Els microorganismes i el petroli

Introducció 

El petroli és un compost fonamental a les nostres vides. El trobem per tot arreu, ja sigui a l’asfalt de les carreteres, al combustible dels cotxes, o en detergents que utilitzem diàriament, entre altres usos. El petroli és una mescla complexa de diferents compostos, on predominen els hidrocarburs alifàtics, alicíclics i aromàtics, però també hi poden ser presents compostos de sofre, nitrogen, oxigen i inclús alguns trossos de metalls pesants.

Cal tenir en compte, però, que quan hi ha un vessament de petroli al mar, aquest genera un important problema mediambiental. A més, s’ha vist que els processos de neteja estan mal gestionats i, per això, en els darrers anys s’estan aplicant i estudiant mètodes de bioremediació del petroli. Aquests processos de bioremediació tenen diversos avantatges, entre els quals permeten netejar la zona o no generar residus tòxics. Els microorganismes que hi participen contribueixen a rehabilitar àrees afectades pels contaminants. A més, cal destacar que es pot aplicar tant en medis aquàtics com en medis terrestres (Hernando,R, 2012) (Valverde,R, 2004)

Figura 1. Estructures tiípiques de diversos hidrocarburs del petroli. a) naftalina  b) olefina c) naftè d) aromàtic. Recuperat de: http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/55/htm/sec_5.html

Formació del petroli

El petroli s’origina en conques marines poc profundes on proliferen grans quantitats de plàncton. Quan moren, s’acumulen juntament amb molta matèria orgànica formant una gran extensió que cobreix part del fons marí. Durant els pròxims milions d’anys, capes de roca i sediments enterren i escalfen aquesta matèria ja morta. Primer, els microorganismes converteixen el sediment marí en una substància insoluble orgànica que després gràcies a la calor i a les altes pressions es converteix en petroli. L’acumulació de gas propulsa el petroli cap als porus i fractures de les roques, en alguns casos aflora a la superfície (Barton, L, 2004). 

Els microorganismes i el petroli estan fortament connectats, ja que aquests petits organismes són capaços de degradar-lo quan hi ha un vessament i són crucials en el procés de bioremediació. 

No tan sols això, sinó que els microorganismes també tenen una relació amb la producció d’hidrocarburs, particularment les algues verdes. Per exemple, a l’alga colonial Botryococcus braunii, el creixement va acompanyat de la secreció d’hidrocarburs de cadena llarga (C₃₀-C₃₀) que tenen la consistència del petroli. Existeix un interès creixent en utilitzar aquesta i altres algues que produeixin petroli com a font renovable.

Biodegradació del petroli

Els microorganismes que utilitzen hidrocarburs com a substrat han de tenir uns enzims anomenats oxigenases que són dependents d’oxigen. Aquestes oxigenases tenen la funció de trencar l’anell de benzè dels hidrocarburs per tal de facilitar la biodegradació d’aquests compostos. Poden ser monooxigenases, que incorporaran un oxigen o bé dioxigenases, que n’incorporaran dos. Aquests enzims solen ser complexes i diversos, fins al punt que existeixen diferents oxigenases per un mateix compost que trencaran l’anell de benzè per diferents punts. Posteriorment el compost serà transformat en una molècula lineal que entrarà com a intermediària del cicle de metabolisme central de la cèl·lula (Leoplodina,M i Ulisses,N, 2015). 

Es distingeixen diferents tipus de degradació:

1. Degradació d’hidrocarburs alifàtics en presència d’oxigen:

Els hidrocarburs alifàtics es classifiquen segons la saturació dels seus enllaços en alcans, alquens i alquins. Per norma general, com més insaturada i més llarga sigui la cadena carbonatada més difícil serà de degradar.

Figura 2. Procés esquematitzat de la degradació dels hidrocarburs alifàtics.

