Azufre y recuperacin:

    Los sulfuros bigenas en parte, pueden oxidarse en condiciones de

    microaerofilia (bajas concentraciones de oxgeno) por las bacterias quimiotrofos

    para formar azufre elemental insoluble (S0) como se muestra en la Figura 5. El

    azufre elemental sedimentado de las aguas residuales se puede recoger para

    su reutilizacin en la industria. Generalmente se utiliza un reactor de

    sulfoxidacin en condiciones de microaerofilia como un post-tratamiento para

    una reduccin de sulfato con el fin de eliminar y recuperar azufre. Los reactores

    de sulfoxidacin tambin se pueden utilizar para limpiar las corrientes de gas

    que contienen sulfuro de hidrgeno (H2S). En la siguiente reaccin se muestra

    la oxidacin de sulfuros en condiciones de microaerofilia por bacterias

    quimiotrofos a azufre elemental

    5.3. ACETOGNESIS

    La Acetognesis es un proceso mediante el cual el acetato es producido

    por bacterias anaerobias de una variedad de fuentes energa (por

    ejemplo, hidrgeno) y el carbono (por ejemplo, el dixido de carbono). Las

    diferentes especies de bacterias que son capaces de acetognesis se

    denominan colectivamente acetogenos.

    En la acetognesis los cidos grasos voltiles se convierten en cido

    actico, dixido de carbono y de hidrgeno. La acetognesis es un tipo de

    metabolismo microbiano que utiliza hidrgeno (H2) como donador de electrones

    y dixido de carbono (CO2) como receptor de electrones para producir acetato

    (en esto es similar a la metanognesis). Las bacterias que pueden sintetizar

  • 192

    autotrficamente acetato se denominan homoacetgenas. La reduccin del

    dixido de carbono en todos los homoacetgenos se produce por la ruta del

    acetilo-CoA. Esta ruta tambin es utilizada para la fijacin del carbono por las

    bacterias reductoras del sulfato auttrofas y por los metangenos

    hidrogenotrofos. A menudo, los homoacetgenos pueden tambin ser

    fermentantes, usando el hidrgeno y dixido de carbono producidos como

    resultado de la fermentacin para producir acetato, que se secreta como

    producto final.

    2 CO2 (aq) + 4H2 (aq) CH3COOH (aq) + 2 H2O

    5.3.1. Bacteria Acetogenas

    Son microorganismos estrictamente anaerobios muchos de los cuales catalizan

    la formacin de acetato a partir de hidrogeno y CO2 en su metabolismo

    energtico. Filogenticamente las bacterias acetogenicas son diversas y a la

    fecha se han descrito 19 gneros.

    Entre sus caractersticas metablicas se han descrito que como las bacterias

    homoacetonas aquellas que forman acetato como nico metabolito y producen

    tres moles de acetato por mol de glucosa. En otros casos puede formarse

    acetato por reduccin del CO2 junto a otros productos de fermentacin como

    alcoholes, cidos grasos voltiles y algunos compuestos aromticos, .tales

    microorganismos constituyen el grupo de las bacterias heteroacetogenas.

    Independientemente tenemos una formacin de acetato que no incluye la

    reduccin de CO2.

    La mayor parte de las bacterias homoacetogenas son capaces de crecer de

    forma autotrfica en una atmsfera de CO2/H2, pero en algunos casos se

    requiere la adicin de extractos de levadura y/o vitaminas. Los metales son

    esenciales para el crecimiento de las acetogenas, pero solo a nivel de trazas.

  • 193

    5.3.2. Formacin de Acetato por fermentacin de sustratos orgnicos

    En general, en el mundo microbiano la formacin de acetato por fermentacin

    puede tener lugar bien por la fermentacin de acetilP a travs de las

    fosfocetolasas, o bien por descarboxilacin del piruvato.

    En el primer caso se encuentran las bacterias del acido actico, las bacterias

    heterofermentativas del acido lctico y los miembros el gnero Bifidobacterium,

    todos los cuales pueden producir acetato a partir de hexosas y pentosas a

    travs de esta va. La 6-fosfohexosa-fosfocetolasa solo s ha detectado en

    alguna bacteria del acido actico y en Bifidobacterium. La presencia de esta

    enzima posibilita transformar las hexosas en acido actico exclusivamente

    (como es el caso de A. xylinum y muchas especies de Bifidobacterium).

    El acido pirvico puede producir acido actico por descarboxilacin. En las

    levaduras y en las bacterias del acido actico se encuentra una descarboxilasa

    que produce directamente acetaldehdo y CO2 a partir del piruvato.

    El acetaldehdo pasa acetato bien mediante una deshidrogenasa dependiente

    de NAD+ o bien de un sistema ligado al citocromo C553 sin otros cofactores.

    Otros muchos microorganismos aerobios y facultativos descarboxilan

    oxidativamente el piruvato para producir acetato mediante reacciones ms

    complejas.

