capitulo nº 10 bacterias metanogenicas

8/17/2019 CAPITULO Nº 10 Bacterias Metanogenicas

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CAPITULO X

MODOS METABÓLICOS ESPECIALES

10.1. METILOTROFÍA

Un microorganismo es metilotrofo cuando emplea como fuente de carbono y energía

metano, metanol y otros compuestos reducidos de un átomo de carbono, bajo

condiciones aeróbicas. Esto significa que el microorganismo puede fabricar sus propioscompuestos orgánicos empleando como fuente de carbono dichas pequeñas

moléculas, y además puede oxidarlas para obtener energía metabólica.

La metilotrofía se refiere a la capacidad de un organismo para utilizar compuestos

C1 como fuentes de energía. Estos compuestos incluyen el metanol, aminas

metílicas, formaldehído y metanoato. Varios otros sustrato menos comunes que

carecen de enlaces carbono-carbono también se pueden utilizar para el metabolismo.

Ejemplos de metilotrofos son las bacterias Methylomonas y Methylobacter .

La metanotrofía es un tipo específico de metilotrofía que puede usar también metano

(CH4) como fuente del carbono. El metano es oxidado secuencialmente a metanol

(CH3OH), formaldehído (CH2O), metanoato (HCOO- ) y finalmente a dióxido de carbono

usando inicialmente la enzima metano-monooxigenasa.

Puesto que se requiere oxígeno para este proceso todos los metanotrofos

(convencionales) son aerobios obligados. La reducción de energía se produce en la

forma de quinonas y NADH durante la oxidación, lo que origina la fuerza motiva del

protón y, por lo tanto, la generación de ATP. Los metilotrofos y metanotrofos no se

consideran autótrofos porque suelen incorporar algunos de los metanos oxidados (u

otros metabolitos) como carbono celular antes de su oxidación completa a CO 2.

El carbono se adquiere en el nivel del formaldehído usando la ruta de

la serina (Methylosinus, Methylocystis) o la ruta de la ribulosa monofosfato

(Methylococcus), dependiendo de la especie de metilotrofo.


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Cuadro N0 10.1. Algunas características diferenciales de bacterias consumidorasobligadas de metanol y metilamida.

DPG=difosfatidilglicerol; PG=fosfatidilglicerol; PE=fosfatidiletanolamina;GL=glucolípidos; V=resultado variable.

Fuente: (Pares I.F. y A. Juárez, 1997).

Básicamente las caterias metilotrofas se subdividen en dos grandes grupos: las

metilotrofas obligadas, que utilizan exclusivamente compuestos C1, y las facultativas,

las cuales, además de compuestos C1, pueden utilizarse sustratos formados por

cadenas multicarbonadas. Las metilotrofas obligadas se subdividen a su vez en dos

grupos: las que utilizan metanol y aminas metiladas pero no metano y las que solo

utilizan metano (metanotrofas). Se distingue también un grupo intermedio entre las

metilotrofas obligadas y las facultativas caracterizado por utilizar, además de

compuestos C1, un número muy limitado de compuestos multicarbonados. Las

metilotrofas obligadas que no utilizan metano crecen sobre metanol y metilamina.

Muchas de ellas están estrechamente relacionadas con microorganismos facultativos

de espectro muy restringido.


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Las metilotrofas facultativas son muy variadas y cosmopolitas. No forman una entidad

taxonómica identificable, excepto en muy pocos casos (ej. Methylobacterium). Haygrupos sin ninguna relación aparente, en cambio otros tienen en común algunas

propiedades fisiológicas y características morfológicas y quizás cierta afinidad

filogenética. Hay facultativas que son extremófilas como Acidomonas methanolica. De

las características que más llaman la atención del inmenso grupo de metilotrofas

facultativas pueden destacarse las siguientes: la relación con fijadores de nitrogeno

( Xantobacter y algunas rizobiaceas), el crecimiento autotrofico (Paracoccus,

Nitrobacter, Rhodopseudomonas y Thiobacillus) y la presencia de bacterioclorofila

(Methylobacterium).

Algunas metilotrofas se distinguen por su diferente sistema de asimilacion del

amoniaco. Unas utilizan la glutamato deshidrogenasa:

En cambio, otras utilizan el ciclo del glutamato. Figura N0 10.1.

Figura N0

10.1. Asimilacion del amoniaco utilizando la glutamato deshidrogenasa.

Fuente: (Voet, D. y J. G. Voet. 2006).


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La vía metabólica para la completa oxidación del metano y el metanol puede

esquematizarse de la siguiente forma: Figura N

0

10.2.Figura N010.2. Completa oxidación del Metano y el Metanol.

Fuente: (M.T. Madigan, J.M. Martinko y J. Parker., 2002).

En el esquema metabolico siguiente se presenta la asimilacion del formaldehido en los

metilotrofos del tipo I, asi como en los generos methylomonas, methylobacter ymethylococcus.

Mediante dicha via se asimila formaldehido actuando de aceptor la ribulosa-5-fosfato y

formandose alulosa-6-fosfato. Figura N0 10.3.

Figura N0 10.3. Asimilacion del Formaldehido actuando de aceptor la Ribulosa-5-

fosfato.

Fuente: (C.K. Mathews, K.E. Van Holde y K.B. Ahern, 2002).


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En los metilotrofos que tienen el sistema membranoso de tipo II, como methylosinus y

methylocistis, oera otro sistema fijador de c1, como el metanol, pero que puede tener lugar entre niveles de oxidacion que varian desde el metano hasta el formiato.

La via ciclica denominada de la serina es la que se lleva a cabo en los casos

anteriormente referidos y convierte unidades de un carbono en serina, como se

observa en la Figura N0 10.4, de forma acoplada al ciclo del acido glioxilico.

Figura N0 10.4. Vía de la serina.


10.2. METANOTROFÍA

El metano (CH4) es conocido desde el siglo XVIII como un gas que se desprende de

ambientes anaeróbicos ricos en materia orgánica. Es el denominado gas de los

pantanos, si bien en los mismos se halla mezclado con CO2 y N2. Puede ser recogido y

quemarse con facilidad. El metano es el resultado de la actividad de un grupo muy

especializado de bacterias que convierten los productos de fermentación de otros

microorganismos anaeróbicos (especialmente CO2, H2, formiato y acetato) bien en


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metano o bien en metano y dióxido de carbono). El metano se puede también oxidar

anaeróbicamente. Esto lo realizan un conjunto de bacterias reductoras del azufre yarchaea metanógenas que trabajan sintróficamente. Poco se sabe actualmente sobre

la bioquímica y ecología de este proceso.

