Biotecnología aplicada a la degradación de colorantes de la industria textil

Biotechnology applied to the degradation of textile industry dyes

A Cortazar-Martínez¹, CA González-Ramírez^{1 *}, C Coronel-Olivares¹, JA Escalante-Lozada², J Castro-Rosas¹, JR Villagómez-Ibarra¹

¹ Área académica de Química, UAEH. Ciudad Universitaria, Km 4.5 Carretera Pachuca-Tulancingo, C.P. 42184 Mineral de la Reforma, Hidalgo. (ACM)(CAGR)(CCO)(JCR)(JRVI) * Correo electrónico: cramirez@uaeh.edu.mx

Ensayo recibido: 19 de septiembre de 2010,
Aceptado: 18 de enero de 2012

RESUMEN

La presencia de colorantes en las aguas residuales representa un problema ambiental, ya que este tipo de compuestos no puede eliminarse con los métodos de tratamiento convencionales. Debido a que la mayoría de los sistemas de tratamiento basados en métodos químicos o físicos son costosos y requieren de gran cantidad de energía y reactivos, la biotecnología ofrece una alternativa de tratamiento. En este trabajo, además de mencionar algunas tecnologías convencionales, se revisan los reportes donde se han logrado degradar colorantes utilizando métodos biológicos. Una de las ventajas de este tipo de tecnologías es que, además de la decoloración, se puede alcanzar la completa mineralización del colorante. Existe un gran número de microorganismos con la capacidad de eliminar el color de las aguas residuales mediante mecanismos como: la biosorción, la biodegradación aeróbica o anaeróbica y la producción de enzimas que catalizan la decoloración. Una de las aplicaciones de la biotecnología es la generación de nuevas cepas microbianas, éstas pueden constituir la base de tecnologías novedosas para la remediación de compuestos xenobióticos que no son fácilmente degradados con los métodos convencionales. Hasta hace una década, la identificación de cepas activas en la degradación se realizaba por ensayo y error (rondas sucesivas de mutagénesis y rastreo o selección de mutantes) o bien seleccionando microorganismos adaptados provenientes de entornos contaminados. El desarrollo de tecnologías de ADN recombinante ha generado nuevas perspectivas para la optimización de los procesos biotecnológicos de tratamiento ambiental.

Palabras clave: Biodegradación, colorantes azo, mineralización.

ABSTRACT

Key words: Biodegradation, azo dyes, mineralisation.

INTRODUCCIÓN

Dentro de los compuestos xenobióticos, los colorantes de tipo azo son de importancia debido a que son ampliamente utilizados en diferentes tipos de industrias, como la textil. Durante los procesos de teñido, se desechan ciertas cantidades de colorantes que son vertidos en las aguas residuales. La presencia de colorantes en el agua no solamente es un problema estético, sino que además interfieren en el proceso fotosintético que realizan algunos organismos (Soares et al. 2000). Para la bioremediación de aguas contaminadas con colorantes se han utilizado organismos aislados de entornos contaminados, consorcios microbianos o enzimas aisladas de estos sistemas biológicos (Kandelbauer & Guebitz 2005).

La biodegradación de colorantes se lleva a cabo mediante distintos procesos. Se pueden utilizar cultivos mixtos que contengan dos grupos generales de especies, el primero conformado por organismos que no participan en la degradación del colorante, pero que estabilizan el consorcio microbiano, y un segundo grupo que incluya a las especies involucradas en el rompimiento del grupo funcional de la molécula y la transformación de los productos metabólicos resultantes. Otra manera de llevar a cabo la biodegradación es mediante microorganismos aislados que son capaces de degradar los colorantes. Por último, para llevar a cabo la biodegradación se puede emplear la remediación enzimática (Kandelbauer & Guebitz 2005).

