Capacidad de captura de cadmio y cinc por bacterias, microalgas y

REVISTA CUBANA DE CIENCIAS BIOLÓGICAS
http://www.rccb.uh.cu
ARTÍCULO ORIGINAL
Capacidad de captura de cadmio y cinc por bacterias,
microalgas y levaduras
Cadmium and zinc uptake capacity by bacterias, microalgae and yeasts
María Elena Carballo,1* A. Martínez,1 I. Salgado,1 I. Maldener,2 M. Álvarez,3 A. Boza,3
O.L. Collazo,3 T. Romero,4 M. Pérez5 y M. Cruz Arias1
Facultad de Biología
Universidad de La Habana
2 Universidad de Regensburg
Alemania
3 Facultad de Química
Universidad de La Habana
4 Centro de Investigaciones
Pesqueras
5 LABIOFAN
1
* Autor para correspondencia:
[email protected]
RESUMEN
La eliminación de metales pesados tóxicos presen-tes en soluciones acuosas
se ha realizado mediante el empleo de materiales biosorbentes procedentes
de fuentes microbianas, considerando las capacida-des que estas poseen
para la remoción de los iones metálicos. La realización de tamizajes microbianos, para determinar los niveles de captura de los meta-les, constituye la
base para encontrar biosorbentes adecuados con posibilidades de aplicación
en estos procesos, aspecto que ha constituido el objetivo del presente trabajo. La capacidad de captura de cadmio y cinc fue evaluada en diferentes
microorganismos tales como bacterias Gram positivas y Gram negati-vas,
fotótrofas, microalgas y levaduras. Los niveles de remoción de ambos metales fueron variables entre las cepas, lo cual indica diferentes capacidades de
captura de cadmio y cinc. Los mejores biosorbentes de los 64 microorganismos analizados fueron: aislados bacterianos CB-M4 y A-6, Pseudomonas
mendocina, Anabaena sp. PCC 7120, Anabaena variabilis ATCC 29413, Chloroglocopsis fritschii, Chaetoceros ceratosphorus, Tetraselmis suesica, aislados de microalgas CM3, CM5, CM6 y CMV y las cepas 10 y 12 de la levadura
Saccharomyces cerevisiae.
Palabras clave: metales pesados, cadmio, cinc, captura, microorganismos
ABSTRACT
Recibido: 2008-03-12
Aceptado: 2008-10-19
The elimination of toxic heavy metals present in wa-tery solutions has been
performed with the employ-ment of biosorbent materials coming from microbial sources, considering the capacities they have for the metallic ions
uptake. Microbial sivings to deter-mine metal uptake level is the base in order to find appropriate biosorbents for its application in this process, aspect
that has been the principal objective in the present work. The cadmium and
REVISTA CUBANA DE CIENCIAS BIOLÓGICAS
RNPS: 2362 • ISSN: 2307-695X • VOL. 1 • N.o 1 • AGOSTO— DICIEMBRE • 2012 • pp. 34-43
.
CAPTURA DE CADMIO Y CINC POR BACTERIAS, MICROALGAS Y LEVADURAS
35
MARÍA ELENA CARBALLO ET AL.
zinc uptake capacity was evaluated in different microorganisms such as
Gram positive and Gram negative bacterias, phototrophic bacteria, microalgae and yeasts. The capture levels of both metals were variable among the
strains, which indicate different uptake capaci-ties of cadmium and zinc. The
best biosorbents from 64 analyzed microorganisms were: isolated bacteria
CB-M4 y A-6, Pseudomonas mendocina, Anabaena sp. PCC 7120, Anabaena
variabilis ATCC 29413, Chloroglocopsis fritschii, Chaetoceros ceratospho-rus,
Tetraselmis suesica, isolated microalgae CM3, CM5, CM6 y CMV and the
strains 10 and 12 of the yeast Saccharomyces cerevisiae.
Keywords: heavy metals, cadmium, zinc, uptake, microorganisms
INTRODUCCIÓN
Una de las principales causas del deterioro del medio
ambiente lo constituye la contaminación con metales
pesados debido al nivel de toxicidad que ellos representan para la salud humana; lo cual se acentúa por
su persistencia en los ecosistemas y la acumulación en
los organismos, ya que se trata de compuestos que no
se biodegradan fácilmente (Cañizares-Villanueva;
2000; Martins et al., 2006). Entre los metales son el
cadmio y el cinc los que causan daños en actividades
biológicas vitales que pueden resultar irreversibles en
diferentes organismos (Tietzel y Parsek, 2003). Por
ejemplo, el Cd2+ produce graves lesiones en pulmones, riñones y en huesos (Sinott, 2001), así como en el
sistema nervioso (Navarro et al., 2006), y provoca
efectos carcinogénicos, embriotóxicos, teratogéni-cos
y mutagénicos (Majumder et al., 2003). El Zn2+ produce afectaciones en los sistemas digestivo y respiratorio y en la piel, y puede, incluso, presentar acción
carcinogénica (Navarro et al., 2006).
