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5.7B: Oxidación aeróbica de hidrocarburos - Biología


Objetivos de aprendizaje

  • Discutir las ventajas de los organismos que pueden sufrir oxidación aeróbica de hidrocarburos.

Los microbios pueden utilizar hidrocarburos a través de la oxidación como fuente de energía.

Los microbios pueden utilizar muchas fuentes de carbono diferentes para obtener energía. El ejemplo más conocido y quizás el más común es la glucosa. Los microbios pueden utilizar hidrocarburos mediante una oxidación gradual de un hidrocarburo por oxígeno que produce agua y, sucesivamente, un alcohol, un aldehído o una cetona, un ácido carboxílico y luego un peróxido. Nótese la presencia de oxígeno, definiéndolo así como oxidación aeróbica de hidrocarburos. Hay ejemplos de oxidación de hidrocarburos anaeróbicos, que no se discutirán aquí. Esto es de especial interés ya que muchos de los contaminantes ambientales liberados por la industria humana son a menudo a base de hidrocarburos. Uno de los mejores ejemplos son los derrames de petróleo. Comprender cómo los microbios digieren los hidrocarburos ha iniciado el campo de la biodegradación microbiana, un tipo de biorremediación. El objetivo de esto es encontrar formas de utilizar microbios para degradar los derrames o desechos de hidrocarburos en subproductos menos peligrosos como el alcohol.

Los microorganismos que utilizan hidrocarburos, principalmente Cladosporium resinae y Pseudomonas aeruginosa, conocidos coloquialmente como "insectos HUM", están comúnmente presentes en el combustible para aviones. Viven en la interfaz agua-combustible de las gotas de agua, forman esteras gelatinosas de color negro oscuro / marrón / verde, y causan corrosión microbiana en las partes de plástico y caucho del sistema de combustible de la aeronave al consumirlas, y a las partes metálicas al consumirlas. los medios de sus productos metabólicos ácidos. También se les llama incorrectamente algas debido a su apariencia. FSII, que se agrega al combustible, actúa como un retardador de crecimiento para ellos. Hay alrededor de 250 tipos de bacterias que pueden vivir en el combustible para aviones, pero menos de una docena son significativamente dañinas.

Los biosurfactantes son sustancias tensioactivas sintetizadas por células vivas. El interés en los tensioactivos microbianos ha aumentado constantemente en los últimos años debido a su diversidad, naturaleza ecológica, posibilidad de producción a gran escala, selectividad, rendimiento en condiciones extremas y aplicaciones potenciales en la protección del medio ambiente. Los biosurfactantes mejoran la emulsificación de hidrocarburos, tienen el potencial de solubilizar los contaminantes de hidrocarburos y aumentan su disponibilidad para la degradación microbiana. El uso de productos químicos para el tratamiento de un sitio contaminado con hidrocarburos puede contaminar el medio ambiente con sus subproductos, mientras que el tratamiento biológico puede destruir eficazmente los contaminantes, siendo ellos mismos biodegradables. Por lo tanto, los microorganismos productores de biosurfactantes pueden jugar un papel importante en la biorremediación acelerada de sitios contaminados con hidrocarburos. Estos compuestos también se pueden usar para mejorar la recuperación de petróleo y se pueden considerar para otras aplicaciones potenciales en la protección del medio ambiente. Otras aplicaciones incluyen formulaciones de herbicidas y pesticidas, detergentes, cuidado de la salud y cosméticos, pulpa y papel, carbón, textiles, industrias de procesamiento de cerámica y alimentos, procesamiento de mineral de uranio y deshidratación mecánica de turba. Se conocen varios microorganismos que sintetizan agentes tensioactivos; la mayoría de ellos son bacterias y levaduras. Cuando se cultivan en un sustrato de hidrocarburo como fuente de carbono, estos microorganismos sintetizan una amplia gama de productos químicos con actividad superficial, como glicolípidos, fosfolípidos y otros. Estos productos químicos se sintetizan para emulsionar el sustrato hidrocarbonado y facilitar su transporte al interior de las células. En algunas especies bacterianas como Pseudomonas aeruginosa, los biosurfactantes también están involucrados en un comportamiento de motilidad grupal llamado motilidad de enjambre.

Puntos clave

  • Los microbios en condiciones aeróbicas pueden utilizar hidrocarburos mediante la oxidación del hidrocarburo. Esto conduce a subproductos como agua, alcohol y peróxido.
  • Muchos hidrocarburos son dañinos para el medio ambiente, por lo que la descomposición de los hidrocarburos por microbios es de especial interés.
  • Los insectos HUM pueden funcionar como biosurfactantes para facilitar la emulsificación de hidrocarburos.

Términos clave

  • hidrocarburo: Un compuesto que consta solo de átomos de carbono e hidrógeno.
  • biosurfactante: Sustancias tensioactivas sintetizadas por células vivas.
  • biorremediación: El uso de organismos biológicos, generalmente microorganismos, para eliminar contaminantes, especialmente del agua contaminada.

