Entre los organismos estudiados, sólo los microorganismos eucarióticos mostraron capacidad para degradar completamente a la protolignina. La acción de los distintos organismos en el proceso son variados, como muy bien los resume Zeikus (1981). Los métodos empleados para cuantificar la degradación incluyen estudios con especies aisladas sobre ligninas específicamente marcadas con C14 (en fracciones alquílicas, arílicas o en los grupos metoxilo) y análisis químico y estructural de maderas en decaimiento inoculadas y no inoculadas con especies fúngicas de interés. La degradación de la celulosa es cerca de tres veces superior a la de la lignina.
Por la dificultad en la preparación de medios selectivos, el aislamiento de especies responsables es muy dificultoso. Incluso, una disminución en la concentración del sustrato, no siempre es índice de degradación. La molécula puede ser adsorbida a micelios o células microbianas, e incluso la degradación puede enmascararse por la síntesis de sustancias del tipo de la lignina por numerosos hongos.
Los organismos más activos son los hongos responsables de las podredumbres de la madera: blanca, parda y blanda, que han sido muy estudiadas por sus consecuencias en el deterioro de postes, vigas, de madera. Son sobretodo Basidiomycetes y algunos Ascomycetes.
Los hongos de la podredumbre blanca son los más activos degradadores de la lignina, pudiendo convertir la madera en CO2 y H2O. Degradan lignina y otros polisacáridos, con pérdida de peso rápida: Pleurotus ostreatus, Phanerochaete chrisosporium , Polyporus anceps
Los hongos de la podredumbre parda degradan extensivamente polisacáridos y causan modificaciones químicas limitadas de la lignina. Son incapaces de metabolizar anillos aromáticos y son más eficientes en la degradación de celulosa y hemicelulosas. Atacan cadenas laterales, dejando fenoles que se oxidan dando pigmentos marrones o pardos.
Estudios con Lenzites trabea demostraron que la descomposición es sobre todo oxidativa y que la demetilación de unidades fenólicas y no fenólicas de la madera constituyen las principales reacciones degradativas. Otros hongos activos: Poria cocos, Lentinus lepideus, Poria monticola.
Los hongos de las podredumbres blandas degradan los principales componentes de la madera. El material se transforma en una masa oscura, desorganizada, con poca pérdida de peso y la ligmina sufre alteraciones parciales. Se comprobó con algunas especies, como Preussia fleshhkii y
Chaetomium piluliferum, descomposición de anillos marcados (3% a CO2 en 25 días) y
demetoxilación significativa. Son sobretodo Ascomycetes y Hongos Imperfectos.
Pocas referencias se encuentran sobre la actividad degradativa de la lignina entre otros organismos eucariotas. El moho Fusarium solani crece sobre ligninas sintéticas y las degrada. Es interesante examinar la capacidad de otros hongos para degradar ligninas naturales o industriales.
Entre los organismos procarióticos, algunas bacterias han sido referidas como ligninolíticas, sobre todo en cultivos mixtos, en el suelo. Especies de Azotobacter son capaces de degradar tanto los anillos como los grupos metoxilo cuando crecen con compuestos aromáticos solubles, aunque a velocidad menor que la actividad de poblaciones mixtas de bacterias.
Algunos actinomicetes poseen capacidad de degradar lignina, rompen enlaces beta-aril éter, presentes en ligninas naturales, pero se requieren mayores conocimientos sobre los mecanismos de degradación de estos organismos. Las bacterias atacan sobretodo las cadenas laterales alifáticas.
El rol que juegan los animales en la descomposición de la lignina no puede ser ignorado, aunque su principal actividad sea una disminución del peso molecular como consecuencia de destrucción mecánica. Insectos, invertebrados y rumiantes contribuyen a la despolimerización física de la lignina e incrementan la digestibilidad de la lignocelulosa, atacada por los microorganismos asociados a sus tractos gastrointestinales (anaerobiosis).
Sólo los microorganismos son capaces de degradar completamente este polímero.
En resumen: son sobre todo los hongos imperfectos y los basidiomicetes, los organismos más activos en la degradación de ligninas naturales. Algunas bacterias y actinomicetes demostraron habilidad para atacar ligninas sintéticas marcadas (cadenas laterales) (Martin et al., 1982). Las interacciones microbianas estimulan frecuentemente la degradación y el proceso es realizado por poblaciones complejas.