La metanogénesis es la producción biológica de metano. Es realizada por los

metanógenos, archaeas estrictamente anaerobias tales como Methanococcus,

Methanocaldococcus, Methanobacterium, Methanothermus, Methanosarcina,

Methanosaeta y Methanopyrus. Figura N0 10.5.

Figura N0 10.5. Clasificación taxonomica de grupos de microorganismos

metanógenos

Fuente: (Atlas R.M. y R. BArtha. 2005)


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La bioquímica de la metanogénesis es única en la naturaleza por el uso de varios

cofactores inusuales que reducen secuencialmente los sustratos a metano. Estoscofactores son responsables (entre otras cosas) del establecimiento de un gradiente

protónico a través de la membrana externa que conduce a la síntesis de ATP. Existen

varios tipos de metanogénesis que se diferencian en los compuestos iniciales

oxidados.

Un segundo grupo de metanógenos utiliza metanol (CH3OH) como sustrato para la

metanogénesis. Éstos organismos son quimioorganotrofos, pero todavía autótrofos

porque usan CO2 como única fuente de carbono. La bioquímica de este proceso es

bastante diferente de la metanogénesis que reduce el dióxido de carbono. Todos losmetanógenos autótrofos utilizan una variación de la ruta del acetilo-CoA para fijar el

CO2 y obtener el carbono celular.

Por último, un tercer grupo de metanógenos producen metano y dióxido de carbono a

partir de acetato (CH3COO-) que es partido literalmente entre dos carbonos. Estos

organismos rompedores de acetato son los únicos metanógenos

quimioorganoheterótrofos.

10.2.1. Metanogénesis

La característica que identifica a las metanógenas es su metabolismo productor de

metano (CH4). La generación de este hidrocarburo no es realmente el objetivo de

dichas arqueas, en realidad la función de este proceso metabólico es la obtención de

energía en forma de ATP, o de moléculas destinadas para la biosíntesis. Generalmente

esta reacción se realiza a partir de dióxido de carbono (CO2) y de hidrógeno (H2),

donde el CO2 es un aceptor de electrones que es reducido gracias a los electrones

suministrados por H2. De forma simplificada, la reacción de este proceso, puede ser

escrita de la siguiente manera:

Este compuesto puede ser producto del metabolismo de diversos microorganismos

(metanogenos) todos ellos anaeróbicos estrictos e incluido dentro de las

CO2 + 4H2 ---> CH4 + 2H2O


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arqueobacterias Pero existen otras formas de realizar la metanogénesis según los

sustratos que se encuentren en el medio, por ejemplo se puede efectuar a partir deformato (HCOO -), de monóxido de carbono (CO), de piruvato (CH3COOCOH), de

metanol (CH3OH), de acetato (CH3COO-), entre otros. Figura 10.6.

Figura 10.6. Metabolismo microbiano del metano.

Izquierda:. El sustrato sobre el que crecen puede variar desde el CO2 + H2 hasta, entre otrasmoléculas, ácidos orgánicos y alcoholes de cadena corta. Derecha: Asimismo, el metano puede

ser el sustrato del crecimiento de diferentes grupos de microorganismos (metilotrofosobligados), todos ellos aeróbicos estrictos. La oxidación de CO2 (en azul) esta acoplada a laproducción de energía, mientras que la formación de esqueletos carbonados tiene lugar asimilando el formaldehido, bien por la vía de la serina (Izquierda) o bien por el ciclo de larubilosa monofosfato (derecha). La caja en esta vía representa reacciones catalizadas por aldosas y trancetolasas. Las levaduras también pueden fijar formaldehido por el ciclo de laxilulosa monofosfato (no representado en la figura). La reacción 1 es clave para el crecimientocon metano y esta catalizada por la metano monooxigenasa.

Fuente: (Karakashev , D., D. J. Batstone, y I. Angelidaki. 2005).


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Este tipo de portadores encontramos al metanofurano, a la tetrahydrometanopterina,

coenzima M (CoM). El otro tipo de coenzimas exclusivas son las coenzimas redox quesubministran los electrones necesarios para la reducción de CO2 a CH4 y que

intervienen en las diferentes etapas de la metanogénesis las cuales son el Factor 420

(F420), la 7-mercaptoheptanoil-treonina fosfato o coenzima B (CoB), el complejo

enzimático metil-reductasa así como la coenzima F430. En la Figura N0 10.7 se

muestran las estructuras químicas de las principales coenzimas que participan en la

metanogénesis.

10.2.2. Reducción del dióxido de carbono

Muchos metanógenos son capaces de reducir el anhídrido carbónico pasando

sucesivamente a radicales formilo, metenilo, metileno y metilo, el cual se reduce a

metano. La etapa más importante para la producción de energía es esta última.

El suministro de electrones para las reacciones de reducción procede, según las

especies, de la oxidación del hidrogeno, del formiato, del metanol, de metilaminas, del

acetato y, en muy pocos casos, del metanol y del propanol. En los procesos referidosde reducción de CO2 se han encontrado 6 nuevas coenzimas.

El metileno-H4MPT puede ser reducido químicamente a metil-H4MPT y este último

produce metano con extractos celulares de metanógenos. Las reacciones 5 y 6 deben

considerarse todavía especulativas, pero es seguro que está implicado el coenzima M

(SH-CoM).

Estas diversas reacciones, no suceden espontáneamente, por el contrario, la flecha de

la reacción es en realidad, una especie de resumen de múltiples reacciones que tienenlugar dentro de las metanógenas.

Para que estas reacciones se realicen, necesitan ciertas coenzimas exclusivas de las

metanógenas, que se dividen en dos tipos, el primero contiene a los portadores C1 que

transportan los carbonos desde el sustrato inicial hasta el metano.


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Figura N0 10.7. Estructura química de las principales coenzimas que participan en la

metanogénesis



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La reducción del CO2 tiene lugar sobre el radical C1 unido a diferentes coenzimas

según tiene lugar el proceso. El formilmetanofurano es el primer producto estable de lafijación de CO2 El grupo formilo es luego transferido a la tetrahidrometanopterina, una

pterina exclusiva de los Metanógenos, por acción de la formilmetanofurano:

tetrahidrometanopterina formiltransferasa. Después el grupo formilo es convertido a un

grupo metenilo por la 5,10-meteniltetrahidrometanopterinciclohidrolasa.

