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1 EVALUACIÓN PRELIMINAR DEL POTENCIAL DE DEGRADACIÓN DE FENOL POR PARTE DE UN CONSORCIO MICROALGA-BACTERIA Daniela Alejandra Mora Salguero Estudiante de Ingeniería Química, Departamento de Ingeniería Química, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia. Estudiante de Microbiología, Departamento de Ciencias Biológicas, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia. Asesor: Andrés González Barrios Profesor Asociado, Departamento de Ingeniería Química, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia. Co-Asesor: Martha Vives Profesor Asociado, Departamento de Ciencias Biológicas, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia. RESUMEN El desarrollo de tecnologías para la reparación ambiental ocasionada por la contaminación de ecosistemas por hidrocarburos ha permitido la implementación de tratamientos como la biorremediación, que emplean la diversidad biológica y características metabólicas de ciertos microrganismos. Se ha encontrado que el consorcio microalga-bacteria puede llegar a ser una alternativa eficiente en cuanto a la desintoxicación de contaminantes orgánicos e inorgánicos, y la remoción de compuestos tóxicos. Este proyecto realiza una evaluación preliminar del potencial de degradación de fenol de un consorcio microbiano que emplea tres cepas bacterianas resistentes al fenol, aisladas de la bahía de Cartagena, Colombia (Stenotrophomonas maltóphilia (C2), Microbacterium paraoxydans (C7A) y Paenibacillus lactis (C7B)) y la microalga (Chlamydomonas reinhardtii). Se evaluaron tres medios de cultivo: TAP, MMS y Medio marino. Fue seleccionado el medio TAP para el desarrollo de los diferentes consorcios. Se observó un crecimiento aproximadamente dos veces más rápido de los microorganismos en consorcio que en los cultivos puros, adicionalmente se encontró que la relación de pre-inóculo 2:1 (bacteria-microalga) es la más apropiada en cuanto a la estimulación del crecimiento de ambos microorganimos. Se obtuvo que los consorcios construidos presentan un mejor desempeño a bajas concentraciones del contaminante (50 ppm), resultando el consorcio con la cepa C7A el más efectivo, alcanzando un porcentaje de remoción de fenol del 49.89%. Palabras clave: Biorremediación, microalga-bacteria, consorcio, potencial, degradación, fenol.

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1

EVALUACIÓN PRELIMINAR DEL POTENCIAL DE

DEGRADACIÓN DE FENOL POR PARTE DE UN CONSORCIO

MICROALGA-BACTERIA

Daniela Alejandra Mora Salguero

Estudiante de Ingeniería Química, Departamento de Ingeniería Química, Universidad de los

Andes, Bogotá, Colombia.

Estudiante de Microbiología, Departamento de Ciencias Biológicas, Universidad de los Andes,

Bogotá, Colombia.

Asesor:

Andrés González Barrios

Profesor Asociado, Departamento de Ingeniería Química, Universidad de los Andes, Bogotá,

Colombia.

Co-Asesor:

Martha Vives

Profesor Asociado, Departamento de Ciencias Biológicas, Universidad de los Andes, Bogotá,

Colombia.

RESUMEN

El desarrollo de tecnologías para la reparación ambiental ocasionada por la contaminación de

ecosistemas por hidrocarburos ha permitido la implementación de tratamientos como la

biorremediación, que emplean la diversidad biológica y características metabólicas de ciertos

microrganismos. Se ha encontrado que el consorcio microalga-bacteria puede llegar a ser una

alternativa eficiente en cuanto a la desintoxicación de contaminantes orgánicos e inorgánicos,

y la remoción de compuestos tóxicos. Este proyecto realiza una evaluación preliminar del

potencial de degradación de fenol de un consorcio microbiano que emplea tres cepas

bacterianas resistentes al fenol, aisladas de la bahía de Cartagena, Colombia

(Stenotrophomonas maltóphilia (C2), Microbacterium paraoxydans (C7A) y Paenibacillus lactis

(C7B)) y la microalga (Chlamydomonas reinhardtii). Se evaluaron tres medios de cultivo: TAP,

MMS y Medio marino. Fue seleccionado el medio TAP para el desarrollo de los diferentes

consorcios. Se observó un crecimiento aproximadamente dos veces más rápido de los

microorganismos en consorcio que en los cultivos puros, adicionalmente se encontró que la

relación de pre-inóculo 2:1 (bacteria-microalga) es la más apropiada en cuanto a la

estimulación del crecimiento de ambos microorganimos. Se obtuvo que los consorcios

construidos presentan un mejor desempeño a bajas concentraciones del contaminante (50

ppm), resultando el consorcio con la cepa C7A el más efectivo, alcanzando un porcentaje de

remoción de fenol del 49.89%.

Palabras clave: Biorremediación, microalga-bacteria, consorcio, potencial,

degradación, fenol.

2

1. INTRODUCCIÓN Una de las principales problemáticas actuales es el

requerimiento y uso deliberado de grandes

cantidades de energía en el mundo. Durante el siglo

XX se ha incrementado aproximadamente unas diez

veces el consumo energético mundial [1]. La Agencia

Internacional de la Energía (AIE) afirma que este

crecimiento se comporta de manera exponencial

incrementando anualmente un 1.6%, por lo que hoy

en día se consume un 70% más de energía que hace

treinta años y para el 2030 se estima un incremento

de otro 50% [1]. El petróleo como fuente de energía

primaria se comienza a utilizar en el último tercio

del siglo XIX y su constante crecimiento se debe a las

múltiples aplicaciones de este y sus subproductos

[2]. Para inicios del siglo XXI se estimó un aporte

aproximado del 80% por parte de combustibles

fósiles para satisfacer el consumo mundial de

energía primaria [1]. Posteriormente, el manejo

inadecuado de estos materiales y sus residuos ha

generado un problema grave a escala mundial dada

la contaminación de suelos y aguas con petróleo

crudo y productos derivados de este [3].

La variedad de entornos que pueden llegar a estar

contaminados con hidrocarburos es amplia. Al

contaminar el suelo, los hidrocarburos impiden el

intercambio gaseoso con la atmosfera ocasionando

cambios físico-químicos en los que se encuentran la

evaporación y penetración [4]. Así mismo, las

condiciones de temperatura, pH, humedad, entre

otros, intervienen en que el proceso de toxicidad sea

más acelerado, originando finalmente daños que

llegan a ser irreversibles para los ecosistemas

afectados. Estos compuestos cambian drásticamente

las condiciones de salinidad, lo que causa

destrucción de la estructura terciaria de las

proteínas, desnaturaliza enzimas y deshidrata las

células, lo cual es letal para muchos organismos [4].

Cuando la contaminación es en agua, ocurre que se

genera una mancha por los hidrocarburos vertidos

que flota dada la diferencia de densidades, lo que

impide la entrada de luz y de igual forma el

intercambio gaseoso, posteriormente se genera la

solubilización de compuestos hidrosolubles, lo que

afecta directamente a los nichos y ecosistemas

presentes [4].

Debido a la alta toxicidad de los compuestos

fenólicos, la Agencia de Protección del Medio

Ambiente de los Estados Unidos y la Unión Europea,

los ubican en la lista de contaminantes peligrosos

principalmente de aguas [5]. La presencia de fenoles

en el medio ambiente plantea un importante riesgo

para la biota acuática, incluso a bajas

concentraciones, se acumulan en los sedimentos o

en diferentes niveles de la cadena trófica [6]. Otras

fuentes de generación de desechos fenólicos son las

industrias farmacéuticas durante el proceso de

fabricación del ácido acetilsalicílico (aspirina) y en la

manufactura de resinas fenólicas, nylon y otras

fibras sintéticas [7]. De igual forma en la

agroindustria, en la producción de plaguicidas y

productos químicos desinfectantes [8].

