Utilització de microorganismes per a l'eliminació de metalls

Gerard Funosas, Enric Furriols, Marc Fusellas i Jordi Galiano

L'eliminació de metalls per part de microorganismes es basa en utilitzar el metabolisme d'aquests bacteris per transformar el metall i poder-lo extreure més fàcilment del medi, i per tant és un tipus de bioremediació. Degut a la gran diversitat metabòlica que presenten els grups procaritoes, trobem espècies que poden dur a terme reaccions molt divseres per recollir aquest metalls en solució que es troben indegudament al medi i que es volen retirar, algunes vegades en condicions extremes de pH o de temperatura. És per això que la bioremediació per microorganismes és una solució molt viable i ecològicament sostenible per netejar zones o aigües contaminades per acumulacions de metalls, sobretot pesants, fet que malauradament es dóna molt en la indústria o la mineria, per exemple.   

MECANISMES FISIOLÒGICS BACTERIANS EN LA METABOLITZACIÓ DE METALLS

Els microorganismes tenen diverses maneres d’utilitzar o transformar el metall, i per tant cal conèixer bé el seu metabolisme per utilitzar-lo en el nostre benefici. Tots aquests processos fisiològics explicats a continuació queden resumits a l'esquema de la Figura 1. 

- Biotransformacions

Aquests processos provoquen un canvi químic sobre el metall, és a dir una reducció o oxidació del metall. Aquestes transformacions poden donar compostos poc solubles en aigua, o bé compostos volàtils. Depenent de l’estadi d’oxidació en què es trobi un metall i l’espècie transformadora, un microorganisme pot dur a terme dues transformacions possibles:

• Lixiviació: Pas d’un estat insoluble en fase sòlida a un estat en fase aquosa. És bàsicament un procés d’oxidació. S’utilitza molt en la industria minera.
• Immobilització:  Pas d’un estat soluble en fase aquosa a un d’insoluble en fase sòlida (precipitat). És bàsicament un procés de reducció. S’utilitza molt en la purificació de les aigües contaminades per metalls.

- Biosorció

 Consisteix en què els organismes biosorbents (aïllats a partir d’ecosistemes contaminats) retenen els metalls durant intervals de temps relativament curts en entrar en contacte amb solucions d’aquests metalls. Aquest microorganismes abarateixen molt els projectes de bioremediació.

- Biomineralització

Molts microorganismes són capaços de precipitar metalls en forma de carbonats o hidròxids a través d'un mecanisme de resistència codificat per un gen que es troba al plasmidi. Aquest mecanisme es basa en la secreció de metalls tòxics en el citoplasma cap a l'exterior cel·lular passant per una bomba de protons contragradient. Això provoca una alcalinització sobre la superfície cel·lular externa i per tant la precipitació dels cations de metalls pesants. 

 - Bioacumulació

Aquest mecanisme cel·lular consta d’un sistema de transport de membrana on el bacteri incorpora el metall present en l’entorn cel·lular, procés que comporta una despesa energètica. Un cop el metall és dins del citoplasma, aquest és segrestat per unes proteïnes riques en grups sulfhídrics. Altres organismes eucariotes ho poden fer acumulant-los al vacúol.  

Algun exemple de bioacumulació de molt interès per a l’home és Pseudomonas aeruginosa.

- Quimioadsorció 

En la quimioadsorció un producte del metabolisme del bacteri és expulsat i forma un dipòsit primari un cop s'ha associat amb un metall del medi, formant un nucli de cristal·lització en el qual es va acumulant el compost iònic, fàcilment expulsable. Un exemple d'aquest funcionament és el dels bacteris reductors del sofre. 

  

Figura 1: Mecanismes d'acció entre metalls pesants i microorganismes.
Font: http://www.quimicaviva.qb.fcen.uba.ar/Actualizaciones/metales/metales.htm

MICROORGANISMES TRANSFORMADORS DE METALLS 

Microorganismes oxidants del ferro i el manganès

Els bacteris anomenats del ferro es defineixen com un grup de bacteris aeròbics que utilitzen l'oxidació d'ions ferrics i/o manganosos com a part principal del seu metabolisme. És un grup molt heterogeni en morfoolgies i que inclou en alguns casos bacteris filamentosos com el Gallionella o Sphaerotilus. 
El procés es basa en utilitzar els ions fèrrics dissolts en el medi com a font d'electrons, oxidant-los normalment en forma d'hidròxid, formant-se així un compost insoluble que precipita. A part d'això molts d'aquests bacteris tenen la capacitat de produir un polisacàrid extracel·lular mucilaginós i adhesiu. Aquesta substància recobreix la superfície externa de la paret cel·lular i serveix per l'acumulació d'hidròxid fèrric precipitat. És per això que aquests bacteris en ambients naturals presenten colors vermellosos o ocres.

