Degradación de polímeros por Aspergillus niger y Aspergillus flavus.

0
267
Axel Eduardo Andonegui Rosales 
Ingeniero en Biotecnología

La biorremediación Surge como una rama de la biotecnología que busca resolver los problemas de contaminación mediante el uso de seres vivos (microorganismos y plantas) capaces de degradar compuestos que provocan desequilibrio en el medio ambiente, ya sea suelo, sedimento, fango o mar. Se basa en técnicas: Degradación enzimática, degradación microbiana y fitorremediación.

Es en la degradación microbiana donde se hace uso de microorganismos para la degradación de compuestos moleculares contaminantes en un suelo determinado.

 

Microorganismos como alternativa                             en la degradación de aceites usados

Los hongos, también conocidos como eumycotas, son organismos eucariotas pertenecientes al Reino Fungi.

A diferencia de los vegetales, no tienen clorofila y por tanto no realizan fotosíntesis, por lo que su nutrición es heterótrofa, no sólo con respecto al carbono y al nitrógeno, sino también a otras sustancias. Los hongos son heterótrofos saprófagos; es decir, adquieren su alimento por descomposición y adsorción de la materia orgánica a través de la membrana y pared celulares.

Los hongos descomponen la materia orgánica más resistente, reteniendo en el suelo los nutrientes obtenidos bajo forma de biomasa de hongos y liberación de dióxido de carbono (CO2).

Muchos de los productos de desechos secundarios son ácidos orgánicos; por ello, los hongos ayudan a incrementar la acumulación de materia orgánica rica en ácidos húmicos, resistentes a una degradación posterior.

Existen hongos capaces de biotransformar o biodegradar hidrocarburos que pueden ser utilizados como estrategia en la micorremediación de aguas y suelos. [2]

Aspergillus es un hongo filamentoso hialino, saprofito, perteneciente al filo Ascomycota. Se encuentra formado por hifas hialinas septadas y puede tener reproducción sexual (con formación de ascosporas en el interior de ascas) y asexual (con formación de conidios).

Taxonomía de A. flavus

Reino: Fungi

Phylum: Ascomycota

Clase: Eurotiomycetes

Orden: Eurotiales

Familia: Aspergillaceae

Género: Aspergillus

Especie: flavus.

Fig. 1 Cepa de A. flavus

Las colonias de A. flavus, se les puede ver desde granulares, lanosas o pulverulentas. Al inicio son amarillentas, después se tornan a tonos amarillos-verdosos y luego viran a tonos más oscuros como marrón-amarillento. Conidióforos incoloros que miden de 400 a 800 µm de largo, de pared gruesa. Los conidios son piriformes o globosas verde amarillentos, lisas, pero cuando maduran se tornan ligeramente rugosas.

Taxonomía de A. niger

Reino: Fungi

Phylum: Ascomycota

Clase: Eurotiomycetes

Orden: Eurotiales

Familia: Aspergillaceae

Género: Aspergillus

Especie: niger.

Fig. 2 conidióforos de A. flavus

 

Al inicio son blancas, luego cambian a un color oscuro. Conidióforo liso o ligeramente granular que mide 1,5 a 3 mm de largo, con una pared gruesa. Suelen ser hialinos o pardos. Conidios con aspecto variable: entre ellos globosas, elípticas, lisas, etc. Todas de color negro.

Aspergillus es uno de los principales hongos   productores de micotoxinas.

Las micotoxinas son metabolitos secundarios producidos y secretados por el hongo durante el proceso de degradación de la materia orgánica, como mecanismo de defensa frente a otros microorganismos.

La bioestimulación es una técnica que consiste en la provisión activa de cantidades suficientes de oxígeno y nutrientes para mantener a los microorganismos responsables de la degradación´ de forma que estos puedan continuar proliferando y desarrollando el proceso de biodegradación.

Es el método de biorremediación más estudiado, y actualmente se presenta como el de más factible aplicación para la mayoría de los suelos contaminados con hidrocarburos.

Debido al enriquecimiento selectivo de ciertos microorganismos más tolerantes, resultan favorecidas aquellas especies capaces de adaptarse y crecer en presencia de estos compuestos tóxicos y recalcitrantes [3]. Así mismo, la distribución de microorganismos capaces de utilizar hidrocarburos depende de la presión selectiva ejercida por los hidrocarburos en un determinado ambiente [4].