Entonces interviene la coenzima flavínico F420 que suministra los electrones para la

reducción del doble enlace del grupo metenilo para formar un grupo metileno,

quedando el coenzima F420 en su forma oxidada, todas estas reacciones han sido

expuestas en preparados enzimáticos homogéneos.

El metileno – H4MPT puede ser reducido químicamente a metil - H4MPT y este último

produce metano con extractos celulares de Metanógenos. La conversión de CO2 en

CH4 por las metanógenas hace que el ciclo del carbono, las metanógenas y la

metanogénesis estén íntimamente ligados. Figura N0 10.8.

Las metanógenas son parte importante del ciclo del carbono, ya que retornan este a la

atmósfera desde condiciones anaeróbicas, en vez de que se acumule gradualmente en

los lechos acuosos y atmósfera. Debido a las relaciones simbióticas que mantienen

con organismos tales como el ganado y termitas, otra gran cantidad de metano es

liberado.

En el caso del metano producido en fondos marinos o lechos de lagos, la mayoría

(alrededor del 90%) es consumido por las arqueas metanotrópicas, en una serie de

reacciones de oxidación de 2-electrones. Dichas arqueas se encuentran por lo general

en el límite entre medios anaerobios y aerobios y son organismos quimioheterótrofos.

Oxidan el CH4 y producen CO2, pero no generan H2 por lo cual no se trata del proceso

inverso de la metanogénesis.

En algunos hábitats, no todo el metano es consumido y alcanza la atmósfera. Esto se

da principalmente en sedimentos pantanosos y en sembradíos de arroz. El metano

puede difundirse fuera de los sedimentos y alcanzar la atmósfera antes de oxidarse,


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ser transportado directamente en burbujas o salir del sistema anaeróbico a través del

sistema vascular de las plantas.

Figura N0 10.8. Ciclo de reducción del CO2 a CH4 en las bacterias metanogénicas.

H

C N

N CH

H H

H-C-HN

N CH

H

H- C- N

N CH

H

HCO N

N CH

Las uniones de los grupos C1 a las coenzimas se indican con el fragmento de esteúltimo que se localiza fácilmente en la figura 11.2. La unión entre las reacciones 7 y 1es una parte del ciclo no completamente esclarecida. Finalmente, la reacción 7representa un esquema simplificado del proceso catalizado por la metil-CoMmetilreductasa.



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El metano producido por metanógenas en el interior de los sistemas digestivos de

algunos mamíferos, como los rumiantes y los seres humanos, se libera directamente ala atmósfera en forma de gases intestinales expulsados mediante eructos u

evacuaciones. Un proceso de simbiosis similar se da en las termitas, sin embargo no

se sabe con certeza cuanto metano liberan, ya que solo digieren por este medio una

fracción del carbono, por lo cual, los valores estimados para su producción de metano

no son del todo certeros.

El metano atmosférico eventualmente alcanza la estratosfera, donde reacciona con

radicales libre, comúnmente hidroxiles, formando CH3, mismo que puede participar en

reacciones que lleven a la formación de ozono o por el contrario a su destrucción. Su

interacción con el radical cloro que provoca el agotamiento del ozono. La oxidación del

metano en la estratosfera puede ser también una fuente importante de agua que forma

nubes de hielo a una altura de 85 km.

10.2.3. El Sistema de la Metilreductasa

La coenzima M (HS-CoM, acido 2-mercaptoetanosulfónico) fue el primero que se

descubrió entre los cofactores que intervienen en la reducción del CO2 y CH4. El

material de partida fue Methanobacterium, su forma metilada (CH3-S-CoM) es el

sustrato de reacción 7, llamado sistema de metilcoenzima M metilrreductasa. Se trata

de un complejo de fracciones proteicas y cofactores.

El sistema de la metilrrductasa fue primeramente resuelta en tres reacciones

denominadas A, B y C, de acuerdo con su orden de elucidacion durante una

cromatografía de intercambio iónico en condiciones anaerobias. A y C son fracciones

proteicas, en tanto B es un fosfato de 7-mercaptotanoiltreonina (HS-HTP), una

molécula dializable de pequeño tamaño. La fracción ha sido resuelta en trescomponentes proteicos (A1, A2, A3) y FAD. Además el ATP es necesario para

reeestablecer la actividad, y la vitamina B12 y el coenzima F420 tienen efecto activador

si bien no son impredecibles. El sistema se activa aerobiamente y es

extraordinariamente sensible al oxigeno.

El componente C, la metilreductasa, consta de tres sub unidades y representa

aproximadamente el 10% de la proteína celular, estando altamente conservada en


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todas las bacterias metanógenas. Todas las preparaciones que tiene un máximo de

absorción a 421nm y que decae paulatinamente hasta 440nm. El componentecromoforico ha sido aislado; es una porfirina altamente reducida y es el primer

componente tetrapirrólico unido a níquel que ha sido descrito en los seres vivos,

presenta el máximo de absorción de 430nm, por lo que se le ha llamado F430. La

diferencia de longitud de onda entre los picos 421 y 430 se debe a las interacciones

estructurales entre el grupo prostético y la proteína del componente C. Hay dos

moléculas de F430 unidas a cada molécula del componente C únicamente bajo la forma

de CH3 – S – CoM. Finalmente el componete C también está unido a dos HS – HTP.

La reducción de CH3 – S – CoM con H2 requiere además del componente C, las

fracciones proteicas A1, A2 y A3 anteriormente mencionadas. Probablemente A1 es una

hidrogenasa. El dador de electrones para la reducción del CH3 – S – CoM es el HS –

HTP. El heterodisulfuro de HS – HTP y HS – CoM ha sido identificado como el

producto resultante de la reacción:

CH3 – S – CoM + HS – HTP CH4 + C o M – S – S – H T P

Un modelo que resume el conocimiento actual del sistema de la metilrreductasa estaría

constituido por tres reacciones:

a) Reacción I. Conversión de la metilreductasa inactiva (Ci) a su estado activo (Ca)

por reducción de NiII a NiI

Ci (NiII) A2, S

3, ATP, TI o H

2 Ca (NiI)

b) Reacción II. Producción de metano y del heterodisulfuro

HS–HTP + CH3 –S–CoMC

a CH4+ CoM–S –S HTP

c) Reacción III. Regeneración de HS – CoM y HS – HTP por reducción del

heterodisulfuro. Los electrones pueden ser proporcionados bien por el citrato de

titanio III, bien por el ditiotreitol (en ambos casos en presencia de B12) o bien una

reacción enzimática catalizada por la proteína A1 en presencia de H2.


