Poblaciones microbianas en ambientes extremos contaminados con arsénico y mercurio

Zusammenfassung

Previamente al abandono de la minería de mercurio, la provincia montañosa de Asturias, localizada en el norte de España, se encontraba entre las regiones productoras de mercurio más importantes del mundo. El alto contenido de arsénico de los minerales de mercurio locales, unido a la extracción y producción a gran escala de este metal, provocaron importantes contaminaciones en una serie de antiguos distritos mineros, siendo el sitio de extracción y fundición denominado “El Terronal”, localizado cerca de la ciudad de Mieres, el más afectado. En este emplazamiento, grandes cúmulos de desechos ricos en arsénico y mercurio altamente tóxicos contribuyeron a la contaminación del suelo y el agua debido a la lixiviación por lluvias y dispersión por viento de óxidos de arsénico. Adicionalmente a esta contaminación, la presencia de altos niveles de contaminación por metales y metaloides puede conducir a una mayor incidencia de transferencia horizontal de genes de resistencia a estos elementos dentro de las comunidades microbianas, aspecto que también puede resultar en la transferencia conjunta con genes de resistencia a los antibióticos, convirtiendo el sitio contaminado en un reservorio de genes de resistencia a antibióticos. No obstante, desde un ángulo más positivo, evolucionar en condiciones tan extremas podría dar lugar a microorganismos con propiedades útiles para diversas aplicaciones biotecnológicas. En este trabajo se lleva a cabo un estudio de la microbiota, enfocada en las poblaciones microbianas y cepas bacterianas individuales, presente en los suelos y sedimentos de aguas subterráneas altamente contaminados del emplazamiento “El Terronal”, así como también aquellos microorganismos presentes en los ambientes extremos, tóxicos y oligotróficos correspondientes a los cúmulos de desechos. Para caracterizar las comunidades procarióticas, fúngicas y SAR en los suelos, sedimentos de aguas subterráneas y tres tipos diferentes de desechos (hollín rico en arsénico, residuos de condensadores de mercurio y polvo de chimenea), se llevó a cabo la secuenciación de amplicones de genes de ARNr 16S y ARNr 18S utilizando la tecnología de secuenciación por síntesis Illumina, con un análisis posterior de diversidad y taxonomía, así como también la reconstrucción metagenómica basada en el ARNr 16S. Los resultados revelaron la presencia de comunidades microbianas muy diversas en los suelos contaminados, semejantes a las encontradas en las muestras de polvo de chimenea, encontrándose menos diversidad en estas últimas. Las muestras de hollín ricas en arsénico mostraron una diversidad significativamente menor y estaban colonizadas principalmente por el filo Proteobacteria. La muestra de residuos de condensadores de mercurio, que representa el más extremo de los entornos muestreados, se encontraba conformada principalmente por el dominio Archaea. En contraste con las comunidades procariotas bien diferenciadas, las poblaciones de hongos y SAR de las muestras de hollín ricos en arsénico y de residuos de condensadores de mercurio eran muy similares. Los sedimentos de aguas subterráneas albergaban diversas poblaciones microbianas con poca similitud con las muestras de suelo y cúmulos de desechos. El estudio de las cepas bacterianas individuales se centró en las bacterias cultivables. Se identificaron 59 cepas aisladas mediante la secuenciación de sus genes de ARNr 16S y se caracterizaron con respecto a su resistencia a metales y metaloides (mediante técnicas de cultivo y biología molecular), su resistencia a antibióticos y según la capacidad para degradar y emulsionar hidrocarburos. Todas las cepas mostraron cierto grado de resistencia al arsénico y al mercurio, indicando la mayoría de ellas niveles muy altos de resistencia. El mecanismo de resistencia comúnmente empleado por estas bacterias fue la expulsión de As (III) fuera de la célula. Varias cepas manifestaron altos niveles de resistencia a los antibióticos, pero no se detectó correlación con la resistencia al arsénico o al mercurio. Varias cepas mostraron capacidad para degradar hidrocarburos o crearon emulsiones de hidrocarburos estables. Se seleccionaron diecisiete cepas que mostraban una alta resistencia a los metales y metaloides, alta resistencia a antibióticos, capacidad para degradar o emulsionar hidrocarburos o una combinación de esos rasgos, y se secuenciaron sus genomas mediante secuenciación shotgun Illumina. Los genomas resultantes se ensamblaron, anotaron y se utilizaron para la determinación de genes de resistencia al arsénico, mercurio y antibióticos. La expulsión de arsenito fue el método de detoxificación de arsénico más común. En un gran número de cepas se detectó el operón mer, implicado en la resistencia al mercurio. Adicionalmente, se encontraron diversos genes muy similares (pero no idénticos) a los genes conocidos de resistencia a los antibióticos, lo que sugiere un peligro potencial de transferencia horizontal de estos genes a bacterias clínicamente relevantes.