Dada la problemática anteriormente mencionada es

necesario establecer y desarrollar tecnologías de

solución para las necesidades de reparación

ambiental que hoy en día se presentan en torno a

esto. La mayoría de los compuestos tóxicos pueden

ser removidos del medio ambiente y de efluentes

industriales por métodos fisicoquímicos. En los que

se encuentran: la ozonización, adsorción con carbón

activado, oxidación química, uso de reactivo de

Fenton, UV y el peróxido de hidrógeno [4]. Lo

limitado de estos tratamientos es que son complejos,

costosos, y producen subproductos igualmente

peligrosos [6]. Por estas razones, surge el interés en

el uso de la diversidad biológica, naciendo así la

biorremediación como método de tratamiento,

siendo una alternativa saludable, que consiste en el

uso de algunos microorganismos que dadas sus

características metabólicas pueden desempeñarse

en múltiples ambientes (incluyendo hábitats

extremos) neutralizando las sustancias tóxicas o

convirtiéndolas en inocuas para el ambiente o la

salud humana [4].

Los metabolitos microbianos son de enorme

potencial biotecnológico y se pueden implementar

3

para la desintoxicación ambiental, siendo mediada

por gran variedad de microorganismos empleados

en el tratamiento de aguas y suelos contaminados.

En un consorcio los microorganismos involucrados

resultan beneficiados, de ahí que probablemente

existan en la naturaleza una variedad de tales

consorcios, formados por diferentes organismos

fotótrofos y quimiótrofos [9]. El componente

fotótrofo, denominado epibionte, está unido

físicamente a la célula no fototrófica [9]. Hay

reportes en los que Chlorella vulgaris se ha visto

beneficiada en varios consorcios, se logra mejorar y

aumentar el crecimiento microalgal, cambia el

tamaño celular y el pigmento de la microalga

incrementa [10]. Se ha encontrado que el consorcio

microalga-bacteria puede llegar a ser una alternativa

más eficiente (hasta cinco veces más eficiente) [11]

en cuanto a la desintoxicación de contaminantes

orgánicos e inorgánicos, y la remoción de

compuestos tóxicos [10]. La capacidad fotosintética

de la microalga proporciona oxígeno, siendo

primordial puesto que actúa como aceptor de

electrones para las bacterias en el proceso de

degradación de contaminantes. De forma recíproca,

las bacterias contribuyen a la microalga puesto que

proporcionan el dióxido de carbono para completar

el ciclo fotosintético [10].

Las interacciones entre algas autótrofas y bacterias

heterótrofas pueden ser cooperativas o

competitivas. Ciertas bacterias acompañan a

microalgas incluso bajo la condiciones de

laboratorio en cultivos de una sola alga (unialgales)

[10]. El contacto estrecho y directo entre bacterias

aerobias y microalgas ha sido reportado

anteriormente (Chlorella sp. y Pseudomonas sp.) [10],

de igual forma (Chlorella sp. y Stenotrophomonas

maltophilia) [12], donde se ha observado un

estímulo de crecimiento de ambos microorganismos

e incluso los compuestos producidos por el alga

apoyan a un mejor crecimiento de la bacteria [10].

Las microalgas producen unas vainas o tejidos

compuestos por carbohidratos, proteínas y cationes

metálicos que están relacionados con la formación

de agregados celulares en el que las bacterias están

asociadas con la adherencia indirecta como

simbiontes bacterianos en la vaina y con la adhesión

directa sobre la superficie de las células de las algas;

de tal forma se reduce la distancia de difusión y se

permite un intercambio rápido y eficiente de los

sustratos [10]. Aunque muchas algas fotosintéticas

son consideradas completamente autótrofas,

requieren vitaminas como biotina, tiamina y

cobalamina como principales factores de

crecimiento. Se ha reportado que la co-inoculación

de cepas bacterianas aisladas de cultivos de algas,

proporcionan un mejor crecimiento a estas que las

algas al cultivarse solas, lo cual permite afirmar que

el intercambio de compuestos entre ambos

microorganismos proporciona un crecimiento más

adecuado [10]. La cercana proximidad, quimiotaxis,

movilidad y adhesión, son importantes para la

asociación alga-bacteria. En primer lugar los

organismos heterótrofos aerobios utilizan los

compuestos de carbono producidos

fotosintéticamente [12]. La fotosíntesis es un

conjunto de reacciones reversibles inhibidas por el

exceso de oxígeno disuelto, por lo cual el consumo

de oxígeno por parte de la bacteria disminuye la

tensión de este en el microambiente celular de las

algas, dando lugar a condiciones más favorables

para el crecimiento de estas [10]. Por otro lado, el

alga puede usar el dióxido de carbono para realizar

la fotosíntesis, producido por la mineralización

bacteriana [13].

Para asegurar una estrecha proximidad física entre

la microalga y la bacteria, los dos microorganismos

necesitan estar inmovilizados en una matriz

transparente que debe cumplir con ciertos

requisitos: permitir la entrada de luz necesaria para

que la microalga lleve a cabo sus procesos

fotosintéticos y ser suficientemente pequeña para

permitir la difusión de oxígeno y nutrientes; al

mismo tiempo deberá ser suficientemente grande y

pesada para evitar la flotación y asegurar completo

sumergimiento en el medio de crecimiento [14].

Se debe tener en cuenta la dinámica de interacción

entre poblaciones en cultivos mixtos, existen gran

variedad de tipos de interacciones binarias entre

4

organismos, desde relaciones negativas donde los

organismos involucrados se ven afectados por la

presencia del otro, como lo son competencia,

antagonismo, amensalismo, parasitismo y predación

[15]. Los efectos negativos son causados por: La

remoción de recursos, producción de toxinas o

inhibidores, agentes líticos, competencia por el

espacio y sustrato, entre otros [15]. De igual forma

se pueden presentar relaciones con efecto positivo,

donde se encuentran el mutualismo, simbiosis,

protocooperación y comensalismo [15]. Los efectos

positivos se pueden presentar por: La presencia

necesaria de ambos organismos para el crecimiento

de los mismos, por el contacto físico e interacciones

altamente específicas que estimulan el crecimiento,

por cooperación entre ambos organismos generando

estímulos en el crecimiento (no es necesaria la

presencia de ambas poblaciones para que se genere

crecimiento) y finalmente para el caso del

comensalismo el efecto positivo se presenta en uno

de los organismos, para el otro organismo

involucrado el efecto es nulo [15].

Este proyecto busca realizar una asociación

microalga-bacteria (Chlamydomonas reinhardtii-

Stenotrophomonas maltophilia, Microbacterium

paraoxydans y Paenibacillus lactis). Logrando

determinar las condiciones más apropiadas donde

se observe un crecimiento conveniente por separado

de ambos tipos de microorganismos.

Posteriormente, se determinará la relación de pre-

inóculo (microalga/bacteria) adecuada donde se

garantice que el crecimiento de alguno de los

microorganismos no se vea afectado por la presencia

del otro. Finalmente se desarrollará el consorcio

microbiano, donde se realizará el respectivo

monitoreo de los cultivos en cuanto al potencial de

degradación de fenol. Contribuyendo así a estudios

realizados en biotecnología respecto a estos temas

relacionados con la biorremediación, empleando

cepas bacterianas que en trabajos anteriores, han

demostrado resistencia a concentraciones de fenol

hasta 100 ppm y han presentado crecimiento en

medios con alta concentración de sales [16], así

mismo de las cepas bacterianas empleadas

Stenotrophomonas maltophilia ha reportado

crecimiento en cultivos mixtos y consorcios con

Chlorella vulgaris [12], igualmente se han

desarrollado estudios de evaluación de crecimiento

de la microalga Chlamydomonas reinhardtii [17].

