Universidad Austral de Chile Facultad de Ciencias Escuela de Ciencias PROFESOR PATROCINANTE Dr. Eduardo Valenzuela F. Instituto de Bioquímica y Microbiología Facultad de Ciencias “BACTERIAS DEL RÍO CALLE-CALLE (SECTOR PISHUINCO), IMPLICADAS EN LA DEGRADACIÓN DE CELULOSA.” Tesis de grado presentada como parte de requisitos para optar al Grado de Licenciado en Ciencias Biológicas. FRANCISCO JAVIER SANDOVAL IRURETA VALDIVIA – CHILE 201 ÍNDICE DE CONTENIDOS Pág. 1. RESUMEN 1 SUMMARY 2 2. INTRODUCCIÓN 3 3. MATERIALES Y MÉTODOS 10 3.1 MATERIALES 10 3.1.1 Material Biológico 10 3.1.2 Reactivos 10 3.1.3 Equipos 10 3.1.4 Otros 11 3.2 11 MÉTODOS 3.2.1 Ubicación del área de estudio 11 3.2.2 Recolección de muestras de agua 12 3.2.3 Aislamiento de bacterias celulolíticas 13 3.2.4 Obtención de cepas celulolíticas a distintas concentraciones de celulosa 14 3.2.5 Determinación de cepas celulolíticas hasta el rango de género 15 3.2.5.1 Pruebas bioquímicas 16 3.2.5.2 Tinciones 17 4. RESULTADOS 18 4.1 Determinación del crecimiento de las cepas celulolíticas a distintas 18 concentraciones en las épocas de invierno y primavera 4.2 Determinación taxonómica de bacterias celulolíticas hasta el rango género 20 4.2.1 Características de las taxas determinadas 21 5. DISCUSIÓN 23 6. CONCLUSIONES 27 7. BIBLIOGRAFIA 28 8. ANEXOS 33 INDICES DE FIGURAS Y TABLAS Pág. Figura 1. Estructura química de la celulosa 3 Figura 2. Estructura de la celulosa: regiones cristalinas y amorfas 4 Figura 3. Ubicación del área de estudio 11 Figura 4. Ubicación de las zonas de muestreo 12 Figura 5. Placas cuadriculadas con colonias bacterianas celulolíticas 15 (5 A); Medición de una colonia bacteriana celulolítica en agar celulosa (5 B) Figura 6. Crecimiento de las colonias bacterianas recolectadas en dos 19 épocas del año (invierno y primavera) sometidas a diversas concentraciones de celulosa Tabla 1. Medición de las colonias de las cepas bacterianas recolecta- 18 das en invierno y primavera, determinado en agar celulosa a dos concentraciones (5 y 35%) Tabla 2. Géneros bacterianos asignados a las cepas cultivadas en AC a 35% 21 ÍNDICE DE ANEXOS Pág. ANEXO 7.1 Medición de las colonias de las cepas bacterianas recolectadas 33 en invierno, determinado en agar celulosa a cuatro concentraciones (5, 10, 15 y 35%) ANEXO 7.2 Medición de las colonias de las cepas bacterianas recolectadas 33 en primavera, determinado en agar celulosa a cuatro concentraciones (5, 10, 15 y 35%) ANEXO 7.3 Porcentaje total de cepas bacterianas obtenidas a distintas concentraciones de celulosa en dos épocas de muestreo (invierno y primavera) 34 1 1. RESUMEN La celulosa es el componente más abundante de la biomasa vegetal, existiendo un gran número de microorganismos celulolíticos, principalmente hongos y bacterias; capaces de nutrirse de las sustancias orgánicas, degradando y restituyéndolas en forma de CO2 y materia orgánica que son aprovechadas por otros organismos superiores para reiniciar el ciclo. De este modo desarrollan una acción determinante en el proceso de mineralización de las sustancias orgánicas, y por ende, su reciclaje. En el presente estudio las muestras de agua se colectaron desde el río Calle-Calle, sector Pishuinco, en las épocas de invierno y primavera. Se determinó el crecimiento de las colonias bacterianas a distintas concentraciones de celulosa. Se obtuvieron 10 cepas bacterianas para cada época de muestreo correspondiente a los géneros Bacillus, Pseudomonas y Zooglea, los cuales lograron crecer hasta una concentración en agar celulosa (AC) al 35%. Se determinó que el mayor crecimiento de las colonias bacterianas se obtuvo en medios con un 5% de celulosa donde se registró un crecimiento sobre 4 mm de ancho y sobre 5 mm de largo. En contraste, concentraciones al 35% de celulosa se encontraron diferencias que van desde los 1,2 a 3,4 mm a favor de la concentración al 5% en AC. Esto indica que el aumento progresivo en la concentración de celulosa resulta en una disminución en el crecimiento de las bacterias aisladas. 2 SUMMARY Cellulose is the most abundant component of plant biomass, and there are a large number of cellulolytic microorganisms, mainly fungi and bacteria can feed on organic substances, and restoring degraded as CO2 and organic matter that are used by other higher organisms to restart the cycle. They develop a decisive action in the process of mineralization of organic substances, and therefore recycling. In this study, water samples were collected from the river Calle-Calle, sector Pishuinco in the winter or spring. We determined the growth of bacterial colonies with different concentrations of cellulose. 10 bacterial strains were obtained for each sampling time corresponding to the genera Bacillus, Pseudomonas and Zooglea, which managed to grow to a concentration on cellulose agar (AC) to 35%. It was determined that greatest growht of bacterial colonies was obtained in media with 5% cellulose where growth was about 4 mm wide and about 5 mm long. In contrast, concentrations of 35% cellulose found differences ranging from 1,2 to 3,4 mm for 5% concentration in AC. This indicates that the progressive increase in the concentration of cellulose results in a decrease in the growth of bacteria isolated. 