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MICROORGANISMOS Y METALES PESADOS: UNA INTERACCIÓN EN BENEFICIO DEL MEDIO AMBIENTE
Recibido 30 de octubre de 2003/ Aceptado 12 de noviembre de 2003
Dra. Diana L. Vullo*
La
acumulación de desechos, sobre todo en áreas urbanas, genera la
dispersión de gran diversidad de compuestos en suelos, aguas superficiales
y aire, con la consecuente filtración de los mismos hacia las aguas
subterráneas: los acuíferos que constituyen la reserva de agua potable.
¿Cómo solucionamos el problema generado por la dispersión de
contaminantes en el medio ambiente? La respuesta es lo que llamamos
remediación. Para definir este término podemos decir que es el uso
intencional de procesos de degradación químicos o biológicos para
eliminar sustancias contaminantes ambientales que han sido vertidos con
conocimiento o accidentalmente en el medio ambiente. Los procesos de
remediación pueden efectuarse in situ, o sea en el mismo lugar donde ha
ocurrido el derrame, o bien ex situ, separando la porción contaminada y
trasladándola a un reactor. Tal es el caso de efluentes industriales o
domiciliarios que se tratan previamente al vertido al medio ambiente.
Cuando escuchamos la radio, usamos una linterna, arrancamos el motor de
nuestro automóvil, nunca pensamos que todos estos elementos contienen
metales pesados. ¿Somos conscientes del destino que corren cuando se
descarten? ¿Sabemos qué ocurre cuando tiramos apenas una pila a la basura?
¿Cuál es el destino de los metales pesados durante la fabricación de
pilas y baterías y en otros procesos industriales?
Las actividades industriales generan una contaminación a gran escala con
metales pesados (Cu, Zn, Pb, Cd, Cr, Ni, Hg, Co, Ag, Au) y radionuclidos (U,
Th) en el medio ambiente. En el caso particular de los suelos, suelen
afectar la fertilidad y/o el uso posterior de los mismos, mientras que en el
caso de los acuíferos y aguas superficiales, pueden comprometer seriamente
el uso de este recurso como fuente de agua para el consumo humano. La
remediación de estos ambientes contaminados mediante la utilización de
métodos químicos involucra procesos de costos excesivamente altos debido a
la especificidad requerida. Además, este tipo de solución no es aplicable
en procesos de remediación in situ, ya que es imposible tratar un metal
determinado debido a la competencia existente por la presencia de otros. La
aplicación de métodos de remediación efectivos depende del conocimiento
de los factores hidrológicos y geológicos del sitio, la solubilidad y
especiación de los metales pesados, los procesos de atenuación e
inmovilización y la medida en que los metales puedan dispersarse tanto
horizontal como verticalmente a medida que migran por el suelo. Por otra
parte, la utilización de métodos biológicos para remediar un ambiente
contaminado (biorremediación) ofrece una alta especificidad en la remoción
del metal de interés con flexibilidad operacional, tanto en sistemas in
situ como ex situ.
IMPACTO AMBIENTAL
El impacto ambiental de los contaminantes metálicos en suelos y sedimentos
es estrictamente dependiente de la capacidad de complejamiento de éstos con
componentes del medio ambiente y su respuesta a las condiciones
fisicoquímicas y biológicas de su entorno. Los metales son especies
químicas no degradables. Por tal motivo, una vez volcados al medio
ambiente, sólo pueden distribuirse entre los entornos aire - agua - suelo,
a veces cambiando su estado de oxidación, o incorporarse a los seres vivos.