    Por ejemplo, en E. coli se ha descrito un complejo enzimtico formado por tres

    elementos: E1: piruvato deshidrogenasa ligada al TPP, E2: dihidrolipoato

    transacetilasa y E3: dihidrolipoato deshidrogenasa ligada al FAD. Este complejo

    recibe el nombre de piruvato deshidrogenasa Figura N 5.7). La

    descarboxilacin del piruvato tendra lugar a travs de las siguientes etapas:

  • 194

    Figura N 5.7. Etapas de descarboxilacin del piruvato a travs decomplejo enzimtico de E. coli.

    Fuente: (Pares I.F. y A. Jurez, 1997).

    El enzima flavinico se reoxidaria con NAD+, lo cual no es muy frecuente, estando este

    ultimo ligado a un citocromo para su reoxidacin a travs de la cadena de transporte de

    electrones hasta el oxigeno molecular. En bacterias facultativas, como E. coli y B.

    macerans, el complejo de la piruvato deshidrogenasa es drsticamente inhibido en

    ausencia de oxigeno. Su funcin queda sustituida por la piruvato-formiato liasa que no

    requiere NAD+ y produce acetil- CoA y formiato.

  • 195

    El formiato puede acumularse o desdoblaste parcial o totalmente en CO2 y H2 por

    accin de la formiato-hidrogeno liasa (ver capitulo 9 y 14).

    El acetil-CoA se transforma en acetato por el sistema de la fosfotransacetilasa y la

    acetoquinasa que ya ha sido comentado.

    Sin embargo, tambin puede dar etanol por el acetaldehdo deshidrogenasa (ACDH) y

    el alcohol deshidrogenasa (ALDH).

    Todo el sistema resulta mucho ms eficiente para poder aumentar el consumo de

    sustrato, existiendo suficientes recursos para reoxidar el NADH + H+. La formacin de

    acido frmico por descarboxilacin del piruvato tambin tiene lugar en Clostridium

    acidi-urici, lo cual es una excepcin dentro de los miembros de este gnero.En los gneros Clostridium y Desulfovibrio (en ausencia de sulfato) no se forma acido

    frmico y el sistema de descarboxilacin incluye ferredoxina y biotina como cofactores.

    El sistema enzimtico recibe el nombre de piruvato-ferrodoxina oxidorreductasa y la

    reaccin que cataliza suele denominarse ruptura fosforoclastica del piruvato (Figura N

    5.8). C. acidi-urici es una excepcin dentro del gnero Clostridium, ya que utiliza el

    sistema que da lugar a formiato.

    Aparte de los sistemas de descarboxilacin del piruvato descritos, es importante

    resaltar que el enzima CoA transacetilasa puede actuar conjuntamente con el lipoato

  • 196

    transacetilasa en las bacterias que producen juntamente con el lipoato transacetilasa

    en las bacterias que producen acetoina.

    No se necesita NAD+ para la reoxidacin del lipoato, tanto si se produce acetolacto

    como Diacetilo. En las propionibacterias se forma acetil lipoato a partir de acetaldehdo

    activo (CH3- CHOH-TPP-E), regenerndose E-TPP.

    El acetil lipoato reacciona con el CoA, formando acetil-CoA. En este caso el lipoato se

    reoxida con NAD+, no formndose hidrogeno. Esto es lo que puede ocurrir en la

    formacin de acetato a partir del piruvato en algunas bacterias del acido lctico, asi

    como en la fermentacin del lactato por las bacterias del acido propinico.

    Figura N 5.8. Descarboxilacin del piruvato por el complejo piruvato-ferredoxinaoxidorreductasa.

    Fuente: (Murray, R. K. et. al. 2005)

  • 197

    El piruvato reacciona con el enzima (E-TPP, que contiene pirofosfato de tiamina)

    siendo descarboxilado (1). El complejo lactil-enzima es entonces oxidado, generndose

    acetil-CoA (2). Los dos electrones son transferidos a la ferrodoxina, que se reduce.

    Debido al bajo potencial red-x de esta (E0 = -0.41 V), una hidrogenasa puede oxidarla

    generando hidrgeno (3).

    5.3.3. Formacin de Acetato por reduccin directa de CO2

    El acetato puede originarse tanto en procesos fermentativos de sustratos

    orgnicos como en el desarrollo aerobio de diversos microorganismos que

    crecen utilizando materia orgnica. Con independencia de estos dos tipos de

    microorganismos formadores de acetato, existen tambin las bacterias

    denominadas propiamente acetogenicas, las cuales sintetizan este acido a

    partir de CO2 y/o de otros precursores de un solo tomo de carbono. Este grupo

    incluye las bacterias del acido butrico que catalizan esta sntesis.

  • 198

    La sntesis de acetato a partir de CO2 se ha obtenido al inocular un cultivo

    bacteriano que produca acetato a lodos de aguas residuales despus de una

    incubacin en atmsfera de hidrogeno. Clostridium aceticum y Clostridium

    thermoaceticum, convierten a los azucares en acetato y lo sintetiza a partir de

    CO2 y H2.

