Programa de la asignatura:

Biorremediación

Microorganismos implicados en U2 procesos de biorremediación

Ciencias de la Salud Biológicas y Ambientales | Ingeniería en Biotecnología Biorremediación U2 Microorganismos implicados en procesos de biorremediación

Índice

Presentación de la unidad.……………………………………………………………………..…...2 Propósitos……………………………………………………………………………………………..2 Competencia específica……………………………………………………………………………..3 2.1. Empleo de microorganismos en el tratamiento de ambientes contaminados...... 3 2.1.1. Importancia de la diversidad microbiana………………………………………………...... 6 2.1.2. Tipos de microorganismos empleados en la biorremediación……………………...…...8 2.2. Las bacterias y su aplicación en la Biorremediación………………………...... 9 2.2.1. El género Pseudomonas y sus características metabólicas…………………………....10 2.2.2. El género Alcaligenes y sus características metabólicas……………………………….19 2.2.3. El género Sphingomonas y sus características metabólicas…………………………...22 2.2.4. El género Rhodococcus y sus características metabólicas……..……………………...26 2.2.5. El género Mycobacterium y sus características metabólicas……………………….….30 2.3. Otros organismos involucrados en los procesos de biorremediación….…………….….34 2.3.1. La importancia de los hongos en biorremediación………………………………….…...35 2.3.2. La biorremediación de metales pesados a través de hongos………………………..…38 2.3.3. Las algas y su aplicación en la biorremediacion………………………………………....43 Actividades…………………………………………………………………………………………...47 Autorreflexiones……………………………………………………………………………………...47 Cierre de la unidad………………………………………………………………………………..…47 Fuentes de consulta…………………………………………………………………………………48

Universidad Abierta y a Distancia de México 1 Biorremediación U2 Microorganismos implicados en procesos de biorremediación

Presentación de la Unidad

Como resultado de la actividad y uso de los recursos naturales por parte del hombre, es inminente el problema de la contaminación a diversos niveles, afectando no solo la vida humana sino al resto del ecosistema, razón por la cual se ha buscado mecanismos que den solución a dicha problemática. Sin embargo, algunos de estos mecanismos pueden solucionar parte del problema de contaminación o bien complicar la solución del problema generando otros aspectos ambientales. Por tanto, lo ideal sería remover el contaminante sin generación de otros y recuperar el ecosistema comprometido en su totalidad. Aquí es donde surge, esta solución alternativa, la Biorremediación.

Así que, por lo ya revisado durante la Unidad anterior, donde logramos familiarizarnos no solo con la terminología necesaria para su comprensión sino también se logró visualizar los tipos de contaminación y los protagonistas causales. Ahora es nuestra tarea enfocarnos al cómo solucionar esta situación. Por lo que en esta Unidad nos dedicaremos al estudio de aquellos microorganismos que han sido utilizados durante los procesos de biorremediación, como las bacterias, los hongos y las algas. Aquí identificaremos y comprenderemos las características metabólicas que justifican su aplicación en esta rama de la biotecnología, que ofrece ser económica y amigable para los diferentes ecosistemas.

Propósitos

 Identificar los microorganismos implicados en los procesos de biorremediación.  Reconocer la importancia de la biodiversidad microbiana para el tratamiento de ambientes contaminados.  Identificar y revisar el metabolismo de los principales géneros de bacterias que justifican su utilidad en los procesos de biorremediación.

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 Distinguir otros organismos comúnmente empleados, el caso de los hongos y algas.

Competencia específica

Identificar los distintos organismos con capacidad de biorremediación, para distinguir su aplicación en suelos y aguas contaminadas mediante el estudio de sus características metabólicas.

2.1. Empleo de microorganismos en el tratamiento de ambientes contaminados

Cómo ya vimos en el capítulo anterior, muchas de las actividades industriales y agrícolas, especialmente en los últimos 50 años, han causado un incremento significativo en la concentración de contaminantes tóxicos al medio ambiente. Entre las sustancias producto de la manufactura del hombre, las más peligrosas resultan ser los clorofenoles, nitrofenoles, así como el benceno, etilbenceno, tolueno, xileno (conocidos como BTEX por sus sigla en inglés de benzene, toluene, ethylbenzene y xylene), hidrocarburos aromáticos poli cíclicos (HAP) bifenilos policlorados y los solventes orgánicos.

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Figura 1. Estructuras químicas de BTEX. Recuperado de: http://en.citizendium.org/wiki/BTX

Los orígenes de estos compuestos encontrados en suelos, aguas residuales y los acuíferos, son la gasificación del carbón, las baterías en los hornos de carbón, las refinerías, las plantas petroquímicas y otras industrias, como las que sintetizan químicos, herbicidas y pesticidas.

Figura 2. Desarrollo industrial en las zonas costeras. Tomado de http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/100/html/sec_8.html

Muchas de estas sustancias son mutagénicas y carcinogénicas, se degradan muy lentamente y permanecen en el ambiente por largos periodos de tiempo. Por esta razón,

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la remoción de estas sustancias químicas de las áreas contaminadas es de gran importancia (Ahn Y et al, 1999; De Lorenzo, 2001; Lehmann, 1998; Mrozik A y Piotrowska-Seget, 2010).

Con objeto de remover estos contaminantes en los últimos años se ha recomendado sustituir los métodos químicos y físicos por los biológicos durante el tratamiento de contaminantes. Una de estas recomendaciones, en la que hay mucho interés es la biorremediación, que es un método mediado por microoganismos, porque de entre muchas cosas, es barata ya que elimina el costo de transportación usal en los métodos químicos y/o físicos, disminuye la responsabilidad a largo plazo sobre los lugares contaminados por la eliminación de los contaminantes y puede ser acoplada a otros métodos de eliminación de desechos (Mohee & Mudhoo, 2012; Wasilkowski et al., 2012).

Figura 3. Método físico para la remoción de petróleo. Recuperado de http://www.petroleomagdalena.com/wp-content/uploads/2009/01/enero-1999-petroleo-recogido-en- baldes-de-albanil.jpg

Acorde a lo revisado en la primera Unidad, para la biorremediación es importante el uso de microoganismos, los cuales, pueden ayudar a la restauración ambiental por medio de la oxidación, unión, inmovilización, volatilización o de alguna otra forma, transformando contaminantes.

Idealmente, las estrategias de biorremediación pueden ser diseñadas en base a:  Los tipos de microorganismos que están presentes en ambientes contaminados

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 Sus capacidades metabólicas  Las respuestas de estos microorganismos a los cambios en el medio ambiente (Lovley, 2003).

Como podemos ver los microorganismos son particularmente aplicables debido a su extraordinaria diversidad metabólica, que incluye en algunos microorganismos la habilidad de degradar contaminantes como los hidrocarburos presentes en el petróleo así como hidrocarburos halogenados que son enteramente el resultado de la manufactura humana (Philp et al., 2001). Para que vayas sorprendiéndote, te invito a que revises una base de datos ubicada en la Universidad de Minnesota (Ellis& Wackett, 2012) (http://umbbd.ethz.ch/) donde podrás visualizar una lista muy extensa de microorganismos que pueden participar en los procesos de biorremediación.

Por tanto, vamos a revisar qué y cómo los microorganismos pueden ser utilizados con este propósito.

2.1.1. Importancia de la diversidad microbiana

La biorremediación tiene sus bases en la intensidad de la biodegradación. A su vez la biodegradación está influenciada por varios factores, tales como nutrientes, oxígeno, pH, composición, concentración y biodisponibilidad de los contaminantes, características físicas y químicas de los mismos, así como del factor histórico del ambiente contaminado. Su objetivo es potenciar la degradación de los contaminantes ambientales a pesar de las diferentes condiciones climáticas. En ese sentido debemos considerar que en nuestro planeta, contamos con una gran variedad de suelos y de condiciones climáticas en las cuales crecen diferentes tipos de microorganismos y se puede manifestar la contaminación. Estos ambientes están caracterizados por bajas o altas temperaturas, pH ácidos o alcalinos, altas o bajas concentraciones de sal o altas presiones (Margesin & Schinner, 2001).

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Figura 4. Crecimiento de microorganismos provenientes de suelo. De lado izquierdo se ilustra un monocultivo y de lado derecho se exhibe una variedad de colonias resultado de una gran biodiversidad. Tomado de http://www.engormix.com/MA-agricultura/cultivos- tropicales/articulos/microorganismos-beneficos-t3938/078-p0.htm

Los microorganismos pueden ser aislados de casi cualquier condición ambiental. Los microorganismos se pueden adaptar y crecer a temperaturas bajo cero, así como también en temperaturas extremadamente calientes, condiciones desérticas, en agua con exceso de oxígeno, en condiciones anaerobias con la presencia de compuestos peligrosos o sobre cualquier flujo de residuos. El principal requerimiento de los microorganismos son una fuente de energía y una fuente de carbono. Debido a la adaptabilidad de los microorganismos en los sistemas biológicos, estos resultan excelentes candidatos para degradar o remediar los peligros de la contaminación ambiental (Vidali, 2001).

Se ha demostrado que gran cantidad de contaminantes liberados al medio ambiente, ya sea por liberación accidental o por procesos industriales, son biodegradados en ambientes normales como extremos. Esto enfatiza las capacidades metabólicas que tienen los microorganismos. Además, aquellos adaptados a más de una condición, y de forma especial a más de una condición extrema, ofrecen un potencial especial para la descontaminación biológica en hábitats donde diferentes condiciones, incluso extremas, están presentes o prevalecen simultáneamente (Margesin & Schinner, 2001).

Además, se ha demostrado grandes ventajas de emplear cultivos mixtos de microorganismos en comparación con cultivos puros en la biorremediación (Sathishkumar et al., 2008). Esto puede ser atribuible a los efectos de interacciones sinérgicas entre los miembros de una asociación o también llamado consorcio de microorganismos. Es posible que en estas interacciones sinérgicas una especie remueva los metabolitos tóxicos, que de otra manera dificultaría la actividad microbiana de otras especies posteriores a esta. Es también posible que la segunda especie sea capaz de degradar compuestos que la primera especie sólo es capaz de degradarla parcialmente (Deppe et al., 2005).

Lo anterior muestra la importancia de la diversidad microbiana en la biorremediación y en cómo se ha avanzado en años recientes para entender cómo funciona y así poder aprovechar esta diversidad en favor de la limpieza de los ambientes contaminados.

En este sentido, los consorcios bacterianos que son ubicuos en la naturaleza, pueden llevar a cabo tareas mucho más complicadas y difíciles en ambientes cambiantes que lo que puede hacer un cultivo puro. Esto debido a que son más robustos, en primer lugar los miembros del consorcio se comunican unos con otros a través de un intecambio de

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metabolitos implicados en mecanismos de señalización, por lo que un miembro del consorcio le responde a otro. Esta comunicación activa el siguiente factor importante que es la división de labores, ya que todos los productos del consorcio son resultado de las tareas conjuntas de los individuos pertenecientes al consorcio. Otra característica importante de los consorcios microbianos es la habilidad para llevar a cabo funciones que requieren múltiples pasos, es decir, un individuo sintetiza un producto que a su vez es sustrato de otro y así sucesivamente. Por ejemplo, los microorganismos celulolíticos hacen y excretan diferentes y varidos tipos de componentes proteínicos (por ejemplo, enzimas y proteínas de andamiaje) que ensamblados en un celulosoma extracelular son capaces de degradar la celulosa (Brenner et. al., 2008).

