DEGRADACION POR MEDIO DE BACTERIANO DE COMPUESTOS XENOBIOTICOS

INTRODUCCION

A la gran variedad de compuestos orgánicos existentes en la naturaleza que por su génesis son biodegradables, debemos agregarles una gran diversidad de compuestos orgánicos producidos artificialmente por medio de síntesis químicas con diversos fines como por ejemplo industriales o agrícolas.

Estos compuestos orgánicos artificiales tienen muy diversos efectos en la naturaleza de acuerdo a la extensión de su uso, a la velocidad en que se degradan cuando se los expone al medio ambiente y a su toxicidad para la flora y fauna del sitio donde es usado.

Algunos de estos compuestos sintéticos son semejantes a los naturales y por ello es factible su degradación microbiológica. Otros son químicamente muy diferentes a cualquier otra sustancia producida por algún organismo vivo. Esto implica que su degradación microbiológica resulte más compleja. Algunas veces estos compuestos sintéticos raros se denominan xenobióticos (xeno es un vocablo que significa extraño).

A pesar de ello, en muchos casos, cuidadosos estudios microbiológicos han demostrado que los compuestos xenobióticos se pueden degradar, pero solamente mediante un consorcio microbacteriano y no en cultivos puros. Como ejemplo, mencionemos que ciertos hidrocarburos clorados solamente pueden ser declorados aeróbicamente con la presencia de intermedios metabolizados en un proceso anaeróbico

Biodegradación de xenobióticos

Muchos de los compuestos xenobióticos mas usados son los plaguicidas, componentes comunes de los desechos tóxicos.

Dado que los xenobióticos son compuestos sintetizados químicamente que jamás han existido en la naturaleza, los organismos capaces de degradarlos no pueden existir en la naturaleza. Esto constituye un punto clave para comprender la dificultad de su degradación microbiológica.

Los plaguicidas son una amplia variedad de tipos químicos, por ejemplo los ácidos clorofenoxialquil carboxilícos, las ureas sustituidas, los nitrofenoles, triacinas, fenilcarbamatos, organocloros, organofosfatos y otros. Estos incluyen principalmente herbicidas, insecticidas y fungicidas.

Algunas de estas sustancias constituyen una adecuada fuente de carbono y donadores de electrones para ciertos microorganismos del suelo, mientras que otras no lo son.

Un compuesto químico de las características que estamos tratando puede ser atacado por microorganismos y ocasionalmente desaparecerá del terreno. Tal degradación en la tierra, suele ser deseable, ya que evita las acumulaciones tóxicas de compuestos. Sin embargo, la biodegradabilidad, aun de compuestos muy relacionados, puede diferir marcadamente como se demuestra por los niveles relativos de persistencia de varios herbicidas en la tabla 1. No obstante,

estas cifras son solamente aproximadas pues una variedad de factores ambientales, como la temperatura, el pH, la aireación y el contenido de sustancias orgánicas en el suelo tienen influencia en la descomposición. Algunos de los insecticidas clorados son tan difíciles de destruir que han persistido después de 10 años. Nótese que la desaparición de un plaguicida de un ecosistema no significa necesariamente que fue degradado por microorganismos, dado que la perdida de un plaguicida también se puede deber a volatilización, filtración o degradación química espontanea.

Los organismos que pueden degradar a los pesticidas y herbicidas son diversos e incluyen distintos géneros tanto de bacterias como de hongos. Algunos pesticidas pueden actuar perfectamente como fuente de carbón y energía y son oxidados completamente hasta CO2. Sin embargo, otros compuestos son mucho más difíciles de degradar y son atacados tan solo ligeramente, aunque frecuentemente son degradados, ya sea total o parcialmente, si está presente algún material orgánico adicional como fuente energética primaria, fenómeno que se denomina cometabolismo. Cuando la degradación es exclusivamente parcial, el producto de degradación microbiana de un pesticida puede en ocasiones ser aun más tóxico que el compuesto original.

Tabla de persistencia de herbicidas e insecticidas en los suelos

sustancia Tiempo para la desapacion del 75 al 100%

Insecticidas cloraros

DDT 4 años

Aldrin 3 años

Clordano 3 años

Heptacloro 2 años

Lindano 3 años

Insecticidas organosfosforados

Diazinon 12 semanas

Malation 1 semana

Paration 1 semana

Herbicidas

2,4-D(ácido 2,4-dicloro-fenoxiacético) 4 semanas

2,4,5-T(ácido 2,4,5-tricloro-fenoxiacético) 20 semanas

Daladin 8 semanas

Atrazina 40 semanas

zimazina 48 semanas

propazina 1,5 años

Los compuestos químicos indicados en letra color rojo están incluidos en el Anexo III del Convenio de Rotterdam sobre el procedimiento de consentimiento fundamentado previo aplicable a ciertos plaguicidas y productos químicos.

Biorremediación : Eliminación de compuestos aromáticos

Las sustancias aromáticas son aquellas que, fundamentalmente, derivan del anillo bencénico. Este

anillo posee una estructura química resonante lo que confiere una elevada estabilidad

termodinámica a estos compuestos, siendo por ello difíciles de ser atacados tanto físico-

químicamente (radiación ultravioleta, oxidación, acidez, etc) como biológicamente. Por esta razón

muchos de estos compuestos pueden permanecer durante largas temporadas en la naturaleza sin

ser alteradas.

