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Abstract

Water pollution is one of the most important environmental problems worldwide. Recently, biotechnology studies have oriented efforts to study algae-bacterium consortia with the aim to understand the mechanisms to find a possible solution in environmental sciences. This study determined the percentage of chromium removal by the alga-bacterium association exposed to a set of different chromium ]]> in vitro conditions. Wild plants of Bostrychia calliptera associated with bacterial populations were collected from Dagua River, Pacific coast of Colombia, and were monitored in the laboratory. The trial was conducted with synthetic seawater in bioreactors at two chromium levels: 5 and 10mg/L, and four different experimental treatments: i) algae-bacteria (AB), ii) algae with antibiotic (AA), iii) algal surface sediment, Natural Bacterial Consortium (CBN), and iv) the control without algae or bacteria. The ]]>

Key words: Bostrychia calliptera, chromium-reducing bacteria, biotransformation, water pollution, chromium contamination.

Resumen

Para determinar el porcentaje de remoción de cromo en la asociación alga-bacteria, se tomaron ejemplares del alga Bostrychia calliptera de pneumatóforos de Avicennia germinans y Rizophora mangle, en la desembocadura del Río Dagua, Pacífico colombiano. El ]]> in vitro en agua marina sintética a dos concentraciones de cromo 5 y 10mg/L, empleando biorreactores con cuatro tratamientos; i) material Alga-Bacteria (AB), ii) material algal con antibiótico Alga-antibiótico (AA), iii) consorcio bacteriano natural (CBN) y iv) control sin presencia de B. calliptera ni bacteria. Se monitoreó el comportamiento de poblaciones bacterianas y el ]]> B. calliptera en su proceso acumulativo de cromo.

Palabras clave: cromo, Bostrychia calliptera, bacterias reductoras de cromo, biotransformación de metales pesados, contaminación por cromo.
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La contaminación de las aguas por metales pesados constituye actualmente un grave problema ambiental en los ecosistemas acuáticos continentales y marinos. Particularmente, en la Bahía de Buenaventura (Pacífico colombiano), se han registrado niveles de contaminación por metales pesados como el caso del cromo (Garay et al. 2001, Garay et al. 2004), a concentraciones entre 0.0078mg/L y 25.9mg/L para agua y sedimentos, respectivamente (Calero & Casanova 1997). Según ]]>

Se ha demostrado que el cromo, es ]]> B. calliptera (Montagne 1842) en su estado de oxidación Cr (III) (Mostaert et al. 1996, Peña et al. 2008). Actualmente, se desconoce la presencia de mecanismos biológicos, tales como, la interacción alga-bacteria que permitan la incorporación de este metal al protoplasma del alga. Sin embargo, diversos autores (Wang et al. 1989, Cervantes 1991, Lovley & Phillips 1994, Nejidat et al. 2005, Liao et al. 2007, Kidd et al. 2008) reportan la existencia ]]> B. calliptera y la participación de los consorcios bacterianos en los procesos de asimilación y detoxificación de metales en el alga ]]>

El objetivo de esta investigación fue determinar la participación de las poblaciones bacterianas asociadas a B. calliptera en su proceso de acumulación de cromo y evaluar el porcentaje de remoción del metal a dos concentraciones, 5 y 10mg/L, en condiciones de laboratorio.
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Materiales y métodos

Área de estudio: Se realizaron muestreos, entre enero y julio 2009 en la desembocadura del Río Dagua, frente a la Bahía de Buenaventura, en el Departamento del Valle del Cauca (3°51’39.3’’ - 3°51’50’’ N y ]]> 2, con un canal central de 16km, un ancho promedio de 4km y una profundidad promedio de 10m. La boca de la bahía se conecta directamente con el océano Pacífico y posee un promedio de precipitación anual de 4 700mm, con un régimen mareal semidiurno y un ámbito promedio de 3.2m. El manglar se encuentra rodeado por una extensa ]]>

Se recolectaron muestras de la biomasa del alga adherida a las raíces y neumatóforos de Avicennia germinans (Linnaeus 1764) y Rhizophora mangle (Linnaeus ]]> ® y refrigerado inmediatamente a 5°C, con hielo seco en una nevera portátil. Las muestras fueron transportadas en un lapso máximo de cinco horas a los laboratorios de la Universidad del Valle en la ciudad de Cali, Colombia. Se determinaron las concentraciones de cromo mediante espectroscopía ]]>

Organismo de estudio: El alga roja Bostrychia calliptera (Rhodomelaceae) se caracteriza por talos de hasta 7cm de largo, de color púrpura a pardo muy ramificado formando cojinetes, con ejes principales corticados y ramitas de crecimiento ]]>