Así en biorremediación, es posible que en estas interacciones sinérgicas una especie remueva los metabolitos tóxicos, que de otra manera dificultaría la actividad microbiana de otras especies. Es también posible que la segunda especie sea capaz de degradar compuestos que la primera especie sólo es capaz de degradar parcialmente (Deppe et al., 2005).

Lo anterior muestra la importancia de la diversidad microbiana en la biorremediación y cómo se ha avanzado en años recientes para entender su funcionamiento para aprovechar esta diversidad en favor de la limpieza de los ambientes contaminados.

2.1.2. Tipos de microorganismos empleados en la biorremediación

Los microorganismos utilizados en la biorremediación se pueden subdividir dentro de los siguientes grupos:

 Aeróbicos. En presencia de oxígeno. Ejemplos de bacterias aeróbicas reconocidas por sus capacidades degradativas son Pseudomonas, Alcaligenes, Sphingomonas, Rhodococcus y Mycobacterium. Estos microorganismos han sido reportados frecuentemente como degradadores de pesticidas e hidrocarburos, tanto alcanos como como compuestos poliaromáticos. Muchas de estas bacterias usan contaminantes como única fuente de carbono y energía.

 Anaeróbicos. En ausencia de oxígeno. Las bacterias anaeróbicas no son usadas tan frecuentemente como las bacterias aeróbicas. Hay un interés creciente en las bacterias aeróbicas usadas para bioremediación de bifenilos policlorados en sedimentos de ríos, desclorinación del solvente tricloroetileno y cloroformo.

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 Hongos ligninolíticos. Los hongos tales como el hongo de la podredumbre blanca Phanaerochaete chrysosporium tienen la habilidad de degradar una gran cantidad de contaminantes ambientales tóxicos o persistentes. Los substratos comunes incluyen la paja, aserrín y los olotes del maíz.

 Metilotrofos. Bacterias aeróbicas que crecen utilizando el metano como fuente de carbono y energía. La enzima inicial en la ruta metabólica para la degradación aerobia, la monooxigenasa de metano, tiene una amplia gama de substratos y es activa contra una amplia gama de compuestos, incluyendo los compuestos alifáticos clorados como el Tricloroetileno y el 1,2-doclorometano.

Para la degradación es necesario que las bacterias y los contaminantes estén en contacto. Esto no se logra fácilmente, ya que los microorganismos y los contaminantes no necesariamente están esparcidos uniformemente en el suelo. Algunas bacterias son móviles y exhiben respuestas quimióstaticas, es decir, se desplazan hacia el contaminante. Otros microorganismos como los hongos crecen en forma filamentosa hasta alcanzar el contaminante. Es posible incrementar la movilización de los contaminantes utilizando surfactantes como el Dodecil sulfato (SDS).

A continuación estudiaremos con más detalle los organismos aeróbicos.

2.2. Las bacterias y su aplicación en la Biorremediación

Como hemos visto hasta ahora, las bacterias tienen un alto potencial como biorremediadores por sus capacidades naturales de absorber una gran variedad de compuestos y metabolizarlos. Para profundizar un poco más en este aspecto, se trataran

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los principales géneros de bacterias aerobias involucradas en la biorremediación enfocándonos en el tipo de metabolismo que realizan.

2.2.1. El género Pseudomonas y sus características metabólicas

Figura 5. Pseudomonas aeruginosa. Recuperado de http://www.pseudomonas.com/

Las Pseudomonas comprenden un género de especies capaces de utilizar un amplio rango de compuestos orgánicos e inorgánicos y de vivir bajo diversas condiciones ambientales. Consecuentemente, están presentes en suelo, ecosistemas acuáticos y son importantes como patógenos de plantas, animales y humanos (Palleroni, 1992; Schroth et al., 1992). El género Pseudomonas es bien conocido por su versatilidad metabólica y su plasticidad genética. Las especies de Pseudomonas, en general, crecen rápidamente y son particularmente reconocidas por su habilidad para metabolizar un gran número de sustratos, incluyendo compuestos químicos orgánicos tóxicos, tal como hidrocarburos alifáticos y aromáticos. Las cepas de especies de Pseudomonas son frecuentemente resistentes a antibióticos, desinfectantes, detergentes, metales pesados y solventes orgánicos. Algunas cepas han sido confirmadas como productoras de metabolitos que estimulan el crecimiento de plantas o inhiben plagas de plantas. La heterogeneidad de las Pseudomonas ha sido bien documentado a partir de estudios de más de 40 años atrás. Mucho de lo que puede ser escrito en nuestros días acerca de las Pseudomonas, particularmente relacionado con el fenotipo, así como las características metabólicas, ha sido ya descrito en detalle por varios grupos diferentes (Moore et al., 2006).

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El género Pseudomonas pertenece a la familia Pseudomonadaceae, la cual comprende otros cuatro géneros (Azotobacter, Azomonas, Azorhizophilus y Cellvibrio). Los cinco géneros exhiben ciertas propiedades y características comunes como: son aerobias, presentan un metabolismo quimio organotrófico, realizan poca fermentación, ausencia de fotosíntesis y tienen la capacidad de crecer a expensas de una gran variedad de sustratos. Hay pocas excepciones a estas propiedades generales, pero este criterio fenotípico es generalmente común para todos los miembros de la familia.

La creación original del género Pseudomonas estableció un taxón basado únicamente en características y la morfología celular. Son bacilos rectos o ligeramente curvados (longitud máxima de 4.0 μm) que se presentan aisladas, en pares o en cadenas cortas. Son células típicamente Gram negativas. La microscopia electrónica revela pared celular y membranas típicas de las bacterias Gram negativas. En la actualidad se han descrito y reconocido como pertenecientes al género 96 especies de Pseudomonas (Moore et al., 2006).

Las Pseudomonas son un género ubicuo, ya que se encuentra en todas partes, como consecuencia de sus requerimientos nutricionales simples, mostrando un amplio rango de compuestos que puede utilizar como fuente de carbono, que favorece una gran adaptabilidad genética y metabólica. Por tanto, las especies de Pseudomonas disponen y pueden utilizar una gran variedad de hábitats, que van desde varios suelos y ambientes acuosos hasta los tejidos de animales y plantas. Esencialmente, cualquier hábitat con un rango de temperatura de 4 a 42 °C, un pH entre 4 y 8 y un contenido simple o complejo de compuestos orgánicos es un hábitat potencial para las Pseudomonas. Las especies de Pseudomonas son aerobias y sus requerimientos de oxígenos son aparentemente los factores limitantes para su hábitat.

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En la naturaleza existen como organismos saprófitos y parásitos. En general, este grupo de microorganismos no son prominentes en ambientes aerobios y no son termofílicos extremos ni utilizan hábitats ácidos.

Por tanto, podemos decir que tiene una gran plasticidad para crecer en cualquier lugar y sobre una gran variedad de sustratos, pero ¿cómo es que tienen esta cualidad? Para comprender mejor este comportamiento es que se vuelve necesario revisar el tipo de metabolismo que realiza, pero antes de seguir te invito a que revises el siguiente cuadro de texto.

Recordando el metabolismo celular

Es importante que antes de continuar retomes tus apuntes de Bioquímica para poder comprender y seguir mejor el metabolismo de los microorganismos de estudio.

Los organismos se pueden clasificar en función de la fuente de energía que utilizan Recuerda que todo ser vivo requiere necesariamente de una fuente de energía para poder realizar sus funciones, donde dependiendo de la fuente es que puede clasificarse a los organismos en autótrofos y heterótrofos, los primeros obtienen su energía de la luz solar mientras que nosotros, como buenos heterótrofos la obtenemos de la degradación de compuestos orgánicos; pero no todos los heterótrofos utilizamos los mismos sustratos lo cual resulta en una gran variedad de organismos heterótrofos.

Figura 6. Modificado de Stryer et al. 2003

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Las rutas metabólicas son el medio para el aprovechamiento de la energía ¿Cómo se utilizan los sustratos o bien, la energía, para realizar las diferentes funciones que realiza un organismo? Pues a través de metabolizarlos, pero ¿quién hace esta tarea? Una serie de enzimas de naturaleza proteica, que no son más que catabolizadores biológicos que solo se encargan de acelerar las reacciones químicas que suceden dentro de las células, constituyendo las denominadas rutas metabólicas.

Figura 7. Basado y tomado de Stryer et al. 2003.

¿Ya recordaste las típicas rutas metabólicas que suceden en la mayoría de las células?

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Figura 8. Modificado de Stryer et al. 2003

Así es, la glucólisis, la vía de las pentosas fosfato, el ciclo de Krebs, la fosforilación oxidativa, el metabolismo del glucógeno, etc., todas ellas en su momento las revisaste y lograste identificarlas en términos de sus integrantes (número de enzimas participantes y sustratos) y de los mecanismos que regulan sus funciones.

Ahora es momento de que apliques lo aprendido, a continuación ya no se revisará nuevamente las rutas sino solo se señalarán las vías involucradas y nos enfocaremos en analizar las modificaciones que exhiben muchos de estos microorganismos y el cómo estos discretos cambios les han dado una gran ventaja en los ecosistemas.

Metabolismo y rutas metabólicas El metabolismo de las Pseudomonas es reconocido de forma tradicional como aeróbico estricto, sin embargo, se ha encontrado algunas especies de Pseudomonas que pueden llevar a cabo la fermentación de arginina y una forma de fermentación de piruvato. Todas las especies respiran aeróbicamente, usando oxigeno como aceptor final de electrones en la cadena respiratoria.

Algunas especies tienen un sistema respiratorio anaeróbico suplementario, trabajando concomitantemente con la ruta aeróbica. Esta ruta anaeróbica suplementaria, que ha sido una característica determinativa para algunas especies de Pseudomonas, usa nitrato

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(NO3) como el aceptor final de electrones (respiración por nitrato). La desnitrificación vía respiración por nitrato es un proceso catabólico de fuente de energía. La asimilación desnitrificante del nitrato como fuente de nitrógeno para el crecimiento ocurre a través de la reducción hasta amoniaco.

Los citocromos presentes en la cadena transportadora de electrones de algunas especies de Pseudomonas han sido caracterizados (Stanier et al., 1966), donde el espectro de absorción ha identificado los citocromos tipo a, b y c en la mayoría de las especies; sin embargo, algunas especies fitopatógenas (por ejemplo, P. syringae, P. viridiflava, P. savastanoi, etc.) carecen de citocromo tipo c (Jurtshuk y McQuitty, 1976).

