Robust PCA: A Review

El azufre es otro elemento esencial para los organismos, integra la composición de:

• proteínas en los aminoácidos, metionina (21% de S) y cistina (27% de S), formando además puentes de azufre

• factores de crecimiento, como la biotina y tiamina.

En el suelo, la mayor reserva de este elemento es orgánica y en muchos casos constituye un factor limitante al desarrollo vegetal, que presentan claros síntomas de deficiencia. La respuesta a fertilizantes azufrados es rápida en esos casos. Los vegetales se nutren de preferencia de sulfatos, pero pueden asimilar también ciertos aminoácidos y formas volátiles de azufre por las hojas.

La atmósfera puede contener compuestos con azufre: SO2, SH2, provenientes de la actividad industrial, de la polución en las grandes ciudades y también de una actividad biológica intensa (Freney

et al, 1983). La figura 1 presenta las transformaciones biológicas que sufren los compuestos con

azufre que incluyen procesos de: • mineralización-inmovilización

• óxido-reducción

Los procesos de fijación-volatilización no son importantes en el suelo, excepto las pérdidas de H2S o anhidridos de azufre, en ciertas circunstancias. Tampoco son citadas reacciones de precipitación- solubilización de compuestos con azufre.

Como se observa las transformaciones que sufre este elemento en el suelo tienen mucha similitud con las del nitrógeno:

• la reserva en el suelo es orgánica

• la nutrición vegetal depende de la actividad mineralizante de la microflora del suelo • la sulfooxidación es un proceso similar a la nitrificación en el plano bioquímico y ecológico

• la sulfhidrización, mineralización de compuestos azufrados orgánicos hasta sulfuros o H2S, es muy similar a la amonificación

• la sulfatorreducción es una respiración anaerobia, como la desnitrificación, con las mismas consecuencias negativas en la nutrición vegetal pero importante para eliminar a la atmósfera sulfatos en aguas.

Sin embargo, ambos ciclos presentan algunas diferencias:

• la fuente primaria del nitrógeno del suelo lo constituye la atmósfera y en el caso del azufre, es la roca madre la que al meteorizarse provee de este elemento al suelo.

• el del azufre es considerado un ciclo más complejo; muchas de las transformaciones, sobre todo la sulfooxidación de innumerables compuestos con grado de oxidación intermedio entre sulfuros y sulfatos, no están bien dilucidadas.

El azufre retorna al suelo en residuos vegetales, animales, fertilizantes, lluvia; ciertos gases, como SO2, H2S llegan al suelo en cantidades importantes en zonas fabriles. Alexander (1977) cita valores de 100 kg/ha/año en regiones industrializadas de Europa y Estados Unidos.

Figura 1 - Transformaciones biológicas del azufre vegetales animales fijac. SO4=, SO3=, S3O6=, S4O6=,S2O3= So oxidac. SO2 reducción atmosférico S= m i m volátil.

materia orgánica, fresca, humificada, microbiana

Mineralización-inmovilización

Los vegetales requieren sulfatos como fuente de azufre, el que deben reducir a forma sulfhidrilo (-SH) en sus células. La mineralización de las formas orgánicas de este elemento es un importante proceso microbiológico que asegura la provisión de sulfatos en la zona radical. Formas orgánicas como proteínas, aminoácidos, antibióticos como la penicilina, compuestos húmicos, ésteres sulfúricos, etc. son transformados en compuestos cada vez más simples por una micropoblación muy variada, en condiciones muy amplias de aireación, temperatura, pH, liberando finalmente compuestos inorgánicos, sulfatos y/o sulfuros.

La inmovilización incorpora estos iones a las células microbianas que compiten por ellos con los vegetales.

Como en el caso del nitrógeno, las combinaciones del azufre en el humus, conducen a una estabilización. Los productos finales están en parte gobernados por las condiciones del medio: • en aerobiosis el producto final es el sulfato, acompañado de nitratos, CO2, H2O, fosfatos, etc. • en anaerobiosis, como ocurre en el caso de la putrefacción de proteínas, se acumula H2S y productos de mal olor como los mercaptanes: metilmercaptán (CH3-SH), metil-etil-mercaptán (CH3S-C2H5), tóxicos para los vegetales, junto a aminas, amidas, NH3, fosfatos, sales ferrosas, CO2, CH4, ácidos orgánicos, alcoholes.

Los aminoácidos son rápidamente degradados en suelos bien aereados, con liberación de sulfatos. Los microorganismos heterótrofos pueden también liberar sulfatos de compuestos de estructura R- SH. La cisteína desulfhidrasa es responsable de la liberación de sulfuros a partir de cistina:

HSCH2CHNH2COOH + H2O →→→→ CH3COCOOH + H2S + NH3

En el caso de la metionina puede aparecer sulfato luego de su incorporación al suelo, o bien la degradación puede ocurrir con formación de productos finales volátiles, metilmercaptán (CH3-SH) y dimetildisulfuro (CH3SSCH3), realizado por bacterias y hongos.