Oxidació en la respiració

Figura 3: Gallionella ferruginea
Font: http://microbewiki.kenyon.edu/
index.php/Gallionella

La oxidació del ferro es dóna de manera natural a pH neutre i en condicions aeròbies, no deixant als bacteris utilitzar-lo com a font d'electrons, mentre que a pH àcid el Fe²⁺ és més estable, permetent als bacteris oxidar-lo a Fe³⁺. Per això la majoria dels bacteris oxidants del ferro són acidòfils. Tot i així hi ha algun bacteri oxidant del ferro que el pot oxidar a pH neutre sempre i quan el ferro passi d’estar en una zona anòxica a aeròbia (aigües subterrànies per exemple). Alguns d’aquestes són els microaeròfils Gallionella ferruginea i Sphaerotilus natans. Aquests organismes, però, queden aïllats en ambients bastant específics, que “han de contenir ferro reduït, determinades concentracions baixes d’oxigen i prou concentració de carboni, fòsfor i nitrogen”. (Halbach, Koschinsky, and Halbach 2001).

Els oxidants del ferro són microaeròfils, ja que l'oxigen és l'acceptor final d'electrons del seu metabolisme, i el necessiten, però en una concentració massa alta aquest oxida el ferro i no els hi deixa fer a ells. La majoria dels bacteris són mesòfils, però hi ha casos de termòfils com els del gènere Ferroglobus, uns bacteris oxidants del ferro que redueixen els nitrats o nitrits i creixen a una Tª òptima de 85ºC.

Fotosíntesi 

En alguns casos, bacteris fotosintètics com les espècies del gènere Chromatium o del Chlolorium, també poden utilitzar el FeS com a donador de poder reductor, oxidant tant el Fe²⁺ que passa a Fe³⁺ com el S^2- que es converteix en sulfat. 

 

Figura 4:  Rec de la font de Can Verdaguer, 
a St. Gregori

Figura 5: Possible bacteri filamentós 
oxidant del ferro amb beina (o solament 
la  beina) vist al microscopi en una 
mostra d'aigua procedent de la font 
de Can Verdaguer. 

Microorgansimes reductors del sofre/sulfat: 

Els bacteris reductors del sofre (BRS) són microorganismes anaerobis obligats o facultatius, que utilitzen el sulfat o el sofre elemental com a agent oxidant (ex: Desulfuromonas sp.), i el redueixen fins a sulfur, el qual reacciona principalment amb els protons del medi i forma àcid sulfúric. Metabòlicament són molt diversos, amb representants gram positius, gram negatius o fins i tot arqueus.

Els BRS són uns bacteris molt utilitzats per la eliminació de metalls, però no el metabolitzen directament, sinó que és amb la reducció dels sulfats i el seu posterior alliberament en forma de sulfur que permet que aquest compost reduït reaccioni amb els cations metàl·lics del medi i formi un sulfur metàl·lic, que precipitarà. Aquest producte és molt utilitzat en la indústria, sobretot la minera, per dissociar-lo i recuperar el metall en forma elemental (interès industrial) a través d'un procés cíclic de transformació d'un altre metall, que actua de parell redox. Aquest procediment s'il·lustra a la Figura 2.

Figura 2: Procés de biolixiviació aplicat a la mineria. A: solubilització del metall, 

B: obtenció del Cu metàl·lic, C: recuperació i recirculació del Fe^3+. 
Font: http://www.quimicaviva.qb.fcen.uba.ar/Actualizaciones/metales/metales.htm

Microorganismes reductors de metalls pesants

Entenem per metall pesant qualsevol element metàl·lic amb una densitat relativament alta i que sigui tòxic pels organismes vius fins i tot en baixes concentracions. No és una definició exacte, i per tant no podem establir un grup d’elements tancat, però els metalls pesants més rellevants són tals com el mercuri (Hg), el cadmi (Cd), el plom (Pb), o l’arsènic (As). La toxicitat d’aquests pels éssers vius es deu a la seva capacitat de bloquejar les activitats enzimàtiques per la formació d’enllaços entre el metall i els grups –SH (sulfhídrics) de les proteïnes, causant danys irreversibles.