Con el objetivo de determinar la diversidad de hongos aislados de diferentes sustratos contaminados con hidrocarburos y sus derivados, así como determinar su capacidad degradativa, se han realizado diversos análisis utilizando la información disponible, Los géneros de mayor frecuencia de aislamiento en hidrocarburos fueron Penicillium (18%), Aspergillus (17%) y Fusarium (6%), siendo Penicillium el hongo más cosmopolita ya que fue aislado de todos los sustratos impactados con hidrocarburos.[2] De igual manera. Los hongos aislados se identificaron como: Alternaría sp, Aspergillus flavus, Aspergillus fumigatum, Aspergillus niger, Aspergillus terreus, Aspergillus versicolor, Rhizopus sp, Penicilium sp, Phoma sp.

Fig. 3 Conidióforos de A. niger

 

El aislamiento de microorganismos (bacterias, hongos y levaduras) a partir de ecosistemas contaminados o de hábitats extremos ha evidenciado la existencia de ciertos hongos capaces de biotransformar hidrocarburos en compuestos menos tóxicos o inocuos para el ambiente.

Esto ha permitido el desarrollo de la micorremediación como una estrategia viable para el saneamiento de cuerpos de agua y suelos contaminados con hidrocarburos [7].

El presente trabajo pretende contribuir al conocimiento de la biodiversidad de hongos que han sido aislados de crudo, sus derivados y de ambientes contaminados con hidrocarburos; así como conocer su capacidad para degradar hidrocarburos y las fracciones que lo componen. Por otro lado, es un estudio preliminar para futuras investigaciones que tengan como objetivo potencializar el uso de cepas microbianas en procesos de biorremediación, tales como bioaumentación y bioestimulación.

Hidrocarburos

Los Hidrocarburos son un grupo de compuestos orgánicos que contienen principalmente carbono e hidrógeno. Son los compuestos orgánicos  más  simples y pueden ser considerados como las substancias principales de las que se derivan todos los demás compuestos orgánicos.

Pueden encontrarse de forma líquida natural (petróleo), liquida por condensación (condensados y líquidos del gas natural), gaseoso (gas natural) y sólido (en forma de hielo como son los hidratos de metano).

De igual manera son uno de los grupos de sustancias potencialmente contaminantes más importantes, por su abundancia, por su distribución espacial en entornos urbanos y por su persistencia en distintos sectores ambientales [1]. La explotación, producción, refinación y transporte de petróleo y sus derivados conlleva ocasionalmente accidentes técnicos y operacionales que causan severo deterioro al ambiente y que pueden llegar a generar daños irreversibles a los ecosistemas, afectando a la flora, la fauna y la composición de las comunidades microbianas autóctonas.

 El concepto de aceite se utiliza para denominar a diferentes y numerosos líquidos de tipo graso, con procedencias diferentes, pero con la incapacidad común de disolverse en el agua, pues poseen todas unas densidades menores que ella.
La Asociación Nacional de Industriales de Aceites y Mantecas Comestibles reporta que en México alrededor de 78% del consumo de aceites embotellados es de aceite vegetal comestible (mixto) y 22% es puro.

El consumo de aceites embotellados en México asciende a un millón 100,000  litros anuales por lo que se estima que cada mexicano consume 10 litros de aceite al año, de los cuales el aceite para cocinar comprado regularmente es el de soya con 31%, canola 18%, oliva 13%, maíz 11%, cártamo 8%, mixto 4%, girasol 2% y aguacate 0.4%.

Cuando el aceite empieza a desprender humo significa que la grasa se está quemando. Es entonces cuando la estructura química del aceite se altera y aparece la acroleína, una sustancia que resulta tóxica y potencialmente cancerígena. Entre otros fenómenos, la digestión de los alimentos se vuelve más difícil y el exceso de calor hace que aparezcan los indeseados radicales libres, que dañan nuestras células.

El residuo aceite vegetal quemado, aceite usado de cocina (RAUC por sus siglas en español), grasa amarilla o UCO (por sus siglas en inglés), es en la actualidad una de las principales causas de contaminación de las aguas residuales urbanas, ya que si una vez utilizados, se vierten a la red de alcantarillado, contaminan el medio ambiente, produciendo atascos y malos olores en las cañerías y una gran cantidad de problemas ambientales. Se cita que un litro contamina mil litros de agua.

