Implicación de las plantas y metaloproteínas microbianas en la biorremediación de aguas contaminadas

Angélica Maria Hernandez

Tatiana Salamanca

Universidad el Bosque

Bioingenieria

VIII Semestre

Resumen de artículo de revisión

Implicación de las plantas y metaloproteínas microbianas en la biorremediación de aguas  contaminadas

Autores
 E. Fosso-Kankeu, A.F. Mulaba-Bafubiandi

La contaminación producida por metales pesados debido a las malas prácticas en la industria es una de las mayores preocupaciones de las entidades ambientales. Dada esta problemática se han desarrollado diferentes alternativas de solución, entre las cuales se encuentran el uso de plantas y microorganismos capaces de absorber metales pesados.

Ciertos microorganismos y plantas pueden adsorber, acumular y resistir metales pesados; estas propiedades dependen de la síntesis de la unión metal-proteína (metaloproteína). Las metaloproteínas regulan la cantidad de metales presentes dentro de la célula por medio del transporte de metales. Este proceso se realiza por medio de la unión del metal con un receptor proteico apropiado, según informes, los metales pesados se unen preferiblemente con Glu y Asp y los metales blandos tienden a unirse con Cys y His. Con los actuales avances tecnológicos, se han desarrollado bacterias y plantas con mejor capacidad de adsorber metales por medio del diseño de  metaloproteínas de mayor especificidad y selectividad.

Para el desarrollo de mejores procesos de biorremediación es necesaria la comprensión de los mecanismos de bioacumulación y biosorción de metales pesados, realizados por las plantas y microorganismos.

Plantas involucradas en la remoción de metales pesados en aguas residuales

Subproductos agrícolas como biosorbentes

Son utilizados para procesos de remediación de fuentes de agua contaminadas por metales pesados debido a su abundancia, a su bajo costo y su fácil adquisición .El potencial de adsorción de los subproductos se da debido a la presencia de proteínas, polisacáridos y lignina los cuales tienen grupos funcionales que son los responsables de la absorción de iones metálicos. La unión de metales pesados con los subproductos agrícolas se presenta debido a interacciones electrostáticas entre partículas.

Algunos ejemplos del uso de subproductos agrícolas como biosorbentes:

• Hojas de té en solución  para eliminar Plomo, Hierro, Zinc y Níquel de aguas contaminadas, con una esta capacidad de adsorción de da debido a la presencia de grupos funcionales cargados y polares en la superficie de la proteína y compuestos fenólicos. El grupo carboxilo está implicado en la unión con el Plomo y el Hierro, el grupo amino está involucrado en la unión con el Níquel y el Zinc.
• Cascaras de avellanas secas y molidas para la adsorción de Ni (II), Cd (II) y Pb (II). Este proceso se rige por medio de un intercambio iónico que implica la unión del ion metálico divalente a grupos hidroxilo y oxilo  produciendo la liberación de dos iones de Hidrogeno.
• Cascara de naranja que presenta un alto potencial de adsorción de Níquel debido la presencia de grupos carboxilo e hidroxilo (principales grupos funcionales que participan en la adsorción de metales) y al alto contenido de celulosa, pectina, hemicelulosa y lignina.

La fitorremediación

Técnica que usa las plantas para limpiar suelos y aguas contaminadas por sustancias peligrosas. Existen diferentes formas de realizar fitoremediación:

• Fitodegradación: uso de plantas para convertir contaminantes orgánicos en formas no toxicas.
• Fitovolatización: proceso por el cual se extraen contaminantes del suelo por medio de plantas que son capaces de transformar los contaminantes en sustancias volátiles seguras.
• Fitoextracción : se refiere a la adsorción de contaminantes (metales pesados y radionúclidos)  de aguas y suelos contaminados

• Fitoacumulación: es el almacenamiento de contaminantes en los tejidos vegetales aprovechables

Este trabajo se centra en el proceso de fitoextracción como técnica  para la eliminación de contaminantes de metales pesados ​​en el suelo y el agua, debido a que es una técnica económica pues solamente requiere de las condiciones normales para un cultivo convencional. Estas plantas Ellos tienen la capacidad de adsorber metales como Calcio, Magnesio, Hierro, Zinc, Manganeso, Níquel y Cobre del medio ambiente.

