Biodegradación de HAPs durante la biorremediación aeróbica de suelos contaminados con hidrocarburos del petróleo. Análisis de poblaciones bacterianas y genes funcionales

Abstract

[spa] La contaminación de suelos con derivados del petróleo es un problema a nivel mundial, especialmente en los países productores y exportadores de crudo, teniendo consecuencias muy perjudiciales para el medio ambiente y la salud humana. Una de las mejores alternativas de remediación de suelos es la aplicación de métodos biológicos, como la biorremediación, por tratarse de una tecnología amigable con el medio ambiente y por sus menores costos en comparación con técnicas físicas y químicas. La presente Tesis Doctoral tiene como objetivo estudiar las poblaciones y los procesos microbianos implicados en la biodegradación ambiental de hidrocarburos en suelos contaminados con mezclas petrogénicas sometidas a biorremediación, especialmente sobre aquellos relacionados con los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAPs) y sus derivados metilados. Para ello, se ha utilizado como modelo el suelo procedente de un emplazamiento contaminado con gasoil y aceites hidráulicos pesados de la comunidad de Madrid sometido a biorremediación mediante tratamiento en biopilas aerobias estáticas on site. De esta forma, se ha analizado el destino de los HAPs, mediante su cuantificación y la detección de posibles productos de su oxidación parcial por GC-MS, y los cambios en la estructura de las comunidades bacterianas implicadas a lo largo del tratamiento, mediante la utilización de técnicas dependientes de cultivo y de ecología microbiana molecular, como la pirosecuenciación de librerías de ADNr 16S. Por otro lado, en incubaciones de este suelo a nivel de laboratorio, se han analizado, a nivel filogenético y funcional, las poblaciones implicadas en la degradación de las distintas fracciones de hidrocarburos del crudo de petróleo, y las posibles interacciones entre ellas. Para ello, se han establecido microcosmos en los que la microbiota nativa del suelo se ha expuesto a la presencia de fracción alifática (F1), fracción aromática (F3) y ambas en conjunto (F1F3). Se ha correlacionado el grado de degradación de alcanos, HAPs y, especialmente, de sus distintas familias de derivados metilados, con los cambios observados en la estructura (PCR-DGGE y pirosecuenciación del ADNr 16S) y la función (detección de genes funcionales y microarrays) de las comunidades bacterianas implicadas en su degradación a lo largo del tiempo. Los resultados obtenidos ofrecen una idea del comportamiento de las comunidades bacterianas ante la degradación de las distintas fracciones del petróleo, mostrando el efecto sinérgico de la presencia de alcanos sobre la degradación de HAPs, que no puede atribuirse únicamente al incremento de la biodisponibilidad. Al contrario, sería el resultado de la suma de distintos factores: el crecimiento inespecífico de poblaciones degradadoras a partir de subproductos de la degradación de los alcanos, el crecimiento específico de poblaciones degradadoras de alcanos y HAPs, y posibles fenómenos de cometabolismo de las poblaciones degradadoras de alcanos sobre los alquil-HAPs.

[eng] Soil contamination with crude oil derivatives is a worldwide problem, especially for oil producing and exporting countries, having very adverse consequences for the environment and human health. Bioremediation, consisting in the exploitation of the natural microbial biodegradation processes, is a cost effective and environmentally friendly alternative to traditional physical and chemical techniques for the restoration of polluted soils. This Thesis aims to study the microbial populations and processes involved in the biodegradation of hydrocarbons, especially polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and their alkyl-derivatives, in oil-polluted soils. For this purpose, we analyzed a real industrial soil polluted with oil derivatives, diesel and heavy hydraulic oils, from a site in the Community of Madrid that was submitted to on site bioremediation through large scale aerobic biopiles. We have analyzed the fate of PAHs, by determining their concentration and the formation of oxidation products (GC-MS), and followed the changes in bacterial community structure throughout the treatment, by using culture-dependent and molecular microbial ecology techniques, such as 16S rDNA barcoded pyrosequencing. In a second phase, soil microcosms were set up at the laboratory to investigate the bacterial populations involved in the degradation of the aliphatic and the PAH fractions from a crude oil, and the possible interactions between them. The results permitted to correlate degradation of alkanes, and of different PAHs families with changes in the community structure from a phylogenetic (PCR-DGGE and 16S rDNA pyrosequencing) and functional (detection of functional genes and microarrays) point of view. The results showed that the presence of alkanes has a synergistic effect in the degradation of PAHs, accelerating their degradation rates and increasing the extension of degradation at the end. This effect could not be attributed solely to an increase in bioavailability, but would be the result of the sum of several factors including the unspecific growth of PAH-degrading populations on the extra carbon provided though alkane degradation byproducts, the growth of specific populations able to degrade both alkanes and PAHs, and possible cometabolic actions of alkane-degrading populations on alkyl-PAHs.