Bactérias oxidantes de hidrogênio

Bactérias oxidantes de hidrogênio são um grupo de microrganismos que podem usar hidrogênio como doador de elétrons. Muitas delas são autótrofos facultativos mas algumas podem ser exclusivamente heterotróficas. Elas podem ser divididos em aeróbios e anaeróbios. As aeróbias utilizam hidrogênio como doador de elétrons e oxigênio como aceptor final, enquanto as anaeróbias utilizam compostos como sulfato ou nitrato como aceptores de elétrons. Espécies de ambos os tipos foram isoladas de uma variedade de ambientes, incluindo águas doces, sedimentos, solos, lodo ativado, fontes termais, fontes hidrotermais e água percolada.

Estas bactérias são capazes de explorar as propriedades especiais do hidrogênio molecular (por exemplo, potencial redox e coeficiente de difusão) graças à presença de hidrogenases. As bactérias aeróbicas oxidantes de hidrogênio são autótrofas facultativas, mas também podem ter crescimento mixotrófico ou completamente heterotrófico. A maioria deles apresenta maior crescimento em substratos orgânicos. A utilização do hidrogênio como doador de elétrons aliada à capacidade de sintetizar matéria orgânica, através da assimilação redutiva de CO₂, caracterizam as bactérias oxidantes de hidrogênio.

Entre os gêneros mais representados desses organismos estão Caminibacter, Aquifex, Ralstonia e Paracoccus.

Fontes de hidrogênio

O hidrogênio é o elemento mais difundido no universo, representando cerca de três quartos de todos os átomos. Na atmosfera, a concentração de gás hidrogênio molecular (H₂ ) é de cerca de 0,5–0,6 ppm e, portanto, representa o segundo gás traço mais abundante depois do metano. O H₂ pode ser usado como fonte de energia em processos biológicos porque tem um potencial redox altamente negativo ( E ₀ ′ = –0,414 V). Pode ser acoplado com O₂, na respiração oxidativa (2H₂ + O₂ → 2H₂O), ou com compostos oxidados, como dióxido de carbono ou sulfato.

Em um ecossistema, o hidrogênio pode ser produzido por meio de processos abióticos e biológicos. Os processos abióticos são devidos principalmente à produção geotérmica e à serpentinização.

Nos processos geotérmicos, o hidrogênio geralmente está presente como gás e pode ser obtido por diferentes reações:

1. A água pode reagir com o radical silício em alta temperatura:

Si· + H₂O → SiOH + H·

H· + H· → H₂

2. Uma reação proposta entre óxidos de ferro e água pode ocorrer em temperaturas superiores a 800 °C:

2FeO _{+ H2O} → Fe₂O₃ + H₂

2Fe₃O₄ + H₂O → 3Fe₂O₃ + H₂

Ocorrendo em temperatura ambiente, a serpentinização é um mecanismo geoquímico exotérmico que acontece quando rochas ultramáficas das profundezas da Terra sobem e encontram água. Este processo pode produzir grandes quantidades de H₂, bem como metano e substâncias orgânicas.

Os principais mecanismos bióticos que liberam hidrogênio incluem a fixação de nitrogênio e a fermentação. A primeira ocorre em bactérias, como as cianobactérias, que possuem uma enzima especializada, a nitrogenase, que catalisa a redução de N₂ a NH₄ ⁺. Além disso, esses microrganismos possuem outra enzima, a hidrogenase, que oxida o H₂ liberado como subproduto. Se as bactérias fixadoras de nitrogênio tiverem baixas quantidades de hidrogenase, o excesso de H₂ pode ser liberado no ambiente. A quantidade de hidrogênio liberado depende da relação entre a produção e o consumo de H₂. O segundo mecanismo, a fermentação, é realizado por algumas bactérias heterotróficas anaeróbicas, em particular os Clostridia, que degradam moléculas orgânicas, produzindo hidrogênio como um dos produtos. Este tipo de metabolismo ocorre principalmente em locais anóxicos, como sedimentos de lagos, fontes hidrotermais profundas e intestino de animais.

O oceano apresenta concentrações variáveis de hidrogênio, frequentemente em níveis elevados devido a processos biológicos. Acredita-se que a fixação de nitrogênio seja o principal mecanismo envolvido na produção de H₂ nos oceanos. A libertação de hidrogénio nos oceanos depende da radiação solar, com um pico diário ao meio-dia. As maiores concentrações ocorrem nos primeiros metros próximos à superfície, diminuindo até a termoclina e atingindo o mínimo nos oceanos profundos. Globalmente, os oceanos tropicais e subtropicais apresentam a maior abundância de H₂.

Exemplos

Fontes hidrotermais

H₂ é um importante doador de elétrons em fontes hidrotermais. Neste ambiente, a oxidação de hidrogênio representa uma origem significativa de energia, suficiente para conduzir a síntese de ATP e a fixação autotrófica de CO₂, de modo que as bactérias oxidantes de hidrogênio formam uma parte importante do ecossistema em habitats de águas profundas. Entre as principais reações quimiossintéticas que ocorrem em fontes hidrotermais, a oxidação de sulfeto e hidrogênio desempenha um papel central. Em particular, para a fixação autotrófica de carbono, o metabolismo da oxidação do hidrogênio pode ser mais favorecido em alguns contextos ambientais devido à sua alta energia disponível por mol em comparação à oxidação do sulfeto ou do tiossulfato, embora seja liberada menos energia (apenas –237 kJ/mol em comparação com –797 kJ/mol). Para fixar um mol de carbono durante a oxidação do hidrogênio, é utilizado um terço da energia necessária para a oxidação do sulfeto. Isso ocorre porque o hidrogênio tem um potencial redox mais negativo que o NAD(P)H. Dependendo das quantidades relativas de sulfeto, hidrogênio e outras espécies, a produção de energia pela oxidação do hidrogênio pode ser até 10 a 18 vezes maior do que a produção pela oxidação do sulfeto.

