Mecanismos involucrados en la biodecoloración de efluentes con levaduras del género Trichosporon

Abstract

Las industrias textiles consumen grandes cantidades de agua y generan importantes volúmenes de efluentes líquidos coloreados que pueden alcanzar distintos cuerpos de agua, bloqueando procesos fotosintéticos y produciendo un daño irreparable en el medio ambiente.Existen métodos físicos/químicos para el tratamiento de efluentes textiles, usualmente son costosos y generan grandes cantidades de lodos y polución secundaria. Como método alternativo la biodecoloración resulta económicamente viable y amigable con el medio ambiente, ya que involucra procesos de biodegradación de los colorantes o bien su acumulación en diversos organismos. Las levaduras son especialmente interesantes por su rápido crecimiento unicelular y su adaptación a crecer en medios líquidos. Su capacidad para remover colorantes está vinculada a la actividad de enzimas ligninolíticas y a mecanismos de formación de radicales hidroxilos altamente reactivos, que por su baja especificidad de sustrato pueden degradar colorantes de diferente naturaleza química. Estos procesos oxidativos de decoloración, tienen además la ventaja de garantizar que no se producirán aminas aromáticas potencialmente carcinogénicas a partir de colorantes textiles.Trichosporon akiyoshidainum es una levadura basidiomicetácea que demostró ser una herramienta muy importante para la biodegradación de colorantes azoicos aromáticos. En estudios previos se evidenció que la decoloración de Negro Reactivo 5 por esta levadura es un proceso oxidativo que involucra la acción de peroxidasas y fenol oxidasas. Sin embargo, los mecanismos moleculares no han sido completamente elucidados y son objeto de estudio en el presente trabajo.La secuenciación, anotación y caracterización del genoma de T. akiyoshidainum, facilitó el análisis de las vías metabólicas involucradas en la biodecoloración de Negro Reactivo 5 y permitió proponer diversos mecanismos moleculares para su degradación.Mediante estudios de protéomica comparativa libre de marcado, se identificaron principalmente proteínas extracelulares involucradas en los mecanismos de generación de radicales hidroxilos, entre las que se destacaron enzimas productoras de peróxido de hidrógeno y otras involucradas en la reducción de hierro y homeostasis celular. Muchas de estas proteínas fueron determinadas en mayor abundancia en presencia del coloranteNegro Reactivo 5. En cuanto a las proteínas involucradas en la vía enzimática de degradación, cuyas actividades fueron determinadas en los sobrenadantes de cultivo, solo pudo ser identificada una posible peroxidasa en presencia del colorante Negro Reactivo 5.Por otro lado, se detectaron proteínas relacionadas a las vías bajas de degradación. Según estos resultados, diversas vías de degradación y metabolismo de xenobióticos fueron activadas.Con los resultados obtenidos se desarrolló una hipótesis sobre el metabolismo de T. akiyoshidainum HP-2023 durante la degradación del colorante Negro Reactivo 5. Sugieren que la degradación del colorante se consigue mediante dos etapas separadas. En primer lugar, las moléculas de colorante son degradadas por peroxidasas o reacciones de tipo Fenton, a compuestos aromáticos de bajo peso molecular. En segundo lugar, estos compuestos aromáticos son catabolizados por diversas vías de degradación de xenobióticos.La elucidación de los mecanismos moleculares implicados en este proceso de decoloración añade nuevas perspectivas a la comprensión actual de la degradación de los compuestos aromáticos por levaduras y conduce a nuevas estrategias para mejorar la remediación del colorante.

The textile industry consumes large amounts of water and generate significant volumes of colored liquid effluents that can reach different bodies of water, blocking photosynthetic processes and producing irreparable damage to the environment. There are physical/chemical methods for the treatment of textile effluents, but they are usually expensive and generate large amounts of sludge and secondary pollution. As an alternative method, biodecolorization is economically viable and friendly to the environment since it involves processes of biodegradation of the dyes or their accumulation in several organisms. Yeasts are especially interesting because of their rapid unicellular growth and their adaptation to growing in liquid media. Its ability to remove dyes is linked to the activity of ligninolytic enzymes and highly reactive hydroxyl radical formation mechanisms, which due to their low specificity of substrate can degrade dyes of different chemical nature. These oxidative discoloration processes also have the advantage of ensuring that potentially carcinogenic aromatic amines will not be produced from textile dyes. Trichosporon akiyoshidainum is a basidiomycete yeast that has proved to be a promising tool for the biodegradation of aromatic azo dyes. In previous studies it was evidenced that the discoloration of Reactive Black 5 by this yeast is an oxidative process that involves the action of peroxidases and phenol oxidases. However, the molecular mechanisms have not been fully elucidated and are the object of study in the present work. The sequencing, annotation and characterization of the genome of T.akiyoshidainum, simplified the analysis of the metabolic pathways involved in the biodecolorization of Reactive Black 5 and allowed to propose several molecular mechanisms for its degradation. By means of comparative label-free proteomics studies, extracellular proteins involved in the generation mechanisms of hydroxyl radicals were identified, among which hydrogen peroxide producing enzymes and others involved in the reduction of iron and cellular homeostasis were highlighted. Many of these proteins were determined in greater abundance in the presence of the Reactive Black dye 5. As for the proteins involved in the enzymatic degradation pathway, whose activities were determined in the culture supernatants, only one possible peroxidase could be identified in the presence of the RB5 dye.On the other hand, proteins related to the low degradation pathways were detected. According to these results, various pathways of degradation and metabolism of xenobiotics were activated. Finally, the results obtained allowed us to develop a hypothesis about the metabolism of T. akiyoshidainum HP-2023 during the degradation of the RB5 dye, and suggest that the degradation of the dye is achieved by two separate stages. First, the dye molecules are degraded, by peroxidases or Fenton-type reactions, to low molecular weight aromatic compounds. Secondly, these aromatic compounds are catabolized by various routes of degradation of xenobiotics. The elucidation of the molecular mechanisms involved in this discoloration process adds new perspectives to our current understanding of the degradation of aromatic compounds by yeast and could lead to new strategies to improve the remediation of the dye