Hidrocarburos utilizados por microorganismos | Microbiología

El artículo mencionado a continuación proporciona una nota sobre los tipos de hidrocarburos utilizados como sustratos para el crecimiento de varios microorganismos.

Sí, algún tipo de hidrocarburos puede servir como sustratos de crecimiento. Este tipo de organismos es ecológicamente importante, p. Ej. en la degradación de contaminantes del petróleo y algunos pueden utilizarse en la producción comercial de proteína unicelular (SCP) a partir de hidrocarburos. Sin embargo, su inconveniente radica en el hecho de que ciertos organismos que utilizan hidrocarburos pueden provocar el deterioro de productos de hidrocarburos como los combustibles. El metabolismo de los hidrocarburos es estrictamente aeróbico y siempre parece implicar la introducción de oxígeno en la molécula en un proceso que requiere una monooxigenasa (= hidroxilasa) o dioxigenasa.

Los hidrocarburos alifáticos que son parafinas de cadena lineal (n-alcanos) pueden ser utilizados por bacterias como cepas de Acinetobacter, Corynebacterium, Mycobacterium, Nocardia, Pseudomonas, por levaduras como especies de Candida y los hongos miceliales Aspergillus, Botrytis, Fusarium, Helminthosporium, y Penicillium. Algunos organismos pueden usar solo alcanos de cadena corta, algunos solo pueden usar alcanos de cadena larga.

Sin embargo, en la mayoría de los casos, el metabolismo del n-alcano parece ocurrir por co-oxidación (se lee como oxidación omega), es decir, el grupo metilo terminal del alcano es oxidado por una monooxigenasa para formar un alcohol primario que a su vez se oxida a través del aldehído a el ácido graso correspondiente mediante actividades de deshidrogenasa de alcohol y aldehído deshidrogenasa, los ácidos grasos pueden degradarse entonces por oxidación convencional.

En las cepas de Pseudomonas, el sistema de enzimas oxidantes de alcanos es complejo e incluye w-monooxigenasa, rubredoxina y NADH-rubredoxina oxidorreductasa. En eucariotas y probablemente en algunas bacterias como las cepas H de Acinetobacter2 La alcano monooxigenasa está ligada a los sistemas portadores de electrones del citocromo P-450. Los alcanos de cadena ramificada (alquilalcanos) y los hidrocarburos insaturados (alquenos, olefinas) son generalmente algo menos susceptibles a la degradación microbiana en comparación con los n-alcanos. Pueden oxidarse de la misma manera que los n-alcanos, pero los alquenos pueden no oxidarse en el doble enlace, lo que da como resultado la formación de un diol.

Dado que el metabolismo de los alcanos se produce de forma intracelular, el hidrocarburo debe introducirse en la célula. La absorción puede tener lugar por diferentes mecanismos en diferentes organismos y al menos en algunos casos puede necesitar una emulsificación previa del hidrocarburo mediante un biotensioactivo o bioemulsionante extracelular. Los hidrocarburos alicíclicos (cicloparafinas y cicloalcanos) son hidrocarburos cíclicos no aromáticos. Son hidrocarburos cíclicos no aromáticos. Por lo general, son menos susceptibles al ataque microbiano en comparación con los compuestos alifáticos o aromáticos. La degradación del ciclohexano por cepas de Nocardia o Pseudomonas implica la oxidación del ciclohexano a ciclohexanol por una ciclohexano monoxigenasa.

El ciclohexanol se oxida a ciclohexano y luego se introduce un átomo de oxígeno en el anillo (formando una lactona) mediante ciclohexanona monoxigenasa. A continuación, la lactona se puede hidrolizar para formar un ácido dicarboxílico no cíclico. Los hidrocarburos aromáticos (benceno, naftaleno, antraceno, etc.) están presentes en el petróleo y se forman por la combustión incompleta de casi cualquier material orgánico.

Por lo tanto, son contaminantes comunes y muchos son cancerígenos reconocidos. Las bacterias Pseudomonas spp. Metabolizan los hidrocarburos aromalicos incorporando inicialmente dos átomos de oxígeno en el sustrato para formar un c / s-dihidrodiol y esta reacción es catalizada por un sistema enzimático multicomponente que comprende dioxigenasa, una flavoproteína y proteínas de azufre de hierro.

El c / s-dihidrodiol se oxida a un catecol que a su vez es un sustrato para otro sistema dioxigenasa que rompe el anillo aromático abierto. Los hongos, por el contrario, oxidan los hidrocarburos aromáticos utilizando una monoxigenasa dependiente del citocromo P-450 para formar un óxido de areno reactivo. Esto a su vez puede sufrir isomerización para formar un fenol monohídrico, o puede hidrolizarse enzimáticamente para dar como resultado un trans-dihidrodiol.