Degradación
La mayoría de los estudios se realizaron con cultivos de hongos de la podredumbre blanca, por su reconocida habilidad de degradar completamente a este polímero. Los trabajos no son sencillos; se emplearon ligninas libres de otros compuestos carbonados, como madera molida, o ligninas sintéticas marcadas. En Phanerochaete chrysosporium, uno de los hongos mejor estudiados, se encontró que éste no podía crecer con lignina sola y requería un sustrato rápidamente metabolizable, como celulosa o glucosa. Incluso en la naturaleza, la presencia de celulosa estimula la actividad ligninolítica de este hongo en mayor grado que el succionato o glicerol. P. chrysosporium prefiere pH ácidos: 4,0-4,5, temperaturas óptimas relativamente altas, las fuentes de nitrógeno pueden ser amonio, nitratos o aminoácidos, pero altas concentraciones en medio de cultivo inhiben la degradación de la lignina y se requieren altas presiones parciales de O2 (Ghosh y Singh, 1993).
La figura 7 (Keyser et al., 1978) presenta las relaciones entre el crecimiento, el agotamiento en las fuentes de nitrógeno y la actividad ligninolítica de P. chrysosporium. El sistema ligninolítico de este hongo es: i) constitutivo, ii) se expresa sólo en el metabolismo secundario, iii) afectado por limitaciones en carbono, sulfato y nitrógeno, iv) es marcadamente afectado por la concentración de oxígeno. Si bien el crecimiento no es afectado por el nivel de O2, la degradación de la lignina fue 2-3 veces superior a 100% de O2 que en el aire (21%), lo que corrobora la creencia de que la degradación es un proceso oxidativo.
Figura 7- Agotamiento de nutrientes, crecimiento y degradación de la lignina por el hongo
Phanerochaete chrysosporium
variaciones glucosa micelio relativas actividad ligninolítica N extracelular 0 1 2 3 4 5 6 7 edad del cultivo (días)
Como se observa, la lignina es descompuesta en la fase estacionaria (crecimiento nulo), en presencia de un co-sustrato, pero en ausencia de fuentes de nitrógeno (la adición de amonio retarda la aparición de la actividad ligninolítica).
El agotamiento de las fuentes de nitrógeno inicia un segundo metabolismo en el hongo asociado a la degradación de la lignina. Se entiende por metabolismo primario el que está directamente acoplado a actividades del crecimiento, mientras que los denominados secundarios (cometabolismo) están asociados a la sobrevivencia. Zeikus (1981) ejemplifica muy bien el rol de la actividad ligninolítica con una expresión que dice: los hongos degradan lignina para alimentarse de la celulosa de la madera. Se piensa que la degradación de la lignina brinda energía al microorganismo en muy bajo nivel, suficiente para sobrevivir, pero no para crecer. Esto explica la ausencia de un mecanismo enzimático específico para la despolimerización de la lignina. Se piensa que también intervienen procesos degradativos de naturaleza química. El nivel de enzimas que participan es bajo y algunos autores comparan el proceso con una erosión del polímero mediatizada por enzimas:
oxigenasas, que rompen anillos aromáticos, fenol oxidasas, incluyendo lacasas, tirosinasas y peroxidasas. La formación de radicales libres por acción de fenol oxidasas pueden ocasionar ruptura de enlaces entre anillos aromáticos y la cadena lateral con propano.
celobiosa-quinona oxidorreductasa, activa en la degradación de celulosa y lignina por hongos de la podredumbre blanca.
No se conoce bien la naturaleza de las enzimas que son activas en los enlaces C-C y C=O, que contribuyen a la despolimerización.
Como resumen analizaremos la figura 8 donde se muestra las relaciones del complejo lignocelulosa en el ciclo del carbono. En efecto, la mayoría del carbono orgánico de la tierra está en forma de compuestos lignocelulósicos, sintetizados a partir del CO2 y en productos de su degradación (humus, turba, lignitos y carbón), lentamente mineralizada en la naturaleza ya que la lignina, comparada a un material plástico, aunque de naturaleza biológica, actúa como efectiva barrera que impide la degradación de los otros componentes.
En ambientes aeróbicos, el polímero de lignina es erosionado biológicamente por enzimas microbianas no específicas a productos más simples y CO2 o sufre una complexación con otros constituyentes para formar humus.
En ambientes anaeróbicos, la lignina y el humus son productos difíciles de degradar (recalcitrantes), se acumulan y contribuyen a la formación de turbas, lignitos y carbón. La madera, producto de la fotosíntesis en bosques, posee tiempos de renovación tan largos como 35-45 años, ya que contiene un 25% en peso de lignina, que limita su biodegradación.