3 2. INTRODUCCIÓN 2.1. Composición química de la celulosa La celulosa (C6H10O5)n es el componente más abundante en la biomasa vegetal, el cual es degradado por una serie de microorganismos mediante la acción de un conjunto de enzimas (Ortiz-Caro et al., 2010). Estructuralmente la celulosa es un polisacárido compuesto de unidades de glucosa enlazadas en una larga cadena lineal, constituida de unidades β-D-glucopiranosa unidas por enlaces 1,4-glucosídicos como se observa en la Figura 1 (Carrillo, 2003). Estas cadenas lineales de celulosa interactúan entre sí por medio de enlaces puentes de hidrógeno dando lugar a la formación de microfibrillas con regiones altamente ordenadas que le dan las características de insolubilidad, rigidez y resistencia al ataque enzimático y que se conocen como regiones cristalinas (Mejía et al., 2002). Figura 1. Estructura Química de la celulosa (Heldt, 1997). La composición de la celulosa permite que las regiones cristalinas se encuentren alternándose con zonas denominadas amorfas, como se observa en la Figura 2 (Carrillo, 2003). La formación de estas regiones ocurre cuando a lo largo del haz de cadenas se 4 rompen los puentes de hidrógenos dando origen a las secciones amorfas, que permiten su hidratación y el posterior ataque enzimático por microorganismos celulolíticos que poseen enzimas específicas encargadas para su degradación (Barrera et al., 2009). Cabe señalar que las zonas cristalinas de la celulosa presentan un polimorfismo acentuado, debido a la diferente ordenación de las cadenas de celulosa en la red cristalina, diferenciando dos tipos de celulosas: tipo I ó celulosa nativa y tipo II ó de algodón mercerizado. El mecanismo de cristalización de las microfibrillas puede dar origen a dos tipos de celulosa; si las microfibrillas se orientan en forma paralela se sintetiza celulosa de tipo I, mientras que si el arreglo de las microfibrillas es antiparalela se obtiene celulosa tipo II (Chávez-Pacheco et al., 2004); siendo la celulosa tipo I predominante en la naturaleza. Figura 2. Estructura de la celulosa: regiones cristalinas y amorfas (Guevara et al., 2003). 5 2.2. Actividad enzimática de los microorganismos sobre la celulosa La actividad enzimática es el factor más importante en la degradación de celulosa. Los microorganismos son capaces de sintetizar exoenzimas (celulasas), que van a actuar sobre la celulosa y la hidrolizarán en productos que pueden ser utilizados como fuente de carbono y energía (Barrera et al., 2009). Las fibras de celulosa son degradadas esencialmente por dos sistemas enzimáticos llamados agregativos y no agregativos. Los sistemas agregativos se presentan en las bacterias anaerobias y es conocido como celulosoma, el que funciona como estructuras exocelulares especializadas que catalizan la hidrólisis de la celulosa y hemicelulosa, y se compone de al menos 14 polipéptidos distintos, incluyendo varias celulasas, xilanasas y al menos una β-glucosidasa. Los sistemas no agregativos a su vez funcionan en presencia de oxígeno (aerobiosis) y están compuestos principalmente por tres tipos de enzimas: (1).- endo-β-1,4-glucanasa que actúa sobre los enlaces β-1,4 en las regiones amorfas internas de la macromolécula, dando como resultado largos fragmentos solubles (oligosacáridos). (2).- exo-β-1,4-glucanasa, que permite separar el disacárido celobiosa desde los extremos de la molécula. (3).- β-glucosidasa que hidroliza la celobiosa con formación de glucosa (Carrillo, 2003; Ortiz-Caro et al., 2010). 2.3. Características del río Calle-Calle En la XIV Región de Chile se encuentra el río Calle-Calle el cual nace de la junta de los ríos San Pedro y Quinchulca, se extiende por 55 Km. considerado un sistema fluviolacustre con un desarrollo meándrico con escasas pendientes Consultora en 6 Ingeniería y Desarrollo de Proyectos en Recursos Naturales, Energía y Transporte (CADE-IDEPE) (2004). Siendo afectado por la influencia de los ciclos maréales extendiéndose por el río Calle-Calle hasta la localidad de Pishuinco, sin encontrar intercambio salino en esta zona (Ramírez, 2003). Por ende es considerado una zona fluvial ya que el agua puede permanecer dulce todo el tiempo (Dyer, 2001). Siendo caracterizado por su gran vegetación en zonas aledañas y en el mismo cauce fluvial. 2.4. Características de los microorganismos contenidos en los cuerpos de agua Los microorganismos que habitan los cuerpos de agua juegan un rol importante en los ciclos biogeoquímicos del planeta, ya que son cuantitativamente esenciales en procesos de mineralización y de transformación de nutrientes como de materia orgánica (Romaní et al., 2009). Las bacterias aerobias generalmente mineralizan la celulosa en dos productos principales CO2 y biomasa. Mientras que en condiciones anaerobias las bacterias transforman la celulosa siendo incapaces de metabolizarlo dejando productos de acumulación como CO2, CH4, H2, etanol y ácidos (acético, fórmico, succínico, butírico y láctico). Siendo estos productos aprovechados por organismos superiores. (Dworkin et al., 2006) Las bacterias del agua son el grupo de microorganismos procariontes más diversos y abundantes, difieren en cuanto a sus características morfológicas, fisiológicas y preferencias ecológicas. Pueden ser agrupadas de acuerdo a distintas características como por ejemplo: su forma, capacidad de formar estructuras de resistencia, requerimientos de oxígeno, pH, reacción a la tinción de Gram, etc. La mayoría de las bacterias acuáticas son Gram negativas (Sigge, 2005). Su tamaño bacteriano, varía 7 dentro de ciertos rangos de acuerdo a la etapa de crecimiento, medio y condiciones de cultivo. Por su parte, las formas cocoides, bacilares y vibriones son comunes, la mayoría de las bacterias del agua son de vida libre, quimiorganótrofos capaces se obtener nutrientes desde sustratos presentes en la columna de agua, mientras que otras bacterias