Biodegradare si biodeteriorare microbiana

Biodegradare si biodeteriorare microbiana

Microorganismele sunt utilizate nu numai pentru a sintetiza substante biologic active ca antibiotice, acizi organici sau proteine alimentare, ci si pentru a degrada substantele organice nedorite. Versatilitatea metabolica a bacteriilor este determinata de o serie de mecanisme complexe, controlate genetic, care le fac capabile sa se confrunte cu modificarile din mediu, inclusiv cu introducerea de substante noi.

În sens larg, notiunea de biodegradare se refera la modificarea proprietatilor unor materiale determinata de activitatea biologica a microorganismelor. Acest proces afecteaza in special materialele organice, dar si pe cele anorganice. În acest context, biodegradabilitatea reprezinta capacitatea unui compus de a fi modificat structural de catre un agent biologic.

Exista o delimitare neta intre procesele de biodegradare si cele de biodeteriorare.

Biodegradarea este un proces care actioneaza in sens pozitiv in natura. Multe procese biodegradative pot fi accelerate cu efecte benefice. Pe plan global, ele au o contributie majora in circuitul elementelor biologice in natura, iar pe plan local impiedica acumularea materialelor reziduale care contamineaza mediul.

Biodeteriorarea reprezinta actiunea prin care microorganismele determina transformarea unui material valoros intr-unul rezidual. Este deci un proces care actioneaza in sens negativ, care trebuie evitat sau intarziat.

Exemple de procese de biodegradare si biodeteriorare:

1. Atacarea hartiei care polueaza un sol de padure de catre Chaetomium globosum sau intr-un bioreactor cu scopul recuperarii anumitor constituenti utili reprezinta un proces de biodegradare. Atacul hartiei dintr-un depozit (carti, documente vechi, arhive etc.) de catre acelasi microorganism care o converteste la reziduuri nefolositoare, determinand pagube economice importante reprezinta un proces de biodeteriorare.
2. Descompunerea titeiului deversat accidental in apele marine este un proces util de combatere a poluarii prin biodegradare. În schimb, procesele similare care se petrec in rezervoarele cu titei reprezinta un proces de biodeteriorare.

În general, o anumita substanta organica nu este degradata integral de o singura specie de microorganisme. De obicei, atacul microbian este initiat de o specie care poseda enzime extracelulare necesare unei prime scindari a substantei complexe pana la componente mai simple, dupa care procesul este continuat de alte specii de microorganisme care metabolizeaza mai departe mult mai rapid substantele intermediare.

În alte cazuri, microorganismele se adsorb strans pe substratul inca intact, utilizand numai subunitatile din structura acestuia care trec spontan in solutie. Procesele de descompunere microbiana implica in unele cazuri (ca de exemplu piele, lemn, hartie, textile) distrugerea unitatilor structurale, ceea ce are ca rezultat pierderea proprietatilor functionale si fizice ale acestor materiale.

Alteori, ca de exemplu in cazul produselor alimentare, se ajunge la aparitia unor produsi de catabolism ca acizi, baze, amoniac, compusi sulfurati din proteine, aldehide si cetone, care dau gust si miros neplacut alimentelor sau sunt toxici.

Modificari induse de actiunea microorganismelor

Dezvoltarea si activitatea metabolica a microorganismelor pe diferite substraturi expuse biodegradarii sau biodeteriorarii determina urmatoarele alterari:

Alterari fizice.

Alterari chimice.

Impurificari si patari.

Modificari functionale.

1. Alterarile fizice imbraca o gama foarte larga in functie de natura substratului atacat. De exemplu, friabilitatea hartiei, decolorarea si modificarea vascozitatii vopselelor, caracterul sfaramicios al lemnului, pierderea elasticitatii cauciucului, ruginirea conductelor si perforarea lor, distrugerea izolatorilor cablurilor electrice s.a. Frecvent, modificarile fizice sunt asociate cu cele chimice. Fenomenul este evident in cazul microfungilor care perforeaza structurile externe inainte de dezvoltarea hifelor si de declansarea biodegradarii.

2. Alterarile chimice sunt produse in general pe 2 cai:

a.      Leziuni determinate prin procese de asimilare care corespund situatiei in care microorganismele utilizeaza constituentii materialului degradat ca nutrienti. O parte din ei sunt convertiti in biomasa microbiana, iar restul sunt degradati pana la CO₂ si apa. În final, materialul originar poate efectiv sa dispara.

Acest fenomen este tipic in cazul celulozei din structura organismelor vegetale. Atacata de enzimele extracelulare ale unor bacterii si fungi, celuloza este degradata la celobioza, care mai departe sub actiunea celobiazei este convertita la glucoza. Procese similare actioneaza cu enzime specifice asupra hemicelulozelor si ligninelor, explicand astfel pierderea rezistentei fizice, faramitarea si degradarea masiva a lemnului.

b.     Leziuni produse prin procese de dezasimilare ce corespund unor procese de degradare cu eliberarea unor substante chimice provenite din materialul supus biodegradarii. Si in acest caz exista un anumit grad de asimilare necesar pentru a asigura dezvoltarea microorganismului, dar acesta este minor. Ca urmare, densitatea globala a hifelor fungice care se dezvolta este foarte mica comparativ cu daunele economice produse prin pierderea rezistentei, prin patare sau alte actiuni secundare.

3. Impurificarea si patarea au drept cauza principala prezenta si dezvoltarea miceliului fungic, capacitatea acestuia de a acoperi suprafete mari si de a forma diferite substante intens colorate. Astfel se pateaza tesaturile de bumbac datorita substantelor colorate produse de Fusarium sp. sau a celor de nylon de catre specia Penicillium janthinellum. Lemnul de constructie se pateaza prin coloratia albastra produsa de hife care infecteaza lemnul determinand mari pierderi economice. Biodeteriorarea majora rezulta din patare.

4. Modificarile functionale sunt intalnite ca o consecinta a fenomenelor de fuling. Initiat de microorganisme, fulingul suprafetelor submerse ale navelor este completat prin depunerea de nevertebrate ca moluste, polichete, spongieri, briozoare, in conditii de iluminare, de depuneri de micro- si macroalge. Efectele negative sunt directe (degradarea lemnului, a cauciucului, a vopselelor, a unor mase plastice, procese de coroziune etc.) sau indirecte (cresterea in greutate, marirea rezistentei la deplasare, diminuarea vitezei navelor si consumul marit de combustibil).