    5.3.4. La va de Word para la fijacin autotrfica de CO2

    El actual conocimiento de la va de sntesis de acetato desde CO2 en C.

    thermoaceticum se representa en la Figura N 5.9, se conoce con el nombre de

    va de Word o va de los corrinoides. Algunas enzimas son exclusivos de esta

    va metablica: la formiato deshidrogenada (que contiene tungsteno, selenito y

    hierro); la monxido de carbono deshidrogenasa (que tiene nquel, Zinc y

    hierro); la protena corrinoide (que es un derivado de la vitamina B12), y una

    metil-transferasa. Los intermediarios metablicos ms importantes son el

    formiato, los portadores de C1 del tetrahidrofolato y el metil corrinoide.

    La fermentacin de una molcula de glucosa dara dos molculas de piruvato.

    De estas se derivan dos de acetil-coA. Por otra parte, las dos molculas de CO2resultantes de la descarboxilacin del piruvato seguiran dos aminos diferentes

    para acabar produciendo la tercera molcula de acetil-coA. Una de las

    molculas forma metil-tetrahidrofolato (CH3-H4 folato), mientras que la otra

    participa en la reaccin del monxido de carbono deshidrogenasa.

    El metil-tetrahidrofolato pierde el grupo metilo, que pasa al corrinoide (CoE).

    Para que esto se lleve a cabo deben tener lugar las dos reacciones siguientes:

    El grupo metilo del corrinoide se condensa con el monxido de carbono y el

    coenzima A para dar acetil coA:

  • 199

    Figura N 5.9. Fermentacin de la glucosa por C. thermoaceticum y fijacinautotrfica del CO2 por la va de Word para la fijacin autotrfica de CO2

    Fuente: (Pares I.F. y A. Jurez, 1997).

    El intermediario clave de la Co-deshidrogenasa (Co-Ni-E) puede formarse

    tambin a partir de CO y directamente del piruvato con piruvato-ferredoxina

    oxidorreductasa, TPP y ferredoxina. Por otra parte, puede ser el origen del

    metilo del metil-tetrahidrofolato por la reaccin de la CO deshidrogenasa.

  • 200

    En C. thermoaceticum se han aislado varios Co-metilcorrinides, incluyendo Co

    (5-metoxi-bencimidazolil)-Co-metilcobamida y acido Co-metilcobirico. Estos

    compuestos son los precursores del acetil-CoA y no se encuentran libre sino

    unidos a una protena, la deshidrogenasa del monxido de carbono en C.

    thermoaceticum y C. formicoaceticum, la cual lleva nquel.

    De este modo, el COP puede sustituir al piruvato o al CO2 como precursor del

    grupo CH3 del acetato. Una fraccin aislada, la cual contiene una

    Metiltransferasa que puede sintetizar acetil-CoA a partir de monxido de

    carbono utilizando ATP y metiltetrahidrofolato. De esta forma el CO, al igual

    que el CO2, puede formar tanto al grupo metilo como el carboxilo del acetato.

    5.3.5. La generacin de energa en las bacterias acetogenas

    Cuando las bacterias acetogenas crecen con glucosa, transformndola en

    acetato, la acetoquinasa es responsable de la formacin del ATP (Fig.5.3). Por

    otra parte, la reaccin de formacin del metil-tetrahidrofolato implica un

    consumo de ATP. Si bien existe una formacin neta ATP al crecer con glucosa,

    el crecimiento, con CO2/H2 requiere una generacin adicional de energa.

    En muchas bacterias acetogenas se ha demostrado la presencia de

    hidrogenasa. Al parecer hay 2 hidrogenasas una soluble en el citoplasma y otra

    fijada a ala membrana. La primera se utilizara para reoxidar el NADH,

    producindose hidrogeno. La segunda reciclara el hidrogeno formndose ATP

    por el sistema de ATPasa. Cuando crece con azucares, este sistema genera

    ATP con independencia del que se obtiene degradando la glucosa hasta

    piruvato.

    Cuando el crecimiento se realiza en CO2/H2, la hidrogenasa citoplasmtica,

    solo se induce por la presencia de sustratos orgnicos. En atmsfera de

    CO2/H2 funcionaria nicamente el sistema catalizado por la hidrogenasa ligada

    a la membrana y el sistema de ATPasa (Figura N 5.10).

  • 201

    Figura N 5.10. Esquema de los sistemas de transporte de electrones ytransposicin de protones ATPasa en las bacterias acetogenas creciendocon CO2\H2.

    Fuente: (Valdez Vazquez, I., et al. 2004)

    5.3.6. Otras vas metablicas utilizadas por las bacterias Acetogenas:

    En las bacterias acetogenas pueden encontrarse otros mecanismos

    bioqumicas que conducen a la formacin de acetato a partir de diversos

    compuestos orgnicos y CO2.

    A. Sistemas dependientes del Tetrahidrofolato

    A partir de metiltretahidrofolato, amoniaco y CO2 puede sintetizarse glicina, en

    una reaccin catalizada por la glicincarboxilasa (1).la glicina puede convertirse

  • 202

    en acetato mediante la glicina reductasa (2) por otra parte, el metil

    tretahidrofolato puede dar lugar a piruvato, el cual descarboxila posteriormente ,

    dando acetato:

    La glicina formada por la glicincarbixilasa puede tambin incorporar un grupo

    metilo del tetrahidrofolato, generndose finalmente piruvato, el cual es

    descarboxilado a acetato.

