Karen Abigail Avendaño Arellano
Facultad de Ciencias Biológicas, Unidad Torreón, UAdeC
karen_mgn13@hotmail.com
Resumen
El humus está compuesto en su mayoría de sustancias húmicas las cuales se originan por medio de procesos abióticos y bioquímicos de degradación de materia orgánica por actividad microbiana, que consta de al menos dos fases y recibe el nombre de humificación. Las sustancias húmicas se encuentran en ambientes naturales, como sedimentos y bosques, y en ambientes artificiales, como composta; son moléculas complejas de estructura heterogénea con un núcleo de anillos aromáticos rodeado de diversos grupos funcionales. Es debido a su complejidad y actividad redox que tienen habilidades como ser transportadoras y aceptores finales de electrones, lo cual les permite desempeñar diferentes roles en cuanto a bioremediación, ambiental se refiere como degradación de contaminantes en suelo y regulación de la emisión de gases de efecto invernadero.
Introducción
El humus es materia orgánica descompuesta, representa la mayor cantidad de materia orgánica a nivel mundial sobrepasando incluso la constituida por los seres vivos. Su composición consta mayoritariamente de sustancias húmicas que se clasificadan en base a su solubilidad bajo condiciones ácidas y alcalinas en: ácidos húmicos, ácidos fúlvicos y huminas. Las sustancias húmicas están siendo ampliamente estudiadas en la actualidad debido a que se ha demostrado que tienen implicaciones importantes en diferentes procesos biológicos y no solo contribuyen a la mejora de la calidad del suelo como se creía anteriormente.
Se ha demostrado que una de las características más importantes con la que cuentan dichas sustancias es su actividad redox, que puede atribuirles otras funciones, siendo las más relevantes su papel como transportadores y aceptores finales de electrones. La presente recopilación de información hace énfasis en la importancia de las funciones antes mencionadas, además de la biodegradación de contaminantes y regulación de emisiones de gases de efecto invernadero, especialmente en el rol que las sustancias húmicas desempeñan en el medio ambiente y que podrían ser útiles como una alternativa de bioremediación ambiental, por ejemplo, de suelo al degradar compuestos contaminantes presentes en éste, así como de aire regulando emisiones de gases de efecto invernadero y contribuyendo de manera favorable al cambio climático.
1.1. Sustancias húmicas
Se define como “humus” a la materia orgánica descompuesta acumulada en el suelo (8,9). El humus representa una de las mayores reservas de carbón en la Tierra, es muy resistente a la biodegradación con un tiempo de residencia en suelo de miles de años y juega un papel importante en la fertilidad de éste (7,8,9). Está compuesto principalmente de sustancias húmicas de colores oscuros, composición heterogénea y biomoléculas no-húmicas de origen vegetal y microbiano. Es importante resaltar que las sustancias húmicas y las moléculas no-húmicas no pueden ser separadas por extracción química (5).
1.1.1. Origen de las sustancias húmicas
El primer estudio acerca del origen y naturaleza química de las sustancias húmicas (HS) lo realizó Sprengel en 1839, sin embargo, en la actualidad existen diversas teorías (9). La vegetación extinta representa la mayor fuente de materia orgánica transformada a HS, excepto en suelos de ecosistemas de climas extremos como desiertos secos y fríos en los cuales las algas verdes y hongos representan la fuente principal de carbón orgánico, asociada con sustancias de orígenes microbiológicos y animales (5,9).
Se trata de un proceso histórico-continuo durante el cual se lleva a cabo la asociación de componentes como aminoácidos, ligninas, pectinas, lípidos, proteínas y carbohidratos mediante fuerzas intermoleculares como donador-aceptor, iónicas, hidrofílicas e hidrofóbicas que dan como resultado la formación de HS (9), y reciben el nombre de humificación (11). La humificación consta de diversos procesos abióticos y bioquímicos en los cuales residuos de carbón orgánico son transformados y convertidos en sustancias húmicas que ocurre conjuntamente con biodegradación (1,5).
Se cree que fracciones húmicas pueden proteger ciertas biomoléculas originadas por degradación microbiana que producen restos reconocibles pero obstinados, explicando así los miles de años de residencia de las HS (11). Los mecanismos para su formación dependerán de características geográficas, climáticas, físicas y biológicas así como particulares del material humificado (5,9).
De forma general durante el proceso de descomposición los recursos primarios son parcialmente mineralizados y asimilados por los microorganismos con una intensa actividad microbiana (descomposición de materia fresca). Sin embargo, una vez muertos los microorganismos una parte de las sustancias orgánicas remanentes forman parte de la materia orgánica del suelo convirtiéndose en sustancias húmicas (descomposición progresiva de materia orgánica humificada), mientras que la otra parte actúa como recurso secundario para su completa degradación (mineralización) (1,5).