Finalmente se evaluará la utilización del fenol como

fuente de carbono y por lo cual la desintoxicación

del medio, contrastando el desempeño en

crecimiento individual y el desempeño en consorcio.

Modelos matemáticos: Descripción

crecimiento consorcio

La mayoría de estudios realizados en cuanto al

comportamiento cinético de interacciones entre

microorganimos han descrito principalmente

cultivos de bacterias. Siendo estos fundamentales

para el entendimiento y posterior realización de

aproximaciones que describen el crecimiento de los

distintos consorcios microalga-bacteria construidos.

Considerando algunos de los tipos de interacciones

que se pueden presentar en los consorcios

construidos, se describen tres modelos cinéticos de

crecimiento en cultivo mixto que posiblemente

lograrían ajustarse a los resultados obtenidos

experimentalmente. La nomenclatura empleada en

los modelos planteados es: y

.

Modelo 1: Competencia por sustrato limitante.

La competencia de dos organismos por el mismo

sustrato es común además de ser un factor limitante

en la velocidad de crecimiento, es posible

determinar cuando ambos microorganismos podrán

coexistir establemente si se considera que siguen el

modelo de cinética de Monod [15]. Este modelo

puede describir el comportamiento en cultivos

mixtos. Al emplearse en los consorcios construidos

se logra tener en cuenta que las tasas de crecimiento

de la bacteria y la microalga en el consorcio están

limitadas por una tasa de crecimiento máxima y por

la cantidad de sustrato en el medio [15].

Modelo de cincética de Monod [15]:

5

(1)

Condición inicial es para . Donde x es la

concentración de biomasa, t es el tiempo, S es la

concentración del sustrato limitante, es la tasa de

crecimiento específica, es la tasa de

crecimiento máxima y es la constante de Monod o

constante de saturación definida como S cuando

.

El modelo describe el comportamiento del

crecimiento respecto a la concentración de sustrato.

Cuando la concentración de sustrato es alta la tasa

de crecimiento incrementa hasta un máximo, de

igual forma, al disminuir la concentración de

sustrato la tasa de crecimiento también desciende

[15].

A partir de lo anterior, se incluye el término de

muerte celular o tasa de defunción, quedando

expresado de la siguiente forma para la microalga y

la bacteria respectivamente [15]:

(2)

(3)

Así mismo se debe tener en cuenta que el

crecimiento celular y el consumo de sustrato están

relacionados linealmente por el coeficiente de

rendimiento, de la siguiente forma [15]:

(4)

Donde,

(5)

Dado que la concentración de sustrato no se afecta

por la muerte de los microorganismos, la ecuación

[4] queda de la siguiente forma:

(6)

Las ecuaciones cinéticas de Monod para la microalga

y las bacterias quedan expresadas de la siguiente

forma:

(7)

(8)

En trabajos anteriores, fue estudiada la cinética de

biodegradación de fenol por parte de un consorcio

Chlorella vulgaris – Pseudomonas aeruginosa, con el

modelo anteriormente planteado, encontrando que

dicho consorcio funciona mejor como sistema

biológico para la remoción de fenol que

Pseudomonas aeruginosa por si sola [18].

Obteniendo un porcentaje de 59.7% de remoción

por parte del consorcio y de 13% por parte de la

cepa de Pseudomonas aeruginosa. Finalmente

observando una notable diferencia en cuanto a la

eficiencia de desintoxicación de este contaminante

tóxico [11].

Modelo 2: Crecimiento mutualista.

Para la respectiva descripción de este modelo se

plantea que al tener dos especies a y b, donde a

produce como producto de crecimiento y b

produce . Los organismos se relacionan dado que

b requiere para crecer, mientras que a requiere

. De igual forma el medio de cultivo contiene todos

los nutrientes esenciales excepto y , por lo cual

a y b están obligadas a interactuar, primero por

competencia de sustrato limitante y posteriormente

por intercambio recíproco de nutrientes.

Partiendo del modelo 1 anteriormente descrito, las

ecuaciones (2) y (3) describen de igual forma el

comportamiento de la concentración de biomasa

respecto al tiempo para microalga y bacteria

respectivamente. Así mismo, para este caso la

ecuación (6) queda expresada de la misma forma.

Sin embargo es necesario plantear dos ecuaciones

6

adicionales que describen el cambio de la

concentración de los productos y en el tiempo

respectivamente, quedando expresadas de la

siguiente forma:

Donde

es el rendimiento de biomasa de b

usando como substrato, respectivamente

es el

rendimiento de biomasa de A usando como

substrato. De igual forma es la cantidad de

producido por unidad de masa de a, así como es

la cantidad de producido por unidad de masa de

b.

Para que exista el estado de coexistencia se deben

cumplir las siguientes condiciones:

De acuerdo a la interacción reportada entre

microalgas y bacterias [13], se considera entonces

que los productos y son oxígeno y dióxido de

carbono respectivamente.

Modelo 3: Crecimiento mixotrófico en la microalga

[19].

El crecimiento de microalgas se ve fuertemente

afectado por condiciones ambientales, tales como

nutrientes, fuentes de energía, carbono y luz [19]. Se

han desarrollado modelos matemáticos que tienen la

capacidad de predecir la dinámica de cultivos que

contienen microalgas y que se encuentran bajo

diferentes condiciones de crecimiento, dichos

modelos han ayudado a optimizar el rendimiento del

proceso, condiciones de operación y escalonamiento

de sistemas de cultivo [19]. De igual forma los

modelos cinéticos de Droop y Monod han sido

utilizados tradicionalmente para predecir el

crecimiento de microalgas en respuesta a la

concentración de sustrato [19]. Así mismo varias

investigaciones se han enfocado principalmente en

el efecto de la intensidad de luz para la fotosíntesis,

crecimiento, acumulación de moléculas e

incremento bajo condiciones de fotoautotrofía o

heterotrofía [19].

En un estudio realizado sobre el modelamiento

cinético del crecimiento de la microalga Chlorella

vulgaris, los autores plantean lo siguiente [19]:

Emplean el modelo de Droop el cual supone que el

crecimiento de biomasa depende de la cantidad de

nutrientes intracelulares en lugar de la

concentración externa de nutrientes en el medio de

cultivo [19]. Así mismo, dadas las características de

los cultivos se plantea que siguen un crecimiento

mixotrófico, es decir crecimiento debido a

fotosíntesis y crecimiento heterótrofo [19].

Por lo cual el modelo queda expresado de la

siguiente forma [19]:

Donde es la tasa de crecimiento mixotrófico,

correspondiente a la suma de tasas de crecimiento

fotosintético y heterotrófico.

Dado que la fotosíntesis se considera como uno de

los factores primordiales, es necesario describir la

síntesis de clorofila, puesto juega un importante rol

en las reacciones fotosintéticas. Por lo cual la

concentración de clorofila respecto al tiempo se

expresa de la siguiente forma [19]:

7

Donde B representa la concentración de clorofila,

es la cantidad mínima de carbono en el medio para

que exista crecimiento, es la tasa fotosintética y

es la tasa de consumo de carbono. Así mismo se

expresa la concentración extracelular de carbono,

con la tasa de consumo del mismo de la siguiente

forma [19]:

El carbono presente dentro de la célula es empleado

en actividades metabólicas, generación de energía,

intermediarios metabólicos, crecimiento, entre

otros. Así mismo es dependiente de la cantidad de

carbono consumido del medio y que es fijado por

fotosíntesis. Puede ser expresado de la siguiente

forma [19]:

Donde es el carbono presente dentro de la

célula y es una tasa de respiración que puede ser

expresada como un porcentaje de la tasa

fotosintética, varios autores la asumen como 10%

para cultivos batch [19].