    B. Reduccin indirecta del CO2

    Existen indicios existentes que el piruvato puede ser el intermediario para una

    conversin cuantitativa de un mol de glucosa en tres de acetato segn la

    siguiente va: (Figura N 5.11).

  • 203

    Figura N 5.11. Sistema de Reduccin indirecta del CO2

    Fuente: (Pares I.F. y A. Jurez, 1997).

    203

    Figura N 5.11. Sistema de Reduccin indirecta del CO2

    Fuente: (Pares I.F. y A. Jurez, 1997).

    203

    Figura N 5.11. Sistema de Reduccin indirecta del CO2

    Fuente: (Pares I.F. y A. Jurez, 1997).

  • 204

    5.4. REDUCCIN DEL HIERRO FRRICO (FE3+)5.4.1. Mecanismos de la reduccin del hierro frrico (fe3+)

    El hierro frrico es un receptor terminal de electrones extensamente utilizado

    por los organismos anaerobios auttrofos y hetertrofos. El flujo de electrones

    en estos organismos es similar a los que usan como receptores terminales

    oxgeno o nitrato, salvo que en los organismos reductores de hierro frrico la

    enzima final es la hierro-frrico reductasa. Los organismos modelo incluyen

    Shewanella putrifaciens y Geobacter metallireducens. Algunas bacterias

    reductoras del hierro frrico (tales como G. metallireducens) pueden utilizar

    hidrocarburos txicos tales como el tolueno como fuente de carbono, por lo que

    hay un gran inters en usar estos organismos como agentes de

    biorremediacin en acuferos contaminados ricos en hierro frrico.

    Los procesos de solubilizacin y extraccin de elementos recuperables a partir

    de minerales o slidos mediados por la accin de microorganismos (bacterias u

    hongos) son conocidos como biolixiviacion. Si la recuperacin de los metales de

    valor puede ser usada para el enriquecimiento del mineral por remocin de

    impurezas o constituyentes indeseables, a travs de la accin directa o

    indirecta de microorganismos son conocidos como biobeneficiacion,

    La bacteria ms activa en los procesos de biolixiviacion pertenece al gnero

    Thiobacillus, especficamente Thiobacillus ferrooxidans. Muchos tiobacilus son

    especies quimiolitotrofas y su energa deriva de la oxidacin de compuestos de

    azufre reducidos o parcialmente reducidos, incluidos sulfuros, azufre elemental

    y tiosulfato, obtenindose como producto final sulfato.

    Asimismo destacan otras especies como Thiobacillus thiooxidans,

    Metallogenium spp,. Gallionella sp,. Leptospirillum ferroxidans, Acidianus

    brierleym, Sulfolobus spp y Sulfobacillus estas dos ltimas termofilicas,

    Acidithiobacillus ferrooxidans es una cepa bacteriana nativa con capacidad de

    oxidar hierro ferroso y compuestos del azufre, aislada a partir de efluentes y

    material de minas de oro. Despus de 15 das de biooxidacion de sulfuros

  • 205

    metlicos, la bacteria mostr accin catalizadora sobre el proceso de disolucin

    del mineral,

    El pH adecuado es una condicin necesaria para el cecimiento del

    microorganismo y su variacin es decisiva para la solubilizacin de ciertos

    metales presentes en el mineral, siendo determinante para el rendimiento del

    proceso de biolixiviacion, la bacteria Thiobacillus ferrooxidans tiene un rango

    optimo de crecimiento en condiciones altamente acidicas con valores de pH de

    2,0 a 2,5 favorable para la oxidacin de hierro ferroso y sulfuros. Para valores

    de pH cercanos a 2,0 ocurre una considerable inhibicin de T. ferrooxidans.,

    pero Thiobacillus ferrooxidans puede ser adaptado para valores de pH menores

    por adicin de acido.

    5.4.2. Rol bioquimico y microorganismos reductores de Fe3+

    En minerales sulfurosos se ha estudiado el rol del sulfato ferrico y el oxigeno en

    la oxidacin de metales sulfurosos, ya que el primero resalta como el principal

    agente involucrado en el ataque indirecto de dichos minerales las reacciones

    generales que envuelven la accin del hierro ferrico son:

    En la presencia de bacterias ferrooxidantes, el hierro ferroso producido en estas

    reacciones puede ser oxidado a hierro frrico, establecindose por lo tanto un

    proceso cclico. Dicho ataque oxidativo tiene dos etapas (I) la interaccin

    qumica del hierro frrico con el mineral sulfuroso y (II) la regeneracin del

    hierro frrico por la bacteria.El hierro frrico se puede reducir en condiciones

    anxicas a la forma ferrosa, ms soluble.

  • 206

    Si hay suficientes H2S se forman precipitados de sulfuro de hierro. La

    inundacin del suelo crea las condiciones anxicas que favorecen la

    acumulacin de hierro ferroso.