Métodos de tratamientos

Más de diez mil diferentes tipos de pigmentos y colorantes sintéticos son usados en diferentes industrias como la textil, papelera, cosmética, farmacéutica, entre otras. Dependiendo del tipo de colorante, se estima que del 2 al 50 % de estos compuestos se desechan en las aguas residuales y se consideran como contaminantes persistentes que no pueden removerse con los métodos convencionales de tratamiento de aguas, debido a que presentan estructuras complejas y a su origen sintético (Kuhad et al. 2004; Días et al. 2007; Dos Santos et al. 2007). Los colorantes están formados por un grupo de átomos responsables del color (cromóforos). Los grupos cromóforos más comunes son los azo (-N=N-), carbonilo ( C=O), metilo (-CH₃), nitro y grupos quinoides. En la Figura 1 se muestran ejemplos de algunos colorantes que presentan estos grupos cromóforos. Los colorantes también pueden contener otros grupos que incrementan la intensidad del color y que pueden ser de tipo reactivo, ácidos, directos, básicos, dispersos, aniónicos, sulfuros, entre otros. (Christie 2001; Días et al. 2007;).

Se ha demostrado que ciertos colorantes azo pueden ser carcinogénicos y mutagénicos, además de que sus productos de degradación pueden resultar más tóxicos (Brown & DeVito 1994; Ramsay & Nguyen 2002; Giordano et al. 2005; Gavril & Hodson 2007). La toxicidad de colorantes se ha evaluado utilizando diversos bioindicadores como Daphnia magna, Salmonella thyphimurium y peces, además se han realizado ensayos en ratas e incluso monitoreos biológicos a trabajadores de la industria textil (Mathur et al. 2003; Bae et al. 2006; Chhaya et al. 2007; Dönbak et al. 2006; Kwon et al. 2008).

Métodos convencionales para el tratamiento de aguas residuales que contienen colorantes

Métodos biológicos para el tratamiento de las aguas residuales de la industria textil

El término bioremediación abarca una amplia variedad de procesos como la bioabsorción, la biodegradación (aerobia o anaerobia) y métodos enzimáticos. Para la decoloración, los reactores pueden contener cultivos mixtos, organismos aislados o enzimas aisladas (Kandelbauer & Guebitz 2005). En la Tabla 2 se muestran ejemplos de algunas especies de hongos y de bacterias utilizadas en el tratamiento biológico de colorantes. Estos organismos presentan diferentes mecanismos de acción frente a los colorantes (Kuhad et al. 2004).

Biosorción

Un método novedoso para la remoción del color de efluentes es la adsorción o absorción de las sustancias coloridas en varios materiales como: aserrín, carbón activado, arcillas, suelos, composta, lodos activados, comunidades vegetales, polímeros sintéticos o sales inorgánicas coagulantes (Chandran et al. 2002). Al proceso que utiliza a la biomasa, se le conoce como biosorción; en este proceso la decoloración se alcanza por la saturación y posterior biosorción del colorante sobre las células, ocurriendo esto con o sin biodegradación del contaminante. Algunas especies de bacterias y hongos han sido reportadas por su capacidad para remover colorantes utilizando el proceso de adsorción. Al respecto Chen et al. (1999) reportan la decoloración de una solución del colorante azo (rojo RBN), utilizando una cepa de Proteus mirabilis, que fue aislada de lodos provenientes de una planta de tratamiento de aguas residuales; el porcentaje de decoloración fue entre 13 y 17 %, debido al proceso de biosorción de estas células bacterianas. También se puede lograr la eliminación del color mediante biosorción usando células de hongos (Fu & Viraraghavan 2002; Zhang et al. 2003; Bhole et al. 2004). En algunos casos, el mecanismo de decoloración implica, además de la biosorción, un proceso de degradación enzimática (Knapp et al. 1997; Park et al. 2007; Yesilada et al.2010). Estos métodos no se han aplicado al tratamiento de aguas residuales en gran escala, debido a los problemas asociados con el manejo de la biomasa residual que se obtiene después de la biosorción (Kuhad et al. 2004).