Tradicionalmente han sido empleados dife-rentes
métodos físico-químicos en la remoción de metales
pesados presentes en sistemas acuosos. Entre dichos
métodos se encuentran la oxidación y reducción, la
precipitación, la filtración, la separación por membranas, el tratamiento electroquímico y la evaporación.
Estos, en general, conllevan desventajas: se precisan
reactivos que no facilitan la recuperación del agente
activo para su posterior reutilización, y el producto
final generalmente es un lodo con alta concentración
de metales, lo que dificulta su eliminación y, en ocasiones, puede provocar otras contaminaciones (Deepa
et al., 2006).
Una solución más ecológica y económica a es-tos
problemas es la aplicación de la biotecnología ambiental y sus tecnologías de biorremediación, basadas
en la interacción de los microorganismos con los iones
metálicos, lo cual permite el sanea-miento de los ecosistemas contaminados con metales pesados (ElSayed y El-Morsy, 2004). Estos métodos emplean la
estructura química y las capacidades metabólicas de
la célula microbiana para transformar o inmovilizar los
iones metáli-cos, con lo que disminuye su impacto
ambiental. La inmovilización microbiana de los metales pue-de ocurrir a través de los procesos de biosorción (Ringot et al., 2006) y bioacumulación (Hussein et
al., 2004), mecanismos que le permiten a las especies
microbianas ser biosorbentes muy eficientes de metales solubles. Por tales motivos las tecnologías basadas
en los microorganismos constituyen una alternativa o
ayuda a las técnicas convencionales.
La potencialidad como biosorbentes de dife-rentes
especies de bacterias, levaduras, hongos filamentosos
y microalgas ha sido bien informada en la literatura
especializada (Suh y Kim, 2000; Pethkar, Gaikaiwari y
Paknikar, 2001). Estos sistemas biológicos que resultan de particular interés por el bajo costo y su carácter renovable, permiten la reducción del volumen de
lodos que deberán ser eliminados, poseen una alta
eficiencia en la detoxificación de efluentes y, en ocasiones, no requieren nutrientes.
Teniendo en cuenta estos aspectos, así como la
diversidad microbiana y las potencialidades de los
microorganismos para ser aplicados en el campo ambiental, este trabajo ha estado dirigido a evaluar la
capacidad de capturar los iones de cadmio y cinc en
diferentes biomasas microbianas.
MATERIALES Y MÉTODOS
Microorganismos
Fueron empleados los siguiente microorganismos:
bacterias Gram positivas (A2F, A2M, A2N, CBM6,
CBM7, CBM10, CBM11), Gram negativas (A1, A2, A3,
REVISTA CUBANA DE CIENCIAS BIOLÓGICAS
RNPS: 2362 • ISSN: 2307-695X • VOL. 1 • N.o 1 • AGOSTO— DICIEMBRE • 2012 • pp. 33-38
.
CAPTURA DE CADMIO Y CINC POR BACTERIAS, MICROALGAS Y LEVADURAS
36
MARÍA ELENA CARBALLO ET AL.
A4, A5, A6, A7, AN, CBM1, CBM2, CBM4) y seis microalgas (CM-M, CM-M1, CM-M3, CM-M5, CM-M6, CMV) aisladas del río Martín Pérez de La Habana, Cuba.
De la colección de cultivos del Departamento de Microbiología de la Facultad de Biología de la Universidad de La Habana se obtuvieron las especies Bacillus
thurigiensis, Bacillus cereus, Bacillus megaterium,
Staphylococcus aureus ATCC-25923, Micrococcus luteus, Pseudomonas mendocina, Pseudomonas aeruginosa, Serratia maercescens ATCC-14056, Escherichiacoli ATCC-8739, Enterobacter sp., Klebsiella pneumoniae ATCC-13883, Acetobacter diazotrophicus, seis
cepas de Saccharomyces cerevisiae –procedentes de
diferentes fuentes de aislamiento–, Rhodotorula sp.,
Schizosacharomyces sp. y Candida sp. De la colección
de cultivos del laboratorio de Fisiología Vegetal de la
Universidad de Regensburg en Alemania se obtuvieron las especies de Anabaena sp. PCC 7120, Anabaena variabilis ATCC 29413, Synechococcus sp. PCC
7942, Nodularia sphaerocarpa, Tolypothrixte-nuis,
Chloroglocopsis fritschii, Nostoc muscorum, Calothrix
sp., Scytonema bohneri y Nostoc sp. Por último, fueron obtenidas de la colección de cultivos del Centro
de Investigaciones Pesqueras de Cuba las especies
Phormidium sp., Chaetoceros ceratosphorus, Chaetoceros muelleri, Talassiosira fluviatilis, Nanocloropsis
gaditana, Tetraselmis suesica, Tetraselmis tetartele,
Nanocloropsis oculata y Tetraselmis chui.
