11. Acerca de los autores

Nathaly Madolet Pinto

Mayra Alejandra Osorio Delgado

Marlinyer Velasco Supelano

Estudiantes de Microbiologia y bioanalisis- Universidad Industrial de Santander
Bucaramanga, Colombia

9. Articulos de interes

A continuación se hace referencia de los artículos más interesantes de la revisión

• Donaji JIMENEZ ISLAS, Sergio A. MEDINA MORENO, JorgeNoel GRACIDA RODRIGUEZ. Propiedades, aplicaciones y producción debiotensoactivos. Rev. Int. Contam. Ambient. 2010; 26(1) : 65-84
• Lívia Vieira de Araujo, Denise María Guimarães Freire. BIOSSURFACTANTES: PROPRIEDADES ANTICORROSIVAS, ANTIBIOFILMES E ANTIMICROBIANAS. Química Nova. 2013; 36, No. 6: 848-858
• Magdalena Pacwa-Płociniczak,Tomasz Płociniczak, Joanna Iwan, Monika Żarska, Mirosław Chorążewski, Marzena Dzida, Zofia Piotrowska-Seget. Isolation of hydrocarbon-degrading and biosurfactant-producing bacteria and assessment their plant growth-promoting traits. Journal of Environmental Management. 2016; 168: 175-184

8. Galeria de imagenes

7. Aplicaciones de los Biotensoactivos en biorremediación

La biorremediación se define como el proceso por el cual los desechos inorgánicos son biológicamente removidos o degradados bajo condiciones controladas a un estado inocuo, o a niveles de menor concentración de acuerdo a los límites establecidos por las autoridades reguladoras, cabe
destacar que la biodegradación comúnmente es el resultado de la interacción de múltiples microorganismos.Es eficiente sólo cuando las condiciones del ambiente permiten el crecimiento y actividad enzimática de los microorganismos. Esta aplicación a menudo involucra la manipulación de parámetros para permitir el crecimiento microbiano y el proceso de degradación a una mayor velocidad, como son agitación, tamaño de inóculo, temperatura de crecimiento, relaciones C/N, etc.“La biorremediación hace uso de las capacidades enzimáticas de los microorganismos que degradan hidrocarburos, donde el hidrocarburo se degrada en agua y CO 2 por la mineralización”⁹ ²⁷ ²⁶ ³¹ ³⁴ ³⁷ ⁴⁵ ⁴⁴ ⁷ ⁴⁶

Áreas donde son utilizados los biotensioactivos 

Industria Petrolera

La industria del petróleo genera grandes cantidades de residuo aceitoso y viscoso llamado lodo aceitoso, que se forma durante diversos procesos de producción, de transporte y de refinación, los hidrocarburos del petróleo son tóxicos que contaminan el ambiente y afectan la salud humana; además son altamente hidrófobos y requieren solubilización mediante tensioactivos para aumentar la biodisponibilidad de las células microbianas, el uso de biotensoactivos para la remediación de la contaminación por hidrocarburos se considera una estrategia eficaz y amigable con el medio ambiente. ⁹¹
 y  “La biorremediación se usa para la degradación de compuestos orgánicos hidrofóbicos adsorbidos(hocs) en el suelo y el agua contaminada, presentando ventajas medioambientales y económicas con respecto a otros métodos de
recuperación físicoquímicas, tales como la baja temperatura de desorción térmica , la incineración, la fotodegradación y la fitorremediación “⁸. Diversos microorganismos productores de biotensoactivos y degradadores de hidrocarburos se encuentran presentes en aguas marinas, por lo que la biodegradación resulta uno de los métodos más eficientes para la remoción de estos contaminantes. 114, 87, 85, 77, 44, 104, 105.

Agricultura

En la agricultura, los biotensoactivos son aplicados debido a su actividad insecticida y herbicida. Ramnolípidos producidos por Pseudomonas syringae son usados en el biocontrol de Canada thistle. Los ramnolípidos junto con el hongo Myrothecium verrucaria también han sido empleados de manerasimultánea como herbicidas en el control de Puerarialobata. cabe resaltar q ue al uso anteriormente nombrado, a lgunos biotensoactivos producidos por bacterias del género Bacillus han sido ocupados para emulsificar y dispersar en fase acuosa pesticidas de solubilidades bajas como son los de tipo organoclorado y a nivel industrial, los heteropolisacáridos de Macrocystis pirifera y Azotobacter vinelandii han sido utilizados como dispersantes en la producción de cerámica.

