Efectos agudos de la tetraciclina y la eritromicina en mecanismo de almacenamiento de polihidroxialcanoatos

El almacenamiento de biopolímeros es ahora reconocido como un proceso auxiliar durante la utilización de sustratos de cultivos. Principalmente, este almacenamiento resulta de un desequilibrio entre la eliminación del sustrato disponible y el potencial de crecimiento microbiano. Mientras que el sustrato debe de ser eliminado, las limitaciones en las reacciones metabólicas que tienen como consecuencia el crecimiento, prevendrán el consumo total de energía y esto desencadenará la desviación de una fracción del sustrato para la generación de biopolímeros intracelulares.

El mecanismo de almacenamiento también es importante en el estudio de la inhibición de la biodegradación del sustrato bajo el impacto de los productos químicos nocivos. Tradicionalmente, la inhibición (de la degradación) se interpretaba por medio de la analogía de enzimas que afectan solamente al crecimiento microbiano, sin embargo se ignoraba el almacenamiento de sustrato. Posteriormente se descubrió que este era realmente importante, sobre todo bajo condiciones adversas, donde se producía una desviación del sustrato de crecimiento para el almacenamiento, y si se ignoraba esto se producía una interpretación errónea del impacto inhibitorio.

El objetivo de esta investigación fue estudiar los efectos de antibióticos como la tetraciclina y la eritromicina como compuestos inhibitorios (de la degradación del sustrato). Y se evaluó su impacto sobre la biodegradación de una mezcla de extracto de carne (peptona). En primer lugar se puso en marcha un reactor de cultivo secuencial con una biomasa tomada de una planta de tratamiento de aguas residuales doméstica.  Una vez aclimatada la biomasa, esta se utilizó para comenzar una serie de ejecuciones en batch, donde cada ejecución  incluía dos reactores batch en paralelo, uno para la evaluación de biopolímeros intracelulares, y el otro, para los perfiles de análisis respirométricos de la tasa de consumo de oxígeno (TCO).

La primera ejecución se desempeñó como el control; las otros dos ejecuciones incluyeron en condiciones de alimentación una dosis inicial de antibiótico de 50 mg/L y 200 mg/L por su agudo impacto principalmente en el almacenamiento de sustrato.

Tabla 1. Presenta los dos ciclos con tetraciclina (TET) y los otros dos con eritromicina (ERY), el primero es el control.

El almacenamiento de sustrato observado en el reactor de control operó sin dosificación de  antibiótico. El perfil de PHA observado exhibe un pico inicial, reflejando la acumulación de PHA; después, fue caracterizado por una curva descendente resultado de la consumición bioquímica del PHA almacenado como sustrato interno para el crecimiento microbiano. Los PHA almacenados fueron consumidos como sustrato interno y decrecieron hasta el nivel inicial en unas 20 horas.

Gráfica 1. Reactor control.

Cuando se adicionó tetraciclina se observó que esta infligió cambios significativos en el mecanismo de almacenamiento traducido por una forma modificada del perfil de PHA.  A una dosis de 50 mg/L, los niveles de PHA se incrementaron rápidamente y el incremento continuó aunque de forma más lenta hasta alcanzar una meseta en las primeras 4 h. Posteriormente, el perfil de PHA exhibió una leve disminución, lo que indica que su utilización como un sustrato interno fue bloqueado parcialmente debido a la acción inhibidora de la tetraciclina.

Gráfica 2. Reactor con tetraciclina con dosis de 50 mg/L.

Al aumentar la dosis de tetraciclina a 200 mg/L se redujo la acumulación de PHA total. Sin embargo, se redujo aún más la utilización interna de PHA almacenado. La dosis más alta de TET también parecía afectar al metabolismo de los componentes de almacenamiento individuales.

El impacto de la eritromicina en el mecanismo de almacenamiento fue diferente en comparación con la tetraciclina en el sentido de que una parte mucho más grande del sustrato inicialmente disponible para el crecimiento microbiano se desvió al almacenamiento. Al igual que en el efecto observado en la tetraciclina, la eritromicina ejerció una disminución en la utilización interna de productos de almacenamiento.

Gráfica 3. Reactor con eritromicina con dosis de 50 mg/L.

Al aumentar la dosis de eritromicina, el almacenamiento no se vio prácticamente afectado con respecto al experimento anterior. Sin embargo, la dosis más alta redujo aún más la tasa de utilización del PHA interno.

En los perfiles de TCO pudimos observar un descenso significativo en la cantidad de oxígeno consumido entre el reactor de control y los que operaron con dosificación de antibióticos, a pesar del hecho de que todos comenzaron con la misma concentración de sustrato. Esta diferencia de DQO se explica en término de inhibición acompetitiva  donde la fracción del sustrato disponible se mantenía ligado con el inhibidor, impidiendo su utilización. Por otra parte, la mejora en el almacenamiento es probable que sea uno de los factores más importantes que inducen un menor consumo de oxígeno.

Estos resultados nos sugirieron que la TCO es una herramienta esencial para entender el impacto de los antibióticos. Además, que las evaluaciones cinéticas y estequiométricas en los efectos  inhibitorios no deberían limitarse solo al crecimiento microbiano, sino que deben cubrir todos los procesos bioquímicos, incluyendo el almacenamiento de sustrato, donde es importante. Y que el observado decrecimiento en el nivel de oxígeno consumido bajo el agudo efecto de los antibióticos podría no ser solamente atribuido a la mejora en el almacenamiento sugiriendo un mecanismo de unión al sustrato adicional mediante antibióticos.

Bibliografía:

Tugce Katipoglu-Yazana, Ilke Pala-Ozkoka, Emine Ubay-Cokgor, Derin Orhona

Acute impact of tetracycline and erythromycin on the storage mechanism of polyhydroxyalkanoates

doi:10.1016/j.biortech.2013.06.121

Integrantes:

Jaime Caruana Santiago

Iván Ramón Trimiño

Álvaro Huguet López

Nicolás Torres Mantelet

Mirela Rúmenova Raychínova

Javier Guerrero Meca