DEGRADACION DE HIDROCARBUROS AROMATICOS POR BASIDIOMYCETES (Phanerochaete chrysosporium)

PAULA A. BLANCO. DIEGO GALEANO. ISABEL QUIROGA. LAURA HERRERA

Pontificia Universidad Javeriana. Facultad de ciencias. Microbiología Industrial. Bogota D.C. Noviembre 2006

INTRODUCCION

Hidrocarburos aromáticos policíclicos…………………………………………..

Basidiomycetes…………………………………………………………………….

Generalidades de degradación……………………………………………………

Estudios reportados ……………………………………………………………….

MECANISMO DE ACCIÓN DE Phanerochaete chrysosporium

Generalidades………………………………………………………………………

Sistema de degradación de la Lignina……………………………………………

Degradación hidrocarburos aromáticos policíclicos……………………………..

Experimentos de campo…………………………………………………………….

INTRODUCCIÓN

Los hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs) son un grupo de compuestos orgánicos (Hidrocarburos), que están conformados por moléculas que contienen dos o más anillos aromáticos de 6 carbonos fusionados.

La mayoría de los PAHs contienen habitualmente anillos de benceno fusionados, sin embargo está presente la existencia de PAHs basados en estas estructuras que contienen grupos alquilo. Los hidrocarburos aromáticos pueden ser de un solo anillo: benceno, tolueno, etilbenceno y xileno (BTEX) o contener varios anillos aromáticos como en el caso de naftaleno, antraceno, pireno y otros muchos. [4]

Entre la gran variedad de microorganismos tales como bacterias y hongos, que tienen la capacidad de degradar hidrocarburos aromáticos policíclicos. Uno de los tipos de hongos que llevan a cabo estos procesos de degradación son los basidiomicetes, considerados como hongos superiores; entre los que se encuentran hongos microscópicos (royas, caries y tizones), parásitos de las plantas, con ciclos biológicos muy complejos, y macroscópicos las llamadas setas. [6]

HIDROCARBUROS AROMÁTICOS POLICÍCLICOS

Existen más de 100 grupos de PAHs diferentes. Los PAHs se consideran compuestos orgánicos persistentes (COPs), por lo que pueden permanecer enel medio ambiente durante largos periodos de tiempo sin alterar sus propiedades tóxicas. Las propiedades semivolátiles de los PAHs les otorga gran movilidad. Algunos de estos hidrocarburos poseen propiedades cancerígenas y/o mutagénicas. Como característica común presentan una baja solubilidad en agua, alta estabilidad química, baja volatilidad, además de ser la mayoría de ellos lipofílicos. [4]

La solubilidad en agua decrece según aumenta su peso molecular y el tamaño de la molécula, con el consiguiente aumento del carácter lipofílico. La persistencia en el medio también aumenta con el tamaño. Por su carácter lipofílico se pueden bioacumular y concentrar en sedimentos y suelos en una extensión que dependerá de su persistencia en cada medio. Está comprobado que la toxicidad aumenta al aumentar el peso molecular y el carácter lipofílico del compuesto.[14]

Los PAHs están ampliamente distribuidos en el ambiente; están asociados a las actividades humanas pues se forman durante la combustión incompleta de materiales orgánicos incluyendo carbón, petróleo, gasolina, leña y basura. También se encuentran en el petróleo crudo, en el alquitrán, creosota y asfalto junto con algunos de sus derivados nitrados. [17]

El recorrido de los PAHs en el medioambiente depende mucho de la forma y modo en que se incorporan. Pueden ingresar a las aguas superficiales a través de la atmósfera y de descargas o vertidos directos. También se detectan en aguas freáticas, como resultado de la migración directa de aguas superficiales contaminadas o como consecuencia de suelos contaminados. [9]

Los compuestos de mayor persistencia se acumulan en plantas, peces e invertebrados terrestres y acuáticos.Los mamíferos pueden absorber los PAHs por inhalación, contacto dérmico, o en menor frecuencia por ingestión. Las plantas pueden absorberlos a través de las raíces en suelos contaminados. Los PAHs de menor peso molecular se absorben más rápidamente que los de mayor peso molecular.

En sistemas acuáticos, los PAHs crecen en toxicidad según incrementa su peso molecular. Además, la bioacumulación tiende a ser rápida.

La adsorción de PAHs en suelo es directamente proporcional al contenido de materia orgánica y al mayor peso molecular del PAHs e inversamente proporcional al tamaño de las partículas del suelo.

En la figura 1, se presenta la estructura química de algunos hidrocarburos policíclicos aromáticos [19].

Figura 1. Esquema estructural de algunos hidrocarburos aromáticos policíclicos.

La principal vía de degradación de estos compuestos incluye procesos químicos, fotolíticos o metabólicos asociados a microorganismos. En algunos casos se dan conjuntamente más de una, dependiendo de condicionantes como la temperatura, el oxígeno y microorganismos disponibles .Entre los procesos químicos se incluyen los tratamientos de cloración y

ozonización del agua, entre los fotolíticos la acción conjunta de oxígeno y luz solar.