Los procesos de adsorción y la formación de complejos en medios naturales
son responsables de que la mayor parte de los vestigios de metales pesados
se acumulen en los sólidos en suspensión, incorporándose rápidamente a
los sedimentos, donde se presentan los mayores niveles de concentración de
estos contaminantes. Como resultado de estas interacciones, los sedimentos
juegan un papel muy importante en la regulación de la calidad del agua. Por
su parte, las aguas intersticiales, en contacto directo con los sedimentos,
actúan como fuente o sumidero de estos contaminantes y en ellas se observan
concentraciones intermedias entre las aguas superficiales y los sedimentos
(5, 11, 14, 16)
BIODISPONIBILIDAD
La toxicidad de los metales pesados es muy alta. Su acción directa sobre
los seres vivos ocurre a través del bloqueo de las actividades biológicas,
es decir, la inactivación enzimática por la formación de enlaces entre el
metal y los grupos -SH (sulfhidrilos) de las proteínas, causando daños
irreversibles en los diferentes organismos. Para que los metales pesados
puedan ejercer su toxicidad sobre un ser vivo, éstos deben encontrarse
disponibles para ser captados por éste, es decir que el metal debe estar
biodisponible. El concepto de biodisponibilidad se encuentra íntimamente
relacionado con las condiciones físicoquímicas del ambiente, que
determinan la especiación y por lo tanto la concentración de metal libre y
lábil. Por ello es fundamental al determinar el grado de contaminación por
metales pesados de un ambiente, conocer su biodisponibilidad, es decir, la
concentración de metal libre y lábil presente en la muestra (3, 15, 17,
22, 24).
Los métodos electroquímicos permiten determinar la especiación de un
metal y analizar la disponibilidad del mismo en diferentes ambientes. En
particular la aplicación de las técnicas de Voltamperometría de
Preconcentración (4, 8, 9) que permiten evaluar la existencia de complejos
entre el metal y ligandos presentes en el medio ambiente natural y la
labilidad de los mismos. Por medio de las curvas de intensidad de corriente
registrada en una muestra en función del potencial aplicado a la misma, se
evidencia la presencia de metales a través de la aparición de picos, cuyas
áreas y alturas son proporcionales a las concentraciones de los mismos en
estado libre en esas condiciones de lectura. Las Figuras 1.A., 1.B y 1.C (6)
muestran una serie de voltamperogramas realizados en nuestro laboratorio de
Electroquímica, para muestras naturales de aguas subterráneas (Figura
1.A), intersticiales (Figura 1.B) y superficiales (Figura 1.C), con y sin
tratamiento de destrucción fotoquímica de materia orgánica de manera de
eliminar todo ligando presente, en las cuales se evaluó la presencia de Cu,
Cd, Pb y Zn.
Se ve claramente como cambia el perfil de las muestras antes y después de la destrucción de ligandos de origen orgánico, como consecuencia de la liberación de metales de sus complejos estables. Es decir que en toda muestra natural la concentración de metal total se halla alejada de la disponible y ese alejamiento se debe al complejamiento existente con los componentes naturales de la muestra.
TRANSFORMACIONES MEDIADAS POR MICROORGANISMOS
Todas las interacciones entre los microorganismos y los metales u otros
elementos como carbono, nitrógeno, azufre y fósforo son componentes
fundamentales del ciclos biogeoquímicos. Las interacciones metal-microbiota
son estudiadas entonces en profundidad en el contexto de la biotecnología
ambiental, con el objeto de implementar métodos de remoción, recuperación
o detoxificación de metales pesados y radionúclidos (10, 20, 21, 30) .
Dependiendo del estado de oxidación que se presente un metal y la especie
que esté conformando, un microorganismo puede realizar dos transformaciones
posibles. Una correspondería a la movilización del metal, es decir el
pasaje de un estado insoluble inicial (metales asociados a suelos, sulfuros
u óxidos metálicos, por ejemplo) correspondiente a una fase sólida, a un
estado soluble final, en fase acuosa. Este proceso se conoce con el nombre
de lixiviación microbiana. El otro corresponde a la inmovilización del
metal, es decir el pasaje de un estado soluble inicial en fase acuosa a uno
insoluble final en fase sólida. A su vez existen en la naturaleza
diferentes mecanismos por los cuales la inmovilización del metal puede
llegar a ocurrir. Veamos entonces un poco más en detalle estas
interacciones metales pesados-microorganismos.
