Biorremediación de residuos industriales cianurados de la joyería por la bacteria alcalófila pseudomonas pseudoalcaligenes CECT5344

Abstract

1. Introducción o motivación de la tesis Los residuos industriales son altamente tóxicos y constituyen un problema medioambiental y de salud pública. Las actividades minera y joyera generan grandes volúmenes de residuos líquidos que contienen altas concentraciones de cianuro y metales pesados. El cianuro, además de su origen antropogénico, también es producido a pequeña escala por algunos organismos, denominados cianogénicos. El cianuro se caracteriza por su elevada toxicidad, ya que presenta una alta afinidad por los metales e inhibe a metaloenzimas esenciales, entre las que se encuentra la citocromo c oxidasa de la cadena respiratoria. Los métodos para eliminar el cianuro presente en los residuos industriales se basan frecuentemente en técnicas físico-químicas, aunque las alternativas basadas en el uso de microorganismos, que utilizan cianuro como fuente de nitrógeno (cianotrofos) presentan más ventajas, ya que son métodos más eficientes y seguros. La biorremediación de residuos industriales cianurados requiere la utilización de microorganismos cianotrofos, que también muestren resistencia a metales, ya que como se ha mencionado anteriormente estos elementos suelen encontrarse en este tipo de residuos. Pseudomonas pseudoalcaligenes CECT5344 es una bacteria cianotrófica que asimila cianuro en condiciones alcalinas, lo que permite una mayor eficiencia y seguridad del proceso de biodegradación por la minimización de la formación de ácido cianhídrico, cuyo pKa es 9,2 [1,2]. 2.Contenido de la investigación En este trabajo se ha optimizado el proceso de degradación, en biorreactor, de un residuo que contiene altas concentraciones de cianuro y metales procedente de la industria joyera por P. pseudoalcaligenes CECT5344. Utilizando un pH 9 constante, y adicionando citrato sódico como quelante de metales, se ha conseguido eliminar una concentración de cianuro 12 mM, al mismo tiempo que se ha demostrado que durante este proceso la estirpe CECT5344 acumula polihidroxialcanoatos (PHAs), que confieren un valor añadido al proceso de biodegradación [3,4]. En el genoma de la estirpe CECT5344 se han identificado diversas agrupaciones génicas implicadas en el metabolismo de PHAs [5-7]. Un análisis mutacional de las PHAs sintasas de P. pseudoalcaligenes ha permitido identificar la función de éstas en la síntesis de PHAs tanto de cadena corta como de cadena media [3]. Por otro lado, mediante espectrometría de absorción atómica, se determinó la composición de metales del residuo cianurado de la joyería, detectándose principalmente hierro, zinc y cobre. Estudios de tolerancia a dichos metales por P. pseudoalcaligenes CECT5344 han mostrado que esta estirpe resiste altas concentraciones de estos metales, las cuales son superiores a las concentraciones presentes en el residuo durante el proceso de su descontaminación por la estirpe CECT5344 [4]. Como parte de la optimización del proceso de degradación del cianuro procedente del residuo joyero, se ha usado un pretratamiento basado en la oxidación del cianuro mediante peróxido de hidrógeno para formar cianato. Así, se ha caracterizado mediante un análisis mutacional la agrupación génica cynFABCS de P. pseudoalcaligenes CECT5344 implicada en el metabolismo del cianato de esta bacteria. Además, en este trabajo también se ha estudiado el efecto del residuo de la joyería sobre el proteoma de P. pseudoalcaligenes CECT5344 [4]. Este estudio ha permitido identificar un gran número de proteínas involucradas en el metabolismo del cianuro, resaltando las proteínas codificadas en las agrupaciones génicas cioAB-nit4 y nit1C, responsables de la resistencia y asimilación de cianuro, respectivamente. En la agrupación génica cioAB-nit4 se encuentran los genes que codifican la oxidasa terminal insensible a cianuro CioAB. En la agrupación génica nit1C, se encuentra el gen nitC que codifica una nitrilasa esencial para la asimilación de cianuro en la estirpe CECT5344. Así, la ruta de asimilación de cianuro en P. pseudoalcaligenes CECT5344 transcurre con la sobreproducción de oxalacetato, el cual reacciona químicamente con el cianuro para formar un 2-hidroxinitrilo que el convertido por la nitrilasa NitC en el ácido carboxílico correspondiente y amonio. Posteriormente, el amonio es incorporado a esqueletos carbonados para formar los aminoácidos a través del ciclo glutamina sintetasa/glutamato sintasa [8]. Entre las proteínas inducidas por el residuo cianurado de la joyería, también se han identificado algunas que podrían conferir resistencia a metales, entre las que se encuentran sistemas de extrusión de metales. El aislamiento y la caracterización de las estirpes mutantes NitE— y NitH—, codificadas en la agrupación génica nit1C, ha confirmado que, no sólo la nitrilasa NitC es esencial para la asimilación de cianuro, sino otras proteínas como la N-acetiltransferasa NitE y la proteína de la familia AIRS/GARS NitH, ya que estos mutantes han mostrado cierta incapacidad para usar el cianuro como única fuente de nitrógeno. 3.Conclusión El residuo generado por la industria joyera, el cual contiene elevadas concentraciones de cianuro y metales, es tolerado y asimilado por la bacteria cianotrófica Pseudomonas pseudoalcaligenes CECT5344. La degradación del cianuro presente se ha podido llevar a cabo en reactor ello, junto con la utilización de citrato sódico como quelante de metales para reducir su toxicidad. A su vez, la producción de polihidroxialcanoatos por la estirpe CECT5344 durante la degradación del cianuro presente en el residuo de la joyería le confiere un valor añadido a este proceso de biodegradación. Por otro lado, la capacidad de P. pseudoalcaligenes CECT5344 para asimilar cianato a través de la cianasa codificada por la agrupación génica cynFABDS se ha utilizado para diseñar un proceso de descontaminación del residuo joyero basado en un pretratamiento químico de oxidación del cianuro a cianato, con peróxido de hidrógeno, para la posterior asimilación de cianato, compuesto menos tóxico que el cianuro. Por último, estudios proteómicos han demostrado que la bacteria P. pseudoalcaligenes CECT5344 responde al residuo cianurado de la joyería induciendo proteínas involucradas principalmente en la resistencia y asimilación de cianuro y en la resistencia a metales. 4. Bibliografía [1] Luque-Almagro VM, Blasco R, Huertas MJ, Martínez-Luque M, Moreno-Vivián C, Castillo F, Roldán MD (2005). Alkaline cyanide biodegradation by Pseudomonas pseudoalcaligenes CECT5344. Biochem. Soc. Trans. 33:168-169. [2] Luque-Almagro VM, Huertas MJ, Martinez-Luque M, Moreno-Vivian C, Roldan MD, Garcia-Gil LJ et al., (2005). Bacterial degradation of cyanide and its metal complexes under alkaline conditions. Appl. Environ. Microbiol. 71:940-947. [3] Manso I, Ibáñez MI, de la Peña F, Sáez LP, Luque Almagro VM, Castillo F et al., (2015). Pseudomonas pseudoalcaligenes CECT5344, a cyanide-degrading bacterium with by-product (polyhydroxyalkanoates) formation capacity. Microb. Cell. Fact. 14:77. 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