PRINCIPIOS DE Biodegradación

BIODEGRADACIÓN

La biodegradación es un proceso que implica la ruptura completa de un compuesto orgánico en sus constituyentes inorgánicos. La transformación microbiana puede ser impulsada por las necesidades de energía o una necesidad para desintoxicar los contaminantes, o puede ser fortuita en la naturaleza.

La búsqueda de microorganismos que degradan, la comprensión de su genética y la bioquímica y el desarrollo de métodos para su aplicación en el campo se han convertido en un importante esfuerzo humano.

En ambientes naturales, la biodegradación implica la transferencia de sustratos y productos dentro de una comunidad microbiana bien coordinado, un proceso conocido como la cooperación metabólica (Abraham et al. 2002). Los microorganismos tienen la capacidad de interactuar tanto química como físicamente con sustancias, que conduce a cambios estructurales o la degradación completa de la molécula diana. Pesticidas interactúan con los organismos del suelo y sus actividades metabólicas y pueden alterar el comportamiento fisiológico y bioquímico de los microbios del suelo.

Muchos estudios recientes han puesto de manifiesto los efectos negativos de los plaguicidas sobre la biomasa microbiana del suelo y la respiración del suelo; en general, una disminución en la respiración del suelo refleja la reducción de la biomasa microbiana. Algunos grupos microbianos son capaces de usar los plaguicidas aplicados como una fuente de energía y nutrientes para su multiplicación, mientras que el pesticida puede ser tóxico para otros organismos. Del mismo modo, a veces la aplicación de pesticidas reduce la diversidad microbiana, pero aumenta la diversidad funcional de las comunidades microbianas.

Las comunidades microbianas, bacterias, hongos y actinomicetos son los principales transformadores y degradadores de plaguicidas. Los hongos generalmente biotransforman pesticidas y otros xenobióticos mediante la introducción de cambios estructurales menores a la molécula, lo que hace que no sea tóxico. El pesticida biotransformado se libera en el medio ambiente, donde es susceptible a la degradación por las bacterias.

Los hongos y las bacterias se consideran excelentes microorganismos productoras de enzimas extracelulares. Por otra parte, la capacidad de los hongos para formar extensas redes de micelio, la baja especificidad de sus enzimas catabólicas y su independencia frente a los productos químicos orgánicos como sustrato de crecimiento hacen de los hongos muy adecuados para los procesos de biorremediación. Los hongos son críticos para los ciclos biogeoquímicos y son responsables de la mayor parte de la degradación de xenobióticos ambientales en la biosfera. Hongos de pudrición blancos se han propuesto como agentes de biorremediación prometedores, especialmente para compuestos que no se degradan fácilmente por las bacterias. Esta capacidad se debe a la producción de enzimas extracelulares que actúan sobre una amplia gama de

compuestos orgánicos. Algunas de estas enzimas extracelulares están involucradas en la degradación de la lignina, tal como la peroxidasa de lignina, la peroxidasa de manganeso, lacasa y oxidasas.

Varias especies de bacterias que degradan los pesticidas han sido aisladas, y la lista se está expandiendo rápidamente. Las tres principales familias de enzimas implicadas en la degradación son esterasas, glutatión S-transferasas (GSTs) y citocromo P450 (Bass y Campo 2011). Las enzimas son esenciales para la biología de muchos pesticidas. La aplicación de enzimas para transformar o degradar pesticidas es una técnica de tratamiento innovador para la eliminación de estos productos químicos de ambientes contaminados. La degradación catalizada por enzimas de un pesticida puede ser más eficaz que los métodos químicos existentes

El metabolismo de los plaguicidas puede implicar un proceso de tres fases.

Fase I, las propiedades iniciales de un compuesto original se transforman a través de oxidación, reducción o hidrólisis para producir generalmente un producto más soluble y menos tóxico que el original.

La segunda fase implica la conjugación de un pesticida o plaguicida metabolito a un azúcar o amino ácido, lo que aumenta la solubilidad en agua y reduce la toxicidad en comparación con el pesticida original.

La tercera fase consiste en la conversión de la fase II en metabolitos secundarios conjugados, que son también no tóxicos. Los hongos y las bacterias están implicadas en estos procesos y producen enzimas intracelulares o extracelulares incluyendo enzimas hidrolíticas, peroxidasas, oxigenasas. Debido a la diversidad de productos químicos utilizados en los plaguicidas, la bioquímica de la biorremediación de pesticidas requiere una amplia gama de mecanismos catalíticos, y por lo tanto una amplia gama de clases de enzimas. Información para algunas enzimas degradadoras de plaguicidas se puede encontrar en la tabla II.

Entre las enzimas que degradan los pesticidas, las hidrolasas catalizan la hidrólisis de varios de los principales clases bioquímicas de pesticida (ésteres, enlaces peptídicos, enlaces carbono-haluro, ureas, tioésteres, etc.) y generalmente operan en ausencia de cofactores redox, haciéndolos ideales candidatos para todas las estrategias de biorremediación actuales. En este grupo, podemos encontrar los fosfotriesterasas (PTE), que son una de las clases más importantes. Estas enzimas se han aislado a partir de diferentes microorganismos que hidrolizan y desintoxicar los pesticidas organofosforados (OP). La primera aislado fosfotriesterasa pertenece a Pseudomonas diminuta MG; esta enzima muestra una actividad altamente catalítica hacia los pesticidas organofosforados. Las PTE están codificadas por un gen llamado OPD (organofosforados-degradantes). Flavobacterium ATCC 27551 contiene el gen OPD que codifican una PTE (Latifi et al. 2012). Estas enzimas hidrolizan específicamente enlaces fosfoéster, tales como P-O, P-F, P-NC, y P-S, y el mecanismo de hidrólisis implica una molécula de agua en el centro de fósforo. Esta enzima tiene un uso potencial para la limpieza de ambientes contaminados con plaguicidas organofosforados (Ortiz-Hernández et al. 2003). Hay otras enzimas implicadas en la degradación general de un

plaguicida. Las esterasas son enzimas que catalizan la hidrólisis de ésteres carboxílicos (carboxiesterasas), amidas (amidasas), ésteres de fosfato (fosfatasas), etc. (Bansal 2012). En la reacción catalizada por esterasas, una amplia gama de sustratos de éster se puede hidrolizar en sus componentes alcohol y ácido como sigue:

R = O-OCH3 + H2O = O R-OH + CH3OH

Muchos insecticidas (organofosfatos, carbamatos y piretroides) tienen un componente de éster carboxílico, y las enzimas capaces de hidrolizar este tipo de enlace éster se conocen como carboxilesterasas. Oxidorreductasas son un amplio grupo de enzimas que cataliza la transferencia de electrones de una molécula (el reductor o electrón donante) a otra (el oxidante o electrón aceptor). Muchas de estas enzimas requieren cofactores adicionales para actuar como donantes de electrones, aceptores de electrones o ambos. Estas enzimas tienen aplicaciones en la biorremediación, durante los cuales catalizan una reacción de oxidación / reducción mediante la inclusión de oxígeno molecular (O2) como aceptor de electrones. En estas reacciones, el oxígeno se reduce a agua (H2O) o peróxido de hidrógeno (H2O2). Las oxidasas son una subclase de las oxidorreductasas (Scott et al., 2008).