    En ambientes aerbicos, la mayor parte del hierro esta en estado frrico.

    Diversas bacterias forman sideroforos, que unen al hierro facilitando as la

    absorcin celular.

    Algunos quimiolitotrofos oxidan hierro para formar energa celular.

    Estas bacterias oxidadoras del hierro pueden generar grandes cantidades de

    este elemento.

    El hierro frrico es un receptor terminal de electrones extensamente utilizado

    por los organismos anaerobios auttrofos y heterotrfos. El flujo de electrones

    en estos organismos es similar a los que usan como receptores terminales

    oxgeno o nitrato, salvo que en los organismos reductores de hierro frrico la

    enzima final es la hierro-frrico reductasa. Los organismos modelo incluyen

    Shewanella putrifaciens y Geobacter metallireducens. Algunas bacterias

    reductoras del hierro frrico (tales como G. metallireducens) pueden utilizar

    hidrocarburos txicos tales como el tolueno como fuente de carbono, por lo que

    hay un gran inters en usar estos organismos como agentes de

    biorremediacin en acuferos contaminados con hierro frrico

    5.5. OTROS RECEPTORES TERMINALES DE ELECTRONESINORGNICOS

    Adems de los numerosos y comunes receptores terminales de electrones

    enumerados arriba, existen algunos organismos que pueden utilizar iones

    inorgnicos exticos en la respiracin anaerobia. Mientras que estos procesos

    pueden ser a menudo menos significativos ecolgicamente, son de inters

    considerable para la biorremediacin, especialmente de metales pesados. Los

    ejemplos incluyen:

    Reduccin del ion mangnico (Mn4+) al ion manganoso (Mn2+).

  • 207

    Reduccin del selenato (SeO42-) a la selenita (SeO32-) y de la selenita alselenio inorgnico (Se).

    Reduccin del arseniato (AsO43-) al arsenito (AsO33-).

    5.5.1. Reduccin del ion Mangnico (Mn4+) al ion Manganoso (Mn2+).

    De manera semejante al hierro, los microorganismos tambin, lo reciclan de

    su estado reducido a oxidado.

    El manganeso se encuentra en la ecosfera tanto en su forma reducida o

    manganosa (Mn2+) como en su forma oxidada o mangnica (Mn4+)

    La estabilidad de estos iones depende mucho del pH y del potencial redox.

    En presencia de oxigeno con un pH superior a 8 el ion manganoso se oxida a

    ion mangnico tetravalente, este forma un dixido (MnO2) insoluble en agua,

    que no se puede asimilar directamente a las plantas.

    En algn hbitat marino y de agua dulce, la precipitacin de manganeso

    forma ndulos. Estos ndulos se originan en los sedimentos anoxicos,

    cuando el manganeso entra en un ambiente aerbico, se oxida y se precipita,

    en parte por accin de las bacterias, formando ndulos.

    El manganeso tiene cinco estados de oxidacin principales: Mn2+, Mn3+, Mn4+,

    Mn6+ y Mn7+. El in Mn2+ es la especie de manganeso ms estable en

    soluciones cidas, pero puede oxidarse a estados de oxidacin mayores debido

    al aumento del potencial. El in mangnico, Mn3+, se forma a partir del Mn2+ por

    oxidacin electroltica y es estable respecto a la hidrlisis a concentraciones

    elevadas de cido.

    Generalmente, se acepta que no existe el anin acuoso simple del estado de

    oxidacin del Mn4+, estando su qumica dominada por el MnO2 insoluble. Se ha

    planteado, adems, que los iones Mn4+ pueden existir en soluciones cidas. El

    estado de oxidacin Mn6+ slo existe como in MnO42-, que slo es estable en

    soluciones muy bsicas y no se forma durante el electro obtencin de cobre.

  • 208

    Durante el electro obtencin del cobre, el Mn2+ primeramente se oxida a Mn3+ y,

    ste a su vez, se oxida a MnO4-, junto con la formacin de partculas slidas de

    MnO2. La existencia de especies de alto estado de oxidacin es consistente con

    los altos potenciales redox de la solucin. El dixido de manganeso formado

    sobre el nodo, al desprenderse de la superficie, puede arrastrar consigo una

    fraccin significativa de la capa de xidos de plomo (la adherencia de los xidos

    de plomo depende de las propiedades de la aleacin base plomo) que, en su

    conjunto, forman la llamada borra andica, trmino dado en plantas de electro

    obtencin a este lodo, para diferenciarlo del barro andico formado en el

    proceso de electro refinacin de cobre. El deterioro parcial de esta capa, deja

    expuesta la aleacin de plomo que vuelve enseguida a oxidarse.

    5.5.2. Reduccin del arseniato (AsO43-) al arsenito (AsO33-)

    Numerosos estudios acerca de la movilidad del arsnico en el medio ambiente

    describen aspectos fundamentales de su comportamiento, distribucin de

    especies qumicas de arsnico en diversos entornos, reacciones de equilibrio

    fundamentales, rol de las interacciones del arsnico en interfaces slidos-agua

    en la distribucin, su acumulacin en organismos, etc.