establecen relaciones simbióticas con otros organismos (Sigge, 2005). Las bacterias acuáticas están a su vez afectadas por el ambiente físico y químico (temperatura, pH, luz y O2), cuyos valores sean superiores o inferiores a los óptimos, pueden alterar considerablemente el metabolismo, la forma celular y la reproducción de algunas especies (Madigan et al, 1998; Sigge, 2005). La temperatura es considerada un factor crítico, que controla el metabolismo bacteriano. En regiones tropicales la alta temperatura local está asociada a una gran actividad y abundancia bacteriana, teniendo un efecto directo sobre la acción enzimática. En primavera y verano las poblaciones bacterianas presentan grandes incrementos en la superficie del agua; por el contrario en invierno, los procesos se hacen más lento prolongando la supervivencia de las bacterias aumentando el número de estas, hay que tomar en cuenta que la luz desciende en esta época y que el número de bacterias es menor (Fuenzalida, 2006; Maïomouna, 2008; Sigge 2005). Otro factor no menos importante es el pH, donde la mayoría de las bacterias pueden crecer dentro de un margen, en su medio, manteniendo al mismo tiempo su pH interno óptimo prácticamente constante, pero, generalmente las bacterias acuáticas crecen y se reproducen entre valores de pH que fluctúan entre 6,5 y 8,5. Las aguas al presentar un pH elevado tendrán un alto porcentaje de carbonatos, bicarbonatos y sales, en tanto 8 aguas con pH bajo estará caracterizados por la disminución del contenido de nutrientes, provocando que las bacterias tengan que adaptarse a cambios bruscos de manera eficiente o de lo contrario pueden morir (Fuenzalida, 2006; Maïomouna, 2008; Sigge 2005). Los microorganismos celulolíticos incluyen hongos y bacterias, aerobios y anaerobios, mesófilos y termófilos que ocupan una gran variedad de hábitats. Dentro de las bacterias celulolíticas que habitan los cuerpos de agua, los más abundantes son representantes de géneros como: Cytophaga; Sporocytophaga; Bacillus; Cellvibrio; Pseudomonas y Herpetosiphon. (Dworkin et al., 2006; Gaitán & Pérez, 2007). En base a lo antecedentes expuestos se planteo la siguiente hipótesis de trabajo. Desde la columna de agua del río Calle-Calle sector Pishuinco; el 60% de las cepas bacterianas aisladas en cultivos puros tendrán la capacidad de degradar celulosa. Para aceptar o rechazar la hipótesis se plantean los siguientes objetivos específicos: - Aislar y obtener cultivos puros bacterianos desde muestras recolectadas de aguas del río Calle-Calle sector Pishuinco, durante la estación climática de invierno y primavera. - Determinar del total de las cepas aisladas en cultivo puro que porcentaje son celulolíticas. - Identificar hasta el nivel genero las cepas bacterianas aisladas 9 - Evaluar el crecimiento microbiano de las cepas celulolíticas a diferentes concentraciones de celulosa (5; 10; 15 y 35% p/v). 10 3. MATERIALES Y METODOS. 3.1. MATERIALES. 3.1.1 Material Biológico. Se utilizaron en total 338 cepas bacterianas de las cuales 168 cepas aisladas fueron colectadas de muestras de agua del río Calle-Calle (sector Pishuinco) en el mes de Septiembre y 168 cepas extraídas desde muestras de agua del río Calle-Calle (sector Pishuinco) en el mes de Octubre. 3.1.2 Reactivos. Los reactivos utilizados en la parte experimental del presente estudio se encuentran ordenados alfabéticamente: agar-agar, agar celulosa al 2%, agar nitrato, agar peptona al 2%, agua oxigenada (H2O2), alcohol-acetona, cristal violeta, lugol, reactivo de Nitrato, safranina al 0,25% y solución salina estándar. 3.1.3 Equipos. Autoclave Huley HL-341, balanza Scout Ohaus, cámara de cultivo Shel lab LI20-2, lupa estereoscópica Olympus SZ51, microondas Somela Practique 2300 NC, microscopio óptico Olympus CX-21, refrigerador LG GM-3435C. 11 3.1.4 Otros. Aceite de inmersión, agua destilada estéril, algodón cardet, asa de siembra, botellas de vidrio estériles de 250 mL, gradillas de metal, matraz Erlenmeyer de 200, 500 y 1000 mL, mechero, mica cuadriculada, muestras de agua, pie de metro, pipetas volumétricas de 2 y 5 mL, parafilm, pipetas Pasteur, placas Petri, plumón permanente, portaobjetos, probetas de 50; 500 y 1000 mL, rastrillo de siembra, tubos de ensayo Venoject 3.2. MÉTODOS. 3.2.1 Ubicación del área de estudio. El área de estudio (Fig. 3), se localiza en el río Calle-Calle, sector de Pishuinco (39° 48’ S y 73° 03’ W), ubicado a 22 Km de la ciudad de Valdivia, por el camino viejo a la ciudad de Los Lagos. Figura 3. Ubicación del área de estudio (Fuente Google Earth 2011). 12 La zona se compone por el río Calle-Calle, el cual se origina de la junta de los ríos San Pedro y Quinchulca, 8 Km aguas arriba de la ciudad de Los Lagos, siendo el primer emisario del Lago Riñihue. El río Calle-Calle es el resultado de un complejo sistema fluviolacustre, en el que las aguas, especialmente de lluvias, son reguladas en los lagos andinos, originando un caudal abundante y relativamente uniforme durante todo el año. El cauce fluvial presenta una extensión de 55 Km de forma meándrica y con escasa pendiente. A su término, rodea la ciudad de Valdivia donde el río pasa a llevar el nombre del homónimo, para posteriormente desembocar en el océano Pacifico por las costas de Niebla y Corral (CADE-IDEPE, 2004). El río Calle-Calle en el sector de Pishuinco tiene un ancho aproximado de 150 m y una profundidad que varia entre los 15 a 20 m. 3.2.2 Recolección de muestras de agua. La recolección de muestras de agua se realizó entre los meses de Septiembre y Octubre del 2010, en el río Calle-Calle en el sector de Pishuinco (39° 48’ S y 73° 03’ W) donde se establecieron 3 estaciones de muestro (Fig.4). Figura 4. Ubicación de las zonas de muestreo (Fuente Google Earth 2011). 