MOVILIZACIÓN DE LOS METALES PESADOS
Biolixiviación
Este mecanismo de solubilización es utilizado en la industria minera. Por
intermedio de la acción microbiana, los metales presentes en los minerales
resultan extraídos en fase acuosa. Tal es el caso de la obtención de Cu
por la oxidación de las menas de Cu2S (calcocita) a CuSO4 por intermedio de
la acción de las bacterias Thiobacillus ferroxidans y Thiobacillus
thiooxidans [Figura 2, (23)].
Desde el punto de vista de la biorremediación, el biolixiviado puede utilizarse dentro de la perspectiva de la hidrometalurgia, recuperando metales a partir de materiales sólidos contaminados como suelos, cenizas resultantes de quema de desechos, sedimentos acuáticos, etc. Este proceso se ha aplicado con éxito utilizando bacterias oxidadoras del hierro o sulfuros, como Thiobacillus ferroxidans o Thiobacillus thiooxidans, respectivamente, en la recuperación de Cu, Ni, Zn y Cd, tanto en condiciones aerobias como anaerobias, ya que estos microorganismos pueden utilizar el catión Fe3+ como último aceptor de electrones en lugar del O2 (2). Las bacterias del género Thiobacillus son microorganismos acidófilos, es decir, requieren un pH = 2,5 para crecer en condiciones óptimas, lo cual resulta adecuado para mantener a los metales en solución, sobre todo al Fe3+. Con valores de pH mayores a 5,5, estos microorganismos no se desarrollan, por lo tanto la lixiviación no sería efectiva. Pero como era de esperar, existen otros microorganismos en la naturaleza capaces de lograr una solubilización efectiva de metales tales como Mn, Fe, Zn, Cd y Pb a pH mayores a través un mecanismo diferente. Se ha comprobado que este mecanismo ocurre a través de la liberación de compuestos orgánicos capaces de complejar y así solubilizar metales, tales como ácidos carboxílicos o los compuestos llamados sideróforos (10, 20, 21). Algunos hongos como Trichoderma harzianum pueden solubilizar MnO2, Fe2O3 y Zn metálico mediante la liberación de agentes quelantes. Ralstonia eutropha (Alcaligenes eutrophus) es una bacteria capaz de acumular metales pesados, previa solubilización de los mismos mediante la liberación de sideróforos. Los sideróforos son péptidos con capacidad complejante que son liberados al medio con el objeto de captar Fe, que es utilizado como oligoelemento dentro del metabolismo celular. La biosíntesis de sideróforos, si bien se induce en ausencia de Fe en el medio, también ocurre en presencia de otros metales, con el fin de detoxificar el entorno celular (7, 12, 31). Otro caso interesante resulta la utilización de una combinación de la solubilización microbiana del Pb de la piromorfita, Pb5(PO4)3Cl, mediada por el hongo Aspergillus niger con la acumulación del metal disuelto por parte de plantas que crecen en suelos contaminados con dicho mineral (10). Este último fenómeno es conocido por fitorremediación, donde la retención del metal es mediada por la acumulación en vegetales.
INMOVILIZACIÓN DE METALES PESADOS
Dentro de la amplia diversidad microbiana, existen microorganismos resistentes y microorganismos tolerantes a metales. Los resistentes se caracterizan por poseer mecanismos de detoxificación codificados genéticamente, inducidos por la presencia del metal (27). En cambio, los tolerantes son indiferentes a la presencia o ausencia de metal. Tanto los microorganismos resistentes como tolerantes son de particular interés como captores de metales en sitios contaminados, debido a que ambos pueden extraer los contaminantes. La resistencia o tolerancia experimentada por microorganismos es posible gracias a la acción de diferentes mecanismos [Figura 3, (21)]. Estos fenómenos son: biosorción, bioacumulación, biomineralización, biotransformación y quimiosorción mediada por microorganismos.