Cultivo y obtención de los biosorbentes
La biomasa celular fue cultivada en los siguientes medios: caldo nutriente –bacterias no fotosintetizadoras
– según lo indicado por Atlas (2000); medio de cultivo
Allen y Arnon –cianobacterias– (Allen y Arnon, 1955);
extracto de levadura 5 g x L-1, glucosa 10 g x L-1 –
levadura– según lo indicado por Atlas (2000) y medio
de Guillard H/2 (Guillard, 1975) –microalgas–. Las
bacterias y levaduras fueron incubadas a 100 r x m -1
durante veinticuatro horas a 28oC y las cianobacterias
y microalgas eucariota durante siete días a 5 000 Lux
a 25°C. Posteriormente, fue realizada la recolección
de la biomasa a 3 200 g por 15 minutos.
Experimentos de captura de los metales
Soluciones acuosas de cadmio y cinc a una concentración de 1 mM y pH 6,0 preparadas a partir de
las sales de CdCl2.4H2O y ZnSO4.7H2O, fueron puestas
en contacto con los biosorbentes. La suspensión microorganismo-metal fue mantenida a 100 r x m-1,
28ºC durante veinticuatro horas y a pH 6,0 ajustada
con 0, 1 M HCl o 0, 1 M NaOH. Posteriormente, el
sobrenadante fue recolectado a 3 200 g por 20 minu-
Figura 1. Captura de Cd2+ y Zn2+ por bacterias aisladas a 28 ± 2ºC, pH 6,0; 24 h de contacto y en agitación a 100 r x min -1. Las
barras de error representan desviación estándar, n = 3.
Figure 1. Intake of Cd2+ and Zn2+ by bacterias isolated in 28 ± 2ºC, pH 6,0; 24 h of contact and in agitation to 100 r x min -1.
Error bars represent standard desviation, n = 3.
REVISTA CUBANA DE CIENCIAS BIOLÓGICAS
RNPS: 2362 • ISSN: 2307-695X • VOL. 1 • N.o 1 • AGOSTO— DICIEMBRE • 2012 • pp. 33-38
.
CAPTURA DE CADMIO Y CINC POR BACTERIAS, MICROALGAS Y LEVADURAS
37
MARÍA ELENA CARBALLO ET AL.
tos para el análisis de los metales residuales mediante
espectrofotometría de absorción atómica (Phillips
9100).
Para la cuantificación de la captura de los metales
por los biosorbentes (mg de metal por gramo de biomasa) expresado como mg x g-1, fue utilizada la ecuación q = V (Ci-Cf) / m (Vieira y Volesky, 2000).
Todos los experimentos fueron realizados por triplicado. Los resultados fueron procesados mediante
el programa de computación Microsoft Excel y el paquete de programas estadístico Statistica 6.0 para
Windows.
y el máximo nivel fue alcanzado con el aislado A-6. El
rango del cadmio fue de 3, 8 a 21,68 mg x g-1 y los
mayores valores fueron obtenidos con el aislado CBM4. Estos aislados corresponden a bacterias Gram
negativas.
RESULTADOS
Captura de cinc y cadmio por bacterias de colección
Los niveles de captura de estos metales por las bacterias de colección se indican en la figura 2. El análisis
de varianza arrojó diferencias significativas entre los
niveles de las distintas cepas probadas para cada uno de
los metales; y el mejor biosorbente, para ambos, fue
Pseudomonas mendocina, al alcanzar para el cadmio
niveles de 22,56 mg x g-1 y para el cinc de 25,36 mg x g-1.
Captura de cinc y cadmio por los aislados bacterianos
Los resultados obtenidos en la captura de los iones
metálicos, cinc y cadmio por los aislados bacteria-nos
se muestran en la figura 1. Los análisis estadísticos
indicaron diferencias significativas entre los biosorbentes para los dos metales. El 83 % de las bacterias
aisladas fueron capaces de capturar ambos metales. El
rango de captura de cinc varió entre 3,7 y 17,98 mg x g-1
Captura de cinc y cadmio por cianobacterias
El comportamiento de las cianobacterias frente al cinc
y al cadmio se refleja en la figura 3. Aunque todos los
biosorbentes presentaron determinado grado de captura de los metales, el análisis estadístico mostró que
existen diferencias significativas entre ellos. Para el
cadmio, las mejores especies (sin diferencias entre sí)
fueron, Anabaena sp. PCC 7120 con 16,01 mg x g-1 y
Leyenda:1-Bacillus cereus, 2-Bacillus thuringiensis, 3-Bacillus megaterium, 4-Staphylococcus aureus ATCC-25923, 5-Micrococcus luteus, 6Pseudomonas mendocina, 7-Pseudomona aeruginosa, 8-Serratia marcescens ATCC-14056, 9-Escherichia coli ATCC-8739, 10-Enterobacter sp,
11-Klebsiella pneumoniae ATCC-13883, 12-Acetobacter diazotrophicus.
