RESPIRACIÓN ANAEROBIA

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).
172
En ausencia de un aceptor externo de electrones, muchos organismos pueden oxidar
algunos compuestos orgánicos con liberación de energía, proceso denominado
fermentación. Bajo esas condiciones sólo se produce la oxidación parcial del
compuesto orgánico, y únicamente es liberada una pequeña parte de la energía,
permaneciendo el resto en los productos resultantes (Cuadro Nº 5.2). Esas oxidaciones
parciales implican la misma sustancia como dador y aceptor de electrones a la vez.
Cuadro N° 5.1. Principales Reacciones Bioquímicas del Proceso de la Digestión
Anaerobia.
Fuente: (Zinder, 1998).
Cuadro Nº 5.2. Resumen de los diferentes tipos de fermentaciones
ACEPTORES DE ELECTRONES
PRODUCTOS
(NO3-)
Nitrito (NO2-)
Oxido Nitroso (N2O)
Nitrógeno (N2)
Nitrito (NO2-)
Sulfato (SO4-2)
Oxido nitroso (N2O)
Nitrógeno (N2)
Sulfuro (H2S)
Hierro férrico (Fe+3)
Hierro ferroso (Fe+2)
Dióxido de Carbono (CO2)
Metano (CH4)
Nitrato
173
Fuente: Zinder, S. 1998
5.1. DESNITRIFICACIÓN
Desnitrificación: es un proceso anóxico en el cual los nitratos son reducidos a
nitrógeno gaseoso. Las desnitrificación es utilizada en post-tratamientos de
aguas residuales para remover nutrientes
La desnitrificación (o denitrificación) es la reducción bioquímica del ion nitrato
(NO3–), presente en el suelo o el agua, a óxido de nitrógeno (N2O) o como
nitrógeno molecular o diatómico (N2) que es la sustancia más abundante en la
composición del aire, así el nitrógeno regresa a la atmósfera. Por su lugar en el
ciclo del nitrógeno este proceso es el opuesto a la fijación del nitrógeno. Este
proceso se consigue bajo condiciones anóxicas o anaerobias (sin oxígeno). Es
fundamental para que el nitrógeno vuelva a la atmósfera y comience el ciclo
nuevamente.
El uso desasimilativo de nitrato se llama desnitrificación, y ocurre por medio de
una serie de fases donde el N va cambiando su estado de oxidación. La
desnitrificación es un proceso de anoxia en el que hay un dador de electrones
174
orgánico o inorgánico, se oxidan sustratos a expensas de la reducción de
nitrato (NO3-) o nitrito (NO2-) a nitrógeno gas (N2) como se muestra a
continuación:
La desnitrificación es la utilización 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 desnitrificación porque el nitrato,
como el oxígeno, tiene un bajo potencial de reducción. Muchas bacterias
desnitrificadoras pueden también utilizar el hierro férrico (Fe3+) y algunos
compuestos orgánicos como receptores de electrones.
La desnitrificación implica la reducción paso a paso del nitrato (NO3-) al nitrito
(NO2- ), al óxido nítrico (NO), al óxido nitroso (NO2) y al nitrógeno (N2) mediante
las enzimas nitrato reductasa, nitrito reductasa, óxido nítrico reductasa y óxido
nitroso reductasa, respectivamente.
Los protones son transportados a través de la membrana por la NADH
reductasa, las quinonas y el óxido nitroso reductasa para producir el gradiente
electroquímico crítico para la respiración. (Figura Nº 5.2)
175
Figura Nº 5.2. Procesos de Desnitrificación
Fuente: (Pares I.F. y A. Juárez, 1997).
Algunos organismos (por ejemplo, E. coli) producen solamente nitrato reductasa
y, por lo tanto, solo pueden realizar la primera reducción, lo que lleva a la
acumulación del nitrito. Otros (por ejemplo, Paracoccus denitrificans o
Pseudomonas stutzeri) reducen el nitrato totalmente. La desnitrificación
completa es un proceso ambientalmente significativo porque algunos productos
intermedios de la desnitrificación (óxido nítrico y óxido nitroso) son gases
importantes que reaccionan con la luz del sol y el ozono para producir ácido
nítrico, un componente de efecto invernadero de la lluvia ácida.
176
La desnitrificación es también biológicamente importante en el tratamiento de
aguas residuales donde se utiliza para reducir la cantidad de nitrógeno emitida
al ambiente de tal modo que reduce la eutrofización.
5.1.1. Tipos de Desnitrificación
La desnitrificación requiere un sustrato oxidable ya sea orgánico o inorgánico
que actúe como fuente de energía, por lo que la desnitrificación puede llevarse
a cabo tanto por bacterias heterótrofas como autótrofas.
El mayor problema de la desnitrificación biológica es la contaminación potencial
del agua tratada con: bacterias, fuente de carbono residual (desnitrificación
heterótrofa) y la posibilidad de formación de nitritos, lo cual hace necesario un
post-tratamiento. A día de hoy, los procesos desarrollados para la
desnitrificación biológica son diversos usando distintos sustratos y diferentes
configuraciones de reactores. Pero hay que destacar que prácticamente la
totalidad de los sistemas de desnitrificación desarrollados se basan en la
desnitrificación heterótrofa habiendo un gran vacío en el conocimiento y
desarrollo de la desnitrificación autótrofa.
A. Desnitrificación Heterótrofa
En
la
desnitrificación
heterótrofa,
un
sustrato
orgánico,
como metanol, etanol, ácido acético, glucosa, etc. actúa como fuente de
energía (donador de electrones) y fuente de carbono.
La desnitrificación heterótrofa es un proceso biológico de reducción del nitrato
presente en las aguas residuales a nitrógeno molecular en condiciones
anóxicas
por
la
acción
de bacterias
heterótrofas
(Pseudomonas, Paraccocus, Alcaligenes, Thiobacillus, Bacillus), que usan un
sustrato orgánico como fuente de carbono y energía.
En el proceso de desnitrificación existe además la posibilidad de acumulación
de intermediarios (NO2–, N2O, NO) debido al tipo y concentración del sustrato
empleado o a las condiciones de operación (temperatura, pH, tiempo de
residencia hidráulico, tiempo de retención celular). En base a esto, para que la
177
transformación culmine en N2, deberán controlarse las condiciones ambientales
como el nivel de O2 disuelto, la fuente de carbono orgánico, la concentración de
nitratos, la relación C/N, la disponibilidad de fósforo, pH, temperatura y posible
presencia de tóxicos.
Una de las reacciones que implica una desnitrificación heterótrofa podría ser la
de la oxidación del ácido acético:
1.25 CH3COOH + 2 NO3- → 2.5 CO2 + N2 + 2 OH- + 1.5 H2O.
∆Gº´=-1054.8 kJ/ reacción.
La desnitrificación heterótrofa es ampliamente aplicada por su alta eficiencia y
bajo costo. La tasa de desnitrificación heterotrófica es alta, permitiendo el uso
de reactores de poco volumen y bajos costes. Sin embargo el carbón residual
de este proceso causa diversos problemas para el tratamiento de aguas
potables, lo que convierte a la desnitrificación autótrofa en una buena
alternativa.
B. Desnitrificación Autótrofa
En la desnitrificación autótrofa, la fuente de energía es inorgánica,
como hidrógeno o
compuestos
reducidos
de azufre: sulfhídrico (H2S)
o tiosulfato (S2O32-), la fuente de carbono, también inorgánica, es el CO2.
Algunas bacterias desnitrificantes son quimiolitoautótrofas y pueden oxidar
compuestos inorgánicos de azufre como sulfhídrico (H2S), azufre elemental
(S0), tiosulfato (S2O32-) o sulfito (SO32-) anaeróbicamente a expensas de la
reducción del nitrato. Entre ellas, autótrofos obligados que crezcan a pHs
neutros tan solo se conocen dos: Thiobacillus denitrificans y Thiomicrospira
denitrificans y pueden llevar a cabo la sulfoxidación en condiciones aeróbicas o
anóxicas. Recientemente se ha aislado Thioalkalivibrio denitrificans, un
autótrofo, oxidador de azufre, capaz de crecer anaeróbicamente usando nitrito
como aceptor de electrones a pH básico.
Las ventajas de este proceso respecto a la heterotrofía son varias. Para el
tratamiento de aguas residuales, evita tener que añadir materia orgánica,
178
reduciéndose así 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 desinfección de la zona por los productos producidos
debido a que los organismos autotrófos crecen más despacio y producen
menos biomasa, con la consiguiente formación de menos productos celulares.
Además los organismos autótrofos están mejor adaptados para el tratamiento
de aguas subterráneas porque crecen a bajas concentraciones de compuestos
orgánicos biodegradables. También posee un gran interés comercial y desde el
punto de vista de la biotecnología ambiental puesto que es uno de los pocos
ejemplos en los que puede oxidarse biológicamente compuestos reducidos del
azufre (sulfoxidación) en ausencia de oxígeno elemental.
Pero la principal ventaja de este proceso es la aparición de la desnitrificación
acoplada a la oxidación de compuestos reducidos del azufre, combinando la
eliminación simultánea de dos tipos de contaminantes, los nitratos y los
compuestos reducidos del azufre teniendo así gran interés por sus aplicaciones
biotecnológicas.
5.1.2. Aplicaciones
Algunas de las aplicaciones, reales o potenciales de la desnitrificación autótrofa
son:

Control de problemas de corrosión y olores por sulfídrico en sistemas de
alcantarillado mediante la adicción de nitrato.

Estimulación, mediante adicción de nitratos, de la degradación biológica
del sulfhídrico en salmueras de campos petrolíferos, reduciendo los
problemas asociados a su toxicidad, corrosividad y tendencia a formar
metales insolubles de azufre.

Tratamiento del biogás o gas natural para eliminar el H2S presente.

Eliminación simultanea de N y S en el tratamiento de aguas residuales
mediante recirculación de los nitratos resultantes de la fase de
nitrificación, a una fase anaerobia, reduciendo los nitratos y oxidando los
179
sulfuros, alcanzando un doble beneficio en una sola etapa. Esta
aproximación no es solo teórica y ya ha sido ensayada para tratar los
efluentes de producción de levaduras.

Eliminación de nitratos del agua potable y agua residual usando S˚.

Eliminación de nitrato de aguas subterráneas mediante la inserción
de membranas con hidrógeno y dióxido de carbono o usando un lecho
mixto con sulfuro y gránulos de calcita en proporción de volumen 1:1
con Thiobacillus denitrificans.
En condiciones de mucha humedad en el suelo, la falta de oxígeno obliga a
ciertos microorganismos a emplear nitrato en vez de oxígeno en su respiración.
Por tanto, la capacidad de reducir el nitrato a compuestos gaseosos está
limitada a los organismos que pueden utilizar el oxígeno del nitrato y del nitrito
en su metabolismo. Por tanto, las condiciones más favorables para que tenga
lugar la desnitrificación bacteriana incluyen la existencia de un drenaje
deficiente, una temperatura superior a 25ºC, baja acidez del suelo y suficientes
aportes de materia orgánica fácilmente descomponible.
5.1.3. Bacterias Desnitrificantes
La conversión del nitrógeno, en forma de nitratos, a formas más rápidamente
eliminables se puede llevar a cabo gracias a la acción de diversos géneros de
bacterias. De entre ellas, se pueden destacar:

Autótrofos: Pseudonomas, Alcaligenes, Bacillus, Agrobacterium.

Quimiolitrótofos: Thiobacillus, Thiomicrospira, Nitrosomas.

Diazótrofos: Rhizobium, Azospirillum.

Fotótrofos: Rhodopseudomonas.

Arqueobacterias: Halobacterium.

