Desarrollo de consorcios bacterianos con alta eficiencia de degradación de PAH para su aplicación a la recuperación de suelos crónicamente contaminados

Abstract

La capacidad de diversos microorganismos para biodegradar hidrocarburos policíclicos aromáticos (PAH) se ha estudiado ampliamente durante las últimas décadas para hacer frente a la extensa contaminación del medio ambiente. No siempre es posible combinar en un único organismo todas las características necesarias para resolver un problema ambiental determinado. Bajo estas circunstancias, una estrategia adecuada es la generación de cultivos microbianos mixtos que combinan actividades enzimáticas degradadoras inherentes a los miembros individuales, sin embargo poco se sabe acerca de los mecanismos que intervienen en la cooperación mutua microbiana. La integración de la genómica, transcriptómica y los estudios fisiológicos en ecología microbiana permite observar el potencial metabólico de comunidades degradadoras de PAH, lo que es crucial para recrear y acelerar los procesos naturales así como para llevar a cabo su manipulación racional. Con el objetivo de contribuir al desarrollo de estrategias biotecnológicas que permitan optimizar los procesos de biorremediación de suelos crónicamente contaminados con PAH y producir un aporte a los conocimientos relacionados con la ecología microbiana de consorcios bacterianos degradadores de PAH se diseñaron consorcios bacterianos que muestren una alta eficiencia de degradación de PAH. En primer lugar, se estudió la efectividad de un consorcio bacteriano (CON), obtenido de un suelo crónicamente contaminado con PAH, para degradar hidrocarburos y los cambios producidos en su estructura y composición cuando este se inocula con una cepa competitiva (Sphingomonas paucimobilis 20006FA). Se estudió la diversidad, estructura y funcionalidad del consorcio inoculado (CON-I) durante la degradación de fenantreno en medio líquido por métodos clásicos y moleculares. Además, se profundizó el estudio de la cepa 20006FA mediante ensayos de degradación de PAH y análisis ómicos. Se evaluó la capacidad de degradar fenantreno en distintas concentraciones y diferentes PAH, junto a los metabolitos generados durante el proceso de degradación. Se estudió el genoma para identificar genes de la vía de degradación de fenantreno y posibles reguladores de las vías de degradación de PAH. Mediante geles 2-DE, se analizó el proteoma a diferentes tiempos de la degradación de fenantreno y se integraron estos resultados para mostrar una ruta de degradación de fenantreno propuesta para 20006FA. En segundo lugar, este trabajo de tesis tuvo como objetivo diseñar consorcios sintéticos combinando todas las cepas aisladas a partir del consorcio natural CON, con el fin de establecer la contribución de cada población al proceso de degradación de fenantreno y estudiar su potencial para ser utilizados como inoculantes en procesos de biorremediación. A través del uso de herramientas genómicas, se abordó el estudio del rol que cumple cada población bacteriana presente en los consorcios durante la degradación de PAH mediante la búsqueda de enzimas vinculadas a la degradación y se incursionó en la aplicación de estrategias transcriptómicas para evaluar la expresión de genes catabólicos y la respuesta funcional frente a la degradación de fenantreno en medio líquido de las cepas que conforman los consorcios más eficientes. Los métodos computacionales han sido esenciales para aprovechar los datos y obtener ideas claras de cómo estos consorcios funcionan. A partir de los datos de secuenciación de ADN de las cepas aisladas y los datos filogenéticos, se realizó la reconstrucción automática de redes de biodegradación. El trabajo de tesis nos permitió elucidar la vía metabólica de degradación de fenantreno en S. paucimobilis 20006FA usando una combinación de genómica y proteómica, cuyos resultados fueron verificados por estudios fisiológicos. La inoculación de una cepa degradadora logró aumentar el potencial degradador del consorcio natural CON y mejorar la eficiencia de degradación, sin la acumulación de productos intermediarios tóxicos. A través de los estudios con técnicas de secuenciación de alto rendimiento se logró conocer la estructura de los consorcios y que la inoculación produjo una disminución de la diversidad con respecto a CON. Mediante la construcción de una red metabólica específica de la degradación de fenantreno, se predijo in silico cuáles son las poblaciones responsables del ataque inicial al fenantreno y cuáles intervendrían posteriormente. La aplicación de RT-qPCR para evaluar la expresión de genes catabólicos de la degradación de fenantreno indicó que cepas participarían de los primeros pasos de la degradación de fenantreno. A partir de los estudios funcionales de cepas aisladas y las herramientas ómicas, se generaron consorcios bacterianos sintróficos que mostraron una alta eficiencia de degradación de PAH. Los consorcios obtenidos podrían ser utilizados como inoculantes para favorecer la biorremediación de suelos contaminados con PAH. Esto resulta una ventaja tecnológica, ya que los ensambles microbianos sintéticos se pueden propagar con mayor facilidad que los consorcios naturales, bajo condiciones experimentales. Se logró dar un primer paso en el estudio de las interacciones entre las poblaciones de un consorcio natural y se confirmó la hipótesis en relación a que las comunidades construidas con aislamientos del mismo entorno resguardan las interacciones indígenas formadas por la coadaptación / evolución.