Figura 2. Captura de Cd2+ y Zn2+ por bacterias de colección a 28 ± 2ºC, pH 6,0; 24 h de contacto y en agitación a 100 r x min-1.
Las barras de error representan desviación estándar, n = 3.
Figure 2. Intake of Cd2+ and Zn2+ by collection bacterias in 28 ± 2ºC, pH 6,0; 24 h of contact and in agitation to 100 r x min -1.
Error bars represent standard desviation, n = 3.
REVISTA CUBANA DE CIENCIAS BIOLÓGICAS
RNPS: 2362 • ISSN: 2307-695X • VOL. 1 • N.o 1 • AGOSTO— DICIEMBRE • 2012 • pp. 33-38
.
CAPTURA DE CADMIO Y CINC POR BACTERIAS, MICROALGAS Y LEVADURAS
38
MARÍA ELENA CARBALLO ET AL.
Nostoc muscorum con 15,58 mg x g-1. Los resultados
obtenidos para el cinc, señalan que en la remoción de
este metal el mejor biosorbente resultó Anabaena
variabilis ATCC 29413, con un nivel de captura de
13,16 mg x g-1, resultados que se aprecian en dicha
figura.
Captura de cinc y cadmio por microalgas
La figura 5 muestra los resultados de remoción de
Zn2+ y Cd2+ por las cepas aisladas (figura 5a) y las de colección (figura 5b). Los análisis estadísticos reali-zados a
dichos aislados mostraron que los mayores niveles de
cinc se obtuvieron con la cepa CMM3 (6,33 mg x g-1) y
CMM5 (5,98 mg x g-1), niveles que difieren del resto de
los aislados. Para el cadmio, las microalgas CMM3,
CMM6 y CMV presentaron un comportamiento similar en la remoción de este ión al alcanzar niveles que
no difieren entre sí, de 18 a 21,07 mg x g -1. Los resultados con las microalgas de colección indican que la
mejor especie en la captura del cadmio fue Chaetoceros ceratosphorus con 16,86 mg x g-1 y, para el cinc,
las especies Tetraselmis suesica y Tetraselmis tetartele
al alcanzar niveles de 13, 52 y 12, 22 mg x g-1, respectivamente.
Captura de cinc y cadmio por levaduras
La respuesta de las levaduras enfrentadas a los metales se presenta en la figura 4. El análisis de varianza
mostró diferencias significativas entre los niveles de
captura de las especies metálicas por las cepas estudiadas. Se destacan en la captura del cinc, con valores
de 27,06 y 24,84 mg x g-1, las cepas 10 y 12 de Saccharomyces cerevisiae y no mostraron diferencias significativas entre sí. En la captura de los iones de cadmio
la cepa S. cerevisiae (10) resultó el mejor biosorbente
con niveles de 34,26 mg x g-1.
DISCUSIÓN
El comportamiento de los microorganismos enfrentados al cadmio y al cinc evidencia la inte-racción entre
la diversidad microbiana y los iones metálicos. El 95 %
de las cepas microbianas examinadas capturaron ambos metales en estudio, resultados que se corresponden con lo informado en la literatura especializada
sobre la capacidad de las células procariota y eucariota de adsorber y absorber metales disueltos, por lo
que constituyen sistemas biológicos prometedores en
la eliminación, recuperación o detoxificación de metales pesados (Valls y De Lorenzo, 2002; Vullo, 2003).
Leyenda:1-Anabaena sp PCC 7120, 2-Anabaena variabilis ATCC 29413, 3-Synechococcus sp PCC 7942, 4-Nodularia sphaerocarpa,
5-Tolypothrixtenuis, 6-Chloroglocopsisfritschii, 7-Nostocmuscorum, 8-Calothrixsp, 9-Scytonema bohneri, 10-Nostoc sp , 11-Phormidium sp.
Figura 3. Captura de Cd2+ y Zn2+ por cianobacterias de colección a 28 ±2ºC, pH 6,0; 24 h de contacto y en agitación a 100 r x min-1.
Barras de error representan desviación estándar, n = 3.
Figure 3. Intake of Cd2+ and Zn2+ by collection cianobacterias in 28 ± 2ºC, pH 6,0; 24 h of contact and agitated to 100 r x min-1.
Error bars represent standard desviation, n = 3.
REVISTA CUBANA DE CIENCIAS BIOLÓGICAS
RNPS: 2362 • ISSN: 2307-695X • VOL. 1 • N.o 1 • AGOSTO— DICIEMBRE • 2012 • pp. 33-38
.
CAPTURA DE CADMIO Y CINC POR BACTERIAS, MICROALGAS Y LEVADURAS
39
MARÍA ELENA CARBALLO ET AL.
Los niveles de captura de los metales por los microorganismos muestran diferencias, lo cual responde
a características propias de cada biomasa microbiana:
la actividad fisiológica y bioquímica, la dotación genética y la diversidad en la composición química de la
pared celular, unida a las características de los metales, que influyen en la afinidad de las biomasas por
estos.