B. calliptera es la especie dominante en la biomasa algal del estero, con 32% de la biomasa total, seguida por otras especies del complejo “Bostrichetum”, presentando diferencias significativas dependiendo de los periodos climáticos presentes en el área de estudio (periodo ]]> B. calliptera, y una participación compartida en la zona media con poblaciones mezcladas Peña-Salamanca (2008). El nivel de inundación mareal y la distribución vertical en la raíz parecen ser los factores de mayor influencia en las ]]>

Los bosques de manglar son uno de los ecosistemas más importantes en el Pacífico colombiano, dominando las zonas costeras (Peña 1998). La comunidad de algas epífitas está dominada principalmente por algas rojas, entre estas el género Bostrychia. Su ]]>

Estudios desde su fisiología bioacumulativa, han encontrado que B. calliptera posee capacidad de acumulación de metales pesados como el cromo, objeto de este ]]>

]]> Evaluación del porcentaje de remoción de cromo en la asociación alga-bacteria (B. calliptera) a dos concentraciones del metal: Se utilizó el medio de cultivo Provasoli modificado o ES (Andersen 2005) a 5 y 10mg/L de K₂Cr₂O₇ (Dicromato de Potasio), esterilizado por filtración mediante una membrana de 0.25μm de porosidad, y se distribuyó en ]]> ® 2mg/mL, con aplicación cada tres días, según Rengifo 2010), se le denominó Alga-Antibiótico (AA); la tercera condición ]]> 2) por litro de agua de mar sintética (West & Calumpong 1988), con el fin de evitar la proliferación de diatomeas (Andersen 2005) y se sometió a bombeo continuo de aire por medio de aireadores de flujo.

El experimento se desarrolló en un periodo de siete días, con muestreos los días uno, tres y siete (que fueron determinados con ensayos preliminares), registrando el valor de pH, contenido bacteriano y concentración de cromo total, mediante ASS. Se sostuvo un fotoperiodo 12h de luz/12h de oscuridad en un cuarto con características ambientales a 70% de humedad relativa y una temperatura de 30°C. Para el ]]> 3 (1%), el filtrado se almacenó en frascos de vidrio anteriormente enjuagados con una solución de HNO₃ (10%), se diluyó a 10mL y se acidificó con HNO₃ concentrado hasta obtener un pH menor a dos. Las muestras fueron almacenadas a 4°C, para su posterior lectura mediante espectroscopía de ]]>

Análisis microbiológico: Los recuentos bacterianos se realizaron a las muestras de los sistemas AB y CBN, mediante la técnica de ]]> _-2 a 10^-4 en el medio mínimo Agar-agar-K₂Cr₂O₇ a las dos concentraciones de cromo y con dos repeticiones. Las cajas de petri fueron incubadas a 28°C por siete días (Rengifo 2010). Para CBN, el material extraído (1mL) fue diluido según elprocedimiento descrito para el material vegetal. Estos procedimientos ]]>

Caracterización bioquímica: Para ambas muestras se realizó aislamiento de colonias hasta obtener cultivos axénicos. Se sometió a ]]>

El diseño ]]>
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Resultados

Remoción de cromo: Los resultados mostraron que el mayor porcentaje de remoción de cromo se registró a 10mg/L ( Fig. 1), en el tratamiento Alga-Bacteria (AB) con un porcentaje global de remoción del 87%, seguido por el consorcio bacteriano natural (CBN) con un valor de 68.5%. En el análisis de Tukey (p=0.5), la asociación AB presentó mejor rendimiento que el alga tratada con antibiótico (AA), y que el consorcio bacteriano (CBN) separados, a dicha concentración. Mientras que a 5mg/L, se observó la mayor eficiencia, 62.85% en el consorcio bacteriano, (CBN, p=0.004), seguido por AB con un 61.18% (p=0.007693) y finalmente AA con una ]]> Fig. 1). Sin embargo, no se detectó interacción significativa entre ellos.

Crecimiento bacteriano: Los resultados mostraron que el crecimiento bacteriano registró mayores valores a la concentración de 10mg/L y el menor crecimiento a concentraciones de 5mg/L. El consorcio bacteriano natural – aislado– registró el mayor crecimiento (Fig. 2).

]]> De acuerdo con los resultados, se observó que existe una correlación entre el tipo de asociación y su eficiencia en la remoción del cromo. El tratamiento alga-bacteria (AB), mostró mayor eficiencia de remoción a la mayor concentración (10mg/L), mientras que el consorcio bacteriano natural (CBN) presentó mayor eficiencia a 5mg/L (p=0.008). El análisis de varianza mostró que hubo diferencias significativas entre las concentraciones de cromo (p=0.037) y entre los tratamientos (p=0.008).

Características morfológicas y bioquímicas de las cepas aisladas: Los resultados registraron tres cepas bacterianas, dos Gram negativas y una Gram positiva de forma bacilar, sin cápsula ni espora, con producción de H₂S y fermentación positiva para azúcares, a excepción de la glucosa, ninguna mostró fluorescencia ante la luz ultravioleta, y mostraron una ]]> Cuadro 1).

