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Halorrespiración

La respiración de organohaluros (ROH) (anteriormente denominada halorrespiración o deshalorrespiración ) es el uso de compuestos halogenados como aceptores terminales de electro...

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La respiración de organohaluros (ROH) (anteriormente denominada halorrespiración o deshalorrespiración ) es el uso de compuestos halogenados como aceptores terminales de electrones en la respiración anaeróbica . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] La respiración de organohaluros puede desempeñar un papel en la biodegradación microbiana . Los sustratos más comunes son los alifáticos clorados ( PCE , TCE , cloroformo ) y los fenoles clorados. Las bacterias que respiran organohaluros son muy diversas. Esta característica se encuentra en algunos Campylobacterota , Thermodesulfobacteriota , Chloroflexota (bacterias verdes no sulfurosas), Clostridia grampositivas con bajo contenido de G+C , [ 4 ] y ultramicrobacterias . [ 5 ]

Proceso de respiración de organohaluros

El proceso de respiración de organohaluros utiliza la deshalogenación reductiva para producir energía que el microorganismo respirante puede usar para llevar a cabo su crecimiento y metabolismo. [ 6 ] Los compuestos orgánicos halogenados se utilizan como aceptores terminales de electrones , lo que resulta en su deshalogenación. [ 6 ] La deshalogenación reductiva es el proceso por el cual esto ocurre. [ 6 ] Implica la reducción de compuestos halogenados eliminando los sustituyentes de halógeno, mientras que simultáneamente agrega electrones al compuesto. [ 7 ] La hidrogenólisis y la reducción vecinal son los dos procesos conocidos de este mecanismo que se han identificado. [ 7 ] En ambos procesos, los sustituyentes de halógeno eliminados se liberan como aniones . [ 7 ] La deshalogenación reductiva es catalizada por deshalogenasas reductivas , que son enzimas asociadas a la membrana . [ 6 ] [ 8 ] [ 3 ] Se predice que varias hidrogenasas, no solo asociadas a la membrana sino también citoplasmáticas, en algunos casos como parte de complejos proteicos, desempeñan funciones en el proceso de respiración de organohaluros. [ 9 ] La mayoría de estas enzimas contienen cúmulos de hierro-azufre (Fe-S) y un cofactor corrinoide en sus sitios activos. [ 6 ] Aunque se desconoce el mecanismo exacto, la investigación sugiere que estos dos componentes de la enzima pueden estar involucrados en la reducción. [ 6 ]

Sustratos utilizados y su importancia ambiental

Los sustratos comunes que se utilizan como aceptores terminales de electrones en la respiración de organohaluros son los pesticidas organoclorados , los haluros de arilo y los disolventes alquílicos. [ 7 ] Muchos de estos son contaminantes persistentes que solo pueden degradarse anaeróbicamente por la respiración de organohaluros, ya sea parcial o completamente. [ 6 ] [ 7 ] El tricloroetileno (TCE) y el tetracloroetileno (PCE) son dos ejemplos de dichos contaminantes, y su degradación ha sido un foco de investigación. [ 6 ] [ 7 ] [ 10 ] El PCE es un disolvente clorado que se utiliza ampliamente en la limpieza en seco, el desengrase de maquinaria y otras aplicaciones. [ 6 ] [ 7 ] Sigue siendo un contaminante común del agua subterránea. [ 6 ] [ 7 ] Se han aislado bacterias que son capaces de degradar completamente el PCE a eteno , un compuesto químico gaseoso. [ 10 ] Se ha descubierto que pertenecen al género Dehalococcoides y que utilizan H 2 como su donador de electrones . [ 10 ] El proceso de respiración de organohaluros se ha aplicado a la biorremediación in situ de PCE y TCE en el pasado. [ 6 ] [ 8 ] Por ejemplo, la decloración reductiva mejorada se ha utilizado para tratar aguas subterráneas contaminadas mediante la introducción de donadores de electrones y bacterias deshalorespiradoras en el sitio contaminado, para crear condiciones que estimulen el crecimiento bacteriano y la respiración de organohaluros. [ 8 ] En la decloración reductiva mejorada, los contaminantes actúan como aceptores de electrones y se reducen completamente para producir finalmente eteno en una serie de reacciones. [ 8 ]