Heterótrofas: 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 pérdidas de nitrógeno en la atmósfera es más o menos equilibrada
180
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 nitrógeno que
contienen
los
gases.
Los
posibles
Thiobacillus denitrificans, Micrococcus denitrificans,
ejemplos
Paracoccus
incluyen
y
Pseudomonas . Esto es importante ya que permite nitrógeno al ciclo (ciclo de
nitrógeno) nuevamente en la atmósfera. Estas bacterias también se han
implicado en el agotamiento de la fertilidad del suelo, y con ello la productividad
agrícola.
5.2 REDUCCIÓN DEL SULFATO
Los sulfatos son las sales o los ésteres del ácido sulfúrico.
Contienen como unidad común un átomo de azufre en el centro
de un tetraedro formado por cuatro átomos de oxígeno.
Las bacterias reductoras de sulfato pueden ser utilizadas para
convertir el sulfato (SO42-) o sulfito (SO32-) a sulfuro (S2-) como se muestra en la
reacción inferior. Las bacterias utilizan sustratos dadores de electrones
presentes en aguas residuales (contaminación orgánica) o agregando sustratos
para la reducción de sulfato. Los sustratos son parcialmente oxidados
(por ejemplo, al acetato) o totalmente oxidado a dióxido de carbono.
181
El Sulfato se comporta como un receptor de electrones alternativos para apoyar
la respiración anaeróbica. La formación de sulfuro biogénico es el primer paso
para procesos biotecnológicos, dirigidos a la eliminación y recuperación de
metales pesados o azufre.
Durante la degradación anaerobia de la materia orgánica, puede ocurrir que las
BSR utilicen el sulfato como aceptor de electrones, aunque pueden utilizar
también compuestos como el tiosulfato, el tetrationato y el azufre elemental. Los
donadores de electrones más utilizados por las BSR son H2, lactato, piruvato
entre otros.
Las BSR son anaerobios estrictos, ampliamente distribuidas en ambientes
acuáticos y terrestres, cumplen un importante papel en las etapas finales de la
degradación de la materia orgánica, especialmente en la remoción de los
sulfatos presentes en el afluente.
Pueden crecer en presencia o ausencia de sulfatos, utilizando vías metabólicas
diferentes; una fermentativa y la otra oxidativa
La reducción del sulfato es un proceso energético 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 metabólico se obtiene sulfuro del
hidrógeno (H2S).
Muchos organismos reductores del sulfato son heterótrofos, empleando
compuestos del carbono tales como lactato y piruvato (entre muchos otros)
como donadores de electrones mientras que otros son autótrofos, que utilizan el
gas hidrógeno (H2) como donador de electrones.
Algunas bacterias autótrofas reductoras del sulfato pueden utilizar el fosfito
(HPO3-)
como
donador
de
electrones
182
(por
ejemplo,
Desulfotignum
phosphitoxidans) o son capaces de generar dos compuestos a partir del azufre,
en este caso un donador de electrones y un receptor de electrón) usando el
tiosulfato (S2O32-, por ejemplo, Desulfovibrio sulfodismutans).
Todos los organismos reductores del sulfato son anaerobios obligados. Puesto
que el sulfato es energéticamente estable, antes de que pueda ser
metabolizado debe primero ser activado por adenilación 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 fermentación del
substrato de carbono. El hidrógeno producido durante la fermentación es
realmente quién conduce la respiración durante la reducción del sulfato.
Eventualmente, los electrones pasan de la enzima hidrogenasa a la APS
reductasa, que junto con la sulfito reductasa termina la reducción del sulfato a
sulfuro del hidrógeno. El gradiente que mueve al protón se establece debido al
hecho de que la hidrogenasa, que convierte H2 a 2H+, se localiza en el
periplasma (o fuera de la célula en las bacterias Gram positivas).
Bacterias reductoras de sulfato
Bacteria Desulfovibrio vulgaris; la barra en la parte superior derecha es de
0,5 micrómetros de largo.
Muchas bacterias pueden reducir pequeñas cantidades de sulfatos con el fin de
sintetizar azufre que contienen componentes de la célula, lo que se conoce
como la reducción del sulfato de asimilación. Por el contrario, las bacterias
reductoras de sulfato que pueden reducir grandes cantidades sulfato para
183
obtener energía y expulsar a los sulfuros que resultan como desecho; se
conoce como la reducción del sulfato disimilación.
Son anaerobios que
utilizan
el
sulfato
como
el
terminal receptor
de
electrones de su cadena de transporte electrónico.
La mayoría de bacterias reductoras de sulfato pueden también reducir otros
inorgánicos oxidados de azufre compuestos, como el sulfito, tiosulfato o azufre
elemental. Figura Nº 5.3.
Figura Nº 5.3. Sulfato Reducción en la Degradación de la Materia Orgánica
polimérica.
Fuente: (Gibson G., 1998)
184
5.2.1. Reducción del Sulfato con Lactato
El lactato y el piruvato pueden ser dadores de electrones para la reducción del sulfato
(Figura Nº 5.4). El lactato es oxidado a piruvato por la lactato deshidrogenasa y los
electrones producidos son utilizados para producir hidrógeno molecular.
El piruvato es convertido en CO2, H2 y acetil fosfato por un proceso análogo al utilizado
por los clostridios. Se requiere siempre una hidrogenasa citoplasmática.
El hidrógeno producido difunde rápidamente a través de la membrana protoplasmática,
siendo recapturado gracias a otra hidrogenasa periplasmática y su cofactor, el
citocromo c3.
Los electrones producidos entran en el citoplasma y los protones crean un gradiente
protónico a través del cual puede producirse ATP por la ATP-asa. En el citoplasma los
