Implementación de un sistema de tratamiento biológico para la detoxificación de arsénico utilizando bacterias ureoliticas-calcificantes arsénico-oxidantes, capaces de biomineralizar AS(V) y AS(III)

Abstract

El Arsénico es un compuesto tóxico con propiedades mutagénicas y cancerígenas, que posee la capacidad de formar variados compuestos orgánicos e inorgánicos como, arsenito (As(III)) y arseniato (As(V)). La presencia del arsénico en fuentes de agua natural, tanto, superficiales como subterráneas, constituyen un permanente riesgo para la población expuesta, quienes deben utilizar dichos recursos como fuente de agua potable y de riego. En Chile, la principal fuente de arsénico en aguas tiene origen natural. Sin embargo, se ha descrito que este compuesto es también producto de algunas actividades industrial, presentándose en altas concentraciones en ciertos ríos y en el suelo del Norte de nuestro país, donde se encuentran niveles de concentración 100 veces mayores que el límite recomendado por la Organización Mundial de la Salud, la Comunidad Europea y la EPA para agua de consumo humano. Para cumplir con las normativas establecidas y para proteger la salud humana, se hace necesario contar con sistemas de tratamiento efectivos que puedan remover el arsénico de las aguas contaminadas. Los tratamientos químicos son altamente eficientes, sin embargo presentan altos costos operaciones y en algunos casos se utilizan químicos que pueden generar efectos negativos mayores en los cuerpos de agua. Una alternativa para la remoción e inmovilización de arsénico, es la biomineralización basada en la precipitación de calcita inducida microbiológicamente (MICP). Los microorganismos secretan productos metabólicos que reaccionan con iones en el ambiente, resultando en la precipitación de minerales. Estos estudios de bio-precipitación han sido realizados utilizando bacterias ureolíticas principalmente. Calcita, un producto de biomineralización, puede adsorber en su superficie iones de arsénico. Esta habilidad de biomineralizar iones tóxicos ha sido propuesta como una metodología de remediación in situ para descontaminar ambientes. En este contexto, el objetivo de esta tesis fue desarrollar un sistema de tratamiento biológico para la remoción de arsenito y arseniato, desde aguas contaminadas con arsénico, mediante la bio-precipitación microbiológica de calcita, utilizando bacterias ureolíticas, resistentes a As(III) y As(V), aisladas desde ambientes naturales contaminados con arsénico. Las poblaciones bacterianas As-tolerantes, fueron aisladas y caracterizadas desde muestras de sedimentos, obtenidas desde entornos naturales altamente contaminados con arsénico (rio Loa y rio Camarones, Norte de Chile). Las muestras fueron caracterizadas taxonómica y funcionalmente mediante la secuenciación masiva de ADN con MiSeq de Illumina. Además desde las muestras de sedimentos se seleccionaron y caracterizaron cepas bacterianas ureolíticas-calcificantes. La capacidad de transformar As(III) a As(V) fue monitoreada utilizando HPLC. Se seleccionó una cepa ureolíticas-calcificantes (EM-6), que se identificó como Pseudomonas marginalis y se estudiaron sus mecanismos genéticos de resistencia a arsénico. Ademas, se evaluó la capacidad detoxificante de arsénico de la cepa seleccionada con vistas a su aplicación biotecnológica, mediante un sistema biológico de tratamiento. Los análisis moleculares de las comunidades bacterianas asociadas a sedimentos de los ríos estudiados, demostraron que las secuencias de los grupos taxonómicos dominantes (abundancia ≥1%) en las muestras de sedimento del rio Camarones afiliaron con los Phylum: Proteobacteria, Firmicutes, Acidobacteria, Actinobacteria, Chloroflexi, Planctomycetes, Gemmatimonadetes y Nitrospirae. Sin embargo, una afiliación diferente se detecto para las secuencias provenientes de las muestras del rio Loa, las cuales fueron clasificadas dentro de los Phylum, Proteobacteria, Firmicutes, Bacteroidetes, Chloroflexi, Actinobacteria, Lentisphaerae, Planctomycetes, Spirochaetes, Verrucomicrobia y Chlorobi, principalmente. La caracterización de cepas bacterianas ureolíticas-calcificantes aisladas desde los sedimentos demostró, que Pseudomonas marginalis EM-6, aislada desde el rio Loa, fue la cepa bacteriana que presento mayor capacidad ureolítica y de tolerancia a arsénico. Además, análisis de microscopía electrónica asociadas a difracción de rayos x, demostraron que la cepa fue capaz de biomineralizar calcita. Por lo anterior, esta cepa bacteriana fue utilizada para implementar un sistema de tratamiento biológico (en Batch), para eliminar el arsénico desde sistemas acuáticos. Se estudio, la capacidad de la cepa Pseudomonas marginalis EM-6 de eliminar la toxicidad del compuesto en el medio, mediante cromatografía liquida de alta resolución acoplada a un sistema de absorción atómica y mediante el estudio de la viabilidad celular en células de cordón umbilical (HUVECs). Los resultados demostraron que a medida que aumentaba la precipitación de calcita, la concentración de As(III) disminuía hasta en un 100%, al igual que la toxicidad. Estos resultados demuestran que existe una relación entre el aumento de la producción de biocalcita y la disminución del As en el sistema con la disminución de la toxicidad, donde a medida que la concentración de arsénico disminuye en el sistema la viabilidad celular de las células HUVECs aumenta. Por otra parte, los análisis demostraron que el sistema de tratamiento biológico, basado en MICP, es capaz de biomineralizar el 100 % de arsénico presente en efluente real (1124 ug L-1), obtenido desde el rio Loa, eliminado su toxicidad. El aporte de este trabajo, fue evidenciar la potencialidad biotecnológica de la bioprecipitación microbiológica de calcita, para la implementación de sistemas de tratamiento de aguas contaminada con arsénico, utilizando bacterias ureolíticas-calcificante, aisladas desde ambientes naturales, capaces de oxidar el arsenito y resistir arseniato, como una alternativa biotecnológica, económicamente viable y ambientalmente amigable.