Caracterización de la respuesta metabólica y fisiológica en plantas y cianobacterias frente al estrés toxicológico provocado por la exposición a metales pesados y contaminantes emergentes

Los metales pesados representan una de las principales fuentes de contaminación ambiental debido a su persistencia en los ecosistemas y su toxicidad para los organismos vivos. Diversas técnicas de biorremediación han sido desarrolladas como alternativas sostenibles para mitigar su impacto. En este contexto, las cianobacterias se han propuesto como agentes biológicos eficaces, dada su notable capacidad para adsorber y acumular metales en su biomasa, lo que las convierte en una herramienta prometedora para la captación y eliminación de estos contaminantes en sistemas acuáticos. Por tanto, el primer capítulo de esta tesis se centra en el estudio de la cianobacteria de vida libre Oscillatoria sp. expuesta a Cd, Pb, Cu y Zn, con el objetivo de evaluar y comparar la eficiencia de remoción de cada metal, los mecanismos involucrados en la captación de iones divalentes y los efectos fisiológicos asociados a estos bioprocesos. Para tal fin, se obtuvieron cultivos puros de Oscillatoria sp. cedidos por productores locales, y se los subcultivó en condiciones controladas de laboratorio con el agregado de diferentes concentraciones (45 μM, 225 μM y 450 μM) de Cd, Pb, Cu y Zn, tanto en forma independiente como conjunta. Los efectos a nivel celular se evaluaron mediante la determinación de la tasa de crecimiento, la viabilidad, el daño oxidativo, y la concentración de pigmentos fotosintéticos, carbohidratos y proteínas solubles, utilizando métodos espectrofotométricos. Los resultados indicaron una reducción significativa en la biomasa acumulada de Oscillatoria sp. conforme aumentó la concentración de metales en el medio, siendo el Cd y el Cu los elementos más tóxicos. La viabilidad celular disminuyó progresivamente, especialmente frente a la exposición a concentraciones elevadas de los metales. Se detectó una reducción en la producción de clorofila y carotenoides, indicativo de un deterioro en la capacidad fotosintética de estos organismos autótrofos. Asimismo, se observó un incremento en la producción de malondialdehído, evidenciando un elevado grado de daño oxidativo a causa del estrés metálico. En cuanto a la capacidad de remoción de contaminantes del agua, en los cultivos de Oscillatoria sp. tratados con metales se evidenció una reducción de entre un 40% a un 95% en la concentración de iones metálicos, siendo la eficiencia dependiente del tipo de metal, su concentración y el tiempo de exposición. Se determinó que la biosorción superficial fue el mecanismo predominante, con una menor contribución de la bioacumulación intracelular. Estos hallazgos confirman que Oscillatoria sp. es un organismo altamente eficiente para la remoción de metales pesados en sistemas acuáticos. No obstante, esta capacidad puede verse limitada por la toxicidad inherente de cada metal y sus efectos a nivel celular, los cuales se intensifican conforme se acumulan, lo que podría restringir su aplicabilidad en escenarios de contaminación crónica o en sistemas de tratamiento operando a largo plazo. Sumado a la persistencia ambiental de los metales pesados, los derrames de hidrocarburos también representan otra grave amenaza ecológica, afectando tanto a la calidad del suelo, del agua, como a la biodiversidad presente en cada uno de estos ecosistemas. La fitorremediación con gramíneas se ha planteado como una estrategia biotecnológica viable para facilitar la eliminación de hidrocarburos de petróleo, gracias a la acción de los microrganismos que viven asociado al rizoma en distintas especies vegetales. Por ello, en el segundo capítulo de esta tesis se evaluó la capacidad del pasto Vetiver (Chrysopogon zizanioides) para la remoción de combustible diésel en muestras de suelo contaminadas artificialmente con esta mezcla de hidrocarburos, así como el impacto de la presencia de estos compuestos sobre la fisiología de la planta. Para ello, se establecieron ensayos con suelos contaminados con diferentes concentraciones de diésel (2,5%, 5% y 10% p/p). Se cultivaron plantas de Vetiver y se monitoreó su crecimiento mediante la determinación de la biomasa aérea, así como el efecto de la planta en la degradación de los hidrocarburos presentes en el suelo, evaluada mediante cromatografía gaseosa. Adicionalmente, se analizaron indicadores fisiológicos, tales como el contenido de clorofila, proteínas y carbohidratos solubles, para valorar el grado de afectación celular. Finalmente, se evaluó la actividad microbiana en la rizosfera mediante métodos enzimáticos. Los resultados mostraron que Vetiver es capaz de tolerar concentraciones moderadas de diésel sin provocar efectos adversos severos en su crecimiento. En suelos contaminados con 2,5% p/p de diésel, las plantas mostraron un desarrollo comparable al de los cultivos controles, mientras que a concentraciones más altas (5% y 10% p/p) se registró una reducción de 30% y 50%, respectivamente, en la biomasa aérea. Asimismo, se observó una disminución en el contenido de clorofila, sugiriendo un fuerte impacto en la actividad fotosintética. Además, se detectó un aumento en la producción de compuestos antioxidantes como respuesta al estrés oxidativo inducido por la presencia de hidrocarburos. En términos de remoción de diésel, Vetiver logró reducir hasta un 47% la concentración de hidrocarburos en suelos contaminados con 2,5% p/p de diésel en un período de 15 días. Esta degradación se vio favorecida por la actividad microbiana en la rizosfera demostrando que la interacción planta-microorganismo desempeña un papel clave en el proceso de fitorremediación. Por tanto, Vetiver demostró ser una especie con gran potencial para la remediación de suelos impactados con diésel. Su capacidad para estimular la actividad microbiana rizosférica y su tolerancia a la presencia de contaminantes recalcitrantes la convierten en una opción prometedora para la restauración de suelos degradados. Sin embargo, su eficiencia disminuye en suelos con altas concentraciones de hidrocarburos, por lo que se recomienda su aplicación en escenarios de contaminación moderada. En conclusión, los resultados de esta tesis demuestran que tanto Oscillatoria sp. como Vetiver poseen un alto potencial para la biorremediación de metales pesados e hidrocarburos, respectivamente. No obstante, los efectos fisiológicos adversos que experimentan estos organismos fotosintéticos pueden influir negativamente en su eficiencia de remoción. En este sentido, se recomienda continuar explorando estrategias de biorremediación que integren el uso de Oscillatoria sp. y Chrysopogon zizanioides en escenarios de contaminación real, donde las condiciones ambientales y la concentración de compuestos tóxicos suelen ser más variables y complejas que en el laboratorio.