Degradación de hidrocarburos aromáticos policíclicos mediante el uso de la lacasa recombinante de Bacillus sp. FNT

Abstract

Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos (HAPs) son contaminantes orgánicos generados por la combustión incompleta de sustancias orgánicas, que representan un riesgo para los ecosistemas y la salud humana debido a sus efectos cancerígenos, teratogénicos y mutagénicos. La contaminación por HAPs en el agua ha aumentado debido al crecimiento industrial y energético. La biorremediación, que utiliza biocompuestos generados por la actividad metabólica de microorganismos, como las enzimas, es una estrategia amigable con el medio ambiente para eliminar estos contaminantes. Las lacasas son enzimas presentes en diversos organismos, que pueden catalizar la oxidación de una amplia gama de compuestos, produciendo agua como subproducto. Así, las lacasas se presentan como potencial herramientas para la biorremediación de aguas contaminadas con HAPs. En Fundación Científica y Cultural Biociencia, se purificó una lacasa a partir una bacteria termoalcalófila denominada Bacillus sp. FNT. De forma recombinante, esta nueva lacasa presenta una alta actividad catalítica, termoactividad y estabilidad térmica respecto de otras enzimas. Además, se ha observado la decoloración de tintes tipo antraquinónicos con estructura policíclica aromática de gran tamaño. En base a estos antecedentes, se propone que la lacasa recombinante proveniente del microorganismo termoalcalófilo Bacillus sp. FNT cataliza la degradación de antraceno (ANT), benzo[a]antraceno (BaA) y benzo[a]pireno (BaP). Los objetivos específicos de este trabajo han sido evaluar la degradación de tres HAPs de reconocida toxicidad mediante el uso de la lacasa recombinante de Bacillus sp. FNT y detectar los compuestos de degradación de los HAPs. Se estudió la degradación de tres HAPs, utilizando la enzima FNTL y los mediadores redox ABTS y AS, mediante espectroscopía de fluorescencia total y por cromatografía líquida de alta eficiencia. Mediante esta última técnica, se profundizó el estudio de la degradación de ANT mediante un diseño de experimento, siendo las condiciones óptimas de degradación pH 5,0 y 16 días de reacción al emplear FNTL y ABTS. Al confirmar dichos parámetros, se obtuvo un 65% de oxidación, sin cambios significativos al aumentar el tiempo de incubación a 20 días. Finalmente, se estudió la oxidación de BaA y BaP en las condiciones optimizadas de degradación de ANT, obteniendo una degradación directa de BaA por la enzima FNTL con un 30% de oxidación a los 16 días de incubación. Para el caso de BaP, se obtuvo cerca de un 70% de degradación empleando la enzima FNTL y mediador ABTS, a los 16 días de incubación de la reacción. Los resultados obtenidos aportan nueva evidencia sobre el uso aplicado de lacasas provenientes de bacterias termófilas, sentando precedentes para evaluar el posible uso de esta enzima como una alternativa de degradación de los HAPs en aguas contaminadas.

Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) are organic pollutants generated by the incomplete combustion of organic substances, posing a risk to ecosystems and human health due to their carcinogenic, teratogenic, and mutagenic effects. PAHs contamination in water has increased due to industrial and energy growth. Bioremediation, which uses biocomposites generated by the metabolic activity of microorganism, such as enzymes, is an environmentally friendly strategy to eliminate these contaminants. Laccases are enzymes present in various organisms that can catalyze the oxidation of a wide range of compounds, producing water as a byproduct. Therefore, laccases are potential tools for the bioremediation of PAH-contaminated water. At Fundación Científica y Cultural Biociencia, a laccase was purified from a thermoalkalophilic bacterium called Bacillus sp. FNT. This recombinant laccase exhibits high catalytic activity, thermoactivity, and thermal stability compared to other enzymes. Additionally, it has been observed that the laccase is capable of decolorizing anthraquinone-type dyes with a large polycyclic aromatic structure. Based on these findings, it is proposed that the recombinant laccase from the thermoalkalophilic microorganism Bacillus sp. FNT catalyzes the degradation of anthracene (ANT), benzo[a]anthracene (BaA), and benzo[a]pyrene (BaP). The specific objectives of this work have been to evaluate the degradation of three highly toxic PAHs using the recombinant laccase from Bacillus sp. FNT and to detect the degradation products of the PAHs. The degradation of PAHs was studied using the FNTL enzyme and the redox mediators ABTS and AS, employing total fluorescence spectroscopy and high-performance liquid chromatography. Through this latest technique, the study of ANT degradation was further investigated through a design of experiment, with the optimal degradation conditions being pH 5,0 and a reaction time of 16 days using FNTL and ABTS. Upon confirming these parameters, a 65% oxidation was achieved, with no significant changes observed when increasing the incubation time to 20 days. Finally, the oxidation of BaA and BaP was studied under the optimized conditions for ANT degradation, resulting in a direct degradation of BaA by the FNTL enzyme with 30% oxidation after 16 days of incubation. For BaP, a degradation of approximately 70% was obtained using the FNTL enzyme and ABTS mediator after 16 days of reaction. The obtained results provide new evidence on the applied use of thermophilic bacterial laccases, paving the way to evaluate the potential application of this enzyme as an alternative for the degradation of PAHs in contaminated water.