13 La metodología utilizada se describe a continuación: Las muestras de agua fueron colectadas de forma manual e independiente, desde un bote a 5 m aproximadamente desde la orilla en botellas de vidrio estériles (de 250 mL de capacidad). Cada botella se sumergió por completo en la columna de agua, teniendo el cuidado de abrirla sólo cuando la botella se encuentre sumergida por completo, posteriormente se retiró la tapa de la botella para permitir el ingreso del agua una vez lleno los envases con 240 mL de agua se procedió medir la temperatura con un termómetro el que se sumergió en la columna de agua. Se tomaron seis muestras en total, tres correspondiente al mes de Septiembre y las restantes al mes de Octubre donde se establecieron los puntos de muestreo correspondientes. Luego de obtener las muestras de agua, las botellas de vidrio fueron rotuladas de acuerdo al área de muestreo. Finalmente las muestras de agua se trasladaron al Instituto de de Bioquímica y Microbiología, Facultad de Ciencias de la Universidad Austral de Chile para realizar el aislamiento de las cepas bacterianas. 3.2.3 Aislamiento de cepas bacterianas celulolíticas Cada muestra de agua se proceso individualmente mediante el método de las diluciones seriadas y posterior siembra en placa (según Madigan, et al., 1998 modificado), como se indica a continuación: De la muestra correspondiente, utilizando una pipeta estéril se extrajeron 10 mL de agua y se depositaron en una botella que contenía 90 mL de agua destilada estéril obteniendo una dilución 10-1, a partir de esta dilución se extrajo con una nueva pipeta estéril 1 mL y se deposito en un tubo de ensayo que contenía 9 mL de agua destilada estéril, de esta forma se obtuvo la dilución 10-2. A partir de este tubo de ensayo previamente agitado y con una nueva pipeta estéril se extrajo 1 mL y se deposito en un 14 nuevo tubo de ensayo con 9 mL de agua destilada estéril, de esta forma se obtuvo la dilución 10-3. La metodología descrita anteriormente se empleo hasta obtener la dilución 10-4, teniendo cada vez el cuidado de ir agitando el tubo de ensayo respectivo y usando una nueva pipeta estéril en cada ocasión. Cada una de las diluciones obtenidas se sembró independientemente y por triplicado en agar celulosa al 2% (AC). Con ayuda de una pipeta se extrajeron 0,1 mL de la dilución respectiva, se depositó en cada placa Petri que contenía AC, luego el inóculo se disemino sobre la superficie del AC utilizando un rastrillo de siembra. Las placas sembradas se incubaron a 23 °C por 5 días. Al finalizar el período de incubación se procedió a realizar la obtención de cultivos puros. Sólo se seleccionaron colonias bacterianas aisladas, las que fueron sembradas en tubos de ensayo inclinados que contenían AC mediante siembra por estrías. Los tubos de ensayo sembrados se incubaron a 23 °C por 5 días. Luego cada cepa obtenida fue sometida a distintas concentraciones de celulosa 5; 10; 15 y 35% respectivamente. 3.2.4 Obtención de cepas celulolíticas a distintas concentraciones de celulosa. Una vez obtenidas las cepas en tubos inclinados de AC, las cepas bacterianas fueron sometidas a distintas concentraciones de celulosa 5; 10; 15 y 35% respectivamente, mediante el método de siembra en placa por cuadricula, la cual se realizó de manera independiente y por triplicado. Una vez sembradas las placas, estas fueron incubadas a 23 °C por 10 días. Una vez obtenidas las colonias a las distintas concentraciones de AC, estas fueron medidas (ancho y largo) con un pie de metro observando las colonias bacterianas en una lupa estereoscópica; las colonias que presentaron crecimiento en 15 medio de AC 5% fueron nuevamente sembradas en un medio de AC 10% repitiendo el proceso hasta llegar a la concentración deseada AC 35%. Figura 5. Placas cuadriculadas con colonias bacterianas celulolíticas (5 A); Medición de una colonia bacteriana celulolítica en agar celulosa (5 B). 3.2.5 Determinación taxonómica de cepas celulolíticas hasta el rango de género. Las cepas que lograron crecer en AC 35%, fueron nuevamente sembradas en agar peptona al 2% (AP) por el método de siembra por estría, siendo incubadas a 23 °C por 48 h. De las colonias puras aisladas en AP al 2%, se tomó una pequeña cantidad de inóculo que fue sembrada en AP contenido en tubos inclinados e incubadas a la misma temperatura antes señalada. Luego de la incubación se realizó la caracterización macroscópica de las colonias de las cepas respectiva (color, forma, tamaño, etc.). Mediante una tinción de Gram se logró establecer la morfología, agrupación y reacción al Gram. Para establecer el género, al cual pertenecen las cepas en estudio se realizaron pruebas bioquímicas y tinciones establecidas en los esquemas de clasificación de Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology (Buchanan et al., 1974), que se señalan a continuación. 