Las rutas metabólicas que siguen las HS para su formación están fundamentadas principalmente en dos teorías: la teoría de heteropolicondensación espontánea y la teoría de polifenoles, ambas se muestran de manera esquemática en las figuras 1 y 2.
1.1.2. Clasificación de las sustancias húmicas
Las sustancias húmicas (HS) son macromoléculas orgánicas altamente alteradas, con múltiples propiedades y una estructura bastante compleja no identificable, representan la mayor cantidad de carbón orgánico en la Tierra por encima de la cantidad constituida por organismos vivos, se encuentran en suelo y sedimentos en varios ambientes, tanto terrestres como acuáticos, y recientemente se ha demostrado que tienen un rol biológico importante (5,7,9,11,12). Se clasifican con base en su solubilidad en condiciones básicas y alcalinas, la cual es ocasionada por sus diferencias químicas y físicas. La fracción insoluble corresponde a las huminas (Hus), la fracción soluble en medio alcalino pero no a <2 pH representa los ácidos húmicos (HA) mientras que la última fracción, que es soluble bajo cualquier condición de pH, está dada por los ácidos fúlvicos (FA), como se puede apreciar en la figura 3 (5,9,11).
En cuanto a su composición química los elementos más abundantes son carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N) y azufre (S) así como anillos aromáticos y compuestos alifáticos (5,9). Los FA contienen más grupos funcionales ácidos carboxílicos (-COOH) que los HA. Del mismo modo el oxígeno contenido en FA forma parte importante de sus grupos funcionales carboxílicos (COOH), hidroxilos (OH) y óxidos de carbono (CO), mientras que en HA está presente como un componente estructural del núcleo. Los grupos funcionales más abundantes incluyen carboxílicos, fenólicos, carbonilos, hidroxilos, aminas, amidas y moléculas alifáticas (9).
1.1.3. Actividad redox de sustancias húmicas para degradación de contaminantes
La actividad redox es la capacidad que tienen las sustancias húmicas para aceptar o donar electrones (8). Un donador de electrones es un compuesto químico que tiene la capacidad de transferirle electrones a otro, es un compuesto reductor que al donar electrones resulta oxidado en el proceso, mientras que un aceptor de electrones es un compuesto químico que tiene la capacidad de recibir electrones que le son transferidos desde un donador, se trata de un agente oxidante y al aceptar dichos electrones resulta reducido en el proceso. Se sabe que la actividad redox de HA se ve afectada por la unión de iones metálicos, pudiendo ser los metales simultáneamente redox-transformados cuando se acomplejan con HA, sin embargo, es necesario estudiar más la actividad de dichos complejos (12). Debido a la presencia de grupos funcionales mediadores redox en sus estructuras, cumplen con tres importantes roles, los cuales tienen gran impacto en la conversión redox así como en el destino de distintos contaminantes orgánicos e inorgánicos (8).
1. Aceptor final de electrones en la respiración microbiana
2. Mediador redox entre un compuesto donador y un aceptor de electrones
3. Donador de electrones para la reducción microbiana de aceptores de electrones oxidados (8).
Es importante mencionar que la respiración con HA como aceptores finales de electrones puede producir la energía suficiente para soportar el crecimiento celular (7).
1.2. Sustancias húmicas como aceptores finales de electrones
Lovley, en 1996, fue el primero en reportar la capacidad de algunos microorganismos para utilizar sustancias húmicas como aceptores finales de electrones (EAF) (HA predominantemente). Realizó la hipótesis de que podían tener la capacidad de transferir electrones derivados de la oxidación anaerobia de contaminantes gracias a diversos grupos funcionales redox activos presentes en sus estructuras (8). Asimismo, se sugiere que los HA podrían actuar como transportadores de electrones y mediadores de ciclos bioquímicos influenciando la transformación de contaminantes ambientales, no solo reduciendo los efectos tóxicos de metales, hidrocarburos, etc., sino también catalizando directamente la oxidación de compuestos tóxicos para diferentes microorganismos tanto aerobios como anaerobios (12).
Existen microorganismos que tienen la capacidad de acoplar la oxidación anóxica de sustratos a la transferencia extracelular de electrones a HA independientemente de su crecimiento, reciben el nombre de microorganismos reductores de ácidos húmicos, en la tabla 1 se puede apreciar una recopilación de los microorganismos reductores de HA que han sido reportados (7,8). Se ha demostrado que gran variedad de microorganismos tienen dicha capacidad siendo los más reductores los hierro-reductores, sin embargo otros grupos como sulfato-reductores, fermentativos e incluso metanógenos tienen esta capacidad pero en menor grado, no obstante esta reducción no es universal (8).