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CoM – S – S – HTP HS – CoM + HS – HTP

La relación del CH3 – S – CoM con la reducción del CO2 a CH4 fue descubierta por

Gunsalus, pero el descubrimiento posterior del heterodisulfuro ha constituido un

progreso impotante para la comprensión de la reacción 7 y la confirmación de la vía

cíclica. Sin embargo, la misma formación del formilmetanofurano es todavía poco

conocida.

10.2.4. Producción de Energía

La reducción de CH3-S-CoM por H2 es un proceso exoergónico (G‘ 0 = -85kj) y es la

fuente de energía para la sntesis de ATP. En Methanosarcina barkeri la metanogenesis

a partir del metanol e H2 tanto como la que tiene lugar a apartir de acetato están

vinculadas a la síntesis de ATP.

Por analogía, se piensa que este mecanismo es también aplicable a otros

metanogenos. Recientemente, se ha puesto de manifiesto que el componente C seencuentra asociada a la membrana citoplasmática constituyendo un orgánulo

denominado metanorreductosoma, lo que apoya al modelo quimiosmotico como es

más probable para las bacterias metanogenas.

La generación de ATP puede tener muchos aspectos comunes en acetógenas y

metanógenas.

Se ha escrito una serie extensa de fermentaciones metánicas, pero no es seguro que

las realice una sola bacteria del metano, sino más bien una asociación de una bacteriadel metano con otra bacteria anaerobia.

Algunos ejemplos clásicos de transformación de diferentes sustratos en metano son los

siguientes:


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Un cultivo metanogénico que había sido hace años uno de los más estudiados es el

Methanobacillus omelianskii , el cual lleva a cabo eficazmente la oxidación de alcoholes

primarios y secundarios a metano con la reducción del CO2

2CH3-CH2OH + CO2 2CH3-COOH+ CH4

En realidad el cultivo referido está formado por la asociación sinérgica de dos bacterias

anaerobias que en conjunto realizan el siguiente metabolismo:

Una de ellas es una bacteria del metano, probablemente idéntica a Metthanobacterium

formicium que forma metano con CO2. La otra bacteria no está todavía identificada y es

la que lleva a cabo la oxidación del etanol a acetato con formación de hidrógeno.

Ninguna de las dos puede vivir a expensas del etanol y CO2.


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Sin la reducción de este último, la misma producción de H2 inhibe el crecimiento de la

bacteria asociada. Methanobacterium formicium oxida monóxido de carbono según lasiguiente estequimiometría:

Methanobacterium suboxidans oxida el ácido butírico:

2CH3-CH2-CH2-COOH + 4H2O 4CH3-COOH +8H+

8H+ + CO2 CH4 + 2H2O

2CH3-CH2--CH2-COOH + 2H2O + CO2 4CH3-COOH + CO2 + 3 CH4

Methanobacterium propionicum oxida el ácido propiónico:

4CH3-CH2-COOH + 8H2O 4CH3-COOH +4CO2 + 24H+

3CO2 + 24H+ 3CH4 + 6H2O

4CH3 - CH2 - COOH + 2H2O 4CH3-COOH + CO2 + 3 CH4

En éstos dos últimos casos puede tratarse de un fenómeno análogo a Methanobacilum

omelianskii.

La conversión de acetato a metano aparece como un proceso ecológico muy

importante en digestores de residuos y en medios anóxicos de agua dulce, donde no

hay una competencia excesiva por el acetato con otras bacterias. A pesar de que la

producción de metano está muy extendida, son pocos los compuestos de carbono que

sirven como precursores directos de la metanogénesis. Por lo tanto, es un proceso que

depende de la producción de esos compuestos por otros organismos, a partir de la

materia orgánica compleja.


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En muchos ambientes anóxicos los precursores inmediatos del metano son el H2 y el

CO2 que se generan por las actividades de los organismos fermentadores. En elproceso general de producción de metano a partir de la fermentación de un

polisacárido, como la celulosa, pueden intervenir hasta cinco grupos fisiológicos de

procariotas..

Bacterias celulolíticas rompen la molécula de celulosa, de peso molecular elevado, en

celobiosa y glucosa libre. Por acción de los fermentadores primarios, la glucosa origina

ácidos orgánicos, alcoholes, H2 y CO2. Todo el hidrógeno producido es consumido

inmediatamente por las bacterias metanogénicas, las acetogénicas o las reductoras de

sulfato si éste se halla en alta concentración. Además el acetato puede ser convertido

en metano por otros metanógenos (2).

Etapas de la digestión anaeróbica

1. β Hidrólisis de los polímeros complejos

2. β Acidogénesis por fermentación de los monómeros produciendo

acetato,

3. propionato, butirato, succinato, alcoholes, H2 y CO2

4. β Acetogénesis por fermentación secundaria generando acetato, H2,

CO2

5. β Metanogénesis a partir de H2, CO2, acetato

El proceso de digestión anaerobia consiste en la transformación de la materia orgánica

a través de una serie de reacciones bioquímicas, en un biogás con un alto contenido

de metano (CH4), que puede ser aprovechado como fuente de energía y un efluentesólido, con excelentes características para ser utilizado como fertilizante para el suelo.

Durante la primera etapa, participan las bacterias hidrolíticas, encargadas de romper

los polímeros orgánicos (polisacáridos, proteínas, y lípidos) para convertirlos a

monómeros tales como; los ácidos grasos volátiles de cadena larga, los alcoholes, el

H2 y CO2; posteriormente intervienen las bacterias fermentativas o acidogénicas que

transforman los productos formados durante la hidrólisis en ácido acético y compuestos


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intermedios como el etanol, el ácido láctico, el ácido propiónico, el ácido fórmico y el

ácido butírico, además de H2 y CO2. Estos productos son convertidos en acetato, H2 yCO2 por las bacterias acetogénicas. Finalmente, el CH4 es producido por las bacterias

metanogénicas a partir del acetato, el H2 y el CO2. Figura N0 10.9.