Farmacéutica 

En farmaceutica la utilidad de los biotensoactivos está basada en su actividad antimicrobiana, la cual es estimada de acuerdo a los valores de la menor concentración inhibitoria como agente antimicrobiano (MIC por sus siglas en inglés: Minor Inhibitory Concentration). Algunas MIC de los ramnolípidos de Pseudomonas aeruginosa AT10 contra algunos microorganismos son: Aspergillus niger, 16 μg/mL; Candida albicans, 256 μg/mL; Streptoccocus faecalis, 64 μg/mL; Salmonella thyphimurium, 128 μg/mL y Staphyloccocus epidermidis, 8 μg/mL

Cosméticos 

Industria de alimentos 

diferentes alimentos como la mayonesa,l yogourt, el  licor en crema, pan ,helados y embutidos necesitan sustancias con actividad superficial  para su preparación y estabilización como los tensoactivos que disminuyen la tensión superficial; los mas utilizados son las macromoléculas porque se adsorben en la interface  y por esto actúan como espumantes, emulsificantes, lubricantes y dispersantes .^8 9 10

Un uso primordial es la degradación de compuestos orgánicos hidrofóbicos y compuestos tóxicos en diferentes ambientes como el suelo y el agua representando grandes ventajas económicas con respecto a otros métodos utilizados en la industria⁸ ⁵ ¹ ² ,”tales como la baja temperatura de desorción térmica , la incineración, la fotodegradación y la fitorremediación”⁸.

Imagen 1: procedimiento general de (a) lavar ex situ y (b) in situ lavando durante la recuperación de suelos ¹ºº.

Las condiciones de cultivo tales como temperatura, pH, agitación,disponibilidad de oxígeno y nutrientes, han mostrado un efecto sobre la producción de biotensoactivos.
 “La biorremediación utiliza microorganismos para eliminar los contaminantes, es una técnica eficaz y económica para la limpieza de sitios contaminados por hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs) y se ha encontrado una amplia variedad de microorganismos con capacidad de degradar PAHs”.³ ³¹ ³⁸ ¹⁹ ²º

Diversos estudios han demostrado que los biosurfactantes acuosos,actúan como soluciones extractoras eficaces para el lavado de suelos contaminados ,siendo ideal en remediación de suelos y aguas subterráneas contaminadas³ ¹³

Una de las limitaciones en la biorremediación es la baja solubilidad que tienen por lo general los componentes de petróleo en el agua y la tendencia de estas partículas de adherirse al suelo,disminuyendo la disponibilidad los microorganismos para la degradación . ²º Por medio de la disminución de la tensión superficial e interfacial en la interfase aire -agua y la interfaz aceite -agua, se reduce la fuerza capilar que contiene el aceite en el suelo, lo que puede conducir a la movilización y a la solubilización del aceite.³ Algunos autores señalan l a utilización de ramnolípidos para el mejoramiento de la biorremediación d e suelos contaminados con petróleo crudo , dónde se demuestra una reducción de los hidrocarburos totales de petróleo hasta 86.97% .⁹

En este sentido muchos investigadores coinciden en que estos contaminantes pueden ser tratados con agentes tensioactivos , que son moléculas anfifílicas que consisten en restos hidrófobos e hidrófilos que tienden a interactuar con las interfaces de diferentes polaridades,producidas por diversos microorganismos tales como bacterias, hongos y levaduras que tienen la capacidad de reducir la tensión superficial e interfacial de soluciones aumentando la solubilidad,movilidad y biodisponibilidad de los compuestos orgánicos hidrófobos o insolubles. ² ³ ⁵ ⁷ ⁸ ¹² ¹⁵ ¹⁶ ¹⁸ ²⁰

6. Ventajas y desvantajas de biotensoactivos vs tensoactivos

La viabilidad económica en la producción a gran escala de diversos metabolitos mediante procesos biotecnológicos suele tener como cuello de botella las etapas de biosíntesis o purificación. En el caso particular de los biotensoactivos, se ha determinado que la biosíntesis es el paso limitante para su producción a gran escala. Para tener un proceso de producción de biotensoactivos económicamente competitivo, es recomendable que se den los siguiente factores.

i) el uso de sustratos económicos o de desecho que disminuyan los costos

del proceso.
                                    

