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Biodegradación microbiana

La biodegradación microbiana consiste en el uso de métodos de biorremediación y biotransformación para aprovechar la capacidad natural del metabolismo microbiano de los xenobiót...

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La biodegradación microbiana consiste en el uso de métodos de biorremediación y biotransformación para aprovechar la capacidad natural del metabolismo microbiano de los xenobióticos para degradar, transformar o acumular contaminantes ambientales, incluidos hidrocarburos (por ejemplo, petróleo), bifenilos policlorados (PCB), hidrocarburos poliaromáticos (HAP), compuestos heterocíclicos (como piridina o quinolina ), sustancias farmacéuticas, radionúclidos y metales.

El interés en la biodegradación microbiana de contaminantes se ha intensificado en los últimos años, [ 1 ] [ 2 ] y los recientes avances metodológicos importantes han permitido análisis genómicos, metagenómicos, proteómicos, bioinformáticos y otros análisis de alto rendimiento de microorganismos relevantes para el medio ambiente , lo que proporciona nuevas perspectivas sobre las vías de biodegradación y la capacidad de los organismos para adaptarse a las condiciones ambientales cambiantes.

Los procesos biológicos desempeñan un papel fundamental en la eliminación de contaminantes y aprovechan la versatilidad catabólica de los microorganismos para degradar o transformar dichos compuestos. En microbiología ambiental , los estudios globales basados ​​en el genoma están ampliando la comprensión de las redes metabólicas y reguladoras, además de proporcionar nueva información sobre la evolución de las vías de degradación y las estrategias de adaptación molecular a las condiciones ambientales cambiantes.

Biodegradación aeróbica de contaminantes

La creciente cantidad de datos genómicos bacterianos ofrece nuevas oportunidades para comprender las bases genéticas y moleculares de la degradación de contaminantes orgánicos . [ 3 ] Los compuestos aromáticos se encuentran entre los contaminantes más persistentes y se pueden extraer lecciones de los estudios genómicos recientes de Burkholderia xenovorans LB400 y Rhodococcus sp. cepa RHA1, dos de los genomas bacterianos más grandes secuenciados completamente hasta la fecha. Estos estudios han ayudado a ampliar nuestra comprensión del catabolismo bacteriano , la adaptación fisiológica no catabólica a los compuestos orgánicos y la evolución de los grandes genomas bacterianos . En primer lugar, las vías metabólicas de aislados filogenéticamente diversos son muy similares con respecto a la organización general. Así, como se observó originalmente en las pseudomonas , un gran número de vías "aromáticas periféricas" canalizan una gama de compuestos naturales y xenobióticos hacia un número restringido de vías "aromáticas centrales". Sin embargo, estas vías están organizadas genéticamente de maneras específicas de género, como lo ejemplifican las vías del β-cetoadipato y Paa. Los estudios genómicos comparativos revelan además que algunas vías metabólicas están más extendidas de lo que se pensaba inicialmente. Así, las vías Box y Paa ilustran la prevalencia de estrategias de escisión de anillo no oxigenolíticas en los procesos de degradación aromática aeróbica. Los estudios genómicos funcionales han sido útiles para establecer que incluso los organismos que albergan un gran número de enzimas homólogas parecen contener pocos ejemplos de verdadera redundancia. Por ejemplo, la multiplicidad de dioxigenasas de escisión de anillo en ciertos aislados de rodococo puede atribuirse al catabolismo aromático críptico de diferentes terpenoides y esteroides. Finalmente, los análisis han indicado que el flujo genético reciente parece haber desempeñado un papel más significativo en la evolución de algunos genomas grandes, como el de LB400, que en otros. Sin embargo, la tendencia emergente es que los grandes repertorios genéticos de potentes degradadores de contaminantes como LB400 y RHA1 han evolucionado principalmente a través de procesos más antiguos. Que esto sea cierto en especies filogenéticamente tan diversas es notable y sugiere además el origen antiguo de esta capacidad catabólica. [ 4 ]