La aceleración del proceso de degradación de los PAHs puede ser logrado mediante la manipulación de los sustratos del microambiente, tales como la adición de nutrientes, el aumento del estatus aeróbico, la introducción de un inoculo microbiano o aumento de la viabilidad del PAH. [17].

BASIDIOMYCETES

Los basidiomycetes son una clase de hongos con aparato vegetativo formado por hifas tabicadas o anastomosadas y caracterizadas por sus esporas de origen sexual en el exterior de las células madres,

que reciben el nombre de basidios, y el de basidiósporas las esporas por ellas formadas. [12]Estos revisten importancia por su actividad sapróbica como descomponedores,

principalmente de la sustancia leñosa (celulosa y lignina). Una gran mayoría de las especies viven en árboles muertos en pie o en el suelo, sobre ramas caídas, sobre tocones, entre la hojarasca, sobre madera estacionada o en obra, u otros productos maderables. También pueden actuar como verdaderos patógenos, provocando enfermedades en árboles vivos, debilitándolos y matándolos. Aunque la pérdida económica provocada por estos hongos es considerable, también su papel benéfico es inmenso al reciclar la materia orgánica para finalmente enriquecer el suelo. [6] GENERALIDADES DE DEGRADACIÓN

Gran parte de los estudios de biodegradacion se han centrado en bacterias por la facilidad que ofrecen para estudiar sus vías metabólicas y llevar a cabo construcciones genéticas que permitan degradar específicamente determinados compuestos contaminantes, la capacidad de los hongos para transformar una gran variedad de compuestos orgánicos y llevarlos hasta compuestos mas simples ofrece un potencial indiscutible para su utilización en procesos de tratamiento de contaminaciones. Ese potencial radica fundamentalmente en las características de su sistema enzimático y en su vigoroso crecimiento que les permite, a través del desarrollo de su micelio, colonizar diferentes tipos de sustratos y acceder a los compuestos que constituyen las contaminaciones más frecuentes de los suelos. [9]

El elevado valor de la relación superficie/volumen celular de los hongos filamentosos les convierte en eficaces degradadores en determinados nichos como los suelos contaminados. Por otra parte, los hongos tienen una capacidad muy notable para acumular metales pesados como cadmio, cobre, mercurio, plomo y zinc, lo que está demostrado por los aislamientos realizados en minas de cobre, zinc o plomo. [2]

ACTIVIDAD LIGNINOLÍTICA

Los basidiomicetos que descomponen la madera han sido categorizados en dos grupos, los hongos de la podredumbre blanca y la café, de acuerdo a su capacidad para degradar la lignina de compuestos de madera. Los hongos blancos son capaces de degradar lignina produciendo una zona coloreada alrededor del micelio en placas de agar que contienen taninos u otros sustratos fenolitos. La coloración es causada por fenol oxidasas secretadas extracelularmente; mientras que los hongos cafés no pueden llevar a cabo la degradación de la lignina y por lo tanto no producen dicha coloración. Sin embargo estos basidiomicetes son conocidos como responsables de numerosos decaimientos de paredes celulares de la madera, ya que digieren componentes celulolíticos sin remoción de lignina. [11]

Entre los basidiomicetos que causan la podredumbre blanca de la madera, se encuentran las especies con las características más adecuadas para ser utilizadas en diferentes procesos biotecnológicos, incluidos los de biodescontaminación. [6]

Los hongos ligninolíticos más eficaces se encuentran entre los basidiomicetos. Para ello, cuentan con una batería de enzimas extracelulares, oxidasas y peroxidasas, que contribuyen, en determinadas condiciones, a despolimerizar la compleja estructura de la lignina para posibilitar el ataque de los polisacáridos que constituyen una importante fuente de energía. [5]

La complejidad estructural de la lignina, hace que estas enzimas se caractericen por unos mecanismos de acción no específicos que oxidan los anillos aromáticos que constituyen dicho polimero. Las enzimas que participan en este proceso son: lignina peroxidasa (LiP, E.C. 1.11.1.14), peroxidasa dependiente de Mn (MnP, E.C.

11.1.13) y lacasa, una fenoloxidasa que contiene principalmente cobre. [13] Existen otras enzimas asociadas con las anteriores en la degradación de lignina de una manera indirecta: glioxal oxidasa (E.C. 1.2.3.5) y superóxido dismutasa (E.C. 1.15.1.1) que producen H2O2 [6]

La inespecificidad química y la intensa actividad oxidante de estas enzimas les otorga una considerable capacidad de degradar diferentes compuestos orgánicos entre los que se encuentran fundamentalmente: pesticidas, hidrocarburos aromáticos (benzo _-pireno, fenantreno, pireno, etc.) compuestos orgánicos clorados (pentaclorofenoles, cloroanilinas, ifenilos policlorados…) azocolorantes, etc. [14]

