Empleo de residuos agrícolas regionales para la biorremediación de suelos contaminados con lindano por un consorcio definido de actinobacterias

Abstract

El lindano es un plaguicida organoclorado que, a pesar de estar prohibido en muchos países debido a su elevada toxicidad, persistencia en el ambiente y acumulación en las cadenas tróficas, aún se detecta en matrices ambientales (suelo, agua y aire) y en tejidos biológicos humanos y animales. La biorremediación empleando consorcios de actinobacterias demostró ser promisoria para la depuración de suelos contaminados. Otra alternativa para remover xenobióticos consiste en utilizar residuos agrícolas, cuya aplicación estimula la actividad microbiana, incrementando su capacidad para degradar contaminantes orgánicos. El objetivo del presente trabajo de Tesis Doctoral fue utilizar residuos agrícolas para mejorar la remoción de lindano por un consorcio definido de actinobacterias en diferentes tipos de suelos. Inicialmente, se evaluó la remoción de lindano en microcosmos de suelos no estériles de diferentes texturas [franco-limoso (SFL), arcilloso (SArc) y arenoso (SAre)], bioaumentados con el consorcio microbiano Streptomyces sp. A2-A5-A11-M7. Los mayores porcentajes de remoción del plaguicida (SAre: 70,3%; SFL: 36,3%; SArc: 30,7%) y recuentos de microorganismos heterótrofos se detectaron en los microcosmos bioaumentados. Además, se demostró la sobrevida de las cuatro cepas del consorcio al final de los ensayos, mediante herramientas bioquímicas y moleculares. Posteriormente, se optimizó el uso de bagazo y cachaza de caña de azúcar como agentes bioestimulantes mediante diseños factoriales completos, evaluando el efecto del contenido de humedad (20 y 30%), porcentaje (2 y 10%) y tamaño de partícula del residuo (0,5 y 5,0 mm). Mediante un optimizador de respuesta, se obtuvieron combinaciones que lograron la máxima remoción de lindano en cada tipo de suelo. En todas las condiciones optimizadas, la disipación de lindano y los recuentos de microorganismos heterótrofos superaron los valores obtenidos en los suelos bioaumentados sin bioestimular, y se demostró la supervivencia de los microorganismos inoculados, al final del ensayo. Al evaluar las enzimas del suelo, se observó que el lindano tuvo un efecto inhibidor sobre las actividades deshidrogenasa, hidrólisis de diacetato de fluoresceína y fosfatasas ácida y alcalina, mientras que catalasa fue estimulada por el plaguicida. Ureasa fue ligeramente inhibida o no se vio afectada, según la condición evaluada. La bioestimulación de los microcosmos bioaumentados y sin bioaumentar condujo a un incremento de las actividades enzimáticas. En base a su sensibilidad, se seleccionaron catalasa, hidrólisis de diacetato de fluoresceína y fosfatasa ácida como indicadores de la efectividad del proceso de biorremediación. Debido a la mayor eficiencia de remoción del plaguicida en presencia de cachaza y del consorcio microbiano, se realizaron ensayos en mesocosmos de suelo bioaumentados y bioestimulados con este material orgánico, empleando las condiciones optimizadas y manteniendo los parámetros ambientales con mínima intervención. En dichos mesocosmos, la remoción de lindano, el recuento de microorganismos heterótrofos y las actividades enzimáticas fueron mayores respecto a los controles. Los bioensayos con Raphanus sativus, Lactuca sativa y Lycopersicon esculentum permitieron evaluar la efectividad de la biorremediación. Finalmente, mediante microscopía electrónica de barrido, se confirmó la colonización de las matrices por las actinobacterias. Los resultados obtenidos sugieren que la biorremediación empleando simultáneamente actinobacterias y residuos agrícolas, representa una herramienta prometedora para restaurar suelos contaminados con plaguicidas organoclorados.

Lindane is an organochlorine pesticide that, despite of the fact that it is banned in many countries due to its high toxicity, persistence in the environment and accumulation in trophic chains, is still detected in different matrices (soil, water and air) and in human and animal biological tissues. Bioremediation applying actinobacteria consortia proved to be promising for the depuration of contaminated soils. Another alternative to remove xenobiotics is to use agricultural wastes, whose application stimulates microbial activity by increasing their capacity to degrade organic pollutants. The objective of this Doctoral Thesis was to use agricultural wastes to improve the lindane removal by a defined actinobacteria consortium in different soil types. Initially, lindane removal was evaluated in microcosms of non-sterile different texture soils [silty loam (SLS), clayey (CS) and sandy (SS)], bioaugmented with the microbial consortium composed by the strains Streptomyces sp. A2, A5, A11 and M7. The highest percentages of pesticide removal (SS: 70.3%, SLS: 36.4%, CS: 30.7%) and heterotrophic microorganism counts were detected in the bioaugmented microcosms. In addition, the survival of the four strains of the consortium was demonstrated at the end of the assays by using biochemical and molecular tools. Afterwards, the use of sugarcane bagasse and filter cake as biostimulant agents was optimized by means of complete factorial designs, evaluating the effect of moisture content (20 and 30%), percentage (2 and 10%) and particle size of the residue (0.5 and 5.0 mm). Through a response optimizer, combinations that achieved the maximum lindane removal were obtained in each soil type. Under optimized conditions, lindane dissipation and heterotrophic microorganism counts exceeded the values obtained in bioaugmented soils without biostimulation, and the survival of the inoculated microorganisms was demonstrated at the end of the assay. When evaluating soil enzymes, it was observed that lindane had an inhibitory effect on dehydrogenase, fluorescein diacetate hydrolysis, acid and alkaline phosphatases activities, while catalase was stimulated by the pesticide. Urease was slightly inhibited or not affected, depending on the evaluated condition. The biostimulation of the bioaugmented and non-bioaugmented microcosms led to an increase in enzymatic activities. Based on their sensitivity, catalase, fluorescein diacetate hydrolysis and acid phosphatase were selected as indicators of the effectiveness of the bioremediation process. Due to the greater efficiency of pesticide removal in the presence of sugarcane filter cake and the microbial consortium, assays were carried out on soil mesocosms bioaugmented and biostimulated with this organic material, using the optimized conditions and maintaining environmental parameters with minimal intervention. In these mesocosms, lindane removal, heterotrophic microorganism counts and enzymatic activities were higher with respect to controls. Bioassays with Raphanus sativus, Lactuca sativa and Lycopersicon esculentum allowed the effectiveness of bioremediation to be evaluated. Finally, the colonization of the matrices by actinobacteria was confirmed through scanning electron microscopy. The obtained results suggest that bioremediation through the simultaneous use of actinobacteria consortia and agricultural wastes, represents a promising tool to restore soils which were contaminated with organochlorine pesticides.