Biodegradación anaeróbica de contaminantes

La mineralización microbiana anaeróbica de contaminantes orgánicos recalcitrantes tiene una gran importancia ambiental e implica novedosas y fascinantes reacciones bioquímicas. [ 5 ] En particular, durante mucho tiempo se dudó de la degradabilidad de los hidrocarburos y los compuestos halogenados en ausencia de oxígeno, pero el aislamiento de bacterias anaeróbicas degradadoras de hidrocarburos y deshalogenadoras reductivas hasta ahora desconocidas durante las últimas décadas proporcionó la prueba definitiva de estos procesos en la naturaleza. Si bien dicha investigación inicialmente involucró principalmente compuestos clorados , estudios recientes han revelado la deshalogenación reductiva de fracciones de bromo y yodo en pesticidas aromáticos. [ 6 ] Se ha demostrado que otras reacciones, como la reducción abiótica inducida biológicamente por minerales del suelo, [ 7 ] desactivan herbicidas a base de anilina relativamente persistentes mucho más rápidamente que lo observado en ambientes aeróbicos. Se descubrieron muchas reacciones bioquímicas novedosas que permiten las respectivas vías metabólicas, pero el progreso en la comprensión molecular de estas bacterias fue bastante lento, ya que los sistemas genéticos no son fácilmente aplicables para la mayoría de ellas. Sin embargo, con la creciente aplicación de la genómica en el campo de la microbiología ambiental , se abre una perspectiva nueva y prometedora para obtener información molecular sobre estas nuevas propiedades metabólicas. En los últimos años se han determinado varias secuencias genómicas completas de bacterias capaces de degradar contaminantes orgánicos en condiciones anaeróbicas. El genoma de ~4,7 Mb de la cepa EbN1 de Aromatoleum aromaticum, desnitrificante facultativa , fue el primero en determinarse para un degradador anaeróbico de hidrocarburos (utilizando tolueno o etilbenceno como sustratos ). La secuencia genómica reveló cerca de dos docenas de grupos de genes (incluidos varios parálogos ) que codifican una compleja red catabólica para la degradación anaeróbica y aeróbica de compuestos aromáticos. Esta secuencia genómica constituye la base de los estudios detallados actuales sobre la regulación de las vías metabólicas y las estructuras enzimáticas . Recientemente se completaron genomas adicionales de bacterias anaeróbicas degradadoras de hidrocarburos para la especie reductora de hierro Geobacter metallireducens (número de acceso NC_007517) y la especie reductora de perclorato Dechloromonas aromatica.(número de acceso NC_007298), pero aún no se han evaluado en publicaciones formales. También se determinaron genomas completos de bacterias capaces de degradación anaeróbica de hidrocarburos halogenados mediante halorrespiración : los genomas de ~1,4 Mb de Dehalococcoides ethenogenes cepa 195 y Dehalococcoides sp. cepa CBDB1 y el genoma de ~5,7 Mb de Desulfitobacterium hafniense cepa Y51. Una característica de todas estas bacterias es la presencia de múltiples genes parálogos para deshalogenasas reductivas, lo que implica un espectro de deshalogenación más amplio de los organismos de lo que se conocía anteriormente. Además, las secuencias genómicas proporcionaron información sin precedentes sobre la evolución de la deshalogenación reductiva y las diferentes estrategias de adaptación al nicho. [ 8 ]

Recientemente, se ha hecho evidente que algunos organismos, entre ellos Desulfitobacterium chlororespirans , evaluado originalmente por su halorrespiración en clorofenoles, también pueden utilizar ciertos compuestos bromados, como el herbicida bromoxinil y su principal metabolito, como aceptores de electrones para su crecimiento. Los compuestos yodados también pueden deshalogenarse, aunque este proceso podría no satisfacer la necesidad de un aceptor de electrones. [ 6 ]

Biodisponibilidad, quimiotaxis y transporte de contaminantes

La biodisponibilidad , o la cantidad de una sustancia que es fisicoquímicamente accesible a los microorganismos , es un factor clave en la biodegradación eficiente de contaminantes. O'Loughlin et al. (2000) [ 9 ] demostraron que, con la excepción de la arcilla de caolinita , la mayoría de las arcillas del suelo y las resinas de intercambio catiónico atenuaron la biodegradación de 2-picolina por Arthrobacter sp. cepa R1, como resultado de la adsorción del sustrato a las arcillas. La quimiotaxis , o el movimiento dirigido de organismos móviles hacia o lejos de sustancias químicas en el medio ambiente, es una respuesta fisiológica importante que puede contribuir al catabolismo efectivo de moléculas en el medio ambiente. Además, los mecanismos para la acumulación intracelular de moléculas aromáticas a través de diversos mecanismos de transporte también son importantes. [ 10 ]

