Diversidad genética y funcional de la comunidad microbiana asociada a un biofiltro para el tratamiento de vapores de naftaleno inoculado con Fusarium solani y Rhodococcus erythropolis

Abstract

La contaminación de ambientes interiores es un tema de cuidado por los riesgos que esta conlleva a la salud. Según esto, se han desarrollado distintas estrategias que permitan tratar este aire contaminado, entre las que se encuentra la biofiltración. Ésta posee las ventajas de ser más barata y generar menor contaminación secundaria, en comparación con otros métodos fisicoquímicos. Los hidrocarburos policíclicos aromáticos (HPA) son uno de los componentes de la contaminación de aires interiores, los cuales son producidos en la combustión incompleta de combustibles orgánicos. Un HPA modelo corresponde al naftaleno, para el cual se encuentra descrita la vía de degradación en bacterias y en menor medida en hongos. A pesar de esto, este compuesto es difícil de degradar en un sistema de biofiltración, para lo cual se ha propuesto que se podría utilizar un consorcio entre el hongo filamentoso Fusarium solani y la bacteria Rhodococcus erythropolis. Sin embargo, a lo largo de la operación de un biofiltro con este consorcio como inóculo inicial, este consorcio es desplazado por otros microorganismos del ambiente, lo cual conlleva una disminución de la eficiencia de remoción del contaminante. El objetivo de este trabajo es estudiar este cambio en la comunidad del biofiltro para así poder encontrar microorganismos que estén mejor adaptados a las condiciones de biofiltración y que aun así puedan mantener una alta tasa de remoción de los contaminantes. Para llevar esto a cabo, se montó un sistema de biofiltración de vapores de naftaleno en el cual se utilizó como inóculo inicial F. solani y R. erythropolis. Luego de la fase de aclimatación del biofiltro se realizaron pruebas de carga y de flujo para poder medir el rendimiento de este biofiltro. Además, para poder conocer las comunidades microbianas presentes al comienzo y al final de la operación de este biofiltro, se tomaron muestras del biofiltro en ambos tiempos, las cuales fueron estudiadas mediante metabarcoding del marcador ribosomal 16S y también mediante predicción funcional con la herramienta PICRUSt2 para bacterias y el marcador ITS para hongos. Posteriormente, luego de la operación del biofiltro, se aislaron microorganismos desde éste, los cuales también fueron identificados mediante el marcador ribosomal 16S y analizados mediante predicción funcional con la herramienta PICRUSt2 para bacterias y el marcador ITS para hongos. Utilizando los microorganismos aislados se inoculó un segundo biofiltro el cual fue operado en paralelo con el primer biofiltro para comparar el rendimiento de ambos biofiltros durante una segunda fase de aclimatación y nuevas pruebas de carga y de flujo. Los principales resultados mostraron que el inóculo del biofiltro fue desplazado luego de la operación de éste. Las bacterias que se aislaron al final de la operación representaron a una pequeña parte de las bacterias presentes en el biofiltro. A pesar de esto, el segundo biofiltro tuvo un menor tiempo de aclimatación con una eficiencia de remoción similar a la del primer biofiltro. Por último, la predicción funcional utilizada no permitió encontrar la vía completa de degradación de naftaleno, faltando enzimas claves de la degradación tanto en la comunidad del biofiltro como en los aislados. Estos resultados en conjunto muestran que se pueden mejorar las características de un biofiltro para el tratamiento de vapores de naftaleno utilizando microorganismos provenientes de biofiltros anteriores que se encuentran mejor adaptados a las condiciones de biofiltración.

Indoor air pollution is a matter of care due to its health risks. Given this, different strategies have been developed to treat polluted air, including biofiltration. This strategy is cheaper and generates less secondary pollution, compared to other physicochemical methods. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) are one of the components of indoor air pollution, which are produced in the incomplete combustion of organic fuels. Naphthalene is a model PAH, for which its degradation pathway has been described in bacteria and in less degree in fungi. Despite this, this compound is difficult to degrade in a biofiltration system, for which it has been proposed that a consortium between the filamentous fungus Fusarium solani and the bacterium Rhodococcus erythropolis could be used. However, throughout the operation of a biofilter with this consortium as its initial inoculum, this consortium is displaced by other microorganisms from the environment, which leads to a decrease in the removal efficiency of the contaminant. This work aims to study this change in the biofilter community to find microorganisms that are better adapted to biofiltration conditions and that can still maintain a high rate of contaminant removal. To carry this out, a biofiltration system of naphthalene vapors was set up, in which F. solani and R. erythropolis were used as initial inoculum. After the acclimatization phase of the biofilter, load and flow tests were carried out to measure the performance of this biofilter. In addition, to know the microbial communities present at the beginning and end of the operation of this biofilter, biofilter samples were taken at both times, which were studied by metabarcoding the 16S ribosomal marker and also by functional prediction with PICRUSt2. Subsequently, after the operation of this biofilter, microorganisms were isolated from it, which were identified with the ribosomal 16S marker and also analyzed by functional prediction with PICRUSt2. A second biofilter was inoculated with the isolated microorganisms, and operated in parallel with the first biofilter to compare the performance of both biofilters during a second acclimatization phase and new load and flow tests. The main results corresponded to the fact that the initial community of the biofilter was displaced after its operation. The bacteria that were isolated at the end of the operation represented a small part of the bacterial population present in the biofilter. Despite this, the second biofilter had a shorter acclimation time with a removal efficiency similar to the first biofilter. Finally, the functional prediction did not allow us to find the complete naphthalene degradation pathway, with missing key degradation enzymes both in the biofilter populations and in the isolates. These results together show that the characteristics of a biofilter for the treatment of naphthalene vapors can be improved by using microorganisms from previous biofilters that are better adapted to biofiltration conditions.