Se ha encontrado que uno de los primeros pasos en la oxidación de muchos sustratos de compuestos orgánicos en Pseudomonas, son llevadas a cabo por la acción de oxígenasas, incorporando oxígeno molecular dentro la estructura química del compuesto. Las oxígenasas, forman una clase diversa de enzimas (mono y di oxígenasas), difiriendo en su estructura, especificidad y mecanismos, y catalizan la oxidación de un numero extenso de compuestos, incluyendo contaminantes como hidrocarburos.

Dentro de la base de datos de Biocatálisis y Biodegradación de la Universidad de Minnesota (http://umbbd.ethz.ch/) más del 30% del número total en el catálogo de enzimas son mono oxígenasas, muchas derivadas de las especies de Pseudomonas (Wackett, 2003).

Como se ha mencionado previamente, algunas especies de Pseudomonas son capaces de usar nitrato como un aceptor alterno de electrones. La respiración por nitrato es dependiente de las actividades de la nitrato y nitrito reductasas, las cuales son inducidas en presencia de nitrato bajo condiciones de anaerobiosis y puede ser reprimida (la vía metabólica) por oxígeno. Así, los niveles de oxígeno pueden jugar un rol importante en determinar el éxito de las poblaciones desnitrificantes de especies de Pseudomonas en varios hábitats, por ejemplo, en suelos bien aireados.

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Adicionalmente, nuevas especies de Pseudomonas que han sido descritas recientemente, - P. chloritidismutans, es capaz de utilizar clorato (ClO3 ) como un receptor electrónico, adicional al oxígeno, en la cadena respiratoria (Wolterink et al., 2002). La habilidad de consumir y oxidar el óxido nítrico (NO) a nitrato bajo condiciones oxidantes ha sido observado en varias especies. El mecanismo de oxidación no ha sido esclarecido aún, aunque aparentemente está asociado a la desintoxicación o co-oxidación más que a un proceso de la cadena respiratoria. Aunque las Pseudomonas ha sido estudiadas por más de un siglo, nuevas rutas catabólicas han sido encontradas en nuevos aislamientos. El ciclo de Krebs o del ácido tricarboxílico (TCA por sus siglas en inglés de tricarboxylic acid cycle) es central en la regulación catabólica y biosintética de la célula en todas las especies de Pseudomonas. Estas especies prefieren utilizar ácidos orgánicos en preferencia de otros compuestos y esto, en consecuencia, ha evidenciado la disminución en la actividad enzimática de rutas catabólicas periféricas. Todas o la mayoría de las especies de Pseudomonas tienen rutas glucolíticas incompletas, carecen de 6 fosfofructocinasa (PFK1 por sus siglas en inglés Phosphofructokinase 1). Por lo que asimilan los azúcares y los ácidos orgánicos preferentemente a través de la ruta Entner- Doudoroff (Conway 1992). Donde las hexosas y compuestos relacionados son convertidos a gliceraldehído-3-fosfato y piruvato por la vía de la ruta Entner-Doudoroff y varias rutas periféricas, en las cuales el 6-fosfoglucanoto es un intermediario clave (Eisenberg et al., 1974). Todos los genes para la ruta de las pentosas fosfato, el ciclo de Krebs, el ciclo del glioxilato, así como todos los genes para la cadena transportadora de electrones, están presentes en las especies de Pseudomonas cuyos genomas han sido secuenciados.

Las especies de Pseudomonas son capaces de usar amino ácidos como fuentes de carbono y nitrógeno. Cuando los aminoácidos están presentes, las células activan unas permeasas específicas de membrana, las cuales proporcionan los mecanismos de transporte para que los aminoácidos atraviesen hacia el espacio citoplasmático. El uso de aminoácidos como fuentes de nitrógeno ahorra energía a la célula, ya que los aminoácidos son utilizables inmediatamente, requiriendo pocas o incluso ninguna modificación para ser incorporados directamente a la síntesis de biomasa.

Algunas características fisiológicas definidas no han sido probadas en todos los miembros del género, y como consecuencia, ocasionalmente se han reportado cepas con comportamientos excepcionales. Así, la fijación de nitrógeno se ha reportado que sucede en P. stutzeri y P. aeruginosa que pueden ser capaces de crecer anaeróbicamente, aunque lentamente, con arginina y bajas cantidades de extracto de levadura (Moore et al., 2006).

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Por tanto, hemos identificado las variaciones metabólicas que exhibe este género bacteriano y queda justificado el por qué tiene esta gran capacidad de crecimiento en suelos y ambientes tan diversos.

Tabla 1. Resumen del género Pseudomonas. Información complementada con Joshi-Tope & Francis (1995); Lemire et. al., (2010) y Wasi et. al., (2013). El género Pseudomonas Tipo de metabolismo Metabolismo aerobio. Algunas especies de Pseudomonas presentan un sistema anaeróbico suplementario utilizando - por ejemplo NO3 como el aceptor final de electrones (respiración por nitrato). Hábitat Hábitat principales de las Pseudomonas son:  En ambientes acuosos.  El suelo.  La rizosfera (rizosfera = la zona influenciada por platas).  La filosfera (filosfera = la superficie de plantas).  Y en la mayoría de los casos como parásitos y saprofitos (que se alimenta de materia orgánica en descomposición). Contaminantes El género Pseudomonas ha sido ampliamente estudiado con metabolizados. el enfoque de biorremediación por degradar hidrocarburos aromáticos halógenados de forma muy importante. Pero no son los únicos contaminantes que metabolizan. A continuación se mencionan algunos.  Bencenos clorados (por ejemplo, Clorobenceno, p- clorotolueno, p-bromotolueno)  Fenoles  Salicilatos  Anilinas  Toluenos (por ejemplo, m-tolueno, p-tolueno, p-xileno,  Familia de bifenilos  Naftaleno  Biarileteres  Metales pesados (complejos de citrato de Fe III, Ni, Zn, Al, Ca2+) (Joshi-Tope & Francis, 1995; Lemire et. al., 2010)

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Viabilidad de cultivo Las especies de Pseudomonas, en general, tienen requerimientos nutricionales simples y son fácilmente aislables de varios hábitats. En el laboratorio crecen bien en medios que contienen algo de materia orgánica en solución, un pH neutro y temperaturas para crecimiento de bacterias mesofilicas. La temperatura óptima de crecimiento, por ejemplo de P. aeruginosa, la especie más comúnmente encontrada es de 37 °C. Sin embargo, especies de Pseudomonas crecen bien entre 28 y 30 °C en el laboratorio, lo cual es lo más apropiado para la mayoría de las especies. También en el laboratorio se hacen crecer en medio de agar y caldo nutritivo o agar y triptona de soya u otro medio rico en péptidos, aunque diferentes números y especies de Pseudomonas pueden ser obtenidos con diferentes concentraciones de péptidos en el medio. Las Pseudomonas que presentan des nitrificación son aisladas específicamente aplicando procedimientos específicos de enriquecimiento en medios que contienen

nitrato (NO3), bajo condiciones anaeróbicas entre 30 y 40 °C. Recordar que las Pseudomonas crecen en ambientes que van de 4 a 42 °C a un pH entre 4 y 8 y un contenido simple o complejo de compuestos orgánicos. Los cultivos puros del genero Pseudomonas se pueden obtener de la ATCC (American Type Culture Collection por sus siglas en inglés) (http://www.atcc.org) así como los tipos de medios de cultivo y las hojas técnicas explicativas para hacer su crecimiento viable.

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2.2.2. El género Alcaligenes y sus características metabólicas

Figura 9. Alcaligenes faecalis. Tomada de http://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Alcaligenes

El género Alcaligenes fue descrito por Castellani & Chalmers (1919). Después de numerosas reclasificaciones, el género auténtico ahora comprende tres especies: Alcaligenes faecalis sub especie parafaecalis (Schroll et al., 2001) y A. faecalis subsp. phenolicus (Rehfuss & Urban, 2005), Alcaligenes aquatilis (Van Trappen et al., 2005) y Alcaligenes defragrans (Foss et al., 1998).

Los miembros del género Alcaligenes son Gram negativos, bacilos o cocobacilos que aparecen aislados. Tienen motilidad con uno o hasta nueve flagelos. Aerobios estrictos, poseen un metabolismo estrictamente respiratorio con oxígeno como aceptor final de electrones. Algunas cepas son capaces de respiración anaerobia en presencia de nitrato o nitrito. La temperatura de crecimiento óptimo es de 20 – 37 °C. Las colonias crecidas en agar nutritivo no presentan pigmentación. Son oxidasa y catalasa positivas. No producen indol. Usualmente, las colonias, no hidrolizan celulosa, esculina (glucósido tóxico que se encuentra en las castañas de indias http://www.nlm.nih.gov/medlineplus/spanish/druginfo/natural/1055.html), gelatina, y ADN.

Las especies del género Alcaligenes son aisladas de agua, suelo y especímenes clínicos como sangre, fluido espinal, fluido pleural, fluido peritoneal, pus, orina, heces fecales, supuraciones oftálmicas, óticas y faríngeas. Frecuentemente encontradas en agua no estéril y en soluciones de clorhexidina en hospitales. Ocasionalmente causa infecciones oportunistas en humanos.

La mayoría de las cepas tienen requerimientos nutricionales de nitrógeno simples y producen un crecimiento muy turbio en medio líquido en presencia de sales de amoniaco o nitrato como única fuente de nitrógeno; algunas cepas requieren compuestos de

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nitrógeno orgánico (aminoácidos y/o vitaminas). En este género de bacterias no se ha reportado fijación de nitrógeno gas.

Todas las especies de Alcaligenes crecen rápido en un pH de 7.0.

Se ha reportado que los géneros de Alcaligenes son quimiorganotrofos, usando una variedad de ácidos orgánicos y aminoácidos como fuente de carbono; así como producción alcalinidad por la utilización de varias sales orgánicas. Se ha visto que las amidas y los carbohidratos usualmente no son utilizados. La mayoría de las cepas de Alcaligenes faecalis producen un olor a frutas característico (Rodríguez González, 1998). Alcaligenes spp. es en la actualidad sujeto de investigaciones intensivas como fuente de biopolímeros y para la biodegradación de compuestos tóxicos. Sasaki, et al. (1998) han usado la nitrito reductasa de Alcaligenes faecalis en un sistema de biosensores para la medición de nitrito en aguas naturales.

