Biodegradación microbiana, La biodegradación aeróbica de contaminantes, Biodegradación anaerobia de contaminantes, La biodisponibilidad, la quimiotaxis, y el transporte de contaminantes, Biodegradación de aceite, Biodegradación Colesterol, Análisis de tratamiento biológico de residuos, Ingeniería metabólica y aplicaciones biocataliticas, Biodegradación por hongos

El interés en la biodegradación microbiana de los contaminantes se ha intensificado en los últimos años como la humanidad se esfuerza por encontrar formas sostenibles para limpiar ambientes contaminados. Estos métodos de biorremediación y biotransformación se esfuerzan por aprovechar el asombroso, natural capacidad del metabolismo de xenobióticos microbiana para degradar, transformar o acumular una gran variedad de compuestos como hidrocarburos, bifenilos policlorados, hidrocarburos aromáticos policíclicos, compuestos heterocíclicos, sustancias farmacéuticas, radionucleidos y metales. Avances metodológicos importantes en los últimos años han permitido genómico detallado análisis de alto rendimiento de metagenómica, proteómica, bioinformática y otros microorganismos de relevancia ambiental y proporciona información sin precedentes en vías de biodegradación clave y la capacidad de los organismos para adaptarse a las cambiantes condiciones ambientales.

La eliminación de una amplia gama de contaminantes y desechos del medio ambiente es un requisito indispensable para promover el desarrollo sostenible de nuestra sociedad y de bajo impacto ambiental. Los procesos biológicos juegan un papel importante en la eliminación de contaminantes y se aprovechan de la versatilidad catabólica asombrosa de microorganismos para degradar o convertir tales compuestos. Nuevos avances metodológicos en la secuenciación, la genómica, la proteómica, la bioinformática y las imágenes están produciendo grandes cantidades de información. En el campo de la microbiología ambiental, estudios globales basados en el genoma abren una nueva era sin precedentes en proporcionar vistas silico de las redes metabólicas y de regulación, así como pistas sobre la evolución de la degradación de las vías y de las estrategias de adaptación molecular a las cambiantes condiciones ambientales. Genómica funcional y enfoques metagenómica aumentan la comprensión de la importancia relativa de las diferentes vías y redes reguladoras a flujo de carbono en ambientes particulares como para compuestos particulares y ciertamente acelerar el desarrollo de tecnologías de biorremediación y los procesos de biotransformación.

La biodegradación aeróbica de contaminantes

La cantidad creciente de información genómica bacteriana ofrece oportunidades sin precedentes para la comprensión de las bases genéticas y moleculares de la degradación de los contaminantes orgánicos. Los compuestos aromáticos se encuentran entre los más recalcitrantes de estos contaminantes y las lecciones pueden ser aprendidas de los recientes estudios de genómica de Burkholderia xenovorans LB400 y Rhodococcus sp. cepa RHA1, dos de los genomas bacterianos más grandes completamente secuenciado hasta la fecha. Estos estudios han ayudado a ampliar nuestra comprensión del catabolismo bacteriano, adaptación fisiológica no catabólico de compuestos orgánicos, y la evolución de grandes genomas bacterianos. En primer lugar, las vías metabólicas de filogenéticamente diversas cepas son muy similares con respecto a la organización general. Por lo tanto, como se señaló inicialmente en pseudomonas, un gran número de "aromático periférica" vías de canalizar una serie de compuestos naturales y xenobióticos en un número limitado de "aromáticos" vías centrales. Sin embargo, estas vías se organizan genéticamente modas específicos de género, como lo demuestra el b-cetoadipato y las vías Paa. Estudios genómicos comparativos revelan, además, que algunas de estas vías son más extendida de lo que se pensaba inicialmente. Por lo tanto, las vías de Caja y Paa ilustran la prevalencia de la no-oxygenolytic estrategias de escisión de anillos aromáticos en los procesos de degradación aeróbicos. Estudios de genómica funcional han sido útiles en el establecimiento de que los organismos que albergan incluso un gran número de enzimas homólogas parecen contener algunos ejemplos de la verdadera redundancia. Por ejemplo, la multiplicidad de dioxigenasas anillo-cleaving en ciertos aislados rhodococcal se puede atribuir a la catabolismo aromático críptica de diferentes terpenoides y esteroides. Por último, los análisis han indicado que el flujo genético reciente parece haber jugado un papel más importante en la evolución de algunos grandes genomas, como LB400, del que otros. Sin embargo, la tendencia es que los grandes repertorios de genes de microorganismos degradadores de contaminantes potentes como LB400 y RHA1 han desarrollado principalmente a través de procesos más antiguos. Que esto es cierto en tales especies filogenéticamente diversa es notable y sugiere además el antiguo origen de esta capacidad catabólica.