La mineralización de compuestos azufrados y la liberación de formas minerales, reducidas u oxidadas (mineralización neta) depende, como en el caso del nitrógeno, del contenido de S%, de la relación C/S y a veces de la N/S.

La relación crítica C/S debajo de la cual el azufre excede las necesidades de la microflora y se libera al medio, varía como en el caso ya considerado del nitrógeno, con los materiales orgánicos que llegan al suelo, pero se puede establecer valores entre 100 a 150/1 (Dommergues, Mangenot, 1970). En general, las relaciones críticas son altas y sólo excepcionalmente los vegetales se ven perjudicados por la acción microbiana. En ese caso resulta favorable fertilizar con compuestos con azufre. Algunos microorganismos, sobre todo los anaerobios, que no pueden emplear sulfatos, porque no son

formados en ambientes carentes de oxígeno, pueden asimilar formas orgánicas del azufre, como los aminoácidos, proteínas, etc.

Las condiciones que favorecen a la inmovilización son las mismas que afectan a la mineralización, pero en sentido inverso:

• pH y temperatura bajas, humedades elevadas, restos vegetales con menos de 0,1-0,2% de S. La microflora activa en la mineralización es muy amplia, una multiplicidad de especies de bacterias, hongos, protozoos, algas. Es la misma población que interviene en la mineralización de restos vegetales y animales que llegan al suelo y actúan en todas las condiciones compatibles con la actividad biológica.

Los factores que favorecen el crecimiento microbiano, favorecerán la liberación de sulfatos:

• aumento de temperatura en el rango mesófilo, la liberación de sulfatos es escasa debajo de 10ºC y se eleva con la temperatura hasta 35ºC

• encalado en suelos ácidos, una mejor aireación y humedades medias

• la desecación provoca liberación de sulfatos de la materia orgánica por vías no biológicas

En general, se piensa que el azufre se mineraliza al mismo rango que el nitrógeno, es decir entre un 1 al 3% al año en suelos de la zona templada.

Sulfooxidación

Numerosos compuestos inorgánicos del azufre con estado de oxidación menor que el sulfato (+ 6) pueden ser oxidados biológicamente o químicamente hasta sulfato:

sulfuros (-2); Sº (O); tiosulfato (+ 6 y -2); sulfitos (+ 4)

A diferencia de lo que ocurre en la nitrificación, en donde sólo un grupo pequeño de microorganismos autótrofos muy eficientes y una multiplicidad de heterótrofos poco eficientes son los responsables de la formación de nitratos, en la sulfooxidación intervienen:

1. organismos quimioautótrofos del género Thiobacillus aerobios y anaerobios

2. bacterias quimiolitotrofas filamentosas y sobre todo acuáticas de la familia Beggiatoaceae

3. bacterias fotosintéticas sulforosas purpúreas y verdes de las familias Chromatiaceae y Chlorobiaceae

4. un amplio número de microorganismos quimioheterótrofos variados.

En el suelo son los thiobacilos y los organismos heterótrofos los que desempeñan un rol cuantitativamente más importante, los otros dos grupos son sobre todo acuáticos y las bacterias fotosintéticas requieren anaerobiosis y dosis altas de sulfuros.

1. Thiobacteriaceae: estas bacterias sulfooxidantes poseen la capacidad de obtener energía y poder

reductor para su biosíntesis celular de la oxidación de compuestos inorgánicos del azufre. La actividad metabólica de las bacterias oxidantes del azufre y del hierro juega importante rol en distintos campos de importancia económica como son la purificación de minerales con uranio, cobre y otros metales, la corrosión de cañerías metálicas, en la tecnología del petróleo, polución de aguas y fertilidad de suelos.

Además de la habilidad para producir ácido sulfúrico, algunos de sus integrantes son capaces de reducir nitratos y otros óxidos del N hasta N2, limitando la provisión de uno de los más importantes nutrientes nitrogenados. Mucha atención han recibido las transformaciones realizadas por miembros del género Thiobacillus, pero aún restan sin dilucidar mecanismos enzimáticos y la naturaleza de muchos intermediarios en la oxidación.

Los thiobacilos son: • Gram negativos • no esporulados

• algunos móviles por flagelo polar • depositan el Sº fuera de la célula.