Tabla 1. Microorganismos reportados como reductores de ácidos húmicos (8).
1.2.1. HA y biodegradación de contaminantes recalcitrantes
La importancia de la reducción de ácidos húmicos radica en la capacidad de consorcios microbianos para lograr la oxidación anaerobia de contaminantes recalcitrantes (7,8). Bradley fue el primero en reportar la mineralización de 1,2-dicloroetano acoplado a la reducción de HA por sedimentos con alto contenido orgánico (3). Del mismo modo, se ha reportado la degradación de hidrocarburos como benceno y tolueno, metales tóxicos y químicos orgánicos antropogénicos promoviendo la bioremediación de ambientes contaminados con un mejor impacto en el destino de contaminantes ambientales (7.8.9).
En cuando a la azoreducción, las bacterias anaerobias azoreductoras son la ruta más importante para llevarse a cabo la degradación de estos colorantes, sin embargo, el proceso de decoloración es muy lento. También se ha reportado que existe un incremento significativo en la eficiencia del proceso cuando se añaden transportadores de electrones pudiendo los HA tomar partida para la bioremediación de suelo, asimismo la incorporación de metales como Fe en HA produce sitios activos adicionales en HA mejorando su rol como transportadores de electrones encontrándose estos complejos (HA-Fe) en ambientes naturales (12).
1.2.2. HA como reguladores de la emisión de gases de efecto invernadero: metano y óxido nitroso
El metano (CH4) es un poderoso gas de efecto invernadero con un potencial de calentamiento 28 veces mayor que el dióxido de carbono, el cual es producido y consumido en sedimentos costeros anóxicos responsables de entre el siete al treinta por ciento de la emisión global de metano anual por procesos microbianos. La oxidación anaerobia de metano (AOM) es un proceso muy importante propuesto como “metanogénesis inversa” por Zehnder y Brock en 1979, tiene un gran impacto en la regulación del calentamiento global. Anteriormente se creía que estaba acoplada a sulfato-reducción, sin embargo en la actualidad existe evidencia de que es independiente pudiendo ser acoplada a la reducción de nitratos y óxidos de hierro o manganeso con un rendimiento de al menos diez veces más energía así como HA que han sido propuestos como posibles oxidantes de metano al ser abundantes en sedimentos de humedales (10).
Keller reportó que HS pueden limitar considerablemente la producción de CH4 al ser empleados como EAF en humedales (6). Del mismo modo, de acuerdo con Blodau y Deppe, las HS actúan como EAF promoviendo la AOM y contribuyendo a la disminución de metano, lo cual es posible debido al potencial redox de las HS (HA principalmente). Con base en sus experimentos obtuvieron como resultado que la producción de CH4 disminuyó un 39%, pero la producción de CO2 no se vio afectada. Asimismo, se demostró que la adición de HA disminuyó la metanogénesis pero no afectó la respiración anaerobia, lo que sugiere una vez más que HA actúan como EAF restringiendo la producción de metano (2). En 2013 se reportó que la reducción microbiana de HS es responsable del 61% de la mineralización total en suelo de pantano, lo que suprime la emisión de metano en estos ecosistemas (8).
Además del metano, el óxido nitroso (N2O) es también un gas de efecto invernadero altamente contaminante con un potencial de calentamiento de 265, los suelos de agricultura representan la mayor fuente de emisiones antropogénicas de dicho gas producido principalmente por desnitrificación de nitratos (NO3). El uso de biocarbón está siendo fuertemente investigado como un medio para reducir las emisiones de N2O con un impacto de reducción del diez al noventa por ciento. Dicha reducción puede deberse a que extractos de biocarbón como sustancias húmicas pueden actuar como agentes reductores y, adicionalmente, como transportadores de electrones que facilitan la transferencia de éstos a los microorganismos desnitrificadores en suelo y promueven la reducción de NO3 a N2 así como reducen la emisión de N2O (4).
Conclusiones
Naturalmente las sustancias húmicas mejoran la fertilidad del suelo ayudando a romper la arcilla y compactando el suelo, asisten la transferencia de micronutrientes del suelo a plantas, mejoran la retención de agua, incrementan la velocidad de germinación de la semillas y su penetración, también estimulan el desarrollo de microflora en suelo. Recientemente han tenido aplicación en bioremediación para degradación de contaminantes recalcitrantes y regulación de la emisión de gases de efecto invernadero. Sin embargo, es importante continuar con el estudio de éstas para entenderlas mejor y ampliar su campo de aplicación para contriuir a la mejora ambiental.
Referencias bibliográficas
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