Degradarea hidrocarburilor

Degradarea hidrocarburilor

O categorie speciala de substante organice relativ rezistente la actiunea degradativa a bacteriilor sunt hidrocarburile^*. Molecula lor contine numai atomi de C si H. Hidrocarburile se leaga ferm de suprafetele solide, inclusiv de granulele solului. Cele usoare si adeseori toxice tind sa se volatilizeze si altereaza calitatea aerului, periclitand sanatatea omului si animalelor.

Majoritatea moleculelor componente ale petrolului brut si din produsele de rafinare sunt biodegradabile. Microorganismele care degradeaza petrolul sunt ubicvitare, dar un rol major in decontaminarea mediilor poluate cu petrol il au pierderile abiotice prin evaporare, dispersie si fotooxidare.

Hidrocarburile cu catena lineara sunt degradate de reprezentantii catorva genuri de bacterii (Nocardia, Pseudomonas, Mycobacterium) si de levuri, dar cele ciclice sunt foarte rezistente la actiunea degradativa.

Petrolul este un amestec de mai multe clase(fractii) de hidrocarburi si alti compusi organici, inclusiv organo-metalici, care contin sulf, vanadiu si nickel:

- fractia alifatica, reprezentata de alcani si alchene (hidrocarburi cu catena lineara, saturate si respectiv, nesaturate)

- fractia aromatica (compusi aromatici nesaturati, de exemplu, benzenul)

- fractia gudronului si fractia asfaltica, alcatuite din compusi chimici complecsi.

Ordinea descrescanda a biodegradabilitatii hidrocarburilor petrolului este: n-alcani > alcani cu catena ramificata > alchene ramificate > aromatice n-alkil cu gr. mol. mica > monoaromatice > alcani ciclici > aromatice polinucleare > asfaltene.

Petrolul brut este supus actiunii degradative energice a bacteriilor. Unele specii de Pseudomonas catabolizeaza hidrocarburile aromatice din petrol. Procesul este aerob, ceea ce explica stabilitatea depozitelor de petrol pentru perioade foarte lungi, dar dupa expunerea la aer, hidrocarburile din petrol sunt oxidate.

Reactia de degradare a hidrocarburilor este catalizata de metan-monooxigenaza^* si implica participarea O₂ ca reactant. Unul dintre atomii moleculei de O₂ este incorporat in molecula oxidata.

Alcanii sunt convertiti la alcool. Alcoolul poate fi oxidat la aldehida si acid, dupa care intra in ciclul -oxidarii si in ciclul acizilor tricarboxilici.

Hidrocarburile aromatice policiclice mici (cu 1-3 cicluri) si cele mari (cu 4 sau mai multe cicluri - naftalen, antracen, fluorantren, piren, crisen) sunt folosite ca unica sursa de C de bacterii, cianobacterii, fungi, alge. Oxidarea compusilor aromatici are ca rezultat formarea unor molecule cu un singur ciclu aromatic (catecol, protocatecol, gentisat, homogentisat).

Calea degradarii fenil-alaninei si tirozinei trece prin gentisat si respectiv, homogentisat.

^*Cea mai mare parte a O₂ molecular consumat in metabolismul aerob, este redus cu e^- transportati pe catena de respiratie, cu formarea apei. Mici cantitati de O₂ sunt introduse in substraturile organice, formandu-se gruparea OH. Enzimele care catalizeaza aceste reactii se numesc oxigenaze si sunt de 2 tipuri:

dioxigenaze, cele care catalizeaza introducerea ambilor atomi de O in substratul organic

monooxigenaze - introduc un singur atom de O.

Dioxigenazele, denumite oxigen-transferaze, catalizeaza reactii de tipul AH₂ + O₂ -- A(OH)₂

Cele 2 grupari OH rezultate sunt adiacente si produsul A(OH)₂ este adeseori instabil, deoarece legatura C-C care poarta cele 2 grupari OH se rupe.

Monooxigenazele (hidroxilaze) catalizeaza introducerea unui singur atom de O intr-un substrat organic, celalalt atom fiind redus la apa. Monooxigenazele necesita al II-lea substrat care sa cedeze e^- necesari reducerii celui de al II-lea atom de O.

Oxigenazele sunt enzime Fe, dar unele contin si Cu.