Las bacterias se caracterizan por una gran diversidad y versatilidad metabólica, una variada composición química y por tener una elevada relación superficie-volumen, dada por su pequeño tamaño, aspectos
que las hacen efectivas en la captura de metales pesados (Valls y De Lorenzo, 2002).
Las interacciones entre los microorganismos y los
metales ocurren a través de la pared celular, primera
línea de contacto con los metales presentes en el ambiente. Esta estructura celular en bacterias Gram positivas, compuesta principalmente por peptidoglicano,
tiene asociados grupos carboxilos, ácidos teicoicos y
teicurónicos que son ricos en grupos fosfatos. La carga negativa que transportan estos grupos permite la
reacción entre la superficie celular y los iones metálicos, con lo cual se favorece el proceso de captura de
metales (Nurbas et al., 2002). Otros grupos que pueden estar presentes en esta estructura y constituyen
sitios activos para el enlace de iones metálicos son:
aminos, hidroxilos, sulfatos (Sheng et al., 2004) y glicoproteínas que proporcionan sitios potentes para la
unión de metales (Gourdon et al., 1990).
La gruesa capa de peptidoglicano de las bac-terias
Gram positivas le proporciona una mayor capacidad
en la remoción de metales. Sin embargo, en el presente estudio, los mejores biosorbentes obtenidos en
el enfrentamiento de las bacterias, no fototróficas, a
los metales corresponden a las bacterias Gram negativas Pseudomonas mendocina y a los aislados CB-M4 y
A-6.
Estos resultados indican también las potencialidades de las bacterias Gram negativas en la captura
de los metales cinc y cadmio. La membrana externa
de este grupo fisiológico de bacterias está compuesta
por lipopolisacáridos, fosfolípidos y proteínas, de ahí
que ofrezca abundantes grupos funcionales para la
unión de un rango amplio de metales (Gupta et al.,
2000).
Las cianobacterias constituyen el mayor y más diverso grupo de procariontes fotosintéticos, presentes
Leyenda:1-Saccharomyses cerevisiae (3), 2-Saccharomyses cerevisiae (5) , 3-Saccharomyses cerevisiae (7), 4-Saccharomyses cerevisiae
(8), 5-Saccharomyses cerevisiae (10), 6-Saccharomyses cerevisiae (12), 7-Rhodoturla sp, 8-Schizosacharomyces sp, 9-Candida sp.
Figura 4. Captura de Cd2+ y Zn2+ por levaduras de colección a 28 ± 2ºC, pH 6, 0; 24 h de contacto y en agitación a 100 r x min-1.
Barras de error representan desviación estándar, n = 3.
Figure 4. Intake of Cd2+ and Zn2+ by collection yeasts in 28 ± 2ºC, pH 6, 0; 24 h of contact and in agitation to 100 r x min-1. Error
bars represent standard desviation, n = 3.
REVISTA CUBANA DE CIENCIAS BIOLÓGICAS
RNPS: 2362 • ISSN: 2307-695X • VOL. 1 • N.o 1 • AGOSTO— DICIEMBRE • 2012 • pp. 33-38
.
CAPTURA DE CADMIO Y CINC POR BACTERIAS, MICROALGAS Y LEVADURAS
40
MARÍA ELENA CARBALLO ET AL.
Leyenda:1-Chaetoceros ceratosphorus, 2-Chaetoceros muelleri , 3-Talassiosira fluiatilis, 4-Nanoloropsis gaditana, 5-Tetraselmis suesica,
6-Tetraselmis tetártele, 7-Nanocloropsis oculata, 8-Tetraselmis chui.
Figura 5. Captura de Cd2+ y Zn2+ por aislados de microalgas (a) y microalgas de colección (b) a 28 ± 2ºC, pH 6,0; 24 h de
contacto y en agitación a 100 r x min-1. Las barras de error representan desviación estándar, n = 3.
Figure 5. Intake of Cd2+ and Zn2+ by isolates of microalgae (a) and collection microalgae (b) in 28 ± 2ºC, pH 6,0; 24 h of contact
and in agitation to 100 r x min-1. Error bars represent standard desviation, n = 3.
REVISTA CUBANA DE CIENCIAS BIOLÓGICAS
RNPS: 2362 • ISSN: 2307-695X • VOL. 1 • N.o 1 • AGOSTO— DICIEMBRE • 2012 • pp. 33-38
.
CAPTURA DE CADMIO Y CINC POR BACTERIAS, MICROALGAS Y LEVADURAS
41
MARÍA ELENA CARBALLO ET AL.
en los más disímiles hábitats debido a sus capacidades
bioquímicas y fisiológicas. Al analizar las posibles vías
de captura de metales pesados por estas bacterias
fototróficas, es importante tener en cuenta que la
pared celular de muchas especies tiene características
similares a las bacterias Gram negativas. La naturaleza
polianiónica de esta estructura celular permite que
actúe como un intercambiador catiónico, por la presencia de diferentes sitios de enlace, lo cual facilita la
unión de metales a la superficie como un proceso
inde-pendiente de requerimiento energético (Zaccaro
et al., 2001).