electrones producidos son utilizados para la reducción del APS a sulfuro por la APS
reductasa y la bisulfito reductasa.
En esferoplastos de D. gigas que han perdido la hidrogenasa periplasmática y el
citocromo c3 no se oxida el lactato con sulfato. Añadiendo hidrogenasa purificada del
mismo microorganismo y citocromo se restaura parcialmente la actividad (40%).
D. desulfuricans, creciendo en el quimiostato, puede simultáneamente fermentar un
exceso de piruvato produciendo H2 en tanto que el SO2-4 a concentración limitante
sigue siendo reducido. Añadiendo más 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 último sólo aparece después de que se inicia una recaptación de H2. No
obstante, una elevada concentración exterior de H2 puede inhibir completamente la
oxidación del lactato y el piruvato.
185
Figura Nº 5.4. Ciclo del hidrógeno en las bacterias reductoras del azufre.
Fuente: (Muñoz, A. et al 2001)
5.2.2. METABOLISMO DEL CARBONO EN LOS SULFATO REDUCTORES
Los reductores de sulfatos pueden utilizar un número muy limitado de fuentes de
carbono. Este reducido espectro de sustratos utilizables se debe a que la oxidación
con sulfato tiene un bajo rendimiento energético. El sulfato es el único 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 (E’0 = -116 mV). Esto supone la
transferencia de 6 e- o de tres transferencias de 2 e-, con tritionato y tío- sulfato como
intermediarios. Como consecuencia de estos relativamente bajos potenciales de óxidoreducción, la energía que puede obtenerse de la oxidación del sustrato es pequeña.
Compárese con el O2 (E0 = +820 mV) y el NO-3 (E'0 = +433 mV).
186
La eliminación del acetato de los medios anaerobios se consideró durante mucho
tiempo restringida a los metanógenos. Sin embargo, Pfen- nig y Biebl mostraron que
los miembros del nuevo género Desulfuromonas producen sulfuro y oxidan acetato a
CO2 en presencia de azufre elemental. Por otra parte, Desulfobacter postgatei sólo puede
utilizar acetato como sustrato orgánico para el crecimiento. En esta bacteria se han
encontrado todos los enzimas del ciclo de los ácidos tricarboxílicos, por lo que se ha
propuesto para la oxidación del acetato la vía 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)
187
La fosforilación a nivel le sustrato no puede suministrar el ATP necesario para la
reducción de sulfato y para el crecimiento. De este modo, se requiere el concurso de
otro sistema generador de energía concomitante con la oxidación del acetato.
Actualmente se cree que la principal distinción taxonómica entre los reductores de
sulfato debe situarse entre aquellos que pueden oxidar acetato y los que lo acumulan
como resultado de la oxidación parcial de otros sustratos orgánicos.
Las fuentes de carbono sobre las que pueden crecer los reductores de sulfato pueden
ser CO2, cierto número de compuestos orgánicos incluyendo el benzoato pero
excluyendo azúcares e hidrocarburos y, finalmente, ácidos orgánicos desde el acetato
al estearato. Sin embargo, hay un grupo que sólo puede oxidar parcialmente un
número muy reducido de compuestos, como el lactato, y otro que puede oxidar una
amplia variedad de fuentes de carbono, tales como ácidos grasos de peso molecular
relativamente alto. En este último caso se encuentran los que acumulan acetato y los
que pueden llevar a cabo su mineralización.
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 simultáneamente funcionales las vías de Embden-Meyerhof y la de EntnerDoudoroff, lo cual es excepcional a pesar de que esta última vía se haya encontrado
con carácter exclusivo en algunas bacterias anaerobias. En el caso referido,
Desulfotomaculum nigrificans lleva a cabo un proceso análogo a la oxidación del piruvato
con SO2-4 con un aporte adicional de producción interna de H2 con electrones de baja
energía.
Muchas especies, incluyendo Desulfovibrio vulgaris y D. desulfuricans, pueden oxidar H2
con SO2-4. En estos casos, la asimilación del carbono, se reparte generalmente entre
CO2 y acetato en la proporción del 30% y del 70%, respectivamente. Sin embargo, hay
especies que pueden crecer auto- tróficamente reduciendo CO2.
188
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 Ecológica
Se generaliza el sulfato en agua de mar, los sedimentos o el agua rica en materia
orgánica en descomposición.
Las bacterias reductoras de sulfato son comunes en entornos anaeróbicos en los que
la ayudan en la degradación de materiales orgánicos. En estos ambientes
anaeróbicos, bacterias fermentadoras extraer energía de las grandes moléculas
orgánicas, y resultan pequeños compuestos, como ácidos orgánicos y alcoholes que
son oxidados por acetogenos y metanógenos.
Los lodos procedentes de un estanque, y el color negro se deben a los sulfuros
metálicos que resultan de la acción de bacterias reductoras de sulfato.
El tóxico sulfuro de hidrógeno 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 hidrógeno reacciona con los iones metálicos en el agua para producir sulfuros
metálicos. Estos sulfuros metálicos insolubles, como el sulfuro de hierro FeS, a
menudo son de color negro o marrón, lo que da el color oscuro de los lodos.
En ingeniería, las bacterias reductoras de sulfato pueden crear problemas cuando las
estructuras metálicas están expuestos al sulfato que contienen el agua: la interacción
del agua y el metal crea una capa de hidrógeno molecular en la superficie metálica; el
sulfato de bacterias reductoras oxidan el hidrógeno, la creación de sulfuro de hidrógeno
contribuye a la corrosión.
Algunos microorganismos son capaces de remover azufre de los compuestos
orgánicos:

Bajo condiciones de aerobiosis la remoción del azufre o desulfuración de los
compuestos orgánicos origina formación de sulfatos: Sulfatación.
189

Bajo condiciones de anaerobiosis se produce normalmente ácido sulfhídrico
a partir de la mineralización de los compuestos orgánicos sulfurados: Sulfo
reducción. Figura N° 5.6.
Figura N° 5.6. Alternativas del metabolismo del sulfato a nivel orgánico e
inorgánico
Fuente: Londoño Carvajal A. 2002.
5.2.4. La eliminación de Metales Pesados y la Recuperación:
La forma insoluble de sulfuros biogénicos precipita altamente con metales
pesados (como el cobre o zinc). Así, los sulfuros pueden precipitar los metales
pesados solubles en las aguas residuales arroyos o aguas subterráneas
contaminadas. Los sulfuros metálicos precipitados se pueden quitar. Dado que
los iones de los metales están muy concentrados en el precipitado, pueden ser
reciclados en la industria para su reutilización.
190
Precipitación de metales pesados de sulfuros biogénicas
Eliminación de Azufre y recuperación:
Los sulfuros biógenas en parte, pueden oxidarse en condiciones de
microaerofilia (bajas concentraciones de oxígeno) 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 reutilización en la industria. Generalmente se utiliza un reactor de
sulfoxidación en condiciones de microaerofilia como un post-tratamiento para
una reducción de sulfato con el fin de eliminar y recuperar azufre. Los reactores
de sulfoxidación también se pueden utilizar para limpiar las corrientes de gas
que contienen sulfuro de hidrógeno (H2S). En la siguiente reacción se muestra
la oxidación de sulfuros en condiciones de microaerofilia por bacterias
quimiotrofos a azufre elemental
5.3. ACETOGÉNESIS
La Acetogénesis es un proceso mediante el cual el acetato es producido
por bacterias
anaerobias de
una
variedad
de
fuentes
energía
(por
ejemplo, hidrógeno) y el carbono (por ejemplo, el dióxido de carbono). Las
diferentes especies de bacterias que son capaces de acetogénesis se
denominan colectivamente acetogenos.
En la acetogénesis los ácidos grasos volátiles se convierten en ácido
acético, dióxido de carbono y de hidrógeno. La acetogénesis es un tipo de
metabolismo microbiano que utiliza hidrógeno (H2) como donador de electrones
y dióxido de carbono (CO2) como receptor de electrones para producir acetato
(en esto es similar a la metanogénesis). Las bacterias que pueden sintetizar
191
autotróficamente acetato se denominan homoacetógenas. La reducción del
dióxido de carbono en todos los homoacetógenos se produce por la ruta del
acetilo-CoA. Esta ruta también es utilizada para la fijación del carbono por las
bacterias
reductoras
del
sulfato
autótrofas
y
por
los
metanógenos
hidrogenotrofos. A menudo, los homoacetógenos pueden también ser
fermentantes, usando el hidrógeno y dióxido de carbono producidos como
resultado de la fermentación 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 formación de acetato a partir de hidrogeno y CO2 en su metabolismo
energético. Filogenéticamente las bacterias acetogenicas son diversas y a la
fecha se han descrito 19 géneros.
Entre sus características metabólicas se han descrito que como las bacterias
homoacetonas aquellas que forman acetato como único metabolito y producen
tres moles de acetato por mol de glucosa. En otros casos puede formarse
acetato por reducción del CO2 junto a otros productos de fermentación como
alcoholes, ácidos grasos volátiles y algunos compuestos aromáticos, .tales
microorganismos constituyen el grupo de las bacterias heteroacetogenas.
Independientemente tenemos una formación de acetato que no incluye la
reducción de CO2.
La mayor parte de las bacterias homoacetogenas son capaces de crecer de
forma autotrófica en una atmósfera de CO2/H2, pero en
algunos casos se
requiere la adición de extractos de levadura y/o vitaminas. Los metales son
esenciales para el crecimiento de las acetogenas, pero solo a nivel de trazas.
192
5.3.2. Formación de Acetato por fermentación de sustratos orgánicos
En general, en el mundo microbiano la formación de acetato por fermentación
puede tener lugar bien por la fermentación de acetil–P a través de las
fosfocetolasas, o bien por descarboxilación del piruvato.
En el primer caso se encuentran las bacterias del acido acético, las bacterias
heterofermentativas del acido láctico y los miembros el género Bifidobacterium,
todos los cuales pueden producir acetato a partir de hexosas y pentosas a
través de esta vía. La 6-fosfohexosa-fosfocetolasa solo s ha detectado en
alguna bacteria del acido acético y en Bifidobacterium. La presencia de esta
enzima posibilita transformar las hexosas en acido acético exclusivamente
(como es el caso de A. xylinum y muchas especies de Bifidobacterium).
El acido pirúvico puede producir acido acético por descarboxilación. En las
levaduras y en las bacterias del acido acético se encuentra una descarboxilasa
que produce directamente acetaldehído y CO2 a partir del piruvato.
El acetaldehído 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 más
complejas.
Por ejemplo, en E. coli se ha descrito un complejo enzimático 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).
descarboxilación del piruvato tendría lugar a través de las siguientes etapas:
193
La
Figura N° 5.7. Etapas de descarboxilación del piruvato a través de
complejo enzimático de E. coli.
Fuente: (Pares I.F. y A. Juárez, 1997).
El enzima flavinico se reoxidaria con NAD+, lo cual no es muy frecuente, estando este
ultimo ligado a un citocromo para su reoxidación a través 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 drásticamente inhibido en
ausencia de oxigeno. Su función queda sustituida por la piruvato-formiato liasa que no
requiere NAD+ y produce acetil- CoA y formiato.
194
El formiato puede acumularse o desdoblaste parcial o totalmente en CO2 y H2 por
acción 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, también puede dar etanol por el acetaldehído deshidrogenasa (ACDH) y
el alcohol deshidrogenasa (ALDH).
Todo el sistema resulta mucho más eficiente para poder aumentar el consumo de
sustrato, existiendo suficientes recursos para reoxidar el NADH + H+. La formación de
acido fórmico por descarboxilación del piruvato también tiene lugar en Clostridium
acidi-urici, lo cual es una excepción dentro de los miembros de este género.
En los géneros Clostridium y Desulfovibrio (en ausencia de sulfato) no se forma acido
fórmico y el sistema de descarboxilación incluye ferredoxina y biotina como cofactores.
El sistema enzimático recibe el nombre de piruvato-ferrodoxina oxidorreductasa y la
reacción que cataliza suele denominarse ruptura fosforoclastica del piruvato (Figura N°
5.8). C. acidi-urici es una excepción dentro del género Clostridium, ya que utiliza el
sistema que da lugar a formiato.
Aparte de los sistemas de descarboxilación del piruvato descritos, es importante
resaltar que el enzima CoA transacetilasa puede actuar conjuntamente con el lipoato
195
transacetilasa en las bacterias que producen juntamente con el lipoato transacetilasa
en las bacterias que producen acetoina.
No se necesita NAD+ para la reoxidación del lipoato, tanto si se produce acetolacto
como Diacetilo. En las propionibacterias se forma acetil lipoato a partir de acetaldehído
activo (CH3- CHOH-TPP-E), regenerándose E-TPP.
El acetil lipoato reacciona con el CoA, formando acetil-CoA. En este caso el lipoato se
reoxida con NAD+, no formándose hidrogeno. Esto es lo que puede ocurrir en la
formación de acetato a partir del piruvato en algunas bacterias del acido láctico, asi
como en la fermentación del lactato por las bacterias del acido propiónico.
Figura N° 5.8. Descarboxilación del piruvato por el complejo piruvato-ferredoxina
oxidorreductasa.
Fuente: (Murray, R. K. et. al. 2005)
196
El piruvato reacciona con el enzima (E-TPP, que contiene pirofosfato de tiamina)
siendo descarboxilado (1). El complejo lactil-enzima es entonces oxidado, generándose
acetil-CoA (2). Los dos electrones son transferidos a la ferrodoxina, que se reduce.
Debido al bajo potencial red-óx de esta (E0” = -0.41 V), una hidrogenasa puede oxidarla
generando hidrógeno (3).
5.3.3. Formación de Acetato por reducción directa de CO2
El acetato puede originarse tanto en procesos fermentativos de sustratos
orgánicos como en el desarrollo aerobio de diversos microorganismos que
crecen utilizando materia orgánica. Con independencia de estos dos tipos de
microorganismos formadores de acetato, existen también las bacterias
denominadas propiamente acetogenicas, las cuales sintetizan este acido a
partir de CO2 y/o de otros precursores de un solo átomo de carbono. Este grupo
incluye las bacterias del acido butírico que catalizan esta síntesis.
197
La síntesis de acetato a partir de CO2 se ha obtenido al inocular un cultivo