El género comprende 9 especies, de las cuales 5 son bien conocidas:

• 4 son autótrofas: T. thiooxidans, T. thioparus, T. denitrificans y T. ferroxidans

Aleem (1975) analiza las transformaciones de compuestos reducidos: ∆∆∆∆(kcal/mol)

1. H2S + 2º2 → H2SO4 - 160

2. + 1,5 O2 + 2H+ → H2SO4 - 118

3. S2O3= + O2 + H2O → 2SO42= + 2H+ - 211 4. 5S2O3= + 8NO3- + H2O → 10SO4= + 4N2 + 2H+ - 893

5. SO3= + 0,5 O2 → SO4= - 60

6. + HS- + H2S) +3H2O+ 3NAD(P) ! SO3= + 3NAD(P)H +5H+

+ 186 7. SO3= + H2O + NAD(P) → SO4= + NAD(P) + H+ + 34

T. thiooxidans y T. novellus pueden realizar la reacción 3), T. thiooxidans, la 2). T. denitrificans obtiene energía de la reacción 4) utilizando también en anaerobiosis el Sº como donador de electrones. En aerobiosis (es anaerobio facultativo) puede oxidar según las ecuaciones 2) y 3).

T. ferroxidans puede realizar las reacciones 2) y 3) pero puede desarrollarse empleando la energía de

la oxidación de sales ferrosas, en lugar de las formas reducidas del azufre:

12 FeSO4 + 3O2 + 6 H2O →→→→ Fe (SO4)3 + 4 Fe(OH)3

Todos los thiobacilos, con excepción del T. novellus, emplean CO2 como fuente de carbono y sales amoniacales como fuente de N, incluso el T. denitrificans que no es capaz de asimilar nitratos. El pH óptimo de las especies varía:

• para T. thiooxidans y T. ferroxidans en la vecindad de pH 2,0 a 3,5

• para el resto predominan las preferencias en la neutralidad o ligeramente alcalino. Salvo el T. denitrificans son aerobios obligados.

Se han propuesto diferentes esquemas metabólicos en la oxidación de compuestos con azufre. Algunos autores suponen pasajes por politionatos:

Sº →→→→ S2O3= →→→→ S4O6= →→→→ S3O6= →→→→ SO3= →→→→ SO4 =

tiosulfato tetrationato tritionato sulfito sulfato

El rápido crecimiento de estos organismos, 2 horas de tiempo de generación cuando crecen a expensas de tiosulfato, y la relativa versatilidad del grupo, los hacen muy útiles para estudios fisiológicos asociados a modos quimioautótrofos de vida.

La autotrofia obligada, más extendida entre los nitrificantes, es una propiedad variable entre los oxidantes del azufre y está completamente ausente entre las bacterias del hidrógeno. Muchos estudios se realizan para tratar de explicar esta característica distribuida al azar entre los principales grupos de procariotas:

• la incapacidad de estos organismos de emplear fuentes orgánicas exógenas puede deberse a la ausencia de permeasas específicas que incorporen a las moléculas orgánicas. Pero esta teoría ha sido cuestionada pues se observó que muchos thiobacilos pueden incorporar el C14-acetato cuando metabolizan sulfuros, aunque esta fuente contribuye con muy poco del carbono recientemente sintetizado

• la explicación más aceptada se basa en la ausencia de un ciclo deácidos tricarboxílicos

funcional por falta de la enzima alfa-cetoglutarato deshidrogenasa y a niveles muy bajos de succínico y málico deshidrogenasas. Al no poder mediatizar la oxidación de la acetil-CoA, el ciclo funciona como dos metabolismos separados puramente biosintéticos.

• los electrones en los organismos quimioautótrofos con excepción de las bacterias del hidrógeno, entran en la CTE por los citocromos con la intervención de piridín nucleótidos. La oxidación de la mayoría de los compuestos orgánicos es vía NADH, que podría estar impedida en estos organismos.

La cadena transportadora de electrones de los microorganismos autótrofos es poco conocida en detalle.

2. Las bacterias filamentosas deslizantes del grupo Beggiatoa-Thiotrix son características de medios ambientes acuáticos ricos en sulfuros o suelos hidromórficos. Contienen frecuentemente inclusiones de azufre en sus células que pueden oxidar a sulfato.

3. Las bacterias fotosintéticas sulfurosas purpúreas de la familia Chromotiaceae y las sulfurosas verdes de la familia Chlorobiaceae emplean sulfuros y acumulan Sº en las células que puede ser luego oxidado a sulfatos. Dominan en barros y en anaerobiosis donde se acumulan sulfuros.

4. Microorganismos heterótrofos: numerosas especies de bacterias aerobias, hongos y levaduras pueden oxidar formas reducidas de azufre, aunque la energía liberada sólo representa una pequeña porción de la que la célula necesita. Numerosos hongos pueden liberar sulfatos de moléculas orgánicas como proteína-tiourea, con rendimiento energético menor que los thiobacilos. Se discute el rol de los microorganismos heterótrofos en la oxidación de compuestos azufrados pues si bien su rendimiento es bajo, éste puede ser compensado por su alta densidad en algunos ambientes.