16 3.2.5.1 Pruebas bioquímicas. a) Prueba de la Catalasa: la catalasa es un enzima que presentan la mayoría de las bacterias aerobias, cuya función es catalizar la ruptura del agua oxigenada (H2O2), liberando oxigeno (O2) al medio ambiente. Técnica: en un portaobjeto, se depositó una pequeña cantidad de inóculo bacteriano en estudio, sobre el se depositó una gota de agua oxigenada (H2O2). Siendo positiva la reacción si se desprenden burbujas. b) Prueba de la oxidasa: permite detectar la actividad del citocromo C, esta actividad se determina mediante la oxidación de un reactivo indicador como el tetra-metil-parafenilendiamina y se traduce por un color que va desde el rosa al púrpura. Técnica: sobre un papel filtro se depositó una pequeña cantidad de inóculo bacteriano en estudio y a continuación se depositaran 2 gotas de la solución al 0,5% del reactivo tetra-metil-para fenilendiamina. Una reacción positiva se traduce por una coloración rosada a violeta oscuro en la zona del papel en que fue depositado el inóculo bacteriano. c) Prueba de reducción de Nitratos: la reducción del nitrato a nitrito o nitrógeno es realizada por los microorganismos anaerobios facultativos, mediante una respiración anaerobia, en la cual el último aceptor de hidrógeno en la cadena respiratoria es el nitrato. Técnica: se sembró por picadura una pequeña cantidad de inóculo bacteriano en estudio, en un tubo que contiene agar nitrato semisólido e incubar los tubos sembrados a 23 °C por 24 hrs. Luego del período de incubación la reducción del nitrato se detectara agregando al contenido del tubo 0,5 mL de la solución A y B del reactivo nitrato. La prueba es positiva cuando el contenido del tubo se torna de color violeta a café ladrillo. 17 d) Prueba del Rojo Metilo: permite determinar si el microorganismo en estudio realiza fermentación fórmica tipo ácido mixta. Técnica: se siembra un inóculo de la bacteria en estudio en tubos que contienen caldo glucosado. Una vez sembrados los tubos se incuban a 23 °C por 24 hrs y luego se detecta la producción de los ácidos orgánicos agregando a los tubos 10 gotas del reactivo de Rojo Metilo. La reacción es positiva si el contenido del tubo se torna de color rojo. 3.2.5.2 Tinciones a) Tinción de Gram.: permitirá determinar la reacción al Gram de los microorganismos, según el tipo de pared celular que presentan. Además, permite determinar la morfología y agrupación que presentan las bacterias. Técnica: en un porta objeto, se extendió y fijo en un mechero una pequeña cantidad de inóculo bacteriano en estudio, luego se tiñó con violeta genciana por 2 minutos, se lavó, para agregar lugol por 1 min, se eliminó el lugol y se volvió a lavar, posteriormente se decoloró por 20 seg con alcohol- acetona, se lavó y agregó safranina al 0,25% por 10 seg. Finalmente se lavó y se secó la preparación para ser observada al microscopio. 18 4. RESULTADOS 4.1. Determinación del crecimiento de las cepas celulolíticas a distintas concentraciones en las épocas de invierno y primavera. Cuantitativamente el crecimiento de las colonias de las cepas celulolíticas se determinó de acuerdo al punto 3.2.4 de Material y Métodos. En la Tabla 1, se muestra el promedio de tres mediciones realizadas a cada colonia. Tabla 1. Medición de las colonias de las cepas bacterianas recolectadas en invierno y primavera, determinado en agar celulosa a dos concentraciones (5 y 35%). Cepas Invierno 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Agar celulosa en porcentaje (%) 5 35 A L A L (mm) (mm) (mm) (mm) 4,4 4,9 5,4 5,7 1,0 0,7 1,0 0,8 2,8 3,3 0,7 0,7 4,5 6,2 1,4 1,6 4,4 5,5 1,1 1,3 5,6 6,0 1,1 1,9 3,7 5,2 1,3 1,5 4,2 5,3 1,9 2,0 5,4 6,1 1,5 1,6 2,2 3,3 1,6 1,7 AC = agar celulosa. A = ancho. L = largo. Cepas Primavera 1’ 2’ 3’ 4’ 5’ 6’ 7’ 8’ 9’ 10’ Agar celulosa en porcentaje (%) 5 35 A L A L (mm) (mm) (mm) (mm) 4,1 4,2 4,3 5,8 2,0 2,0 2,5 3,3 5,7 6,6 2,0 2,4 4,2 5,4 3,2 3,7 4,0 5,0 1,6 1,6 4,7 5,6 4,2 4,4 4,6 5,2 1,4 1,6 4,0 4,9 2,0 2,3 4,4 5,3 0,7 0,8 5,4 6,4 2,2 2,8 19 En la Tabla 1, matemáticamente se observa que para los tamaños de las colonias existen diferencias, tanto a las concentraciones de AC ensayadas (5 versus 35%), como al origen de la cepa bacteriana en cuanto a época se refiere (invierno y primavera). Por ejemplo, para la cepa 1 al comparar el ancho promedio de las colonias en AC al 5% (4,4 mm) versus el obtenido al 35% (1,0mm), la diferencia es de 3,4 mm a favor del crecimiento a 5%, es decir a una concentración de 5% de celulosa se obtuvieron siempre colonias de mayor ancho y largo. Si se comparan los resultados a una misma concentración pero de acuerdo a la época de muestreo de la colonia, así se tiene que, el ancho de algunas colonias obtenidas en invierno a una concentración de un 5%, se les determinaron los menores anchos (3,7; 2,8 y 2,2 mm) versus la totalidad de las cepas de primavera cultivadas a la misma concentración de celulosa. Para mayor información ver Anexo 7.1 y 7.2 En la Figura 6 se muestran los valores obtenidos de acuerdo al crecimiento de las colonias bacterianas, sometidas a distintas concentraciones de celulosa de acuerdo a las Colonias bacterianas épocas de la recolección de muestras (invierno y primavera). 180 160 140 120 Invierno 100 Primavera 80 60 40 20 0 2%AC 5%AC 10%AC Concentracionesde celulosa 15%AC 35%AC Figura 6. Crecimiento de las colonias bacterianas recolectadas en dos épocas del año (invierno y primavera) sometidas a diversas concentraciones de celulosa. AC = agar celulosa. 20 En la Figura 6, se observa que la concentración de celulosa es un factor que limita el crecimiento de las colonias bacterianas, se observa una disminución gradual la mayor cantidad de colonias (168 = 100 %) se obtuvo en agar celulosa (AC) al 2% mientras que la menor cantidad de colonias (10 = 6.0 %) se obtuvo en AC al 35%, para ambas épocas de muestreo. Para mayor detalle ver anexo 7.3. 