Biodegradación

Como se puede apreciar en la Tabla 2, existe una amplia variedad de microorganismos que pueden degradar colorantes. Los actinomicetos han demostrado que pueden degradar compuestos xenobióticos por su capacidad de producir enzimas lignolíticas. La habilidad de los actinomicetos, principalmente especies de Streptomyces, para decolorar y mineralizar colorantes textiles se ha comprobado en diferentes estudios (Ball et al. 1989; Goszczynski et al. 1994; Ball & Cotton 1996). Un gran número de bacterias reducen los enlaces azo de los colorantes textiles, este proceso es el paso inicial en la degradación bacteriana de colorantes de tipo azo (Stolz 2001; Pandey et al. 2007).

La decoloración de colorantes azo puede llevarse a cabo de manera aerobia o anaeróbica, dependiendo del tipo de bacteria que lo lleve a cabo. Hay otros reportes sobre el metabolismo aerobio de colorantes azo utilizando diferentes cepas de bacterias, por ejemplo Aeromonas sp., Bacillus subtilis, Proetus mirabilis y Pseudomonas luteola (Horitsu et al. 1977; Chen et al. 1999; Chang & Lin 2000; Hayase et al. 2000). La azorreducción puede ser estimulada por la adición de inductores como el CaCl₂ (Dawkar et al. 2009) o co-sustratos como la glucosa (Haug et al. 1991). Además de colorantes azo, también está reportada la degradación bacteriana de otro tipo de colorantes. Citrobacter sp. tiene la capacidad de decolorar diversos colorantes recalcitrantes de tipo azo y trifenilmetano, utilizando mecanismos de biosorción y biodegradación (An et al. 2002). El cristal violeta (colorante trifenilmetano) puede ser degradado a través de una mineralización aeróbica por bacterias como Pseudomonas mendocina (Sarnaik & Kanekar 1999) y Pseudomonas putida (Chen et al. 2007). Se han reportado algunas bacterias que pueden romper el enlace azo de algunos colorantes bajo condiciones anaerobias, dando lugar a la decoloración y formación de aminas aromáticas (Chung et al. 1992). En algunos casos, la decoloración puede ir acompañada no sólo de la degradación del colorante, sino de la producción de aminas aromáticas. Se ha obtenido la completa mineralización de colorantes de tipo azo utilizando consorcios microbianos en condiciones anaerobias (Nigam et al. 1996; González-Gutierrez et al. 2009). También es posible consorcios capaces de mineralizar completamente colorantes en sistemas aerobios-anaerobios o bien bajo condiciones anóxicas. Huag et al. (1991) lograron la completa mineralización de un colorante azo bajo condiciones anaerobias, utilizando un consorcio bacteriano crecido en condiciones aeróbicas. En el trabajo de Yu et al. (2001) se aislaron cepas de un lodo activado de un sistema aerobio-anaerobio logrando la degradación de colorantes azo con diferentes estructuras químicas, mediante cepas de Pseudomonas, en condiciones anóxicas.

La velocidad de degradación depende numerosos factores, tales como: el pH, la temperatura, los nutrientes, así como de la especificidad de la enzima por el sustrato.

Los hongos de la putrefacción blanca (PB) son los organismos más estudiados en la degradación de colorantes, debido a que son capaces de degradar sustratos complejos a través de un sistema enzimático no específico (Knapp et al. 2001). La decoloración de colorantes por hongo PB fue reportada por primera vez por Glenn & Gold (1983) quienes evaluaron la decoloración de colorantes poliméricos sulfonados utilizando Phanerochaete chrysos-porium. A partir de entonces se han publicado numerosos trabajos donde se evalúa la capacidad de P. chrysosporium y de otros hongos como Cyathus bulleri, Trametes versicolor, Phlebia tremellosa, The-lephora sp. para degradar colorantes (Goszczynski et al. 1994; Vasdev & Kuhad 1994; Swamy & Ramsay 1999; Kirby et al. 2000; Selvam et al. 2003; Toh et al. 2003). Novotny et al. (2001) seleccionó de entre 103 especies de hongos a las especies Irpex lacteus y Pleurotus ostreatus por su capacidad para degradar colorantes de diferentes tipos (azo, diazo, antraquinona, trifenilmetano, ftalocianina).