Factorii care favorizeaza procesele de biodegradare

Prezenta substantelor asimilabile (C, N, S, P, Ca, Mg) si a unor factori de crestere reprezinta o conditie esentiala pentru colonizarea substratului respectiv si de initiere a proceselor de degradare.

1. Starea fizica

Substantele dizolvate sunt mai usor atacate decat cele aflate in suspensie, acestea din urma fiind mai usor atacate decat cele solide (lemn si roca). În atacarea materialelor solide, microfungii au un avantaj ecologic major decurgand din capacitatea lor de a patrunde in substrat si astfel nutrientii se scurg de-a lungul hifelor.

2. Structura chimica

Alcoolii, aldehidele, AA, acizii organici, amidele sunt mai usor atacati decat alcanii, cetonele, acizii dicarboxilici. Moleculele complexe insolubile cu o structura inalt ramificata, cele cu grupari heterociclice si mai ales diferiti compusi de sinteza chimica sunt deosebit de rezistenti, iar unele mase plastice sunt rezistente la biodegradare.

3. Umiditatea

Toate microorganismele au nevoie de o pelicula de apa in jurul celulelor. Relatia microfungilor cu umiditatea este decisiva in determinarea capacitatii lor de a exploata substratul supus actiunii lor.

4. Temperatura

Majoritatea microorganismelor biodegradative sunt active in special la 20 ºC. Exista insa specii active la temperaturi extreme care produc pagube economice enorme. De exemplu, speciile Cladosporium sp. si Sporotrichum sp. sunt active la +4 ºC, degradand alimentele conservate prin frig. Unele bacterii si microfungi termofili pot genera procese de termogeneza (60 - 80 ºC) in depozitele de cereale, de gunoi de grajd, de carbune, de turba, in capitele de fan.

Influenta conditiilor de mediu asupra proceselor de biodeteriorare este pregnant evidentiata in cazul picturilor murale care dateaza din Paleolitic. Introducerea acestor picturi in circuitul turistic a dus la contaminarea lor cu diferite microorganisme si la aparitia unor modificari de culoare descrise sub numele de maladia verde. La examenul microscopic s-a pus in evidenta o cianobacterie (Oscillatoria), iar ulterior s-a evidentiat o contaminare complexa cu bacterii, alge verzi si protozoare.

Activitatea microorganismelor asupra hidrocarburilor

Întelegerea proceselor de biodegradare microbiana a hidrocarburilor va face posibila nu numai elaborarea unui model de prognoza asupra sortii hidrocarburilor poluante, ci si dezvoltarea de strategii privind utilizarea activitatii degradative a microorganismelor pentru indepartarea hidrocarburilor din ecosistemele contaminate.

Numeroase microorganisme au capacitatea de a utiliza hidrocarburile gazoase, lichide sau solide din seria alifatica sau aromatica drept unica sursa de C si energie, descompunandu-le la compusi cu greutate moleculara mica sau chiar la CO₂ si apa.

Raspandite larg in mediile naturale si de multe ori semnificativ numerice, microorganismele (bacterii, cianobacterii, actinomicete, levuri, fungi filamentosi) ataca diferiti compusi ca petrolul, gazolina, kerosenul, uleiurile minerale, parafina, cauciucul natural si sintetic, conductele subterane, cablurile electrice protejate de materiale impregnate in parafine.

Primele observatii asupra acestui proces dateaza din 1895 cand s-a observat ca straturile subtiri de parafina considerata biologic inerta sunt patrunse de hifele de Botrytis cinerea. Ulterior s-a demonstrat ca mai multi microfungi din sol, inclusiv Penicillium glaucum, pot ataca parafina, descompunand-o si utilizand-o ca unica sursa de energie.

Importanta acestui fenomen in natura a fost semnalata de multi cercetatori care au constatat frecventa ridicata a microorganismelor in sol si incapacitatea de acumulare a unor hidrocarburi sintetizate de plante sau a unor ceruri produse de insecte.

Biodegradarea petrolului

Degradarea microbiana a petrolului in ecosistemele naturale reprezinta un caz particular al activitatii microorganismelor care au fost denumite hidrocarbonoclastice. Biodegradarea titeiului reprezinta un proces complex cu o evolutie care depinde de natura si de proportia diferitilor constituenti care intra in compozitia petrolului, precum si de natura comunitatilor de microorganisme si de o serie de factori de mediu care influenteaza activitatea acestor microorganisme.

Cele mai multe studii au fost efectuate in mediul marin unde au loc cele mai masive si mai importante deversari de petrol cu efecte brutale asupra organismelor si chiar asupra mediului insusi. Titeiul este un amestec complex de hidrocarburi si anume sute de compusi individuali cu structuri chimice si greutati moleculare diferite la care se adauga compusi diferiti de hidrocarburi ca fenoli, acizi, compusi heterociclici cu N, compusi ai sulfului.

Petrolul brut contine mai multe clase de hidrocarburi care sunt atacate de microorganisme:

Fractiunea alifatica (saturata) este reprezentata de alcani (compusi saturati). Aceasta fractiune cuprinde substante cu molecula liniara, ramificata sau ciclica. În general, hidrocarburile cu lant lung sunt atacate mult mai usor fata de cele care au numai cativa atomi de C per molecula. Acest fenomen este ilustrat de faptul ca metanul, etanul si propanul sunt oxidati mult mai lent si de catre un numar limitat de microorganisme comparativ cu hidrocarburile parafinice. De asemenea, moleculele liniare sunt atacate mai usor decat cele ramificate sau ciclice.

Fractiunea aromatica este reprezentata de compusi aromatici nesaturati, dintre care cel mai simplu este benzenul. Compusii aromatici sunt mai greu atacati de microorganisme in procesul de biodegradare, cea mai grea etapa fiind cea de clivare a ciclului.

Fractiunea ce cuprinde componenti cu structura complexa mai putin cunoscuta dpdv chimic si mai greu de degradat si studiat.

