Las bacterias reductoras de arsenato son bacterias que reducen los arsenatos. Estas bacterias son ubicuas en el agua subterránea contaminada con arsénico (ambiente acuoso). Los arsenatos son sales o ésteres del ácido arsénico (H3AsO4), que consisten en el anión AsO43−. Son oxidantes moderados que pueden reducirse a arsenitos y a arsina. El arsenato puede servir como un aceptor respiratorio de electrones para la oxidación de sustratos orgánicos y H2S o H2. Los arsenatos se producen de forma natural en minerales como la adamita, alarsita, legrandita y eritrina, y como arsenatos hidratados o anhidros. Los arsenatos son similares a los fosfatos, ya que el arsénico (As) y el fósforo (P) se encuentran en el grupo 15 (o VA) de la tabla periódica. A diferencia de los fosfatos, los arseniatos no se pierden fácilmente de los minerales debido a la meteorización. Son la forma predominante de arsénico inorgánico en ambientes aeróbicos acuosos. Por otro lado, el arsenito es más común en ambientes anaeróbicos, más móvil y más tóxico que el arseniato. El arsenito es 25–60 veces más tóxico y más móvil que el arseniato bajo la mayoría de las condiciones ambientales. El arseniato puede conducir a envenenamiento, ya que puede reemplazar al fosfato inorgánico en la etapa de gliceraldehído-3-fosfato --> 1,3-bifosfoglicerato de la glucólisis, produciendo en su lugar 1-arseno-3-fosfoglicerato. Aunque la glucólisis continúa, se pierde 1 molécula de ATP. Por lo tanto, el arseniato es tóxico debido a su capacidad para desacoplar la glucólisis. El arseniato también puede inhibir la conversión de piruvato en acetil-CoA, bloqueando así el ciclo del TCA, lo que resulta en una pérdida adicional de ATP.
Nicho El arsenato es la principal forma de arsénico en ambientes oxidantes; sin embargo, en un estudio, las bacterias del suelo contaminado con arsénico en un sitio de fundición pudieron reducir As(+5) a As(+3) en condiciones anaeróbicas a una concentración de arsénico de hasta 75 mg/L. Las bacterias que respiran arsenato y las arqueas también se han aislado recientemente de una diversidad de entornos naturales, incluidos arroyos y sedimentos de agua dulce, lagos alcalinos y salinos, y aguas termales. Sin embargo, las bacterias reductoras de arsenato pueden existir en cantidades bajas hasta que se les proporcionen nuevas fuentes de carbono, lo que posiblemente produzca una presión selectiva a mayores concentraciones de arsénico. Algunos lugares comunes con bacterias reductoras de arsenato que están causando importantes problemas de contaminación al liberar arsénico en el agua potable en pozos poco profundos incluyen Bangladés, el Medio Oeste estadounidense y las provincias marítimas canadienses.
Las fuentes hidrotermales de aguas profundas proporcionan hábitats donde los organismos viven en ausencia de luz solar en aguas ricas en arsénico y azufre. Se han reportado concentraciones de arsénico de hasta 6000 µg/L en las aguas de las fuentes hidrotermales, y una gran proporción puede ser arsenito. Las bacterias podrían estar oxidando el arsénico inorgánico para su desintoxicación y, potencialmente, para la producción de energía.
Importancia ecológica y marcadores El arsénico (+3) impulsa la fotosíntesis anoxigénica, como en las biopelículas de aguas termales del lago Mono, California. La fotosíntesis anoxigénica, o fotosíntesis que no produce oxígeno y es común en bacterias fotosintéticas y ciertas cianobacterias, utiliza donantes de electrones distintos del agua para reducir el CO₂ e incorporarlo a la biomasa. Este mecanismo de fotoautotrofía suele utilizar sulfuro de hidrógeno (H₂S) como donante de electrones y un único fotosistema como catalizador, oxidando el sulfuro a azufre y sulfato para favorecer el crecimiento de fotótrofos en entornos sulfídicos anóxicos expuestos a la luz, como tapetes microbianos laminados y picnoclinas de lagos estratificados.
Identificación y características Las bacterias reductoras de arsenato obtienen su energía de la reducción del arsenato (As(+5)) a arsenito (As(+3)) a través de las enzimas arseniato reductasas. El As(+5) puede reducirse directamente a As(+3) por los procariotas reductores de arsenato disimilatorios (DARP), lo que produce energía para sustentar su crecimiento. Sintetizan moléculas orgánicas utilizando la energía de las reacciones redox del arsénico. El proceso de reducción completo tarda unas 21 horas. Los procariotas disimilatorios que respiran As(+5) consisten en un grupo filogenético diverso, que incluye especies de Chrysiogenes, Bacillus, Desulfomicrobium, Sulfurospirillum, Shewanella, Citrobacter y Sulfurihydrogenibium . Algunas especies específicas incluyen Klebsiella oxytoca, Citrobacter freundii y Bacillus anthracis. Aunque la capacidad de respirar As(+5) está distribuida en varios grupos filogenéticos, el mecanismo de reducción de As(+5) en estos organismos parece estar conservado.