Tabla 2. Resumen del género Alcaligenes. El género Alcaligenes Tipo de metabolismo Metabolismo aerobio estricto. Aunque algunas especies de este género son capaces de realizar respiración aerobia en presencia de nitrato o nitrito y en ausencia de oxígeno. Hábitat Ambientes marinos, varios tipos de suelos, agua y varios organismos vivos, entre ellos el ser humano. Contaminantes  Isopreno y derivados (bajo condiciones aerobias y metabolizados. anaerobias)  Tricloroetano  fluoroetano  Bifenilos y bifenilos policlorados  Fenol

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 Hidrocarburos aromáticos policiclicos (se han reportado cepas que metabolizan fenantreno, naftaleno, 2,6- dimetilnaftaleno, entre otros).  Acido 2-aminobencensulfonico.  Alquil sulfonatos (como etano sulfonato).  3-clorobenzoato.  Herbicida Dalapon (2,2-dicloropropionato)  Ácidos alifáticos -clorados (como 2-clorobutirato, 2- cloropropionato y cloroacetato).  Ácidos alifáticos β-clorados (como 3-clorobutirato y trans- 3-clorocrotonato).  2,4-dinitro tolueno.  N,N-dimetilformamida. -  Iones de Ni, Cd, AsO2 . Viabilidad de cultivo Las especies de Alcaligenes crecen bien en medios complejos como agar nutritivo. Como se recordara se pueden aislar de agua, suelo, y especímenes clínicos como sangre, pus, orina, eses fecales. En el laboratorio se han aislado en medios como medio anoxico de Agar nutritivo para el enriquecimiento de Alcaligenes defragrans, solución de elementos traza no quelados, solución selenito tungsteno y solución de vitaminas. La temperatura óptima de crecimiento es de 20 a 37 °C y crecen rápido a un pH de 7 (neutro). Los cultivos puros del genero Alcaligenes se pueden obtener de la ATCC (American Type Culture Collection por sus siglas en inglés) (http://www.atcc.org), así como los tipos de medios de cultivo y las hojas técnicas explicativas para hacer su crecimiento viable.

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2.2.3. El género Sphingomonas y sus características metabólicas

Figura 10. Género Sphingomonas. Recuperado de http://ijs.sgmjournals.org/content/61/5/1028/suppl/DC1

El género Sphingomonas fue definido por Yabuuchi et al. 1990 como un grupo de bacilos Gram negativos, quimio heterótrofos, bacterias aerobias estrictas y que poseen a la ubiquinona 10 como la principal quinona respiratoria, contienen glicoesfingolípidos (GSLs por sus siglas en ingles de GlycoSphingoLipids) en vez de lipopolisacáridos en su envolturas celulares y típicamente producen colonias con pigmentación amarilla. Para el 2001, el género incluía a más de 20 especies que eran bastante diversas en términos de su filogenia, ecología y propiedades fisiológicas. Como resultado, Takeuchi et al. (2001) subdividieron a las Sphingomonas en cuatro especies: Sphingomonas, Sphingobium, Novosphingobium y Sphingopyxis.

Las Sphingomonas están ampliamente distribuidas en la naturaleza, siendo aisladas de diferentes hábitats acuosos y terrestres, así como de sistemas de raíces en plantas, especímenes clínicos y de otras fuentes. Las Sphingomonas son metabólicamente versátiles y, así, son capaces de utilizar una gran variedad de compuestos orgánicos presentes en la naturaleza, así como varios tipos de contaminantes ambientales. Por este hecho, ha habido mucho interés en las rutas metabólicas de estos microorganismos, las propiedades de las enzimas involucradas con esas rutas metabólicas, así como su genética y los procesos catabólicos.

Debido a sus capacidades biodegradativas y biosintéticas remarcables, las Sphingomonas han sido utilizadas para una gran variedad de aplicaciones biotecnológicas, desde la biorremediación de contaminantes ambientales a la producción

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de polímeros extracelulares como los esfinganos usados ampliamente en alimentos y otra industrias.

Catabolismo de compuestos orgánicos

Son bacterias aerobias, no fermentativas, con pigmentación amarilla, Gram negativas no formadoras de esporas que pueden ser tanto no móviles o contener un solo flagelo. La glucosa es asimilada por la mayoría de las cepas (Balkwill et al., 1997a; Denner et al., 2001; Fuji et al., 2001). Muchas Sphingomonas pueden degradar polisacáridos además de mono y disacáridos. Por ejemplo, la cepa de Sphingomonas A1 puede usar alginato de alto peso molecular para crecer por medio de la despolimerización del polímero con una alginato liasa intracelular (Momma et al., 1999). Estos organismos han desarrollado un novedoso sistema de endocitosis dependiente de cavidad para toma y metabolización de macromoléculas (Hashimoto et al., 2001).

Las Sphingomonas son bien reconocidas por su versatilidad metabólica y habilidad para degradar una gran variedad de contaminantes ambientales además de varios compuestos orgánicos naturales principalmente de origen vegetal. Algunas cepas han sido aisladas de escombros mineros contaminados con arsénico y pueden reducir arsenatos a arsenitos bajo condiciones aeróbicas (Macur et al., 2001). Las Sphingomonas utilizan preferencialmente compuestos aromáticos incluyendo estructuras anulares simples y de multianillos con varias substituciones y funcionalidades. Ejemplos de tipos y clases de compuestos orgánicos que pueden ser degradados por las Sphingomonas se muestran en la Tabla 3.

Tabla 3. Compuestos orgánicos metabolizados por miembros del genero Sphingomonas. Clase de compuestos o Cepa representativa Referencia compuestos Nonilfenol Sphingomonas cloacae Fuji et al., 2001 Dibenzo-p-dioxin, Sphingomonas wittichii Wittich et al., 1992 dibenzofurano cepa RW1

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Difenil éter Sphingomonas sp. cepa Schmidt et al., 1992 SS3 Hidrocarburos policlorados: Pentaclorofenol Sphingomonas sp. strain Crawford & Ederer, 1999. ATCC 39723 Policlorados S. chlorophenolica RA2 Wittmann et al., 1998 Bifenilos S. paucimobilis BPSI-3 Davison et al., 1996 Monoaromáticos: Tolueno, Xileno, Cresol S. aromaticivoran F199 Balkwill et al., 1997a S. yanoikuyae B1 Zylstra & Kim, 1997 Hidrocarburos poliaromáticos: Naftaleno, antraceno, S. yanoikuyae B1 Gibson, 1999 Fenantreno, S. paucimobilis EPA 505 Mueller et al., 1990 Fluoranteno, S. paucimobilis 2322 Dutta et al., 1998 Naftalenos substituidos Sphingomonas sp. strain Riegert et al., 1999 BN6 Pesticidas: Lindano S. paucimobilis UT26 Nagata et al., 1999 Diclofop-metil S. paucimobilis Adkins, 1999 2,4-D, mecoprop S. herbicidovorans MH Kohler, 1999 Carbofuran Sphingomonas sp. cepa Feng et al., 1997 CF05 isoproturon Sphingomonas sp. cepa Sørensen et al., 2001 SRS2 Monómeros y dímeros de lignina: Triterpenoides (resinas S. paucimobilis SYK-6 Masai, et al., 1999 ácidas): ácido S. spp. DhA-33 Mohn & Stewart, 1997; dehidroabietico, ácido Mohn et al., 1999. abietico, ácido palustrico, ácido diclorodehidroabietico Polimeros: Polietil éteres (polietilen S. macrogoltabidus cepa Kawai, 1999 glicol) 203 Takeuchi et al., 1993 S. terrae E-1-A

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Debido a la versatilidad metabólica, las rutas metabólicas de las Sphingomonas han sido estudiadas en gran detalle cómo se puede ver en las referencias de la Tabla 3, así como las propiedades de las enzimas catabólicas.

Tabla 4. Resumen del género Sphingomonas. El género Sphingomonas Tipo de metabolismo Metabolismo aerobio estricto. Quimio heterótrofos. Hábitat Hábitat principales de las Sphingomonas son:  En ambientes acuosos,  En ambientes terrestres,  En la rizosfera, y  En especímenes clínicos. Contaminantes  Nonilfenol, metabolizados.  Dibenzo-p-dioxin,  Dibenzofurano,  Difenil éter,  Pentaclorofenol,  Policlorados,  Bifenilos,  Tolueno  Xileno  Cresol,  Naftaleno  Antraceno  Fenantreno  Fluoranteno,  Naftalenos substituidos,  Lindano,  Diclofop-metil,  2,4-D mecoprop,  Carbofuran,  Isoproturon,  Triterpenoides (resinas ácidas),  Polietil éteres.

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Viabilidad de cultivo Las especies de Sphingomonas crecen en medios con altas concentraciones de nutrientes. Como se recordara se pueden aislar de agua (desde agua potable hasta agua de mar cerca de las costas de Alaska), suelo (incluso de sedimentos subterráneos), y ambientes manipulados por el hombre. La temperatura óptima de crecimiento es de 25 a 30 °C. Los cultivos puros del genero Sphingomonas se pueden obtener de la ATCC (American Type Culture Collection por sus siglas en inglés) (http://www.atcc.org) así como los tipos de medios de cultivo y las hojas técnicas explicativas para hacer su crecimiento viable.

2.2.4. El género Rhodococcus y sus características metabólicas

Figura 11. Células bacterianas de Rhodococcus equi. Tomado de http://vetbook.org/wiki/cat/index.php/Rhodococcus_spp

El género nombrado Rhodococcus fue utilizado por primera vez por Zopf en 1891, fue revivido y redefinido en 1977 para acomodar el complejo “rhodochrous” el cual comprende un número de cepas que se relacionan, pero no pertenecen a los géneros Nocardia, Corynebacterium y Mycobacterium (Goodfellow & Alderson 1977). Los rodococcus están descritos como bacterias Gram positivas, no móviles, que contienen micolato, con forma de nocardio (Goodfellow 1989a). Hay que mencionar que el termino con “forma de nocardio” es una descripción que se refiere al crecimiento micelar con fragmentación en tipo bacilo o con elementos tipo cocoides (Lechevalier, 1989).

Los Rhodococcus han sido aislados de una gran variedad de fuentes incluyendo suelos, piedras, pozos de perforación, fuentes de agua subterránea, sedimentos marinos,

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estiércol de animales, entrañas de insectos y de animales y plantas tanto sanos como enfermos (Goodfellow 1989a; Ivshina et al. 1994).

El potencial comercial de las especies de Rhodococcus se ha incrementado. El amplio rango de químicos transformados o degradados por Rhodococcus los ha hecho muy útiles actualmente o potencialmente en la industria biotecnológica y en la parte ambiental, así como lo es la habilidad para sintetizar varios productos como surfactantes, floculantes, amidas y polímeros. Este interés creciente se ve reflejado en las patentes relacionadas con este género. Finnerty (1992) enlista 10 patentes relacionadas con Rhodococcus hasta 1990, Warhust and Fewson (1994) reportaron que más de 20 familias de patentes fueron presentadas en los siguientes dos años, mientras que en 1993 a Noviembre de 1996, más de 80 patentes fueron presentadas al índice mundial de patentes (World Patent Index). Rasgos fenotípicos útiles de las especies de Rhodococcus pueden ser transferidos a otros organismos por manipulación genética. En años recientes se ha visto desarrollos de vectores de clonación mejorados que permiten transferir los genes entre diferentes rodococos y entre rodococos y Escherichia coli (Denome et al., 1994; Shao et al., 1995). Los rodococos pueden causar enfermedades a los animales, plantas y humanos. Se ha incrementado las infecciones a humanos, tanto en términos de incidencias en enfermedades relacionadas como causales de otras enfermedades (Finnerty, 1992; McNeil & Brown, 1994).