Figura N0 10.9. Proceso de transformación de la materia orgánica a CH4

Fuente: (Sandoval C. J. et. al. 2007)

Los organismos clave en la conversión de compuestos orgánicos complejos a metano

son los fermentadores secundarios, especialmente las bacterias oxidantes de ácidos

grasos o alcoholes que producen H2, pues utilizan estos compuestos como fuente de

energía en cultivos mixtos con un consumidor de H2 a través de una relación sintrófica

(sintrófica = comiendo juntos). La energía libre asociada a las conversiones de los

ácidos grasos es positiva, pero si la concentración de H2 se mantiene muy baja debido


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al consumo constante por los metanógenos pasa a tener signo negativo lo que

determina su factibilidad. En la mayoría de los ecosistemas anóxicos, la acetogénesislimita el proceso global porque la velocidad de crecimiento de los microorganismos

intervinientes es generalmente muy lenta.

Los metanógenos están muy extendidos en la tierra a pesar de su metabolismo

especializado. Aunque la producción de metano se produce en gran cantidad en los

ambientes claramente anaeróbicos como pantanos, zonas encharcadas o rumen, el

proceso también se lleva a cabo en lugares como los suelos de bosques o praderas

que podrían ser considerados aerobios, debido a la formación de microambientes

anóxicos en el interior de las partículas de suelo.

La magnitud de la producción de metano por las arqueobacterias es superior a la

obtenida anualmente de los pozos de gas natural. Las principales fuentes son los

eructos de los rumiantes y el gas liberado en las zonas pantanosas. También se lleva a

cabo la metanogénesis en el intestino de los vertebrados y de los insectos que comen

madera como las termitas. Se han encontrado metanógenos viviendo como

endosimbiontes de amebas y flagelados de vida libre acuática o albergados en el tubo

digestivo de invertebrados.

La metanogénesis se observa con más frecuencia en los ambientes terrestres y las

aguas continentales que en el mar, debido a las proporciones más bien altas de sulfato

presentes en aguas y sedimentos marinos donde las bacterias reductoras de sulfato

compiten con las poblaciones metanogénicas por el acetato y el H2 disponibles (4). En

el océano los principales precursores de metano son las metilaminas apenas utilizadas

por los reductores de sulfato, como la trimetilamina que es un producto importante de

excreción en los animales marinos.

10.3. BACTERIAS METANOGENAS

Las arqueas metanógenas son microorganismos procariontes que viven en medios

estrictamente anaerobios y que obtienen energía mediante la producción de gas

natural, el metano (CH4). Gracias a esta característica, este tipo de organismo tiene

una gran importancia ecológica, ya que interviene en la degradación de la materia

orgánica en la naturaleza, y en el ciclo del carbono


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Las metanógenas son un grupo filogenéticamente heterogéneo en donde el factor

común que las une es la producción de gas metano y sus cofactores únicos.

Las bacterias metanogenicas han sido relativamente poco estudiadas debido a su

dificultad que presenta su aislamiento y mantenimiento en cultivo puro. Son bacilos o

cocos, móviles o inmóviles, grampositivos o gramnegativos, estrictamente anaeróbicos,

mucho más sensibles al oxígeno y los agentes oxidantes, como el nitrato, que las

demás bacterias anaerobias. No pueden utilizar como reductores ni los aminoácidos ni

los azucares. La metanogénesis es obligada y para reducir el CO2 a metano solo

pueden oxidar H2, formiato, metanol, metalaminas o acetato y posiblemente el etanol y

el propanol en casos muy especiales. Figura N0 10.10.

Figura N0 10.10. Proceso de transformación de la compuestos aromáticos CO2 y

CH4

Fuente: (J. A., Morlett Chávez, et al)


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Son anaerobias obligadas que no toleran ni siquiera breves exposiciones al aire (O2).

En ambientes anaeróbicos son muy abundantes, incluyen sedimentos marinos y deagua dulce, pantanos y suelos profundos, tracto intestinal de animales y plantas de

tratamiento de líquidos cloacales. Las bacterias de este género, provocan la

descomposición anaerobia de la materia de origen vegetal, por ello se encuentran en

las charcas, en el suelo y en el tracto digestivo de las vacas y de otros rumiantes. Se

utilizan en las plantas depuradoras de aguas, en las últimas etapas del tratamiento del

lodo. Son difíciles de estudiar por su intolerancia al oxígeno y porque tienen ciertas

necesidades ambientales especiales.

Las metanogénicas tienen un tipo increíble de metabolismo que puede usar el H2

como fuente de energía y el CO2 como fuente de carbono para su crecimiento. En el

proceso de construcción de material celular desde H2 y CO2, Las metanogénicas

producen metano (CH4) en un único proceso generador de energía. El producto final,

gas metano, se acumula en el ambiente, así se han creado la mayoría de las fuentes

naturales de gas natural (combustible fósil) utilizado con fines industriales o

domésticos. Cuadro N0 10.2.

Cuadro N0 10.2. Principales características de los Metanogenos

Fuente: (Leininger, S., et al. 2006)


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Se clasifica a las metanobacterias en siete grupos principales que comprenden un total

de 17 géneros. Hay bacilos cortos y largos, cocos con variada ordenación, células enforma de placas y metanógenos filamentosos. Unos son Gram positivos, otros Gram

negativos (5).

10.3.1. Filogenia y Diversidad

De acuerdo al análisis filogenético del ARN ribosómico 16S, las metanógenas están

clasificadas en el grupo de los procariontes, y en el subgrupo de las arqueas. Esto se

puede confirmar al ver que las metanógenas son microorganismos unicelulares sin

núcleo definido y su pared celular no es de peptidoglucano como la de las bacterias,sino de pseudomureína. Cuadro N0 10.3.

Más específicamente, dentro del dominio Archaea, existen cuatro filos diferentes: el filo

Crenarchaeota, formado por especies marinas y por hipertermófilos, el filo

Korarchaeota constituido hasta donde sabemos por termófilos, el filo Nanoarchaeota

que comprende una sola especie y el filo Euryarchaeota, donde justamente se

encuentran las metanógenas y los halófilos extremos.

Actualmente, se conocen cerca de sesenta especies diferentes de metanógenas, y a

pesar de constituir un grupo filogenético coherente, este grupo no es homogéneo.