Maíz y sus derivados como sustrato para la producción de biotensioactivos

ii) desarrollo de bioprocesos eficientes, incluida la optimización de las condiciones de cultivo y procesos de separación rentables para la máxima producción y recuperación de biotensoactivos .

iii) desarrollo y uso de cepas sobreproductoras, mutantes o recombinantes, para aumentar los rendimientos. Para cualquiera de estos tres factores es necesario un entendimiento de los mecanismos de regulación y de las cinéticas de producción con base en el microorganismo y sustrato elegidos.Los biotensoactivos pueden sintetizarse a partir de diversos sustratos, sin embargo, se está dando una gran importancia a los provenientes de recursos renovables como son aceites vegetales, desechos de destilerías y lecherías, que son baratos, pero no han sido reportados a detalle.

En la remediación de estos sitios mediante la aplicación de biotensoactivos o las cepas de los microorganismos que los producen, cabe mencionar que los tensoactivos químicos también han sido utilizados con el mismo propósito; sin embargo, al ser compuestos xenobióticos, presentan problemas importantespor su biodegradación y toxicidad.

5. Características de los tensoactivos usados en biorremediación

Los Biosurfactantes son moléculas anfifílicas que en su estructura poseen una parte hidrófoba e hidrófila que tienden a interactuar con las interfaces de diferentes polaridades y reducir la tensión superficial e interfacial de soluciones que conducen a una mayor biodisponibilidad por emulsificación y solubilización de los hidrocarburos y, posteriormente, los hace disponibles para la degradación microbiana, se han realizado estudios para evaluar la factibilidad de la eliminación de metales por biosurfactantes debido a sus características aniónicas. ¹º¹ ⁹⁶

Cepas de Pseudomonas producen muchos tipos de compuestos biotensoactivos que tienen un gran potencial para aplicaciones biotecnológicas y biomédicas un ejemplo “los ramnolıpidos glucolípidos producidos principalmente por Pseudomonas aeruginosa” ⁵¹⁶¹⁹ 85, durante el cultivo en diferentes sustratos tales como aceites vegetales, azúcares, glicerol o hidrocarburos este biotensonactivo es una molécula anfifílica; esta propiedad permite concentrarse en las interfaces y para reducir la tensión superficial del medio acuoso.⁹⁸ ⁹² ⁹⁴ ¹ºº,es por eso que los autores sugieren el uso de cepas bacterianas marinas como Pseudomonas aeruginosa para la biodegradación de petróleo crudo, al igual que Bacillus megaterium y Corynebacterium kutscheri. ¹º ⁷⁷. Los Ramnolípidos son tensoactivos del grupo glicolípidos, son muy importantes debido a su baja tensión superficial mínima , alta capacidad emulsionante,y gran afinidad por moléculas orgánicas hidrófobas, son utilizados para la descontaminación de hidrocarburos pero su desventaja es el alto costo de los sustratos y la producción para su aplicación comercial , ya que su procesamiento utiliza metodologías deficientes. 1 Existe una necesidad de desarrollar un producto biotensioactivo eficiente y un proceso rentable para

Representación molecular de mono-ramnolipidos y di-ramnolipidos producidos 

por Pseudoma aureginosa

La surfactina es un biotensoactivo de tipo lipopéptido producido por bacterias Gram positivas, productoras de esporas como B acillus subtilis , La estructura química de surfactina se compone de siete aminoácidos que están unidos a los grupos carboxilo e hidroxilo en los ácidos grasos de cadena, Hay tres tipos diferentes de surfactinas (A, B y C), que se clasifican de acuerdo con las diferencias en sus secuencias de aminoácidos; sus aplicaciones son terapéuticas y ambientales. ⁹³ ⁹⁵ el biotensoactivo producido por la bacteria Corynebacterium aquaticum se utiliza en procesos como procesos biorremediación.¹º³