Biosorción
La biosorción es un fenómeno ampliamente estudiado en la biorremediación
de diversos metales pesados como el cadmio, cromo, plomo, níquel, zinc y
cobre (13, 19, 28, 29). Los microorganismos utilizados como biosorbentes,
aislados a partir de ecosistemas contaminados, retienen los metales pesados
a intervalos de tiempo relativamente cortos al entrar en contacto con
soluciones de dichos metales. Esto minimiza los costos en un proceso de
remediación, ya que no requiere el agregado de nutrientes al sistema, al no
requerir un metabolismo microbiano activo. La biomasa capaz de participar en
estos procesos es fácilmente extraíble de sistemas acuosos como cursos de
aguas o efluentes de diversos orígenes, por lo que el proceso global de
biorremediación sería rentable. Es por ello que la búsqueda de este tipo
de microorganismos se encuentra en crecimiento constante, junto con el
estudio de sistemas biosorbentes como por ejemplo la utilización de
consorcios microbianos, o sistemas mixtos formados por microorganismos y
macromoléculas (polímeros) sorbentes, que incrementarían los rendimientos
en la captación de mezclas de metales pesados (1, 18, 25, 33, 34).
Los fenómenos de biosorción se caracterizan por la retención del metal
mediante una interacción físicoquímica del metal con ligandos
pertenecientes a la superficie celular. Esta interacción se produce con
grupos funcionales expuestos hacia el exterior celular pertenecientes a
partes de moléculas componentes de las paredes celulares, como por ejemplo
carboxilo, amino, hidroxilo, fosfato y sulfhidrilo. Es un mecanismo de
cinética rápida que no presenta una alta dependencia con la temperatura y
en muchos casos puede estudiarse en detalle mediante la construcción de los
modelos de isotermas de Langmuir y Freundlich.
Bioacumulación
Este mecanismo celular involucra un sistema de transporte de membrana que
internaliza al metal pesado presente en el entorno celular con gasto de
energía. Este consumo energético se genera a través del sistema
H+-ATPasa. Una vez incorporado el metal pesado al citoplasma, éste es
secuestrado por la presencia de proteínas ricas en grupos sulfhidrilos
llamadas metalotioneínas o también puede ser compartimentalizado dentro de
una vacuola, como ocurre en hongos.
Algunos ejemplos de este proceso son muy interesantes, como el caso de
acumulación de uranio por la bacteria Pseudomonas aeruginosa, el
cual fue detectado íntegramente en el citoplasma, al igual que en la
levadura Saccaromyces cerevisiae (21).
Biomineralización
Los microorganismos son capaces de precipitar metales y radionuclidos como
carbonatos e hidróxidos, mediante un mecanismo de resistencia codificado en
plásmidos. Este mecanismo aparece por el funcionamiento de una bomba que
expulsa el metal tóxico presente en el citoplasma hacia el exterior celular
en contracorriente a un flujo de H+ hacia el interior celular. Esto produce
una alcalinización localizada sobre la superficie celular externa y por lo
tanto la precipitación del metal pesado (Figura 3.).
Otra forma de precipitar los metales es a través de la formación de
sulfuros o fosfatos, como resultado de alguna actividad enzimática celular.
Un ejemplo de ello es la precipitación de sulfuros metálicos en reactores
con cultivos mixtos de bacterias reductoras de sulfato (10, 21) o la
acumulación de CdS en la pared celular de las bacterias Klebsiella
planticola y Pseudomonas aeruginosa (26, 35).
Biotransformación
Este es un proceso que involucra un cambio químico sobre el metal pesado,
como por ejemplo en el estado de oxidación o metilación. Esta
transformación biológica de los metales pesados que resultan tóxicos
mediada por enzimas microbianas puede dar como resultado compuestos poco
solubles en agua o bien compuestos volátiles. El ejemplo más claro es el
ciclo del Hg en la naturaleza, donde la bacteria Pseudomonas aeruginosa
puede reducir el catión Hg2+ a Hg0, y otros organismos pueden luego
metilarlo dando como producto el CH3Hg+ y (CH3)2Hg, que son volátiles y
aún más tóxicos que el propio Hg (Figura 4.).