Algunas especies de bacterias presentan otras
envolturas celulares como la cápsula y capas mucosas, cuyos componentes poliméricos participan en
la captura extracelular de los metales pesados. Otros
polímeros, resultado del metabolismo biosintético,
son liberados al medio y precipitan iones metálicos
(Andrade et al., 2004).
La captura intracelular de los metales es otra de
las respuestas de las bacterias en su interacción con
los metales. En este proceso, la bioacumulación ocurre mediante un sistema de proteínas transportadoras y su atrapamiento en el citoplasma celular por proteínas enlazadoras de iones metálicos,
como las metalotioneína (García et al., 1999) o en
gránulos de polifosfatos (Daniels et al., 1998).
Los resultados obtenidos con las microalgas se
deben a la capacidad que tienen de secuestrar iones
de metales pesados por mecanismos de adsorción y
absorción. La captura de los metales, especialmente
de los que les resultan tóxicos, puede ocurrir por quelación intracelular por proteínas con una estructura
general de repetidas secuencias de pares de ácido
gamma glutámico cisteina, que proporcionan grupos
tioles con alta capacidad de unir metales, como son
las fitoquelatinas. Estas proteínas están involucradas
en los mecanismos de detoxificación celular por sus
capacidades de formar complejos estables con metales (Morellis y Scarano, 2001), así como por precipitación o adsorción de estos a la pared celular, mediante
enlace a varios grupos químicos funcionales (Ga-ralea
et al., 1997).
Las cianobacterias y microalgas en general pueden
reproducirse con un mínimo de condiciones y diversas
especies enriquecen el medio ambiente con la producción de oxígeno y fijación de dinitrógeno (Mallick,
2002), por lo que su aplicación en la captura de metales implica varios efectos beneficiosos.
En la captura del cadmio y cinc alcanzado con las
levaduras, un papel importante es asignado a los diferentes ligandos que ofrecen los polisacáridos contenidos en la pared celular, estructura microfibrilar y multilaminar constituida por más de un 90 % de manano
y β-glucano. Estos ligandos permiten que la superficie
celular actúe como una resina de intercambio iónico
abierta, que inserta metales en los grupos polifosfatos y carboxilatos de la pared celular, lo cual permite
su acumulación extracelular. Otros mecanismos independientes del metabolismo, reconocidos en las levaduras, son la coordinación, formación de complejos,
la adsorción física por atracciones electrostáticas y la
micro precipitación (Goksubgur et al., 2005).
El uso de levaduras en estos procesos contribuye a
la disminución de los costos, ya que pueden ser obtenidas como un bioproducto industrial y ser utilizadas
como biosorbentes (Marques et al., 2000; Wang y
Chen, 2006).
La bioacumulación de metales en las células de
levaduras es un mecanismo que ha sido bien sustentado, debido a que estos pueden ser deposi-tados en
vacuolas de polifosfatos como resultado de un sistema de transporte antiporte Cd+2/ Ca+2, gobernado
por una fuerza motriz de protones generados por la
membrana de las vacuolas (Marques et al., 2000) o
enlazados a proteínas o polipéptidos intracelulares
que aportan grupos tiolatos (Anraku et al., 1991).
Al analizar el comportamiento de los biosorbentes microbianos, en su conjunto, se aprecia una
tendencia a remover más cadmio que cinc. Del 95 %
de los microorganismos que presentaron capacidad
para inmovilizar los metales, el 56 % de estos capturaron mayor cantidad de iones cadmio. Tal comportamiento de las especies microbianas, con tendencias
diferentes en cuanto a la afinidad por los metales,
responde a las características pro-pias de cada metal
que determinan la fuerza y tipo de enlace. El cadmio
se caracteriza por poseer un radio iónico y número
atómico mayor que el cinc, lo cual le confiere una
mayor fuerza de enlace (Holan y Volesky, 1994; Tobin
et al., 1999). El cinc se enlaza más débilmente por el
carácter iónico que presenta, mientras que el cadmio
se caracteriza por formar enlaces con un carácter más
covalente, que son más estables con los ligandos
(Volesky, 1999). Por otro lado, es importante considerar la función biológica que poseen las especies metálicas en la célula, ya que el cinc es un metal esencial
mientras que el cadmio no es requerido como micronu-triente y presenta efectos muy tóxicos. Ello puede
inducir en los microorganismos mecanismos más
REVISTA CUBANA DE CIENCIAS BIOLÓGICAS
RNPS: 2362 • ISSN: 2307-695X • VOL. 1 • N.o 1 • AGOSTO— DICIEMBRE • 2012 • pp. 33-38
.