Recuperat de http://bioinformatica.uab.es/biocomputacio/treballs02-03/RBurgos

/dades/degradaci%C3%B3n_de_hidrocarburos.htm

En aquest procés de degradació, un complex multienzimàtic del microorganisme, a partir d’un seguit de processos d’oxidació al carboni terminal de l’hidrocarbur, el converteix en un substrat que pot ser utilitzat en la β-oxidació, que és la ruta que els degrada. També pot tenir lloc en carbonis no terminals donant lloc a dos àcids grassos que també seran processats per la β-oxidació.

2. Degradació d’ hidrocarburs aromàtics en presència d’oxigen:

En aquest procés el problema principal és degradar els anells aromàtics dels hidrocarburs, que poden ser molt variables.

Els microorganismes que utilitzen aquests compostos com a font de carboni, en comptes d’utilitzar un enzim monooxigenasa específic per cada molècula diferent, utilitzen unes rutes bioquímiques que modifiquen els diferents anells aromàtics absorbits i els transformen en catecol (1,2-dihidroxibenzè). Aquestes rutes s’anomenen rutes altes o perifèriques.

És a dir, la majoria de compostos aromàtics que es poden trobar són convertits a aquestes dues molècules, a les quals se’ls podrà tallar l’anell aromàtic mitjançant enzims específics. Aquesta segona fase correspon a les rutes baixes.

Figura 3. Procés de les rutes altes o perifèriques seguit del trencament de l’anell (rutes baixes). http://bioinformatica.uab.es/biocomputacio/treballs02-03/RBurgos/dades/degradaci%C3%B3n_de_hidrocarburos.htm

3. Degradació d’ hidrocarburs sense presència d’oxigen

La biodegradació anaeròbica és més lenta que l’aeròbica. A part d’altres estratègies per les oxidacions inicials, necessiten un acceptor final d’electrons diferent de l’oxigen. S’ha vist aquest tipus de degradació en bacteris sulfatreductors i desnitrificants (nitrat-reductors).

En alcans el mecanisme de degradació implica l’addició d’una molècula de fumarat que forma un diàcid que serà metabolitzat per la via d’oxidació dels àcids grassos.

Pel que fa la degradació en compostos aromàtics, també implica l’addició de fumarat però seguidament es produeixen metilacions en el compost que portarà a una hidroxilació a través d’una deshidrogenasa formant una molècula de benzoil-CoA. Aquest producte pot patir una reacció de β-oxidació o ser degradat a través de dues possibles vies, la pimílica o l’adípica, que el transformaran en acetil CoA, àcids grassos i pimelil CoA. Finalment, aquests compostos es convertiran en diòxid de carboni (CO₂), hidrogen (H₂) i metà (CH₄) (Burlage,R et al, 1998).

Microorganismes implicats en la biodegradació dels hidrocarburs  

Hi ha alguns microorganismes que utilitzen components biodegradables del petroli (hidrocarburs) com a única font d’energia i carboni per créixer. És per això que són utilitzats en el procés de neteja d’ecosistemes afectats pel vessament de petroli.

Els microorganismes degraden molècules complexes a molècules més simples i solubles gràcies a enzims digestius, aquestes entraran a les vies metabòliques dels organismes.

El petroli és una barreja complexa d’hidrocarburs, per tant s’haurà de tenir en compte que hi intervindran diferents tipus de bacteris depenent de la seva afinitat per certs hidrocarburs. Durant el procés de degradació del petroli intervenen diverses espècies de bacteris, i gràcies a la diversitat dels seus processos metabòlics es pot arribar a consumir fins a un 100% el petroli que podríem trobar en algun medi contaminat (Das & Chandran, 2011).

El procés de degradació és complex i no només depèn de les característiques dels microorganismes. També tenen importància en aquest procés els factors abiòtics de la zona (com el pH, la temperatura, la salinitat...) o les propietats fisicoquímiques del petroli. La combinació d’aquests dos factors pot afavorir o afectar la diversitat bacteriana que hi intervindrà (Das & Chandra, 2011).