    En el ambiente acutico las valencias ms comunes del arsnico en el agua

    son +3 (arsenito) y +5 (arsenato) tal formado las especies hidrolizadas

    inorgnicas H3AsO3, H2AsO-3, HAsO2-3 y AsO3-3 (valencia +3), H3AsO4, H2AsO-4,

    HAsO2-4 y AsO3-4 (valencia +5).

    El arsnico tambin se encuentra presente en menores concentraciones en

    forma orgnica. Se asume que la formacin de estos compuestos proviene

    exclusivamente de la actividad de organismos vivos.

    Solo en aguas de origen antropognico se pueden esperar otras formas de

    arsnico diferentes de +3 y +5. Debido a las marcadas diferencias en el

    comportamiento qumico de ambas formas del arsnico, es altamente

  • 209

    recomendable conocer su distribucin para un tratamiento eficiente de remocin

    de arsnico del agua.

    Existen varias similitudes entre el comportamiento del arsnico y el fsforo en

    aguas naturales cuando el arsnico est presente como arsenato.

    5.5.3. Remocin de arsnicoLas tecnologas para la remocin de arsnico se basan en uno proceso

    fisicoqumico o en la combinacin de varios. Los mtodos ms conocidos de

    tratamiento de agua para remover arsnico se clasifican en a)Procesos de

    coagulacin y precipitacin, b) Intercambio inico, c) Adsorcin en lechos

    granulares de materiales que retienen arsnico, y d) Otros procesos.

    Para todos los procesos mencionados anteriormente se requiere de una

    oxidacin completa de As (III). Esto se debe a que el As (III) se remueve en

    menor proporcin que el As (V).

    Por lo tanto cualquier tecnologa de remocin incluye a la oxidacin como

    pretratamiento.

    Para la oxidacin del As (III) a As (V), se puede utilizar: el oxigeno atmosfrico,

    hipoclorito y permanganato estos productos son los mas usados en el proceso

    de oxidacin de arsnico en los pases en desarrollo.

    Las unidades de tratamiento casero se utilizan bsicamente para proporcionar

    agua segura de beber y para la coccin de alimentos de una familia, requieren

    cerca de 5 litros de agua per capita por da. Varias unidades de tratamiento

    casero se estn proponiendo actualmente y otras estn en desarrollo.

    Normalmente, el agua de una fuente afectada con arsnico se recoge y se

    vierte manualmente en las unidades.

    5.6. RECEPTORES TERMINALES DE ELECTRONES ORGNICOS

    Algunos organismos, en vez de usar compuestos inorgnicos como receptores

    terminales de electrones en la respiracin, pueden utilizar compuestos

    orgnicos. Los ejemplos incluyen:

    Reduccin de fumarato a succinato.

  • 210

    Reduccin de xido trimetil amina (TMAO) a trimetilamina (TMA). Reduccin de dimetil sulfoxido (DMSO) a dimetil sulfuro (DMS). Declorinacin reductora.

    5.6.1. Reduccin de fumarato a succinato.

    El succinato puede aparecer como producto final de fermentacin siguiendo

    tres vas diferentes. C. kluyveri utiliza la va del malonato, va que tambin

    utilizan las bacterias entricas. El sustrato es el acetil-CoA que, mediante dos

    carboxilaciones, acaba transformndose en succinato. (Figura N 5.6).

    La fumarato reductasa es una enzima que convierte fumarato a succinato y es

    importante en el metabolismo microbiano para la respiracin anaerbica.

    Succinato + Aceptor Fumarato + Aceptor reducido

    En otras palabras, la fumarato reductasa acopla la reduccin de fumarato a

    succinato a la oxidacin de la quinona a quinol, en una reaccin opuesta a la

    catalizada por el complejo II de la cadena respiratoria (succinato

    deshidrogenasa).

    El complejo de la fumarato reductasa incluye tres subunidades. La subunidad A

    contiene el sitio de reduccin de fumarato y una flavn adenn

    dinucletido covalentemente unida al grupo prosttico. La subunidad B contiene

    tres centros hierro-azufre. La subunidad C oxida menaquinol y consiste en cinco

    segmentos helicoidales transmembrana y une dos molculas de hemo b.

    Otra alternativa metablica para la produccin de succinato la constituye la ya

    descrita para las bacterias del acido propionico, la cual es tambin utilizada por

    las enterobacterias como la del malonato.

  • 211

    Finalmente, la va del acido glioxilico tambin puede llevar a la produccin de

    succinato (Figura N 5.12) en bacterias que pueden utilizar el acetato como

    nica fuente de carbono:

    De este modo:

    2 Acetil-CoA + NAD+ Succinato + NADH + H+ + 2HS-CoA

    La reaccin clave en este caso es la catalizada por la isocitrato liasa:

  • 212

    Figura N 5.12. Produccin de Succinato por Clostridium kluyveri

    (1) Acetil-CoA carboxilasa. (2) Malonil-CoA semialdehdo deshidrogenasa. (3) 3-Hidroxi-propionialdehdo-CoA deshidrogenasa. (4) Acroil-CoA hidratasa. (5) Propionil-CoA deshidrogenasa. (6) Propionil-CoA carboxilasa. (7) Metilmalonil-CoA mutasa. (8)Succinil-CoA sintetasa.