4.2. Determinación taxonómica de bacterias celulolíticas hasta el rango género. En la Tabla 2 se indican los géneros bacterianos los cuales se afiliaron las 20 cepas que crecieron a una concentración de celulosa de 35% en AC. Como se puede observar en la Tabla 2 la distribución de las 20 cepas bacterianas, se restringió a tres géneros, a saber: Bacillus (bacilos Gram positivos esporulados, catalasa positiva), Pseudomonas y Zooglea (bacilos Gram negativos, no esporulados, catalasa positiva o débilmente positiva). El mayor número de cepas (17) pertenece al género Zooglea y el menor número de cepas (1) a Bacillus. 21 Tabla 2. Géneros bacterianos asignados a las cepas cultivadas en AC a 35% Numero de cepa Género bacteriano 1 Bacillus 2 Zooglea 3 Zooglea 4 Zooglea 5 Zooglea 6 Zooglea 7 Zooglea 8 Zooglea 9 Zooglea 10 Zooglea 11 Zooglea 12 Zooglea 13 Zooglea 14 Pseudomonas 15 Zooglea 16 Zooglea 17 Zooglea 18 19 Pseudomonas Zooglea 20 Zooglea AC = agar celulosa 22 4.2.1 Características de las taxas determinadas a) Bacillus: Bacilos rectos de 0,3 – 2,2 x 1,2 – 7,0 um. Forman endosporas como estructura de resistencia. Gram positivos. Movilidad por flagelos. Quimiorganótrofos. Metabolismo tipo respiratorio ó fermentativo, oxígeno como aceptor terminal de electrones, en algunas especies puede ser reemplazado por el nitrato. Catalasa positiva, oxidasa negativa. Crecen a un óptimo de 25 °C. Son considerados saprofitos. Distribuidos en suelos, aguas dulces y salada. (Buchanan et al., 1974) b) Pseudomonas: Bacilos rectos o curvos de 0,5 – 1 x 1,5 – 4 um. No forman estructuras de resistencia. Gram negativos. Movilidad ocurre por flagelos polares. Quimiorganótrofos. Metabolismo tipo respiratorio no fermentativo, oxígeno como aceptor terminal de electrones. Algunos pueden utilizar el nitrato como aceptor de electrones. Catalasa positiva, oxidasa positiva o débilmente negativa. Crecen en un óptimo de 30 °C. Distribuidos ampliamente en suelos, agua dulce y salada mineralizando materia orgánica. (Buchanan et al., 1974) c) Zooglea: Bacilos de 0,5 – 1,0 x 1,0 x 3,0 um. Gram. negativos, sin estructuras de resistencia. Movilidad por un único flagelo polar. Quimiorganótrofos. Metabolismo tipo respiratorio no fermentativo, oxígeno ó nitrato como aceptor terminal de electrones. Catalasa débilmente positiva, oxidasa positiva. Crecen en un óptimo de 28 – 37 °C. Colonias sin pigmentos, capaces de formar flóculos. Distribuidos de manera libre en aguas dulces y residuales. (Buchanan et al., 1974) 23 5. DISCUSION 5.1. Evaluar la actividad microbiana de las cepas celulolíticas a diferentes concentraciones de celulosa. Al comparar los resultados obtenidos en el punto 4.1, Figura 6 se determinó el crecimiento de las colonias bacterianas en dos épocas del año (invierno y primavera) sometidas a diversas concentraciones de celulosa, donde al inicio del muestreo se obtuvo la mayor presencia colonias (168=100%) al 2% en agar celulosa (AC) para cada época de muestreo, al ir aumentando paulatinamente la concentración del sustrato se observó una baja considerable en la presencia de colonias al 5%, (85=50,6% en invierno y 90=53,6% para primavera) 10%, (66=39,3% y 68=40,4%) 15%, (30=17,9% y 35=20,8) y por último al 35% en AC (10= 6% para ambas épocas). Lo que señala que no existen diferencias al comparar el crecimiento de colonias bacterianas de acuerdo a las épocas de muestreo. Según los resultados, en el punto 4.1, Tabla 1 se determinó el crecimiento de diez colonias de cepas celulolíticas que lograron crecer a una concentración de 35% en agar celulosa (AC) para las épocas de invierno y primavera. El crecimiento de las colonias bacterianas a una concentración de 5% en AC se estimó sobre los 4 mm en cuanto al ancho y por sobre los 5 mm en cuanto a largo, con excepción de las cepas 3 (2,8 x 3,3 mm) y 10 (2,2 x 3,3 mm), que no superaron estos valores. Considerando estos resultados y comparándolos con los obtenidos por Mikán y Castellanos (2004), donde el crecimiento de las cepas bacterianas al 2% en Carboximetilcelulosa (CMC), no superaron los 3 mm tanto de ancho como largo, se puede determinar que las colonias 24 bacterianas seleccionadas cuentan con una buena capacidad para degradar e hidrolizar la celulosa. Otro estudio realizado por Ortiz-Caro et al (2010), obtuvo un crecimiento de las colonias bacterianas sobre los 7 mm de largo como ancho en CMC. Si bien estos resultados son inferiores a los obtenidos en el presente ensayo en cuanto al largo de las cepas bacterianas celulolíticas, hay que tener en cuenta que la medición de estas colonias se realizó al 5% en AC, por ende si las mediciones se hubieran realizados al 2% en AC se podría haber estimado un crecimiento similar o superior a los obtenidos por Ortiz-Caro et al (2010). Por otra parte, al realizar una comparación en cuanto al crecimiento en AC 5 y 35% se pudo determinar que al aumentar drásticamente la concentración de celulosa el crecimiento de las colonias bacterianas se vio perjudicado por la saturación del medio, como es el caso de todas las cepas ensayadas para ambas épocas de muestreo. Por ejemplo en el caso de la cepa 1, donde al comparar el ancho promedio de la colonia en AC al 5% (4,4 mm), versus el obtenido al 35% (1,0 mm), se encontró diferencias de 3,4 mm a favor del crecimiento al 5% de celulosa. De acuerdo a esto Wierzba y Nabrdalik (2007) da a entender que la gran actividad celulolítica de ciertas especies se explica por la alta capacidad de sintetizar enzimas (como celulasas) que llevan a cabo la hidrólisis de la celulosa y otros polisacáridos. Además propone que la eficacia y la descomposición de la celulosa depende de la cantidad y la calidad de las bacterias empleadas. Esto indica que al aumentar la concentración del sustrato las colonias