Finalmente se deben tener en cuenta la intensidad

de luz, dado que es el factor más importante que

afecta la fotosíntesis. La ley de Beer-Lambert se

emplea como aproximación para estimar la luz que

pasa a través de un cultivo relativamente denso de

microalgas. Expresada de la siguiente forma [19]:

Donde es la intensidad de luz incidente, es el

coeficiente de absorción de las microalgas

normalizado a la densidad de la clorofila, es la

densidad de la clorofila y es la trayectoria de la luz.

Finalmente la tasa fotosintética se formula en base al

modelo Poisson-single-hit, usado en el estudio de

fitoplancton [19]. La fotosíntesis se describe como

una función incidente de la intensidad de luz y su

ecuación empírica toma la forma [19]:

[ (

)]

Donde es la tasa fotosintética independiente de

la intensidad de luz, es la eficiencia cuántica,

es la región de luz limitada donde la tasa de

fotosíntesis es función lineal de la intensidad de la

luz a bajos niveles.

2. MATERIALES Y MÉTODOS

2.1. Microorganismos

Cepas bacterianas

Las cepas bacterianas empleadas

(Stenotrophomonas maltóphilia (C2),

Microbacterium paraoxydans (C7A) y Paenibacillus

lactis (C7B)) fueron aisladas de la bahía de

Cartagena, Colombia. Caracterizadas, preservadas y

en proceso de secuenciación de todo el genoma por

parte del Departamento de Ingeniería Ambiental de

la Universidad de los Andes.

Fueron sembradas por aislamiento en agar LB,

incubadas a 30°C durante 48 horas, con el fin de

garantizar cultivos puros y observar la morfología

de las colonias. Así mismo se realizan siembras

periódicas para mantener cultivos jóvenes. Fueron

crio-preservadas a -80°C en el cepario del

Departamento de Ingeniería Química de la

Universidad de los Andes.

Microalga

La microalga Chlamydomonas reinhardtii fue

proporcionada por el laboratorio de biotecnología

del Departamento de Ingeniería Química de la

Universidad de los Andes.

2.2. Preparación medios de cultivo

Fueron evaluados tres medios de cultivo (Ver

especificaciones Tabla 1, Tabla 2 y Tabla 3). Se

evaluó el crecimiento de cada microorganismo por

separado, con el fin de seleccionar el medio de

8

cultivo más apropiado, en el que se viera favorecido

el crecimiento de ambos microorganismos.

Tabla 1. Composición por litro medio de cultivo

caldo marino [20].

Compuesto químico Cantidad [g]

NaCl 19.45

MgCl2 8.8

Peptona 5

Na2SO3 3.24

CaCl₂ 1.8

Extracto de levadura 1

Citrato de sodio 0.1

KBr 0.08

H3BO3 0.02

Na2SiO3 4

NaF 2.4

CaNO3 1.6

Tabla 2 Composición por litro del medio de cultivo

TAP [21].

Solución Cantidad

Compuesto

químico Concentración

Solución

fosfato 1 ml

K₂HPO₄ 28.8 [g/100 ml]

KH₂PO₄ 14.4 [g/100 ml]

Sales 25 ml

NH₄Cl 15 [g/L]

MgSO₄ 7H₂O 4 [g/L]

CaCl₂ 2H₂O 2 [g/L]

Solución

elemento

s traza

1 ml

H₃BO₃ 1.14 [g/100 ml]

ZnSO₄ 7H₂O 2.2 [g/100 ml]

MnCl₂ 4H₂O 0.5 [g/100 ml]

FeSO₄ 7H₂O 0.5 [g/100 ml]

CoCl₂ 6H₂O 0.16 [g/100 ml]

CuSO₄ 5H₂O 0.16 [g/100 ml]

(NH₄)6Mo7O₂₄

4H₂O 0.11 [g/100 ml]

EDTA 5 [g/100 ml]

Ácido

acético 1 ml - -

Tris 2.42 g - -

Tabla 3. Composición por litro medio de cultivo

MMS [22].

Compuesto químico Cantidad [g]

K₂HPO₄ 12.8

KH₂PO₄ 3

NaCl 0.5

MgSO₄ 7H₂O 0.49

FeSO₄ 7H₂O 0,03

CaCl2 0.01

Glucosa 4

2.3. Cultivos en medio seleccionado

De acuerdo al crecimiento observado se seleccionó

el medio TAP. Cada cepa bacteriana fue cultivada por

duplicado en agar TAP e incubadas a 30°C durante

72 horas. De igual forma la microalga fue cultivada

por duplicado en agar TAP e incubadas durante una

semana a 27°C con luz. Para todas las siembras se

verificó la pureza de los cultivos observando la

morfología de las colonias presentes, así mismo se

realizaron pases periódicos con el fin de mantener

cultivos jóvenes.

2.4. Monitoreo del crecimiento y

desarrollo del consorcio

Curvas de crecimiento individual

Para monitorear el crecimiento de los

microorganismos evaluados y posterior desarrollo

de los consorcios, es necesario realizar curvas de

crecimiento individual en medio TAP. Esto permitirá

definir parámetros y etapas de crecimiento (fase de

latencia, exponencial y estacionaria).

Las curvas de crecimiento se realizaron tomando

mediciones a diferentes tiempos de la densidad

óptica. Los cultivos se monitorean durante

aproximadamente 150 horas. En las primeras 8

horas se monitorearon cada 2 horas, posteriormente

cada 8 horas. Dicho procedimiento se realiza

midiendo la densidad óptica en un

espectrofotómetro UV-vis (Agilent, CA, USA) a una

longitud de onda de 620nm para las bacterias y para

el caso de las microalgas a 685nm. Adicionalmente

se realizó conteo celular en la cámara de Neubauer a

los cultivos que contengan la microalga [23].

9

Relación de pre-inóculo construcción consorcios:

Dado el crecimiento individual observado de los

microorganismos, se decidió establecer las

siguientes relaciones de pre-inóculo: 1:1, 2:1 y 1:2

(de microalga y bacteria respectivamente). Dichas

relaciones se establecen con el fin de favorecer el

crecimiento de ambos microorganismos.

Monitoreo consorcios

Se monitorearon por microscopía los diferentes

consorcios realizados con cada una de las relaciones

de pre-inóculo con el fin de verificar la simbiosis

entre la microalga y la bacteria. Posteriormente se

realizaron las respectivas curvas de crecimiento de

los consorcios de relación 2:1 (bacteria-microalga).

2.5. Adición y evaluación del potencial de

degradación de fenol

Se realiza la aclimatación de los microorganismos al

fenol, para posteriormente evaluar el potencial de

degradación de este compuesto. La Tabla 4 presenta

las concentraciones de fenol en las cuales se

evaluará el consorcio, se decide establecer un rango

superior e inferior de acuerdo a la resistencia

evidenciada hasta 100 ppm de las bacterias hacia el

fenol [16]. De igual forma a los cultivos puros de los

microorganismos se les adicionó fenol, con el fin de

cuantificar el porcentaje de remoción de este

compuesto y compararlo con el que se obtenga en

los consorcios.

Tabla 4 Concentraciones de fenol a evaluar

CONCENTRACIÓN

DE FENOL [ppm]

50

100

150

La evaluación del potencial de degradación de fenol

se realizará por medio de cromatografía líquida

HPLC. Posteriormente se compararon las

concentraciones de fenol respecto a los estándares.