Bactéria Knallgas

Bactérias aeróbicas oxidantes de hidrogênio, às vezes chamadas de bactérias knallgas, são bactérias que oxidam hidrogênio com oxigênio como aceptor final de elétrons. Essas bactérias incluem Hydrogenobacter thermophilus, Cupriavidus necator e Hydrogenovibrio marinus. Existem bactérias knallgas Gram positivas e Gram negativas.

Embora muitas bactérias knallgas prosperem em condições microaeróbicas devido à sensibilidade da hidrogenase ao oxigênio, algumas espécies possuem hidrogenases mais resistentes, permitindo crescimento em concentrações de oxigênio moderadas.

A palavra Knallgas significa " oxi-hidrogênio " (uma mistura de hidrogênio e oxigênio, literalmente "gás explosivo") em alemão.

Cepa MH-110

A água da superfície do oceano é caracterizada por uma alta concentração de hidrogênio. Em 1989, uma bactéria aeróbica oxidante de hidrogênio foi isolada da água do mar. A cepa MH-110 (também conhecida como DSM 11271, cepa tipo de Hydrogenovibrio marinus ) é capaz de crescer em condições normais de temperatura e em uma atmosfera (sob um sistema de fluxo contínuo de gás) caracterizada por uma saturação de oxigênio de 40% (características análogas estão presentes na água superficial da qual as bactérias foram isoladas, que é um meio bastante arejado). Isto difere do comportamento usual das bactérias oxidantes de hidrogênio, que em geral prosperam em condições microaerofílicas (<10% de saturação de O2 ).

Esta cepa também é capaz de acoplar a oxidação de hidrogênio com a redução de compostos de enxofre, como tiossulfato e tetrationato.

Metabolismo

As bactérias Knallgas são capazes de fixar dióxido de carbono usando H2 como fonte de energia química. As bactérias Knallgas se destacam de outras bactérias oxidantes de hidrogênio que, embora utilizem H2 como fonte de energia, não são capazes de fixar CO₂, como as Knallgas.

Esta oxidação aeróbica de hidrogênio (H2 + O2 $⟶$ H₂O), também conhecida como reação de Knallgas, libera uma quantidade considerável de energia, tendo um ΔG ^o de –237 kJ/mol. A energia é capturada como uma força motriz de prótons para uso pela célula.

As principais enzimas envolvidas nessa reação são as hidrogenases, que clivam o hidrogênio molecular e alimentam seus elétrons na cadeia de transporte de elétrons, onde são transportados para o aceptor final, O2, extraindo energia no processo. O hidrogênio é finalmente oxidado em água, o produto final. As hidrogenases são divididas em três categorias de acordo com o tipo de metal presente no sítio ativo. Essas enzimas foram encontradas pela primeira vez em Pseudomonas saccharophila, Alcaligenes ruhlandii e Alcaligenese eutrophus, nas quais existem dois tipos de hidrogenases: citoplasmática e ligada à membrana. Enquanto a primeira enzima absorve hidrogênio e reduz NAD ⁺ a NADH para fixação de carbono, a segunda está envolvida na geração da força motriz do próton. Na maioria das bactérias knallgas, apenas a segunda é encontrada.

Embora esses microrganismos sejam autótrofos facultativos, alguns também são capazes de viver heterotroficamente usando substâncias orgânicas como doadores de elétrons; neste caso, a atividade da hidrogenase é menos importante ou completamente ausente.

No entanto, as bactérias knallgas, ao crescerem como quimiolitoautotróficas, podem integrar uma molécula de CO₂ para produzir, através do ciclo de Calvin-Benson, biomoléculas necessárias à célula:

6H₂ + 2O2 + CO₂ $⟶$ ( _CH2O ) + _5H2O

Um estudo de Alcaligenes eutropha, uma bactéria representativa do gênero Knallgas, descobriu que em baixas concentrações de O2 (cerca de 10 mol %) e consequentemente com uma baixa razão molar ΔH₂ /ΔCO₂ (3,3), a eficiência energética da fixação de CO₂ aumenta para 50%. Uma vez assimilado, parte do carbono pode ser armazenado como poli-hidroxibutirato.

Usos

Com nutrientes suficientes, H₂, O₂ e CO₂, muitas bactérias knallgas podem ser cultivadas rapidamente em tanques usando apenas uma pequena área de terra. Isso torna possível cultivá-los como uma fonte ambientalmente sustentável de alimentos e outros produtos. Por exemplo, o poli-hidroxibutirato produzido pelas bactérias pode ser usado como matéria-prima para produzir plásticos biodegradáveis em diversas aplicações eco-sustentáveis.

A Solar Foods é uma startup que busca comercializar bactérias knallgas para a produção de alimentos, usando energia renovável para dividir o hidrogênio e cultivar uma fonte de alimento rica em proteínas e de sabor neutro para uso em produtos como carne artificial. Estudos de investigação sugerem que o cultivo de knallgas é mais amigo do ambiente do que a agricultura tradicional. Predefinição:Referências