Poluarea mediilor naturale, ape dulci, mari, sol etc. cu titei este foarte frecventa. Dpdv ecologic, exista 2 tipuri de poluare:

Poluarea determinata de eliminarile lente, slabe, uneori imperceptibile la care se pot adauga contaminari mai masive rezultate din diferite activitati umane. De exemplu, din rafinariile de pe malul marii, din emisari industriali sau orasenesti. În aceasta categorie se incadreaza si eliminarile accidentale din porturi, din platformele de extractie marina sau din descarcarea in larg a apei de balast care antreneaza titeiul rezidual din tancurile navelor. Ansamblul acestor modalitati de poluare reprezinta peste 90 % din cantitatile de hidrocarburi deversate in mediul marin.

Deversarile cu caracter brusc si masiv, uneori dramatice, ca urmare a accidentelor navelor petroliere sau ale platformelor de foraj care insumeaza numai 6 % din totalul de hidrocarburi deversate in mediul marin.

Evolutia procesului de biodegradare a petrolului

Dupa deversarile masive in mari si oceane, procesul de degradare si de restabilire a echilibrului ecologic evolueaza in 3 faze:

Faza I este critica, cu o durata ce variaza de la cateva ore la cateva zile. Aceasta faza corespunde intinderii rapide a petrolului pe o arie mare la suprafata apei, faza asociata si cu unele procese fizice ca evaporarea, dizolvarea, emulsionarea. Evaporarea in atmosfera este variabila in functie de particularitatile poluantului (densitate, vascozitate, tensiune superficiala, proportia de hidrocarburi volatile), precum si de conditiile de mediu (vant, valuri, curenti, temperatura aerului si a apei). Datorita acestor factori, cantitatea evaporata variaza intre 10 % in cazul petrolului greu si pana la 75 % in cazul petrolului usor. În aceasta faza, poluantul se separa in 2 straturi diferite dpdv fizico-chimic:

Stratul superficial care contine fractiunile cele mai usoare si formeaza o pelicula lucioasa la suprafata apei. Acest strat superficial produce o serie de efecte negative, precum modificarea actiunii valurilor, incetineste evaporarea, retine si concentreaza poluantii chimici, detergenti, metale grele si chiar microorganisme. De asemenea, el se poate fragmenta si poate fi transportat la distante mari purtat de vant si curenti. Sub actiunea vantului se pot forma aerosoli care pot fi purtati pe suprafete, respectiv pe recolte la distante de sute de km.

Stratul / coloana din apa care este supus unui proces de emulsionare caracteristic ecosistemelor acvatice, proces cu importanta fundamentala pentru biodegradare. El se poate realiza sub 2 forme: emulsia ulei in apa (care se produce mai la suprafata si este dispersata de valuri si curenti la distante mari) si emulsia apa in ulei (care determina efectul numit "spuma de ciocolata" foarte heterogena dpdv fizic si chimic si care contine hidrocarburi cu greutate moleculara mare si o mare cantitate de apa de mare).

Faza a doua de degradare a hidrocarburilor se realizeaza pe 2 cai diferite:

Biodegradarea este realizata in ecosistemele acvatice in special de bacterii, fungi si unele alge. Desi microorganismele care degradeaza hidrocarburile sunt prezente peste tot, mai multi cercetatori semnaleaza faptul ca cele din zonele permanent poluate (de ex., porturile) au proprietati diferite de microorganismele din apele curate si au o capacitate mai mare de a degrada titeiul.

Degradarea chimica (abiotica) care se realizeaza prin fenomene de autooxidare si fotooxidare, respectiv prin fotoliza cu ajutorul radicalilor liberi foarte activi a caror combinare duce la formarea unui mare numar de compusi chimici mai toxici decat cei din care provin.

Faza a treia, numita si faza de restabilire a echilibrului ecologic care dureaza un timp variabil in functie de intensitatea poluarii si de conditiile in care a evoluat biodegradarea. Starea fizica a poluantului joaca un rol principal in procesul de biodegradare. Emulsionarea hidrocarburilor mareste suprafata de atac a microorganismelor si accesibilitatea enzimelor. Gradul de dispersie determina marimea suprafetei care poate fi colonizata de microorganisme care actioneaza numai la interfata apa-petrol.

Microorganismele care degradeaza hidrocarburile

Capacitatea de a utiliza hidrocarburile este larg raspandita in lumea microorganismelor, fiind intalnita la bacteriile adevarate, actinomicete, cianobacterii, levuri, fungi filamentosi, alge. Aceste microorganisme sunt prezente in sol, ape dulci si marine, in sedimente si au capacitatea de a sintetiza un spectru larg de enzime care asigura degradarea hidrocarburilor si indepartarea lor din mediul respectiv. Microorganismele care degradeaza hidrocarburile apartin la peste 100 de specii si peste 30 de genuri.

Bacterii: Achromobacter, Actinomyces, Alcaligenes, Arthrobacter, Bacillus, Corynebacterium, Brevibacterium, Flavobacterium, Micrococcus, Spirillum, Vibrio etc. la care se adauga bacteriile fotosintetizante din genurile Rhodopseudomonas si Rhodospirillum, care degradeaza petrolul in conditii de anaerobioza stricta si iluminare slaba.

Cianobacterii: cele mai active in ceea ce priveste capacitatea de a oxida hidrocarburile aromatice sunt: Nostoc, Oscillatoria, Microcoleus etc.

Levuri: Candida, Rhodotorula, Rhodospirillum, Saccharomyces, Sporobolomyces

Fungi filamentosi: Aspergillus, Acremonium, Cladosporium, Fusarium, Penicillium, Trichoderma, Trichosporium.

Alge: Amphora, Chlorella, Chlamydomonas, Ulva.

Numarul microorganismelor care degradeaza hidrocarburile creste foarte mult dupa poluare si se mentine ca atare uneori mai mult de 1 an. În sol, dupa contaminare cu hidrocarburi, fungii care degradeaza hidrocarburile reprezinta 60 - 82 % din micropopulatia solului, iar bacteriile 50 % din micropopulatia respectiva. În mari si oceane, numarul microorganismelor respective este de 10 - 100 ori mai mare in straturile superioare ale apelor poluate decat la adancimea de 10 cm.