bacterianas privilegian la síntesis de exoenzimas en vez del crecimiento de las colonias como tal; sería de gran importancia profundizar en estudios posteriores en la medición, tanto de los halos de degradación como la determinación de la actividad de las celulasas, para poder determinar con mayor exactitud si las colonias bacterianas aisladas presentan un potencial en cuanto a producción de enzimas celulolíticas. Cabe señalar que existe muy poca información en cuanto a degradación de celulosa en medios 25 saturados. Autores como Castillo-Vázquez et al (2011), Mikán y Castellanos (2004), Ortiz-Caro et al (2010) y Wierzba y Nabrdalik (2007), realizaron estudios donde sólo se determinó el crecimiento de las cepas bacterianas a un 2% en CMC, haciendo difícil comparar los resultados a un 35% en AC. 5.2. Taxonomía de las bacterias celulolíticas aisladas desde muestras de agua. En el presente estudio, las 20 cepas bacterianas aisladas desde medios con un 35% de celulosa se clasificaron taxonomicamente en 3 géneros de acuerdo al Manual de Bergey’s de 1974. Siendo el género Zooglea el más frecuente (17), en una nueva revisión bibliográfica realizada según Dworkin et al (2006) este género todavía se encuentra vigente siendo considerados dentro de la familia Pseudomonaceae, creciendo en ambientes acuáticos generalmente en aguas residuales industriales y domiciliarias, ricas en oxígeno y nutrientes orgánicos removiéndolos y degradándolos a productos inocuos. Sin embargo Botello et al (2005); Dworkin et al (2006) y Mafla (2011) señalan que en aguas costeras están encargadas de la formación de lodos, encontrándolos en una masa bacteriana denominada flóculos o matriz zoogleal. Si bien no se a logrado encontrar estudios de la participación del género Zooglea en la degradación de celulosa en ambientes acuáticos. El presente ensayo propone que es posible aislar este género y que como tal es un excelente degradador de celulosa en ambientes acuáticos, por lo que sería de vital importancia profundizar en estudios posteriores en una descripción taxonómica más minuciosa sobre este género puesto que solo se conoce su participación en aguas residuales contaminadas. 26 Los géneros determinados como Bacillus (1) y Pseudomonas (2) en el presente estudio coinciden con los estudios realizados por Díaz et al., (2007), Heck et al., (2002), Viviano et al.,(2011) y Wierzba y Nabrdalik (2007) donde se logró aislar y determinar la capacidad celulolítica de estos géneros bacterianos en muestras de agua. 27 6. CONCLUSIONES De acuerdo a los resultados presentados y discutidos se desprenden las siguientes conclusiones: 1. Independiente de la estación de muestreo, del tipo de muestra de agua y de la época de recolección, es posible aislar desde aguas del río Calle-Calle, sector Pishuinco, bacterias celulolíticas. 2. Del total de las cepas bacterianas (336) para ambas épocas, el 52% de la cepas se consideran celulolíticas logrando crecer a un 5% de celulosa, mientras que sólo el 6% de la muestra se considera celulolíticas a un 35% de celulosa. 3. El mayor crecimiento de las colonias de las cepas bacterianas se obtuvo a una concentración al 5% en agar celulosa, obteniendo crecimientos sobre 4 mm de ancho y sobre 5 mm en cuanto a largo. 4. Taxonómicamente, las cepas bacterianas celulolíticas se afiliaron a tres géneros correspondientes a Bacillus, Pseudomonas y Zooglea. De acuerdo a lo indicado la hipótesis de trabajo se rechaza ya que no fue posible aislar más de un 60% de cepas bacterianas celulolíticas. Sólo se pudo obtener un 52% en condiciones controladas de laboratorio. 28 7. BIBLIOGRAFIA. Barrera, C., Carlosama, P. & Flores, P. (2009). Aislamiento, selección y preservación de microorganismos celulolíticos a partir de residuos vegetales en compost generados en un cultivo crisantemo. Proyecto de Microbiología Industrial. Facultad de Ciencias Químicas. Universidad Central del Ecuador. 2-4p. Botello, A., Von Osten, J., Gold-Bouchot, G. & Agraz-Hernández, C. (2005). Golfo de México contaminación e impacto ambiental: diagnóstico y tendencias. Universidad Autónoma de Tabasco. 508p. Buchanan, R. & Gibbons, N. (1974). Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology. Editorial Baltimore. Williams & Wilkins. Philadelphia. USA. 217-252; 529538pp. Castillo-Vázquez, P., Ortiz-Caro, M., Nevárez-Moorillón, G., Quinteros-Ramos, A., Ballinas-Casarrubias, Ma., Paredes-Lopez, O., Calvillo, C. & Rascón-Cruz, Q. (2011). Caracterización de bacterias degradadoras de celulosa y almidón. Universidad Autónoma de Chihuahua. Facultad de Ciencias Químicas. 4-9 p. Consultora en ingeniería y desarrollo de proyectos en recursos naturales, energía y transporte. (CADE-IDEPE). (2004). Diagnostico y clasificación de los cuerpos de agua según objetivos de calidad. Cuenca del río Valdivia. Gobierno de Chile. Ministerio de obras publicas. Dirección general de aguas. 8, 10, 22, 57pp. Carrillo, L. (2003). Microbiología Agrícola. Universidad Nacional de Salta Argentina. Capitulo 3. 3-8p. http://www.unsa.edu.ar/matbib (consultado el 22/06/2011). 29 Chávez- Pacheco, J., Martínez, S., Contreras, M. & Escamilla, E. (2004). Celulosa bacteriana en Glucanobacter Xylinum: Biosíntesis y aplicaciones. Revista especializada en Ciencias Químico-Biológicas, 7:18-25. Universidad Nacional Autónoma de México. Diaz-Borrego, L., Dupontt, J., Espina, K., Rincón, N. & Atencio, L. (2007). Utilización de sustratos orgánicos y resistencia a metales pesados por bacterias asociadas a Lemna spp. Boletín del centro de investigaciones biológicas. 