PROCESSOS METABÒLICS IMPLICATS EN LA DEGRADACIÓ AERÒBICA D'HAPs

Els mecanismes de biodegradació dels HAPs es poden donar en condicions aeròbies i anaeròbies, però la degradació més ràpida i completa es dóna en presència d'oxigen. Per aquest motiu, la majoria d'estudis a gran escala es centren en la degradació aeròbia pel procés de respiració.

Com s'ha comentat anteriorment, s'han descrit un nombre molt elevat de microorganismes amb capacitat de biodegradar contaminants orgànics, entenent-se per biodegradació la reducció de la complexitat dels compostos químics catalitzada biològicament (Alexander, 1999).

La biodegradació microbiana es fonamenta doncs en la transformació dels contaminants en altres compostos més senzills que formen part del mateix metabolisme dels microorganismes. En alguns casos, es possible que es doni una mineralització complerta del contaminant de manera que aquest es transforma en CO2 i H2O i, es produeix l'eliminació total sense l’obtenció de productes intermedis.

En aquest sentit, es pot dir que la biodegradació té dues vessants: creixement i cometabolisme. El creixement té lloc quan els contaminants orgànics s'utilitzen com a única font de carboni i energia i en general, implica la seva mineralització o eliminació. En el cas del cometabolisme, els microorganismes poden transformar el contaminant però sense fer-lo servir com a substrat i per tant, hi ha d'haver altres compostos que actuïn com a font de carboni i energia (o cosubstrats). En la majoria dels casos de cometabolisme, no té lloc una mineralització del contaminant sinó, la formació de metabòlits intermedis més oxidats respecte el contaminant inicial. Degut a la varietat microbiana que hi ha en el medi, aquests compostos intermedis poden actuar com a substrats d'altres microorganismes provocant o no, la mineralització total del contaminant inicial.

Principis generals de les rutes de degradació aeròbia pels HAPs

Els HAPs són molècules reduïdes que contenen únicament carboni i oxigen pel que per a la seva biodegradació es necessària la introducció d'oxigen a la molècula. L'oxidació

85 microbiana inicial dels HAPs consisteix doncs, en la incorporació enzimàtica d'oxigen atmosfèric al substrat.

Les reaccions enzimàtiques clau en la biodegradació aeròbica dels HAPs són les oxidacions catalitzades per oxigenases i peroxidases. La principal diferencia entre els dos tipus d'enzims es troba en la naturalesa de l'acceptor electrònic: les oxidases utilitzen l'oxigen i les peroxidases una espècie parcialment més reduïda, el peròxid d'hidrogen. El metabolisme aeròbic dels HAPs es duu a terme a partir de tres vies de degradació (figura 1.19). En general, les tres vies es basen en l'oxidació de l'anell aromàtic seguit de la descomposició sistemàtica dels metabòlits que se'n generen i en alguns casos, fins a l'obtenció de diòxid de carboni.

Els bacteris inicien l'oxidació de l'anell aromàtic mitjançant la incorporació de dos àtoms d'oxigen catalitzat per una dioxigenasa (figura 1.20, via 1). A continuació, una deshidrogenasa NAD+ _{depenent reconstrueix l'anell aromàtic produint un catecol (diol). El} segon trencament es dóna per l’acció de diogenases estereoselectives i, es pot donar entre els dos grups hidroxils (orto-trencament) o adjacent a aquest grups (meta- trencament) (Juhasz i Ravendra, 2000). Durant aquest procés de transformació es generen compostos més solubles i per tant més accessibles, pel que es veu facilitat el procés d'eliminació (detoxificació) però per contra, en alguns casos aquests compostos intermedis poden presentar major toxicitat respecte als seus precursors.

Els fongs no ligninolítics i ligninolítics oxiden els HAPs incorporant un àtom d'oxigen mitjançant la citocrom P450 monooxigenasa i produint òxids arenosos inestables (figura 1.20, via 2). Immediatament, o bé l'enzim epòxid hidrolasa catalitza l'addició d'una molècula d'aigua a l'òxid arenós produint trans-hidrodiols, o aquestes molècules inestables es reorganitzen i generen fenols. La majoria dels productes intermedis produïts a partir de l'oxidació dels HAPs per aquesta via de degradació són menys tòxics que els compostos originals però no implica la mineralització i per tant, la degradació complerta del contaminant.

