Estudio: la luz visible induce a las bacterias a producir superóxido para la oxidación del manganeso

31 de marzo de 2023

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por Prensa de Educación Superior

Los óxidos de manganeso son minerales reactivos naturales y están ampliamente difundidos en ambientes acuáticos y terrestres, afectando el destino de los metales (como As3+ y Cd2+) y contaminantes orgánicos (como fenoles y diclofenaco) a través de la adsorción y oxidación en el tratamiento de aguas residuales. Por lo general, se cree que los óxidos de manganeso (III/IV) en el medio ambiente se forman mediante la oxidación del Mn (II) disuelto mediante procesos abióticos o bióticos.

La oxidación del Mn (II) acuoso por oxígeno disuelto se favorece termodinámicamente, pero la cinética es lenta debido a la barrera de alta energía de la reacción de Mn (II) disuelto a óxidos de Mn (III/IV). La presencia de microorganismos acelera la tasa de oxidación, que es de 4 a 5 órdenes de magnitud más rápida que la tasa de oxidación química abiótica, por lo que se considera como la fuente inicial de óxidos de manganeso en el medio ambiente.

Las bacterias capaces de catalizar la oxidación de iones Mn(II) disueltos a óxidos de Mn(III/IV) no disueltos suelen denominarse bacterias oxidantes de manganeso. La oxidación bacteriana de los iones Mn(II) se divide en forma directa e indirecta, y el proceso catalizado por enzimas en la superficie de los microorganismos se llama oxidación directa. Para las vías indirectas, algunas bacterias pueden cambiar las condiciones ambientales circundantes para la oxidación del Mn(II) (p. ej., el pH y el Eh).

En estudios recientes se ha demostrado que el clado Roseobacter oxida Mn (II) produciendo especies reactivas de oxígeno extracelular. ¿Otros clados de bacterias tienen procesos de oxidación de Mn (II) similares a los de Roseobacter? ¿Está la oxidación de Mn (II) estrechamente relacionada con el proceso fisiológico de las bacterias?

Para responder a estas preguntas, el profesor Feng Zhao de la Academia de Ciencias de China y los miembros de su equipo exploraron el proceso de oxidación microbiana del manganeso bajo luz visible utilizando microorganismos de la superficie costera del agua de mar. Se analizó la relación entre la transformación de Mn(II) soluble en óxidos de Mn(III/IV) insolubles por microorganismos y su papel fisiológico. Este estudio se publicará en Frontiers of Environmental Science & Engineering en 2023.

En este estudio, el equipo de investigación descubrió que la luz visible promueve en gran medida la tasa de oxidación del Mn(II), y la tasa promedio alcanza 64 μmol/(L·d). Los óxidos de manganeso generados condujeron a la oxidación de Mn(II), por lo que la rápida oxidación del manganeso fue el resultado de la acción combinada de lo biótico y lo abiótico, y la función biológica representa el 88 % ± 4 %.

El superóxido extracelular producido por microorganismos inducidos por la luz visible es el factor decisivo para la rápida oxidación del manganeso en nuestro estudio. Pero la producción de estos superóxidos no requiere la presencia de iones Mn(II), el proceso de oxidación de Mn(II) fue más bien una reacción secundaria involuntaria, que no afectó el crecimiento de los microorganismos.

Más del 70 % de los microorganismos heterótrofos en la naturaleza son capaces de producir superóxido, basándose en las propiedades oxidantes de los radicales libres, todas estas bacterias pueden participar en el ciclo geoquímico del manganeso. Es más, la vía de oxidación del superóxido podría ser una fuente natural importante de óxido de manganeso.

Este estudio reveló una vía esencial para la oxidación bacteriana del manganeso. Las bacterias heterótrofas producen superóxido bajo irradiación con luz visible y oxidan los iones Mn(II) en el entorno circundante, que es la principal fuente de óxidos de manganeso. Los óxidos de Mn (III/IV) biogenerados también pueden oxidar iones de Mn (II) indirectamente a través de reacciones abióticas bajo iluminación luminosa.

Muchas bacterias en el medio ambiente que producen superóxido de forma activa o pasiva también pueden oxidar Mn(II) de esta manera, lo que sugiere que la vía de oxidación del manganeso a través del superóxido es un comportamiento común en el medio ambiente. A la luz de las propiedades de oxidación y semiconductoras de los óxidos de manganeso, esta investigación proporcionará nuevas ideas para el tratamiento de la contaminación ambiental.

Más información: Fan Yang et al, La luz visible induce a las bacterias a producir superóxido para la oxidación del manganeso, Frontiers of Environmental Science & Engineering (2022). DOI: 10.1007/s11783-023-1619-y

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