Las células vivas se consideran como un reactor de decoloración en miniatura. Esta decoloración puede ser resultado de la retención física del colorante en la biomasa o de la transformación bioquímica del colorante a través del metabolismo celular. Algunas de las enzimas que se utilizan en la degradación de colorantes son lacasas, peroxidasas, monooxigenasas y dioxigenasas entre otras (Kandelbauer & Guebitz 2005). Las enzimas extracelulares como las lacasas y peroxidasas generalmente se producen por hongos cuya función natural es degradar la lignina. La habilidad de los hongos PB para degradar colorantes y otros compuestos xenobióticos se debe a la naturaleza no específica de su sistema enzimático. El uso de lacasas y peroxidasas para la degradación de compuestos xenobióticos resulta muy prometedor (Harvey & Thurston 2001).

Se ha reportado la decoloración de una mezcla de colorantes, simulando un efluente real, a través de una lacasa comercial, además se obtuvo el modelo cinético de esta degradación (Cristóvao et al. 2009). También hay numerosos reportes de la degradación de colorantes azo, trifenilmetano y antraquinona utilizando la lacasa de Pyricularia oryzae, Trametes hirsuta, Pycnoporous sanguineus y Sclerotium rolfsii (Muralikrishna & Renganathan 1995; Abadulla et al. 2000; Pointing & Vrijmoed 2000; Ryan et al. 2003).

Ingeniería Genética aplicada a la degradación de colorantes

Los microorganismos empleados en la remoción de colorantes se pueden obtener de entornos donde existan colorantes, como los efluentes de la industria textil. Usualmente no se trata de aislar las cepas que por adaptación natural son capaces de degradar colorantes, sino de aprovechar los beneficios de su presencia, por ejemplo, en una planta de tratamiento municipal. Se ha reportado la obtención de bacterias o consorcios microbianos capaces de degradar colorantes, debido a la adaptación de los organismos al estrés ambiental y a la presión evolutiva debido a las condiciones del efluente (Yu et al. 2001; Dafale et al. 2008; Kalyani et al. 2008).

En ese sentido, se pueden obtener cepas híbridas con la capacidad de degradar colorantes, mediante ingeniería genética. Se han identificado un gran número de genes que confieren la habilidad de degradar colorantes y se ha reportado la decoloración de un colorante azo usando una cepa de E. coli con los genes de una azoreductasa de una cepa silvestre de Pseudomonas luteola. Esta metodología permite acortar los tiempos que se utilizarían para adaptar un cultivo apropiado y luego aislar las cepas (Chang et al. 2000). Chang & Lin (2001) clonaron y expresaron un fragmento de ADN genómico de Rhodococcus sp. en E. coli. Este fragmento de 6.3 kb contiene los genes responsables de la decoloración de colorantes azo. La cepa recombinante que se obtuvo tiene la capacidad de decolorar colorantes azo.

Ingeniería Genética y Metagenómica: una perspectiva en el tratamiento biológico de colorantes

La bioremediación ha llamado mucho la atención en el campo de las ciencias ambientales. Los microorganismos capaces de degradar compuestos xenobióticos presentan dos problemas: la velocidad de degradación es baja y la degradación de mezclas de xenobióticos requieren de diferentes especies microbianas. La ingeniería metabólica ofrece la posibilidad de construir vías de degradación de xenobióticos completamente nuevas a partir de la introducción de diferentes enzimas provenientes de varios organismos (Nielsen 2002). La diversidad microbiana es inmensa y en ella se puede encontrar un gran número de microorganismos, enzimas o genes con aplicación industrial (Escalante-Lozada et al. 2004). La Metagenómica es la ciencia que investiga el genoma de las comunidades de microorganismos, más que de especies individuales. Se encarga de estudiar a nivel molecular las relaciones dinámicas que definen las comunidades (Handelsman 2004; National Academy of Science 2007). En la actualidad se cuentan con las herramientas moleculares que permiten aislar, modificar y caracterizar el ADN de cualquier organismo, con lo que se puede estudiar la diversidad bacteriana a pesar de no poder cultivar la mayoría de las bacterias de un ambiente particular. El estudio de la diversidad bacteriana con estas técnicas ha permitido obtener información sobre la composición y estructura de las comunidades bacterianas, así como establecer el efecto de los factores ambientales sobre la biodiversidad. En la Figura 2 se muestra el procedimiento para construir y evaluar un banco metagenómico (Handelsman 2004).