2.6. Ajuste a modelo matemático de los

resultados experimentales

Con el fin de describir el comportamiento cinético de

los consorcios construidos, se realiza ajuste de los

resultados experimentales en cuanto al crecimiento

de los consorcios de relación 2:1 (bacteria-

microalga) y a la degradación de fenol de los mismos

a 50 ppm. El sistema de ecuaciones diferenciales fue

solucionado por minimización del error cuadrado en

Matlab®, obteniendo los respectivos parámetros

cinéticos del modelo. Posteriormente se calculó el

con el fin de la verificar si la aproximación realizada

es válida.

3. RESULTADOS

Lo resultados son presentados de acuerdo al orden

de ejecución.

3.1. Evaluación medios de cultivo

En trabajos previos las cepas bacterianas estudiadas

presentaron crecimiento en un medio salino [16],

por lo cual se decide evaluar el crecimiento de la

microalga en dicho medio (Ver especificaciones

Tabla 1). Adicionalmente se evalúa el crecimiento

de las cepas bacterianas en un medio recomendado

para cultivo de la microalga Chlamydomonas

reinhardtii Tris-Acetato-Fosfato (TAP) (Ver

especificaciones Tabla 2) [21], dicho medio presenta

una alta concentración de sales que favorecen el

crecimiento de las microalgas. Finalmente se evaluó

un tercer medio, que es normalmente empleado

para cultivo de cepas bacterianas ambientales y que

en trabajos previos ha sido utilizado para desarrollo

de consorcios microbianos entre microalgas y

bacterias [23].

Posterior a la respectiva siembra de los

microorganismos en los distintos medios de cultivo

evaluados, se obtuvieron los resultados presentes en

la Tabla 5, observando presencia de crecimiento de

todos los microrganismos en el medio TAP, ausencia

de crecimiento de todas las cepas bacterianas en el

medio MMS y ausencia de crecimiento del alga en el

medio marino.

10

Tabla 5. Crecimiento microorganismos en medios

de cultivo evaluados.

Microorganismo

Presencia de crecimiento en

medio de cultivo

Marino MMS TAP

Stenotrophomonas

maltophilia (C2) x

x

Microbacterium

paraoxydans (C7A) x

x

Paenibacillus lactis (C7B) x

x

Chlamydomonas

reinhardtii

x x

Se selecciona el medio TAP como medio para el

desarrollo del consorcio debido a que todos los

microorganismos de interés crecieron en dicho

medio.

3.2. Crecimiento en medio de cultivo

seleccionado

Las cepas bacterianas evaluadas presentaron

crecimiento uniforme después de 4 días de

incubación a 30°C y de igual forma la microalga

Chlamydomonas reinhardtii presentó crecimiento

uniforme después de 6 días de incubación a 27°C.

Posteriormente se realizó microscopia y la

respectiva tinción (si aplica) para identificar la

morfología de los microorganismos estudiados, las

fotografías tomadas de algunos de los

microorganismos se presentan en la Ilustraciones 1,

2 y 3.

Ilustración 1. Stenotrophomonas maltophilia -

Bacilo Gram (-) (100X).

Ilustración 2 Microbacterium paraoxydans - Bacilo

Gram (+) (100X).

Ilustración 3. Chlamydomonas reinhardtii (100X).

3.3. Monitoreo del crecimiento y

desarrollo del consorcio

Curvas de crecimiento

Una vez seleccionado el medio de cultivo, se debe

monitorear el crecimiento de los microorganismos,

por lo cual se realizan las respectivas curvas de

crecimiento. Los microorganismos fueron cultivados

por separado en medio líquido TAP y las curvas se

11

desarrollaron de acuerdo a lo planteado en la

metodología.

La Gráfica 1 y Gráfica 2 presentan las curvas de

crecimiento de los microorganismos estudiados,

fueron obtenidas tras el monitoreo de la densidad

óptica durante un tiempo aproximado a una semana.

Gráfica 1. Curva de crecimiento microalga

Chlamydomonas reinhardtii en medio TAP.

Gráfica 2. Curvas de crecimiento de las cepas

bacterianas en medio TAP.

El comportamiento de ambos tipos de

microorganimos es muy similar en cuanto a los

tiempos en cada una de las fases de crecimiento. Se

observa que la fase de latencia tanto para la

microalga como para la cepas bacterianas es de

aproximadamente 50 horas, periodo

correspondiente a la adaptación de los

microorganismos al medio, las células se encuentran

en un estado aparente de reposo, aunque no

registren un crecimiento del número de células se

encuentran sintetizando material enzimático.

Posterior a las 50 horas inicia la fase exponencial,

etapa en la que los microorganismos ya se han

adaptado al medio, el rápido crecimiento se debe a

que la velocidad de crecimiento es máxima.

Finalmente se observa la fase estacionaria, para el

caso de la microalga esta tiene lugar a partir de las

100 horas de crecimiento, en las bacterias dicha fase

se observa desde aproximadamente las 75 horas.

Esta etapa ocurre debido al agotamiento de

nutrientes o espacio, cambios en el medio de cultivo

o acumulación de elementos tóxicos, la velocidad de

crecimiento empieza a decrecer hasta volverse nula.

Relación de pre-inóculo y monitoreo consorcios

De acuerdo a la microscopía de las relaciones de pre-

inóculo evaluadas, se decide realizar las curvas de

crecimiento correspondientes a la relación 2:1 de

bacteria-alga, puesto se observa mayor uniformidad

en los cultivos, adicionalmente hay mayor contacto

físico entre los microorganismos, lo que permite

afirmar la existencia de simbiosis y por lo cual el

éxito de la construcción del consorcio, es importante

aclarar que en las demás relaciones de pre-inóculo

evaluadas de igual forma se observó la estrecha

cercanía entre la microalga y las bacterias, sin

embargo en la relación 2:1 (bacteria-microalga) se

observaron mayor cantidad de agregaciones

celulares.

La Gráfica 3 y Gráfica 4 presentan las curvas de

crecimiento de la microalga Chlamydomonas

reinhardtii y de las cepas bacterianas evaluadas

respectivamente, en consorcio de relación 2:1

bacteria-microalga.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 50 100 150

O.D

. ( 6

85

nm

)

Tiempo [horas]

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

0 50 100 150

O.D

. ( 6

20

nm

)

Tiempo [horas] C2 C7A C7B

12

Gráfica 3. Curvas de crecimiento de la microalga

Chlamydomonas reinhardtii en consorcios de

relación 2:1 (bacteria-microalga) en medio TAP.

Gráfica 4. Curvas de crecimiento de las cepas

bacterianas evaluadas en consorcio de relación 2:1

(bacteria-microalga) en medio TAP.

De acuerdo a las longitudes de onda de máxima

absorción registradas para la microalga y las

bacterias, se considera que en los consorcios no

existe interferencia en la absorción de la microalga a

620nm ni de las bacterias a 685nm, puesto para la

microalga los máximos picos de absorción se

registran desde 685nm hasta 750nm siendo el

mayor pico a 685nm, para el caso de las bacterias los

máximos picos de absorción se registran desde

600nm hasta 650nm siendo el mayor pico a 620nm.

En los consorcios se observa un crecimiento mucho

más rápido de los microorganismos con respecto a

los cultivos puros. Es notable la disminución en el

tiempo de crecimiento, puesto la fase de latencia

toma alrededor de 10 horas, lo que representa una

reducción en el tiempo de aproximadamente un

80% en esta fase, así mismo se alcanza la fase

estacionaria en un tiempo cercano a las 55 horas,

correspondiendo a la mitad del tiempo que se toman

los cultivos puros en llegar a dicha fase.

Adicionalmente en los cultivos que contenían la

microalga se realizaron conteos celulares en cámara

de Neubauer con el fin de determinar la

concentración celular. Así mismo este

procedimiento permitió verificar la simbiosis entre

microalga y bacteria en los consorcios construidos.