    Fuente: (Pares I.F. y A. Jurez, 1997).

    212

    Figura N 5.12. Produccin de Succinato por Clostridium kluyveri

    (1) Acetil-CoA carboxilasa. (2) Malonil-CoA semialdehdo deshidrogenasa. (3) 3-Hidroxi-propionialdehdo-CoA deshidrogenasa. (4) Acroil-CoA hidratasa. (5) Propionil-CoA deshidrogenasa. (6) Propionil-CoA carboxilasa. (7) Metilmalonil-CoA mutasa. (8)Succinil-CoA sintetasa.

    Fuente: (Pares I.F. y A. Jurez, 1997).

    212

    Figura N 5.12. Produccin de Succinato por Clostridium kluyveri

    (1) Acetil-CoA carboxilasa. (2) Malonil-CoA semialdehdo deshidrogenasa. (3) 3-Hidroxi-propionialdehdo-CoA deshidrogenasa. (4) Acroil-CoA hidratasa. (5) Propionil-CoA deshidrogenasa. (6) Propionil-CoA carboxilasa. (7) Metilmalonil-CoA mutasa. (8)Succinil-CoA sintetasa.

    Fuente: (Pares I.F. y A. Jurez, 1997).

  • 213

    5.6.2. Reduccin de Oxido trimetil amina (TMAO) a Trimetilamina (TMA).

    El xido trimetil amina TMAO es un producto qumico producido comnmente

    por los peces que cuando se reduce a TMA produce un fuerte olor.

    OTMA (xido de trimetil amina). Est en el pescado fresco. En procesos de

    degradacin pasa a TMA.

    Los mtodos para determinar el OTMA son mtodos qumicos que utilizan:

    Acido pcrico. Mtodos de HPLC, que son cromatografas lquidas de alta

    resolucin. Mediante cromatografa gaseosa.

    El OTMA constituye una parte caracterstica e importante de la fraccin NNP en

    las especies de agua de mar y merece, por lo tanto, una mencin ms amplia.

    Este compuesto se encuentra en todas las especies de peces de agua de mar

    en cantidades del 1 al 5 por ciento del tejido muscular (peso seco), pero est

    virtualmente ausente en especies de agua dulce y en organismos terrestres.

    Aunque se han efectuado muchos trabajos sobre el origen y el papel del OTMA,

    hay todava mucho por esclarecer. Se ha demostrado que el OTMA se forma

    por biosntesis de ciertas especies del zooplancton. Estos organismos poseen

    una enzima (TMA monooxigenasa) que oxida la TMA a OTMA.

    La TMA comnmente se encuentra en plantas marinas, al igual que otras

    aminas metiladas (monometilamina y dimetilamina). El pez que se alimenta de

    plancton puede obtener OTMA de su alimentacin (origen exgeno). Algunas

    especies de peces son capaces de sintetizar OTMA a partir de TMA, pero esta

    sntesis se considera de menor importancia.

    El sistema de la TMA-oxidasa se encuentra en los microsomas de las clulas y

    es dependiente de la presencia de Dinucletido de nicotinamida y de adenina

    fosfato (NADPH):

    (CH3)3N + NADPH + H+ + O2 (CH3)3NO + NADP+ + H2O

  • 214

    Resulta enigmtico que esta monooxigenasa pueda ser encontrada tan

    extensamente en mamferos (en los que se cree funciona como desintoxicante),

    mientras que en la mayora de los peces la actividad de esta enzima es baja o

    imperceptible.

    Hay un sistema OTMA-reductor presente en el msculo de ciertas especies

    pelgicas. La cantidad de OTMA en el tejido muscular depende de la especie,

    estacin del ao, rea de pesca, etc. En general, las mayores cantidades se

    encuentran en elasmobranquios y calamares (75-250 mg N/100 g), el bacalao

    tiene algo menos (60-120 mg N/100 g), mientras que los peces planos y

    pelgicos tienen el mnimo. Los peces pelgicos (sardinas, atn, caballa)

    presentan mayor concentracin de OTMA en el msculo oscuro mientras que

    los demersales, peces de carne blanca, tienen ms alto contenido en el

    msculo blanco.

    En elasmobranquios, el OTMA parece desempear un papel en la

    osmorregulacin y ha sido demostrado que al pasar pequeas rayas por una

    mezcla de agua dulce y agua de mar (1:1) se origina una reduccin del OTMA

    intracelular en el orden del 50 por ciento. En los telesteos el papel del OTMA

    es ms incierto.

    Se han propuesto varias hiptesis respecto al papel del OTMA, a saber:

    El OTMA es esencialmente un residuo, la forma desintoxicada de laTMA.

    El OTMA es un osmorregulador. El OTMA tiene funciones "anticongelantes". El OTMA no tiene una funcin significativa. Se acumula en el msculo

    cuando el pez ingiere alimentos que contienen OTMA.

