Microorganismos hidrolíticos, fermentativos, acetogénicos y metanogénicos

Microorganismos hidrolíticos y fermentativos

Las enzimas o catalizadores biológicos extracelulares producidos por el grupo 1 de bacterias hidrolíticas y fermentativas, degradan las proteínas, los polisacáridos y los lípidos en un proceso hidrolítico. Los microorganismos denominados hidrolíticos y los fermentativos, son los encargados de iniciar el proceso de degradación de la materia orgánica, con el propósito de liberar moléculas de menor complejidad que los polímeros que ingresan al sistema. Este proceso es desarrollado principalmente por bacterias anaerobias facultativas, encontrándose la familia Enterobacteriaceae como el género más frecuentes, otros géneros de menor protagonismo son Bacillus, Propionibacterium, Bacteriodes, Micrococcus y Clostridium (Diaz-Baenz, 2002)

Degradación de polisacáridos

Los polisacáridos están conformados por moléculas compuestas de unidades repetitivas de monómeros, unidos por enlaces glucosídicos (En la estructura de este enlace reaccionan dos grupos OH, un grupo OH de un carbono anomérico de un monosacárido reacciona con un grupo OH de otro monosacárido, dando como resultado el desprendimiento de una molécula de agua). Generalmente, su función está asociada a características estructurales o de reserva de energía. En estos procesos algunos compuestos pueden tener el mismo monómero, pero mantienen diferencias de estructura y propiedades con otras moléculas, debido a la forma como se organizan y los tipos de enlaces que poder ser α o β. Como ejemplo se pueden nombrar la celulosa, la pectina y el almidón.

La degradación de los polisacáridos produce azúcares y piruvato en procesos seguidos uno del otro respectivamente, liberando H2. A partir de estos productos de segundo orden, se generan diferentes fermentaciones para formar alcoholes como etanol, y ácidos orgánicos como ácido butírico, ácido propionico y succínico.

Para ampliar información se sugiere la lectura:
Gonzalez, M. (11 de agosto de 2010). La guía. Recuperado el 19 de julio de 2016:http://quimica.laguia2000.com/conceptos-basicos/enlace-glucosidico#ixzz3KMlI4w3b

Degradación de proteínas

Este proceso se lleva a cabo por medio de enzimas proteolíticas liberadas por los microorganismos. Estas enzimas cortan enlaces peptídicos (enlace entre el grupo amino (–NH2) de un aminoácido y el grupo carboxilo (–COOH) de otro aminoácido) de tal forma, que el producto inicial en la degradación de proteínas son los aminoácidos y los péptidos de cadena corta.

Degradación de lípidos

Las grasas están compuestas por polímeros de ácidos grasos unidos por medio de enlaces ester (unión entre un grupo COOH y un OH) a una molécula de glicerol. El corte de este tipo de enlaces está dado por una reacción hidrolítica. Aquí las enzimas lipolíticas son las responsables de este corte. Este proceso es inhibido cuando hay una alta concentración de H2 y acetato; por lo tanto depende de las reacciones metabólicas microbianas subsiguientes, como la metanogénesis, para que se consuman estos productos y se reactive la hidrólisis de grasas y lípidos.

Microorganismos acetogénicos

Los ácidos orgánicos de cadena corta como el propionico, y el butírico, son oxidados a acetato, CO2 e H2. Este proceso que se conoce como acetogénesis, es realizado por bacterias acetógenas productoras obligadas de hidrógeno, con consumo de energía. Durante la acetogenésis, el hidrógeno es un factor de regulación de la degradación de compuestos orgánicos, como se describió anteriormente en la degradación de lípidos. Incluso puede llegar a inhibir la acetogenesis, por lo tanto es importante que este proceso este acoplado con la metanogénesis. Este proceso es conocido como una relación sintrófica o transferencia intraespecífica de hidrógeno; se produce la fermentación del etanol a acetato y metano por un agente oxidante anaerobio y un metanogeno:

• Reacción llevada a cabo por bacterias acetogénicas:

  2CH3CH2OH + 2H2O →	4H2 + 2CH3COO- + 2H +	∆G°= +9.6 kJ
  	Etanol	Acetato

• Reacción de metanogénesis:

  4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O ∆G°= -142.5 kJ

• Reacción acomplada entre acetogénicas y metanogénicas:

  42CH3CH2OH + CO2 → CH4 + 2CH3COO- + 2H+ ∆G°= -100.6 kJ

Algunas bacterias capaces de degradar los ácidos orgánicos son: Syntrophomonas sapovorans, Syntrobacter wolinni.

Microorganismos metanogénicos

La metanogénesis es la etapa terminal de la digestión anaerobia donde los compuestos intermediarios de etapas anteriores se convierten en CH4 y CO2 (Madigan, 2005). Esta reacción, es llevada a cabo principalmente por organismos del dominio Arquea.

Las metanogenas pueden metabolizar aproximadamente 11 tipos de sustratos entre ellos están el H2 + CO2 o CO (monóxido de carbono), formiato, piruvato, metanol, metilaminas, acetato, dimetilamina, trimetilamina, metilcarptano, y sulfuro de metilo.

El metano es un subproducto muy importante en la degradación de anaerobia. Este producto es inoloro y hace parte del biogas, el cual es una mezcla compuesta principalmente de metano (50 a 75%), dióxido de carbono (25 a 45%) y de un pequeño porcentaje de agua (2-7 %), así como de gases en trazas, como son el ácido sulfhídrico, el nitrógeno, el amoníaco y el hidrógeno. El biogas, puede ser empleado para la producción de electricidad y calor, alcanzando altos grados de rendimiento.

Estas reacciones metabólicas en la digestión anaerobia tienen varios beneficios como: la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero, la reducción de los olores de lodos agrícolas, e incluso ayuda a cumplir con los objetivos en el marco del Protocolo de Kioto y la Directiva Europea 2001/77/CE sobre la electricidad procedente de fuentes de energía renovables.