La Ilustración 4 presenta la microscopía realizada en

cámara de Neubauer del cultivo de la microalga en

medio TAP. En contraste la Ilustración 5 e

Ilustración 6 muestran las microscopías también en

cámara de Neubauer de los consorcios entre la cepa

C7A y la microalga en las relaciones 1:1 y 2:1

(bacteria-microalga) respectivamente.

Ilustración 4. Microscopía en cámara de Neubauer

del cultivo puro de la microalga Chlamydiomonas

reinhardtii (40X) en medio TAP.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 20 40 60 80

O.D

. [6

85

nm

]

Tiempo [horas] C2 C7A C7B

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

0 20 40 60 80

O.D

. [6

20

nm

]

Tiempo [horas] C2 C7A C7B

13

Ilustración 5. Microscopia en cámara de Neubauer

del consorcio en relación 1:1 de bacteria (cepa C7A)-

microalga (40X) en medio TAP.

Ilustración 6. Microscopia en cámara de Neubauer

del consorcio en relación 2:1 de bacteria (cepa C7A)-

microalga (40X) en medio TAP.

Se observa la diferencia entre las agregaciones

celulares de los consorcios con respecto a las que se

forman en los cultivos puros. Este comportamiento

permite afirmar la existencia del contacto estrecho

entre los microorganismos estimula su crecimiento,

por lo cual el éxito en la formación de consorcio. Sin

embargo podría considerarse que las agregaciones

celulares se deben a mecanismos de defensa en

respuesta a la presencia de otros microorganismos

en el mismo medio, este planteamiento será

considerado más adelante en la discusión, con

respecto a estudios realizados por otros autores

sobre consorcios microalga-bacteria.

La Ilustración 7 presenta los distintos consorcios

construidos: Cada una de las cepas bacterianas con

la microalga. Se observa como las bacterias se

ubican sobre la superficie celular de la microalga, se

empiezan a formar las agregaciones celulares y por

lo tanto los consorcios microbianos.

Ilustración 7. Microscopía de los consorcios en

relación 2:1 (bacteria-microalga) (100X): A.

Consorcio C2-microalga, B. Consorcio C7B-

microagla, C y D. Consorcio C7A-microalga.

Con el fin de observar en más detalle la ubicación de

las bacterias sobre la superficie celular de la

microalga, se decide teñir las muestras para

microscopía con fuscina. La Ilustración 8 presenta el

consocio C7A-microalga, se puede observar de una

forma más clara como se empiezan a ubicar las

bacterias alrededor de las células de la microalga.

Ilustración 8. Microscopía consorcio C7A-

microalga, muestras teñidas con fuscina (100X): A.

Relación 2:1, B. Relación 1:1.

14

Al realizar el conteo celular en cámara de Neubauer

se obtuvo que la microalga después de una semana

de crecimiento presentó una concentración celular

de en cultivo puro y en los

consorcios de relación 2:1 (bacteria-microalga)

presentó un promedio de .

Dada la diferencia entre las concentraciones

celulares de los cultivos puros y de los consorcios, es

posible afirmar que la mayor cantidad de células en

los consorcios se debe a un estímulo sobre el

crecimiento debido a la relación simbiótica entre

ambos microorganismos.

Para describir el crecimiento de los cultivos puros

en términos de biomasa se emplea el modelo de

cinética de Monod descrito anteriormente [15].

Obteniendo los parámetros cinéticos de tasa de

crecimiento presentados en la Tabla 6.

Tabla 6. Parámetro cinético de tasa de crecimiento en los cultivos puros.

Microorganismos μb [1/h]

C2 0.082

C7A 0.0853

C7B 0.0724

3.4. Adición y evaluación de potencial de

degradación de fenol

Una vez verificada la formación de los distintos

consorcios y estudiada la cinética de crecimiento de

los mismos en el medio seleccionado, se realiza la

evaluación del potencial de degradación de fenol.

Primero se estudia el desempeño de los

microorganismos en cultivo puro y finalmente en

consorcio, con el fin de comparar y determinar si los

consorcios son efectivos en cuanto a la degradación

del fenol.

Los consorcios se construyeron de acuerdo a las

relaciones de pre-inóculo establecidas (1:1, 2:1 y 1:2

microalga-bacteria) y conforme a lo descrito en la

metodología, se evaluaron tres concentraciones de

fenol.

Se realizaron dos mediciones de degradación de

fenol por cromatografía líquida HPLC, la primera a

las 48 horas de crecimiento y la segunda a las 96

horas. Para un mejor análisis y mayor simplicidad

sobre los resultados obtenidos, la Gráfica 5, Gráfica 6

y Gráfica 7 presentan la evaluación del potencial de

degradación de fenol en cada uno de los cultivos

estudiados a las concentraciones de 50, 100 y 150

ppm respectivamente en el monitoreo final

realizado a las 96 horas de crecimiento.

Adicionalmente la Tabla 7, Tabla 8 y

Tabla 9 presentan los porcentajes de remoción de

fenol en orden decreciente alcanzados por cada

cultivo en las respectivas concentraciones

evaluadas. La nomenclatura empleada C2-A, C7A-A y

C7B-A corresponden a los distintos consorcios

(bacteria-microalga), seguido de 1:1, 1:2 o 2:1 que

corresponden a las diferentes relaciones de pre-

inóculo evaluadas. Así mismo se tiene en cuenta que

las condiciones abióticas pueden influir en la

disminución de la concentración de fenol en el

medio, por lo cual las respectivas gráficas presentan

la concentración del control, permitiendo así la

correcta comparación de los cultivos evaluados, de

igual forma los porcentajes de remoción fueron

calculados respecto al control.

15

Gráfica 5. Evaluación del potencial de degradación

de fenol a 50 ppm: Concentración de fenol a las 96

horas de crecimiento.

Tabla 7. Porcentajes de remoción de fenol a 50

ppm.

Cultivo % Remoción

C7A-A, 2:1 49,89%

C7A-A, 1:2 40,73%

C2-A, 1:2 31,95%

C2-A, 2:1 28,31%

C2-A, 1:1 27,78%

C7B 21,82%

C7A 20,32%

C7A-A, 1:1 8,53%

A 3,22%

C2 3,00%

C7B-A, 1:1 1,41%

C7B-A, 1:2 0,17%

C7B-A, 2:1 0,12%

Para la concentración de 50 ppm se observa que los

mayores porcentajes de remoción son alcanzados

por el consorcio con la cepa C7A a una relación de

pre-inóculo de 2:1 y 1:2 (bacteria-microalga)

respectivamente. Adicionalmente se observa que los

consorcios con la cepa C7B no tienen efecto

significativo sobre la degradación o remoción del

contaminante, sin embargo la cepa C7B en cultivo

puro si presenta remoción. Caso contrario ocurre

con la cepa C2, el desempeño en la remoción del

fenol por parte de los consorcios con esta cepa es

mucho mejor con respecto a su cultivo puro.

Gráfica 6. Evaluación del potencial de degradación

de fenol a 100 ppm: Concentración de fenol a las 96

horas de crecimiento.

Tabla 8. Porcentajes de remoción de fenol a 100

ppm.

Cultivo % Remoción

C7B 35,41%

C2 33,46%

C7A 29,42%

A 25,60%

C7B-A, 1:1 17,28%

C7A-A, 1:2 16,64%

C7B-A, 1:2 15,58%

C7A-A, 1:1 12,81%

C7B-A, 2:1 11,32%

C2-A, 1:1 9,33%

C7A-A, 2:1 7,48%

C2-A, 2:1 4,04%

C2-A, 1:2 0,26%

Los resultados de la evaluación a 100 ppm muestran

que existe mejor desempeño en cuanto a la

degradación del fenol en los cultivos puros de todos

los microorganismos estudiados que en sus

respetivos consorcios.

