Biorremediación de metales pesados en aguas y efluentes: bioprospección y generación de algas genéticamente modificadas
| dc.contributor.advisor | Pagani, María Ayelén | |
| dc.contributor.coadvisor | Gómez Casati, Diego Fabián | |
| dc.creator | Burdisso, María Lucía | |
| dc.date.accessioned | 2025-04-30T13:04:48Z | |
| dc.date.available | 2025-04-30T13:04:48Z | |
| dc.date.issued | 2024 | |
| dc.description.abstract | Las actividades humanas liberan metales al ambiente, y los métodos fisicoquímicos para separarlos presentan numerosas desventajas. Las algas son útiles debido a su rápido crecimiento, bajo costo y capacidad biorremediadora. Ésta última podría mejorarse sobreexpresando proteínas de unión a metales como las metalotioneinas (MTs) o las frataxinas. Hasta la fecha, se han identificado numerosas MTs en plantas, no así en algas. Los objetivos de esta tesis fueron generar y caracterizar microalgas con el fin de mejorar su capacidad quelante, e identificar nuevas secuencias de MTs de algas con potencial para la biorremediación. Se generaron líneas transgénicas de Chlamydomonas reinhardtii que expresan la MT de soja GmMT3 (CrGmMT3), la frataxina endógena (CrFH), y la frataxina de maíz en citosol (CrZmFH2) y en mitocondria (CrCoxZmFH2). Mediante ICP-MS, se observó que las líneas fueron capaces de acumular mayores cantidades de Cu y Zn comparadas con la cepa salvaje y fueron más eficientes en la acumulación de Fe, Zn, Ni, Mn y Cr provenientes de un lodo de desecho industrial. Los consorcios de las microalgas generadas mejoraron la eficiencia de biorremediación de las microalgas individuales, especialmente el consorcio V (CrGmMT3, CrZmFH2 y CrCoxZmFH2). Adicionalmente, las algas fueron inmovilizadas en esferas de alginato para facilitar el escalado. En general, la inmovilización mejoró la eficiencia biorremediadora y protegió a la biomasa. Con el objetivo de encontrar nuevas MTs con características útiles para ser usadas en biorremediación, se realizaron análisis bioinformáticos y se identificaron 124 nuevas posibles secuencias de MTs en los tres grupos de algas (Chlorophytas, Rodophytas y Ochrophytas). Estas secuencias se caracterizaron mediante redes de similitudes y alineamientos de secuencias, observándose heterogeneidad en su disposición, y patrones de distribucion de cisteínas que en general no se asemejan a los de las plantas, ni a otras MTs ya caracterizadas. Las MTs de Chlorophytas presentaron mayor heterogeneidad en sus secuencias que las de Rodophytas y Ochrophytas, que mostraron mayor similitud entre sí. En base a la prevalencia de Cys en las secuencias se seleccionaron cuatro posibles MTs de algas, correspondientes a Ectocarpus siliculosus (EsilMT1 y EsilMT2), a Auxenochlorella prototheicoides (AproMT) y a Galdieria sulphuraria (GsulMT), y se evaluaron sus preferencias y capacidad de unión a metales y resistencia a un agente pro-oxidante (H2O2). Se sintetizaron los complejos metal-MT in vivo en presencia de iones metálicos de estas proteínas y se caracterizaron por ICP-AES y ESI-MS. Los resultados mostraron que una mayor cantidad de residuos Cys aumenta la cantidad de iones Zn, Cd o Cu que pueden unir las proteínas. EsilMT1 demostró tener alta afinidad por Zn y Cu, afinidad intermedia por Cd y menor resistencia al H2O2 que las otras MTs. EsilMT2, presentó baja afinidad a metales, pero confirió resistencia al H2O2. AproMT, exhibió mayor afinidad por Zn e intermedia para Cd y Cu, aunque favoreció el crecimiento en presencia de éstos últimos o de H2O2. GsulMT mostró alta afinidad por Zn y Cd, creció bien en medios ricos en dichos metales o en presencia de H2O2, pero con baja afinidad por Cu y sin ventajas de crecimiento en su presencia. Esta tesis subraya el potencial de las microalgas, y las MTs de algas como estrategias prometedoras para la biorremediación de aguas contaminadas con metales. | |