Biodegradación del petróleo

Descripción general de la biodegradación microbiana del petróleo por comunidades microbianas. Algunos microorganismos, como A. borkumensis , pueden utilizar hidrocarburos como fuente de carbono en su metabolismo. Son capaces de oxidar los hidrocarburos perjudiciales para el medio ambiente, produciendo productos inocuos, según la ecuación general C n H n + O 2 → H 2 O + CO 2 . En la figura, el carbono se representa con círculos amarillos, el oxígeno con círculos rosas y el hidrógeno con círculos azules. Este tipo de metabolismo especial permite a estos microbios prosperar en zonas afectadas por derrames de petróleo y son importantes para la eliminación de contaminantes ambientales.

El petróleo contiene compuestos aromáticos tóxicos para la mayoría de las formas de vida. La contaminación episódica y crónica del medio ambiente por petróleo causa graves alteraciones en el entorno ecológico local. Los entornos marinos son particularmente vulnerables, ya que los derrames de petróleo cerca de las zonas costeras y en alta mar son difíciles de contener y complican las medidas de mitigación. Además de la contaminación por actividades humanas, aproximadamente 250 millones de litros de petróleo llegan al medio marino cada año por filtraciones naturales. [ 11 ] A pesar de su toxicidad, una fracción considerable del petróleo que llega a los sistemas marinos se elimina mediante la actividad de degradación de hidrocarburos de las comunidades microbianas, en particular por un grupo de especialistas descubierto recientemente: las bacterias hidrocarbonoclásticas (HCB). [ 12 ] Alcanivorax borkumensis fue la primera HCB cuyo genoma se secuenció. [ 13 ] Además de hidrocarburos, el petróleo crudo suele contener diversos compuestos heterocíclicos , como la piridina, que parecen degradarse mediante mecanismos similares a los de los hidrocarburos. [ 14 ]

Biodegradación del colesterol

Muchos compuestos esteroideos sintéticos, como algunas hormonas sexuales, aparecen frecuentemente en aguas residuales municipales e industriales, actuando como contaminantes ambientales con fuertes actividades metabólicas que afectan negativamente a los ecosistemas. Dado que estos compuestos son fuentes comunes de carbono para muchos microorganismos diferentes, su mineralización aeróbica y anaeróbica ha sido ampliamente estudiada. El interés de estos estudios radica en las aplicaciones biotecnológicas de las enzimas transformadoras de esteroles para la síntesis industrial de hormonas sexuales y corticoides. Muy recientemente, el catabolismo del colesterol ha adquirido gran relevancia porque está involucrado en la infectividad del patógeno Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ). [ 1 ] [ 15 ] Mtb causa la enfermedad de la tuberculosis , y se ha demostrado que han evolucionado nuevas arquitecturas enzimáticas para unirse y modificar compuestos esteroideos como el colesterol en este organismo y también en otras bacterias que utilizan esteroides. [ 16 ] [ 17 ] Estas nuevas enzimas podrían ser de interés por su potencial en la modificación química de sustratos esteroideos.

Análisis del biotratamiento de residuos

El desarrollo sostenible requiere la promoción de la gestión ambiental y la búsqueda constante de nuevas tecnologías para tratar las vastas cantidades de residuos generados por el aumento de las actividades antropogénicas . El biotratamiento, el procesamiento de residuos mediante organismos vivos, es una alternativa ecológica, relativamente sencilla y rentable a las opciones de limpieza fisicoquímica. Se han diseñado entornos confinados, como los biorreactores , para superar los factores limitantes físicos, químicos y biológicos de los procesos de biotratamiento en sistemas altamente controlados. La gran versatilidad en el diseño de entornos confinados permite el tratamiento de una amplia gama de residuos en condiciones optimizadas. Para realizar una evaluación correcta, es necesario considerar diversos microorganismos con una variedad de genomas , transcritos y proteínas expresadas. A menudo se requiere un gran número de análisis. Utilizando técnicas genómicas tradicionales, dichas evaluaciones son limitadas y requieren mucho tiempo. Sin embargo, varias técnicas de alto rendimiento, desarrolladas originalmente para estudios médicos, pueden aplicarse para evaluar el biotratamiento en entornos confinados. [ 18 ]

