Biorremediación de residuos industriales cianurados de la joyería por la bacteria alcalófila Pseudomonas pseudoalcaligenes CECT5344

Abstract

Los residuos industriales tóxicos constituyen un importante problema medioambiental y de salud pública, siendo actualmente una de las principales preocupaciones de la sociedad. La actividad minera y la industria joyera generan residuos con altas concentraciones de cianuro y metales pesados. El cianuro es un compuesto producido tanto de forma natural como antropogénica, que se caracteriza por su elevada toxicidad, ya que inhibe a las metaloenzimas, entre las que se encuentra la citocromo c oxidasa de la cadena respiratoria. Los métodos más utilizados para eliminar el cianuro de los residuos industriales se basan en técnicas físico-químicas, aunque las alternativas que emplean microorganismos que utilizan cianuro como fuente de nitrógeno (cianotrofos) presentan más ventajas, ya que son métodos sostenibles eficientes y seguros. La biorremediación de residuos industriales cianurados requiere la utilización de microorganismos cianotrofos resistentes a metales, ya que estos elementos suelen encontrarse en este tipo de residuos. Pseudomonas pseudoalcaligenes CECT5344 es una bacteria cianotrófica que asimila cianuro en condiciones alcalinas, lo que permite una mayor eficiencia y seguridad del proceso de biodegradación al minimizar la formación de ácido cianhídrico (pKa 9,2). En este trabajo se ha optimizado el proceso de degradación de un residuo que contiene altas concentraciones de cianuro y metales procedente de la joyería por P. pseudoalcaligenes CECT5344 en biorreactor. Utilizando un pH 9 constante, y adicionando citrato sodico como quelante de metales, se ha conseguido biodegradar una concentración de cianuro 12 mM, al mismo tiempo que se ha demostrado que durante este proceso la estirpe CECT5344 acumula polihidroxialcanoatos, que confieren un valor añadido al proceso de biodegradación. Un análisis mutacional de algunos genes involucrados en la síntesis de estos biopolímeros ha permitido conocer en detalle algunos aspectos moleculares del metabolismo de los polihidroxialcanoatos en P. pseudoalcaligenes CECT5344. También, se ha caracterizado mediante un análisis mutacional la agrupación génica cynFABCS implicada en el metabolismo del cianato en P. pseudoalcaligenes CECT5344, y como parte de la optimización del proceso de degradación del cianuro procedente del residuo joyero, se ha realizado un pretratamiento basado en la oxidación de cianuro con peróxido de hidrogeno para formar cianato. Además, en este trabajo también se ha estudiado el efecto del residuo de la joyería sobre el proteoma de P. pseudoalcaligenes CECT5344. Este estudio ha permitido identificar un gran número de proteínas involucradas en el metabolismo del cianuro, resaltando las proteínas codificadas en las agrupaciones génicas cioAB-nit4 y nit1C, responsables de la resistencia y asimilación de cianuro, respectivamente. Entre las proteínas inducidas por el residuo cianurado también se han identificado algunas que podrían conferir resistencia a metales. El aislamiento y la caracterización de las estirpes mutantes en los genes nitE y nitH, codificadas en la agrupación génica nit1C, ha confirmado que, además de la nitrilasa NitC, la N-acetiltransferasa NitE y la proteína de la familia AIRS/GARS NitH son esenciales para la asimilación del cianuro.

Toxic industrial wastes constitute an important environmental and public health problem and, currently is one of the main problems that most concern society. Mining activity and the jewelery industry generate a wastewater with high concentrations of cyanide and heavy metals. Cyanide is a compound produced by natural and anthropogenic sources, which is characterized by its high toxicity because inhibits metalloenzymes, including the cytochrome c oxidase of the respiratory chain. Methods to eliminate cyanide based on physico-chemical techniques are in demand, but alternatives that use microorganisms, which utilize cyanide as a source of nitrogen (cyanotrophs), have more advantages, since they are sustainable, efficient and safe methods. The bioremediation of industrial wastes containing cyanide requires the use of metal-resistant cyanotrophic microorganisms, considering that these elements are usually found in this type of wastewaters. Pseudomonas pseudoalcaligenes CECT5344 is a cyanotrophic bacterium that assimilates cyanide under alkaline conditions, which allows greater efficiency and safety of the biodegradation process by minimizing the formation of cyanhydric acid (pKa 9.2). In this work, the process of degradation of a wastewater containing high concentrations of cyanide and metals from the jewelry industry by P. pseudoalcaligenes CECT5344 has been optimized in bioreactor. Using a constant pH of 9, and adding sodium citrate as chelant of metals, it has been achieved the degradation of 12 mM cyanide. Simultaneously to this biodegradative process, the strain CECT5344 accumulates polyhydroxyalkanoates, which confers an added value to this process. A mutational analysis of the genes involved in the synthesis of these biopolymers allowed to elucidate some molecular aspects of the metabolism of polyhydroxyalkanoates in P. pseudoalcaligenes CECT5344. In addition, the cynFABCS cluster gene involved in the metabolism of cyanate in P. pseudoalcaligenes CECT5344 has been characterized by a mutational analysis, and as part of the optimization of the cyanide degradation process from the jewelery wastewaters, a pretreatment based on the oxidation of cyanide with hydrogen peroxide to form cyanate has been used. In addition, the effect of jewelry residue on the proteome of P. pseudoalcaligenes CECT5344 has been analyzed. In this study, a large number of proteins have been identified involved in the cyanide metabolism, highlighting the proteins encoded by the cioAB-nit4 and nit1C gene clusters, responsible for cyanide resistance and assimilation, respectively. Some proteins that could confer resistance to metals have also been identified among the proteins induced by the cyanide-containing residue. The isolation and characterization of the mutant strains deficient in the nitE and nitH genes, belonging to the nit1C gene cluster, has confirmed that not only NitC is essential for the assimilation of cyanide, but also other proteins such as the N-acetyltransferase NitE and the AIRS/GARS family protein NitH.