Estudio de comunidades microbianas provenientes de suelos antárticos capaces de biodegradar hidrocarburos del petróleo en presencia de metales pesados

Abstract

La Antártica es un continente de condiciones climáticas extremas que ha sido escasamente explorado y habitado, situación que ha cambiado en las últimas décadas debido a la instalación de bases científicas. La principal fuente de energía utilizada en estas instalaciones es la combustión de petróleo. Esto se ha convertido en una problemática ambiental debido a constantes derrames de combustibles como el diésel, lo que por sus componentes nocivos resulta muy dañino para los microorganismos, flora y fauna. La biorremediación de hidrocarburos es una alternativa que permite la descontaminación de los suelos con bajo costo e impacto ambiental. Sin embargo, de acuerdo con lo establecido en el Tratado Antártico, se requiere de microorganismos endógenos que sean capaces de biodegradar los hidrocarburos del diésel. Junto con ello, a pesar de que se sabe que el diésel contiene concentraciones importantes de metales pesados tóxicos y que éstos afectan la eficiencia del proceso, su efecto ha sido escasamente estudiado a la fecha. En este trabajo, se estudiaron dos muestras de suelo antártico provenientes de las Islas Shetland del Sur, contaminadas con diésel, Pb y Cd, y dos muestras provenientes de áreas no contaminadas del mismo lugar. Estas muestras se analizaron mediante una secuenciación masiva del gen ARNr 16S y posteriormente se realizaron dos procesos de selección microbiana en medio mínimo; a 28 °C y a 4°C durante 5 y 8 semanas respectivamente. Se utilizó glucosa (control), diésel, fenantreno, fenantreno con Cd y fenantreno con Pb como fuentes de carbono. Al final de este proceso se compararon las comunidades microbianas presentes en los suelos con las obtenidas luego de los procesos de selección. Por un lado, se encontró que la presencia de los contaminantes provoca un cambio en la estructura y composición microbiana de los suelos, con un

enriquecimiento de bacterias biodegradadoras de hidrocarburos del petróleo, principalmente de los géneros Pseudomonas, Pedobacter, Sphingomonas, Sphingobium, Burkholderia, Alkanindiges, Sulfuritalea, Pseudoxanthomonas, Paenibacillus, Mucilaginibacter, Immundisolibacter, Taibaiella, Chryseobacterium, Dyadobacter y Williamsia, con los 11 primeros asociados con resistencia a metales pesados. Al realizar la selección, la biodegradación y crecimiento microbiano se observó principalmente en los cultivos inoculados con las muestras de suelo contaminado, donde se seleccionaron bacterias pertenecientes a géneros asociados a la biodegradación de hidrocarburos del petróleo. En los cultivos con diésel se encontraron principalmente Pseudomonas, mientras que en los cultivos que contenían fenantreno como fuente de carbono, se encontró una mayor diversidad de bacterias, donde se favorecieron representantes de los géneros Pseudomonas, Pigmentiphaga, Variovorax, Sphingobium, Burkholderia, Mucilaginibacter, Polaromonas y Pedobacter. En presencia de los metales se encontraron resultados similares, observándose principalmente un favorecimiento de representantes de los géneros Variovorax en presencia de Cd y Sphingobium en presencia de Pb. Estos resultados recalcan la importancia de estudiar el efecto de la co-contaminación de hidrocarburos con metales sobre las comunidades microbianas de zonas tan sensibles como los suelos antárticos, y también la relevancia de considerar los metales pesados al seleccionar los microorganismos óptimos para una biorremediación eficiente.

Antarctica is a continent of extreme climatic conditions that has been scarcely explored and inhabited, a situation that has changed in the recent decades due to the installation of scientific stations. The main source of energy used in these facilities is the combustion of oil. This has become an environmental problem due to constant spills of fuels such as diesel, which due to its noxious components is harmful to microorganisms, flora and fauna. Bioremediation of hydrocarbons is an alternative that allows the decontamination of soils with low cost and environmental impact. However, in accordance with the Antarctic Treaty, endogenous microorganisms that are capable of biodegrading diesel hydrocarbons are required. Along with this, even though diesel is known to contain significant concentrations of toxic heavy metals and that these affect the efficiency of the process, its effect has been scarcely studied to date. In the present work, we studied two samples of Antarctic soil from the South Shetland Islands, contaminated with diesel, Pb and Cd, and two samples from uncontaminated areas of the same place. These samples were analyzed by 16S metagenomics and later two microbial selection processes were carried out in minimum medium: at 28°C and 4°C, during 5 and 8 weeks, respectively. It was used glucose (control), diesel, phenanthrene, phenanthrene with Cd and phenanthrene with Pb as carbon sources. At the end of this process, the microbial communities present in the soils were compare with those obtained after the selection processes. It was found that the presence of the contaminants causes a change in the microbial structure of the soil, with an enrichment of oil hydrocarbon biodegrading bacteria. The bacteria found were mainly of the genus Pseudomonas, Pedobacter, Sphingomonas, Sphingobium, Burkholderia, Alkanindiges, Sulfuritalea, Pseudoxanthomonas, Paenibacillus, Mucilaginibacter, Immundisolibacter,

Taibaiella, Chryseobacterium, Dyadobacter and Williamsia, with the first 11 associated with resistance to heavy metals. When carrying out the selection process, biodegradation and microbial growth was observed mainly in cultures inoculated with contaminated soil samples. In these cultures, bacteria belonging to genera associated with petroleum hydrocarbon biodegradation were selected. In the cultures with diesel were found mainly Pseudomonas, while in the cultures containing phenanthrene as carbon source, a greater diversity of bacteria was found, where bacteria belonging to Pseudomonas, Pigmentiphaga, Variovorax, Sphingobium, Burkholderia, Mucilaginibacter, Polaromonas and Pedobacter genus were favored. Similar results were found in the presence of the metals, being mainly observed a favoring of bacteria belonging to Variovorax genus in the presence of Cd and from Sphingobium genus in the presence of Pb. These results highlight the relevance of studying the effect of hydrocarbon co-contamination with metals on microbial communities in sensitive areas such as antarctic soils, and the relevance of considering heavy metals when selecting optimal microorganisms for an efficient bioremediatio