Biodegradación anaerobia de contaminantes

Mineralización microbiana anaerobia de contaminantes orgánicos recalcitrantes es de gran importancia del medio ambiente e implica reacciones bioquímicas nuevos intrigantes. En particular, los hidrocarburos y los compuestos halogenados de largo han sido puesto en duda a ser degradables en ausencia de oxígeno, pero el aislamiento de bacterias anaerobias hasta ahora desconocidos de hidrocarburos que degradan y deshalogenación reductora durante las últimas décadas proporcionado prueba definitiva para estos procesos en la naturaleza. Muchas reacciones bioquímicas nuevos fueron descubiertos permitiendo las respectivas vías metabólicas, pero el progreso en la comprensión molecular de estas bacterias fue más lenta, ya que los sistemas genéticos no son fácilmente aplicables para la mayoría de ellos. Sin embargo, con la creciente aplicación de la genómica en el campo de la microbiología ambiental, una perspectiva nueva y prometedora es ahora a su alcance para obtener conocimientos moleculares en estas nuevas propiedades metabólicas. Varias secuencias del genoma completo se determinaron durante los últimos años a partir de bacterias capaces de la degradación anaerobia de contaminantes orgánicos. El ~ 4,7 Mb genoma de la facultativa desnitrificación Aromatoleum aromaticum cepa EbN1 fue el primero en determinar una degrader anaeróbica de hidrocarburos. La secuencia del genoma reveló unas dos docenas de grupos de genes que codifican para una red compleja catabólica para la degradación anaeróbica y aeróbica de compuestos aromáticos. La secuencia del genoma es la base de estudios detallados actuales sobre la regulación de las vías y las estructuras de las enzimas. Otros genomas de bacterias anaerobias que degradan hidrocarburos se completaron recientemente para la especie de hierro de reducción Geobacter metallireducens y el perclorato de reducción Dechloromonas aromatica, pero estos aún no son evaluados en las publicaciones oficiales. Genomas completos se determinaron para las bacterias capaces de degradación anaeróbica de hidrocarburos por halorespiration halogenados: los ~ 1,4 Mb genomas de Dehalococcoides ethenogenes cuelan 195 y Dehalococcoides sp. cepa CBDB1 y el ~ 5,7 Mb genoma de Desulfitobacterium hafniense cepa Y51 - Característica para todas estas bacterias es la presencia de múltiples genes parálogos para dehalogenases reductivas, que implican a un espectro más amplio deshalogenante de los organismos que se sabía anteriormente. Por otra parte, las secuencias del genoma aportaron conocimientos sin precedentes sobre la evolución de deshalogenación reductora y las diferentes estrategias de nicho de adaptación.

Recientemente, se ha hecho evidente que algunos organismos, incluyendo chlororespirans Desulfitobacterium, originalmente evaluados para halorespiration en clorofenoles, también pueden utilizar ciertos compuestos bromados, tales como el herbicida bromoxinil y su metabolito principal como aceptores de electrones para el crecimiento. Compuestos yodados pueden ser deshalogenado así, aunque el proceso no puede satisfacer la necesidad de un aceptor de electrones.

La biodisponibilidad, la quimiotaxis, y el transporte de contaminantes

La biodisponibilidad, o la cantidad de una sustancia que es physiochemically accesibles a los microorganismos es un factor clave en la biodegradación eficiente de contaminantes. O'Loughlin et al. mostraron que, con la excepción de arcilla caolinita, la mayoría de las arcillas del suelo y resinas de intercambio catiónico atenuada biodegradación de 2-picolina por Arthrobacter sp. la cepa R1, como resultado de la adsorción del sustrato a las arcillas. La quimiotaxis, o el movimiento dirigido de los organismos móviles hacia o lejos de los productos químicos en el medio ambiente es una importante respuesta fisiológica que pueden contribuir al catabolismo eficaz de las moléculas en el medio ambiente. Además, los mecanismos de la acumulación intracelular de moléculas aromáticas a través de diversos mecanismos de transporte también son importantes.

Biodegradación de aceite

Aceite de petróleo contiene compuestos aromáticos que son tóxicos para la mayoría de las formas de vida. Contaminación episódica y crónica del medio ambiente por el petróleo causa importantes perturbaciones ecológicas. Entornos marinos son especialmente vulnerables ya que los derrames de petróleo de las regiones costeras y el mar abierto están poco controlable y mitigación es difícil. Además de la contaminación a través de las actividades humanas, alrededor de 250 millones de litros de petróleo entran en el medio marino cada año de filtraciones naturales. A pesar de su toxicidad, una considerable fracción de aceite de petróleo entren en los sistemas marinos se elimina por las actividades hidrocarburíferas degradantes de las comunidades microbianas, en particular por parte de un notable grupo recién descubierto de especialistas, las denominadas bacterias hidrocarbonoclásticas. Alcanivorax borkumensis fue la primera HCB tener su genoma secuenciado. Además de hidrocarburos, petróleo crudo a menudo contiene varios compuestos heterocíclicos, tales como piridina, que parecen ser degradados por similar, aunque los mecanismos separados de los hidrocarburos.