bacteriano que producía acetato a lodos de aguas residuales después de una
incubación en atmósfera 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 vía de Word para la fijación autotrófica de CO2
El actual conocimiento de la vía de síntesis de acetato desde CO2 en C.
thermoaceticum se representa en la Figura Nº 5.9, se conoce con el nombre de
vía de Word o vía de los corrinoides. Algunas enzimas son exclusivos de esta
vía metabólica: la formiato deshidrogenada (que contiene tungsteno, selenito y
hierro); la monóxido de carbono deshidrogenasa (que tiene níquel, Zinc y
hierro); la proteína corrinoide (que es un derivado de la vitamina B12), y una
metil-transferasa. Los intermediarios metabólicos más importantes
son el
formiato, los portadores de C1 del tetrahidrofolato y el metil corrinoide.
La fermentación de una molécula de glucosa daría dos moléculas de piruvato.
De estas se derivan dos de acetil-coA. Por otra parte, las dos moléculas de CO2
resultantes de la descarboxilación del piruvato seguirían dos aminos diferentes
para acabar produciendo la tercera molécula de acetil-coA. Una de las
moléculas forma metil-tetrahidrofolato (CH3-H4 folato), mientras que la otra
participa en la reacción del monóxido 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 monóxido de carbono y el
coenzima A para dar acetil coA:
198
Figura Nº 5.9. Fermentación de la glucosa por C. thermoaceticum y fijación
autotrófica del CO2 por la vía de Word para la fijación autotrófica de CO2
Fuente: (Pares I.F. y A. Juárez, 1997).
El intermediario clave de la Co-deshidrogenasa (Co-Ni-E) puede formarse
también 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 reacción de la CO deshidrogenasa.
199
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 proteína, la deshidrogenasa del monóxido de carbono
en C.
thermoaceticum y C. formicoaceticum, la cual lleva níquel.
De este modo, el COP puede sustituir al piruvato o al CO2 como precursor del
grupo CH3 del acetato. Una fracción aislada, la cual contiene una
Metiltransferasa que puede sintetizar acetil-CoA a partir de monóxido 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 generación de energía en las bacterias acetogenas
Cuando las bacterias acetogenas crecen con glucosa, transformándola en
acetato, la acetoquinasa es responsable de la formación del ATP (Fig.5.3). Por
otra parte, la reacción
de formación del metil-tetrahidrofolato implica un
consumo de ATP. Si bien existe una formación neta ATP al crecer con glucosa,
el crecimiento, con CO2/H2 requiere una generación adicional de energía.
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 utilizaría para reoxidar el NADH,
produciéndose hidrogeno. La segunda reciclara el hidrogeno formándose 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 citoplasmática,
solo se induce por la presencia de sustratos orgánicos. En atmósfera de
CO2/H2 funcionaria únicamente el sistema catalizado por la hidrogenasa ligada
a la membrana y el sistema de ATPasa (Figura Nº 5.10).
200
Figura Nº 5.10. Esquema de los sistemas de transporte de electrones y
transposición de protones ATPasa en las bacterias acetogenas creciendo
con CO2\H2.
Fuente: (Valdez Vazquez, I., et al. 2004)
5.3.6. Otras vías metabólicas utilizadas por las bacterias Acetogenas:
En
las
bacterias
acetogenas
pueden
encontrarse
otros
mecanismos
bioquímicas que conducen a la formación de acetato a partir de diversos
compuestos orgánicos y CO2.
A. Sistemas dependientes del Tetrahidrofolato
A partir de metiltretahidrofolato, amoniaco y CO2 puede sintetizarse glicina, en
una reacción catalizada por la glicincarboxilasa (1).la glicina puede convertirse
201
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 también incorporar un grupo
metilo del tetrahidrofolato, generándose finalmente piruvato, el cual es
descarboxilado a acetato.
B. Reducción indirecta del CO2
Existen indicios existentes que el piruvato puede ser el intermediario para una
conversión cuantitativa de un mol de glucosa en tres de acetato según la
siguiente vía: (Figura Nº 5.11).
202
Figura Nº 5.11. Sistema de Reducción indirecta del CO2
Fuente: (Pares I.F. y A. Juárez, 1997).
203
5.4. REDUCCIÓN DEL HIERRO FÉRRICO (FE3+)
5.4.1. Mecanismos de la reducción del hierro férrico (fe3+)
El hierro férrico es un receptor terminal de electrones extensamente utilizado
por los organismos anaerobios autótrofos y heterótrofos. El flujo de electrones
en estos organismos es similar a los que usan como receptores terminales
oxígeno o nitrato, salvo que en los organismos reductores de hierro férrico la
enzima final es la hierro-férrico reductasa. Los organismos modelo incluyen
Shewanella putrifaciens y Geobacter metallireducens. Algunas bacterias
reductoras del hierro férrico (tales como G. metallireducens) pueden utilizar
hidrocarburos tóxicos tales como el tolueno como fuente de carbono, por lo que
hay un
gran
interés en
usar
estos
organismos
como
agentes
de
biorremediación en acuíferos contaminados ricos en hierro férrico.
Los procesos de solubilización y extracción de elementos recuperables a partir
de minerales o sólidos mediados por la acción de microorganismos (bacterias u
hongos) son conocidos como biolixiviacion. Si la recuperación de los metales de
valor puede ser usada para el enriquecimiento del mineral por remoción de
impurezas o constituyentes indeseables, a través de la acción directa o
indirecta de microorganismos son conocidos como biobeneficiacion,
La bacteria más activa en los procesos de biolixiviacion pertenece al género
Thiobacillus, específicamente Thiobacillus ferrooxidans. Muchos tiobacilus son
especies quimiolitotrofas y su energía deriva de la oxidación de compuestos de
azufre reducidos o parcialmente reducidos, incluidos sulfuros, azufre elemental
y tiosulfato, obteniéndose 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 últimas 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. Después de 15 días de biooxidacion de sulfuros
204
metálicos, la bacteria mostró acción catalizadora sobre el proceso de disolución
del mineral,
El pH adecuado es una condición necesaria para el cecimiento del
microorganismo y su variación es decisiva para la solubilización 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 oxidación de hierro ferroso y sulfuros. Para valores
de pH cercanos a 2,0 ocurre una considerable inhibición de T. ferrooxidans.,
pero Thiobacillus ferrooxidans puede ser adaptado para valores de pH menores
por adición 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 oxidación 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 acción del hierro ferrico son:
En la presencia de bacterias ferrooxidantes, el hierro ferroso producido en estas
reacciones puede ser oxidado a hierro férrico, estableciéndose por lo tanto un
proceso cíclico. Dicho ataque oxidativo tiene dos etapas (I) la interacción
química del hierro férrico con el mineral sulfuroso y (II) la regeneración del
hierro férrico por la bacteria.El hierro férrico se puede reducir en condiciones
anóxicas a la forma ferrosa, más soluble.
205
Si hay suficientes H2S se forman precipitados de sulfuro de hierro. La
inundación del suelo crea las condiciones anóxicas que favorecen la
acumulación de hierro ferroso.
En ambientes aeróbicos, la mayor parte del hierro esta en estado férrico.
Diversas bacterias forman sideroforos, que unen al hierro facilitando así la
absorción celular.
Algunos
quimiolitotrofos
oxidan
hierro
para
formar
energía
celular.
Estas bacterias oxidadoras del hierro pueden generar grandes cantidades de
este elemento.
El hierro férrico es un receptor terminal de electrones extensamente utilizado
por los organismos anaerobios autótrofos y heterotrófos. El flujo de electrones
en estos organismos es similar a los que usan como receptores terminales
oxígeno o nitrato, salvo que en los organismos reductores de hierro férrico la
enzima final es la hierro-férrico reductasa. Los organismos modelo incluyen
Shewanella putrifaciens y Geobacter metallireducens. Algunas bacterias
reductoras del hierro férrico (tales como G. metallireducens) pueden utilizar
hidrocarburos tóxicos tales como el tolueno como fuente de carbono, por lo que
hay un
gran
interés en
usar
estos
organismos
como
agentes
de
biorremediación en acuíferos contaminados con hierro férrico
5.5.
OTROS
RECEPTORES
TERMINALES
DE
ELECTRONES
INORGÁNICOS
Además de los numerosos y comunes receptores terminales de electrones
enumerados arriba, existen algunos organismos que pueden utilizar iones
inorgánicos exóticos en la respiración anaerobia. Mientras que estos procesos
pueden ser a menudo menos significativos ecológicamente, son de interés
considerable para la biorremediación, especialmente de metales pesados. Los
ejemplos incluyen:

Reducción del ion mangánico (Mn4+) al ion manganoso (Mn2+).
206

Reducción del selenato (SeO42-) a la selenita (SeO32-) y de la selenita al
selenio inorgánico (Se).

Reducción del arseniato (AsO43-) al arsenito (AsO33-).
5.5.1. Reducción del ion Mangánico (Mn4+) al ion Manganoso (Mn2+).
De manera semejante al hierro, los microorganismos también, 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 mangánica (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 mangánico tetravalente, este forma un dióxido (MnO2) insoluble en agua,
que no se puede asimilar directamente a las plantas.
En algún hábitat marino y de agua dulce, la precipitación de manganeso
forma nódulos. Estos nódulos se originan en los sedimentos anoxicos,
cuando el manganeso entra en un ambiente aeróbico, se oxida y se precipita,
en parte por acción de las bacterias, formando nódulos.
El manganeso tiene cinco estados de oxidación principales: Mn2+, Mn3+, Mn4+,
Mn6+ y Mn7+. El ión Mn2+ es la especie de manganeso más estable en
soluciones ácidas, pero puede oxidarse a estados de oxidación mayores debido
al aumento del potencial. El ión mangánico, Mn3+, se forma a partir del Mn2+ por
oxidación electrolítica y es estable respecto a la hidrólisis a concentraciones
elevadas de ácido.
Generalmente, se acepta que no existe el anión acuoso simple del estado de
oxidación del Mn4+, estando su química dominada por el MnO2 insoluble. Se ha
planteado, además, que los iones Mn4+ pueden existir en soluciones ácidas. El
estado de oxidación Mn6+ sólo existe como ión MnO42-, que sólo es estable en
soluciones muy básicas y no se forma durante el electro obtención de cobre.
207
Durante el electro obtención del cobre, el Mn2+ primeramente se oxida a Mn3+ y,
éste a su vez, se oxida a MnO4-, junto con la formación de partículas sólidas de
MnO2. La existencia de especies de alto estado de oxidación es consistente con
los altos potenciales redox de la solución. El dióxido de manganeso formado
sobre el ánodo, al desprenderse de la superficie, puede arrastrar consigo una
fracción significativa de la capa de óxidos de plomo (la adherencia de los óxidos
de plomo depende de las propiedades de la aleación base plomo) que, en su
conjunto, forman la llamada “borra anódica”, término dado en plantas de electro
obtención a este lodo, para diferenciarlo del “barro anódico” formado en el
proceso de electro refinación de cobre. El deterioro parcial de esta capa, deja
expuesta la aleación de plomo que vuelve enseguida a oxidarse.
5.5.2. Reducción del arseniato (AsO43-) al arsenito (AsO33-)
Numerosos estudios acerca de la movilidad del arsénico en el medio ambiente
describen aspectos fundamentales de su comportamiento, distribución de
especies químicas de arsénico en diversos entornos, reacciones de equilibrio
fundamentales, rol de las interacciones del arsénico en interfaces sólidos-agua
en la distribución, su acumulación en organismos, etc.
En el ambiente acuático las valencias más comunes del arsénico en el agua
son
+3
(arsenito) y
+5
(arsenato) tal formado las especies hidrolizadas
inorgánicas H3AsO3, H2AsO-3, HAsO2-3 y AsO3-3 (valencia
+3
), H3AsO4, H2AsO-4,
HAsO2-4 y AsO3-4 (valencia +5).
El arsénico también se encuentra presente en menores concentraciones en
forma orgánica. Se asume que la formación de estos compuestos proviene
exclusivamente de la actividad de organismos vivos.
Solo en aguas de origen antropogénico se pueden esperar otras formas de
arsénico diferentes de
+3
y
+5
. Debido a las marcadas diferencias en el
comportamiento químico de ambas formas del arsénico, es altamente
208
recomendable conocer su distribución para un tratamiento eficiente de remoción
de arsénico del agua.
Existen varias similitudes entre el comportamiento del arsénico y el fósforo en
aguas naturales cuando el arsénico está presente como arsenato.
5.5.3. Remoción de arsénico
Las tecnologías para la remoción de arsénico se basan en uno proceso
fisicoquímico o en la combinación de varios. Los métodos más conocidos de
tratamiento de agua para remover arsénico se clasifican en a)Procesos de
coagulación y precipitación, b) Intercambio iónico, c) Adsorción en lechos
granulares de materiales que retienen arsénico, y d) Otros procesos.
Para todos los procesos mencionados anteriormente se requiere de una
oxidación completa de As (III). Esto se debe a que el As (III) se remueve en
menor proporción que el As (V).
Por lo tanto cualquier tecnología de remoción incluye a la oxidación como
pretratamiento.
Para la oxidación del As (III) a As (V), se puede utilizar: el oxigeno atmosférico,
hipoclorito y permanganato estos productos son los mas usados en el proceso
de oxidación de arsénico en los países en desarrollo.
Las unidades de tratamiento casero se utilizan básicamente para proporcionar
agua segura de beber y para la cocción de alimentos de una familia, requieren
cerca de 5 litros de agua per capita por día. Varias unidades de tratamiento
casero se están proponiendo actualmente y otras están en desarrollo.
Normalmente, el agua de una fuente afectada con arsénico se recoge y se
vierte manualmente en las unidades.
5.6. RECEPTORES TERMINALES DE ELECTRONES ORGÁNICOS
Algunos organismos, en vez de usar compuestos inorgánicos como receptores
terminales de electrones en la respiración, pueden utilizar compuestos
orgánicos. Los ejemplos incluyen:

Reducción de fumarato a succinato.
209

Reducción de óxido trimetil amina (TMAO) a trimetilamina (TMA).

Reducción de dimetil sulfoxido (DMSO) a dimetil sulfuro (DMS).