Existen grandes diferencias fisiológicas y morfológicas entre ellas. Por este motivo se

han hecho cuatro subdivisiones, formando las siguientes clases: Methanobacteria,

Methanococci, Methanomicrobia y Methanopyri. Estas clases se subdividen en

órdenes y familias. De la misma forma, las familias se dividen en géneros, y después

en especies. Cuadro N0 10.4.

Arqueas metanógenas termófilas (Kajima Co.) y La especie Methanospirillum hungatii.


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Cuadro N0 10.3. Principales grupos de bacterias metanotrofas.


Cuadro N0 10.4. Características generales de las principales Familias de bacterias

metanogénicas.

FAMILIA CARACTERISTICAS

Metanobacteriaceae Bacilos largos o cortos, utilizan H2 y CO2 y

algunas formato o alcoholes como

substratos para metanogénesis; cocos

que utilizan sólo H2 o metanol, la mayoría

son Gram positivos; contienen

pseudomureína; no mótiles; contenido de

GC, 23-61%


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Metanotermaceae Bacilos; los subtratos para metanogénesis

son H2 y CO2, Gram positivos; contienenpseudomureína; no mótiles; termofílicos

extremos; contenido de GC, 33-34%

Metanococcaceae Cocos irregulares; los substratos para

metanogénesis son H2 + CO2 y formato;

Gram negativos; mótiles; contenido de

GC, 29-34%

Metanomicrobiaceae Bacilos, espirilos, placas o cocos

irregulares; utilizan H2 y CO2 algunasformato o alcoholes como substratos para

metanogénesis; Gram negativos; mótiles

y no mótiles; contenido de GC, 39-61%

Metanocorpusculaceae Pequeños, cocos irregulares; utilizan H2 Y

CO2 y algunas formato o alcoholes como

substratos para metanogenesis; Gram

negativos; mótiles y no mótiles; contenido

de GC, 48-52%Metanosarcinaceae Pseudosarcina, cocos irregulares; utilizan

H2 y CO2, acetato, compuestos metílicos

como substratos para metanogénesis,

nunca formato; cocos que utilizan sólo H2

o metanol; la mayoría son Gram positivos

o negativos; frecuentemente no mótiles;

contenido de GC, 36-52%

Fuente: (Schink, B. 1997)

10.3.2. Crecimiento de Bacterias Metanógenas.

Cuando los metanógenos crecen de forma autotrófica, el CO2 es la principal fuente de

carbono, sin embargo el crecimiento de casi todos ellos es estimulado por el acetato y


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en algunas especies por ciertos aminoácidos. En cultivos de laboratorio algunos

metanógenos del rumen necesitan de una mezcla de ácidos grasos (3).

Todos los metanógenos utilizan NH+ como fuente de nitrógeno y algunas especies

fijan N2 (Methanosarcina, Methanococcus). El níquel es un componente de una

coenzima metanogénica y está además presente en las enzimas hidrogenasa y

Codeshidrogenasa. Estos organismos también requieren hierro y cobalto para su

crecimiento. Tienen algunas coenzimas exclusivas que son portadoras de C1 o

intervienen en las reacciones de óxido-reducción como donadores de electrones (2).

La reducción del CO2 por lo general depende del H2, pero el formiato, el CO e inclusoel Feº sirven como donadores de electrones. El Feº es oxidado a Fe++ y los electrones

liberados se combinan con los protones para formar H 2, que es el donador inmediato

en la metanogénesis. También los alcoholes pueden aportar electrones en unos pocos

casos (2).

En condiciones normales la variación de energía libre durante la reducción de CO2 a

metano con H2 es -131 kJ/mol, pero debido a la influencia de la concentración de los

reactantes en los ambientes naturales baja a cerca de -30 kJ/mol. La concentración de

H2 en las zonas meta nogénicas no es mayor a 10 mM (3).

La etapa terminal de la metanogénesis es la de conservación de la energía. La

reducción está asociada con la extrusión de protones a través de la membrana,

creando una fuerza motriz de protones. La utilización del gradiente de protones

mediante una ATPasa integrada a la membrana, impulsa la síntesis de ATP (2). Las

metanobacterias autotróficas convierten el CO2 en material celular a través de la vía del

acetil-CoA utilizada también por las bacterias homoacetogénicas y las reductoras de

sulfato, pero a diferencia de estas últimas los metanógenos integran las vías

biosintética y bioenergética porque comparten intermediarios comunes. Las reacciones

de la vía del acetil-CoA también están estrechamente relacionadas con la producción

de metano a partir de compuestos de metilo o acetato.

El crecimiento de metanobacterias sobre compuestos de metilo también está ligado a

la bomba de protones para la síntesis de ATP, pero en ausencia de H2 la generación

de los electrones necesarios requiere que alguno de los substratos se oxide. Esto se


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produce por una bomba de sodio ligada a la membrana citoplasmática, que establece

un gradiente de sodio a través de la misma y conduce a la oxidación de grupos metilo aCO2 (3).

Se han descrito una serie extensa de fermentaciones metanicas, pero no es seguro

que las realice una sola bacteria del metano, sino más bien una asociación de una

bacteria del metano con otra bacteria anaerobia.

Lo interesante, es que en cada familia y hasta en cada género, encontramos

organismos con morfología diferente, por ejemplo, dentro de la familia

Methanomicrobiaceae, hay metanogenas en forma de cocos, de espiral y de bastón.De la misma forma, dichos microorganismos, se encuentran en diferentes ambientes, y

por ende, tienen metabolismos diferentes, al reducir sustratos diferentes para obtener

metano.

Un cultivo metano génico que había sido hace años uno de los más estudiados es el

Methanobacillus Omelianskii , el cual lleva a cabo eficazmente la oxidación de alcoholes

primarios y secundarios a metano con la reducción de CO2:

En realidad, el cultivo referido está formado por la asociación sinérgica de dos

bacterias anaerobias que en conjunto realiza el siguiente metabolismo:


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Una de ellas es la bacteria del metano, probablemente idéntica a Methanobacterium

Formicicum que forma metano con CO2 e H2. La otra bacteria no esta todavíaidentificada y es la que lleva a cabo la oxidación del etanol a acetato con formación de

hidrogeno. Ninguna de las dos puede vivir a expensas del etanol y CO2. Sin la

reducción de este ultimo, la misma producción de H2 inhibe el crecimiento de la

bacteria asociada.