En el cas dels fongs ligninolitics a més, poden transformar els HAPs mitjançant l'acció d'enzims implicats en la degradació de polímers vegetals com la lignina arribant a mineralitzar-los. Aquest grup d’enzims s’anomenen enzims ligninolítics i compren: lignina peroxidasa (LiP), manganès peroxidasa (MnP) i lacasa (Lac). En condicions ligninolítiques, aquests fongs poden oxidar HAPs a partir de la producció de radicals lliures (hidroxils), mitjançant la donació d'un electró que oxida l'anell aromàtic (Vyas et al. 1994). Els productes que es generen són quinones i àcids que finalment es degraden

86 completament (figura 1.20 via 3). Algunes publicacions però, evidencien que alguns fongs no ligninolítics també poden produir enzims ligninolítics (Clemente et al. 2001) i generar quinones (Ye et al. 2011).

Generalment, en un procés de biodegradació es produeix una combinació de tots els enzims esmentats: enzims ligninolítics, monooxigenases de la citocrom P450 i epòxid hidrolases (Bezalel et al. 1996). Tanmateix, el fet que les quinones són compostos menys tòxics que els produïts durant l'acció de la citocrom P450, fa que els processos de biodegradació es centrin majoritàriament en la recerca de fongs amb capacitat de generar-los.

Figura 1.20 Principals vies per a la biodegradació aeròbica d’HAPs per bacteris i fongs (Haritash i Kaushik, 2009).

87 Ruta metabòlica per a la degradació d'antracè

Els HAPs més estudiats referent al seu mecanisme de degradació són el naftalè, el fenantrè, l'antracè i l'acenaftilè.

Tal i com s’ha comentat anteriorment, s’ha evidenciat que en un procés de biodegradació d’HAPs participen un gran nombre d'enzims fins a l’obtenció de CO2 i aigua (Pagga, 1997). S'ha demostrat que nombrosos gèneres de microorganismes poden oxidar els HAPs de baix pes molecular com el naftalè, l'acenaftè o el fenantrè, mentre que són relativament pocs els gèneres que tenen capacitat de biodegradar els HAPs d'alt pes molecular.

Per aquest motiu, els HAPs més estudiats des de el punt de vista dels productes intermedis generats són els de menor pes molecular com el naftalè (Sutherland, 1992), el fenantrè (Cerniglia 1997; Haritash i Kaushik, 2009; Sutherland et al. 1991), el pirè (Cerniglia 1997; Haritash i Kaushik, 2009) o l’antracè (Cajhaml et al. 2002; Cerniglia 1997). La seva ruta metabòlica ha estat sovint utilitzada com a model per a proposar les vies de degradació d'altres HAPs. En aquest estudi, s’ha pres com a model l’antracè. La identificació dels metabòlits que es generen després d'un procés de biodegradació permet proposar la ruta metabòlica per un determinat fong i HAP (Cajthaml et al. 2002). La ruta metabòlica de l’antracè proposada a partir dels metabòlits identificats durant la seva degradació tan per ligninolítics com no ligninolítics es descriu a la figura 1.21.

88 Figura 1.21 Proposta de les vies de degradació de l’antracè descrites tant per fongs ligninolítics com no ligninolítics (Baborová et al. 2006; Bezalel et al. 1996; Cajthaml et al. 2002; Cerniglia 1997; Eibes et al. 2006; Ye et al. 2011).

Els fongs ligninolítics com Phanerochaete chrysosporium metabolitzen l'antracè generant antrona i posteriorment, 9,10-antraquinona a partir dels enzims ligninolítics. Les reaccions de degradació continuen fins a la seva mineralització complerta (figura 1.20, via 3). A més a més, els fongs ligninolítics poden realitzar una ruta metabòlica alternativa a partir de l'enzim citocrom P450 produint antracè trans -1,2-dihidrodiol (figura 1.20, via 2) (Bezalel et al. 1996; Chigu et al. 2010).

En el cas dels fongs no ligninolítics com Aspergillus fumigatus, també s'ha descrit la formació de ftàlic anhídrid, antrona i antraquinona com a productes de les reaccions de

89 degradació a més dels metabòlits generats a partir de la via no ligninolítica (Ye et al. 2011).

En aquest estudi, s'han determinat els metabòlits generats de la biodegradació de l'antracè a partir de l'acció d’un fong no ligninolítics descrits en les mostres de suro (Penicillium simplicissimum), i un fong ligninolític amb capacitat de degradació prèviament demostrada (Phanerochaete chrysosporium), per tal de poder comparar-los entre d'ells. A més a més, s'ha proposat una via de degradació d'antracè per P. simplicissimum, un fong no ligninolític present en el suro, per tal de fer una primera valoració de la viabilitat de l'ús de fongs presents en les mostres de suro per a la biodegradació dels HAPs presents en aquest material, després d'un procés de sorció. El resultat que s'espera és la producció de metabòlits amb menor toxicitat que l’HAP inicial.

1.5.3 AVANTATGES DE LA UTILITZACIÓ DE FONGS EN EL TRACTAMENT DE