Declorinación reductora.
5.6.1. Reducción de fumarato a succinato.
El succinato puede aparecer como producto final de fermentación siguiendo
tres vías diferentes. C. kluyveri utiliza la vía del malonato, vía que también
utilizan las bacterias entéricas. El sustrato es el acetil-CoA que, mediante dos
carboxilaciones, acaba transformándose en succinato. (Figura Nº 5.6).
La fumarato reductasa es una enzima que convierte fumarato a succinato y es
importante en el metabolismo microbiano para la respiración anaeróbica.
Succinato + Aceptor → Fumarato + Aceptor reducido
En otras palabras, la fumarato reductasa acopla la reducción de fumarato a
succinato a la oxidación de la quinona a quinol, en una reacción 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
reducción
de
fumarato
y
una flavín
adenín
dinucleótido covalentemente unida al grupo prostético. La subunidad B contiene
tres centros hierro-azufre. La subunidad C oxida menaquinol y consiste en cinco
segmentos helicoidales transmembrana y une dos moléculas de hemo b.
Otra alternativa metabólica para la producción de succinato la constituye la ya
descrita para las bacterias del acido propionico, la cual es también utilizada por
las enterobacterias como la del malonato.
210
Finalmente, la vía del acido glioxilico también puede llevar a la producción de
succinato (Figura Nº 5.12) en bacterias que pueden utilizar el acetato como
única fuente de carbono:
De este modo:
2 Acetil-CoA + NAD+
Succinato + NADH + H+ + 2HS-CoA
La reacción clave en este caso es la catalizada por la isocitrato liasa:
211
Figura Nº 5.12. Producción de Succinato por Clostridium kluyveri
(1) Acetil-CoA carboxilasa. (2) Malonil-CoA semialdehído deshidrogenasa. (3) 3Hidroxi-propionialdehído-CoA deshidrogenasa. (4) Acroil-CoA hidratasa. (5) PropionilCoA deshidrogenasa. (6) Propionil-CoA carboxilasa. (7) Metilmalonil-CoA mutasa. (8)
Succinil-CoA sintetasa.
Fuente: (Pares I.F. y A. Juárez, 1997).
212
5.6.2. Reducción de Oxido trimetil amina (TMAO) a Trimetilamina (TMA).
El óxido trimetil amina TMAO es un producto químico producido comúnmente
por los peces que cuando se reduce a TMA produce un fuerte olor.
OTMA (óxido de trimetil amina). Está en el pescado fresco. En procesos de
degradación pasa a TMA.
Los métodos para determinar el OTMA son métodos químicos que utilizan:
Acido pícrico. Métodos de HPLC, que son cromatografías líquidas de alta
resolución. Mediante cromatografía gaseosa.
El OTMA constituye una parte característica e importante de la fracción NNP en
las especies de agua de mar y merece, por lo tanto, una mención más 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 está
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 todavía mucho por esclarecer. Se ha demostrado que el OTMA se forma
por biosíntesis de ciertas especies del zooplancton. Estos organismos poseen
una enzima (TMA monooxigenasa) que oxida la TMA a OTMA.
La TMA comúnmente 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 alimentación (origen exógeno). Algunas
especies de peces son capaces de sintetizar OTMA a partir de TMA, pero esta
síntesis se considera de menor importancia.
El sistema de la TMA-oxidasa se encuentra en los microsomas de las células y
es dependiente de la presencia de Dinucleótido de nicotinamida y de adenina
fosfato (NADPH):
(CH3)3N + NADPH + H+ + O2 → (CH3)3NO + NADP+ + H2O
213
Resulta enigmático que esta monooxigenasa pueda ser encontrada tan
extensamente en mamíferos (en los que se cree funciona como desintoxicante),
mientras que en la mayoría de los peces la actividad de esta enzima es baja o
imperceptible.
Hay un sistema OTMA-reductor presente en el músculo de ciertas especies
pelágicas. La cantidad de OTMA en el tejido muscular depende de la especie,
estación del año, área 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
pelágicos tienen el mínimo. Los peces pelágicos (sardinas, atún, caballa)
presentan mayor concentración de OTMA en el músculo oscuro mientras que
los demersales, peces de carne blanca, tienen más alto contenido en el
músculo blanco.
En elasmobranquios, el OTMA parece desempeñar un papel en la
osmorregulación y ha sido demostrado que al pasar pequeñas rayas por una
mezcla de agua dulce y agua de mar (1:1) se origina una reducción del OTMA
intracelular en el orden del 50 por ciento. En los teleósteos el papel del OTMA
es más incierto.
Se han propuesto varias hipótesis respecto al papel del OTMA, a saber:

El OTMA es esencialmente un residuo, la forma desintoxicada de la
TMA.

El OTMA es un osmorregulador.

El OTMA tiene funciones "anticongelantes".

El OTMA no tiene una función significativa. Se acumula en el músculo
cuando el pez ingiere alimentos que contienen OTMA.
Actualmente se acepta el papel osmorregulador del OTMA.
Dado que la presencia del OTMA había sido determinada previamente y
virtualmente sólo en especies marinas, se especulaba que el OTMA, junto con
214
altas cantidades de taurina, podrían tener efectos adicionales por lo menos en
pescados de agua dulce.
La Trimetilamina es un compuesto orgánico que tiene como fórmula N(CH3)3.
Se
trata
de
una amina
terciara, inflamable e
higroscópica.
En
bajas
concentraciones presenta un fuerte olor a "pescado", mientras que a altas
concentraciones tiene un olor similar al del amoníaco. A temperatura ambiente
(25ºC) se presenta como un gas, y se comercializa usualmente en cilindros
presurizados o en solución acuosa al 40%, ya que al igual que el amoníaco es
muy soluble en ese liquido.
La trimetilamina es un producto de la descomposición de animales y plantas. Es
la
principal
sustancia
responsable
del
olor
desagradable
asociado
al pescado descompuesto, a algunas infecciones, y al mal aliento. Además 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.
Conversión de Oxido de trimetilamna en Trimetilamina
A. Mecanismo general.
La reducción del oxido de trimetilamna en trimetilamina es efectuada por acción
de
deshidrogenada
producidas
por
microorganismos,
especialmente
Pseudomonas.
B. Ecuación general
C. Naturaleza del sustrato AH2.
Estos sustratos corresponden a succinatos, acetatos, formiatos, azucares,
lactatos y piruvatos. Un sustrato muy común es el acido láctico
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En esta reacción se producen dos moles de TMA y una mol de acido acético. El
grado de descomposición se puede medir o detectar por la TMA o por el acido
acético.
5.6.3. Reducción de Dimetil sulfoxido (DMSO) a Dimetil sulfuro (DMS).
DMSO es un producto químico marino y de agua dulce común que también es
odorífero cuando se reduce a DMS
El dimetil sulfuro (DMS) CONFIERE un sabor característico a las cervezas
lager. El DMS se forma a partir de dos precursores que se producen durante la
germinación y que pueden ser destruidos por un fuerte secado. Un precursor es
la S-metilmetionina (SMM), o un péptido 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 perderá en parte, y la parte restante se
puede oxidar a DMSO, que será reducido a DMS por la levadura.
En la practica, la vía principal de obtención de DMS es a partir de SMM formado
en la germinación 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 través 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. Así, la formación del precursor activo aumenta con la
temperatura final del secado. Según la temperatura y el tiempo de aplicación,
se puede obtener un mayor o menor contenido de DMS en la cerveza final.
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5.6.4. Declorinación Reductora.
La declorinación reductora es el proceso por el cual los compuestos orgánicos
con cloro se reducen para formar productos finales sin cloro. Puesto que los
compuestos orgánicos que contienen cloro son importantes (y a menudo
difíciles de degradar) contaminantes ambientales, la declorinación reductora es
un proceso importante en la biorremediación.
5.7. FERMENTACIÓN PROPIONICA
Esta es una fermentación realizada por especies del género Propionibacterium
en la cual los productos principales de la fermentación de la glucosa son los
ácidos propiónico y acético. Esta es la fermentación mediante la cual se
produce el queso suizo, el sabor peculiar se lo dan los ácidos y los huecos se
deben a la gran producción de CO2.
5.7.1. Mecanismos de la fermentación propiónica
La fermentación propiónica de hexosas se hace de dos maneras:
Hexosas → ácido láctico → ácido propiónico
Hexosas → ácido pirúvico → ácido propiónico
Su ecuación fundamental es la siguiente:
3 C6HI1206 → 4 CH3-CH2 - COOH + 2 CH3-COOH + 2 CO2 + 2H2O
:
Glucosa → Ac. propiónico + Ac. Acético + CO2 + 3 ATP
Las bacterias del género Propionibacterium llevan a cabo la fermentación
acidopropiónica, en el que los productos de la fermentación son: ácido láctico,
ácido propiónico, succínico, acético y CO2.
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