Las aplicaciones de hidrocarburos aromáticos son relevantes para los estudiantes de ciencias biológicas.
1. La biodegradación se refiere al proceso de descomposición de compuestos complejos bajo la acción de la biocatálisis. En el proceso de degradación del petróleo, los microorganismos primero producen enzimas catabólicas a través de su propio metabolismo para descomponer los hidrocarburos pesados y el petróleo crudo y reducir la viscosidad del petróleo. Además, durante su crecimiento y reproducción, pueden producir solventes, ácidos, gases, surfactantes, biopolímeros y otros compuestos efectivos que son beneficiosos para el desplazamiento del petróleo, y luego otros microorganismos los oxidan y descomponen en pequeñas moléculas para lograr el propósito de degradación.
2. Las bacterias degradantes más importantes del océano pertenecen a las bacterias Achromobacter, Acinetobacter, Alcaligenes, Arthrobacter, Bacillus, Flavobacterium, Corynebacterium, Microbacterium, Micrococcus y Pseudomonas, Actinomycetes y Nocardia. En la mayoría de los ambientes marinos, estas bacterias son las bacterias degradantes dominantes. Entre los hongos, Aureobasidiomycetes, Candida, Rhodotorula e Hyphospora son las bacterias degradantes de hidrocarburos marinos más comunes. Algunos hongos filamentosos como Aspergillus, Mucor, Fusarium y Penicillium también deben clasificarse como bacterias marinas degradantes. Además de las bacterias mencionadas anteriormente, las principales bacterias degradantes del suelo incluyen micobacterias y una gran cantidad de hongos filamentosos. Algunas especies de Aspergillus y Penicillium se encuentran tanto en ambientes marinos como en suelos. Algunas especies de Trichoderma y Mortierella son bacterias que degradan el suelo.
3. La clave para controlar la contaminación por petróleo es la degradación de los hidrocarburos. Según las características estructurales químicas de los hidrocarburos, las vías de degradación de los hidrocarburos se dividen principalmente en dos partes: la vía de degradación de los hidrocarburos de cadena y la vía de degradación de los hidrocarburos aromáticos. Hay tres modos principales de degradación de los alcanos lineales: oxidación terminal, oxidación subterminal y oxidación omega. Además, los alcanos a veces pueden formar alquenos bajo la acción de la deshidrogenasa y luego formar alcoholes en el doble enlace para un mayor metabolismo. En cuanto a la ruta de degradación de los hidrocarburos aromáticos, primero se convierten en catecol o sus derivados en condiciones aeróbicas y luego se degradan aún más. Por tanto, el paso clave en la degradación bacteriana y fúngica es el proceso de oxidación del sustrato por oxidasas, que requiere la participación de oxígeno molecular.
El mecanismo específico es el siguiente:
1. Bajo la acción de la n-alcano oxidasa, los n-alcanos se convierten primero en ácidos carboxílicos y luego se degradan profundamente mediante β-oxidación. para generar dos unidades de carbono de ácidos grasos de cadena corta y acetil-CoA, y libera CO2. La N-alcano oxidasa es una dioxigenasa que cataliza la conversión de n-alcanos en hidroperóxidos de n-alcano. Esta reacción requiere O2 pero no NAD(P)H. Los alcanos también se pueden convertir primero en cetonas, pero esta no es la forma principal de metabolismo. Las olefinas multiramificadas se convierten principalmente en ácidos dicarboxílicos y luego se degradan, y los grupos metilo afectan la hidrólisis. La fórmula química es la siguiente:
2. La degradación de los cicloalcanos requiere la oxidación coordinada de dos oxidasas. Una oxidasa primero lo oxida a un alcohol cíclico y luego lo deshidrogena para formar una cetona cíclica. Otra oxidasa oxida la cetona cíclica nuevamente, y el anillo se rompe y luego se degrada profundamente. La fórmula química es la siguiente:
3. Los hidrocarburos aromáticos generalmente se alquilan para formar dioles, los anillos se rompen y el catecol se degrada en productos intermedios de los anillos de ácido tricarboxílico. Tanto los hongos como los microorganismos pueden oxidar sustratos aromáticos que van desde el benceno hasta el benzantraceno. Inicialmente, las bacterias combinan los dos átomos de oxígeno molecular en el sustrato mediante la catálisis de la dioxigenasa, oxidando así los hidrocarburos aromáticos en dihidrodifenoles en la configuración cis. El cis-2-dihidrodifenol se oxida aún más a catecol, que se escinde adicionalmente de forma oxidativa bajo la acción de otra dioxigenasa que cataliza la escisión de anillos aromáticos. A diferencia de las bacterias, los hongos oxidan los hidrocarburos aromáticos a trans-2-dihidrodifenoles catalizados por monooxigenasas e hidrolasas cíclicas. (La degradación de la naftaleno se utiliza como ejemplo a continuación) Los hongos degradan los hidrocarburos del petróleo en trans-dioles, mientras que casi todas las bacterias los degradan en cis-dioles (muchos trans-dioles son carcinógenos potenciales, mientras que los cis-dioles no son tóxicos).