Usos en biorremediación

Un aspecto ecológicamente significativo de la respiración bacteriana de organohaluros es la reducción de los dos contaminantes antropogénicos tetracloroetileno (PCE) y tricloroetileno (TCE). [ 11 ] Su presencia como contaminantes ambientales surgió de su uso industrial común como agentes desengrasantes de metales desde la década de 1920 hasta la de 1970. [ 12 ] Estos compuestos xenobióticos tienden a formar capas parcialmente insolubles llamadas líquidos de fase no acuosa densa (DNAPL) en el fondo de los acuíferos subterráneos , que se solubilizan de manera lenta, como en un reservorio, lo que convierte al TCE y al PCE en algunos de los contaminantes más comunes de las aguas subterráneas. [ 13 ]

Una estrategia comúnmente utilizada para la eliminación de TCE y PCE del agua subterránea es la biorremediación mediante decloración reductiva mejorada (ERD). [ 14 ] La ERD implica inyecciones in situ de bacterias deshalorespiradoras, entre sustratos orgánicos fermentables que actúan como donantes de electrones , mientras que los dos contaminantes, TCE y PCE, actúan como aceptores de electrones . [ 14 ] Esto facilita la decloración secuencial de PCE y TCE en cis -1,2-dicloroetileno (DCE) y cloruro de vinilo (VC), compuestos tóxicos que luego actúan como aceptores de electrones para la decloración completa en etileno . [ 14 ]

Una amplia gama de bacterias de diferentes géneros tienen la capacidad de declorar parcialmente PCE y TCE en cis -DCE y VC. [ 14 ] Un ejemplo de esto es la bacteria Magnetospirillum , cepa MS-1, que puede reducir PCE a cis- DCE en condiciones aeróbicas. [ 15 ] Sin embargo, estos sustratos hijos tienen perfiles de toxicidad más altos que sus compuestos padres. [ 14 ] Por lo tanto, la decloración efectiva de cis -DCE y VC en eteno inocuo es crucial para la biorremediación de acuíferos contaminados con PCE y TCE. [ 14 ] Actualmente, las bacterias del género Dehalococcoides son los únicos organismos conocidos que pueden declorar completamente PCE en etileno. Esto se debe a sus deshalogenasas reductivas transmembrana específicas (RDasas) que metabolizan los átomos de cloro en los contaminantes xenobióticos para obtener energía celular. [ 16 ] En particular, los aislados de Dehalococcoides VS y BAV1 codifican vinil cloruro RDasas, que metabolizan el VC en eteno inocuo, lo que los convierte en especies necesarias en los sistemas ERD utilizados en la biorremediación de PCE y TCE. [ 16 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Holliger, C.; Wohlfarth, G.; Diekert, G. (1998). "Descloración reductiva en el metabolismo energético de bacterias anaeróbicas" (PDF) . FEMS Microbiology Reviews . 22 (5): 383. doi : 10.1111/j.1574-6976.1998.tb00377.x .
  2. ↑ Jugder, Bat-Erdene; Ertan, Haluk; Bohl, Susanne; Lee, Matthew; Marquis, Christopher P.; Manefield, Michael (2016). "Bacterias respiradoras de organohaluros y deshalogenasas reductivas: herramientas clave en la biorremediación de organohaluros" . Frontiers in Microbiology . 7 : 249. doi : 10.3389/fmicb.2016.00249 . ISSN 1664-302X . PMC 4771760. PMID 26973626 .   
  3. 1 2 Jugder, Bat-Erdene; Ertan, Haluk; Lee, Matthew; Manefield, Michael; Marquis, Christopher P. (2015-10-01). "Las deshalogenasas reductivas alcanzan la madurez en la destrucción biológica de organohaluros". Trends in Biotechnology . 33 (10): 595– 610. doi : 10.1016/j.tibtech.2015.07.004 . ISSN 0167-7799 . PMID 26409778 .  
  4. ↑ Hiraishi, A. (2008). "Biodiversidad de bacterias deshalorespiradoras con especial énfasis en decloradores de bifenilo/dioxina policlorados" . Microbes and Environments . 23 (1): 1– 12. doi : 10.1264/jsme2.23.1 . PMID 21558680 . 
  5. ↑ Duda, VI; Suzina, NE; Polivtseva, VN; Boronin, AM (2012). "Ultramicrobacterias: Formación del concepto y contribución de las ultramicrobacterias a la biología". Microbiology . 81 (4): 379– 390. doi : 10.1134/S0026261712040054 . PMID 23156684 . S2CID 6391715 .  
  6. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Futagami , Taiki; Goto, Masatoshi; Furukawa, Kensuke (2008-01-01). "Bases bioquímicas y genéticas de la deshalorespiración" . The Chemical Record . 8 (1): 1– 12. doi : 10.1002/tcr.20134 . ISSN 1528-0691 . PMID 18302277 .  
  7. 1 2 3 4 5 6 7 8 Mohn, WW; Tiedje, JM (septiembre de 1992). "Deshalogenación reductiva microbiana" . Microbiological Reviews . 56 (3): 482– 507. doi : 10.1128/mmbr.56.3.482-507.1992 . ISSN 0146-0749 . PMC 372880. PMID 1406492 .   
  8. 1 2 3 4 Scheutz, Charlotte; Durant, Neal d.; Dennis, Philip; Hansen, Maria Heisterberg; Jørgensen, Torben; Jakobsen, Rasmus; Cox, Evan e.; Bjerg, Poul L. (2008-12-15). "Generación concurrente de eteno y crecimiento de Dehalococcoides que contienen genes de deshalogenasa reductiva de cloruro de vinilo durante una demostración de campo de decloración reductiva mejorada" . Environmental Science & Technology . 42 (24): 9302– 9309. Bibcode : 2008EnST...42.9302S . doi : 10.1021/es800764t . ISSN 0013-936X . 
  9. ↑ Jugder, Bat-Erdene; Ertan, Haluk; Wong, Yie Kuan; Braidy, Nady; Manefield, Michael; Marquis, Christopher P.; Lee, Matthew (2016-08-10). "Análisis genómicos, transcriptómicos y proteómicos de Dehalobacter UNSWDHB en respuesta al cloroformo". Environmental Microbiology Reports . 8 (5): 814– 824. Bibcode : 2016EnvMR...8..814J . doi : 10.1111/1758-2229.12444 . hdl : 1959.4/unsworks_46701 . ISSN 1758-2229 . PMID 27452500 .  
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  12. ↑ Bakke, Berit; Stewart, Patricia A.; Waters, Martha A. (noviembre de 2007). "Usos de la exposición al tricloroetileno en la industria estadounidense: una revisión sistemática de la literatura". Journal of Occupational and Environmental Hygiene . 4 (5): 375– 390. Bibcode : 2007JOEH....4..375B . doi : 10.1080/15459620701301763 . PMID 17454505. S2CID 32801149 .  
  13. ↑ Dugat-Bony, Eric (marzo de 2012). "Degradación in situ de TCE mediada por comunidades deshalorrespiradoras complejas durante procesos de bioestimulación" . Microbial Biotechnology . 5 (5): 642– 653. doi : 10.1111/j.1751-7915.2012.00339.x . PMC 3815876. PMID 22432919 .  
  14. 1 2 3 4 5 6 Scheutz, Charlotte (noviembre de 2008). "Generación concurrente de eteno y crecimiento de Dehalococcoides que contienen genes de deshalogenasa reductiva de cloruro de vinilo durante una demostración de campo de decloración reductiva mejorada". Environmental Science & Technology . 42 (24): 9302– 9309. Bibcode : 2008EnST...42.9302S . doi : 10.1021/es800764t . PMID 19174908 . 
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Lecturas adicionales

