Degradación de metil tert-butil éter (MTBE) y otros oxigenantes de la gasolina por hongos filamentosos Public Deposited
El amplio uso de compuestos oxigenantes (MTBE, ETBE, TAME y TBA) como aditivos de las gasolinas en varios países como México, permitió el cumplimiento de normas ambientales y tuvo efectos benéficos sobre la calidad del aire al reducir las emisiones de monóxido de carbono, hidrocarburos y óxidos de nitrógeno a la atmósfera. Sin embargo se ha asociado al MTBE en la contaminación de cuerpos de agua y aire ambiental, además de mostrar efectos negativos a la salud de animales y humanos. En el presente trabajo, se estudió y evaluó la utilización de hongos filamentosos para la biodegradación de los compuestos oxigenantes de la gasolina: MTBE, ETBE, TAME y TBA. En la primera etapa del estudio, se colectaron varias cepas puras de hongos filamentos así como algunos cultivos mixtos que contenían algún hongo. Se realizó una fase de adaptación en MTBE y TBA así como en otros sustratos (gasolina, tolueno, hexano y dietil éter, para evaluar la degradación potencial por cometabolismo del MTBE) en medios sólidos y líquidos para monitorear el crecimiento en estos sustratos. Una vez que se seleccionaron los cultivos que mostraron resultados positivos de crecimiento, se evaluó la biodegradación y la respiración (O2, CO2) en microcosmos con medios líquidos. Ninguna de las cepas puras de hongos filamentosos logró degradar alguno de los oxigenantes como única fuente de carbono ni por cometabolismo. Se obtuvo un cultivo mixto: consorcio H, compuesto por el hongo A. terreus y al menos una bacteria capaz de degradar MTBE (0.0026 mg/mL·h), TAME (0.0019 mg/mL·h), ETBE (0.0023 mg/mL·h) y TBA (0.0133 mg/mL·h) en cultivos líquidos, con rendimientos celulares muy bajos. La enzima responsable de la oxidación inicial del MTBE fue inducible por el propio oxigenante, y el rompimiento del enlace éter fue el paso limitante en su degradación. Los experimentos con antibióticos aportan evidencia de que la degradación fue debida principalmente al hongo A. terreus. El cultivo perdía la actividad degradativa si crecía en un medio rico como PDA o agar nutritivo. Un segundo cultivo mixto (consorcio UAMI), compuesto por un hongo filamentoso (no identificado) y al menos tres bacterias, degradaron MTBE (1.5 mg/g protinicial·h), TAME (1.8 mg/g protinicial·h) y TBA (3.4 mg/g protinicial·h) pero no ETBE. La ruptura del enlace éter fue el paso limitante en la oxidación del MTBE por este cultivo. Los experimentos con los organismos aislados del consorcio UAMI, muestran que la degradación del MTBE requiere la asociación simbiótica del hongo y al menos una de las tres bacterias aisladas. Ninguno de los organismos aislados fue capaz de degradar MTBE por separado. El TBA podría representar para este cultivo, un sustrato de propagación sin que se pierda la capacidad de degradación como en el caso de los medios ricos. Se obtuvo además un cultivo fúngico no axénico de Fusarium solani CBS 117476 capaz de degradar como única fuente de carbono y energía al MTBE (VmMTBE = 16.4 mg MTBE/g proteína·h, KmMTBE = 0.0015 mg/mL), TBA (VmTBA = 46.3 mg TBA/g, KmTBA = 0.082 mg/mL) y TAME (36 mg/g proteína·h) y pero no ETBE. La ruptura del enlace éter también es el paso limitante para la oxidación del MTBE por este cultivo. A la fecha solo hay un reporte de degradación de MTBE con un hongo filamentoso: Graphium sp., que degradó cometabólicamente al MTBE con n-butano a una velocidad de 1.85 mg MTBE/g proteína·h (0.35 nmol/mg proteína·min) (Hardison et al. 1997). Los rendimientos para TBA (0.36 g biomasa/g TBA) y MTBE (0.18 g biomasa/g MTBE) estuvieron dentro del rango de valores reportados en la literatura. Experimentos con MTBE marcado confirmaron que el cultivo mineraliza el 77% del carbono degradado a CO2. El hongo Fusarium solani CBS 117476 degradó los intermediarios de la degradación de MTBE: HIBA y MHP. En experimentos de crecimiento en sustratos alternativos se observó que Fusarium solani creció bien en etanol, pero cuando se incubó en MTBE o TBA la biomasa crecida en etanol, tendió a lisarse, aunque con el tiempo recuperó la actividad de degradación de MTBE y TBA. Se requieren estudios posteriores referentes a la propagación en etanol y TBA ya que la propagación de biomasa activa es uno de los pasos limitantes para la degradación de compuestos oxigenantes. Se recomienda complementar las técnicas de análisis de cromatografía de gases con algunas otras técnicas tales como HPLC que permitan el estudio de los metabolitos no volátiles en la fase acuosa, con el fin de establecer de modo más preciso la ruta de degradación de oxigenantes por los cultivos estudiados En este trabajo se mostró que la degradación de los oxigenantes de la gasolina: MTBE, ETBE, TAME y TBA como única fuente de carbono y energía, por cultivos fúngicos es factible, y su utilización en sistemas de remediación tales como la biofiltración para la eliminación de este tipo de compuestos, puede ser interesante.
