domingo, junio 17, 2012



3.2 Potencial redox

Tanto la cadena respiratoria como las cadenas de transporte de electrones en la fotosíntesis funcionan como una secuencia de reacciones en las que los electrones se transfieren de unos componentes a otros. En tanto que unos componentes solo ganan uno o más electrones al pasar de la forma oxidada a la reducida, en otros esta captura de electrones induce un incremento de pK de uno o más grupo ionizables de la molécula, con lo que resulta que la reducción se ve acompañada de la ganancia de uno o más protones.



El potencial redox mide  la capacidad global de un agua de proceder por sí misma a la oxidación o reducción de sustancias. Es decir, un agua con un elevado potencial redox contendrá apreciable cantidad de oxigeno, siendo “rica” en compuestos en estado oxidado: Fe y Mn en sus estados superiores de oxidación, sulfatos, nitratos, fosfatos, y materia orgánica, y estando fuertemente mineralizada. Por el contrario, un agua con bajo potencial redox contendrá abundantes compuestos en estado reducido, apenas oxigeno y sulfuros, amoníacos y materias orgánicas difícilmente mineralizables.
El potencial redox de un agua puede expresarse como potencial redox:


siendo “rH” el logaritmo cambiado de signo de la presión parcial de hidrogeno en el agua.

  
Importancia ecológica

Las  reacciones  de  oxidación  y  reducción  regulan  el  comportamiento  de  muchos compuestos  químicos  presentes  en  cuerpos  de  agua  naturales.  La  reactividad, solubilidad y movilidad cíclica de elementos esenciales para los sistemas biológicos (ej. Fe, S, N, C, P, y varios elementos metálicos) son afectados por cambios en el potencial redox.  Al mismo tiempo, el potencial redox afecta la distribución y la actividad metabólica de microorganismos.

La distribución espacial de microorganismos aerobios  y  anaerobios  está  determinada principalmente  por  el  potencial  redox  del  ambiente.  Los  microorganismos  aerobios estrictos son metabólicamente activos a potenciales redox positivos, mientras que los anaerobios estrictos (ej. metanobacterias)  demuestran  actividad  metabólica,  solo  a potenciales redox negativos.  Los microorganismos anaerobios facultativos demuestran actividad metabólica sobre un rango amplio de valores Eh.  Estos utilizan oxígeno como aceptador final de los electrones a valores Eh altos.  Cuando el potencial redox es bajo, algunos de estos microorganismos llevan a cabo reacciones de fermentación mientras otros obtienen energía a través de la respiración anaerobia.


 
Variaciones pequeñas en el potencial redox pueden ocasionar cambios en la nutrición y fisiología de determinados microorganismos.  Una reducción en el potencial redox de la columna de agua puede causar que diatomeas bénticas cambien su patrón metabólico típico de autotrofía a uno de heterotrofía y que bacterias anaerobias facultativas cambien su  patrón  metabólico  de  una  respiración  aerobia  a  una  respiración  anaerobia  o  a reacciones de fermentación.

Potencial redox: efecto en la solubilidad de micronutrientes esenciales

Cambios en el potencial redox generan, a su vez, cambios en el estado redox de varios nutrientes esenciales (Figura  2).  La solubilidad de muchos micronutrientes esenciales como el hierro (Fe) y el manganeso (Mn) es afectada por el estado redox de la molécula.

Cuando el potencial redox es alto, hierro y manganeso existen  en  forma  trivalente  y tetravalente respectivamente (Fe3+; Mn+4).  Estas formas ionizadas son insolubles y no accesibles para el consumo microbiano.  Las formas bivalentes de estos metales (Fe2+  y Mn2+) se generan a potenciales bajos, son solubles en agua y fáciles de incorporar por los  microorganismos.  Las  reacciones  redox  favorecen  la  disolución  de  algunas especies químicas (ej. Fe(OH)3  Fe2+) y la inmovilización o escape de otras (ej. Fe2+  FeS; CO2  CH4). 