16

Gráfica 7. Evaluación del potencial de degradación

de fenol a 150 ppm: Concentración de fenol a las 96

horas de crecimiento.

Tabla 9. Porcentajes de remoción de fenol a 150

ppm.

Cultivo % Remoción

C7A-A, 1:1 20,30%

C7B-A, 2:1 18,98%

C7B-A, 1:2 16,47%

C7A-A, 2:1 15,05%

C7A-A, 1:2 12,61%

C7B 12,13%

A 12,12%

C7A 6,91%

C2-A, 1:2 3,88%

C2-A, 2:1 3,16%

C2 1,36%

C2-A, 1:1 0,54%

C7B-A, 1:1 0,14%

Finalmente para la concentración de 150 ppm se

observa un bajo desempeño en cuanto a la remoción

del fenol con respecto a los porcentajes alcanzados a

50 y 100 ppm. Adicionalmente el comportamiento

sobre la degradación es muy similar tanto en los

consorcios como en los cultivos puros, por lo cual se

dificulta determinar si a dicha concentración los

consorcios llegan a ser más o menos efectivos en

cuanto a la remoción del fenol.

Se busca determinar el efecto de la variación de la

relación de pre-inóculo y de las concentraciones de

fenol evaluadas sobre la remoción de fenol. El

comportamiento promedio de los consorcios

respecto a las relaciones de pre-inóculo se presenta

en la Gráfica 8.

Gráfica 8. Efecto de la relación de pre-inóculo sobre el porcentaje de remoción de fenol.

Se corrobora lo anteriormente mencionado respecto

a la selección de la relación de pre-inóculo más

apropiada para la construcción de los diferentes

consorcios. Es decir, la relación 2:1 (bacteria-

microalga) es la más efectiva en cuanto al potencial

de degradación de fenol. De igual forma se observa

que el consorcio con la cepa C7A en todas las

relaciones de pre-inóculo evaluadas alcanza los

valores promedio más altos de remoción.

De igual forma la Gráfica 9 presenta el efecto de las

distintas concentraciones evaluadas sobre el

porcentaje de remoción de fenol.

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

1:1 1:2 2:1

% R

emo

ció

n fe

no

l

Relación pre-inóculo

C2-A

C7A-A

C7B-A

17

Gráfica 9. Efecto de la concentración evaluada sobre el porcentaje de remoción de fenol.

Se observa que los consorcios con C2 y C7A son más

eficientes en cuanto a la remoción de fenol a bajas

concentraciones del contaminante, siendo más

eficiente el consorcio con la cepa C7A. Igualmente se

observa que la cepa C7B empieza a reportar

remoción de fenol a partir de 100 ppm.

Como procedimiento adicional, se decide evaluar el

crecimiento de los microorganismos en un medio

que contenga como única fuente de carbono el fenol,

por lo cual se implementó el mismo medio TAP pero

sin ácido acético, se le adicionó fenol de tal forma

que el medio presentara una concentración de 100

ppm de este compuesto. Lo que se observó es que

ninguna de las bacterias presento crecimiento en

este medio modificado, sin embargo la microalga

después de dos semanas de incubación a 27°C con

luz si presentó crecimiento. Se evidenciaron

diferencias en los cultivos respecto a la coloración

del medio, la Ilustración 9 presenta los cultivos de la

microalga a tres de incubación en el medio TAP

modificado y sin modificar, se observa la tonalidad

del medio y las formaciones celulares, la fotografía

fue tomada de lo observado en la parte inferior de

los erlenmeyers donde fue cultivada.

Ilustración 9. Coloración cultivos de la microalga

Chlamydomonas reinhardtii a tres semanas de

incubación: A. Medio TAP sin modificar, B. Medio

TAP modificado (sin ácido acético con fenol 100

ppm).

3.5. Ajuste a modelo matemático de

crecimiento en consorcio de los

resultados experimentales

Modelo 1

Al realizar la respectiva solución de las ecuaciones

diferenciales del modelo, implementando los

resultados experimentales. El ajuste se realizó a los

resultados de los consorcios construidos en relación

2:1 (microalga-bacteria) a 50 ppm, debido al mejor

comportamiento observado en crecimiento y en

potencial de degradación. La Gráfica 10, Gráfica 11 y

Gráfica 12 presentan los ajustes a los consorcios C2-

A, C7A-A y C7B-A respectivamente.

Gráfica 10. Ajuste de datos experimentales al modelo 1 del consorcio C2-A en relación de pre-inóculo 2:1 (bacteria-microalga) a 50 ppm. C2:

0%

10%

20%

30%

40%

50 100 150

% R

emo

ció

n fe

no

l

Concentración ppm

C2

C7A

C7B

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-2

0

2

4

6x 10

7

Mic

roagla

[C

élu

las/m

l]

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

5

10

15x 10

8

C2 [

Célu

las/m

l]

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-1000

-500

0

500

Fenol [p

pm

]

Tiempo [horas]

Ajuste

Experimental

18

Concentración celular de la cepa C2 [células/ml] en el cultivo mixto, Microalga: Concentración celular de la microalga [células/ml] en el cultivo mixto, Fenol: Concentración de fenol en el medio [ppm].

Gráfica 11. Ajuste de datos experimentales al modelo 1 del consorcio C7A-A en relación de pre-inóculo 2:1 (bacteria-microalga) a 50 ppm. C7A: Concentración celular de la cepa C7A [células/ml] en el cultivo mixto, Microalga: Concentración celular de la microalga [células/ml] en el cultivo mixto, Fenol: Concentración de fenol en el medio [ppm].

Gráfica 12. Ajuste de datos experimentales al modelo 1 del consorcio C7B-A en relación de pre-inóculo 2:1 (bacteria-microalga) a 50 ppm. C7B: Concentración celular de la cepa C7B [células/ml] en el cultivo mixto, Microalga: Concentración celular de la microalga [células/ml] en el cultivo mixto, Fenol: Concentración de fenol en el medio [ppm].

De igual forma para los ajustes realizados a los distintos consorcios se calculó el coeficiente de determinación con el fin de validar si el ajuste al modelo es o no apropiado. La Tabla 10 presenta los valores de para los ajustes de concentración celular de bacterias, microalga y concentración de fenol en los distintos consorcios. Tabla 10. Valores de para el ajuste al modelo 1.

C2-A C7A-A C7B-A

Microalga 99,9995 99,9984 99,9817

Bacteria 99,9791 99,9827 99,9867

Fenol - 60,8162 - La gráficas de ajuste y los valores de permiten afirmar que el modelo es apropiado para describir el crecimiento de los microorganismos en cultivo mixto, puesto para todos los casos el coeficiente de determinación toma valores muy cercanos al 100%. Sin embargo el ajuste para la concentración de fenol no es apropiado, este comportamiento se debe posiblemente a que en las pruebas experimentales realizadas dicho compuesto no es la única fuente de carbono del medio, por lo cual la concentración del contaminante en el medio no disminuirá rápidamente ni en la misma magnitud a la que crecen los microorganismos. Existen otros estadísticos que permiten validar un ajuste, como la prueba de bondad de ajuste (goodness of fit), la prueba de falta de ajuste (lack-of-fit), entre otros. Sin embargo para aplicarlas es necesario que existan réplicas [24], por lo cual la implementación de otros estadísticos no es apropiada debido a la ausencia de repeticiones. Tras la solución de las ecuaciones diferenciales y el ajuste de los datos, se obtienen los respectivos parámetros cinéticos del modelo presentados en la Tabla 11 correspondientes a los consorcios de relación 2:1 (bacteria-microalga) a 50 ppm. Tabla 11. Parámetros cinéticos modelo 1 consorcios en relación de pre-inóculo 2:1 a 50 ppm.