La capacidad de los rodococos para degradar los hidrocarburos substituidos y otros químicos significa que pueden jugar un rol significativo tanto en la degradación natural de estos compuestos y en la biorremediación. Los rodococos pueden estar presentes naturalmente en ambientes contaminantes y son candidatos promisorios para inoculación para biorremediación por un gran número de razones. Warhurst y Fewson (1994) señalan que los rodococos pueden persistir en el suelo, aun en condiciones de inanición, y la degradación de los contaminantes puede no verse afectada por la presencia de fuentes de carbono más fácilmente asimilables. Las células de los Rhodococcus son hidrofóbicas debido a las cadenas alifáticas de ácido micolico en la pared celular; esto puede permitir la degradación de contaminantes hidrofóbicos debido a que esta condición les permite a las células adherirse a las interfases aceite / agua (Neu, 1996). Algunas cepas de Rhodococcus son psicrotoficas (se reproducen y crecen a bajas temperaturas) lo cual puede ser importante para la biorremediación en climas fríos (Koronelli, 1996; Yagafarova & Skvortsova, 1996).

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A pesar del limitado número de estudios de biorremediación en campo o suelo usando Rhodococcus y organismos relacionados como inóculos, han mostrado ser prometedores. Briglia et al., (1994b) obtuvieron valores muy incrementados de degradación de pentaclorofenol (PCP por sus siglas en ingles de pentachlorophenol) en suelo arenoso inoculado con R. chlorophenolicus. Miethling & Karlson (1996) usaron estos microorganismos como inoculo y encontraron altos grados de degración de PCP en algunas condiciones, y que una alta población de estas bacterias persistían en el suelo, incluso después de varios meses. Christofi et al., (1998) encontraron que la inoculación con R. ruber incrementó las cuentas de hidrocarburos oxidados por bacterias persistentes en suelo composteado contaminado con petróleo crudo. Sorkhoh et al., (1995) tomaron un consorcio bacteriano que ocurría naturalmente (removido de tapetes de cianobacterias encontradas flotando en agua contaminadas con aceite en el golfo arábico) y usaron esta mezcla para inocular arena contaminada. Los rodococos aparecieron como la población predominante en la remoción del aceite de la arena. Koronelli (1996) reporto que la introducción de la cepa R. erythropolis degradadora de hidrocarburos dentro de un suelo artificial contaminado resulto en un incremento en las cuentas de bacterias degradadoras de petróleo y en un incremento en el grado de degradación de hidrocarburos.

Por otra parte, existen biorreactores que permiten la degradación de compuestos tóxicos en la industria de efluentes, donde se han encontrado especies nativas de este género, R. percolatus fue el primero en ser aislado de un biorreactor alimentado por clorofenol (Briglia et al., 1996).

Los contaminantes químicos que puede ser degradados por los rodococos están en el rango de hidrocarburos simples, los cuales puede ser usados como única fuente de carbono en el aislamiento de los rodococos (Goodfellow & Minnikin, 1981), hasta hidrocarburos clorinados, hidrocarburos aromáticos y nitroaromáticos hasta aromáticos policiclicos clorinados como los bifenilos policlorados (PCBs por sus siglas en ingles de PolyChlorinated Biphenyls).

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Como hemos revisado hasta ahora, el gran potencial de biorremediación que presentan las bacterias estudiadas, es el resultado de la maquinaria metabólica que contienen, te invito a reflexionar como fue que adquirieron esta ventaja evolutiva, y sigamos enriqueciéndonos en conocimiento.

Tabla 5. Resumen del género Rhodococcus. El género Rhodococcus. Tipo de metabolismo Metabolismo oxidativo. Quimio organotrófico. Hábitat Hábitat principales de las Rhodococcus son:  En ambientes contaminados con materia fecal,  En sedimentos acuáticos,  En suelos,  Efluentes industriales, y  En plantas (rizosfera). Contaminantes  Combustible diesel, metabolizados.  Naftaleno,  Aroclor 1242,  Benceno,  Petróleo crudo,  Metil t-etil éter,  t-butil alcohol,  Clorobenceno,  BTEX,  2,4-dinitrofenol,  2,4,6-trinitrofenol,  Metil hidrazine,  Tolueno,  Isopropilbenceno,  1,3 dicloropopano, y  Tetrahidrofurano. Viabilidad de cultivo Se ha reportado que para cultivar algunas especies de Rhodococcus se usa un medio llamado M3 (Rowbotham &Cross, 1977; Bogomilova-Borisova, 2011) y el medio BD Brain Heart Infusion (BHI) Agar. Las temperaturas de crecimiento reportadas son de 25 a 30 °C y de 35 a 37 °C. Los cultivos puros del genero Rhodococcus se pueden

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obtener de la ATCC (American Type Culture Collection por sus siglas en inglés) (http://www.atcc.org) así como los tipos de medios de cultivo y las hojas técnicas explicativas para hacer su crecimiento viable.

2.2.5. El género Mycobacterium y sus características metabólicas

Figura 12. Mycobacterium aislado de un proceso de biorremediación de suelos contaminados por hidrocarburos aromáticos policíclicos. Recuperado de http://genome.jgi- psf.org/myc_j/myc_j.home.html

Las Mycobacteria son actinomicetos aeróbicos que usualmente están en forma de bacilos curvados ligeramente o en forma recta cuyas dimensiones van de 0.2 – 0.6 X 1.0 – 10 μm. El crecimiento de forma ramificada tipo micelar, puede llevarse a cabo con fragmentación en elementos de bacilos o cocos. Muchas especies forman colonias color blancuzco o crema, pero especialmente entre las especies de rápido crecimiento, hay también muchas de color amarillo brillante o naranja que contienen pigmentos carotenoides (David, 1984). En algunos casos, los pigmentos son formados en respuesta a la luz (especies fotocromogénicas), pero las especies más pigmentadas forman estos pigmentos aún en la oscuridad (especies escotocromogénicas).

Mycobacterium es el único genero enlistado en la familia Mycobacteriaceae acorde al Bergey’s Manual de Bacteriología Sistemática (Wayne & Kubica, 1986), pero el género es considerado como estrechamente relacionado con otros géneros que producen ácido micolico en la pared celular como los son los generos Caseobacter, Corynebacterium, Nocardia y Rhodococcus (Goodfellow & Cross, 1984).

Estudios taxonómicos recientes se han basado en estudios de la pared celular y en análisis del ácido micolico, los cuales además, han probado ser de gran utilidad para separar los géneros de actinomicetos. La hibridación de ADN genómico y más reciente, las similitudes en el ARNr 16S han sido herramientas importantes para determinar las relaciones filogenéticas entre los géneros y subgéneros.

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El número de especies de Mycobacterium se ha incrementado, de 40 especies en 1980 (Skerman et al., 1980) a cerca de 110 especies en 2004. La descripción de especies novedosas es paralela al desarrollo de métodos moleculares y por el reconocimiento que ha tenido la importancia clínica de Mycobacterium. Para finales de 1983, había 52 especies descritas. Solo 6 nuevas especies habían sido añadidas entre 1984 a 1991 y cerca de 4 especies por año entre 1992 y 2003. En 2004, 12 nuevas especies fueron descritas y están en proceso de ser validadas.

Las Mycobacterium han sido aisladas de diversos hábitats incluyendo material tanto animal como no animal, como por ejemplo agua fresca y agua salada, suelo y polvo. Algunas especies de los serotipos no patogénicos pueden ser patógenos oportunistas. Y más aún muchas especies de Mycobacterium que han sido aisladas de muestras ambientales, presentan latencia, se encapsulan y pueden sobrevivir largos periodos de tiempo sin manifestar crecimiento y se les considera contaminantes. Por ejemplo se reportó que Mycobacterium paratuberculosis sobrevivió por un periodo de 252 días en lodo líquido (Kazda, 1983). Por otra parte, hay algunas especies aisladas que resultan ser nativas de dichos ambientes, dependiendo de las especies de la flora natural de un ambiente especifico es que son capaces de multiplicarse activamente en dicho sitio (Kazda, 1983). Discriminar entre estas dos posibilidades resulta muy complicado.

Las micobacterias son microorganismos metabólicamente versátiles. Crecen no solo en los sustratos comunes como azúcares, alcoholes y ácidos orgánicos, sino también en una gran variedad de hidrocarburos incluyendo cadenas ramificadas, insaturadas, aromáticos e hidrocarburos cíclicos (Lukins & Foster, 1963). Las micobacterias también degradan hidrocarburos aromáticos poli cíclicos como el pireno (Heitkamp et al., 1988a; Heitkamp et al., 1988b) y el fenantreno (Guerin & Jones, 1988). Algunas micobacterias crecen sobre compuestos hidrocarbonados simples como el metanol y las metilaminas (Kato et al., 1988; Urakami & Yano, 1989). En una cepa de M. gastri, se encontró 3-hexulose-6-fosfato sintasa, indicando la incorporación de formaldehido por la ruta de ribulosa monofosfato en esta cepa (Kato et al., 1988). Un crecimiento autotrófico sobre dióxido de carbono y sobre hidrógeno gas de varias cepas de M. smegmatis, M. marinum y M. fortuitum fue reportado por Lukins & Foster en 1963 (en el 20% de las cepas probadas). La cepa que utiliza propeno llamada Mycobacterium Py1 también creció autotróficamente (De Bont et al., 1980). Reportes en literatura antigua sobre el crecimiento de micobacterias sobre metano debe ser tratada con escepticismo ya que tales cepas aisladas se perdieron antes de una identificación rigurosa o no crecieron más sobre metano cuando fue investigado por otros grupos de trabajo.

El crecimiento de las micobacterias con hidrocarburos como C2 como etano y eteno (etileno) ha sido descrito varias veces. Usando etano como fuente de carbono, Davis et

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al., en 1956 logró aislar varias bacterias que utilizan etano, con las micobacterias predominando en estos aislamientos.

Usando etano como única fuente de carbono, varias micobacterias fueron aisladas (De Bont, 1976). Mycobacterium E20 también crece con etano. El metabolismo de etano es por la vía de acetato y el metabolismo de eteno es por la vía del epoxietano (De Bont & Harder, 1978). El epoxietano es posteriormente degradado a acetil-coenzima A (CoA) en una reacción dependiente del nucleótido de nicotinamida (NAD).

En el caso del metabolismo del propano, se ha demostrado que Mycobacterium vaccae JOB5 genera acetona y acetato como intermediarios en el metabolismo del propano. El metabolismo del propano en Mycobacterium Py1 procede inicialmente oxidando el propano a epoxypropano, el cual subsecuentemente de carboxilado, presumiblemente a acetoacetato.

