Inmovilización de bacterias degradadoras de hidrocarburos sobre quitina y derivados para procesos de biorremediación

Abstract

Los hidrocarburos de petróleo constituyen uno de los mayores contaminantes de ambientes terrestres y marinos. Aunque la evaporación y la fotooxidación contribuyen a la detoxificación, su degradación completa es sólo llevada a cabo por microorganismos. Las dos estrategias generales de la biorremediación son la modificación ambiental o bioestimulación (aplicación de nutrientes, biosurfactantes y aireación para mejorar las condiciones metabólicas de la microbiota autóctona), y la siembra de microorganismos degradadores de xenobióticos apropiados o bioaumentación. Esta última no siempre alcanza el objetivo propuesto dado que los microorganismos elegidos deben superar los inconvenientes que plantean los factores bióticos y abióticos del ambiente en que son introducidos. El uso de formulaciones de inoculantes que comprenden materiales soportes a los que se fijan las células microbianas para su introducción en ecosistemas naturales constituye una opción interesante. El soporte brinda a los microorganismos protección, favoreciendo su supervivencia y permitiendo su actividad degradadora. En esta Tesis se plantea el desarrollo de inoculantes, utilizando quitina y derivados como soportes, con el fin de optimizar la biorremediación de ambientes contaminados y los tratamientos biológicos de efluentes con hidrocarburos. Se evalúa el potencial de la quitina y sus derivados, obtenidos a partir de cáscaras de langostinos y camarones para su utilización como soportes de bacterias hidrocarburolíticas. La cepa degradadora seleccionada, Rhodococcus corynebacterioides (accesion number AY 157677) fue aislada en estudios anteriores de suelos costeros de Bahía Blanca. Se realiza el estudio de los parámetros de crecimiento y de la actividad metabólica vinculados al desarrollo de inoculantes de la misma: rango de temperaturas de crecimiento, cinética de crecimiento, desarrollo frente a diferentes hidrocarburos, determinación del coeficiente de hidrofobicidad y actividad degradadora frente a petróleo crudo. Se estudia el comportamiento de la quitina y derivados, obtenidos a partir de los exoesqueletos de langostinos (Pleoticus mülleri) en el Laboratorio de Investigaciones Básicas y Aplicadas en Quitina (L.I.B.A.Q.) del Departamento de Química de la Universidad Nacional del Sur, como posibles soportes de cepas bacterianas. Se establecen procedimientos para su decontaminación. Se plantean y seleccionan las estrategias más eficientes para la inmovilización de los microorganismos en la superficie de las escamas y posterior formación de biofilm. Una vez logrado el inoculante, se procede al estudio de la supervivencia de las cepas inmovilizadas sobre los distintos soportes y evaluación de su actividad biodegradativa. También se determinan las condiciones de almacenamiento más adecuadas del inoculante obtenido. Se evalúa el potencial de la cepa degradadora de hidrocarburos inmovilizada sobre los soportes para optimizar tratamientos de biorremediación. Se trabaja sobre tres microcosmos diferentes: un suelo típico de zona semiárida de uso agronómico contaminado con petróleo crudo, un suelo proveniente de una refinería de petróleo local y agua de mar contaminada con petróleo crudo. En términos de porcentajes de remoción de petróleo crudo los microcosmos de suelo de zona semiárida y de agua de mar inoculados alcanzan los valores más altos. Es importante enfatizar que los inoculantes formulados con quitina como soporte muestran el mejor desempeño en cuanto a condiciones de almacenamiento y tratamientos de biorremediación. El trabajo realizado permite el aprovechamiento de un residuo que se genera en grandes cantidades en nuestro litoral costero, como son los exoesqueletos de crustáceos, a la vez que se hace un aporte al tratamiento de aguas y suelos impactados por la actividad industrial y portuaria de la zona de Bahía Blanca.

Petroleum hydrocarbons are one of the major pollutants of terrestrial and marine environments. Although evaporation and photo-oxidation play an important role in detoxification, ultimate and complete degradation is accomplished mainly by microorganisms. The general strategies for bioremediation are biostimulation (release of nutrients, biosurfactans and aereation to enhance the metabolic conditions of the native microbial community), and the inoculation of appropriated degradative organisms or bioaugmentation. Bioaugmentation not always reaches the objective successfully because the selected microorganisms must also be able to overcome biotic and abiotic stresses in the environment in which they are introduced. The use of inoculant formulations involving carrier materials for the delivery of microbial cells to natural ecosystems, is an attractive option. The carrier provides microorganisms favorable conditions for survival as well as functioning of the inoculant cells, resulting in a sufficiently long shelf life as well as improved survival and activity. In this Thesis the development of inoculants, using chitin and derivates as carriers, to optimize the bioremediation of polluted environments and the biological treatment of hydrocarbons efluents is studied. Potential of chitin and derivates flakes obtained from shrimp wastes as carrier materials for a hydrocarbon-degrading bacterial strain is examined. The selected microorganism, Rhodococcus corynebacterioides, was isolated in previous research, from coastal soils of Bahía Blanca Estuary. Growing parameters and metabolic activity of the selected strain related to the development of the inoculant are determined: growing temperature range, generation range, use of different hydrocarbon products, hidrophobicity coefficient and crude oil biodegrading activity. Chitin and derivates, obtained from the exoskeletons of shrimps (Pleoticus mülleri) at the Laboratorio de Investigaciones Básicas y Aplicadas en Quitina (L.I.B.A.Q.) of the Departamento de Química at Universidad Nacional del Sur, were studied as carrier material of bacterial strains. Suitable methods for reducing the microbial load of the carrier and the ability to link bacterial cells are determined. Suitable conditions for the immobilization of microorganisms and formation of an abundant biofilm on the flakes are established. Once developed the inoculant, the survival of the immobilized strains on the different carrier materials and its biodegrading activity is evaluated. Also storage conditions and viability assessment of the inoculant are tested. The effectiveness of inoculant addition in bioremediation process is evaluated. Different microcosms are prepared: an agricultural soil contaminated with crude oil, soil of a local petrochemichal refinery and seawater polluted with crude oil. In all the cases the developed inoculants improve survival and degrading activity of the immobilized microorganisms. In terms of removal percentaqe of crude oil after the different treatments agricultural soil and seawater microcosms prove to be most successful. It is important to emphasize that the inoculants formulated with chitin flakes show the best perfomance during storage and bioremediation treatments. These results allow the use of an abundant residue of the local fishing industry, the exoskeletons of shrimps, that is produced in high amounts in our coasts, meanwhile there is a contribution for the treatment of waters and soils polluted with crude oil that come from the industrial and port activity of Bahía Blanca zone.