Fig. 5 Producción de lubricantes en México por un periodo de 10 años (2007-2017)

 

Por otro lado la industria de lubricantes y aceites para cuidado de los motores automotrices en México tiene un valor total de más de 1,200 millones de dólares El volumen total de aceites para motor es superior a los 200 millones de litros por año lo que representa el 87% del consumo total de lubricantes el 9% lo constituyen aceites para engranes; 3% grasas y 1% fluidos de tractor.

Los lubricantes se contaminan durante su utilización con productos orgánicos de oxidación y otras materias tales como carbón, producto del desgaste de los metales y otros sólidos, lo que reduce su calidad. Cuando la cantidad de estos contaminantes es excesiva el lubricante ya no cumple lo que de él se demandaba y debe ser reemplazado por otro nuevo. Estos son los llamados “Aceites Usados, de Desecho o Residuales” y deben ser tratados y desechados de forma adecuada para evitar la contaminación del medio ambiente y preservar los recursos naturales.

En general los aspectos más preocupantes en la utilización de aceites usados y por los cuales se concederán perjudiciales para el medio ambiente pueden resumirse de la siguiente manera:

  • Biodegradabilidad
  • Bioacumulacion
  • Toxicidad
  • Ecotoxicidad
  • Emision de gases
  • Tiempo requerido para ser eliminado del agua

Desafortunadamente muchos de los aceites usados se eliminan por vertido en terrenos y cauces de agua o por combustión indiscriminada produciendo peligrosas contaminaciones.

Contaminación en el aire

Los compuestos presentes en el aceite usado tales como cloro, cromo, fósforo, azufre y plomo así como también la presencia de gases con aldehídos, cetonas y C02 son irritantes, para el ser humano, actúan sobre el tejido respiratorio superior y tejido pulmonar, provocando graves enfermedades como asma, bronquitis, e incluso efectos mutantes como el cáncer.

Contaminación del agua

Los aceites son insolubles en agua, no son biodegradables, forman películas impermeables que impiden el paso del oxígeno y matan la vida tanto en el agua como en tierra además de que esparcen productos tóxicos que pueden ser ingeridos por los seres humanos de forma directa o indirecta.

Según el doctor K. Reimann, del Instituto Biologico Experimental Bavoro de Munich, concentraciones de aceite usado en agua de 1 a mg/I. convierten aquélla en impropia para el consumo humano.

Contaminación del suelo

Los aceites usados vertidos en suelos producen la destrucción del humus y contaminación de aguas superficiales y subterráneas. La eliminación por Vertido de los aceites usados origina graves problemas de contaminación de tierras, ríos y mares. En efecto, los hidrocarburos saturados que contiene el aceite usado no son degradables biológicamente, recubren las tierras de una película impermeable que destruye el humus vegetal y, por tanto, la fertilidad del suelo.

Hipótesis

Los hongos A. flavus y A. niger son capaces de degradar hidrocarburos como fuente de carbono en condiciones idóneas para su proliferación.

OBJETIVOS

Objetivo general:

Degradar polímeros con ayuda de Aspergillus niger y Aspergillus flavus.

 

Objetivos específicos:

  • Aislar Aspergillus flavus y A. niger de suelos contaminados por aceites lubricantes y vegetales usados.
  • Identificar los hongos flavus y A. niger.
  • Demostrar la degradación de polímeros por hongos del género flavus y A. niger.

Justificación

El presente proyecto se realizó con el fin de reducir la preocupante contaminación que provocan ciertos derivados de hidrocarburos con especial atención en aceites usados, haciendo uso de técnicas biotecnológicas, así como también la involucración de determinados microrganismos como una alternativa sustentable e innovadora.

Metodología

Primeramente, se preparó el medio de cultivo agar Sabouraud. para el aislamiento. Posteriormente, se sembró el hongo, realizando muestreo en lugares donde hay presencia de residuos de aceites, esto se hace para tener una seguridad de que el hongo cuente con aquellas enzimas degradadoras debido a su larga exposición al sustrato. Se procedió a realizar la siembra con estriado intenso para poder apreciar varias posibilidades de crecimiento.

Se incubó a 30°C por 3-5 días aproximadamente. Una vez teniendo crecimiento, se identificó que el hongo sea del género y especie de interés y para esto se realizaron diagnósticos macroscópicos y microscópicos para la reproducción del hongo seleccionado en medios con concentraciones mayores del sustrato utilizado. A partir de este paso se trabajó con el Czapek libre de sacarosa y con el aceite a degradar donde se inició añadiéndole 2% de aceite lubricante al medio, para luego aumentarle a 5%, 10%, 50% (concentración en curso). Posteriormente, cada vez que se resiembre en medios con un porcentaje mayor en la composición del medio del sustrato de interés, se medirá a la par, el crecimiento del hongo para verificar que hay un aprovechamiento del sustrato de interés, para que una vez que el hongo lo consuma en cantidades grandes se pueda realizar los cálculos correspondientes.