ESTUDIOS REPORTADOS

Se han publicado diversos trabajos de los que se concluye la gran diversidad de basidiomicetos con capacidad de degradar hidrocarburos aromáticos policíclicos tales como Tyromyces palustris, Gloeophyllum trabeum, Stropharia coronilla oxida benzopireno mediante la enzima manganasa peroxidasa [15] ,Trametes versicolor oxida PAHs por la acción de lacasas [6] , Phanerochaete chrysosporium, por la oxidación de antraceno y pireno mediante las enzimas lignina peroxidasa y manganasa peroxidasa. [18], Pleorotus ostreatus degrada benzoantraceno, criseno, benzofluorantreno, benzopireno, dibenzoantraceno y benzoperileno a través de enzimas como lacasa y peroxidasa dependiente de manganeso. [1]

MECANISMO DE ACCIÓN DE Phanerochaete chrysosporium

GENERALIDADES

Phanerochaete chrysosporium es un hongo basidiomycete termófilo de la podredumbre blanca puede ser encontrado en bosques templados de Norteamérica, Europa e Irán. [7]

Esta especie es el representante mejor estudiado de este tipo de hongos degradadores de la lignina de la madera que además ha despertado gran interés por degradar una alta cantidad de agentes de polución. La habilidad para descomponer este tipo de compuestos ha sido mostrada por ser dependiente de un sistema de degradación de lignina que es expresado bajo limitadas condiciones nutricionales (nitrógeno, carbono o azufre). Sin embargo el nitrógeno no es un gran limitante, dado los bajos niveles de nitrógeno presentes en la madera [18].

SISTEMA DE DEGRADACIÓN DE LA LIGNINA

Este sistema comprende una serie de enzimas extracelulares entre las que se encuentran celobiohidrolasas, endoglucanasas, β-glucosidasas, glioxal oxidasa, xilanasas, xilosidasas, α-galactosidasa, piranose 2-oxidasa, superoxido dismutasas , manosa -6-fosfatasas y principalmente lignin peroxidasas (lignin peroxidasas (LiP), manganeso peroxidases (MnP)), comúnmente conocidas como ligninasas [16], que son capaces de catalizar la depolimerización oxidativa inicial del polímero de lignina en CO2 y H20 en cultivos puros [18]; esta reacción se da por el clivaje del grupo propilo del polímero entre el C y Cß.. [3]

Figura 2. Esquema de la degradación oxidativa inicial del polímero de Lignina.

Las peroxidasas de P. chrysosporium son útiles en la bioremediación de una amplia variedad de subproductos orgánicos incluyendo: tintes textiles, polietileno, pesticidas y herbicidas, dinamita, PAHs, y aceites [9]. Ha sido demostrado que el sitio de clivaje y la apertura del anillo aromático ocurren simultáneamente, y además sólo es degradada durante el metabolismo secundario (idiofase). Por lo anterior, a este sistema se ha atribuido que las ligninasas sean capaces también de catalizar la oxidación inicial de un gran número de xenobióticos persistentes en el medio ambiente.

DEGRADACIÓN HIDROCARBUROS AROMATICOS POLICICLICOS

Estudios realizados por Hammel, K y colaboradores quienes investigaron el metabolismo del Antraceno en P. chrysosporium [7], en donde encontraron que la principal ruta de degradación procede vía quinona a ácido folico y se fundamenta en la hipótesis de que la LiP (lignin peroxidasa) cataliza el primer paso de degradación del antraceno en este hongo ligninolitico.[3]

Figura 3. Reacciones conocidas del metabolismo del antraceno en P. chrysosporium.

Es importante aclarar que algunos agentes de polución aromáticos son resistentes al ataque de la LiP, pero son sin embargo degradados por este basidiomycete. Dentro de este grupo se encuentra el fenantreno, cuyo mecanismo era desconocido hasta que Hammel, K y su grupo de investigadores quienes demostraron la presencia de ácido difénico como un producto de la oxidación del fenantreno posiblemente por la vía de la 9,10 quinona. [8]

Estudios subsecuentes, han mostrado que la oxidación del fenantreno a ácido difénico es una consecuencia de la lípido peroxidación mediada por enzimas con actividad peroxidasa (MnPs- Manganeso peroxidasa). Sin embargo este mecanismo no esta completamente comprobado, y se continúan realizando estudios, dada la importancia de la aplicación de este hongo a nivel ambiental. [10]

Figura 4. Oxidación del fenantreno por P. chrysosporium. El intermediario de la quinona no esta completamente probado.

EXPERIMENTOS DE CAMPO

Zhongming, Z y Jeffrey O. en su estudio de remoción de hidrocarburos aromáticos policíclicos de suelo mediante la actividad oxidativa de P. chrysosporium, utilizaron un reactor (RBC- Rotating Biological Contactor Reactor) con células inmovilizadas de este basidiomycete inoculadas en tanque de aguas negras que contienen hidrocarburos aromáticos policíclicos [18].

Figura 5. Esquema del diseño del reactor RBC. 1. Tanque de aguas negras que contienen PAH. 2. tanque efluyente de aguas negras. 3. Condensador de aire. 4. Reactor RBC. 5. Motor eléctrico. 6. Filtro de aire. 7. Metro de corriente de aire. 8. Bomba de aire. 9. Baño de agua reciclado.

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFÍA

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