Se considera in general ca densitatea populatiilor de microorganisme care degradeaza hidrocarburile si proportia lor in comunitatile naturale de microorganisme reprezinta un indicator sensibil al expunerii mediului respectiv la acesti compusi. Gradul de depasire a nivelului normal (nepoluat) reflecta adesea cantitativ gradul de expunere a ecosistemului la poluarea cu hidrocarburi.

Potentialul de biodegradare variaza in primul rand in functie de tipul si greutatea moleculara a hidrocarburilor. De exemplu, alcanii cu lanturi scurte sunt toxici pentru microorganisme, dar sunt usor volatili. Cei cu lant lung insa devin progresiv mai rezistenti pentru ca la greutatea moleculara de 500 - 600 Da sa nu mai poata fi utilizati ca sursa de C si energie de catre microorganisme.

Cel mai rapid sunt degradati n-alcanii cu lanturi lungi de C₁₀ - C₂₄. Ramificarea catenelor conduce la reducerea vitezei de degradare, iar compusii aromatici sunt degradati cel mai lent datorita complexitatii mecanismelor biochimice implicate.

Factorii de mediu care influenteaza biodegradarea hidrocarburilor

Soarta hidrocarburilor deversate in mediile naturale depinde in mare masura de o serie de factori abiotici care afecteaza modificarea si biodegradabilitatea lor. Acesti factori influenteaza viteza de crestere a microorganismelor si activitatea enzimelor.

Persistenta poluantului depinde nu numai de cantitatea si calitatea amestecului de hidrocarburi, dar si de proprietatile ecosistemului afectat. De aceea, in anumite conditii hidrocarburile din petrol pot persista numai cateva ore sau cateva zile, in timp ce altele persista indefinit.

Temperatura

Efectele temperaturii se manifesta prin interactiune cu alti factori ca natura si calitatea amestecului de hidrocarburi, compozitia comunitatilor de microorganisme etc.. Importanta deosebita a temperaturii asupra microorganismelor este in parte atenuata in cazul mediilor naturale (sol, apa marilor) de prezenta diferitelor categorii de microorganisme adaptate la conditiile respective (criofile, mezofile, termofile).

Datorita acestui fapt, biodegradarea diferitelor categorii de hidrocarburi a fost demonstrata la temperatura de 0 ºC, 47 ºC si chiar la 60 ºC. Cele mai multe date experimentale au fost obtinute la temperaturi cuprinse intre 25 si 37 ºC.

Temperaturile mici de regula intarzie viteza de volatilizare a hidrocarburilor cu greutate moleculara mica, dintre care unele sunt toxice pentru microorganisme. În regiunile reci, vitezele de degradare sunt mult mai mici si ca urmare indepartarea petrolului din mediu se face mai greu.

Salinitatea si presiunea hidrostatica

În mediile cu salinitate ridicata viteza metabolismului microorganismelor este mult diminuata si ca urmare biodegradarea hidrocarburilor este redusa. Presiunile mari incetinesc foarte mult viteza de degradare. Fenomenul este important deoarece hidrocarburile care polueaza apele oceanului au tendinta de a se depunde in sedimente, ceea ce determina mentinerea lor la acest nivel vreme indelungata.

Oxigenul

Biodegradarea petrolului este foarte activa in aerobioza, deoarece toate caile biochimice implicate cunoscute functioneaza cu participarea oxigenazelor si a oxigenului. În bazinele acvatice anoxice, in sedimentele bentonice, lipsa oxigenului limiteaza foarte mult biodegradarea.

Nutrientii

Rolul nutrientilor, in special al azotului si fosforului, este controversat. Unii cercetatori ii considera factori limitanti ai biodegradarii, altii nu. Explicatia acestor puncte de vedere diferite rezida in natura diferita a hidrocarburilor supuse biodegradarii. Se considera insa ca azotul si fosforul in concentratii suficiente in apa de mare limiteaza viteza de biodegradare a hidrocarburilor dupa poluarile masive. De aceea, se recomanda adaugarea unor cantitati adecvate de N si P sub forma de fertilizatori care exercita un rol stimulator asupra biodegradarii.

Biodegradarea stimulata a petrolului

Studiul proceselor de biodegradare a petrolului in conditii stimulate in laborator sau in natura a demonstrat dependenta lor de conditiile de mediu, precum si de prezenta si activitatea microorganismelor.

În unele medii naturale (ape dulci sau marine, sol), desi comunitatile de microorganisme sunt prezente si capabile sa biodegradeze petrolul, acestea nu isi pot desfasura activitatea datorita conditiilor de mediu nefavorabile. În alte situatii s-a constatat ca adaugarea de microorganisme active fara modificarea conditiilor de mediu s-a dovedit ineficienta.

Pornind de la aceste constatari au fost imaginate o serie de masuri de stimulare a biodegradarii adecvate mediului care urmeaza a fi tratat. Metodele de modificare a mediului sunt variabile in functie de particularitatile locale.

Oxigenarea

Pornind de la observatia ca o buna biodegradare a petrolului necesita O₂, au fost propuse o serie de masuri de stimulare a biodegradarii printr-o aerare intensa. Astfel, aerarea fortata, foarte eficienta pentru tancurile cu apa ale vapoarelor poate fi folosita pentru a furniza oxigen in lagune si in unele medii cu apa dulce.

Nutrientii anorganici

Cresterea microorganismelor necesita cantitati mari de N si P si mai mici de S, Fe, Mg, Ca, Na. Prezenta acestor elemente in diferite medii este variabila, ca si usurinta cu care pot fi adaugate pentru a stimula biodegradarea. În unele sisteme inchise, nutrientii minerali (N, P) se pot adauga sub forma de solutii apoase de fosfat de amoniu, iar in sol sub forma de fertilizatori azotati sau fosfatici.

Înafara de pretul ridicat si de dificultatile de administrare, metodele folosite in acest scop nu sunt lipsite de inconveniente. În mediile cu apa dulce, utilizarea acestor nutrienti anorganici poate determina aparitia unui proces de eutrofizare, cu cresterea excesiva a algelor, fapt ce depaseste cu mult avantajele rezultate din stimulare.