RESULTADOS

Se obtuvo el crecimiento de los hongos y por ende el aprovechamiento de los aceites lubricantes y vegetales como su única fuente de carbono en el medio preparado Czapek. En el recuadro presentado, el I) Y J) se muestran los cultivos realizados en donde se expuso a. A. flavus a concentraciones de aceite lubricante que variaron de forma ascendente. A. flavus aprovechó el aceite rompiendo los enlaces de los polímeros de carbono para sus necesidades básicas en medios con aceite lubricante y aceite vegetal, donde se pudo notar mayor capacidad degradadora en el medio con aceite vegetal. Sin embargo, A. flavus, en medio con aceite lubricante tuvo más actividad degradadora en comparación con A. niger en medio con aceite lubricante, por lo que se requiere realizar más ensayos para su adaptación a el aceite definido. De igual manera, A. flavus requiere más ensayos para mejorar ese aprovechamiento ya obtenido con aceite lubricante y aceite vegetal, donde se pudo notar mayor capacidad degradadora en el medio con aceite vegetal. Sin embargo, A. flavus, en medio con aceite lubricante tuvo mas actividad degradadora en comparación con A. niger en medio con aceite lubricante, por lo que se requiere realizar más ensayos para su adaptación a el aceite definido. De igual manera, A. flavus requiere más ensayos para mejorar ese aprovechamiento ya obtenido.

 

Conclusión:

En un periodo de 9 semanas se logró la identificación y asilamiento de 2 especies distintas de hogos del género Aspergillus sp. Donde se pudo comprobar la capacidad degradadora de hidrocarburos por A. niger y A. flavus siendo este último el microorganismo con mayor capacidad degradadora en un menor lapso, si bien el tiempo dado no fue el suficiente para lograr una mejor y más exacta cuantificación del valor de aceite degradado, se espera en un futuro proseguir con más estudios para la obtención de una mejor determinación en los datos.

 

Bibliografía

 [1] Marc Vinas Canals. ˜ Biorremediacion de suelos contaminados por hidrocarburos: caracterizacion microbiologica, quımica y ecotoxicologica. Universitat de Barcelona, 2005.

[2] Naranjo-Briceño, B., Inojosa, J., Demey, Y., & Pernía, L. (2012). Biodiversidad y potencial hidrocarbonoclástico de hongos aislados de crudo y sus derivados: Un meta-análisis (pp. 1,2,33,34). Latinoam Biotecnol Amb Algal.

[3] García Cuán, A., Medina Buelvas, A., & Lara Cobos, J. (2017). Aislamiento e identificación de hongos filamentosos tolerantes a aceites dieléctricos usados y PCB’s de suelos contaminados [Ebook] (1st ed., pp. 1,2,4,5,). Barranquilla: Biociencias.

[4] Bartha, R., Atlas, R.M. 1977. The microbiology of aquatic oil spills. Adv Appl Microbiol 22: 225–226.

[5] Amund, O., Adebowale, A.A., Ugoji, E.O. 1987. Occurrence and characteristics of hydrocarbon-utilizing bacteria in Nigerian soils contaminated with spent motor oil. Indian J Microbiol 27: 63–67.

[6] Benka-Coker, M.O., Ekundayo, J.A. 1997. Applicability of evaluating the ability of microbes isolated from an oil spill site to degradate oil. Environ Monit Assess 453: 259-272.

[7] Chaillan, F., Flèche, A.L., Bury, E., Phantavong, Y., Grimont, P., Saliot, A., Oudot, J. 2004. Identification and biodegradation potential of tropical aerobic hydrocarbon-degrading microorganisms. Res Microbiol 155: 587– 595.

[8] R. Méndez, C., Vergaray, G., R. Béjar, V., & J. Cárdenas, K. (2017). Aislamiento y caracterización de micromicetos biodegradadores de polietileno [Ebook] (3rd ed., pp. 1-4). Peru: Facultad de Ciencias Biológicas UNMSM. Retrieved from http://sisbib.unmsm.edu.pe/BVRevistas/biologia/biologiaNEW.htm

Dejar respuesta

Please enter your comment!
Please enter your name here