In etapa a II-a se produce clivarea ciclului monoaromatic, in orice punct al sau. Rezulta compusi care intra in ciclul Krebs (succinat, acetil-CoA, piruvat). Degradarea fenil-alaninei si tirozinei trece prin gentisat si homogentisat.

Fig. 71. Catabolismul compusilor aromatici este catalizat de oxigenaze. (a) Protocatecolul si catecolul rezulta din oxidarea inelului benzenic. (b) Hidroxilarea benzenului la catecol catalizata de o oxigenaza cu functie mixta in care NADH este al II-lea donor de electroni. (c)Clivarea catecolului la cis,cis-muconat.

Bacteriile din g. Pseudomonas degradeaza numeroase molecule ciclice: naftalenul, fenantrenul, antracenul, toluenul, benzenul, fenolul, salicilatul, triptofanul etc.

Fig. 72. Degradarea fenolului si a benzoatului (contin O in molecula) poate avea loc si in conditii anaerobe prin clivarea reducatoare a inelului.

Hidrocarburile aromatice policiclice pot fi metabolizate in conditii anaerobe de catre bacteriile care reduc Fe la Fe³⁺, sulfat-reducatoare, denitrificatoare.

Hidrocarburile sunt toxice si dezagrega structurile membranare pentru ca sunt lipofile. Ele se insera in aria hidrofoba a membranei, prin asociere cu catenele acil ale fosfolipidelor. Hidrocarburile tind sa ramana in aria hidrofoba, intre monostraturile lipidice, in zona cozilor acizilor grasi ai fosfolipidelor. Insertia hidrocarburilor altereaza structura membranei, schimbandu-i fluiditatea si configuratia proteinelor.

Mecanismele reparatorii compenseaza pierderile integritatii structurale a membranei. Fluiditatea membranei diminua prin scaderea cantitatii de acizi grasi nesaturati din compozitia lipidelor membranare. Aceste modificari constituie o bariera fata de intercalarea hidrocarburilor in membrana, limitand influxul pasiv al hidrocarburilor in celula.

Catabolismul compusilor cu un atom de carbon. Bacteriile metilotrofe si metanotrofe

Compusii mai redusi decat CO₂ care contin unul sau mai multi atomi de C, dar nu contin legaturi C-C formeaza grupul C₁: CH₄, CH₃OH, metilamina (CH₃NH₂), dimetilamina (CH₃)₂NH, trimetilamina(CH₃)₃N, tetrametilamoniu (CH₃)₄N⁺, trietilamina N-oxid (CH₃)₃NO, trimetilsulfoniu (CH₃)₃S⁺, formiat (HCOO^-), formamida (HCONH₂), CO, dimetil-eter (CH₃)₂O, dimetil-carbonat (CH₃OCOOCH₃), dimetil-sulfoxid (DMSO) (CH₃)₂SO, dimetil-sulfid (CH₃)₂S.

Organismele care pot sa creasca folosind numai compusi organici C₁ se numesc metilotrofe. Bacteriile care oxideaza compusii C₁ trebuie sa sintetizeze de novo toti compusii organici obisnuiti (C-C). Din punctul de vedere al asimilarii C, bacteriile metanotrofe si metilotrofe au asemanari cu cele autotrofe (cele care folosesc CO₂), diferenta fiind ca primele folosesc compusi organici mai redusi decat CO₂.

Metanul este un compus abundent in mediile naturale, fiind produs de bacteriile metanogene in mediile naturale anaerobe: namolul anaerob, tractul intestinal al ierbivorelor, orezarii, prin degradarea anaeroba a deseurilor organice reziduale si menajere, dar si in activitati antropologice nebiogene: exploatarea miniera a carbunelui, arderea biomasei.

Intre bacteriile metilotrofe si metanotrofe exista deosebiri cu privire la substratul pe care il degradeaza. Numeroase specii de bacterii cresc pe metanol, metil-amina sau pe formiat, dar nu oxideaza metanul. Ele sunt bacterii heterotrofe (Pseudomonas, Bacillus, Vibrio) si metilotrofe facultative, deoarece, pe langa metanol degradeaza si alti compusi cu unul sau mai multi atomi de carbon. Degradarea lor este initiata de metanol-dehidrogenaza.