Cómo se ha mencionado con anterioridad, una de las características importantes de las micobacterias es el contenido de ácido micolico. Otro tipo de componentes lipídicos de las micobacterias son las cantidades considerables de triacilgliceroles, especialmente las células que crecen en glicerol, resultando en la formación de cuerpos grasos (Brennan, 1988). Estos lípidos pueden ser utilizados como material de reserva, aunque el glucógeno y la trehalosa han sido sugeridos como materiales de reserva también (Ratledge. 1982b). En cultivos limitados de nitrógeno de M. phlei, se ha observado la acumulación tanto de lípidos como de glucógeno (Antoine & Tepper, 1969). La transferencia de estas células a un medio con alto contenido de nitrógeno sin una fuente de carbono tiene como resultado la restauración del crecimiento y el decremento del contenido de lípidos y glucógeno. Para finalizar, las micobacterias son ampliamente usadas, sin contar el enfoque médico que no es el objeto de este tema, como biocatalizadores para llevar a cabo reacciones de transformación específicas (Meijer, et al., 1985). En el área de la biotecnología se tienen muchas aplicaciones utilizando a las micobacterias como biotransformadores de esteroides (Martin, 1984).

El uso de micobacterias en biorremediación para la remoción de sedimentos contaminados. Ejemplos como la adición de una cepa Mycobacterium degradadora de pireno resulto en el incremente de la mineralización de varios hifrocarburos arómaticos policiclicos (Heitkamp & Cerniglia, 1989).

Tabla 6. Resumen del género Mycobacterium. El género Mycobacterium. Tipo de metabolismo Metabolismo aerobio. Saprofito y se ha reportado que algunas cepas son autótrofas. .

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Hábitat Hábitat principales de las Mycobacterium tanto en animales como en no animales son por ejemplo:  Patogenos oportunistas en humanos y no humanos,  En agua fresca,  En agua salada,  En suelo,  En polvo,  Sistemas de distribución de agua,  Aucarios, Contaminantes  Pireno, metabolizados.  Fenantreno,  Metanol,  Metilaminas,  Formaldehído,  Propeno,  Etano,  Eteno,  Epoxietano,  Propano. Viabilidad de cultivo Los cultivos puros del genero Mycobacterium se pueden obtener de la ATCC (American Type Culture Collection por sus siglas en inglés) (http://www.atcc.org) así como los tipos de medios de cultivo y las hojas técnicas explicativas para hacer su crecimiento viable.

A manera de conclusión en cuanto a los microorganismos revisados hasta ahora que tienen importancia para la biorremediación, se puede considerar que todos estos microorganismos al crecer en una gran variedad de hábitats y degradar xenobióticos, hecho por el cual son de interés para su uso en biorremediación, no se presentan problemas su y que en todos los casos se pueden adquirir los cultivos puros a partir de colecciones de cultivo como lo son la ATCC (American Type Culture Collection por sus sigla en ingles), la NRRL (Agricultural Research Service Culture Collection por sus siglas en ingles) localizadas en los Estados Unidos de America; la BCCM/LMG (Belgian Coordinated Collection of Microorganisms / Laboratorium voor Microbiologie por sus siglas en ingles) localizado en Belgica; DSMZ (Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH por sus siglas en alemán) localizado en Alemania (Garraty et. al. 2004). Estas son sólo algunas colecciones donde se encuentran este tipo de bacterias.

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2.3. Otros organismos involucrados en los procesos de biorremediación

Figura 13. La contaminación es un problema mundial. Tomado de http://www.freedigitalphotos.net/images/Global_Warming_g392- Pollution_World_With_Warming_p48684.html

Adicional a los procariontes revisados, existen otros organismos que también tienen todo el potencial para ser considerados en los procesos de biorremediación, la lista es creciente, pero por el momento solo nos enfocaremos a revisar el caso de los hongos y las algas como organismos capaces de ser utilizados para la remoción de diferentes contaminantes.

Es importante resaltar que de forma análoga a lo revisado para los géneros bacterianos estudiados, la capacidad de remoción de contaminantes es el resultado del metabolismo de estos organismos, donde la presencia de una maquinaria enzimática particular les permite adaptarse a las diferentes condiciones ambientales.

Los hongos al igual que las bacterias constituyen un grupo de agentes encargados de la descomposición primaria de la materia orgánica, que al metabolizarla generan la reincorporación de diferentes iones y sustancias reutilizables, no solo para su propio uso sino para todo el ecosistema en que se desarrollan.

Una de las ventajas que ofrecen tanto los hongos como las algas, que se precia tan simple, es la cantidad de biomasa, ya que tanto las bacterias como estos organismos pueden remover contaminantes similares, pero los eucariontes son de mayor tamaño haciendo más eficiente la biorremediación. Además hay otras características que les confieren ventajas pero que las revisaremos a continuación.

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2.3.1. La importancia de los hongos en biorremediación

Figura 14. Hongo perteneciente a la división Deuteromicota, representante de los típicos hongos de suelo. Tomado de http://www.deuteromycota.zoomshare.com/

Los científicos empezaron a usar los hongos y las bacterias para la degradación de compuestos orgánicos xenobióticos desde mitad del siglo XX. El uso de bacterias mostró resultados rápidos y promisorios, pero la investigación sobre la evaluación de hongos fue dejada de lado. Esto no significa que los hongos no son organismos adecuados o que funcionan menos satisfactoriamente que las bacterias en la degradación de estos compuestos. La participación de los hongos en la biorremediación ahora está bien establecida en todos los ecosistemas.

La micorremediación es una de las áreas más complejas en la ingeniería aplicada a la biorremediación. Durante las pasadas décadas, muchos científicos e ingenieros de hongos han querido intentar usar los hongos en la biorremediación de compuestos orgánicos, y aquellos que los han utilizado los resultados obtenidos son exitosos. El descubrimiento del valor que tiene el hongo de la podredumbre blanca en la biorremediación ha traído grandes éxitos y ha estimulado la investigación a través del mundo.

Entrando en materia, los hongos son un grupo diverso de organismos y que son ubicuos (que están presentes en todos lados) en el medio ambiente. Ellos han contribuido mucho al bienestar de la humanidad desde el inicio de la civilización. Sus contribuciones van desde lo natural hasta el uso industrial. Los hongos pueden existir y sobrevivir en casi todos los hábitats. Los hongos juegan un rol en todos los ecosistemas y son capaces de regular el flujo de nutrientes y energía a través de sus sistemas miceliares. Los hongos afectan el ambiente a nivel macro escala, aunque sus impactos permanecen ocultos del mundo. Sus redes micelares pueden cubrir varias hectáreas del piso de un bosque y así

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los hongos son considerados como los verdaderos ingenieros de ecosistemas (Lawton & Jones, 1995).

Los hongos son organismos eucariontes microscópicos que han mostrado crecimiento sobre varios substratos y son capaces de continuar sus funciones por mucho tiempo. Estos organismos incluyen mohos, levaduras y hongos filamentosos. Los ingenieros ambientales alrededor del mundo han tenido que resolver problemas de desperdicios y agua residuales y muchos hongos filamentosos saprofitos pueden degradar compuestos que fluyen con las aguas residuales en los lugares de recepción y así contribuir a la limpieza. Algunos mohos, levaduras y hongos son altamente tolerantes a concentraciones extremas de pH en el substrato y pueden ser encontrados en muchos ambientes ácidos o altamente alcalinos. Los hongos son altamente plásticos y muchas células fúngicas son totipotenciales, por tanto, el organismo entero se puede regenerar no sólo de las esporas sino también de fragmentos de hifas.

La biodegradación y el bio deterioro por hongos

Los hongos son conocidos por degradar o causar deterioro de una gran variedad de materiales y compuestos, procesos conocidos como micodegradación y micodeterioro. Las actividades de degradación de los hongos han sido reconocidas en varias situaciones donde los hongos destruyen diferentes tipos de madera, papel almacenado, textiles, plásticos, cuero, aislantes eléctricos y varios tipos de materiales de empaque (Tabla 7).

Tabla 7. Materiales para la biodegradación o biodeterioro por hongos. Madera Plásticos Materiales de biblioteca Objetos de madera Lana Pinturas murales Papel almacenado Papeles para empaque Materiales de aislamiento eléctrico Textiles Superficies de vidrio carbón Cuero Concreto Materiales de caucho

A continuación se precisan evidencias encontradas de diferentes mecanismos de degradación por hongos:

1) La degradación del polietileno con un peso molecular entre 4000 a 28000 g/mol es llevada a cabo por Penicillium simplicissimum YK (Yamada-Onodera et al., 2001). Las enzimas de Mucor rouxii NRRL 1835 y Aspergillus flavus han producido cambios en las propiedades mecánicas y peso de bolsas de plástico desechables

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(El-Shafei et al., 1998). El hongo de la podredumbre blanca es también eficiente en la degradación de polietileno (Iiyoshi et al., 1997). El Aspergillus flavus coloniza y degrada los injertos de películas de quitosán metacrilato en un 45% durante 25 días de cultivo aerobio (Harish Prashanta et al., 2005). El hongo Phanerochaete chrysosporium, estuvo adherido a fibras de poliamida-6 y redujo el 50% de la masa molecular después de tres meses (Klun et al., 2003). 2) De las 15 especies del hongo de la podredumbre blanca y café, Resinicium bicolor mostró ser el hongo más efectivo para la desintoxicación de llantas de hule posterior a la des vulcanización (Bredberg et al., 2002). 3) Los hongos también pueden degradar el concreto. Especies de Fusarium contribuyen a la pérdida de peso y calcio en el concreto durante su exposición (Gu et al., 1998). El incremento en la porosidad del cemento y la perdida de flexibilidad con baja lixiviación de calcio ha sido atribuido a los ácidos producidos por Aspergilus niger y Mycelia sterilia (Perfettini et al., 1991). Los hongos negros como Phoma y Alternaria interactúan con las superficies de mármol y causan daño físico, químico y por tanto estético (Diakumaku et al., 1995). 4) Aureobasidium pullulans coloniza sobre PVC platificado dentro de las 25 a 40 semanas de exposición (Webb et al., 2000). Aureobasidium pullulans crece en PVC plastificado como única fuente de carbono, ya que secreta una esterasa extracelular y causa perdida de peso en el sustrato.

En suma, nuevos materiales de construcción producidos a partir de material vegetal están expuestas al ataque por mohos.

Como ya hemos visto, los hongos, además de ser los mayores descomponedores en cualquier ecosistema, los hongos también tienen la habilidad de mineralizar, liberar y almacenar varios tipos de iones y elementos, así como acumular minerales tóxicos. Los hongos han demostrado ser modificadores de la permeabilidad del suelo, el intercambio iónico en el suelo y la detoxificación del suelo contaminado. Los hongos comestibles y medicinales también juegan un papel importante como remediadores naturales del medio ambiente (Pletch et al., 1999), así como los hongos acuáticos (Hasija, 1994).