Las plantas no acumuladoras solo absorben estrictamente la cantidad requerida de metales nutritivos en cambio las plantas hiperacumuladoras pueden acumular una alta concentración de metales esencial y metales pesados como el Cadmio, Plata, Cromo, Cobalto, Selenio, Mercurio y Plomo. Los hiperacumuladores se pueden seleccionar para el desarrollo de la vegetación en los sitios contaminados con el fin de  eliminar los metales pesados ​​tóxicos. La  familias de plantas hiperacumuladoras ya identificadas son: Brassicaceae, Fabaceae, Euphorbiaceae, Asteraceae, Lamiaceae y Scrophulariaceae.

El mejor hiperacumulador es el Thlaspi caerulescens también conocido como carraspique alpino, que puede acumular hasta 26.000 mg / kg Zn y hasta 22% de Cd en el suelo de un sitio contaminado.

El uso de microorganismos en biorremediación de metales pesados

Los hongos, levaduras, algas y bacterias tanto Gram-positivos y negativos son utilizados para la absorción de metales. Su potencial de adsorción se le atribuye a su alta superficie y volumen además de su alto contenido de sitios de quimosorción.

Algunos microorganismos utilizados en biorremediación:

BACTERIAS

• El género Bacillus y Pseudomonas son los bacterias utilizan con frecuencia y que han demostrado una alta adsorción capacidades de los metales como el Co2 +, Ni2 +, Zn2 + y Pb2.

HONGOS

• Las paredes celulares de los hongos son ricas en polisacáridos y glicoproteínas que contiene un número de grupos funcionales que permiten la unión de metales tales como el grupo amina, imidazol, fosfato, sulfato, sulfhidrilo e hidroxilo.
• El más importante biosorbente levadura es Saccharomyces cerevisiae.

ALGAS

• Contienen celulosa y los xilanos en sus paredes celulares, pero sólo las algas marrones tienen ácido algínico, que está presente en la forma de gel y responsable de la unión del metal.
• El género Sargassum de algas pardas debido a su alto contenido de alginato  tiene un  buen rendimiento en la sorción de metales.

Mecanismo de biosorción

Implican variedad de interacciones fisicoquímicas tales como:

• Las interacciones iónicas: La estructura de la pared celular microbiana determina la densidad de carga así mismo establece la capacidad de unirse con un metal, el género Bacillus con una importante densidad de carga negativa tiene mayor capacidad para obligar a los metales. La pared celular microbiana contiene ácidos carboxílicos, fosfodiéster, sulfato de éster e hidroxilo grupos que aumentan la probabilidad de unión con cationes metálicos.
• Mecanismo de complejación:  implica la inmovilización de  especies de metales en solución por medio de  ligandos.
• La quelación es el proceso de transformación de una estructura de anillo de un átomo de metal, después de la donación de electrones al átomo por un grupo funcional abarcado en moléculas orgánicas. El uso de agentes quelantes permiten la formación de complejos estables debido a que reconocen iones metálicos en más de un lugar.
• Grupos funcionales como el amino y carboxilo además del  nitrógeno y oxígeno de los enlaces peptídicos pueden interaccionar con iones metálicos como el Plomo (II), Cobre (II) o Cromo (IV).
• Los metales pueden ser oxidados o reducidos por microorganismos durante procesos de oxidación-reducción.
• Precipitación en biosorción: normalmente sucede cuando los metales se  unen a sustancias poliméricas extracelulares, producidas por procariotas y microorganismos eucariotas, tales como: polisacáridos,  glucoproteína, lipopolisacárido, péptido soluble, manano  y quitina, se pueden producir complejos que adsorben iones metálicos debido a los grupos funcionales aniónicos presente.

Mecanismos de  bioacumulación.

Este mecanismo depende de la energía utilizada para que los metales sean transportados activamente a través de la membrana celular y sean acumulados dentro de la célula por medio de vacuolas o como partículas sólidas.

• Los metales esenciales pueden ser objeto de regulación ya sea mediante la limitación de la absorción total a nivel de la concentración total del cuerpo o mediante la participación de las estrategias de acumulación por medio del almacenamiento del exceso del metal.
• Los metales no esenciales son almacenados cuando hay exceso, el valor de concentración de metales en el interior de la célula aumenta con la elevación de la concentración externa.

Metaloproteinas contribución en la fitorremediación

Las plantas como respuesta a niveles tóxicos de metales pesados sintetizan vinculantes (ligandos quelantes de metales) tales como las metalotioneínas y fitoquelatinas, generando resistencia al estrés de quelación y al secuestro de metales en la vacuola. Las metaloproteínas pueden ser expresadas por las plantan espontáneamente o como respuesta al estrés.

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