Reducción biológica de un complejo de ligando orgánico U (V)

Reducción biológica de un complejo de ligando orgánico U (V)

Autores: Margaux Molinas, Radmila Faizova, Ashley Brown, Jurij Galanzew, Bianca Schacherl, Barbora Bartova, Karin L. Meibom, Tonya Vitova, Marinella Mazzanti y Rizlan Bernier-Latmani

Crítica elaborada por: Balseca Karol[pic 1]

Resumen

El uranio en su estado hexavalente es altamente soluble, siendo un problema en la contaminación de aguas subterráneas, sin embargo, en su estado tetravalente se precipita, por lo que estas características fisicoquímicas permiten obtener nuevas alternativas de remediación. Dentro de estas alternativas se encuentra la biorreducción que se da por transferencia de dos electrones permitiendo la transición de U(VI) a U(IV). Dentro de esta reacción existe un intermedio U(V) difícil de detectar dado su susceptibilidad  a la oxidación. El objetivo del presente estudio fue determinar el mecanismo de transformación de U(V) a U(IV) en S.oneidensis MR1 utilizando un ligando complejante (dpaea). Para esto se realizó el cultivo de las cepas en medio LB, que se centrifugaron y cultivaron con U(V)-dpaea biológico y U(V)-dpaea sintético. Se obtuvo la fase acuosa y sólida de estos cultivos mediante centrifugación que fueron utilizadas para determinar la presencia de U(VI) y U(IV) mediante cromatografía de intercambió iónico (CII) y espectroscopia UV-vis. El estado de oxidación de U en la fase sólida como en la acuosa se determinó mediante CII, HR-XANES de 4 bordes. El producto de la reducción de U(V)-dpaea por S.oneidensis MR1 se analizó mediante STEM, EDS y SAED, que mostraron la presencia de dos morfologías diferentes del producto U(IV). Además se comprobó que S.oneidensis redujo U(V) al utilizar un mutante del gen de maduración del citocromo. Se evidenció que la reducción biológica de U(V)-dpaea se da por transferencia de un electrón y no por desproporción, estos resultados se pudieron obtener gracias al ligando dpaea que mantuvo estable a U(V) permitiendo una mayor reducción. Por lo tanto el presente estudio documentó la reducción de U(VI) producida por S.onedensis producida por la transferencia de un electrón mediante el citocromo tipo c, permitiendo la transformación de U(V) a U(IV) y demostraron que el ligando dpaea es un potencial ligando estabilizador de U,^[a] abriendo^[b] un amplio campo de estudio para otros ligandos que puedan ser utilizados en la remediación de metales pesados.

Introducción

El uranio es un elemento que se encuentra en rocas, suelo y agua. Las actividades de extracción, la quema de carbón, petróleo y la aplicación de fertilizantes fosfatados que contienen uranio han incrementado las concentraciones naturales en suelo y agua (Broder & Berger, 2006). cuando forma complejos estables con ligandos apropiados, la especiación del uranio en presencia de carbonatos es el caso más común porque ya que la mayoría de veces las aguas contienen concentraciones significativas de alcalinidad (Katsoyiannis & Zouboulis, 2013), mientras que en su forma reducida U (IV), tiende a precipitarse como óxidos de U cristalinos. Gracias a las propiedades fisicoquímicas que presenta,^[c] se han propuesto técnicas alternativas que controlen la contaminación   (Malaviya & Singh, 2012). La reducción de uranio no solo se da de forma inorgánica sino también bacteriológica; se ha determinado que bacterias como Geobacter sulfurreducens o Shewanella oneidensis MR-1, permiten la transición de U(VI) a U(IV) mediante la transferencia de dos electrones. En estudios realizados sobre la reducción de Uranio se ha demostrado que se forma un intermedio U(V) y que este persiste en ciertas condiciones ambientales, sin embargo, es muy difícil detectarlo, dado que se oxida rápidamente, por esta razón la transformación de U(VI) en U(IV) aún no se ha aclarado.

El presente paper tuvo como objetivo determinar el mecanismo de transformación biológica de U(V) a U(IV) en S.oneidensis MR-1 mediante  estabilización por el ligando complejante dpaea [dpaeaH 2 ═bis (piridil-6-metil-2-carboxilato) -etilamina]

Métodología

Cultivo de cepa y condiciones de crecimiento

Se cultivó las cepas en medio Luria-Bertani (LB) a 30°C con agitación 140rpm, toda la noche, cuando el cultivo alcanzó un OD600, se centrifugó y se realizó un lavado anóxico en medio modificado Widdel bajo en fosfato (WLP) a pH 7.3 (Tabla 1)

Tabla 1. Composición del medio modificado Widdel bajo en fosfato (WLP)

[pic 2]

Experimentos en células en reposo

Análisis de Reducción de U(VI)-dpaea:  Todas las manipulaciones se realizaron en condiciones anóxicas, para mantener las células en reposo se cultivaron en medio de no crecimiento WLP, junto a 20mM de lactato, se separó la fase sólida de U por centrifugación y se filtró el sobrenadante mediante filtros PTFE de 0,2um. Se guardaron alícuotas del sobrenadante filtrado y de la fase sólida para posteriores estudios.

Se prepararon las células previamente incubadas, se lavaron con WLP anóxico modificado y se separaron en dos conjuntos. El primero (biológico) utilizó U(V)-dpaea producido biológicamente, el segundo conjunto (sintético) utilizó U(V)-dpaea sintético^[d].

El experimento control sin células consistió en U(V)-dpaea, ya sea biológica o sintética, introducido en medio WLP modificado con lactato.

Para determinar la presencia de U(VI) y U(IV), se tomaron muestras que fueron analizadas mediante cromatografía de intercambio iónico y espectroscopia UV-vis. Además, realizaron experimentos con un control que consistía en un mutante de deleción que carece de un gen del sistema de maduración del citocromo tipo c.

El análisis del producto final de la reducción se realizó mediante espectroscopia UM 4-edge HR-XANES, utilizando la fase sólida U obtenida por centrifugación de un cultivo de S.oneidensis sometido 4 días de incubación.^[e]

Cromatografía de intercambio de iones

Para determinar el estado de oxidación de U en la fase sólida como en la acuosa, utilizaron columnas empaquetadas con resina Dowex. Las muestras se recogieron tanto de la fase acuosa como sólida y se diluyeron en HCl hasta alcanzar una concentración de 4,5M, después se cargaron en las columnas empaquetadas. La fracción de U(IV) se eluyó primero en 30ml de HCl anóxico y después se realizó la elución de la fracción de U(VI) en HCl 0,1M

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