Si a esto le unimos el hecho de que muchos compuestos aromáticos son tóxicos y/o

carcinogénicos se puede comprender con facilidad que algunos de estos compuestos sean

considerados como potentes contaminantes. La toxicidad de los compuestos aromáticos se

fundamenta en su elevada hidrofobicidad y su facilidad de intercalarse en las membranas

biológicas, desorganizándolas. Algunos compuestos aromáticos, además son carcinogénicas, ya

que son incorporadas al DNA de forma errónea por la maquinaria enzimática de duplicación de los

ácidos nucleicos.

Los compuestos aromáticos se intercalan en las membranas celulares, provocando su desestructuración.

El origen de los compuestos aromáticos es diverso. El más importante es el origen natural, de

hecho constituyen el 25% de los compuestos orgánicos. La madera está formada por celulosa,

hemicelulosa y lignina, siendo ésta última un polímero polifenólico de gran tamaño. En las últimas

décadas, debido a nuestras necesidades energéticas, la industria petrolífera ha movilizado

combustibles fósiles muy ricos en compuestos aromáticos. El petróleo, una mezcla de gran

cantidad de compuestos orgánicos, entre ellos gran cantidad de aromáticos, se encontraba

confinado en sus resorvorios geológicos, hasta que por necesidades energéticas se ha movilizado,

pudiéndosele encontrar en la actualidad en prácticamente cualquier ecosistema. La industria

química ha añadido muchos aromáticos nuevos al medio ambiente, mediante modificación y

síntesis de compuestos aromáticos, siendo algunos de ellos de nueva creación, que nunca han

estado en la naturaleza, y por ello se les ha denominado compuestos xenobióticos.

Tanto la industria química cómo la petrolífera son las principales responsables de la contaminación con compuestos aromáticos.

Estas dos últimas actividades son responsables de la mayoría de la contaminación que se produce

por compuestos aromáticos. Los compuestos aromáticos son, en la mayoría de los casos

degradados y, en ocasiones modificados, por los seres vivos, que son en su mayor parte por

bacterias y hongos, tanto en presencia de oxígeno (aeróbica) como en su ausencia (anaeróbica). El

oxígeno juega un importante papel en el catabolismo de los compuestos aromáticos, de hecho

hasta los años 60 del siglo pasado se pensaba que la degradación de estos compuestos solo era

posible en presencia de oxígeno, y aún hoy todavía se pueden encontrar textos en los que se

afirma que la degradación de compuestos aromáticos sólo es posible si hay oxígeno en el medio.

El oxígeno juega un doble papel en la degradación de las sustancias aromáticas, de una parte se

incorpora en el compuesto aromático para ayudar a su desestabilización, bajando la energía

necesaria para romper el anillo; y de otra colabora en la ruptura del anillo bencénico. Los enzimas

que realizan esos pasos son las oxigenasas, bien monooxigenasas, que incorporan una sola

molécula de oxígeno, o dioxigenasas que incorporan dos. La degradación de los compuestos

aromáticos se inicia mediante modificaciones en los radicales del anillo bencénico que tienen

como misión desestabilizar el anillo. Los compuestos aromáticos, debido a la resonancia

electrónica del anillo bencénico, son muy estables; tanto que no ha aparecido en la naturaleza

ningún enzima que catalice la hidrólisis del anillo. La estrategia que sí ha aparecido es la que

produce la transformación del compuesto de partida en otros compuestos más inestables. A estos

compuestos se les denomina intermediarios y ejemplos de ellos son el catecol, el protocatecuato,

el gentisato o el homogentisato. Para llegar hasta estos compuestos son necesarias toda una serie

de rutas llamadas periféricas que convierten al compuesto aromático en estos pocos

intermediarios (es el llamado embudo metabólico).

En el llamado embudo metabólico los compuestos aromáticos son transformados hasta unos pocos compuestos intermediarios.

Las rutas periféricas son muy diversas y dependen de cada microorganismo. No existe una regla

fija sobre la degradación de estos compuestos; un mismo compuesto puede ser modificado de

formas diferentes en bacterias diferentes. Entre los enzimas implicados en las rutas periféricas se

encuentran oxigenas de hidroxilación. El paso siguiente es el que lleva a la ruptura del anillo, paso

catalizado por las oxigenasas de ruptura. Estos enzimas suelen ser muy complejos y diversos

pudiendo existir para un mismo compuestos dos oxigenasas diferentes que rompen el anillo en

puntos diferentes (las llamadas roturas orto o para). Una vez el anillo es roto, se generan

moléculas lineales que son convertidas en intermediarias del ciclo de metabolismo central de la

célula. Dependiendo del tipo de ruta que el microorganismo posea se van a generar unos

productos finales u otros, con lo que el rendimiento energético final puede variar.

Reacciones catalizadas por las oxigenasas que llevan a la eliminación de los radicales del anillo, así como a la hidroxilación del mismo.

