Características de los microorganismos biodegradadores

0 a 99%) que componen las comunidades degradadoras no son cultivables. La estimación de biomarcadores lipídicos, específicamente fosfolípidos, junto con técnicas de identificación basadas en la secuencia de la subunidad 16S de los ribosomas son una poderosa combinación de técnicas para la elucidación de la ecología microbiana de comunidades bioremediadoras. El uso de estas técnicas provee una apreciación clara de varias características importantes de las comunidades microbianas, específicamente la biomasa viable, la estructura de la comunidad y el estado nutricional o la presencia de respuestas a estrés en bacterias Gram-negativas(41).

Las comunidades microbianas en ecosistemas contaminados tienden a ser dominadas por aquellos organismos capaces de utilizar y/o de sobrevir los compuestos tóxicos (52).Como resultado, estas comunidades son menos diversas que aquellos sistemas de referencia no contaminados, aunque la diversidad también puede estar influenciada por la complejidad de la mezcla de compuestos presentes y por el tiempo que las poblaciones han estado expuestas (38,84).Sin embargo, cuando las bacterias Gram-negativas dominan el sistema (como es frecuente en el caso de ambientes contaminados con hidrocarburos), el conociminto derivado de los biomarcadores lipídicos se limita al estado nutricional o fisiológico de la comunidad bacteriana más que a su diversidad.

A pesar de la relativamente larga historia de investigación en la bioremediación de derrames de petróleo, ésta continúa siendo una disciplina esencialmente empírica y muchos de los factores biológicos que controlan los procesos no han sido adecuadamento comprendidos. Por ejemplo, la adición de nutrientes es una práctica ampliamente aceptada en la limpieza de derrames aunque es escaso el conocimiento de sus efectos durante el progeso de la bioremediación Existen evidencias experimentales que indican que los niveles de nutrientes, y su concentración relativa con respecto a los contaminantes, influencian la composición de las poblaciones de microorganismos degradadores, lo cual a su vez afecta la tasa de degradación de los contaminantes(59).

Características de los microorganismos biodegradadores

Existe una gran variedad de microorganismos identificados en la degradación de compuestos derivados del petróleoTabla 2.

Interesantemente, casi todos son eubacterias, aunque en algunos casos se encontraron arqueobacterias y eucariotes. Aunque no han sido caracterizados en su totalidad, muchos de estos microorganismos poseen actividades de peroxidasas y oxigenasas, que permiten la oxidación más ó menos específicas de algunas fracciones del petróleo. Esta oxidación cambia las propiedades de los compuestos, haciendolos susceptibles de ataques secundarios y facilitando su conversión a bióxido de carbono y agua. En algunas ocasiones no es necesario llegar a la mineralización, sino que basta una oxidación para disminuir notablemente su toxicidad o aumentar su solubilidad en agua, incrementando su biodisponibilidad(79).

Uno de los géneros bacterianos más explotados en bioprocesos no-convencionales es Rhodococcus, un grupo único consistente en microorganismos que presentan una gran diversidad metabólica, particularmente hacia la utilización de compuestos hidrofóbicos tales como hidrocarburos, fenoles clorados, esteroides, lignina, carbón y petróleo. Algunas cepas de Rhodococcus han sido utilizadas en aplicaciones industriales y ambientales, incluyendo la producción de ácido acrílico y acrilamida, conversiones de esteroides y bioremediación de hidrocarburos clorados y fenoles. Estos microorganismos presentan una notable capacidad de degradar hidrocarburos alifáticos halogenados y numerosos compuestos aromáticos, incluyendo algunos sustituidos por halógenos, así como hidrocarburos policíclicos aromáticos(28, 83).

Las bacterias del género Rhododoccus poseen una gran variedad de vías metabólicas para la degradación y modificación de compuestos aromáticos, incluyendo las actividades de di-oxigenasa y mono-oxigenasa sobre anillos así como la actividad de ruptura de catecol. Algunos aislados presentan también la vía del 3-oxoadipato. La tolerancia de éstas bacterias a la falta de nutrientes, su carencia de un sistema de represión catabólica y su persistencia ambiental las hace excelentes candidatas para los tratamientos de bioremediación. Algunas cepas producen poli-3-hidroxialcanoatos, otras acumulan metales pesados y otras son fuente de enzimas útiles como la fenilalanina deshidrogenasa y endoglucosidasas. Otras aplicaciones potenciales de los Rhodococos incluyen la biodesulfuración de combustibles, la deshalogenación de emisiones gaseosas y la construcción de biosensores(26,28,32,83).