Bacillus subtilis 

4. Bacterias productoras de tensoactivos y compuestos producidos

Los microorganismos utilizan una amplia variedad de compuestos orgánicos como fuentes de carbono y energía para su crecimiento. Cuando estos sustratos son inaccesibles por su baja solubilidad, competencia con otros microorganismos u otro tipo de factor ambiental, utilizan a los biotensoactivos para disponer de la fuente de carbono. Las principales funciones de los biotensoactivos a nivel fisiológico son:

• Capacidad para emulsificar y solubilizar compuestos insolubles en fases acuosas, como son los hidrocarburos, facilitando la disponibilidad de estos sustratos para el crecimiento y mantenimiento de los microorganismos.

• Adherencia y liberación de células en superficies. Ésta es una de las más importantes estrategias de supervivencia de los microorganismos debido a la presencia de biotensoactivos en la parte externa de la membrana o pared celular. Estos biotensoactivos son responsables de regular las propiedades de la superficie celular, promoviendo la adherencia o liberación de las células de sitios específicos de acuerdo a sus necesidades nutricionales o para evadir ambientes desfavorables

• Facilitar el transporte de hidrocarburos a nivel de membrana, función atribuida a los biotensoactivos del tipo glicolipídico ligados a membrana celular.

• Actividad antibiótica, la que ha sido demostrada por varios biotensoactivos, principalmente los lipopéptidos y glicopéptidos. Ejemplos de éstos son los ramnolípidos de Pseudomonas aeruginosa y la surfactina de Bacillus subtilis, los cuales presentan actividad como antibióticos, lo que les permite solubilizar los principales componentes de las membranas celulares microbianas y les brinda una mayor oportunidad de supervivencia en nichos con una alta competitividad por

nutrientes.

ALGUNOS DE LOS PRINCIPALES BIOTENSOACTIVOS Y SUS MICROORGANISMOS PRODUCTORES
BIOTENSOACTIVO	MICROORGANISMO
Glicolípidos	Alcanivoras borkumensis, Tsukamurella spp.
Ramnolípidos	Pseudomonas aeruginosa, Serratia rubidea.
Soforolipidos	Torulopsis bombicola, Cadida apícola
Trehalolipidos	Rhodococcus erythropolis, Mycobacterium spp. , Arthrobacter spp., Nocardia spp.
Peptido-lipidico	Bacillus licheniformis, Myroides spp.
Viscosina	Pseudomonas fluorescens
Serrawetina	Serratia marcescens
Surfactina	Bacillus subtilis, Bacillus pumilus, Lactobacillus spp.
Subtilisina	Bacillus subtilis.
Gramidisina	Bacillus brevis.
Polimixina	Bacillus polymyxa
Alasán	Acinetobacter radioresistens
Emulsán	Acinetobacter calcoaceticus
Liposán	Candida lipolytica
Lipoproteina	Candida tropicalis
Arthrofactina	Arthrobacter spp
Streptofactina	Streptomyces tendae

Tabla N.4 : Microorganismos productores de tensioactivos y su tensioactivo correspondiente 

Otros géneros de bacterias productoras de tensoactivos
Bacillus megaterium  ¹º	Ochrobactrum intermedium ¹º¹
Corynebacterium kutscheri.¹º	Bacillus  licheniformis ¹º²
Kocuria turfanesis  ⁸¹	Staphylococcus xylosus⁷⁶
Pseudomonas  cepacia⁷⁹	Corynebacterium aquaticum ¹º³
Halomonas spp ⁷⁵	Bacillus methylotrophicus⁷⁷
Enterobacter ⁷⁵	Ochrobactrum sp ⁷⁸
Alcaligenes⁷⁷	Brevibacterium sp⁷⁸
Corynebacterium⁷⁷	Ochrobactrum intermedium ¹º¹
Paenibacillus dendritiformis³	Bacillus  licheniformis ¹º²
Burkholderia spp⁶	Staphylococcus xylosus⁷⁶
Sphingomonas spp⁶	Corynebacterium aquaticum ¹º³
Novosphingobium spp ⁶	Burkholderia cenocepacia BSP3 ⁹⁶
Klebsiella spp⁶	Pseudomonas fluorescens BD5 ⁹⁷
Gordonia spp ⁶ ⁹⁶	Pseudomonas aeruginosa ⁹² ¹ºº ⁹⁶ ¹º²
Acinetobacter baylyi ⁷	Bacillus subtilis ⁹³ ⁹⁵ ¹º²
Pseudomonas putida⁹	Pseudoxanthomonas sp ⁹⁸
Pseudozyma spp.⁹	Bacillus amyloliquefaciens¹⁵