| dc.description.abstract | Human activities release metals into the environment, and physicochemical methods for separation have numerous disadvantages. Algae are valuable microrganisms due to their rapid growth, low cost, and bioremediation capacity. This capacity could be enhanced by overexpressing metal-binding proteins such as metallothioneins (MTs) or frataxins. To date, numerous MTs have been identified in plants, but not in algae. The objectives of this thesis were to generate and characterize microalgae to improve their chelating capacity and identify new algal MT sequences that may be potentially useful for bioremediation. Transgenic lines of Chlamydomonas reinhardtii expressing soybean GmMT3 (CrGmMT3), endogenous frataxin (CrFH), and maize frataxin in the cytosol (CrZmFH2) and mitochondria (CrCoxZmFH2) were generated. By ICP-MS, it was observed that the lines were able to accumulate higher amounts of Cu and Zn compared to the wild-type strain and were more efficient in accumulating Fe, Zn, Ni, Mn, and Cr from industrial waste sludge. Consortia of the generated microalgae improved the bioremediation efficiency of the individual microalgae, especially consortium V (CrGmMT3, CrZmFH2, and CrCoxZmFH2). Additionally, algae were immobilized in alginate spheres for scaling up, which generally improved bioremediation efficiency and protected the biomass. To find new MTs for bioremediation, bioinformatic analyses were performed, and 124 new potential MTs sequences were identified in the three algal groups (Chlorophytas, Rhodophytas, and Ochrophytas). These sequences were characterized using similarity networks and sequence alignments, revealing heterogeneity in their arrangement, and cysteine (Cys) distribution patterns that in general do not resemble those of plants, nor other MTs already characterized. Chlorophyta MTs exhibited greater heterogeneity in their sequences than Rhodophyta and Ochrophyta MTs, which showed greater similarity to each other. Based on Cys prevalence in the sequences, four possible algal MTs were selected from Ectocarpus siliculosus (EsilMT1 and EsilMT2), Auxenochlorella prototheicoides (AproMT), and Galdieria sulphuraria (GsulMT). Their metal preferences, binding capacities, and resistance to a pro-oxidant agent (H2O2) were evaluated. In vivo metal-MT complexes were synthesized in the presence of metal ions of these proteins and characterized by ICP-AES and ESI-MS. Results showed that the greater the number of Cys residues, the higher the capacity of the proteins to bind Zn, Cd or Cu ions. EsilMT1 demonstrated high affinity for Zn and Cu, intermediate affinity for Cd, and lower H2O2 resistance than the other MTs. EsilMT2 had low affinity for metals but conferred tolerance to H2O2. AproMT exhibited high affinity for Zn and intermediate affinity for Cd and Cu, promoting growth in their presence or in the presence of H2O2. GsulMT showed high affinity for Zn and Cd, grew well in metal-rich media or in the presence of H2O2, but had low affinity for Cu and no growth advantages in its presence. This thesis emphasizes the potential of microalgae and algal MTs, as promising strategies for the bioremediation of metal-contaminated water. | |
| dc.description.fil | Fil: Burdisso, María Lucía. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas; Argentina. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/2133/29397 | |
| dc.language.iso | es | |
| dc.rights | embargoedAccess | |
| dc.rights.holder | Burdisso, María Lucía | |
| dc.rights.holder | Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas | |
| dc.rights.text | Atribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 (Argentina) | |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/ar/ | |
| dc.subject | Metales pesados | |
| dc.subject | Biorremediación | |
| dc.subject | Algas | |
| dc.subject | Metalotioneínas | |
| dc.title | Biorremediación de metales pesados en aguas y efluentes: bioprospección y generación de algas genéticamente modificadas | |
| dc.type | tesis | |
| dc.type.collection | tesis | |
| dc.type.other | tesis de doctorado | |
| dc.type.version | acceptedVersion |