The extensive use of oxygenated compounds (MTBE, ETBE, TAME and TBA) as additives of gasoline in many countries like Mexico, has improved the air quality by reducing the emissions of carbon monoxide, hydrocarbons and oxides of nitrogen to the atmosphere. Nevertheless, MTBE has been associated to contamination of drinking water and environmental air, besides showing negative effects to the health of animals and humans. In the present work, the use of filamentous fungi in the biodegradation of oxygenates of gasoline: MTBE, ETBE, TAME and TBA was evaluated. In the first stage of this study, several pure strains of fungi were collected as well as mixed cultures containing filamentous fungi. A phase of adaptation in MTBE and TBA as well as in other substrates (gasoline, toluene, hexane and diethyl ether, in order to evaluate the potential cometabolic degradation of MTBE) in solid and liquid media for monitoring the growth in these substrates was carried out. Once the selected cultures showed positive growth, biodegradation of oxygenates and respiration (O2, CO2) in microcosms in liquid media were evaluated. None of the filamentous fungi pure strains was able to degrade the oxygenates tested as a sole source of carbon and energy or by cometabolism. A mixed culture: consortium H, containing the fungus A. terreus and at least one kind of bacterium capable to degrade MTBE (0.0026 mg/mL·h), TAME (0.0019 mg/mL·h), ETBE (0.0023 mg/mL·h) and TBA (0.0133 mg/mL·h) in liquid media, with very low yields, was obtained. The enzyme responsible for the initial oxidation of MTBE was induced by the oxygenate and the breaking of the ether bond was the limit step in its degradation. The experiments with antibiotics contribute evidence that the degradation was mainly due to the fungus A. terreus. The culture lost its degradative activity after growing in rich media like PDA or nutritive agar. A second mixed culture (consortium UAMI), integrated for a filamentous fungus (not identified) and at least three bacteria, degraded MTBE (1.5 mg/g proteininitial·h), TAME (1.8 mg/g proteininitial·h) and TBA (3.4 mg/g proteininitial·h) but not ETBE. The rupture of the ether bond was the limit step in the oxidation of MTBE by this culture. Experiments with isolated organisms from consortium UAMI, showed that the degradation of the MTBE requires the symbiotic association of the fungus and at least one of the three bacteria. None of the isolated organisms was able to degrade MTBE separately. TBA could represent, for this culture, a propagation substrate without the capacity of degradation were lost, as in the case of rich media. A non-axenic fungal culture consisting of Fusarium solani CBS 117476 capable to degrade MTBE (VmMTBE = 16.4 mg MTBE/g protein·h, KmMTBE = 0.0015 mg/mL), TBA (VmTBA = 46.3 mg TBA/g protein·h, KmTBA = 0,082 mg/mL) and TAME (degradation rate = 36 mg TAME/g protein·h) as the sole source of carbon and energy but non ETBE, was obtained. The rupture of the ether bond also is the limit step for the oxidation of MTBE by this culture. There is only one reference that reports the degradation of MTBE with a filamentous fungus: Graphium sp.; this fungus degraded MTBE cometabolically with nbutane at 1.85 mg MTBE/g protein·h (0.35 nmol/mg protein·min) (Hardison et al. 1997). The yields for TBA (0.36 g biomass/g TBA) and MTBE (0.18 g biomass/g MTBE) were within the range of values reported in literature. Experiments with uniformly labeled [14C]MTBE confirmed that the culture mineralizes 77% of the degraded carbon to CO2. The fungus Fusarium solani CBS 117476 degraded the degradation intermediates of MTBE: HIBA and MHP. In experiments of growth in alternative substrates was observed that Fusarium solani grew well in ethanol, but when it was incubated in MTBE or TBA, the biomass grown in ethanol, showed some lyses, although with the time the culture recovered the degradation activity for MTBE and TBA. Later studies of propagation in ethanol and TBA are required since the propagation of active biomass is one of the limit steps for the degradation of oxygenates. It is recommended to complement the gases chromatography analysis techniques with some other techniques such as HPLC that allow the study of the nonvolatile metabolites in the liquid phase, in order to establishing more precisely the route of degradation of oxygenates by the studied cultures. In this work it was shown that the degradation of oxygenated compounds of gasoline: MTBE, ETBE, TAME and TBA as the sole source of carbon and energy, by fungal cultures is feasible, and their use in remediation systems such as biofiltration for eliminating this kind of compounds, could be interesting.
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