În mediul marin exista riscul unor influente negative asupra resurselor piscicole, iar la nivelul solului exista riscul perturbarii microbiotei normale a solului, adica o crestere excesiva a microorganismelor care pot fi nocive pentru plante si chiar pentru animale.

Obtinerea de bacterii cu proprietati degradative superioare

Microorganismele dispun de un echipament enzimatic necesar pentru a-si realiza propria inginerie genetica si o fac cu succes in conditii naturale, utilizand mecanisme foarte sofisticate. De aceea, nu este nimic nenatural in ingineria genetica practicata de om si ca urmare omul nu trebuie sa aiba retineri in ceea ce priveste aplicarea acestor tehnologii.

Întelegerea rolului bacteriilor in procesele de biodegradare a petrolului in natura a condus la ideea utilizarii unor tulpini cu activitate biologica superioara. Microorganismele ideale pentru acest scop trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii:

Sa degradeze intens si rapid o gama cat mai larga de compusi din petrol.

Sa se reproduca rapid.

Sa se multiplice si in medii naturale.

Sa fie genetic stabile si sa poata fi conservate si recultivate fara a suferi modificari esentiale.

Sa nu produca efecte toxice si sa nu fie patogene.

Sa poata fi utilizate in asociere cu alte microorganisme active pentru a asigura degradarea diferitelor tipuri de hidrocarburi.

Perspectivele utilizarii tehnicilor genetice conventionale si a celor de inginerie genetica sunt foarte mari deoarece genele care codifica enzimele cu activitate biodegradativa sunt localizate pe plasmide catabolice.

Tulpinile bacteriene individuale pot purta una sau mai multe plasmide diferite. Se stie ca multe plasmide au caracter de conjugon si pot initia si realiza mecanisme de transfer intraspecific, interspecific si intergenic sau pot fi supuse unor procese de amplificare genica (marirea numarului de plasmide per celula bacteriana).

Toate aceste comportamente duc teoretic la posibilitatea obtinerii unor tulpini bacteriene cu proprietati biodegradative superioare. Prin tehnici de inginerie genetica s-au obtinut tulpini bacteriene care cumuleaza un numar mare de plasmide diferite sau de fragmente plasmidiale utile, putand astfel sa degradeze o gama cat mai larga de hidrocarburi.

O astfel de bacterie, denumita si multiplasmidica, se dezvolta mai repede si mai bine pe titeiul pur pe masura ce numarul proceselor de biodegradare efectuate creste cantitativ si ca varietate. Aceste bacterii multiplasmidice sunt mult mai eficiente decat bacteriile cu o singura plasmida care degradau o singura hidrocarbura.

Tulpinile bacteriene astfel obtinute au 2 utilizari importante:

Combaterea "mareelor negre" determinate de deversarea accidentala in mari si oceane a unor mari cantitati de petrol din vapoare. Raspandite din avion deasupra zonei calamitate, bacteriile multiplasmidice prolifereaza rapid si transforma petrolul in proteine asimilabile (biomasa) de catre zooplancton, realizand astfel depoluarea apei si tranformarea hidrocarburilor din petrol in hrana pentru fauna marina.

În biotehnologie, pentru debarasarea petrolului brut de diferite hidrocarburi ciclice, aromatice sau policiclice inainte de utilizarea lor pentru producerea de drojdii furajere.

Aplicarea bacteriilor reprogramate genetic in natura nu este lipsita de inconveniente care pot influenta eficienta lor.

Competitia lor cu microbiota oceanica normala care este mai bine adaptata la mediul respectiv.

Nevoia asocierii unor modificari fizice sau chimice ale mediilor naturale (aerare, imbogatire cu compusi azotati sau fosforici).

Existenta unor compusi rezistenti la degradare asa cum sunt hidrocarburile cu greutate moleculara mare, cu catene ramificate sau aromatice, cu cicluri aromatice.

Riscul ca degradarea hidrocarburilor simple si mentinerea celor rezistente sa creeze probleme noi.

Diferentele de compozitie chimica a diferitelor sortimente de petrol provenite din diferite regiuni ale lumii.

Efectele negative ale microorganismelor care degradeaza hidrocarburile

Actiunile de degradare si biodegradare a hidrocarburilor pot avea o serie de efecte nocive cu consecinte grave dpdv economic. Dintre aceste efecte, cele mai importante sunt urmatoarele:

Alterarea petrolului brut din rezervoare asociata cu diminuarea densitatii normale si cu alte modificari nedorite.

Decolorarea produsilor de rafinare.

Scaderea cifrei octanice a kerosenului si a gazolinelor utilizate in aeronautica.

Aparitia de mirosuri dezagreabile si modificarea proprietatilor fizico-chimice ale uleiurilor minerale folosite ca lubrifianti sau ca agenti de racire.

Producerea de amestecuri explozive in tancurile de stocare a kerosenului sau gazolinei prin formarea unui amestec de metan si hidrogen care rezulta din descompunerea kerosenului in contact cu apa.

Biodegradarea cauciucului

Considerat in general ca un produs relativ inert, cauciucul sub diferitele sale forme poate fi atacat lent de mai multe microorganisme. Faptul ca desi materia prima este produsa de numeroase plante nu se acumuleaza in natura este o proba evidenta de degradare in conditii naturale. Natura biologica a procesului este probata de suprimarea lui in mediile cu substante chimice antimicrobiene sau in cele sterilizate termic.

Latexul este produs de numeroase specii de Euphorbiaceae, Moraceae si Apocynaceae, dar cel mai comercial produs este cel de Havea brasiliensis in conditii favorabile dezvoltarii microorganismelor: umiditate permanenta intre 50 si 100 %, temperaturi intre 21 si 32 ºC si prezenta unui numar mare de bacterii in sol (10⁷ - 10⁹ /g sol).

Latexul pur este un produs relativ instabil, oxidabil in prezenta oxigenului, mai ales la lumina. Este atacat rapid de o serie de bacterii din genurile Gaffkya, Micrococcus, Alcaligenes. În aprox. 6 saptamani, peste 20 % din latexul inalt purificat este complet degradat, iar restul este profund modificat, decolorat, acidifiat.