Abstracto

Se han aplicado métodos de estructura electrónica basados ​​en funcionales de intercambio híbrido en Teoría Funcional de Densidad (DFT) y condiciones de contorno periódicas para estudiar el mecanismo de reacción de la oxidación aeróbica de hidrocarburos catalizada por aluminofosfatos nanoporosos dopados con Mn. En este artículo examinamos la descomposición de intermedios de hidroperóxido (ROOH). La reacción tiene lugar en sitios ácidos de Mn II, con carga equilibrada por un protón en un oxígeno marco vecino más cercano, resultante de la preactivación paso. En esta etapa, los sitios Mn II catalizan el homolítico descomposición de las moléculas de hidroperóxido para producir Mn III y especies de radicales que contienen oxo, estabilizadas por complejación con Mn III, produciendo además moléculas de alcohol y agua. Se han identificado dos vías de reacción paralelas para este proceso, a través de intermedios similares a radicales alcoxi (RO ·) o hidroxi (HO ·). La aparición de los dos mecanismos depende de la estereoquímica de la adsorción inicial de ROOH en el sitio activo, que tiene lugar a través de la unión de H con el protón del ácido marco: la adsorción a través del átomo de O hidroxílico de ROOH conduce a RO · intermedios, mientras que la adsorción a través del átomo de O no terminal en ROOH, que es menos estable energéticamente, impulsa la descomposición hacia intermedios de HO. En ambos casos, la descomposición del hidroperóxido es asistida por los sitios Mn II, en un mecanismo concertado que consiste en una transferencia de H desde el marco al átomo de O del ROOH adsorbido involucrado en el enlace H, lo que provoca la oxidación del Mn II. y la escisión homolítica de O – O en ROOH, que conduce a la formación de radicales RO · o HO · que se estabilizan al unirse al sitio oxidado Mn III. La energética relativa de las dos vías de reacción se explica en términos de la estabilidad relativa de los radicales oxo producidos: la mayor estabilidad de los radicales RO · provoca una mayor estabilidad descomposición del intermedio hidroperóxido a través de esta vía. Nuestros resultados demuestran el papel crucial del Mn en esta etapa de la oxidación aeróbica de los hidrocarburos, debido no solo a su actividad redox sino también, y fundamentalmente, a su insaturación coordinativa, que permite la estabilización de los radicales producidos por complejación.


Abstracto

Aplicamos métodos de estructura electrónica basados ​​en funcionales DFT de intercambio híbrido bajo condiciones de contorno periódicas para estudiar la oxidación aeróbica catalítica de hidrocarburos en aluminofosfatos dopados con Mn. En particular, nos centramos en el mecanismo de la propagación reacciones. La oxidación de hidrocarburos se logra mediante una sucesión de abstracción de H, O2 reacciones de adición y desorción que ocurren en los complejos de Mn III ··· OX (X = H, CH2CH3, o OCH2CH3). Los complejos Mn III ··· OH y Mn III ··· OCH2CH3 resultado de la descomposición de CH3CH2OOH por sitios de Mn II preactivados, mientras que Mn III ··· OOCH2CH3 se forma en preactivación o propagación rutas. La naturaleza radical de los ligandos de tipo oxo (OX) permite la abstracción de H homolítico de nuevas moléculas de hidrocarburos, lo que lleva a XO – H (HO – H, CH3CH2O – H y CH3CH2OO – H) y a CH3CH2· Radicales que se estabilizan por interacción con los átomos de H transferidos. O estereoespecífico posterior2 las adiciones producen radicales peroxo libres CH3CH2OO · que se someten a un subciclo de propagación para producir más CH3CH2OOH, estas moléculas de hidroperóxido vuelven a entrar en el ciclo de oxidación al reaccionar con Mn II. La diferente capacidad de abstracción de H de los complejos Mn III ··· OX está relacionada con la estabilidad de los radicales oxo que actúan como ligandos. Nuestros resultados demuestran que el papel de los sitios de Mn en las reacciones de propagación es estabilizar los radicales oxo formando complejos, pero no tiene lugar ningún proceso redox que involucre al Mn en esta etapa de la reacción. El Mn III es la única especie activa a lo largo de los pasos de propagación.


Información del autor

Afiliaciones

Laboratorio Estatal Clave de Ingeniería de Biorreactores y Escuela de Química e Ingeniería Molecular, Universidad de Ciencia y Tecnología de China Oriental, 200237, Shanghai, P.R. China

Yi-Fan Liu, Zhen-Zhen Qi, Li-Bin Shou, Jin-Feng Liu, Shi-Zhong Yang y Bo-Zhong Mu

Facultad de Ciencias Biológicas, Universidad de Hong Kong, Pokfulam Road, Hong Kong, P.R. China

Centro de innovación colaborativa de Shanghai para la tecnología de biofabricación, 200237, Shanghai, P.R. China

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Contribuciones

YFL concibe este estudio. YFL, ZZQ y LBS realizaron el análisis. YFL, JDG, SZY, JFL y BZM escribieron el artículo. BZM supervisó este proyecto. Todos los autores leyeron y aprobaron el manuscrito final.

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