La fórmula química es la siguiente:
La siguiente tabla la resume brevemente:
Procesos y productos de degradación específicos de diversos hidrocarburos
Alcanos normales Alcanos normales →Ácido carboxílico →Ácido graso de cadena corta de dos unidades de carbono + acetil coenzima A + CO2.
Alquenos Alquenos→Ácidos dicarboxílicos
Cicloalcanos Cicloalcanos→Alcoholes cíclicos→Cetonas cíclicas
Hidrocarburos aromáticos→Dioles→Catecol→Ácidos tricarboxílicos Intermedios de anillo ácido
Se puede ver de lo anterior que la degradación de ciertos químicos refractarios por microorganismos se completa mediante la catálisis de una serie de oxidasas. En la naturaleza, este proceso suele completarse mediante la acción coordinada de varios microorganismos y la velocidad es relativamente lenta. Para ampliar el alcance de los sustratos de degradación microbiana, mejorar la eficiencia de la degradación y mineralizar completamente estos productos químicos refractarios, debería ser posible construir nuevas cepas funcionales utilizando la transferencia de partículas degradables naturales. Las partículas degradables se refieren a un tipo de plásmido que codifica ciertas vías metabólicas químicas. Por ejemplo, para eliminar la contaminación por derrames de petróleo en el mar, Chakraany et al en los Estados Unidos transfirieron la combinación de cuatro partículas de degradación de CAM, OCT, XAL y Nah de diferentes cepas de Pseudomonas en una sola cepa, construyendo un sistema que puede degradan simultáneamente hidrocarburos aromáticos e hidrocarburos aromáticos policíclicos, hidrocarburos terpénicos e hidrocarburos alifáticos, "superbacterias multiplasmídicas". Las bacterias pueden reducir una mancha de petróleo que a las bacterias naturales les tomaría más de un año eliminar en solo unas pocas horas.
4. En el medio natural, la capacidad y velocidad de los microorganismos para degradar los hidrocarburos del petróleo están estrechamente relacionadas con su entorno.
1. Los hidrocarburos líquidos del petróleo formarán una interfaz agua-petróleo en el agua. Los microorganismos degradan los hidrocarburos en esta interfaz agua-petróleo. La tasa de degradación está estrechamente relacionada con el área de la interfaz agua-petróleo. Es el emulsionante que puede producir bioemulsionantes, aumentar el área de interfaz agua-aceite y promover la degradación de hidrocarburos por microorganismos.
2. La degradación microbiana de los hidrocarburos del petróleo puede ocurrir en un amplio rango de temperaturas, y los microorganismos que degradan los hidrocarburos del petróleo existen en ambientes que oscilan entre 0°C y 70°C. La mayoría de los microorganismos pueden degradar fácilmente los hidrocarburos del petróleo a temperatura ambiente, pero algunos hidrocarburos del petróleo de bajo peso molecular que son tóxicos para los microorganismos son difíciles de volatilizar a bajas temperaturas e inhibirán la degradación de los hidrocarburos del petróleo hasta cierto punto. Difícil degradar a bajas temperaturas.