Metanolul din surse endogene(prin oxidarea CH₄) sau exogene(degradarea pectinei, ligninei) este oxidat la formaldehida, de o metanol-dehidrogenaza periplasmica, la Gram negative.

Bacteriile metanotrofe au caracteristici metabolice particulare, deoarece utilizeaza atat compusi mai redusi decat CO₂, cu un singur atom de carbon, cat si metanul si sunt metilotrofe obligate. Ele sunt unice, prin capacitatea lor de a utiliza CH₄ ca sursa de carbon si energie.

Bacteriile care oxideaza metanul au un sistem enzimatic specific: metan-monooxigenaza(MMO), enzima care catalizeaza introducerea unui atom de O in molecula de metan, rezultand metanolul:

Carbonul este asimilat sub forma de formaldehida si CO₂, pe calea serinei, in care 2 moli de formaldehida si 1 mol de CO₂ formeaza un intermediar 3C al metabolismului central, sau in ciclul RuMP (ribulozo-uridin-monofosfat), in care 3 moli de HCOH formeaza un intermediar metabolic cu 3C. Pe aceasta cale, tot C celular este asimilat la nivelul de oxidare al HCOH.

Oxidarea metanului la metanol, catalizata de MMO este trasatura definitorie a bacteriilor metanotrofe.

Cea mai mare parte a potentialului reducator, necesar metabolizarii CH₄, este produs prin oxidarea HCOH, via HCOOH, la CO₂.

MMO are un spectru larg de actiune asupra alcanilor, alchenelor, hidrocarburilor aromatice si halogenate (de exemplu, diclor-metan). Enzima se gaseste sub doua forme: citoplasmatica ("solubila") si asociata membranei ("particulata").

MMO face parte din monoxigenazele clasice (legata de membrana sau solubila), care utilizeaza doi echivalenti reducatori pentru a rupe legaturile O₂. Unul dintre atomii de oxigen este redus pentru a forma H₂O, iar celalalt este incorporat in CH₄ pentru a forma CH₃OH.

Bacteriile metanotrofe sunt aerobe. Traiesc la periferia zonei anaerobe, unde CH₄ si O₂ se gasesc simultan: in metalimnionul lacurilor dimictice (sisteme aquatice stratificate, in care apa circula liber de doua ori pe an, intre cele doua straturi majore: epilimnion si hipolimnion).

Metanul este cel mai stabil compus al C in mediile anaerobe si este un intermediar foarte important in reactiile de mineralizare a materiei organice. Este format de bacteriile metanogene ca produs final al descompunerii materiei organice in stratul profund al acestor lacuri si difuzeaza pana in metalimnion, unde intalneste O₂ dizolvat in apa. Metanotrofele localizate in stratul ingust de apa, oxideaza CH₄ si impiedica trecerea lui in atmosfera. Metanul care scapa oxidarii de catre metanotrofe, difuzeaza in atmosfera.

Bacteriile care oxdeaza CH₄, impreuna cu Mycoplasma sunt singurele procariote, care poseda steroli in structura membranei citoplasmatice.

Bacteriile metanotrofe au o semnificatie ecologica deosebita, deoarece metanul este un gaz abundent in atmosfera (l,6 ppm), ocupand locul al II-lea, dupa CO₂. Concentratia sa a crescut cu o rata de circa l% pe an, in ultimii l50 - 200 de ani. Deoarece absoarbe radiatia in spectrul infrarosu mult mai eficient decat CO₂, contributia sa la incalzirea globala a atmosferei (efectul de sera) tinde sa o egaleze pe aceea a CO₂.

Oxidarea anaeroba a CH₄, dependenta de sulfat este o reactie redox importanta in sedimentele marine anoxice, dar nu se cunosc bacteriile care catalizeaza aceasta reactie si nici mecanismul prin care ele activeaza molecula stabila a CH₄. Oxidarea metanului dependenta de sulfat este exergonica:

Chiar bacteriile metanogene par a cataliza reactia de sens opus: CH₄ ---- CO₂ + H₂, o reactie termodinamic posibila daca presiunea partiala a H₂ este mentinuta la un nivel scazut de bacteriile hidrogen-oxidante sulfat-reducatoare. In testele experimentale, producerea CH₄ are o rata de 3-4 ori mai mare decat reactia de oxidare.