Diversidad de genes relacionados con la degradación de microplásticos en muestras de suelos antárticos impactados por pingüinos Pygoscelis

Abstract

Cada año crece exponencialmente la producción de plásticos a nivel mundial, ocasionando así un aumento de contaminación por estos polímeros. La degradación de plásticos puede generar microplásticos (MP) y también los MP pueden ser biodegradados por enzimas como alcano-hidroxilasas, lipasas, cutinasas, hidrolasas y lacasas. Los MP están distribuidos globalmente contaminando aguas, suelos y aire. Sitios remotos como el continente antártico no están exentos de esta contaminación, ya que gran parte de los MP provienen de actividades antropogénicas desarrolladas en el continente y su presencia afecta diferentes entornos, incluyendo suelos impactados por pingüinos del género Pygoscelis. El propósito de este estudio es determinar la abundancia de genes que codifican para enzimas que degradan plásticos en metagenomas asociados a muestras de suelo impactado por pingüinos Pygoscelis en la Península Antártica y las islas aledañas. Por ende, se propone buscar genes relacionados con la biodegradación de MP en 54 metagenomas obtenidos desde suelos impactados por pingüinos Pygoscelis. Se plantea como hipótesis que la abundancia de genes microbianos relacionados con la biodegradación de MP es mayor en suelos impactados por pingüinos del género Pygoscelis cercanos a asentamientos humanos. El objetivo general del proyecto es comparar la abundancia de genes microbianos relacionados con la biodegradación de microplásticos en suelos antárticos impactados por pingüinos Pygoscelis cercanos y alejados de asentamientos humanos. Además, se proponen los siguientes objetivos específicos: (1) Detectar los genes microbianos que codifican para enzimas relacionadas con la biodegradación de MP en metagenomas provenientes de suelos impactados por pingüinos Pygoscelis; (2) Cuantificar los genes microbianos que codifican para enzimas relacionadas con la biodegradación de MP en metagenomas provenientes de suelos impactados por pingüinos Pygoscelis; (3) Comparar la abundancia de genes microbianos asociados a la degradación de MP entre los metagenomas provenientes de suelos impactados por pingüinos Pygoscelis que se encuentran cercanos y alejados de asentamientos humanos. Para la detección de los genes asociados a la biodegradación de MP, se obtuvo como resultado una base de datos que abarca 48 secuencias de genes que codifican enzimas relacionadas con la degradación de MP. Posterior a esto, la búsqueda de los genes en los metagenomas de suelos se realizó por medio de la herramienta BLAST+ v2.9 con la opción blastp contra la base de datos de creación propia. La cuantificación se realizó mediante el programa HMMER y las pruebas estadísticas para las comparaciones propuestas se realizaron en R, utilizando principalmente funciones implementadas en el paquete vegan y graficadas con el paquete ggplot2. Este trabajo revela que se pueden identificar genes que codifican enzimas relacionadas con la degradación de MP en suelos impactados por pingüinos Pygoscelis. Se encontró una mayor presencia de genes que codifican enzimas capaces de degradar tereftalato de polietileno (PET) en comparación con genes para otros tipos de plástico, indicando que el PET puede ser más abundante o susceptible a la degradación microbiana. La abundancia de estos genes no está vinculada a la especie de pingüino ni a la proximidad a asentamientos humanos, pero existe una leve correlación negativa entre la distancia a los asentamientos y la abundancia de genes relacionados con la degradación de microplásticos, sugiriendo que los sitios más alejados tienen menor abundancia de estos genes. Otras variables no consideradas en el estudio, como la migración de pingüinos o el turismo, podrían influir en estos resultados.

Every year, the production of plastics grows exponentially worldwide, thus causing an increase in pollution from these polymers. The degradation of plastics can generate microplastics (MP), and MP can be biodegraded by enzymes such as alkane-hydroxylases, lipases, cutinases, hydrolases, and laccases. MP are distributed globally, contaminating water, soil, and air. Remote sites such as the Antarctic continent are not exempt from this contamination since a large part of the MP comes from anthropogenic activities carried out on the continent, and its presence affects different environments, including soils impacted by penguins of the genus Pygoscelis. The purpose of this study is to determine the abundance of genes that encode plastic-degrading enzymes in metagenomes associated with soil samples impacted by Pygoscelis penguins on the Antarctic Peninsula and surrounding islands. Therefore, we propose to search for genes related to MP biodegradation in 54 metagenomes obtained from soils impacted by Pygoscelis penguins. It is hypothesized that the abundance of microbial genes related to MP biodegradation is greater in soils impacted by penguins of the genus Pygoscelis close to human settlements. The general objective of the project is to compare the abundance of microbial genes related to the biodegradation of MP in Antarctic soils impacted by Pygoscelis penguins near and far from human settlements. In addition, the following specific objectives are proposed: (1) Detect microbial genes that encode enzymes related to MP biodegradation in metagenomes from soils impacted by Pygoscelis penguins; (2) Quantify the microbial genes that encode enzymes related to MP biodegradation in metagenomes from soils impacted by Pygoscelis penguins; (3) Compare the abundance of microbial genes associated with MP degradation between metagenomes from soils impacted by Pygoscelis penguins that are close to and far from human settlements., a database covering 48 gene sequences encoding enzymes related to MP degradation was obtained to detect genes associated with MP biodegradation. After this, the search for genes in the soil metagenomes was carried out using the BLAST+ v2.9 tool with the blastp option against the self-created database. The quantification was carried out using the HMMER programs and the statistical tests for the proposed comparisons were carried out in R, mainly using functions implemented in the vegan package and plotted with the ggplot2 package. This work reveals that genes encoding enzymes related to MP degradation can be identified in soils impacted by Pygoscelis penguins. A greater presence of genes encoding enzymes capable of degrading polyethylene terephthalate (PET) was found compared to genes for other types of plastic, indicating that PET may be more abundant or susceptible to microbial degradation. The abundance of these genes is not linked to the penguin species or proximity to human settlements, but there is a slight negative correlation between the distance to settlements and the abundance of genes related to the degradation of microplastics, suggesting that the most distant ones have a lower abundance of these genes. Other variables not considered in the study, such as penguin migration or tourism, could influence these results.