Impacto del petróleo en la distribución y biomasa de las cianobacterias en ecosistemas naturales y artificiales

Abstract

En el presente trabajo se ha estudiado el efecto del petróleo en las cianobacterias, bacterias fototróficas oxigénicas que forman las poblaciones dominantes de los tapetes microbianos. Se trata de ambientes bentónicos estratificados situados en costas litorales y que se encuentran en ocasiones expuestos a los vertidos accidentales de petróleo. El papel de las cianobacterias en la bioreparación del crudo es un tema que suscita mucho interés, aunque no se han dado, hasta el presente momento, datos concluyentes sobre si la degradación del petróleo se produce exclusivamente por un tipo de cianobacteria o por un consorcio de microorganismos.<br/>Considerando el objetivo anteriormente expuesto, se ha analizado la diversidad, y determinado los perfiles de biomasa individual y total de las cianobacterias, mediante microscopio láser confocal (CLSM) en los ambientes naturales contaminados y no contaminados por petróleo (delta del Ebro, Salins-de-Giraud, Colònia de Sant Jordi, Waulkmill bay, Swanbister bay y Etang de Bêrre) y en ecosistemas artificiales (mesocosmos). <br/>Así mismo, se ha aislado e identificado un consorcio de microorganismos con capacidad para degradar el petróleo.<br/>En los tapetes microbianos estudiados, se observan cambios tanto en la diversidad de las cianobacterias, como en su biomasa total. En los ambientes no contaminados se han identificado cianobacterias filamentosas como Microcoleus chthonoplastes, Oscillatoria sp., Lyngbya sp., Limnothrix sp. y cianobacterias unicelulares como Gloeocapsa sp., Chroococcus sp., Synechocystis sp., localizándose la concentración máxima de biomasa total principalmente en la capa óxica de los tapetes. En los ecosistemas poco contaminados, se han identificado principalmente cianobacterias unicelulares correspondientes al grupo Pleurocapsa, siguiendo la biomasa total de estos microorganismos un perfil parecido al de los ambientes anteriormente mencionados. En los muy contaminados, se identificaron exclusivamente cianobacterias del tipo filamentoso, observándose una reducción de la biomasa total a lo largo del tapete.<br/>En los ecosistemas artificiales (mesocosmos), las cianobacterias del tipo unicelular se detectaron solo en los contaminados por petróleo (aunque a muy baja concentración de biomasa), mientras que Microcoleus chthonoplastes fue la cianobacteria dominante, tanto en las muestras control, como en las contaminadas por el crudo.<br/>Dada la ubicuidad de esta cianobacteria en los diferentes tipos de ambientes estudiados, y por su reconocido papel en la estabilización de los sedimentos, el objetivo anterior se complementó con un análisis de la distribución de los perfiles de biomasa de este microorganismo durante un ciclo día-noche en los tapetes microbianos de Salins-de-Giraud. El estudio demostró la versatilidad metabólica de esta cianobacteria, al presentar máximos de biomasa, en capas sometidas a parámetros ambientales muy distintos: presencia de luz y O2 (31.22 mgC/cm3 de sedimento), presencia de luz y H2S (28.91 mgC/cm3 de sedimento).<br/>Finalmente, uno de los principales objetivos del trabajo, fue el aislamiento de Microcoleus sp. en cultivos de laboratorio para analizar el efecto sobre el crecimiento de este microorganismo, de dos tipos de petróleo: el Casablanca (con alto contenido de hidrocarburos alifáticos) y el Maya (rico en azufre y en compuestos aromáticos) y muy tóxico. A partir de dichos cultivos se aisló un consorcio de microorganismos, al que se denominó Microcoleus consorcio.<br/>La caracterización de este consorcio, se realizó utilizando técnicas microscópicas de alta resolución. El CLSM, permitió caracterizar e identificar a la cianobacteria filamentosa, mientras que la caracterización de las bacterias heterotróficas que formaban parte del consorcio, se realizó mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM) y de barrido (SEM). La identificación de las bacterias antes mencionadas se efectuó además mediante técnicas moleculares (Reacción en Cadena de la Polimerasa-Electroforesis en Gel de Gradiente Desnaturalizante). <br/>Los resultados obtenidos mostraban que el consorcio estaba formado por una cianobacteria, Microcoleus chthonoplastes y diferentes bacterias heterotróficas incluidas en la envuelta de exopolisacáridos de la cianobacteria. Las bacterias heterotróficas identificadas, fueron en su mayoría fijadoras de nitrógeno y pertenecían a diferentes grupos filogenéticos como a las ?, ? y ?, subclases de Proteobacteria, y al grupo CFB.<br/>Es importante mencionar, que el análisis químico del petróleo, después del crecimiento del consorcio, demostró que éste degradaba el crudo Maya; principalmente los alquiltianos, alquiltiolanos y carbazoles, lo que podría tener un gran interés en estudios futuros de ecotoxicidad.