Tabla N.5: Géneros de Bacterias productoras de tensioactivos

A continuacion se presenta otro tipo de clasificacion en la cual se tiene en cuenta la clasificación quimica de los biotensoactivos.

3. Ventajas de las bacterias frente a otros microrganismos

En la síntesis de biotensoactivos es importante la búsqueda de biocatalizadores que disminuyan los costos asociados a su producción, permitiéndoles ser competitivos en un futuro con los tensioactivos sintéticos. Dicha competencia se dará al considerar que los biotensoactivos no son tóxicos y son biodegradables y que de acuerdo a las nuevas legislaciones se deberán hacer tratamientos con compuestos de esta naturaleza. Además, la optimización de las variables de proceso, el uso de materiales baratos o de desecho y el uso de los microorganismos adecuados, permitirán que la producción de biotensoactivos sea un proceso económicamente rentable. 27

La viabilidad económica en la producción a gran escala de diversos metabolitos mediante procesos biotecnológicos suele tener como cuello de botella las etapas de biosíntesis o purificación. En el caso particular de los biotensoactivos, se ha determinado que la biosíntesis es el paso limitante para su producción a gran escala. Para tener un proceso de producción de biotensoactivos económicamente competitivo, es recomendable que se den los

siguiente factores.

i) el uso de sustratos baratos o de desecho que disminuyan los costos

del proceso.

ii) desarrollo de bioprocesos eficientes, incluida la optimización de las

condiciones de cultivo y procesos de separación rentables para la

máxima producción y recuperación de biotensoactivos .

iii) desarrollo y uso de cepas sobreproductoras, mutantes o recombinantes, para aumentar los rendimientos. Para cualquiera de estos tres factores es necesario un entendimiento de los mecanismos de regulación y de las cinéticas de producción con base en el microorganismo y sustrato elegidos.Los biotensoactivos pueden sintetizarse a partir de diversos sustratos, sin embargo, se está dando una gran importancia a los provenientes de recursos renovables como son aceites vegetales, desechos de destilerías y lecherías, que son baratos, pero no han sido reportados a detalle.En la remediación de estos sitios mediante la aplicación de biotensoactivos o las cepas de los microorganismos que los producen, cabe mencionar que los tensoactivos químicos también han sido utilizados con el mismo propósito; sin embargo, al ser compuestos xenobióticos, presentan problemas importantespor su biodegradación y toxicidad.

2. Microrganismos que producen tensoactivos

“Los biosurfactantes provenientes de microrganismos son producidos principalmente por bacterias o levaduras, y también están disponibles a partir de plantas, animales, incluidos los humanos .”¹²

Pero bacterias, levaduras y hongos, poseen un metabolismo capaz de producir compuestos con mejores caracteristicas quimicas Sin embargo, la mayoría de los biotensoactivos son producidos por bacterias. 27 ¹ ºº ⁹⁷ La aplicación más frecuente de la biorremediación ha sido en la limpieza de derrames de embarcaciones y fugas de tanques que almacenan productos petrolizados. Se resalta el uso de microorganismos, en especial de bacterias y hongos, para ayudar a la descontaminación y recuperación de ambientes naturales y para el tratamiento de efluentes industriales o municipales

Algunos ejemplos de productores de tensioactivos son:

● Candida bombicola , capaz de sintetizar soforolípidos para la degradación de hidrocarburos mediante la reducción de la tensión superficial en la interfase aceite / agua ⁴ .Mejoran la biodegradación de petróleo crudo , obteniéndose un 80% de biodegradación de ácidos grasos saturados y 72% de compuestos aromáticos.⁹

● Candida sphaerica como microorganismo eficaz en los procesos

de recuperación de petróleo .¹

● Hojas de A lphitonia excelsa , eficiente para la degradación de hidrocarburos aromáticos policíclicos⁴

1. Definición y caracteristicas generales de los tensoactivos

Los tensoactivos o surfactantes se definen como moléculas anfifílicas con una porción hidrofílica y otra hidrofóbica; se localizan preferiblemente en la interfase de fluidos con diferentes grados de polaridad como son los de aceite - agua o aire - agua.