Bioquímica Proceso de reducción El arsénico se presenta en la naturaleza en tres estados de oxidación: As(+5) (arseniato), As(+3) (arsenito) y As(−3) (arsina). Si bien las transferencias entre estos estados pueden lograrse por medios puramente químicos, los microorganismos también pueden mediar diversas reacciones, como la reducción, la oxidación y la metilación.Bacterial Dissimilatory Reduction of Arsenic(V) to Arsenic(III) in Anoxic Sediments. Philip R. Dowdle,1 Anniet M. Laverman,2 and Ronald Oremland1* Algunas bacterias obtienen energía oxidando diversos sustratos reducidos mientras reducen los arseniatos a arsenitos. Las enzimas implicadas se conocen como arseniato reductasas.
En 2008 se descubrieron bacterias que emplean una versión de la fotosíntesis con arsenitos como donantes de electrones, produciendo arsenatos (de forma análoga al PSII en la fotosíntesis oxigénica, que utiliza agua como donante de electrones, produciendo oxígeno molecular). Los investigadores conjeturaron que, históricamente, estos organismos fotosintetizadores producían los arseniatos que permitían el desarrollo de las bacterias reductoras de arseniato.Arsenic-loving bacteria rewrite photosynthesis rules, Chemistry World, 15 August 2008
Mecanismo En la cepa Ben-RB de Desulfomicrobium, el arsenato es reducido por una enzima unida a la membrana que es un citocromo de tipo C o está asociada a dicho citocromo; la actividad de la arsenato reductasa dependiente del bencilviológeno fue mayor en las células cultivadas con arsenato/sulfato que en las cultivadas solo con sulfato. Al parecer, la reducción de arsenato por la cepa Ben-RA de Desulfovibrio es catalizada por una arsenato reductasa codificada por un gen cromosómico homólogo del gen arsC del plásmido R773 de Escherichia coli.
Contaminación El envenenamiento por arsénico de aguas subterráneas utilizadas para beber y para riego es un problema mundial, con riesgo de exposición humana perjudicial en numerosos lugares de América, Asia y Europa central. Numerosos estudios recientes han reportado aguas subterráneas enriquecidas con arsénico en el delta del Ganges-Brahmaputra-Meghna, con más de 35 millones de personas en riesgo de envenenamiento por arsénico solo en Bangladés, uno de los peores casos de contaminación de arsénico en el mundo. En India, estados como Bengala Occidental, Uttar Pradesh y Bihar tienen problemas similares a Bangladés. En Nepal y Pakistán también se han reportado casos de contaminación de aguas subterráneas por arsénico. Se cree que la meteorización de minerales ricos en arsénico, prevalente en el Himalaya, y su transporte y deposición gradual en los deltas aluviales inferiores, seguidos de la solubilización del arsénico mediada por microbios, son los principales mecanismos de movilización del arsénico hacia los acuíferos de la región. Se cree que existen condiciones igualmente propicias para el desarrollo de aguas subterráneas enriquecidas con arsénico en los deltas de los ríos Rojo y Mekong del Sudeste Asiático, donde también se han reportado concentraciones elevadas de arsénico.
Usos El metabolismo microbiano sin duda agrava los problemas ambientales relacionados con el arsénico al liberar arsenito en el agua potable, incluyendo pozos poco profundos. Comprender los mecanismos puede ayudar a minimizar el impacto. Se propone que la arsenato reductasa respiratoria anaeróbica microbiana libera As(+5) subterráneo previamente inmovilizado en el agua de pozos recién perforados. Es posible que el metabolismo microbiano (arsenito oxidasa junto con la precipitación en depósitos minerales) pueda aprovecharse para la biorremediación práctica de aguas residuales o agua potable contaminada con arsénico. Sin embargo, esta posibilidad apenas comienza a reconocerse y no se han realizado esfuerzos sostenidos en este sentido. Recientemente se han reportado reactores discontinuos microbianos para eliminar el arsénico mediante la oxidación de As(+3) a As(+5) y el uso de genes de la arsenato reductasa bacteriana en plantas transgénicas para una posible fitorremediación mediante secuestro intracelular tras la reducción de As(+5) a As(+3).
Referencias
Categoría:Extremófilos Categoría:Arseniatos Categoría:Wikipedia:Páginas con traducciones sin revisar Categoría:Compuestos de arsénico (V)