Methanobacterium Formicicum oxida monóxido de carbono según la siguiente

estequiometria:

Methanobacterium suboxidans oxida el acido butírico:

Methanobacterium propionicum oxida el acido propiónico:


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10.4. SINTROFÍA

La sintrofía, en el contexto del metabolismo microbiano, se refiere a la colaboración de

varias especies para realizar una reacción química que, de otra forma, sería

desfavorable energéticamente. El ejemplo mejor estudiado de este proceso es la

oxidación de los productos fermentantes finales (tales como acetato, etanol y butirato)

por organismos tales como Syntrophomonas. Aisladamente, la oxidación de butirato a

acetato e hidrógeno es energéticamente desfavorable. Sin embargo, cuando un

metanógeno hidrogenotrofo está presente, el uso del gas de hidrógeno bajará

perceptiblemente la concentración del hidrógeno (a 10-5 atmósferas) y desplazará el

equilibrio de la reacción de la oxidación del butirato. La energía libre disponible de la

metanogénesis baja desde -131 kJ/mol en condiciones estándares a -17 kJ/mol a una

presión de hidrógeno de 10-5 atmósferas. Éste es un ejemplo de transferencia de

hidrógeno entre especies. De esta manera, las fuentes de energía de bajo rendimiento

de carbono pueden ser utilizadas por un consorcio de organismos que realizarán la

degradación adicional y eventual mineralización de estos compuestos. Estas

reacciones ayudan a prevenir una excesiva pérdida de carbono a la escala de tiempo

geológicos, lanzándolo de nuevo a la biosfera en formas usables tales como metano y

CO2.

Algunos metanógenos reducen el dióxido de carbono (CO2) a metano (CH4) utilizando

usualmente electrones del hidrógeno (H2) quimiolitoautotróficamente. Estos

metanógenos se suelen encontrar en ambientes que contienen organismos

fermentantes. La colaboración estrecha entre metanógenos y bacterias fermentantes

se puede considerar sintrofía porque los metanógenos, que confían en los

fermentantes para la obtención del hidrógeno, evitan la inhibición de los mismos

impidiendo la excesiva acumulación de hidrógeno. Este tipo de relación sintrófica se

denomina concretamente transferencia de hidrógeno entre especies.

El sintrofismo (syn juntos, trophe alimentación) es la asociación en la que el

crecimiento de un organismo depende con los factores y nutrientes aportados por otro

organismo que vive cerca.


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Un ejemplo muy importante es el que asocia la sintrofía con la producción de metano:

Existe una organización sinergística entre las diferentes bacterias implicadas en la

metanogénesis. La reacción general podría resumirse como: Biomasa CH4 + CO2 +

H2 + NH3 + H2S.

10.5. BACTERIAS SINTROFICAS

10.5.1. Grupos principales de bacterias sintroficas

Existen 4 grupos o categorías de bacterias que participan en los pasos de conversión

de la materia hasta moléculas sencillas como metano o dióxido de carbono y que van

cooperando de forma sinergística:

Grupo 1: Bacterias hidrolíticas: Son un grupo de bacterias (Clostr id ium,

Proteus,Bacteroides, Baci l lus, Vibrio, Acetovibrio, Staphylocco ccus ) que

rompen los enlaces complejos de las proteínas, celulosa, lignina o lípidos en

monómeros o moléculas como aminoácidos, glucosa, ácidos grasos y glicerol.

Estos monómeros pasarán al siguiente grupo de bacterias.

Grupo 2: Bacterias fermentativas acidogénicas: (Clostr id ium,

Lactobaci l lus, Escherichia, Baci l lus, Pseudomonas, Desulfovibrio,

Sarcina ). Convierten azúcares, aminoácidos y lípidos en ácidos orgánicos

(propiónico, fórmico, láctico, butírico o succínico), alcoholes y cetonas (etanol,

metanol, glicerol, acetona), acetato, CO2 y H2.

Grupo 3: Bacterias acetogénicas: Son bacterias sintróficas (literalmente

“que comen juntas”), es decir, solo se desarrollan como productoras de H2 junto

a otras bacterias consumidoras de esta molécula. Syntrophob acter

wol in i i , especializada en la oxidación de propionato, y Syntrophomonas

wolfei , que oxida ácidos grasos que tienen de 4 a 8 átomos de carbono,

convierten el propiónico, butírico y algunos alcoholes en acetato, hidrógeno y

dióxido de carbono, el cual se utiliza en la metanogénesis.

Etanol + CO2 Acido acético + 2H2


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Acido propiónico + 2H2O Acido acético + CO2 + 3H2

Acido butírico + 2H20 2 Acido acético + 2H2

4 grupo: Metanógenas: La digestión anaerobia de la materia orgánica en la

naturaleza, libera del orden de 500-800 millones de toneladas de metano por

año a la atmósfera. Esto se produce en la profundidad de sedimentos o en el

rumen de los herbívoros. Existen tanto bacterias Gram positivas como

negativas. Estos microorganismos crecen muy despacio, con tiempo de

generación que van desde los 3 días a 35ºC hasta los 50 días a 10ºC. Estas

bacterias se dividen en 2 subgrupos:

Metanógenos hidrogenotróficos (bacterias quimiolitótrofas que

utilizan hidrógeno): CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O

Metanógenas acetotróficas: Acético CH4 + CO2

El género Methanotrix sp presenta alta afinidad por el acetato, mientras el género

Methanosarcina sp se caracteriza por su habilidad para utilizar múltiples sustratos,

incluyendo H2 y formato, lo cual le confiere una alta tasa de crecimiento y una ventaja

competitiva en sistemas estables, en los cuales los niveles de acetato son bajos.

El proceso de digestión anaerobia consiste en la transformación de la materia orgánica

a través de una serie de reacciones bioquímicas, en un biogás con un alto contenido

de metano (CH4), que puede ser aprovechado como fuente de energía y un efluente

sólido, con excelentes características para ser utilizado como fertilizante para el suelo.