  • Jugder, J. (2015). "Las deshalogenasas reductivas alcanzan la madurez en la destrucción biológica de organohaluros". Trends in Microbiology . 33 (10): 595– 610. doi : 10.1016/j.tibtech.2015.07.004 . PMID 26409778 . 
  • Leys, D.; Adrian, L.; Smidt, H. (2013). "Respiración de organohaluros: microbios que respiran moléculas cloradas" . Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences . 368 (1616) 20120316. doi : 10.1098/rstb.2012.0316 . ISSN 0962-8436 . PMC 3638457. PMID 23479746 .   
  • Futagami, Taiki; Goto, Masatoshi; Furukawa, Kensuke (2014). "Sistema genético de bacterias respiradoras de organohaluros". Bacterias biodegradantes . págs. 59–81 . doi : 10.1007/978-4-431-54520-0_4 . ISBN  978-4-431-54519-4.
  • Hug, LA; Maphosa, F.; Leys, D.; Loffler, FE; Smidt, H.; Edwards, EA; Adrian, L. (2013). "Descripción general de las bacterias que respiran organohaluros y una propuesta para un sistema de clasificación de las deshalogenasas reductivas" . Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences . 368 (1616) 20120322. doi : 10.1098/rstb.2012.0322 . ISSN 0962-8436 . PMC 3638463. PMID 23479752 .   
  • Maphosa, Farai; de Vos, Willem M.; Smidt, Hauke ​​(2010). "Aprovechamiento de la caja de herramientas ecogenómicas para el diagnóstico ambiental de bacterias respiradoras de organohaluros" . Trends in Biotechnology . 28 (6): 308– 316. doi : 10.1016/j.tibtech.2010.03.005 . ISSN 0167-7799 . PMID 20434786 .