3. La mayoría de los hidrocarburos del petróleo se degradan en condiciones aeróbicas, porque la degradación de muchos hidrocarburos requiere oxigenasas y oxígeno molecular. Sin embargo, algunos hidrocarburos pueden degradarse en condiciones anaeróbicas.
4. Las fuentes de nitrógeno y las fuentes de fósforo a menudo se convierten en factores limitantes para la degradación microbiana de los hidrocarburos. En el agua natural, también está restringido agregar fuentes de nitrógeno y fósforo solubles en agua para promover la degradación de los hidrocarburos del petróleo, porque las fuentes limitadas de nitrógeno y fósforo están altamente diluidas en agua y no pueden sustentar el crecimiento de microorganismos.
5. La degradación microbiana de los hidrocarburos del petróleo generalmente se produce a pH neutro y los entornos con pH extremo no favorecen el crecimiento microbiano.
Su eficiencia y calidad dependen también de la cantidad, tipo y estado de los hidrocarburos del petróleo. Por ejemplo, Chaineau et al. utilizaron microorganismos para tratar suelos contaminados con hidrocarburos de petróleo. Después de 270 días, se encontró que el 75% del petróleo crudo estaba degradado. Entre los hidrocarburos saturados, los n-alcanos y los alcanos de cadena ramificada se degradaron casi por completo en 16 días; el 22% de los naftenos no se degradaron; el 71% de los hidrocarburos aromáticos fueron asimilados y los asfaltenos, que representaron el 10% del peso total del crudo; aceite, quedaron completamente retenidos. En términos generales, la capacidad relativa de varios hidrocarburos del petróleo para ser degradados por microorganismos es la siguiente: hidrocarburos saturados > hidrocarburos aromáticos > gomas y asfaltos. Entre los hidrocarburos saturados, los alcanos de cadena lineal son los que se degradan más fácilmente; entre los hidrocarburos aromáticos, los compuestos bicíclicos y tricíclicos se degradan fácilmente, mientras que los hidrocarburos aromáticos que contienen cinco o más anillos son difíciles de degradar por los microorganismos. La goma y el asfalto son extremadamente difíciles de degradar por los microorganismos.
Conclusión: Aunque los microorganismos pueden degradar el petróleo, no existe un método eficaz para degradarlo completamente en un corto período de tiempo. Por lo tanto, la investigación sobre la degradación microbiana del petróleo aún tiene un largo camino por recorrer. Pero con el mayor desarrollo de los proyectos modernos de microbiología y genoma, el descubrimiento de más especies microbianas y la aplicación de la biotecnología, ¡el problema de la contaminación por petróleo se resolverá de manera más efectiva!
Referencia: “Soil and Environmental Microbiology” editado por Chen Wenxin.
Avance de la investigación sobre la degradación de contaminantes orgánicos por parte de Tian Lei y otros microorganismos.
Biodegradación de contaminantes Zhu Huailan, Zhang Tong, Jin Zhigang
Se enriquecieron y aislaron 12 cepas de bacterias altamente eficientes que degradan el petróleo del suelo y el agua contaminados con petróleo. de una sola cepa es 40,3% ~ 57,6%, entre las cuales las cepas O-8-3, O-28-2 y O-46 pueden tolerar una temperatura de 40°C y una salinidad del 1,5%. Estas tres cepas son Pseudomonas spp.
, Bacillus spp. y Acinetobacter spp. En comparación con la cepa única O-8-3, la tasa de degradación del petróleo de la cepa mixta O-8-3/O-28-2/O-46 se puede aumentar en un 20,1. Los resultados experimentales de la inoculación en laboratorio de cepas mixtas de O-8-3/O-28-2/O-46 para tratar las aguas residuales de la producción de petróleo del campo petrolífero de Shengli mostraron que la tasa de degradación de los contaminantes del petróleo alcanzó el 96,9% en 72 horas, lo que fue más alto que eso. de inoculación de flora bacteriana natural 60,7%.
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