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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