Durante la primera etapa, participan las bacterias hidrolíticas, encargadas de romper

los polímeros orgánicos (polisacáridos, proteínas, y lípidos) para convertirlos amonómeros tales como; los ácidos grasos volátiles de cadena larga, los alcoholes, el

H2 y CO2; posteriormente intervienen las bacterias fermentativas o acidogénicas que

transforman los productos formados durante la hidrólisis en ácido acético y compuestos

intermedios como el etanol, el ácido láctico, el ácido propiónico, el ácido fórmico y el

ácido butírico, además de H2 y CO2. Estos productos son convertidos en acetato, H2 y


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CO2 por las bacterias acetogénicas. Finalmente, el metano es producido por las

bacterias metanogénicas a partir del acetato, el H2 y el CO2. Figura N

0

10.11.

Figura N0 10.11. Proceso de transformación de la materia orgánica polimerica de

acuerdo a los procesos de hidrólisis, acidogenésis, acetogenésis y

metanogénesis.

Fuente: Martens-Habbena, W., et al. 2009.

La digestión anaerobia ha sido utilizada ampliamente para estabilizar lodos

provenientes de plantas de tratamiento de aguas residuales domésticas, y en una

menor proporción, pero con una tendencia de aumento significativo, es utilizada para el

tratamiento de aguas residuales diluidas como es el caso de las aguas residuales

domésticas, con bastante éxito en zonas de clima tropical, y aguas residuales

concentradas como las industriales (destilerías, cervecerías, malterías, papeleras,

alimentos, etc). Figura N0 10.12.


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Figura N0 10.12. Proceso de transformación de polímeros..

Fuente: (Crueger, W. And A. Crueger. 1993)

Bioremediación:

La digestión anaerobia puede ser utilizada para la biodegradación o biotransformación

de contaminantes tóxicos. Comunidades de microorganismos en ambientes

anaerobios, puede causar la oxidación de contaminantes a productos estables (CO2) o

pueden causar la biotransformación de contaminantes a sustancias menos tóxicas.

La bioremediación anaerobia puede ser utilizada en el tratamiento de efluentes

industriales que contienen sustancias tóxicas, como es el caso de la industria del

plástico, cuyas aguas residualescontienen altas concentraciones de terepthalato:

Figura N0 10.13.


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Figura N0 10.13. Conversión de compuestos Aromáticos a Metano.

Fuente: (Washer, C. E. y E. A. Edwards. 2007)

10.5.2. Estudios de aislamiento y caracterización de bacterias sintroficas

Se ha obtenido el aislamiento y caracterización bioquimica y genética de dos nuevos

géneros y dos nuevas especies de bacterias anaerobias aminoacidoliticas sintróficas:

Aminomonas paucivorans, Aminobacterium colombiense, Aminobacterium mobile y

Desulfovibrio aminophilus.

Estos estudios permitieron determinar que estas bacterias deben establecer

asociaciones sintróficas con organismos hidrogenotróficos como son las

Metanoarchaea para degradar substratos proteínicos (péptidos y aminoácidos). De

aquí se deduce que aún existe una importante población microbiana péptido y

aminoacidolítica sintrófica no identificada.

Esta biodiversidad es la base de la alta capacidad de degradación de materia orgánica

en los sistemas de tratamiento biológico de aguas residuales. Sin embargo, no existen

reportes de recuento de estas poblaciones en los ecosistemas estudiados. Algunos

estudios tratan de determinar las poblaciones anaerobias asacarolíticas peptidolíticas

sintróficas de sistemas anaerobios de tratamiento de aguas residuales de industrias


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alimentarias para obtener una visión más completa de los microorganismos

asacarolíticos peptidolíticos y de sus actividades degradativas (proteínas, péptidos yaminoácidos).

Esta información permitirá la optimización del proceso microbiológico implicado en la

degradación de estos substratos, que podrá ser utilizada para la operación de

reactores anaerobios para el control de la contaminación acuática.

Otros estudios consideran la Producción de biohidrógeno a partir de propionato y

butirato en un sistema en continuo por poblaciones sintróficas.

La generación de biohidrógeno a partir de la fermentación primaria de carbohidratos,ampliamente estudiada, presenta dos problemas: rendimientos de producción de

hidrógeno bajos y producción de metabolitos altamente reducidos (acetato, butirato,

propionato y alcoholes).

Estos metabolitos pueden servir como sustrato metanogénico (producción de metano).

Sin embargo existe una vía poco explorada en la que tanto el butirato como el

propionato pueden ser degradados para la producción de biohidrógeno en una

segunda fermentación.

Las bacterias sintróficas son las encargadas de esta fermentación, siempre y cuando

existan condiciones de baja presión parcial de hidrógeno. Se ha realizado la

producción de biohidrógeno por bacterias sintróficas a partir de butirato y propionato,

con el objetivo de incrementar el rendimiento de producción de hidrógeno.

En Cuadro N0 10.5, se presentan algunos experimentos preliminares en el diseño de

un sistema experimental que favorece la eliminación continua del biogás producido con

el objetivo de mantener una baja presión parcial de hidrógeno.

En la Figura Nº 10.14, se esquematiza el proceso de produccion de biogas.


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Cuadro N0 10.5. Parámetros fisicoquímicos de acuerdo al tipo de cultivo para la

eliminación continua del biogás.

Tipo cultivo T° K Ks máx

Y B

Metanogénesis acetoclástica (substrato acetato en todos los casos)Cultivo mezcla 25 5.0 930 0.25 0.050 0.011Cultivo mezcla 30 5.1 356 0.275 0.054 0.037Cultivo mezcla 35 8.7 165 0.357 0.041 0.015

Cultivo mezcla 60 26 0.28Methano sarcina barkeri 37 8.6 257 0.206 0.024 0.004Methanobacterium sp. 30 26 11 0.26 0.01Methanothrix soehngenii 37 30 0.11 0.023Metanogénesis hidrogenotrófica a partir de H2 y CO2Methanob revibacter 33 0.6 1.4 0.04arboriphi l icus

Methanob revibacter

smith i i

37 90 0.018 4.02 0.045 0.088

Methanob revibacter

smith i i

37

Bacterias del rumen 37 2-8 0.016Lodo de digestor 30 11-69 0.07-

0.11Methanobacterium 60 50-54 0.09-

0.140.13

Thermoautotrophium

Methano spir i lbum

humgatei

37 1.92 0.09-0.12

0.05 0.017-0.03

Cultivo mezcla 35 16.5 4.8*10-

Fuente: (Valdez Vazquez, I., et al. 2004)


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Figura N0 10.14. Etapas de la producción de biogas.

Fuente: (Garcia Martin H. et al. 2006).

capitulo nº 10 bacterias metanogenicas

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