Ingeniería metabólica y aplicaciones biocatalíticas

El estudio del destino de los compuestos orgánicos persistentes en el medio ambiente ha revelado una gran reserva de reacciones enzimáticas con un gran potencial en la síntesis orgánica preparativa, que ya se ha explotado para varias oxigenasas a escala piloto e incluso industrial. Se pueden obtener nuevos catalizadores a partir de bibliotecas metagenómicas y enfoques basados ​​en secuencias de ADN . Nuestra creciente capacidad para adaptar los catalizadores a reacciones y requisitos de procesos específicos mediante mutagénesis racional y aleatoria amplía el alcance de su aplicación en la industria química fina, pero también en el campo de la biodegradación . En muchos casos, estos catalizadores deben explotarse en bioconversiones de células enteras o en fermentaciones , lo que exige enfoques sistémicos para comprender la fisiología y el metabolismo de las cepas y enfoques racionales para la ingeniería de células enteras, tal como se propone cada vez más en el área de la biotecnología de sistemas y la biología sintética. [ 19 ]

Biodegradación fúngica

En el ecosistema, diferentes sustratos son atacados a distintas velocidades por consorcios de organismos de diferentes reinos. Aspergillus y otros mohos desempeñan un papel importante en estos consorcios, ya que son expertos en reciclar almidones, hemicelulosas, celulosas, pectinas y otros polímeros de azúcar. Algunos aspergilos son capaces de degradar compuestos más refractarios como grasas, aceites, quitina y queratina. La descomposición máxima se produce cuando hay suficiente nitrógeno, fósforo y otros nutrientes inorgánicos esenciales. Los hongos también proporcionan alimento a muchos organismos del suelo. [ 20 ]

Para Aspergillus, el proceso de degradación es el medio para obtener nutrientes. Cuando estos mohos degradan sustratos artificiales, el proceso se denomina generalmente biodeterioro. Tanto el papel como los textiles (algodón, yute y lino) son particularmente vulnerables a la degradación por Aspergillus . Nuestro patrimonio artístico también está expuesto al ataque de Aspergillus . Por citar solo un ejemplo, tras las inundaciones de Florencia en Italia en 1969, el 74 % de los aislados de un fresco de Ghirlandaio dañado en la iglesia de Ognissanti correspondían a Aspergillus versicolor . [ 21 ]

Véase también

Referencias

  1. 1 2 Koukkou, Anna-Irini, ed. (2011). Biorremediación microbiana de no metales: investigación actual . Caister Academic Press . ISBN 978-1-904455-83-7.
  2. ↑ Díaz, Eduardo, ed. (2008). Biodegradación microbiana: Genómica y biología molecular (1.ª ed.). Caister Academic Press. ISBN  978-1-904455-17-2.
  3. ↑ Lyu, B.; Manna, B.; Zhou, X.; Leung, IKH; Singhal, N. (2025). "Enzimas metabólicas microbianas, vías y huéspedes microbianos para la degradación cometabólica de microcontaminantes orgánicos en aguas residuales" . Water Res . 276 123229. Bibcode : 2025WatRe.27623229L . doi : 10.1016/j.watres.2025.123229 . PMID 39914059 . 
  4. ↑ McLeod MP, Eltis LD (2008). «Perspectivas genómicas sobre las vías aeróbicas para la degradación de contaminantes orgánicos». Biodegradación microbiana: genómica y biología molecular . Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-17-2.
  5. ↑ Jugder, Bat-Erdene; Ertan, Haluk; Lee, Matthew; Manefield, Michael; Marquis, Christopher P. (2015). "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 .  
  6. 1 2 Cupples, AM, RA Sanford y GK Sims. 2005. Deshalogenación de bromoxinil (3,5-dibromo-4-hidroxibenzonitrilo) e ioxinil (3,5-diiodino-4-hidroxibenzonitrilo) por Desulfitobacterium chlororespirans . Appl. Env. Micro. 71(7):3741-3746.
  7. ↑ Tor, J., C. Xu, JM Stucki, M. Wander, GK Sims. 2000. Degradación de trifluralina en condiciones de reducción de nitrato y Fe(III) inducidas microbiológicamente. Env. Sci. Tech. 34:3148-3152.
  8. ↑ Heider J, Rabus R (2008). «Perspectivas genómicas en la biodegradación anaeróbica de contaminantes orgánicos». Biodegradación microbiana: genómica y biología molecular . Caister Academic Press. ISBN 978-1-904455-17-2.
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