Biodegradació del petroli

Núria Rigau Garcia, Ariadna Rodríguez Torrecillas, Mireia Salar Rodríguez i Meritxell Tañà Fornés

Biodegradació del petroli. Processos biològics de degradació dels hidrocarburs i microorganismes implicats. Condicions i mecanismes de bioremediació

1. Què és el petroli?

El petroli és un líquid oliós i bituminós d’origen natural, insoluble en aigua. És una mescla complexa no homogènia amb parts sòlides, liquides i gasoses d’hidrocarburs, formats per hidrogen i carboni, que també pot contenir petites proporcions de nitrogen, sofre, oxigen i metalls. La composició del petroli depèn del jaciment d’on provingui, però podem considerar que la proporció mitjana és de 83-86% de carboni i 11-13% d’hidrogen. El nombre d’àtoms de carboni i la forma en que estan col·locats dins de les molècules dels diferents compostos, proporcionen al petroli diferents propietats físiques i químiques com el color, viscositat, densitat, etc. (veure imatge 1)

 
Imatge 1. Vessament de petroli al litoral.

 

El petroli només es troba en medis d’origen sedimentari. Es forma per la descomposició de matèria orgànica animal i vegetal que es disposa al fons de llacunes o desembocadures dels rius, a prop del mar pels bacteris anaerobis. Durant el temps es va cobrint per capes de sediment. En quedar aquesta mescla cada cop a més profunditat, juntament amb les condicions necessàries de pressió i temperatura, la matèria dona lloc a reaccions químiques  formant-se petroli i gas natural. Amb l’augment de la pressió, aquests dos productes ascendeixen fins a arribar a capes més poroses on s’emmagatzemen. És gràcies a una capa impermeable  que s’impedeix el pas del petroli cap a la superfície terrestre. (Veure imatge 2 i 3)

                 
Imatge 2. Origen i formació del petroli.                                                    Imatge 3. Origen i formació del petroli (II).

 Video 1. Origen i formació del petroli.

2. Degradació del petroli i microorganismes implicats.

El principal procés d’eliminació dels hidrocarburs és la biodegradació microbiana la qual suposa la transformació dels hidrocarburs en productes més oxidats, des de petites transformacions que suposen transformar-los en alcohols, cetones o àcids, fins a la completa mineralització que suposa la seva conversió en anhídrid de carboni o diòxid de carboni i aigua (veure imatge 4). Aquesta última transformació suposa la transformació en productes totalment innocus.

   Imatge 4. Reacció de biodegradació dels hidrocarburs.

Ens sorprèn que els microorganismes puguin alimentar-se d’hidrocarburs? La seva estructura química sembla molt llunyana de la dels compostos que solen usar els organismes com a aliment, com per exemple els sucres o les proteïnes. La resposta és molt simple, ja que, els microorganismes són els primers organismes que van aparèixer a al terra, fa més 3.500 milions d’anys, i per tant, han pogut estar presents en els processos diagènics i catagènics que s’han produït durant milions d’anys i que han suposat la formació d’hidrocarburs del petroli a partir de compostos presents a la matèria viva com alcaloides, pigments, hormones, etc. (veure imatge 5)

 Imatge 5. Formació d’hidrocarburs a partir dels pigments eritroafina i veratramina al llarg dels processos de diagènesi i catagènesi.

 

Els microorganismes transformen els hidrocarburs com a resultat de dos tipus de transformacions metabòliques. Una d’aquestes usa l’hidrocarbur com a substrat de creixement, és a dir usarà una part de l’esquelet de carbonat per formar nous individus, i l’altra part la convertirà en diòxid de carboni i aigua obtenint energia. Podem tenir microorganismes que porten a terme respiracions anaeròbiques o aeròbiques, però aquestes últimes són les majoritàries on l’oxigen actua com a acceptor final d’electrons. A més a més, com que els hidrocarburs només estan formats per carboni i hidrogen, es necessitarà introduir oxigen per oxidar-los. En aquest cas l’oxigen actuarà com a substrat. Aquest procés enzimàtic el porten a terme les oxigenases, enzims que actuen usant l’oxigen com a substrat.

També hi ha un altre procés metabòlic implicat en la transformació dels hidrocarburs que és el cometabolisme. Aquest procés es produeix quan un microorganisme és incapaç d’usar un compost com a substrat per el seu creixement, però és capaç de transformar-lo en un altre compost. En el cas dels hidrocarburs solen ser alcohols, cetones, àcids carboxílics,... aquests són bioacumulables però al medi natural trobem infinitat de microorganismes que porten transformacions metabòliques que es complementen per tant s’eliminen.

Video 2. Degradació natural del petroli.

 

Microorganismes implicats

Hi ha molta varietat de microorganismes que son capaços de degradar el petroli. Els més destacats són els bacteris i els fongs.

Dins dels bacteris hi ha una gran quantitat de generes capaços de descomposar o oxidar els hidrocarburs que formen el petroli com per exemple els generes dels Spirillum, Xanthomonas, Alcaligenes, Achrornobacter, Nocardia, Flavobacterium, Acinetobacter, Vibrio, Actinomyces, Micrococcus, Pseudomonas, Bacillus, etc. Els més importants són:

• Pseudomonas: són bacils gram-negatius que no produeixen espores. Aquest és el grup més important de tots els bacteris que degraden petroli ja que té un ampli potencial catabòlic per créixer en ambients amb propietats del petroli i per alimentar-se dels hidrocarburs. (veure imatge 6)
• Flavobacterium: són bacils aerobis, gram-negatius i immòbils. S’alimenten de tot tipus de compostos orgànics com els hidrocarburs.
• Nocardia: són cocs, gram-positius i es troben qualsevol sòl ric en matèria orgànica. Són capaços de degradar hidrocarburs amb cadena no gaire llarga, en condicions aeròbies.