CAPTURA DE CADMIO Y CINC POR BACTERIAS, MICROALGAS Y LEVADURAS
42
MARÍA ELENA CARBALLO ET AL.
efectivos para la eliminación de este metal como una
vía de detoxificación (Vieira y Volesky, 2000).
Nuestro estudio confirma que las células microbianas pueden ser efectivas en los procesos de captura
de metales y que diferentes especies microbianas son
capaces de expresar de forma na-tural sus capacidades de captura de iones de cinc y cadmio por encima
de 15 mg x g-1 de biomasa. Microorganismos con
estas capacidades de carga de metales podrían resultar beneficiosos en la biorremediación de ambientes
contaminados con metales pesados (Brierley et al.,
1985; 1986).
Garalea, G.; A.G. Codd; M.G. Da e I. Lazar (1997): «Environ»,
Science and Technology, vol. 288, pp. 1744-1750.
Garcia, E; M. Orte y P. Siuarez (1999): «Toxicity assays and
bioconcentration of mercury in bacteria selected from
marine enviroments», Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, vol. 62, pp. 79-86.
Goksubgur, Y.; S. Üren y U. Guvenc (2005): «Bio-sorption of
cadmium and lead ions by ethanol treated waste
baker’s yeast biomass», Bioresource Technology, vol. 96,
n.o 1, pp. 103-109.
Gourdon, R. et al. (1990): «Metal ions and bacteria», Biotecnology Letters, vol. 12, pp. 839-842.
Guillard, R.R.L. (1975): «Culture of phytoplankton for fuding
marine invertebrates», Woods Oceano-grafic Insthetion,
Massachussets, p. 60.
LITERATURA CITADA
Allen, M.B. y D.I. Arnon (1955): «Studies on nitrogen fixing
Blue-green Algae. I. Growth and nitrogen fixation by
Anabaena cylindrica Lemm.», Plant Physiology, vol. 30,
pp. 366-372.
Andrade, L.; C.N. Keim; M. Farina y C.W. Pfeiffer (2004):
«Cinc detoxification by a cyanobacterium from a metal
contaminated bay in Brazil», Brazi-lian Archives of Biology and Technology, vol. 47, n.o 1, pp. 47-152.
Anraku, J.; T. Kutsal y J.R. Duncan (1991): «Bioac-cumulation
of metal in yeast biomass», Environ-mental Biotechnology, vol. 42, pp. 150-155.
Atlas, R.M. (2000): Handbook of microbiological media, CRC
Press, Boca Ratón.
Brierley, C.L.; K.J. Kelly Seal y D.J. Best (1985): «Materials
and biotechnology», en I.J. Higgins, D.J. Best y J. Jones
(eds.), Biotechnology. Principles and Applications, Blackwell, Oxford, pp. 163-212.
Brierley, J.A.; G.M. Goyak y C.L. Brierley (1986):
«Immobilisation of ions by bio-sorption», en H. Eccles y
S. Hunt (eds.), Ellis-Horwood, Chichester, pp. 105-117.
Gupta, R. et al. (2000): «Microbial biosorbents: meeting the
challenges of heavy metal pollution in aqueous solutions», Current Science, vol. 78, pp. 967-973.
Holan, Z. y B. Volesky (1994): «Biosorption of lead and nickel by biomass of marine algae», Biotech-nology and
Bioenginering, vol. 43, pp. 1001-1009.
Hussein, H.; S.F. Ibrahim; K. Kandeeland y H. Moawad
(2004): «Biosorption of heavy metals from waste water
using Pseudomonas sp.», Envi-ronmental Biotechnology,
vol. 7, pp. 41-46.
Majumder, S. et al. (2003): «Chromium (VI) down regulates
heavy metal induced metallothionein gene transcription
by modifying transactivacion potential of the key transcription factor, metal res-ponsive transcription factor
1», Journal of Biologycal Chemistry, vol. 278, n.o 28, pp.
26216-26226.
Mallick, N. (2002): «Biotechnological potential of immobilized algae for wastewater n, p and metal removal: a
review», BioMetal, vol. 15, pp. 377-390.
Cañizares-Villanueva, R. (2000): «Biosorción de metales
pesados mediante el uso de biomasa micro-biana»,
Revista Latinoamericana de Microbiología, vol. 42, pp.
131-143.
Marques, P.A.; M.F. Rosa y P.H.M. Inheiro (2000): «pH
effects on the removal of Cu2+, Cd2+ and Pb2+ from
aqueous solution by waste brewery biomass», Bioprocess and Biosystems Engineering, vol. 23, n.o 2, pp. 135141.
Daniels, M.J. et al. (1998): «Coordination of Zn2+ and Cd2+
by prokaryotic metallothionein: involvement of hisimidazol», Journal of Biological Chemistry, vol. 273, pp.
22957-22961.