Ellos integran una serie de compuestos cuya estructura puede ser simple –como los ramnolípidos, formados por mono y disacáridos unidos por enlaces glicosídicos a ácidos grasos hidroxilados–, o compleja, como el emulsan, que es un biotensoactivo polimérico complejo que contiene unidades

monoméricas de heteropolisacáridos enlazados a lípidos. 1, 27,87

Los biosurfactantes o tensoactivos de origen orgánico se pueden clasificar en glicolípidos,poliméricos, ácidos grasos, ácidos alcanoicos y fosfolípidos, son moléculas complejas producidas y secretadas por diferentes tipos de seres vivos especialmente microorganismos, están integrados por estructuras diversas como péptidos, glicolípidos, glicopéptidos, ácidos grasos y

fosfolípidos. 1, 105, 27


                             

Biodegradación de petróleo a partir de sustratos órganicos

Las características químicas de los surfactantes se miden en cuatro parámetros CMC, Na, HLB y PN ellos permiten caracterizar los tensioactivos usados en la industria y el ambiente según su solubilidad y capacidad para,formar emulsiones entre fases inmiscibles, humectar superficies hidrófobas y

determinar la temperatura a la cual se da un cambio en las propiedades del tensoactivo. Las características y capacidades para cada grupo de los surfactantes están directamente relacionadas con su estructura química, la cual le provee ventajas en un nicho industrial o ecológico particular. 27, 86 96, 102. 105, 103

Los tensoactivos químicos, según su estructura, pueden subclasificarse en iónicos y no iónicos. Los primeros se caracterizan por presentar en su estructura hidrofílica grupos funcionales con carga eléctrica negativa (aniónicos) o positivas (catiónicos), mientras que los no iónicos no presentan carga. Se han llevado a cabo investigaciones para la síntesis de una nueva clase de tensoactivos químicos denominados bitensoactivos, se caracterizan por poseer más de una parte hidrofóbica y más de un grupo hidrofílico, que al parecer les permite tener una mayor actividad superficial con respecto a los

tensoactivos convencionales.

Estructura de un tensioactivo 

En los biotensoactivos, la parte hidrofílica consiste generalmente de alguna de las siguientes estructuras: aminoácidos, péptidos aniónicos o catiónicos y carbohidratos; la parte hidrofóbica regularmente está constituida de ácidos grasos saturados o insaturados. 27. (figura 1)
Los biotensoactivos más estudiados han sido los glicolípidos, lipopéptidos y lipoproteínas, fosfolípidos y ácidos grasos, tensoactivos poliméricos y tensoactivos particulados. Los primeros son los biotensoactivos más comunes; están formados por mono, di, tri y tetrasacáridos en combinación con una o más cadenas de ácidos alifáticos o ácidos hidroxialifáticos. 27

Figura N. 1: Clasificación de tensioactivos según su origen químico

Las aplicaciones de los tensoactivos son muy variadas y dependen de sus propiedades químicas pero más especificamente del HBL, en la tabla N. 2 se resumen por 5 grandes categorias que poseen varias subdivisiones:

“Los biosurfactantes son producidos principalmente por bacterias o levaduras, y también están disponible a partir de plantas, animales, incluidos los humanos.”¹²

“Los biosurfactantes más estudiados son los glicolípidos, carbohidratos combinados con largas cadenas de ácidos alifáticos o ácidos alifáticos hidroxi; los más importante son ramnolípidos, producidos a partir de procesos de fermentación en presencia de la bacteria Pseudomonas aeruginosa” ⁵ ¹ ⁶ ¹⁹ ⁴

Los biotensioactivos son muy importantes ya que se utilizan para aumentar la desorción y la movilización de los componentes contaminantes del suelo, agua y aire ¹3, ,86 96, 102. 105, 103

A continuación encontramos una relación de los usos a nivel industrial de los tensoactivos.