12.10: Biodegradación

Las bacterias, hongos y protozoos en el ambiente juegan un papel importante en la biodegradación tanto de materiales naturales como de sustancias sintéticas. Estos procesos ocurren predominantemente en el agua, en los sedimentos en cuerpos de agua y en el suelo. La biodegradación es el proceso por el cual la biomasa de organismos fallecidos se descompone en simples constituyentes inorgánicos, completando así el ciclo en el que se produce biomasa a partir del dióxido de carbono atmosférico y del agua por fotosíntesis.

La biodegradación de sustancias en el ambiente por la acción de enzimas en microorganismos se puede dividir metabólicamente en dos categorías. El primero de ellos es la utilización por microorganismos de materia orgánica que puede metabolizarse para obtener energía y como material para sintetizar biomasa adicional. Esta es la ruta que toman los microorganismos que degradan la biomasa de otros organismos, y en menor medida en la biodegradación de algunos materiales xenobióticos.La segunda forma en que los microorganismos metabolizan los químicos ambientales es a través del cometabolismo en el que las enzimas del organismo actúan sobre el sustancias como una “línea lateral” de sus procesos metabólicos normales. Las sustancias que se cometabolizan se denominan sustratos secundarios porque no son los principales compuestos para los que se diseñan los procesos enzimáticos.

Un ejemplo comúnmente citado de cometabolismo ocurre con la acción de Phanerochaete chrysosporium sobre compuestos organoclorados, incluyendo PCB y dioxinas. Comúnmente conocido como el hongo de la podredumbre blanca, este organismo tiene un sistema enzimático que normalmente descompone la lignina, el “pegamento” resistente a la degradación que mantiene unida la celulosa en la madera y las plantas leñosas. Bajo ciertas condiciones estresadas, sin embargo, la enzima actuará para cometabolizar compuestos organoclorados sintéticos y alguna vez fue ampliamente promovida como un medio para remediar sitios de desechos peligrosos contaminados con dichos compuestos.

El grado de biodegradación varía en un amplio rango. En el caso más simple, el cambio en la molécula sustrato es relativamente menor, como la adición, deleción o modificación de un grupo funcional. La biodegradación completa a especies inorgánicas simples —CO ₂ para carbono, NH ₄ ⁺ o NO ₃ ^- para nitrógeno, HPO ₄ ^2- para fósforo, SO ₄ ^2- para azufre— es el proceso de mineralización, lo cual es crucial para completar los ciclos elementales en el ambiente.

Un paso importante en la biodegradación es la modificación de una sustancia para reducir su toxicidad. Este proceso se llama desintoxicación (o a menudo desintoxicación). Un ejemplo de desintoxicación se da en la Reacción 12.10.1 a continuación para la conversión del paraoxón insecticida, un potente veneno nervioso, a p-nitrofenol, que es solo aproximadamente 0.005× como tóxico. En algunos casos, sin embargo, la acción de los microorganismos en el ambiente puede producir un material mucho más tóxico. Un ejemplo de esto es la generación de especies de metilmercurio móviles altamente tóxicas, Hg (CH _{3) 2 y HgCH 3} ⁺ a partir de especies inorgánicas insolubles y relativamente inofensivas de mercurio.

Una serie de factores están involucrados en la determinación de la efectividad y tasa de biodegradación.El compuesto en cuestión tiene que ser biodegradable. La biodegradabilidad está influenciada tanto por las propiedades físicas, como la solubilidad en agua, como por las características químicas, incluida la presencia de grupos funcionales susceptibles de ataque microbiano. Como se ilustra en el ejemplo que figura a continuación,

Los hidrocarburos de cadena ramificada son muy resistentes a la biodegradación, mientras que los hidrocarburos de cadena lineal, especialmente aquellos con un grupo funcional adecuado, son fácilmente metabolizados por microorganismos. Cabe señalar que incluso los compuestos muy poco biodegradables a menudo pueden degradarse en condiciones adecuadas. Como ejemplo, fenol,

es un compuesto biocida que mata bacterias y que alguna vez fue el desinfectante más utilizado. Sin embargo, en solución diluida y en las condiciones apropiadas, el fenol puede ser destruido por bacterias. Un aspecto importante de la biodegradación de compuestos resistentes es el uso de microorganismos aclimatados al tipo particular de compuestos. Las poblaciones de microorganismos aclimatados se encuentran comúnmente en lugares donde se han derramado los tipos de compuestos a tratar, como en los derrames de petróleo en el suelo.

La biodegradabilidad de los compuestos es una consideración importante en la química verde. Esto es especialmente cierto en el caso de los materiales “consumibles” que se disipan al medio ambiente. Uno de los ejemplos más comunes del uso de un material biodegradable como material consumible es la sustitución en detergentes domésticos del tensioactivo LAS biodegradable, el cual tiene una cadena hidrocarbonada lineal fácilmente biodegradable como parte de su estructura molecular, en lugar del surfactante ABS, que tiene un cadena ramificada poco biodegradable.