Cauciucul perfect pur este un amestec de hidrocarburi cu formula (C₅H₈)_n. Latexul de Havea contine 30 - 40 % cauciuc. Datorita degradabilitatii lui spontane si mai ales biologice, acest latex este prelucrat si protejat prin adaugarea unor prezervanti chimici. Cauciucul natural este degradat de microorganisme si astfel pierde din greutate si sufera modificari ca gonflarea, slabirea structurii, pierderea elasticitatii, aparitia unor perforatii etc..

Dintre microorganismele active sunt citate in primul rand bacteriile cromogene. Acestea determina aparitia de pete albe sau colorate pe suprafetele pe care se multiplica. Dintre aceste bacterii cromogene, mai frecvent intalnite sunt Actinomyces fuscus, Micrococcus prodigiosus, Micromonospora, Mycobacterium rubrum, Pseudomonas fluorescens si unii microfungi ca Penicillium sp., Aspergillus oryzae etc..

Aceste microorganisme se pot dezvolta pe medii cu cauciuc ca unica sursa de C si energie. Ele sunt mai active pe cauciucul pur care este degradat mult mai rapid decat cauciucul comercial, prelucrat prin adaugarea unui numar mare de compusi chimici care ii maresc rezistenta la biodegradare, la solventi, le confera termorezistenta si mecanorezistenta, mentinand elasticitatea si culoarea normala a cauciucului.

Cauciucul sintetic este produs prin asamblarea unor polimeri sau copolimeri de hidrocarburi nesaturate. Desi difera mult de cauciucul natural, are unele proprietati comune cu acesta si anume riscul de a fi expus biodegradarii, mai ales atunci cand este mentinut timp indelungat in medii umede.

În natura, degradarea cauciucului este rezultatul activitatii comune a unui numar mare de microorganisme si are loc mai rapid si mai intens decat in cazul actiunii acestora in culturi pure. Activitatea de degradare a cauciucului este deosebit de importanta in cazul atacarii invelisului izolator din cauciuc al cablurilor electrice ingropate in sol sau imersate in apa. În acest caz, procesele microbiene determina intr-un timp scurt o pierdere considerabila a capacitatii izolante a invelisului.

Deteriorarea vopselelor

Este un proces complex care se realizeaza atat asupra vopselelor din recipiente, cat și asupra celor etalate prin procedeele curente de vopsire. Biodeteriorarea vopselelor din diferite ambalaje implica apariția unor fenomene ca: decolorarea, producerea de gaze, modificarea proprietaților fizice si chimice, efecte ce fac ca aceste vopsele sa nu mai poata fi utilizate.

Biodeteriorarea vopselelor in pelicula pe lemn sau alte substraturi implica apariția de fisuri, desprindere de substrat, apariția unor hife ce dau pete de culori diferite etc. În procesul de deteriorare a vopselelor au fost incriminate mai multe grupe de microorganisme:

Bacterii: Alcaligenes sp., Bacillus cereus, Bacillus mycoides, Flavobacterium invisible, Micrococcus albus, Micrococcus ureae, Sarcina flava etc. Aceste bacterii cresc, de regula, la interfața lemn - vopsea.

Fungi: Alternaria, Aspergillus, Cladosporium, Cephalosporium, Fusarium etc. Prezența fungilor crește capacitatea de retenție a particulelor de praf. Acestea se asociaza cu substratul și datorita substanțelor organice contaminante furnizeaza noi surse de nutrienți pentru fungi.

Acțiunea de biodeteriorare a vopselelor are un caracter de gravitate extrema daca ne referim la atacul operelor de arta ca picturi in ulei, fresce etc.

Degradarea rocilor

Degradarea rocilor in situ a fost considerata timp indelungat ca fiind rezultatul unor procese mecanice și fizico-chimice, urmate de transportul particulelor de roca sau al soluțiilor lor.

Alterarea rocilor este descrisa ca un proces chimic dependent de natura mineralelor, a rocilor și a cimentului lor dirijat de influențe anorganice și organice in prezența apei. Acest proces are drept consecința solubilizarea parțiala sau totala a mineralelor și a cimentului rocilor și este reglat de urmatorii factori:

natura, stabilitatea și porozitatea rocilor;

topografia lor;

microclimatul și climatul solului care le acopera;

accesibilitatea apelor subterane;

pH-ul și potențialul de oxidoreducere.

Aproximativ 95 % din totalitatea rocilor de pe suprafața planetei sunt roci endogene, vulcanice și metamorfice. Ele formeaza un strat gros de ~ 10 km pe scoarța terestra. Restul de 5 % este reprezentat de situsurile argiloase (4 %), gresie (0,75 %) și de roci calcaroase (0,25 %).

Ajunse la suprafața solului, aceste roci sunt expuse acțiunii degradative a unor agenți fizici, chimici și biologici, avand ca rezultat dizolvarea parțiala sau totala a mineralelor din structura lor sau a cimentului care leaga diferiți constituenți. Au fost descrise 2 tipuri de modificari:

Eroziunea sau fragmentarea in bucați, ramașițe și particule minerale a rocilor.

Coroziunea, respectiv dizolvarea elementelor constitutive care are ca rezultat dispersarea materialului fie sub forma de soluție, fie sub forma unor particule in suspensie.

Deși rolul agenților fizici și chimici in procesul de eroziune a fost mult discutat și studiat, rolul organismelor vii a fost mult timp neglijat chiar daca se cunoștea faptul ca lichenii, briofitele și chiar plantele superioare au rol degradativ asupra rocilor.

Una din dificultațile majore este reprezentata de complexitatea fenomenelor de degradare a rocilor care fac practic imposibil de identificat acțiunea microorganismelor separat de cea a factorilor fizico-chimici.

Pentru identificarea microorganismelor cu acțiune degradativa se recomanda indeplinirea a 3 condiții fundamentale:

Microorganismele active incriminate sa fie prezente constant și in numar mare in leziunile considerate a fi cauzate de microorganisme.

Aceste microorganisme sa poata fi izolate din acel loc și cultivate in laborator.

Aceste microorganisme sa prezinte activitate degradativa similara in vitro.

În ceea ce privește natura microorganismelor implicate, problema este puțin elucidata. Cercetarile mai vechi arata ca biodegradarea rocilor este rezultatul intervenției alternative a unor microorganisme autotrofe și heterotrofe. Date mai recente demonstreaza rolul substanțelor organice transportate prin mecanisme fizico-chimice care asigura astfel hrana pentru microorganismele heterotrofe care se multiplica activ.