Biodegradación Colesterol

Muchos compuestos steroidic sintéticos como algunas hormonas sexuales aparecen con frecuencia en aguas residuales municipales e industriales, en calidad de agentes contaminantes del medio ambiente con fuertes actividades metabólicas que afectan negativamente a los ecosistemas. Dado que estos compuestos son fuentes de carbono comunes para muchos microorganismos diferentes su mineralización aerobia y anaerobia ha sido ampliamente estudiado. El interés de estos estudios radica en las aplicaciones biotecnológicas de las enzimas transforman esterol para la síntesis industrial de las hormonas sexuales y corticoides. Muy recientemente el catabolismo del colesterol ha adquirido una gran importancia, ya que está implicada en la infectividad de Mycobacterium tuberculosis.

Análisis de tratamiento biológico de residuos

El desarrollo sostenible requiere la promoción de la gestión ambiental y la búsqueda constante de nuevas tecnologías para el tratamiento de grandes cantidades de residuos generados por el aumento de las actividades antropogénicas. Biotratamiento, el tratamiento de residuos utilizando organismos vivos, es una alternativa respetuosa del medio ambiente, relativamente simple y rentable para fisicoquímicas opciones de limpieza. Ambientes confinados, tales como biorreactores, han sido diseñados para superar los factores biológicos limitantes de procedimientos de tratamiento biológico física, química y en los sistemas altamente controladas. La gran versatilidad en el diseño de ambientes confinados permite el tratamiento de una amplia gama de residuos bajo condiciones optimizadas. Para realizar una evaluación correcta, es necesario tener en cuenta diversos microorganismos que tienen una variedad de genomas y transcripciones y proteínas expresadas. A menudo se requiere un gran número de análisis. Utilizando técnicas genómicas tradicionales, tales evaluaciones son limitados y que consume tiempo. Sin embargo, varias técnicas de alto rendimiento desarrollados originalmente para estudios médicos se pueden aplicar para evaluar biotratamiento en entornos confinados.

Ingeniería metabólica y aplicaciones biocataliticas

El estudio del destino de los productos químicos orgánicos persistentes en el medio ambiente ha revelado un gran reservorio de reacciones enzimáticas con un gran potencial en la síntesis orgánica preparativa, que ya ha sido explotada para un número de oxigenasas en piloto e incluso a escala industrial. Catalizadores según la invención se pueden obtener a partir de bibliotecas metagenomic y enfoques basados en la secuencia del ADN. Nuestras capacidades crecientes en la adaptación de los catalizadores para reacciones específicas y los requisitos del proceso de mutagénesis racional y aleatoria amplía las posibilidades de aplicación en la industria química fina, sino también en el campo de la biodegradación. En muchos casos, estos catalizadores necesitan ser explotados en bioconversiones de células enteras o en fermentaciones, para llamar a todo el sistema de enfoques a la fisiología y metabolismo de la cepa de comprensión y enfoques racionales a la ingeniería de células enteras a medida que se ponen cada vez más hacia adelante en el área de los sistemas la biotecnología y la biología sintética.

Biodegradación por hongos

En el ecosistema, diferentes sustratos son atacados a diferentes velocidades por consorcios de organismos de diferentes reinos. Aspergillus y otros hongos juegan un papel importante en estos consorcios, ya que son expertos en almidones de reciclaje, hemicelulosas, pectinas, celulosas y otros polímeros de azúcar. Algunos Aspergillus son capaces de compuestos más refractarios degradantes tales como grasas, aceites, quitina, y queratina. Descomposición máxima se produce cuando hay suficiente nitrógeno, fósforo y otros nutrientes inorgánicos esenciales. Los hongos también sirven de alimento para muchos organismos del suelo.

Para Aspergillus el proceso de degradación es el medio de obtención de nutrientes. Cuando estos moldes degradan sustratos artificiales, el proceso generalmente es llamado biodeterioro. Tanto el papel y los textiles son particularmente vulnerables a la degradación de Aspergillus. Nuestro patrimonio artístico también está sujeto a asalto Aspergillus. Para dar sólo un ejemplo, después de Florencia, en Italia inundada en 1969, el 74% de los aislados de un fresco de Ghirlandaio dañado en la iglesia de Ognissanti fueron Aspergillus versicolor.