Los hongos son generalmente de crecimiento lento y generalmente requieren de sustratos para poder metabolizar. El crecimiento micelar de estos microorganismos es el responsable de la colonización rápida de los sustratos blanco. Los cultivos líquidos constituyen un sistema-modelo apropiado para explorar la biotransformación de una amplia variedad de compuestos. El proceso de la biotransformación de compuestos, desperdicios y aguas residuales mediada por hongos es denominado micotransformación.

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El tratamiento por hongos de los desperdicios en la naturaleza ha sido conocido por siglos. Sin embargo mucho de nuestro conocimiento de las interacciones entre los hongos y los desperdicios está basado en estudios llevados a cabo en laboratorios. Sin embargo, en décadas recientes los hongos han sido utilizados como tratamiento de una amplia variedad de desperdicios y de aguas negras. Los hongos también pueden remover metales, realizar la degradación y mineralización de fenoles, compuestos fenólicos clorados, hidrocarburos derivados del petróleo, hidrocarburos aromáticos policíclicos, bifenilos policlorados, insecticidas y pesticidas clorados, colorantes, biopolímeros y otros tipo de sustancias en varias matrices (Singh, 1991).

Cómo podemos ver, la literatura sobre la ecología de hongos es voluminosa; sin embargo, poco se sabe sobre la ecología y ecofisiología del hongo de la podredumbre blanca o de otros hongos en la micorremediación. Por tanto, resulta muy importante entender el comportamiento y las interacciones de los hongos con los diversos ecosistemas relacionados a la biodegradación de varios compuestos tóxicos y peligrosos. A pesar que se estiman en 1.5 millones de especies de hongos y sobre la limitación de 69000 especies de hongos alrededor del mundo (Hawksworth, 1991), la limitada ecología sobre la micorremediación es sólo conocida en menos de 10 especies de hongos. Y es por lo visto hasta aquí en que radica la importancia de los hongos en la biorremediación.

2.3.2. La biorremediación de metales pesados a través de hongos

Figura 15. Contaminación en China por metales pesados. Recuperado de http://www.ecologiaverde.com/china-reconoce-contaminacion-por-metales-pesados/

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Los microorganismos han sido utilizados para tratar líquidos residuales desde finales del siglo XIX. Sin embargo, la eliminación y / o recuperación de metales a partir de líquidos o arroyos ha recibido la mayor atención durante las últimas décadas. También hay que considerar que la Industrialización global es de gran preocupación como consecuencia de la liberación al medio ambiente de metales pesados tóxicos y persistentes que causan efectos ecológicos perjudiciales y constituyen una seria amenaza para los animales y la humanidad. Las emisiones también conducen a la movilización de metales por lixiviación. Varias industrias como las de galvanoplastia, la producción de circuitos electrónicos, de acero y los procesos no ferrosos, química y farmacéutica, y otros, descargan una gran cantidad de aguas residuales cargados de metales en el medio ambiente. Las plantas eléctricas a base de carbón producen grandes cantidades de metales durante la combustión. La emisión de aguas residuales industriales debido al drenaje ácido de las minas en un área grande es otro gran problema. En los Estados Unidos, 389 de 703 sitios de la Lista de Prioridades Nacionales contienen metales contaminantes tóxicos y por lo menos 100 000 de tales sitios se estiman en la Unión Europea (Schmitt & Stitcher, 1991; Wilmoth et al., 1991). Hay agencias gubernamentales en varios países que han desarrollado normas para la descarga y emisión de metales al medio ambiente. Esto es con el fin de regular dichas emisiones y contaminantes en las aguas residuales y que estos contaminantes entren en los canales y sistemas de alcantarillado.

Ahora bien, hay microorganismos que tienen la habilidad de unir metales a partir de soluciones acuosas. Este fenómeno es conocido como bioabsorción, y los microorganismos responsables de estos procesos son considerados como bioabsorbentes. Una gran variedad de bacterias, algas, hongos y plantas son capaces de secuestrar metales tóxicos de los flujos de residuos. Esto es el fundamento de la tecnología de bioabsorción, la cual ofrece ser una alternativa promisoria y económicamente viable para el tratamiento de las descargas de una gran variedad de efluentes industriales que contienen metales. Los hongos y las levaduras son interesantes en la bioabsorción de metales y a este proceso se le conoce como micoabsorción.

La remoción biológica de metales a partir de soluciones puede ser dividida en tres categorías:

1. La bioabsorción de iones metálicos sobre la superficie de los hongos. 2. La toma intracelular de los iones metálicos 3. La transformación química de los iones metálicos llevada a cabo por los hongos.

Para llevarse a cabo el primer proceso, no es necesario que los hongos estén vivos. Además se ha visto que la biomasa no viva muestra una fuerte afinidad por los iones metálicos debido a la falta de protones producidos durante su metabolismo. El problema

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de la toxicidad de los metales no afecta a este tipo de biomasa, la cual es vista como una de las mayores ventajas de la bioabsorción. Ahora bien, para llevarse a cabo los dos últimos procesos, se requiere que la biomasa de hongos se encuentre viva. La biomasa de hongos puede ser generada como un subproducto de una fermentación industrial y pre-tratada mediante el lavado con ácidos y/o bases antes del secado y/o lavado con ácido y/o las bases antes del secado y granulado final para la biorremediación puede ser generado como una de. Todos estos factores pueden contribuir a la reducción del costo final del proceso.

La bioabsorción es un proceso de pseudo intercambio iónico en el cual los iones del metal son intercambiados por un ión contrario en la biomasa o en la resina. En general, los hongos filamentosos poseen grandes capacidades de adsorción para la remoción de metales pesado. Los hongos acuáticos también son conocidos por acumular metales pesados. La toma de metales fue descrita por Michelot et al. (1998) y una aproximación tentativa relacionada con los mecanismos de bioacumulación en hongos comestibles fue proyectada, encontrando que los hongos marinos Corollospora lacera y Monodictys pelagia acumulan plomo y cadmio en los micelios extracelulares (Taboski et al. 2005). La bioabsorción involucra un cierto número de factores externos (por ejemplo, el tipo de metal, la forma del ión en solución y el sitio funcional) y tiende a ser exotérmico. Otros factores como el pH, la temperatura, la concentración de biomasa, el tipo de preparación de la biomasa, las concentraciones iniciales de los iones metálicos y las características del metal, así como la concentración de otros iones que pueden interferir son también importantes en la evaluación de la extensión de la bioabsorción. La bioabsorción y recuperación pueden ser intensificadas por la estimulación a través de campos magnéticos inducidos (Gorobets et al., 2004).

Así, la bioabsorción consiste en varios mecanismos que difieren de acuerdo a las especies de hongos utilizadas, el origen de la biomasa y su procesamiento. Estos mecanismos incluyen intercambio ionico, quelación, adsorción, cristalización y precipitación, seguido de atrapamiento de iones en los capilares inter e intra fibrilares, un lugar en el material polisacaridico y difusión a través de la pared celular y membranas de los hongos. Las paredes celulares de los hongos están compuestas por quitinas, quitosanos y glucanos. Las paredes celulares también contienen proteínas, lípidos y otros polisacáridos. Las paredes celulares de las levaduras consisten principalmente de glucanos y de una capa de proteínas. La precipitación se puede llevar a cabo en los componentes de la pared celular. La biomasa usualmente contiene un gran número y variedad de grupos funcionales o sitios como los que están presentes en los grupos funcionales de las resinas de intercambio ionico. Estos sitios incluyen carboxilos, sulfatos, fosfatos, hidroxilos, aminos, iminos, sulfonatos, imidazoles, sulfidrilos, carbonilos, tioeteres y otros tipos de cavidad.

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La bioabsorción puede ser dividida en bioabsorción independiente y en dependiente del metabolismo. La primer emplea biomasa viva o muerta, y la segunda categoría transforma los metales internamente acoplado a la producción de metabolitos extracelulares. Para el estudio de la bioabsorción y los mecanismos de unión se emplean técnicas cómo la microscopia electrónica, análisis de difracción de rayos X y espectroscopia en espectro infrarojo. El grupo amino de las paredes celulares de Rhizopus nigricans esta involucrado en la unión de Cr(VI) en solución y de aguas residuales (Bai & Abraham. 2002). La modificación química incrementa el número de sitios de unión activos sobre la superficie lo que incrementa la capacidad de adsorción de cromo. El grupo funcional amino de la pared celular de Mucor también contribuye a la remoción de cromo de los efluentes derivados del curtido de pieles (Tobin & Roux, 1998). Analisis espectroscópico infrarrojo por transformadas de Fourier (FTIR por sus siglas en ingles de Fourier transform infrared) ha revelado el involucramiento de los grupos –COOH de la biomasa de levadura lavada con acetona en la bioabsorción de plomo (Ashkenazy et al.; 1997). El grupo COOH también contribuye a la unión del metal a los sitios de unión en las paredes celulares de Mucor rouxii (Gardea-Torresdey et al., 1996). Se ha establecido que la biomasa de hongos tratada con NaOH y sin tratar con NaOH la bioabsorción ocurre en la estructura de quitina de la pared celular. La microscopia electrónica revelo que el niquel se puede ser localizado sobre la superficie celular de Rhizopus sp. 0101 (Mogollon et al., 1998). Se ha observado en Saccharomyces cerevisiae, a través de la técnica de microscopia electrónica de transmisión que, el plomo II se asocia a la pared celular y la membrana después de 3 minutos y llega al citoplasma después de 2 horas (Suh et al., 1998). En la tabla 3 se muestran los mecanismos para la biotransformación por hongos que son reducciones, metilaciones y desalquilaciones de metales.

Tabla 8. Transformación de metales, metaloides y organometales por hongos. Hongo Transformació Mecanismo Referencia Imagenes n Aureobasidium Ag(I)  Ag(0) Reducción Kierans et al., pullulans 1991 Candida albicans Debaryomyces A. pullulans (1) hansenii Rhodoturula rubra Saccharomyces cerevisiae D. hansenii (2)

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S. cerevisiae Fe(III)  Fe(II) Reducción y no Lesuisse & reducción Labbe, 1989

(3) Fusarium sp. Se(IV) o Se(VI) Reducción Gharieb et al.,  Se(0) 1995

(4) Fusarium sp. Te(II)  Te(0) Reducción Gharieb et al., Penicillium 1999 citrinum

P. citrinum (5) Schizosaccharo Te(IV) o Te(VI) Reducción Smith, 1974 myces pombe  Te(0)

(6) C. albicans Hg(II)  Hg(0) Reducción Yannai et al., S. cerevisiae 1991

C. albicans (7) Alternaria Se(IV) o Se(VI) Metilación Thompson-

alternata  (CH3)2Se Eagle et al., 1991

(8) Penicillium sp. Te(IV) o Te(IV) Metilacion Huysmans &

 (CH3)2Te Frankenberger,

CH3AsH2O3  1991 (CH3)3 As (9) Penicillium sp. Organic Hg  Desalquilación Tezuka & MR-2 Hg(II)  Hg(0) Takasaki, 1998. Fotos tomadas de: (1) http://www.doctorfungus.org/Thefungi/aureobasidium.php (Aureobasidium pullulans) (2) http://enologyaccess.org/EA2/index.php/winemicrobes/918-yeastid/189-debaromyces- hansenii.html (Debaryomyces hansenii) (3) http://talkingplants.blogspot.mx/2012/07/my-pets-are-now-relaxing-in-back-of.html (S. Cerevisiae

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(4) http://www.doctorfungus.org/thefungi/fusarium.php (Fusarium sp.) (5) http://www.nature.com/nm/journal/v14/n10/fig_tab/nm1008-1050_F1.html (P. citrinum). (6) http://www.micron.ac.uk/organisms/images/yeast3.htm (S. pombe) (7) http://www.doctorfungus.org/thefungi/Candida_albicans.php (C. Albicans) (8) http://www.doctorfungus.org/thefungi/alternaria.php (Alternaria alternata) (9) http://www.emlab.com/s/sampling/env-report-09-2006.html (Penicillium sp.)