Au fost evidențiate numeroase bacterii ca bacili sporulați, coci, actinomicete, cianobacterii, numeroși microfungi ca Cephalosporium, Trichoderma, Sporotrichum, precum și microalge.

Microorganismele se localizeaza frecvent in rocile fisurate de agenții fizici sau corodate de precipitatii, de radacinile plantelor sau in regiuni in care au patruns pe diferite cai substante organice provenite de pe suprafata solului. Multiplicandu-se, aceste microorganisme acționeaza ca agenți biochimici prin 2 mecansime care se completeaza reciproc:

Secreția de acizi care disociaza elementele minerale ca de ex. silicații de Al, K, Fe, Mg care intra in compoziția rocilor.

Introducand in mediul gazda acizi organici care conțin grupari -COOH, -OH sau -NH₂ rezultați din catabolismul reziduurilor organice sau secretați de microorganisme.

În cazurile in care procesele au o intensitate marcata, mineralele incomplet dizolvate sau transformate sunt transportate și sedimentate, formandu-se astfel rocile sedimentare cu o compoziție diferita de a rocilor originare.

În general, activitatea microorganismelor marește viteza proceselor de degradare comparativ cu cea a proceselor fizico-chimice. Procesele de degradare microbiana a rocilor nu au o evoluție liniara. În funcție de condiții, ele pot fi dominate de cele fizico-chimice și uneori le pot domina pe acestea. Sunt și situații in care ele se pot opri pentru a fi reluate atunci cand condițiile de clima, mediul biologic sau compoziția rocii se modifica.

O particularitate a proceselor biodegradative este ca nu necesita obligatoriu contactul direct cu roca. Ele pot fi realizate și la distanța deoarece spre ex. apele interstițiale modificate de produșii metabolismului microorganismelor se scurg in sol și de-a lungul fisurilor rocilor ajungand astfel in adancime in contact cu rocile subiacente.

Degradarea microbiana a substantelor xenobiotice

Capacitatea microorganismelor de a degrada diferite molecule complexe existente in natura este pe deplin recunoscuta, la fel ca si rolul esential al microorganismelor in circulatia elementelor biogene in natura.

Obtinerea pe cale sintetica a numeroase substante organice cu grade diferite de complexitate ca de ex. pesticidele sau unele substante folosite in industrie, medicina etc. a demonstrat caracterul refractar la degradarea microbiana a multora dintre aceste substante.

Substantele xenobiotice sunt substante chimice organice sintetice care sunt introduse in ecosistemele naturale voit sau accidental. Fiind in general rezistente la biodegradare, se pot acumula in concentratii care depasesc anumite limite de toleranta, determinand efecte negative asupra organismelor vii, precum si dificultati de a fi introduse in circuitul global al elementelor biogene in natura.

Numarul substantelor obtinute prin sinteza chimica este enorm. Unele dintre acestea sunt biodegradabile, dar cele mai multe sunt recalcitrante. Pe baza compozitiei chimice substantele xenobiotice poluante au fost grupate in 3 categorii:

Compusii organoclorurati.

Compusii alchil-benzen-sulfonati.

Compusii organofosforici.

Compusii organoclorurati, denumiti si organohalogenati, reprezinta grupul cel mai numeros si mai bine studiat. Este reprezentat de o gama larga de compusi cu proprietati fizico-chimice foarte diferite si cu grade diferite de rezistenta la degradare. Acesti compusi sunt utilizati in agricultura, medicina, industrie etc.

Alchil-benzen-sulfonatii intra in compozitia detergentilor anionici. Ei sunt rezistenti la degradare si produc spuma la suprafata apelor poluate.

Degradarea compusilor xenobiotici

Termenul de degradare sau biodegradare este utilizat in general cu o doza de ambiguitate deoarece este folosit fara discriminare pentru orice transformare care are loc atunci cand se doreste obtinerea unui produs cu o molecula mai mica decat cea originara. În cazul substantelor xenobiotice situatia este agravata deoarece degradarea lor poate duce la aparitia unor produsi noi refractari si toxici, uneori chiar mai toxici decat produsul originar sau cu efect oncogen.

Se cunosc 2 mecanisme majore de degradare a substantelor xenobiotice: mineralizarea si co-metabolismul.

Mineralizarea

Reactia cea mai avantajoasa pentru protectia mediului natural (apa, sol etc.) este mineralizarea care poate fi definita drept consecinta unui proces de biodegradare completa. În cazul moleculelor xenobiotice halogenate, ea implica conversia scheletului de C al acestora la intermediari de metabolism si in final revenirea substantelor organice halogenate la starea minerala.

Procesul de mineralizare este conditionat de urmatorii factori:

Patrunderea substantelor straine in celule.

Existenta unor sisteme enzimatice degradative apartinand metabolismului cu rol de indepartare a structurii lor xenobiotice si de conversie a substantelor intr-o forma naturala.

Existenta unor mecanisme de reglare susceptibile de a fi activate la nevoie.

Co-metabolismul

Numerosi compusi xenobiotici si in special pesticidele organoclorurate nu pot fi folosite de microorganisme ca unica sursa de C si energie si ca urmare ele nu pot fi indepartate din mediu. Aceste pesticide pot fi insa modificate pe cale biologica in natura prin actiunea unor populatii mixte de microorganisme.

În aceste cazuri, in cultura pura, nici un organism nu pot folosi substratul respectiv pentru crestere, dar in prezenta unei surse alternative de C si energie il poate modifica, transformandu-l chimic a. i. adeseori poate fi folosit in continuare de alte organisme.

Procesul prin care un substrat este modificat fara a fi utilizat de catre un microorganism care creste pe alt substrat a fost descris pentru prima data la bacteria Methylomonas methanica. Aceasta bacterie utilizeaza pentru crestere metanul si realizeaza concomitent un proces de oxidare a diferitelor substraturi prezente in mediu. De exemplu, etanul la acid acetic, propanul la acid propanoic si acetona, butanul la acid butanoic si metil-acetona.