    Actualmente se acepta el papel osmorregulador del OTMA.

    Dado que la presencia del OTMA haba sido determinada previamente y

    virtualmente slo en especies marinas, se especulaba que el OTMA, junto con

  • 215

    altas cantidades de taurina, podran tener efectos adicionales por lo menos en

    pescados de agua dulce.

    La Trimetilamina es un compuesto orgnico que tiene como frmula N(CH3)3.

    Se trata de una amina terciara, inflamable e higroscpica. En bajas

    concentraciones presenta un fuerte olor a "pescado", mientras que a altas

    concentraciones tiene un olor similar al del amonaco. A temperatura ambiente

    (25C) se presenta como un gas, y se comercializa usualmente en cilindros

    presurizados o en solucin acuosa al 40%, ya que al igual que el amonaco es

    muy soluble en ese liquido.

    La trimetilamina es un producto de la descomposicin de animales y plantas. Es

    la principal sustancia responsable del olor desagradable asociado

    al pescado descompuesto, a algunas infecciones, y al mal aliento. Adems se

    encuentra asociada a la toma de grandes dosis de colina y carnitina. Los

    sensores de gases utilizados para comprobar la frescura del pescado detectan

    trimetilamina.

    Conversin de Oxido de trimetilamna en Trimetilamina

    A. Mecanismo general.La reduccin del oxido de trimetilamna en trimetilamina es efectuada por accin

    de deshidrogenada producidas por microorganismos, especialmente

    Pseudomonas.

    B. Ecuacin general

    C. Naturaleza del sustrato AH2.Estos sustratos corresponden a succinatos, acetatos, formiatos, azucares,

    lactatos y piruvatos. Un sustrato muy comn es el acido lctico

  • 216

    En esta reaccin se producen dos moles de TMA y una mol de acido actico. El

    grado de descomposicin se puede medir o detectar por la TMA o por el acido

    actico.

    5.6.3. Reduccin de Dimetil sulfoxido (DMSO) a Dimetil sulfuro (DMS).

    DMSO es un producto qumico marino y de agua dulce comn que tambin es

    odorfero cuando se reduce a DMS

    El dimetil sulfuro (DMS) CONFIERE un sabor caracterstico a las cervezas

    lager. El DMS se forma a partir de dos precursores que se producen durante la

    germinacin y que pueden ser destruidos por un fuerte secado. Un precursor es

    la S-metilmetionina (SMM), o un pptido que la contenga, el otro precursor es el

    dimetil sulfoxido (DMSO). Durante el secado parte del SMM reacciona

    formando DMS, el cual se volatilizara y perder en parte, y la parte restante se

    puede oxidar a DMSO, que ser reducido a DMS por la levadura.

    En la practica, la va principal de obtencin de DMS es a partir de SMM formado

    en la germinacin es lentamente degradado durante el secado al aumentar la

    temperatura, dando niveles mayores de DMS libre en el fondo del lecho de

    malta. Parte de este DMS se oxida al migrar a travs del lecho, formando

    DMSO, sobre todo en la zona superior. Al final, solo una parte del DMS formado

    permanece en la malta, y el resto se escapa con el aire de salida.

    Del total de precursores de DMS existentes en la malta, solo una parte se activa

    para formar DMS. Este precursor activo se forma a partir del precursor inactivo

    a altas temperaturas. As, la formacin del precursor activo aumenta con la

    temperatura final del secado. Segn la temperatura y el tiempo de aplicacin,

    se puede obtener un mayor o menor contenido de DMS en la cerveza final.

  • 217

    5.6.4. Declorinacin Reductora.

    La declorinacin reductora es el proceso por el cual los compuestos orgnicos

    con cloro se reducen para formar productos finales sin cloro. Puesto que los

    compuestos orgnicos que contienen cloro son importantes (y a menudo

    difciles de degradar) contaminantes ambientales, la declorinacin reductora es

    un proceso importante en la biorremediacin.

    5.7. FERMENTACIN PROPIONICA

    Esta es una fermentacin realizada por especies del gnero Propionibacterium

    en la cual los productos principales de la fermentacin de la glucosa son los

    cidos propinico y actico. Esta es la fermentacin mediante la cual se

    produce el queso suizo, el sabor peculiar se lo dan los cidos y los huecos se

    deben a la gran produccin de CO2.

    5.7.1. Mecanismos de la fermentacin propinicaLa fermentacin propinica de hexosas se hace de dos maneras:

    Hexosas cido lctico cido propinico

    Hexosas cido pirvico cido propinico

    Su ecuacin fundamental es la siguiente:

    3 C6HI1206 4 CH3-CH2 - COOH + 2 CH3-COOH + 2 CO2 + 2H2O:

    Glucosa Ac. propinico + Ac. Actico + CO2 + 3 ATP

    Las bacterias del gnero Propionibacterium llevan a cabo la fermentacin

    acidopropinica, en el que los productos de la fermentacin son: cido lctico,

    cido propinico, succnico, actico y CO2.