   

 Imatge 6. Pseudomonas, grup de bacteris més importants que degraden el petroli.

 

Dins dels fongs hi ha molts generes que són capaços de degradar petroli per obtenir-ne nutrients, com per exemple: Aspergillus, Cladosporium, Debaromyces, Fusarium, Paecylomyses, Penicillium, Rhodosporidium, Saccharomyces, Trichoderma, etc. Però els més importants són:

• Aspergillus: són fongs filamentosos i oportunistes. Per tant, pot créixer en zones on hi ha acumulació de petroli i poden utilitzar els hidrocarburs com a font de carboni, és a dir, com a nutrients.
• Saccharomyces: tenen capacitat de fermentar els carbohidrats mitjançant la degradació dels hidrocarburs.
• Penicillium: aquests fongs tenen enzims necessaris per poder obtenir carboni mitjançant la degradació dels hidrocarburs que conté el petroli. (veure imatge 7) 

Imatge 7. Penicillum. Fong amb enzims necessaris per obtenir carboni mitjançant la degradació d’hidrocarburs.

Encara que tots els gèneres de bacteris i fongs citats anteriorment són capaços de degradar el petroli amb les enzims necessàries per fer-ho, tenen més importància els bacteris, concretament els de l’espècie de Pseudomonas.

3. Importància ambiental de la biodegradació del petroli.

Com hem explicat anteriorment, la biodegradació és el resultat dels processos de digestió, assimilació i metabolització de compostos orgànics, en el nostre cas de hidrocarburs, per part de bacteris, fongs, protozous i altres microorganismes. És un procés natural que permet l’eliminació de compostos nocius impedint la seva concentració. També és important i imprescindible per el reciclatge dels elements de la biosfera, és a dir, permet la restitució d’elements essencials que després molts organismes necessitaran per la seva formació i creixement. 

Alguns exemples d’aquest elements serien els carbohidrats, lípids i proteïnes. Així dons, la descomposició és completa quan els compostos orgànics són retornats al medi en forma inorgànica o mineral. Alguns compostos són degradats a diòxid de carboni i aigua, metre d’altres són utilitzats pels sapròfags (són organismes heteròtrofs vegetals els quals obtenen la seva energia de la matèria orgànica morta o dels detrits refusats per altres éssers vius). D’aquesta manera pot tornar a començar la xarxa tròfica.

La majoria de compostos sintetitzats biològicament també poden ser degradats biològicament, ara bé, existeixen alguns compostos com la lignina o la cel·lulosa, que són difícilment degradables per molts organismes degut a les seves característiques químiques. Molts d’aquests compostos tan sols són degradats per microorganismes, fongs, protozous,... específics. Un exemple per entendre-ho millor síon els rumiants, que s’alimenten de vegetals com la herba. Aquests són incapaços de digerir i descomposar els principals compostos dels quals estan formats els vegetals per tant, és necessària una simbiosi amb microorganismes específics, dins del seu sistema digestiu, perquè puguin obtenir tot lo necessari del aliment que ingereixen.

La descomposició del petroli és similar a la descomposició enzimàtica d’alguns productes naturals difícils com la lignina, cel·lulosa, i diferents lípids, i requereix de microorganismes específics que puguin fer-ho, que el seu substrat alimentari siguin els hidrocarburs que formen el petroli. 

4. Aplicacions: la bioremedicació

   

La bioremediació és la biotecnologia  que es basa en aprofitar les capacitats metabòliques dels microorganismes per degradar contaminants químics presents en diferents matrius ambientals com els sòls, aigües subterrànies,... i així accelerar aquest procés natural per minimitzar la contaminació ambiental. La tipologia dels contaminants amb què els determinats microorganismes es mostren més efectius són amb els hidrocarburs. En la majoria de casos s’estimulen les poblacions microbianes presents (intrínseca o bioremediació natural), atès a la seva adaptació a les condicions de contaminació. En altres casos s’afegeixen inòculs microbians obtinguts al laboratori amb les capacitats catabòliques adients. 

Abans de realitzar el procés de bioremediació cal conèixer bé les poblacions microbianes presents i els factors ambientals que afecten al procés. Podem classificar la bioremediació segons on té lloc: In situ és tractar el material en el mateix lloc on s'ha produït la contaminació mentre que ex situ implica emportar-se el material contaminat i tractar de descontaminar-lo a qualsevol lloc.          

Bibliografia

Ferrera, R., Rojas,N, G., Poggi, H, M. Procesos de biorremediación en suelo y agua. Microbiologia. Vol 48 Nº2, 2006.

Vallejo V, Salgado L., Roldan F. Evaluación de la bioestimulación en la biodegradación de TPHs en suelos contaminados con petróleo. Colomb. Vol VII Nº.2, 2005. 

Biodegradació i bioremediació de fuel del Prestige - CSIC - http://digital.csic.es/bitstream/10261/26697/4/Jimenez_Nuria_4.pdf

 

Identifican bacterias capaces de biodegradar compuesto del petróleo - http://www.latercera.com/noticia/tendencias/2012/03/659-437111-9-identifican-bacterias-capaces-de-biodegradar-compuesto-del-petroleo.shtml 

Biodegradación de hidrocarburos - http://www.cricyt.edu.ar/enciclopedia/terminos/HidrocBiod.htm 
 

Experiment biorremediació - http://www.youtube.com/watch?v=_o3j9MiXL8Y

 

Noves tècniques de bioremediació - http://www.youtube.com/watch?v=UW1V2OFEbCI