En este punto quizá estés preguntandote cómo adquirieron los microorganismos la capacidad de degradar compuestos que a los que nunca habian estado expuestos. Para entenderlo hay que tener en consideración que para cualquier organismo (inclusive para los humanos) lo más importante es reproducirse y perpetuar sus genes, por lo que cualquier condición ambiental o nutricional que reduzca su probabilidad de reproducirse despertará una reacción inmediata a nivel metabólico y en segunda instancia a nivel genético.

Algunas de las estrategias que se han observado en respuestas de este tipo de retos son: 1.-Reclutamiento. Cuando un organismo se encuentra ante una condición ambiental completamente desconocida de manera abrupta sólo puede utilizar lo que ya tiene. Es decir, que puede explotar alguna actividad enzimática existente para degradar un compuesto nuevo y sobrevivir al reto. Ejemplo de esto es la utilización de enzimas dedicadas a la degradación de lignína (un componente de la corteza de los arboles) para degradar HPAs por algunos hongos(8,9). 2.-Transferencia horizontal. Sabemos que es común entre bacterias la incorporación de material genético de organismos similares por medio de mecanismos celulares de transferencia (conjugación), pero también pueden incorporarlo de organismos distantes e inclusive completamente diferentes por medio de virus (transducción) o directamente del medio (transformación)(21).(animación transferencia horizontal) El material genético incorporado puede integrarse al de la bacteria, enriqueciendo su repertorio metabólico con nuevas funciones, incluyendo aquellas que le permitan degradar compuestos xenobióticos. Un ejemplo de esto es la transferencia de los genes para degradar fenol entre diferentes especies de Pseudomonas en suelo(58).

Estrategias recombinantes para la generación de nuevos microorganismos biodegradadores

Muchos contaminantes ambientales son degradados eficientemente por microorganismos, sin embargo otros persisten y constituyen un riesgo severo a la salud pública. En algunas instancias, la persistencia es una consecuencia del inadecuado potencial catabólico de los microorganismos disponibles. La tecnología del ADN recombinante (ADNr), aunado a un sólido conocimiento de vías catabólicas y de fisiología microbiana, capacita el desarrollo experimental de actividades catabólicas nuevas o mejoradas sobre esos contaminantes(19,20,43,45,76).

Aunque una gran variedad de microorganismos capaces de degradar xenobióticos tóxicos altamente estables han sido identificados, todavía muchos contaminantes persisten en el ambiente. Avances recientes en el campo de la tecnología del ADNr han proporcionado soluciones a estos problemas. Clasicamente, uno de los factores limitantes en la bioremediación de sitos contaminados ha sido la baja tasa de degradación. Mediante el uso de ADNr es posible extender el rango de los sustratos que un organismo puede utilizar y la tasa de consumo, inclusive se puede habilitar a un organismo con la capacidad de degradar un rango predeterminado de xenobióticos. Dado que los procesos biotecnológicos están basados en actividades naturales de microorganismos y sólo constituyen variaciones en el tratamiento convencional de deshechos, son aceptados publicamente. Esta es un área donde la ingeniería genética puede hacer imporantes aportaciones al manipular los genes catabólicos.

A diferencia de las bacterias utilizadas en el trabajo de laboratorio, los organismos genéticamente modificados destinados a ser liberados al medio ambiente como agentes bioremediadores deben ser capaces de expresar su fenotipo bajo el control de señales externas presentes en el medio al cual van a incorporarse. Esta es una diferencia significativa con respecto a otros procesos biotecnológicos (por ejemplo un bioreactor) en el cual las condiciones de trabajo pueden establecerse a voluntad del operador. En el campo, las condiciones de operación se determinan por el ambiente externo. El principal problema es, por lo tanto, como programar fisiológica y genéticamente a las bacterias para expresar el fenotipo deseado al nivel y en el momento preciso, bajo circunstancias fisicoquímicas sobre las cuales no se tiene control. Este reto ha motivado el desarrollo de una nueva generación de sistemas de expresión de amplio rango específicamente diseñados para bacterias, particularmente Pseudomonas, pero también para otros organismos Gram-negativos(22).

Impacto ecológico de la liberación al medio ambiente de microorganismos genéticamente modificados

La transferencia horizontal de genes entre bacterias ha sido ampliamente demostrada bajo condiciones naturalesAnimación 1.

En estos casos, el material genético es transferido entre bacterias mediante los procesos de transformación, transducción o conjugación(21).En muchas ocasiones los genes que codifican para enzimas involucradas en la degradación de contaminantes se localizan en moléculas extracromosomales llamadas plásmidos. El

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