El oxígeno y las oxigenasas son dos de los elementos clave en estos pasos metabólicos. Las oxigenasas, como ya hemos visto son las encargadas de eliminar los radicales del anillo y de hidroxilar éste y en última instancia de producir la rotura del anillo. Sin embargo, algunos microorganismos poseen otros mecanismos alternativos de degradar los compuestos aromáticos en condiciones aeróbicas. Son las llamadas rutas híbridas, ya que toman algunos elementos que recuerdan el catabolismo de compuestos aromáticos por parte de bacterias anaeróbicas. En este caso no se produce un derivado hidroxilado, sino que el anillo es desastibilizado por la incorporación al mismo de una molécula de coenzima A (CoA). Estos intermediarios CoA aromáticos son posteriormente hidrolizados por medio de dioxigenasas que generan compuestos que siguen rutas de degradación que recuerdan una beta-oxidación DIAPO. Aquí los enzimas claves son tanto las CoA ligasas y las oxigenasas de ruptura. Las CoA ligasas son enzimas que incorporan el grupo CoA al anillo bencénico con gasto de ATP, mientras que las oxigenasas de ruptura suelen requerir poder reductor para romper el anillo.

Las llamadas rutas híbridas por recordar al catabolismo de compuestos aromáticos en microorganismos anaeróbicos

BIOTRANSFORMACIONES DE LOS COMPUESTOS XENOBIOTICOSLos organismos están expuestos a un gran número de diferentes sustancias químicas xenobióticas, que, una vez absorbidas por el organismo, se acumulan en él y pueden amenazar su equilibrio funcional. Si la concentración de cualquier xenobiótico en el organismo es excesiva, inevitablemente comportará un riesgo para las funciones de las biomoléculas que actúen en su entorno, pudiendo alterar el correcto funcionamiento de un órgano, tejido, sistema, etc, interfiriendo en las reacciones bioquímicas.Al igual que la absorción y la distribución, dos procesos de transferencia, la Biotransformación también se lleva a cabo utilizando los mecanismos existentes en los tejidos, para ello se usa la misma maquinaria bioquímica con la que se metabolizan los compuestos endógenos, a veces de estructura química similar.Al conjunto de reacciones metabólicas por medio de las cuales los organismos modifican la estructura química de un XB se le denomina BIOTRANSFORMACIÓN. Podemos predecir que la biotransformación de un XB consiste fundamentalmente en incrementar su polaridad para posibilitar su eliminación, en convertir un

compuesto no polar en uno soluble en agua. Este es el mecanismo más común que usan los organismos para transformar y eliminar los XBs ambientales.Un XB en el interior del organismo puede seguir muchas opciones, pero simplificando:

a) puede ser excretado sin que haya sufrido modificación alguna, con su estructura original.

b) puede sufrir reacciones de transformación metabólica, biotransformaciones. Cuando éstas se producen, los compuestos son

biodegradables. Existe un conjunto de enzimas en los organismos que es más responsable de las

biotransformaciones de XBs.

METABOLISMO Y BIOTRANSFORMACIONEl metabolismo de un organismo es el conjunto de reacciones enzimáticas organizadas en rutas bioquímicas que sirven para mantener la funcionalidad de las células con las características estructurales y funcionales propias. Cuando las reacciones enzimáticas operan sobre componentes endógenos nos estamos refiriendo al metabolismo propiamente dicho y cuando las reacciones enzimáticas operan sobre los xenobióticos nos referimos a las reacciones de biotransformación. Ambos términos metabolismo y biotransformación se usan a veces como sinónimos, particularmente cuando se refiere al campo de los xenobióticos o de "drugs" .Por ejemplo, las enzimas biotransformadoras de xenobióticos son frecuentemente llamadas enzimas metabolizantes de drogas.

Cualquier enzima puede operar sobre su sustrato natural o sobre un compuesto XB, sea fármaco, contaminante, etc.: enzima Sustrato ---------------------------_ Producto o metabolito Cofactor

El término enzimas bitransformadoras de xenobióticos sería mas apropiado, aunque el término enmascararía el hecho de que varios compuestos endógenos, como los esteroides, puedan ser sustratos de estas mismas enzimas. Aplicar el término metabolismo a la biotransformación de xenobióticos, así como el término de metabolito a los derivados metabólicos de aquellos no parece muy adecuado, pero suele ser generalizado. Igualmente cuando se habla de individuos metabolizadores pobres, aquellos con alguna deficiencia enzimática y que tienen menor capacidad de biotransformar los XBs., o el término metabolizadores extensivos para aquellos individuos con fenotipo normal. Podría resultar conveniente aplicar el término de sistemas biotransformadores, aunque no es usual.

Biotransformación: Cualquier reacción bioquímica que opere sobre un XB a cargo de los sistemas enzimáticos de un organismo. Se entenderá como BIODEGRADACIÓN el conjunto de transformaciones metabólicas que sufra un XB a lo largo de su paso por un organismo, especialmente cuando el XB se degrade y ha sido el proceso más estudiado para muchos xenobióticos en muchos tipos diferentes de organismos (fundamentalmente organismos).