The present work studies the effect of oil on cyanobacteria, oxygenic phototrophic bacteria that form the dominant populations of microbial mats. These are stratified benthonic environments located in coastal sites and that are sometimes exposed to accidental oil spills. The role of the cyanobacteria in the biorepair of oil is an issue that has raised considerable interest, although to date no conclusive data has been forthcoming on whether the degradation of oil is exclusively produced by a given cyanobacterium or by a consortium of micro-organisms.<br/>Bearing in mind the objective raised above, we have analysed the diversity and determined the profiles of individual and total cyanobacteria biomass, through confocal laser microscopy (CLSM), in natural environments (the Ebro delta, Salins-de-Giraud, Colònia de Sant Jordi, Waulkmill bay, Swanbister bay and Etang de Bêrre) and in artificial environments (mesocosms). <br/>At the same time, we have isolated and identified a consortium of micro-organisms capable of degrading oil.<br/>In the microbial mats studied, changes are observed both in the diversity of the cyanobacteria and in their total biomass. In the non-polluted environments, we have observed filamentous cyanobacteria such as Microcoleus chthonoplastes, Oscillatoria sp., Lyngbya sp., Limnothrix sp. and unicellular cyanobacteria such as Gloeocapsa sp., Chroococcus sp., Synechocystis sp., situating the maximum concentration of total biomass basically in the oxic layer of the mats. In those environments that are only slightly polluted, we have principally identified unicellular cyanobacteria corresponding to the Pleurocapsa group, the total biomass of these micro-organisms following a profile similar to that of the above-mentioned environments. In heavily polluted environments, we exclusively identify cyanobacteria of the filamentous type, observing a reduction in total biomass throughout the mat.<br/>In artificial ecosystems (mesocosmos), unicellular type cyanobacteria are only detected in oil contaminants (although at very low biomass concentrations), whilst Microcoleus chthonoplastes was the dominant cyanobacterium, both in control samples as well as in oil contaminants.<br/>Given the ubiquity of this cyanobacterium in the various environment types studied, and because of its recognised role in sediment stabilization, our earlier objective has been complemented with an analysis of the biomass-profile distribution for this micro-organism during the day-night cycle in the Salins-de-Giraud microbial mats. The study demonstrated the metabolic versatility of this cyanobacterium, on showing biomass maximums, in those layers subjected to very distinct environmental parameters, namely, the presence of light and O2 (31.22 mgC/cm3 of sediment), the presence of light and H2S (28.91 mgC/cm3 of sediment).<br/>Finally, one of the principal objectives of this work was that of isolating Microcoleus sp. In laboratory cultures so as to analyse the effect on the growth of this micro-organism of two types of oil: Casablanca (with a high content of aliphatic hydrocarbons) and Maya (rich in sulphur and aromatic compounds) and highly toxic. On the basis of these cultures, a consortium of micro-organisms was then isolated, which was given the name of the Microcoleus consortium.<br/>The characterization of this consortium was undertaken by high-resolution microscope techniques. CLSM allows the characterization and identification of the filamentous cyanobacterium, whilst characterization of the heterotrophic bacteria that formed part of the consortium was undertaken by transmission-electronic microscopy (TEM) and sweep microscopy (SEM). Identification of the above-mentioned bacteria was additionally carried out through molecular techniques (Polymerase-Electrophoresis Chain Reaction in Denaturalizing Gradient Gel). <br/>The results obtained show that the consortium was formed by a cyanobacterium, Microcoleus chthonoplastes, and different heterotrophic bacteria included within the exopolisaccharide sheath of the cyanobacterium. The heterotrophic bacteria identified were, in their majority, nitrogen fixers belonging to different phylogenetic groups such as ?, ? and ? subclasses of Proteobacteria and the CFB group.<br/>It is of importance to observe that the chemical analysis of oil, after the growth of the consortium, showed that the consortium degraded the Maya oil, principally alkylthiolanes, alkylthianes and carbazoles, which could be of considerable interest to future studies of ecotoxicity.