41: 27-42p. Dworkin, J., Falkow, S., Rosenberg, E., Scheifler, K. & Stackebrandt, E. (2006). The Prokaryotes. Third Edition. Editorial Springer Science. New York. USA. Volumen 2: 579-585 y Volumen 7: 579-585. Dyer, K. (2001). Estuarine Circulation. Editorial University of Plymouth, UK. 852854p. Fuenzalida, K., (2006). Comparación cuali-cuantitativa de bacterias cromógenas aisladas de dos cuerpos de agua de la provincia de Valdivia. Tesis de grado para optar al Grado de Licenciado en Ciencias Biológicas. Facultad de Ciencias. Universidad Austral de Chile. 3-9, 16-18p. Gaitán, B. & Pérez, P. (2007). Aislamiento y evaluación de microorganismos celulolíticos a partir de residuos vegetales frescos y en composta generados en un cultivo de crisantemo (Dendranthema grandiflora). Pontificia Universidad Javierana. Bogotá. Colombia. 7-14p. 30 Google Earth. Software de imágenes satelitales. http://www.google.es/intl/es/earth/index.html. Fecha de consulta 30-09-2010. Guevara, C., Páez, A., Zambrano, M. (2003). Determinación de actividad celulolíticas y establecimiento de un consorcio bacteriano aislado de diferentes regiones y sustratos del país. Pontificia Universidad Javierana. Bogotá Colombia. 4p. Heck, J., Hertz, P. & Ayub, M. (2002). Cellulase and Xilanase production by isolated Amazon Bacillus strains using soybean industrial residue based solid-state cultivation. Brazilian Journal of Microbiology 33: 213-218p. Heldt, H. (1997). Plant Biochemistry and Molecular Biology Oxford University Press. 7p. Madigan, M., Martinko, J., Parker, J. (1998) Biología de los Microorganismos. Décima edición. Editorial Prentice Hall, Madrid, España. 145-147p. Mafla, X. (2010). Análisis y mejora de los procesos biológicos para la rehabilitación de la piscina de lodos activados (PLA) de la refinería estatal esmeraldas (REE). Departamento de ciencias de la vida ingeniería en biotecnología. Sangolquí. Ecuador. 4-10p. Maïmouna, C., Desnues, A., Bouvy, M., Sime-ngando, T., Verling, E. & Bettarel, Y. (2008). Effects of freshwater and seawater mixing on virio and bacterioplankton in tropical estuary. Freshwater Biology, 1154-1162 p. 31 Mejía, T., Mujica, F., González, A., Ortega, J., (2002). Protínas con afinidad a celulosa: una herramienta en biotecnologia. Avance y perspectiva. 21: 267-271 Mikán, J. & Castellanos, D. (2004). Screening para el aislamiento y caracterización de microorganismos y enzimas potencialmente útiles para la degradación de celulosas y hemicelulosas. Revista Colombiana de Biotecnología, 6: 58-71. Ortiz-Caro, M., Muñoz-Castellanos, L., Ballinas-Cassarrubias, L., Calvillo, C. & Rascón-Cruz, Q. (2010). Caracterización de bacterias degradadoras de celulosa. VII Congreso del noreste y III Nacional de Ciencias Alimentarias y Biotecnología. Universidad de Sonora. 98-99p. Ramírez, J. (2003) Línea base en calidad de agua para la cuenca del río Valdivia. Trabajo de titulación para optar al titulo de ingeniero de ejecución en ambiente. Departamento de ingeniería geográfica. Universidad de Santiago de Chile. 7-10p. Romaní, A., Artigas, J., Camacho, A., Graca, M. & Pascoal, C. (2009) Conceptos y técnicas en ecología fluvial. Ecología de la Universidad del País Vasco. 170p. Sigge, D., (2005). Freshwater microbiology: diversity and dynamic interaction of microorganisms in the freshwater enviroment. John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex PO19 8SQ, England 1-537p. Viviano, F., Medina, L., Ramos, N., Amaíz, L. & Valbuena, O. (2011). Degradación de celulosa por bacterias de aguas termale de Las Trincheras, Venezuela. Revista Latinoamericana de Biotecnologia Ambiental 2(1): 18-29p. 32 Wierzba, S. & Nabrdalik, M. (2007). Biodegradation of cellulose in bottom sediments of Turawa lake. Physicochemical Problems of Mineral Processing, 41: 227-235. 33 8. ANEXOS 8.1 Medición de las colonias de las cepas bacterianas recolectadas en invierno, determinado en agar celulosa a cuatro concentraciones (5, 10, 15 y 35%) Cepa 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 5% AC Diametro mm. Ancho Largo 4,4 5,4 4,9 5,7 2,8 3,3 4,5 6,2 4,4 5,5 5,6 6,0 3,7 5,2 4,2 5,3 5,4 6,1 2,2 3,3 10% AC Diametro mm. Ancho Largo 3,0 3,5 3,0 5,1 4,9 5,5 3,4 5,5 1,8 2,2 3,7 5,5 1,3 1,8 1,7 2,5 2,2 2,5 4,0 5,5 15% AC Diametro mm. Ancho Largo 4,8 5,7 5,2 5,7 3,8 4,0 5,3 5,5 3,6 4,0 3,2 3,5 7,1 7,7 3,7 4,0 3,8 4,2 3,8 4,1 35% AC Diametro mm. Ancho Largo 1,0 1,0 0,7 0,8 0,7 0,7 1,4 1,6 1,1 1,3 1,1 1,9 1,3 1,5 1,9 2,0 1,5 1,6 1,6 1,7 AC=agar celulosa 8.2 Medición de las colonias de las cepas bacterianas recolectadas en primavera, determinado en agar celulosa a cuatro concentraciones (5, 10, 15 y 35%) Cepa 1’ 2’ 3’ 4’ 5’ 6’ 7’ 8’ 9’ 10’ 5% AC Diámetro mm. Ancho Largo 4,1 4,3 4,2 5,8 5,7 6,6 4,2 5,4 4,0 5,0 4,7 5,6 4,6 5,2 4,0 4,9 4,4 5,3 5,4 6,4 AC=agar celulosa 10% AC Diámetro mm. Ancho Largo 1,2 2,1 3,0 3,2 3,8 4,3 3,8 4,0 1,0 1,8 2,4 2,5 3,6 4,3 2,5 3,2 3,6 4,7 3,2 3,9 15% AC Diámetro mm. Ancho Largo 3,8 4,7 1,9 2,2 2,6 3,3 1,0 1,3 0,9 1,6 1,8 3,1 3,4 3,6 2,6 3,2 1,8 2,0 1,3 1,5 35% AC Diámetro mm. Ancho Largo 2,0 2,5 2,0 3,3 2,0 2,4 3,2 3,7 1,6 1,6 4,2 4,4 1,4 1,6 2,0 2,3 0,7 0,8 2,2 2,8 34 8.3 Porcentaje total de cepas bacterianas obtenidas a distintas concentraciones de celulosa en dos épocas de muestreo (invierno y primavera). Número de Colonias acorde a las épocas del año (muestreos) Concentración de agar celulosa (AC) 2% 168 5% 85 10% 15% 35% Invierno (100%) 168 (50,6%) 90 66 (39,3%) 30 (17,9%) 10 (6,0%) Primavera Porcentaje promedio (100%) 100% (53,6%) 52,1% 68 (40,5%) 39,9% 35 (20,8%) 19,4% 10 (6,0%) 6,0% AC= agar celulosa