Martins, B.L.; C.V. Cruz; A.S. Luna y C.A. Hen-riques (2006):
«Sorption and desorption of Pb2+ ions by dead Sargassum sp. biomass», Biochemical Engineering Journal, vol.
27, n.o 3, pp. 310-314.
Deepa, K.K. et al. (2006): «Sorption of Cr (VI) from dilute
solutions and wastewater by live and pretrea-ted biomass of Aspergillus flavus», Chemosphere, vol. 62, n.o 5,
pp. 833-840.
Morellis, E. y G. Scarano (2001): «Sintesis and sta-bility of
phytochelatins by cadmium and lead in the marine diatoms», Marine Environmental Research, vol. 52, n.o 4,
pp. 383-395.
El-Sayed, M. e I. El-Morsy (2004): «Cunninghamella echinulata a new biosorbents of metal ions from polluted
water in Egypt», Mycologia, vol. 96, n.o 6, pp. 11831189.
Navarro, A.E.; K.P. Ramos; K. Campos y H.J. Mal-donado
(2006): «Elucidación del efecto del pH en la absorción
de metales pesados mediante biopo-límeros naturales:
REVISTA CUBANA DE CIENCIAS BIOLÓGICAS
RNPS: 2362 • ISSN: 2307-695X • VOL. 1 • N.o 1 • AGOSTO— DICIEMBRE • 2012 • pp. 33-38
.
CAPTURA DE CADMIO Y CINC POR BACTERIAS, MICROALGAS Y LEVADURAS
43
MARÍA ELENA CARBALLO ET AL.
cationes divalentes y superficies activas», Revista Iberoamericana de polímeros, vol. 7, n.o 2, pp. 113-126.
Nurbas, M. et al. (2002): «Biosortion of Cr6+, Pb2+, and
Cr2+ ions in industial water on Bacillus sp.», Chemical
Engineering Journal, vol. 85, pp. 351-359.
Pethkar, K.; R.P. Gaikaiwari y K.M. Paknikar (2001):
«Biosorptive removal of contaminating heavy metals
from plant extracts of medicinal plants», Current Science, vol. 80, pp. 1216-1218.
Ringot, D. et al. (2006): «In vitro biosorption of ochratoxin a
on the yeast industry by-products: comparison of isotherm models», Bioresource Technology, vol. 98, n.o 9,
pp. 1812-1821.
Sheng, P.X.; Y. Ting; J.P. Chen y L. Hong (2004): «Sorption of
lead, copper, cadmium, cinc and nickel by marine algae
biomass. characterization of biosorptive capacity and
investigation of mecha-nisms», Journal of Colloid and
Interface Science, vol. 275, n.o 1, pp. 131-141.
Tobin, J.M.; D.G. Cooper y R.J. Neufeld (1999): «Up-take of
metal ions by Rhizopus arrhizus biomass», Applied and
Environmental Microbiology, vol. 47, pp. 821-824.
Valls, M. y V. de Lorenzo (2002): «Exploiting the genetic and
biochemical capacities of bacteria for the remediation of
heavy metal pollution», FEMS Microbiology Reviews,
vol. 26, pp. 327-338.
Vieira, R. y B. Volesky (2000): «Biosorption: a solu-tion to
pollution?», International Microbiology, vol. 3, pp. 1724.
Volesky, B. (1999): «Biosorption for the Next Century», en
A. Ballester y R. Amils (eds.), In biohydrometa-llurgy and
the environment toward the mining of the 21st Century:
International Biohydrometallurgy Symposium Proceedings, San Lorenzo De El Esco-rial, Madrid, p. 483.
Vullo, D.L. (2003): «Microorganismos y metales pesados:
una interacción en beneficio del medio ambiente», Revista Química Viva, vol. 2, n.o 3, p..
Sinott, E. (2001): «Cianobacterias como agentes de Biorremediación», Journal of Bioscience and Bioengineering,
vol. 92, n.o 1, pp. 24-29.
Wang, J. y C. Chen (2006): «Biosorption of heavy metals by
Saccharomyces cerevisiae: A Review», Biotechnology
Advances, vol. 24, n.o 5, pp. 427-451.
Suh, J.H. y D.S. Kim (2000): «Comparison of different
sorbents (inorganic and biological) for the removal of Pb
(II) from aqueous solutions», Journal of Chemical Technology & Biotechnology, vol. 75, pp. 279-284.
Zaccaro, M.C. et al. (2001): «Lead toxicity in cyano-bacterial
porphyrin metabolism», Environmental Toxicology, vol.
16, pp. 61-67.
Tietzel, G. y M. Parsek (2003): «Heavy metal re-sistance of
biofilm and planktonic Pseudomonas aeruginosa», Applied and Environmental Micro-biology, vol. 69, pp. 2313
-2320.

REVISTA CUBANA DE CIENCIAS BIOLÓGICAS
RNPS: 2362 • ISSN: 2307-695X • VOL. 1 • N.o 1 • AGOSTO— DICIEMBRE • 2012 • pp. 33-38
.