Discusión

Los resultados permitieron observar ]]> B. calliptera poseen participación en el proceso bioacumulativo del alga, dado que el porcentaje de reducción de cromo es mayor en la combinación Alga-bacteria (87% a 10mg/L) que en los sistemas libres de bacteria (Algaantibiótico 65.3% a 10mg/L).

]]> El comportamiento de la remoción de cromo en ensayos de laboratorio, fue reportado por Acosta et al. (2005), quienes señalaron que en el caso de los hongos Cryptococcus neoformans (Vuill 1901) y Helminthosporium sp. (Raabe et al.1981), el porcentaje de remoción del metal en su estado hexavalente no depende de la concentración total en el medio sino de una capacidad innata de la especie. Se sugiere por lo ]]> B. calliptera como el Consorcio Bacteriano Natural poseen una limitada capacidad de absorción de hasta 4.5mg/Len medio líquido para 168h. Estudios realizados con B. calliptera, han encontrado ámbitos de acumulación para cobre de 2.2 a 3.7mg/L, mercurio hasta 0.9mg/L y plomo hasta 1.3mg/L (Duque et al. 2005). En contraste a Ospina & Peña (2003) quienes observaron valores de acumulación en la misma especie que oscilan entre 8.333 y 29.048mg/L para cobre, 0.050 y 0.198 para ]]> B. calliptera como un bioindicador de contaminación ambiental al presentar el comportamiento de bioacumulador de los metales pesados examinados. Adicionalmente y en relación a los valores de adsorción del alga y el Consorcio Bacteriano Natural, se considera que es posible, la existencia de una interacción positiva entre el consorcio bacteriano encontrado en la superficie de B. calliptera y el proceso de ]]>

El Consorcio bacteriano natural (CBN), presentó mayor eficiencia en comparación a la combinación Alga-bacteria a la concentración menor (5mg/L). Sin embargo, a una concentración superior (10mg/L) el sistema Algabacteria presenta mayor eficiencia que CBN, lo que permite ]]>

De acuerdo con los resultados obtenidos por Fude et al. (1994), existen al menos dos posibles rutas para la inmovilización de Cr. La primera involucra a Pseudomonas ambigua G-1 (Suzuki 1992), mecanismo descartado ya que las cepas empleadas resultaron ser oxidasa negativas, y la segunda ]]> 2S (Arias & Tebo 2003), y que este actúa como agente reductor para el Cr (VI). Esto ha sido observado en ambientes marinos (Smillie et al. 1981) y es consistente con las bacterias de origen marino extraídas en este estudio. En este caso, el H₂S se re-oxida al ser producido por las bacterias y el potencial redox del mismo no baja hasta que la mayoría o la totalidad del Cr (VI) se reduce. Fude et al. (1994) indicaron este ]]> 2S, similares a las observaciones comprobadas para los consorcios bacterianos analizados en este trabajo.

Las variaciones observadas en las concentraciones de cromo a lo largo del experimento, podrían ]]>

En este trabajo se señala por primera vez la presencia del consorcio alga-bacteria y su papel en el porcentaje de remoción del cromo en aguas costeras, reiterando la importancia de la presencia bacteriana en la ]]> B. calliptera y la identificación de sus bacterias asociadas en los procesos de biorremediación de aguas marinas con presencia de cromo. Igualmente, generar aplicaciones de carácter ecológico para solucionar problemáticas de contaminación presentes en cuerpos de agua, a través ]]>

Agradecimientos

El presente estudio ]]>

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Referencias

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]]> *Correspondencia:
Ana Lucía Rengifo-Gallego: Grupo de Biología Vegetal Aplicada. Facultad de Ciencias Naturales y Exactas. Universidad del Valle. Calle 13 N°100-00 Cali, Colombia. anarengifog@gmail.com
Enrique Peña-Salamanca: Grupo de Biología Vegetal Aplicada. Facultad de Ciencias Naturales y Exactas. Universidad del Valle. Calle 13 N°100-00 Cali, Colombia. enrique.pena@correounivalle.edu.co
Neyla Benitez-Campo: Grupo de Microbiología y Biotecnología Ambiental. Facultad de Ciencias Naturales y Exactas. Universidad del Valle. Calle 13 N° 100-00 Cali, Colombia. neyla.benitez@correounivalle.edu.co
1. Grupo de Biología Vegetal Aplicada. Facultad de Ciencias Naturales y Exactas. Universidad del Valle. Calle 13 N°100-00 Cali, Colombia; anarengifog@gmail.com, enrique.pena@correounivalle.edu.co
2. Grupo de Microbiología y Biotecnología Ambiental. Facultad de Ciencias Naturales y Exactas. Universidad del Valle. Calle 13 N° 100-00 Cali, Colombia; neyla.benitez@correounivalle.edu.co

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