Potencial redox: efecto en estado redox de nutrientes esenciales

Generalmente, el potencial redox es afectado por la concentración de oxígeno disuelto. Según baja el potencial redox en aguas y sedimentos, se observa una disminución en la concentración de oxígeno disuelto y la reducción de iones y moléculas importantes para la nutrición de microorganismos y formas de vida superior (Tabla 1).  Dicha relación es particularmente observada en ambientes acuáticos eutróficos, en cuerpos de agua con una  estratificación  termal  marcada  y  en  cuerpos  de  agua  contaminados  con  altas concentraciones de materia orgánica oxidable.  Ambientes de agua dulce en equilibrio con el oxígeno atmosférico, tienen valores  Eh  alrededor de +800 mV (0.8V), mientras que el potencial redox para aguas oceánicas superficiales  generalmente  oscila  entre +400 y +435 mV (a un pH entre 7.6 y 8.3).  Cuando la tensión de oxígeno en dichos ambientes disminuye, el potencial redox también baja.



Potencial  redox: efecto  en  la  utilización  preferencial  de  aceptadores  de electrones

Las  poblaciones  que  integran  una  comunidad  microbiana  transferirán  los  electrones provenientes de la oxidación de  materia  orgánica  al  aceptador  de  electrones  con  el carácter más oxidante (Atlas y Bartha, 1993).  En otras palabras, los microorganismos seleccionarán  de  los  aceptadores  de  electrones  disponibles,  aquél  que  les  permita obtener el mayor margen de ganancia energética de la oxidación del substrato orgánico que utilicen como fuente de carbono y energía (Figura  3).  El mismo comportamiento lo observamos en organismos quimiolitotrofos, los cuales obtienen energía de la oxidación de materia inorgánica.  Los microorganismos anaerobios facultativos bloquean sus rutas fermentativas  o  sus  trayectos  de  reducción  disimilatoria  de  nitratos  o  sulfatos (respiración  anaerobia)  en  presencia  de  oxígeno  (Atlas  y  Bartha,  1993).  Bajo condiciones anaerobias y en ausencia del óxido de manganeso (MnO2), nitrato (NO3-) resulta ser el aceptador de electrones más oxidante.
Cuando  tenemos  un  substrato  orgánico  que  puede  ser  utilizado  como  fuente  de electrones, tanto por microorganismos reductores de nitrato, como por  microorganismos reductores de sulfatos, los reductores de nitrato obtendrán la mayor ganancia energética de la oxidación del substrato.  Eventualmente los reductores de nitrato dominarán sobre los reductores de sulfatos al generar una mayor cantidad de biomasa por  unidad  de substrato oxidado.  El nitrato y el hierro son usualmente escasos en los  sedimentos.

Estos se agotan rápidamente, al ser utilizados como aceptadores de electrones alternos en la ausencia de oxígeno.  Bajo dichas condiciones el sulfato (SO4 2- ) se convierte en el aceptador de electrones con el carácter más oxidante.  Cuando bacterias metanogénicas compiten con bacterias reductoras de sulfato por hidrógeno gaseoso (H2), como fuente de electrones, las metanogénicas demuestran una eficiencia de utilización menor y una demanda de consumo mayor del substrato, que las reductoras de sulfato.

En consecuencia, las bacterias metanogénicas no pueden competir de forma efectiva con las bacterias reductoras de sulfato, hasta tanto no se haya agotado el sulfato.  Esto último ocurre con relativa rapidez en sedimentos de cuerpos de agua dulce con bajo contenido de sulfatos.  Sin embargo, en sedimentos marinos, ricos en sulfatos, dicho proceso ocurre mucho más lentamente.

Referencias:


libro: fisicoquímica y microbiología de los medios acuaticos, pág. 17, disponible en:


libro: bioenergética: introducción a la teoría quimiosmótica, pág. 53, disponible en:

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