Durant la biodegradació dels hidrocarburs s’utilitzen diversos microorganismes (veure taula 1) tenen una elevada capacitat degradativa.

Aquests contribueixen a disminuir la quantitat d’hidrocarburs que es troben a l’ambient i a més cal destacar que aquests són inofensius per a la salut i el medi ambient.

Participen en el procés produint bioemulsificants i biosurfactants. Aquests elements disminueixen la tensió superficial entre el petroli i el medi aquós, facilitant d’aquesta manera l’accés dels bacteris a la font de carboni i ajudant en el seu procés de degradació (Aycachi, R, 2008).

Bacteri	Descripció
Brevibacterium	Bacteri de l’ordre Actinomycetales, característic de sòls, gram-positius.
Spirillum	Bacteri gram-negatiu de la família Spirillaceae.
Xanthomonas	Del gènere dels protobacteris, bacteris gram-negatius.
Alcaligenes	Bacteris gram-negatius aeròbics.
Arthrobacter	Normalment es troben als sols. Tos són bacteris gram-positius, aeròbics obligats.
Nocardia	Gènere de bacteris gram-positius que habita en sòls rics en matèria orgànica. Són estrictament aeròbics.
Flavobacterium	Bacils gram-negatius aerobis
Vibrio	Eubacteris gram-negatius, anaeròbics facultatius.
Achromobacter	Bacteris aquàtics, gram-negatius i aeròbics estrictes.
Acinetobacter	Bacteri gram-negatiu, aerobi no fermentador.
Micrococcus	Dins el fílum Actinobacteria, són bacteris gram-positius.
Pseudomonas aeruginosa	Bacteri gram-negatiu anaeròbic facultatiu.
Serratia rubidaea	Bacteri gram-negatiu anaeròbic facultatiu.
Bacillus sp.	Bacteris gram-positius, aerobis estrictes o anaeròbics facultatius.
Pseudomonas mendocina	Bacteri gram-negatiu.
Pseudomonas aureofaciens	Bacteri aeròbic gram-negatiu.

Taula 1. Bacteris implicats en la biodegradació dels hidrocarburs i les seves principals característiques.

Aplicacions

La bioremediació és una branca de la biotecnologia que fa servir organismes vius, majoritàriament microorganismes, per eliminar les substàncies contaminants presents en una zona. Estudia i aprofita la capacitat innata que tenen aquests organismes per destruir els contaminants d’un medi determinat utilitzant diferents mètodes (veure taula 2).

Mètodes de la bioremediació
Degradació enzimàtica	Consisteix en utilitzar enzims produïts en grans quantitats pels bacteris que es fabriquen en empreses de biotecnologia
Bioremediació microbiana	S’utilitzen directament microorganismes presents en el lloc contaminat (autòctons) que seran agregats o inoculats
Bioremediació de plantes (fitoremediació)	Fa ús de les plantes per netejar ambients contaminats.

Taula 2. Mètodes per aplicar la bioremediació.

Hi ha diferents tipus de bioremediació segons on s’esdevingui, majoritàriament es fa in situ, és a dir, que es dóna al mateix lloc on hi ha hagut la contaminació, la qual cosa evita el trasllat d’elements contaminants a altres medis. També pot ser ex-situ que consisteix a extreure el contaminant i degradar-lo en un altre lloc en condicions controlades (Biorremedia, 2016).

Per un costat, les estratègies que es duen a terme per aplicar la bioremediació són a partir de microorganismes autòctons. Una de les opcions és fer servir la bioestimulació, aquesta tècnica es basa a estimular amb fertilitzants el creixement dels microorganismes i millorar la seva activitat metabòlica mitjançant l’addició d’oxigen o nutrients (nitrogen, fòsfor).

Per altra banda, es pot fer servir la inoculació de microorganismes, per exemple mitjançant la bioaugmentació. Consisteix en la inoculació d’una alta concentració de microorganismes al medi contaminat per tal de facilitar la biodegradació (Solanas, AM, 2009).

