Una “squadra speciale” microbica per la biodegradazione degli IPA

Gli Idrocarburi Policiclici Aromatici (IPA) sono una classe di oltre 200 composti organici costituiti da due o più anelli aromatici condensati. Essi sono caratterizzati da una bassa solubilità in acqua, un’elevata persistenza ambientale, una buona solubilità nei lipidi ed una bassa volatilità (ad eccezione dei composti più leggeri). Divenuti ormai ubiquitari nell’ambiente, le fonti da cui derivano gli IPA possono essere naturali (incendi e biosintesi da parte di microrganismi e piante) ed antropiche (fumo di sigarette, raffinerie di petrolio, inceneritori di rifiuti e centrali termoelettriche).

L’interesse scientifico per questa classe di composti è legato alla loro genotossicità. Per questo motivo la United States Environmental Protection Agency (EPA) e la World Health Organization (WHO) hanno identificato, all’interno di questa classe, 16 composti definitiinquinanti prioritari” (Fig. 1).

Figura 1 – Strutture chimiche dei 16 IPA definiti “inquinanti prioritari” dalla United States Environmental Protection Agency e dalla World Health Organization.

Gli IPA sono composti lipofilici e tendono ad accumularsi nei tessuti degli organismi esposti. La loro eliminazione quindi dipende dalla capacità dell’organismo stesso di trasformarli in metaboliti idrosolubili, eliminabili attraverso l’escrezione.

Uno dei meccanismi più importanti che rende gli IPA tossici per gli organismi è la fotoinduzione, che si verifica quando una molecola assorbe raggi ultravioletti. Le molecole eccitate, reagendo con l’ossigeno, possono produrre specie ossidanti, pericolose per i tessuti biologici. Il meccanismo viene definito di Energy-transfer.

Inoltre, l’esposizione prolungata agli IPA può indurre anche mutagenicità o teratogenicità. Essi sono inclusi nell’elenco dei distruttori endocrini.

Gli IPA possono essere biodegradati sia in condizioni aerobiche che anaerobiche. In condizioni aerobiche i batteri utilizzano l’ossigeno per la rottura dell’anello aromatico. Tuttavia, singoli ceppi batterici degradano difficilmente miscele complesse di IPA. Per questo motivo in approcci di biorisanamento si utilizzano consorzi batterici al fine di sfruttare le capacità degradative complementari delle singole specie.

Le specie più efficienti nella degradazione del naftalene appartengono ai generi Pseudomonas, Mycobacterium, Corynebacterium, Aeromonas, Rhodococcus e Bacillus, a cui si aggiunge la specie Gram negativa Alcaligenes denitrificans.

Invece, le specie più efficienti nella degradazione del fenantrene appartengono ai generi Aeromonas e Micrococcus, a cui si aggiungono le specie Alcaligenes faecalis e Arthrobacter polychromogenes.

Altre specie batteriche anaerobiche coinvolte nella degradazione degli IPA appartengono ai generi Pseudomonaceae e Geobacteraceae.

Ad alimentare l’esercito microbico su cui possono contare le biotecnologie ambientali vi sono anche numerose specie di funghi appartenenti ai generi Cunninghamella, Aspergillus, Candida, Penicillium, Phanerochaete, Bjerkandera, Pleurotus, Coriolus, Dichomitus, Phiebia, Lentinula.

La sequenza biochimica delle reazioni enzimatiche coinvolte nella degradazione del naftalene è riportata in Figura 2.

Figura 2 – Rappresentazione schematica dell’upper pathway proposto per la degradazione del naftalene da parte di diversi ceppi batterici del genere Pseudomonas.

Tutta la serie di enzimi che catalizzano queste reazioni iniziali va a costituire quello che viene generalmente definito upper pathway degradativo. Nelle reazioni successive, alle quali prendono parte gli enzimi del lower pathway, l’acido salicilico viene ossidato a catecolo che subisce quindi una rottura dell’anello aromatico.

Un aspetto utile per le biotecnologie ambientali consiste nel fatto che i geni codificanti per gli enzimi dei pathway metabolici alla base della biodegradazione degli IPA, sono localizzati su plasmidi. Da ciò deriva un doppio vantaggio: da un lato, il trasferimento orizzontale di materiale genetico mediante coniugazione contribuisce alla diffusione dei geni catabolici spesso anche tra batteri appartenenti a generi diversi, dall’altro lato questi plasmidi possono essere utilizzati in approcci di ingegneria metabolica per il risanamento ad hoc di siti contaminati in cui non si dispone di specie microbiche autoctone in grado di consentirne il biorisanamento.

 

Sitografia

Bibliografia

  • Habe H., Omori T. (2003) Genetics of polycyclic aromatic hydrocarbon metabolism in diverse aerobic bacteria. Biosci Biotechnol Biochem. 67(2):225-43.
  • Renato Baciocchi (2013) Biorisanamento. Corso di Bonifica dei Siti Contaminati. Laurea magistrale in “Ingegneria per l’ambiente e il territorio”. Università di Roma “Tor Vergata”.

Crediti immagini

  • https://www.researchgate.net/publication/247479612_Natural_Attenuation_of_Polycyclic_Aromatic_Hydrocarbon-Contaminated_Sites_Review/figures?lo=1
  • http://dspace.unitus.it/bitstream/2067/1110/1/magiubilei_tesid.pdf

Nicola Di Fidio, Ph.D. student
Department of Chemistry and Industrial Chemistry – University of Pisa
Via G. Moruzzi 13 – 56124 Pisa
MSc. in Industrial and Environmental Biotechnologies
Mob: +39 3299740251
Primary e-mail: nicola.difidio91@gmail.com
Secondary e-mail: n.difidio@studenti.unipi.it

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6 Commenti

    • Ciao Nicolò,
      ti riporto la via catabolica del naftalene ponendoti tra parentesi gli enzimi coinvolti nel passaggio da un intermedio chimico all’altro:
      naftalene –(cis-naftalene diossigenasi)–> cis-diidrodiolo naftalene –(1,2-diidrossinaftalene deidrogenasi)–> 1,2-diidrossinaftalene –(1,2-diidrossinaftalene diossigenasi)–> 2-idrossi-2H-cromene-2-carbossilato –(2-idrossi-2H-cromene-2-carbossilato isomerasi)–> trans-o-idrossibenzilidenepiruvato –(trans-o-idrossibenzilidenepiruvato idratasi-aldolasi)–> salicilaldeide –(salicilaldeide deidrogenasi)–> acido salicilico.
      Grazie del tuo riscontro e resto a disposizione per qualsiasi altro chiarimento o confronto.

    • Ciao Maurizio,
      grazie della tua domanda e perdona il ritardo della mia risposta.

      Ovviamente per fornirti una risposta specifica avresti dovuto dirmi a quale classe di fitofarmaci tu faccia riferimento. In generale esistono diversi microrganismi naturalmente presenti nel suolo in grado di biodegradare i composti sintetici usati come fitofarmaci.

      Nel documento scaricabile al seguente link: http://www.grifa.org/notebooks/grifa18/Perucci.pdf puoi trovare tutte le informazioni dettagliate sui meccanismi biologici di degradazione biologica di diverse classi di fitofarmaci ed i rispettivi microrganismi in grado di espletare tali processi.

      Pertanto, la risposta alla tua domanda è sì, esistono microrganismi in grado di degradare diverse tipologie di fitofarmaci che potrebbero essere applicati in interventi mirati di biorisanamento di siti contaminati da fitofarmaci.

      Spero di aver soddisfatto la tua curiosità. In caso contrario resto a completa disposizione per ulteriori confronti e chiarimenti.

      Ciao

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