Parámetro C2-A C7A-A C7B-A Unidades

umax a 27,8164 19,090704 19,412414 1/h

umax b 0,085773 0,14773 0,092223 1/h

Ks a 7901,3166 5259,6679 10249,376 ppm

Ks b 0,002194 17,22269 0 ppm

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

1

2

3

4x 10

7

Mic

roalg

a [

Célu

las/m

l]

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

2

4

6x 10

7

C7A

[C

élu

las/m

l]

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

20

40

60

Fenol [p

pm

]

Tiempo [horas]

Ajuste

Experimental

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

5x 10

7

Mic

roalg

a [

Célu

las/m

l]

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

2

4x 10

9

C7B

[C

élu

las/m

l]

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-2000

0

2000

Fenol [p

pm

}

Tiempo [horas]

Ajuste

Experimental

19

Da 0,005701 0 0 1/h

Db 0 0,000001 0 1/h

Ya 7928270,7 9228759,9 4,05E+11 células/ug

Yb 1088304,6 1228751,4 4,12E+10 células/ug

Modelo 2

Para realizar el ajuste al modelo 2, era necesario

medir las concentraciones de y de del medio,

datos correspondientes a las variables y del

modelo. Dichas mediciones no fueron desarrolladas

por lo cual el ajuste de los datos experimentales para

este modelo no fue posible realizarlo.

Modelo 3

Este modelo fue construido con el fin de describir el

crecimiento de microalgas a distintas condiciones

ambientales, tales como nutrientes, fuentes de

energía, carbono y luz [19]. Para realizar el ajuste a

este modelo era necesario realizar mediciones de la

concentración celular de clorofila, intensidad de la

luz incidente y trayecoria de la misma, así mismo la

medición de la concentración intracelular de

carbono. Dichas mediciones no fueron realizadas,

por lo cual el respectivo ajuste a dicho modelo no es

posible realizarlo. Sin embargo el planteamiento de

este modelo es de gran importancia debido a que

son muy pocos los modelos que describen el

crecimiento de microalgas, así mismo que tienen en

cuenta la concentración celular de clorofila, puesto

esta es un factor importante para el proceso

fotosintético y el que incrementa la absorbancia en

los cultivos que contienen la microalga, por lo cual

su concentración estaría directamente relacionada

con el crecimiento celular.

4. DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES

En primera medida fue posible seleccionar un medio

de cultivo apropiado para el desarrollo de los

distintos consorcios, puesto el crecimiento tanto de

las bacterias como de la microalga se vio favorecido

presentando un periodo de crecimiento similar

entre los microorganismos estudiados. La ausencia

de crecimiento de las bacterias en MMS y de las

microalgas en caldo marino, se debe posiblemente a

que las concentraciones de sales y nutrientes de

dichos medios no son las encontradas en el

ambiente natural del que fueron aisladas o no son

las adecuadas para el tipo de microorganismos.

En los consorcios se observa un crecimiento mucho

más rápido de los microorganismos con respecto a

los cultivos puros, lo que permite afirmar que en los

consorcios se presenta estimulación en el

crecimiento de ambos microorganismos. De igual

forma las microscopías realizadas permitieron

evidenciar las agregaciones celulares debidas al

contacto estrecho entre la microalga y las distintas

bacterias, verificado así la simbiosis y por lo cual el

éxito de la formación de los diferentes consorcios

construidos. Se plantea la posibilidad que la

formación de las agregaciones celulares ocurra por

la activación de mecanismos de defensa dada la

presencia de otros microorganismos en el mismo

medio, sin embargo estudios previos sobre

asociaciones microalga-bacteria han mostrado que

en cultivos axénicos (una sola especie) se presentan

agregaciones celulares pequeñas con respecto a las

formaciones que ocurren en cultivos xénicos (varias

especies - consorcios) y que dichas formaciones

celulares que llaman flóculos tienen lugar debido a

la estimulación en el crecimiento que genera la

interacción entre los distintos microorganismos

[25]. Así mimo las tasas de crecimiento de los

microorganismos en consorcio son superiores a las

obtenidas en los cultivos puros. Por lo cual, según los

resultados obtenidos es posible afirmar que la

diferencia entre las concentraciones celulares de los

cultivos puros y de los consorcios se deben a un

estímulo sobre el crecimiento debido a la relación

simbiótica entre ambos microorganismos. Lo

anteriormente mencionado se corrobora con los

parámetros de cinética obtenidos, en los que se

observa incremento en las tasas de crecimiento de

los consorcios con respecto a las obtenidas en los

cultivos puros de bacterias. El consorcio que logra

ajustarse de mejor forma al modelo finalmente

evaluado es el C7A-A puesto es el único que muestra

fases estacionarias de crecimiento en ambos

microorganismos, muy similares a lo obtenido en las

20

curvas experimentales y las tasas de crecimiento

máximas incrementan aproximadamente el doble.

En cuanto al potencial de degradación de fenol, se

podría inferir que los consorcios construidos

presentan un mejor desempeño a bajas

concentraciones del contaminante, siendo este un

aporte importante puesto entre las grandes

complicaciones ambientales actuales se encuentran

la eliminación de contaminantes en bajas

concentraciones [7]. Los resultados de degradación

de fenol y microscopía realizada permiten afirmar

que la relación de pre-inóculo más apropiada para el

desarrollo de los consorcios es de 2:1 (bacteria-

microalga), así mismo se encuentra que el consorcio

más eficiente en cuanto a la remoción del fenol a

50pmm es el desarrollado con la cepa C7A el cual

logra un porcentaje de remoción de

aproximadamente un 50% en 96 horas. Es posible

que el mismo comportamiento de remoción por

parte de los consorcios no se haya podido evidenciar

en las demás concentraciones evaluadas, puesto

como se había mencionado anteriormente las cepas

bacterianas estudiadas reportaron resistencia hasta

100 ppm en trabajos anteriores, lo que permite

inferir que el bajo efecto de remoción se debe a que

posiblemente la maquinaría celular se concentra en

activar mecanismos de resistencia al contaminante y

no en su degradación, al evaluarse las

concentraciones de 100 ppm y 150 ppm.

Se realizó solo una evaluación general del potencial

de degradación de fenol con el fin de tener una

visión global del comportamiento de los

microorganismos a las distintas condiciones

establecidas. Debido a la elevada cantidad de

cultivos evaluados: Microalga, cepas bacterianas, sus

respectivas combinaciones en consorcios a las

diferentes relaciones de pre-inóculo y a las distintas

concentraciones de fenol evaluadas. Sin embargo se

concluye que sería apropiado realizar réplicas con el

fin de validar estadísticamente los resultados

obtenidos. Así mismo de acuerdo a lo observado se

podría evaluar la degradación de fenol a tiempos

superiores a las 96 horas de crecimiento, siendo

posible determinar si habrá remoción del 100% del

fenol.

Finalmente, de acuerdo al crecimiento observado de

la microalga en el medio TAP modificado se puede

inferir en primera medida que la microalga es el

microorganismo que lidera el proceso de

degradación del contaminante.

Como continuación al trabajo desarrollado, sería

pertinente y completamente necesario realizar

réplicas a las pruebas realizadas, con el fin de validar

estadísticamente los resultados obtenidos. Así

mismo se podría complementar con estudios

moleculares de las secuencias genéticas de las

bacterias y la microalga, con el fin de ubicar las

regiones codificantes para la resistencia y

degradación del fenol y/o contaminantes orgánicos

e identificando rutas metabólicas implementadas.

Logrando así contribuir de forma significativa a

estudios de biotecnología realizados respecto a la

remediación de ambientes contaminados.

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