Un cas real que pot afavorir l’ús de la bioremediació és el cas de l’abocament del petrolier Exxon Valdez que es va encallar a les costes d’Alaska. Primerament, es van utilitzar diferents tècniques com dispersants químics, la neteja manual i la crema del petroli. Finalment, el mètode més exitós  fou la utilització de bacteris externs al medi que degraden hidrocarburs tòxics. Es van utilitzar fertilitzants que van ajudar a augmentar la concentració de nitrogen i fòsfor, del qual el medi n’era deficitari i que els bacteris necessiten pel seu desenvolupament.

Figura 4. La primer fotografia mostra una platja d’Alaska afectada pel vessament del petrolier Exxon Valdez al maig del 1989. La segona imatge mostra la mateixa platja després d’un procés de bioremediació al cap de cinc mesos (Març del 1989). Recuperat de http://materialsforenergy.typepad.com/materials/2010/06/what-.html

Conclusions

El petroli ens aporta grans beneficis en el nostre dia a dia, però no s’han tingut en compte les conseqüències ambientals que pot arribar a produir un vessament d’aquest. Hem pogut comprovar que no cal utilitzar mètodes que puguin malmetre el medi per solucionar aquests problemes, sinó que es pot recórrer a l’ús de microorganismes per fer una millor gestió dels residus. Tot i això, pensem que l’ús d’aquests microorganismes no està del tot explotat i que la seva acció pot ajudar en altres problemes ambientals.

Bibliografia

• Ayachi Inga, R. (2008). Biodegradación de Petróleo Diésel (Tesi Doctoral, Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallos. Recuperat de http://es.scribd.com/doc/6437940/Bacterias-Degradadoras-de-Petroleo#scribd
• Barton, L., i Northup, D. (2011). Microbial Ecology (1a ed.) New Jersey: Wilkey-Blackwell
• Biorremedia. (2016). Biorremediación de suelos y cuerpos de agua. Recuperat de http://biorremedia.com.mx/Biorremediacion/Biorremediacion_Definicion.html
• Burlage, R., Atlas, R., Stahl, D., Geesey, G., i Sayler, G. (1998). Techniques in Microbial Ecology (1a ed.). Nova York: Oxford University Pres
• Das, N i Chandran, P (2011). Microbial Degradation of Petroleum Hydrocarbon Contaminants: An Overview. Recuperat de: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3042690/
• Hernando, R. (2012). Procesos de Bioremediación: Ventajas y desventajas de la bioremediación. Recuperat de http://datateca.unad.edu.co/contenidos/358025/Material_online/leccin_5_ventajas_y_desventajas_de_la_bioremediacin.html
• Leopoldina Aguirre-Macedo, M., i Ulisses García-Cruz, N. (2015). Biodegradación de petróleo por bacterias: algunos casos de estudio en el Golfo de México. Recuperat de https://www.researchgate.net/publication/273002971_Biodegradacion_de_petroleo_por_bacterias_algunos_casos_de_estudio_en_el_Golfo_de_Mexico
• Raúl Burgos Castellanos . (2006). Biorremediación:  Aplicaciones actuales. Recuperat de http://bioinformatica.uab.es/biocomputacio/treballs02-03/RBurgos/dades/aplicaciones_actuales.htm
• Raúl Burgos Castellanos . (2006). Biorremediación:  Degradación de hidrocarburos. Recuperat de http://bioinformatica.uab.es/biocomputacio/treballs02-03/RBurgos/dades/degradaci%C3%B3n_de_hidrocarburos.htm
• Ricardo Valverde. (2004). Efectos de derrame de petróleo en ecosistemas marinos. Recuperat de http://www.grupoadela.org/labici/02efectos.html
• Solanas, AM. (2009). La biodegredación de hidrocarburos y su aplicación en la biorremediación de suelos. Estudios en la Zona no Saturada del Suelo, 9, 1-8. Recuperat de http://congress.cimne.com/zns09/admin/files/filepaper/p422.pdf