Esta herramienta puede aplicarse en el desarrollo de tecnologías para el tratamiento de aguas residuales. El análisis del metagenoma ha permitido la caracterización filogenética de la diversidad microbiana, la caracterización de nuevos genomas y de nuevas vías metabólicas, la identificación de mecanismos biológicos de resistencia a compuestos contaminantes y el descubrimiento de nuevas enzimas y biopolímeros (Escalante-Lozada et al. 2004). Los proyectos pioneros en la metagenómica como la metagenómica del mar de Sargaso (Venter et al. 2004) y el análisis de la comunidad presente en el drenaje ácido de una mina (Tyson et al. 2004), permitieron generar conocimiento acerca de los ciclos biogeoquímicos, las especies clave en estos procesos y el descubrimiento de nuevas especies con potencial aplicación en la industria. La metagenómica promete proveer nuevas moléculas con funciones diversas, pero se requieren sistemas de expresión para cada una de estas enzimas y moléculas nuevas para que puedan convertirse en un éxito económico (Briones & Raskin 2003; Lorenz & Eck 2005; Wagner et al. 2006; McMahon et al. 2007). El análisis metagenómico de diversos ambientes ha permitido la identificación de microorganismos que juegan un papel primordial en el tratamiento biológico de aguas residuales, incluyendo especies no cultivables. Esto provee aspectos importantes sobre diversidad, funciones y diferenciación del nicho de estos organismos (Daims et al. 2006; Wagner et al. 2006). La biodegradación de colorantes en un entorno contaminado es un proceso que involucra a distintos metabolismos de una comunidad, por lo que la metagenómica permitiría utilizar la biodiversidad para lograr la biodegradación de estos compuestos, encontrando aquellos genes involucrados en estos procesos de una manera dirigida y posteriormente utilizarlos para la obtención de cepas "bajo diseño" para el tratamiento de diferentes tipos de aguas residuales.

La eliminación de los colorantes de los efluentes de la industria textil representa un gran reto ambiental. Existen numerosas tecnologías para el tratamiento de aguas residuales de la industria textil pero, por la complejidad de la composición de estas aguas, generalmente se tiene que utilizar dos o más estrategias para lograr la remoción de los contaminantes. La industria textil consume grandes volúmenes de agua en sus procesos, por lo que es importante la búsqueda de tecnologías que permitan el reciclaje del agua residual, o bien, que permitan que el agua pueda ser vertida sin que perjudique al ambiente. Los procesos biológicos son una opción para el tratamiento de efluentes contaminados. Con este objetivo, se han obtenido cepas aisladas de entornos contaminados que, por adaptación, han desarrollado la capacidad de biodegradar los contaminantes presentes. También se ha conseguido identificar las enzimas involucradas en la degradación de colorantes y desarrollar tecnologías utilizando dichas enzimas.

Las estructuras químicas de los colorantes resultan a menudo demasiado complejas para utilizar un tratamiento simple, por lo que generalmente se utilizan consorcios microbianos con la capacidad de degradar colorantes obteniendo altas eficiencias de depuración. Muchos de estos consorcios no están completamente caracterizados y se desconoce el mecanismo por el cual se lleva a cabo la degradación.

El desarrollo de estas tecnologías se basa en técnicas convencionales, sin tomar en cuenta que la actividad biodegradativa de un grupo de organismos no depende de una sola especie, sino que generalmente es resultado de la acción conjunta de la diversidad metabólica presente en el medio. Es por esto que el desarrollo de las ciencias como la metagenómica, constituyen un paso importante para conocer aspectos claves sobre los microorganismos involucrados en el proceso de biodegradación, así como para encontrar nuevas enzimas, nuevos metabolismos y nuevos microorganismos capaces de metabolizar los colorantes.

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