2.3.3. Las algas y su aplicación en la biorremediacion

Figura 16. Alga café “Fucus serratus”. Tomado de Chekroun & Baghour, 2013.

La fitorremediacion ha emergido como una de las tecnologías mas deseadas la cual usa plantas para remover contaminantes ambientales o desintoxicación de estos mismos ambientes para hacerlos menos peligrosos (Cunningham & Berti, 1993). Muchos organismos vivos pueden acumular ciertos tóxicos en sus cuerpos a concentraciones mucho más altas que las presentes en su medio ambiente (Cunningham & Berti, 1993; Nyangababo et al., 2005; Igwe et al., 2008; Kord et al., 2010). Así, el uso de plantas para la descontaminación de metales pesados ha atraído una creciente atención por los diversos problemas asociados con la remoción de contaminantes usando métodos convencionales.

Recientemente ha habido un creciente interés en el uso de algas para biomonitorear la eutroficación (disminución en la biota de aguas profundas por efecto del consumo de oxígeno debido al exceso de nutrientes provenientes de los contaminantes), los contaminantes químicos organicos e inorgánicos. Usando la formación de clorofila de las

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algas, por ejemplo fue posible estimar espectofotometricamente el contenido de nitrógeno total en agua colectada de sistemas acuaticos (Abe et al., 2004) dando una idea de los niveles de eutroficación (Ben Chekroun, et al. 2013).

Las plantas usadas en la técnica de fitorremediacion deben tener una capacidad considerable para la absorción de metales, su acumulación y la reducción del tiempo de descontaminación para un ecosistema (Mudgal et al., 2010).

Las plantas son conocidas por acumular varios metales pesados (Baghour et al., 2002). La alta tolerancia de las plantas a los metales pesados puede ser conferida por su inmovilización en la pared celular (Baghour et al., 2002; Davis et al., 2003) o por la compartamentalizacion de los metales pesados dentro de la vacuola (Vazquez et al., 1994). Algunas algas muestran una gran capacidad para la acumulación de metales pesados como resultado de los mecanismos de tolerancia y, además, muchas algas sintetizan fitoquelatinas y metalotionenos que pueden formar complejos con los metales pesados y translocarlos adentro de la vacuola (Suresh & Ravishankar, 2004).

Otra ventaja de usar las algas en la fitorremediacion es la alta producción de biomasa por estas especies, permitiendo una alta absorción y acumulación de metales pesados. La fitorremediacion es potencialmente aplicable a una gran variedad de contaminantes, incluyendo algunos de los más significativos, como lo son los hidrocarburos de petróleo, los solventes clorinados, metales, radionucleotido, nutrientes, pentaclorofenol e hidrocarburos aromaticos policíclicos.

La fitorremediacion de metales pesados por algas Los mecanismos de remoción de metales pesados incluyen sedimentación, floculación, intercambio de aniones y cationes, acomplejacion, precipitación, oxido/reducción y actividad microbiológica. Las microalgas remueven metales pesados directamente de aguas contaminadas por dos mecanismos principalmente; el primero es una absorción dependiente del metabolismo dentro de las células a bajas concentraciones y la segunda consiste en la bioabsorcion con un proceso de adsorción no activo (Matagi et al., 1998). Las algas poseen muchas características que las hacen candidatos ideales para la remoción selectiva y concentración de metales pesados (Tabla 9), lo cual incluye alta tolerancia a los metales pesados, la habilidad de crecer tan autotróficamente como heterotróficamente, largas superficies por volumen, entre otras características. Las microalgas han sido usadas de forma extensa para medir la contaminación por metales pesados en ambientes marinos alrededor del mundo. En años recientes, varias especies de algas verdes Enteromorpha y/o Cladophora han sido utilizadas para medir los niveles de metales pesados en muchas partes del mundo (Al-Homaidan et al., 2011).

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Tabla 9. Toma y acumulación de metales por algunas especies de algas. Modificado de Chekroun & Baghour, 2013. Especies Metales Referencias Imagenes Oro (Au) Kuyucak & Volesky, 1989 Cobalto (Co) Kuyukak & Volesky, Ascophyllum nodosum 1988 Nickel (Ni) Holan & Volesky, 1994 (1) Plomo (Pb) Holan & Volesky, 1994 Caulerpa racemosa Boro (B) Bursali et al., 2009

(2) Zinc (Zn) Fourest & Volesky, 1997 Fucus vesiculosus Nickel (Ni) Hola & Volesky, 1994

(3) Laminaria japonica Zinc (Zn) Fourest & Volesky, 1977

(4) Micrasterias Cadmio (Cd) Volland et al., 2012 denticulata

(5) Sargassum filipéndula Cobre (Cu) Davis et al., 2000 Sargassum fluitans Cobre (Cu) Davis et al., 2000 Hierro (Fe) Figueira et al., 1997 Zinc (Zn) Fourest & Volesky, 1997 Nickel (Ni) Holan & Volesky, 1994 (6) Sargassum natans Plomo (Pb) Holan & Volesky, 1994

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(7) Sargassum vulgare Plomo (Pb) Holan & Volesky, 1994

(8) Fotos tomadas de: (1) http://www.discoverlife.org/mp/20q?search=Ascophyllum+nodosum (Ascophyllum nodosum) (2) http://josepalosvalls.wordpress.com/2011/03/03/especies-invasoresalges-caulerpa-racemosa/ (Caulerpa racemosa) (3) http://www.seaweed.ie/descriptions/fucus_vesiculosus.php (Fucus vesiculosus) (4) http://www.lib.noaa.gov/retiredsites/korea/wildstock_enhancement/ecosystem.htm (Laminaria japonica). (5) http://protist.i.hosei.ac.jp/pdb/images/Chlorophyta/Micrasterias/denticulata/denticulata_1c2.html (Micrasterias denticulata) (6) https://www.usm.edu/gcrl/sargassum/sargassum.identification.guide.php (Sargassum filipéndula). (7) http://www.jaxshells.org/922uu.htm (Sargassum natans). (8) http://www.horta.uac.pt/species/newSite/Algae/Sargassum_vulgare/Sargassum_vulgare.htm (Sargassum vulgare)

Las especies Chlorophyta y Cyanophyta se consideran excelentes absorbentes y acumuladores de arsénico y boro (Baker, 1981), absorbiendo y acumulando estos elementos del ambiente dentro de sus cuerpos. Estas algas pueden ser súper remediadores y su presencia en agua, reduce la contaminación del agua con boro y arsénico (Baker, 1981).

La alga café Phaeophyta es particularmente eficiente como bioacumuladora de metales debido a sus altos niveles de polisacáridos sulfatados y alginatos dentro de sus paredes celulares para los que los metales exhiben altos niveles de afinidad (Davis et al., 2003). Nielsen et al. 2005 sugirieron que el alga café como Focus spp. (Figura 13) regularmente dominan la vegetación en ambientes contaminados con metales pesados.

Por lo visto hasta el momento, la fitorremediacion por micro y macroalgas provee ventajas sobre otros métodos que son más costosos y que no son amigables con el medio ambiente.

Por lo tanto, la gran necesidad de mejorar la situación de acumulación de contaminantes, en particular por metales pesados, se está utilizando la ingeniería genética para desarrollar especies transgénicas que sobreexpresen fitoquelantes y metalotioneinas que puedan formar compuestos con metales pesados y transportarlos a las vacuolas para

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maximizar la fitoacumulación y remover los elementos tóxicos de los sistemas acuáticos (Chekroun & Baghour, 2013).

Actividades

La elaboración de las actividades estará guiada por tu docente en línea, mismo que te indicará, a través de la Planeación didáctica del docente en línea, la dinámica que tú y tus compañeros (as) llevarán a cabo, así como los envíos que tendrán que realizar.

Para el envío de tus trabajos usarás la siguiente nomenclatura: BBRN _U2_A1_XXYZ, donde BBRN corresponde a las siglas de la asignatura, U2 es la unidad de conocimiento, A1 es el número de actividad, el cual debes sustituir considerando la actividad que se realices, XX son las primeras letras de tu nombre, Y la primera letra de tu apellido paterno y Z la primera letra de tu apellido materno.

Autorreflexiones

Para la parte de autorreflexiones debes responder las Preguntas de Autorreflexión indicadas por tu docente en línea y enviar tu archivo. Cabe recordar que esta actividad tiene una ponderación del 10% de tu evaluación.

Para el envío de tu autorreflexión utiliza la siguiente nomenclatura: BBRN _U2_ATR _XXYZ, donde BBRN corresponde a las siglas de la asignatura, U2 es la unidad de conocimiento, XX son las primeras letras de tu nombre, y la primera letra de tu apellido paterno y Z la primera letra de tu apellido materno

Cierre de Unidad

Durante la presente revisión de la Unidad se logró identificar los diferentes organismos que tienen la capacidad de biorremediar, cinco géneros de bacterias, hongos y las algas. Para la comprensión de esta capacidad de biorremediación se revisaron las

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características metabólicas que utilizan estos organismos para poder degradar los distintos tipos de contaminantes en formas más amigables para el ecosistema.

En la primera parte se discutieron las características morfológicas, fisiológicas y se profundizo en las estrategias metabólicas con las que cuenta cada uno de los cinco géneros estudiados: Pseudomonas, Alcaligenes, Sphingomonas, Rhodococcus y Mycobacterium para degradar los distintos sustratos contaminantes, así como se visualizaron otras ventajas que les confiere su metabolismo.

Posteriormente, nos dimos a la tarea de examinar otros organismos biorremediadores, los hongos y las algas, haciendo una homología con lo revisado para los procariontes y se presentaron evidencias de la implementación de las algas en el proceso de biorremediación.

Lo anterior nos permite contar con una miscelánea de opciones biológicas para dar solución a este tipo de problemáticas que afectan a todo el planeta, es importante destacar que lo básico es identificar el tipo de contaminante y las condiciones ambientales presentes, para que se pueda seleccionar aquel microorganismo capaz de contener tales sustratos, y que este aprendizaje adquirido permite diferenciar cuando aplicar estos microorganismos en suelos o aguas contaminadas.

Fuentes de consulta

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