Las reducciones de V(V) a V(III), Au(III) a Au(0) y Cr(VI) a Cr(III),
conducen a la precipitación del metal bajo condiciones fisiológicas. Entre
estos últimos el Cr es el metal más ampliamente utilizado en la industria
de aceros, automóviles, equipamiento de hospitales y curtiembres, entre
otras. El Cr(VI) es un contaminante de prioridad 1 catalogado por la Agencia
de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA: www.epa.gov), ya que es
estable en solución acuosa y por lo tanto de alta movilidad en diferentes
ambientes, con un alto potencial mutagénico y carcinogénico. El pasaje a
Cr(III) produce la inmovilización por precipitación de hidróxidos y la
disminución en la mutagenicidad. La utilización de microorganismos
resitentes a Cr con capacidad de bioconversión Cr(VI) en Cr(III) es de
fundamental importancia en el tratamiento biológico de efluentes
industriales (21, 28).
Quimiosorción
mediada por microorganismos
Dentro de este término se pueden describir aquella clase de reacciones en
donde los microorganismos biomineralizan un metal, formando un depósito
primario. Este depósito primario funciona como núcleo de cristalización,
con la subsecuente deposición del metal de interés, promoviendo y
acelerando así el mecanismo de mineralización (Figura 3).
Un ejemplo de este proceso es el agregado de Fe en un efluente a tratar, en
presencia de bacterias reductoras del sulfato. Estos microorganismos
producen sulfuros que precipitan en forma de FeS, sobre la superficie
celular. Los otros metales contaminantes utilizan el FeS formado como
soporte y cristalizan sobre sus cristales. Luego, aprovechando las
propiedades magnéticas del Fe, pueden separarse fácilmente de la fase
soluble, decontaminando así el material (21).
Cualquiera de los mecanismos microbianos descriptos remueve los metales pesados de efluentes contaminados. Los microorganismos autóctonos que sobreviven en sitios contaminados han desarrollado mecanismos de resistencia y/o tolerancia que nos son útiles a la hora de la implementación de procesos de biorremediación. Pseudomonas fluorescens 200H, aislada en nuestro laboratorio a partir de aguas superficiales contaminadas del arroyo Las Catonas (Partido de Moreno, Buenos Aires) logra la separación de la fase acuosa del 65% de Cd y 32% de Zn presentes en el medio de cultivo (Figura 5.).
Si bien la mayor parte de Cd y Zn aparece retenida en las fracciones correspondientes a pared celular, experimentos posteriores nos revelaron que el porcentaje de metal biosorbido es muy bajo, alrededor del 7%. Evidentemente existe la posibilidad de que ocurra una biomineralización del metal, la cual requiere un metabolismo celular activo, que tendremos que estudiar más a fondo. Éste es sólo un ejemplo. A diario realizamos nuevos aislamientos, con el objeto de reunir la mayor cantidad de microorganismos que en cultivos puros o mixtos logren una separación eficiente de los metales de nuestro estudio, Cu, Pb, Cd y Zn y con ellos diseñar sistemas de biorremediación ex situ de efluentes líquidos (32).
En conclusión, el rol de los microorganismos es fundamental en los ciclos
biogeoquímicos de los metales y su utilización en los procesos de
biorremediación de desechos sólidos y líquidos es esencial para el
cuidado del medio ambiente.
* la autora es Jefe de Trabajos Prácticos del Área Microbiología, Departamento de Química Biológica, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (UBA) y Profesora Adjunta del Área Química del Instituto de Ciencias de la Universidad Nacional de General Sarmiento (J.M. Gutiérrez 1150, B1613GSX, Los Polvorines, Provincia de Buenos Aires), integrante del proyecto de investigación en Química Ambiental: "Influencia de la capacidad complejante del medio en la remediación de aguas contaminadas con metales pesados mediante el empleo de microorganismos autóctonos". E-mail: dvullo@qb.fcen.uba.ar dvullo@ungs.edu.ar
Agradecimientos
Quisiera agradecer a mis compañeras de trabajo Lic. Helena Ceretti y Dra.
Silvana Ramírez por su ayuda en la confección de este artículo.
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