El gènere Geobacter (bacteris respiradors anaerobis) utilitza directament els metalls pesants com a acceptors d’electrons. Aquest gènere és especialment usat en bioremediació en aigües contaminades per metalls pesants o radioactius com l’urani, que pot ser reduït en una forma molt menys soluble, essent així més fàcilment extraïble del medi. 

Un cas molt important degut a la seva toxicitat i que té una gran repercussió en l'home és la metilació del mercuri a causa d'alguns tipus de microorganismes. El mercuri en forma catiònica dissolt en l'aigua és tòxic, però encara ho són més les formes metil i dimetilmercuri (CH₃Hg+ i (CH₃)₂Hg) produïdes per la transformaicó d'aquest metall pesant per alguns bacteris. Aquests compostos es poden acumular als teixits animals i provoquen casos greus de bioacumulació a nivell de xarxa tròfica. 
Un exemple per la bioremediació a nivell de mercuri és el bacteri Pseudomonas aeruginosa, capaç de reduir el Hg²⁺ a Hg⁰, dificultant així que els altres microorganismes metilin el metall.



Bibliografia:

Aqualab. Bacterias del hierro [en línea] https://docs.google.com/viewer?a=v&q=cache:xjpnM-8JGeAJ:www.aqualab.com.ar/espanol/archivos/02bacteriash.doc+02bacteriash&hl=ca&gl=es&pid=bl&srcid=ADGEESgByptyZWqJlzedWsaAdHIaQVMCPeCMNEd6PaaemKStBnTjbzOWO5wB3LQHirm9nrxclfOm1Vc6vBbtVY0QWvDWPQBPdnciFuig44cbr8czl-xGk3IVoXajNOCFzqRTsu1qs3cl&sig=AHIEtbTFMnF_gGeckiD3-2hOvUja5VDcKQ>. [Consulta: 9 març 2013].

“Bacterias reductores neutralizan el uranio radioactivo” (2011). DESPERTARE – La revolución pacífica. [en línia]

http://teatrevesadespertar.wordpress.com/2011/09/08/bacterias-reductoras-neutralizan-el-uranio-radiactivo/ [consulta: 13 de març de 2013]

Dra. Diana L. Vullo (2003), Migroorganismos y metales pessados: Una interacción en beneficio del medio ambiente, [en línea]  
http://www.quimicaviva.qb.fcen.uba.ar/Actualizaciones/metales/metales.htm Química viva. Núm: 3; Vol: 2. [Consulta: 9 de març de 2013]

GUTIERREZ, R; TERRAZAS, S; et al. (2007) “Aislamiento y cultivo de bacterias sulfato reductoras acidófilas para la Producción de Sulfuro Biogénico para la precipitación de metales pesados” [en línia]

http://www.scielo.org.bo/scielo.php?pid=S1813-53632007000100002&script=sci_arttext

Área de biotecnologia. Universitad Mayor de San Andrés, La Paz – Bolívia. 

Herrera L; et al. “Opciones tecnológicas asociadas a las bacterias reductoras del sulfato” [en línia]

http://cabierta.uchile.cl/revista/5/azufre.htm. Universidad de Chile. [Consulta: 13 de març de 2013] 

Madigan, M T, Martinko, J M, Dunlap, P V & Clark, D P (2009). Brock biología de los microorganismos (12). Pearson Educación.

Monografias.com, Lixivición bacteriana o biolixivición [en línia] 

http://www.monografias.com/trabajos7/liva/liva.shtml [Consulta: 8 de març de 2013]

Soledad Vicente, M. (2006). “Uso de bacterias sulfato-reductoras inmobilizadas para la precipitación de metales pesados”. Universidad Nacional de La Plata.

http://sedici.unlp.edu.ar/bitstream/handle/10915/2191/Documento_completo.pdf?sequence=1.

[Consulta: 13 de març de 2013]