Bacteria metanotrofa utilizeaza pentru crestere numai substratul caracteristic tipului sau de nutritie. Ea nu poate utiliza ca unica sursa de C si energie nici substraturile enumerate si nici produsii oxidarii lor.

Acest proces prin care o bacterie oxideaza o substanta fara a fi capabila sa o utilizeze ca sursa de C si energie pentru crestere a fost numit co-oxidare. Ulterior s-a propus termenul de co-metabolism pentru a include si alte reactii si pentru a scoate in evidenta necesitatea prezentei concomitente a unui substrat menit sa asigure cresterea.

Conceptul de co-metabolism a fost redefinit pentru a caracteriza procesul de transformare a unui substrat care nu permite cresterea unui microorganism in prezenta unui substrat de crestere sau a altui compus transformabil.

În acest context, degradarea unor compusi organici rezistenti la atacul unui microorganism devine posibila daca sistemul substrat-mediu-microorganism este suplimentat cu unul sau mai multe substraturi aditionale utilizabile de microorganismul respectiv. Microorganismul astfel ajutat devine capabil sa degradeze substratul respectiv, dar ramane in continuare incapabil sa-l foloseasca drept sursa de C si energie.

Procesele de co-metabolism au urmatoarele caracteristici:

Au loc numai in mediile naturale nesterile (apa, sol etc.).

Nu se poate izola niciodata un microorganism capabil sa utilizeze substantele xenobiotice in mod eficient ca sursa de nutrienti si energie.

Populatia de microorganisme responsabila de degradare nu creste ca numar sau ca biomasa in urma introducerii substratului respectiv in apa sau in sol.

Produsii rezultati din co-metabolism sunt de cele mai multe ori lipsiti de functie metabolica daca nu sunt atacati in continuare de alte enzime apartinand catabolismului.

Procesul de co-metabolism este activ in degradarea unor pesticide comune si a mai multor molecule clorinate sau neclorinate. Habitatele naturale sunt populate de regula de comunitati complexe de microorganisme alcatuite din mai multe specii care interactioneaza.

Speciile individuale, avand diverse activitati catabolice, actioneaza sinergic, formand o comunitate fiziologica cu o activitate metabolica concentrata, deosebita fundamental de actiunea individuala a unui microorganism. Astfel se explica posibilitatea mineralizarii unor substante de sinteza rezistente la degradare.

Degradarea substantelor xenobiotice se poate realiza teoretic pe 2 cai principale:

a.     Prin utilizarea echipamentului enzimatic in cazul in care substratul nou are un anumit grad de analogie chimica si structurala cu anumite produse naturale.

b.     Prin activitati enzimatice noi codificate de genele preexistente sau de gene noi heterologe in urma unor rearanjari si recombinari genetice.

Cauzele rezistentei la degradare

Perspectiva obtinerii in viitor a unor pesticide biodegradabile este legata de cunoasterea aprofundata a mecanismelor complexe care stau la baza caracterului de molecula recalcitranta.

Biodegradarea este conditionata de patrunderea substantei in celulele microorganismelor, acest proces fiind in functie de marimea moleculei. Astfel, moleculele organice prea mari sau prea complexe si insolubile sunt inaccesibile ca atare bacteriilor si fungilor.

Aceste molecule organice trebuie mai intai degradate la compusi mai mici care pot patrunde in celula microorganismului si pot fi utilizati intracelular. Degradarea initiala este efectuata de enzime extracelulare, apoi urmand degradarea in compusi mai mici care pot patrunde in celule.

Structura moleculara a compusului joaca de asemenea un rol esential in degradare. Acest fapt poate fi ilustrat daca luam ca exemplu degradarea celulozei si a ligninei. În cazul celulozei actioneaza celulazele care cliveaza in mod repetat acelasi tip de legatura chimica dintre subunitatile identice.

Complexitatea mare a unui heteropolimer care poate necesita pentru degradare actiunea mai multor enzime sau specii de microorganisme pentru a aduce acest heteropolimer intr-o forma degradabila este o cauza ce poate conferi unei molecule organice caracterul de recalcitranta.

Absenta unui echipament enzimatic necesar pentru biodegradare. Spre deosebire de biopolimeri care sunt degradati mai mult sau mai putin lent de unul sau mai multe microorganisme, substantele xenobiotice sunt frecvent refractare la biodegradare din cauza absentei enzimelor active asupra structurii lor.

Una din explicatii consta in faptul ca aparitia diferitilor polimeri naturali in cursul evolutiei a fost lenta de-a lungul milioanelor de ani, permitand evolutia paralela a catabolismului microorganismelor si a enzimelor acestora. În consecinta, substantele naturale sunt degradate si folosite de microorganisme ca sursa de material de constructie, pentru biosinteze si ca sursa de energie.

Compusii xenobiotici, avand structuri chimice foarte variate si complexe, au aparut intr-un timp scurt si contin grupari chimice in general nerecunoscute de enzimele microorganismelor. Sunt cazuri cand unii dintre acesti compusi prezinta asemanari cu unii compusi naturali si ca urmare pot fi degradati. În consecinta, aceste substante pot fi partial sau total degradate.

Incapacitatea poluantilor de a induce sinteza de catre microorganisme a unor enzime degradative. Concentratia foarte mica a unor poluanti in mediu poate afecta profund sensibilitatea lor la biodegradare. În aceste habitate exista riscul ca microorganismele capabile sa ii degradeze sa fie prezente, insa concentratia poluantului sa nu fie suficienta pentru a induce sinteza de enzime pentru degradare.

Rezistenta la degradare a unor poluanti organici este determinata de adsorbtia lor pe diferite substraturi din sol sau din sedimente care le fac indisponibile pentru preluarea de catre microorganisme. Prin acest proces este mascat situsul de legare a enzimei de substrat, fapt care poate transforma o molecula biodegradabila in una refractara.

De ex. multe pesticide se pot lega de humus, pastrandu-si caracterul xenobiotic atunci cand sunt desprinse de constituentii acestuia prin degradarea matricei humice inconjuratoare de catre unele microorganisme. În aceste conditii, pesticidele legate de humus mobilizate de microorganisme pot contamina recolta si chiar diferite organisme care nu au fost expuse anterior actiunii lor.