Biorremediação de solos contaminados com arsênio por meio de lavagem de solo usando biossurfactantes / Bioremediation of arsenic-contaminated soil through soil washing using biosurfactants

RESUMO A mineração de ouro é uma das principais fontes de contaminação de arsênio (As) no Quadrilátero Ferrífero em Minas Gerais. O As é um elemento tóxico capaz de causar sérios danos à saúde humana. Com o objetivo de investigar formas mais ecológicas e igualmente eficientes para a remoção de As em solos, empregou-se a técnica de lavagem de solos (soil washing) com uso de extratos com biossurfactantes (BS) visando promover a mobilização do As contido em solo de mina de ouro abandonada. Para a produção dos extratos, foram selecionadas duas culturas mistas de bactérias produtoras de BS (MPCB e MPBR) tolerantes a alta concentração de arsênio (8 mg.L-1). Os tensoativos produzidos foram estáveis em ampla faixa de pH, 3-11; temperatura, 28-50ºC e salinidade, 1-5% NaCl (p.v-1). Nos testes de lavagem de solo, em pH 11, as remoções de As obtidas com os extratos MPCB (14,01 e 13,72%) e MPBR (12,04 e 12,31%) foram superiores àquelas obtidas com soluções a 1% (p.v-1) dos surfactantes comerciais SDS (0,87 e 0,71%); saponina (0,57 e 0,55%) e lecitina de soja (2,05 e 2,63%). Os resultados dos testes em coluna foram igualmente influenciados pelo pH e pela proporção sólido:líquido. As maiores remoções de As: 25,43% (MPCB) 22,43% (MPBR) foram obtidas em pH 11, na proporção 1:40 (g.mL-1), após 10 ciclos de extração. Os extratos MPCB e MPBR removeram o As solúvel em água, os íons ligados ao carbonato e aqueles adsorvidos. Ambos os extratos tiveram comportamento semelhante ao ácido etilenodiaminotetracético (EDTA) e ao extrato de cultura microbiana comercial (GorduraKlin®).

ABSTRACT Gold mining is one of the main sources of Arsenic (As) contamination in Minas Gerais, particularly at the Iron quadrangle. Arsenic is a toxic element that causes damage to human health. The soil washing technique using biosurfactants (BS) containing extracts was tested to promote the mobilization of the As contained in some soil samples collected in an abandoned gold mine, to investigate an environmentally friendly but equally efficient alternative to remove As from soils. Two mixed cultures of biosurfactant-producing bacteria (MPCB and MPBR), both adapted to the cultivation at high As concentrations (8 mg.L-1), were selected for extracts production. Surfactants were stable over a wide pH range, 3-11; temperature, 28-50ºC and salinity, 1-5% NaCl (p.v-1), and promoted the mobilization of As. The pH and solid:liquid ratio influenced the removal efficiency of the tested extracts. The highest removals were obtained at pH 11.0 and a solid:liquid ratio of 1:40 (g.mL-1). Under pH 11.0, the arsenic removal results obtained with MPCB (14.01 and 13.72%) and MPBR extracts (12.04 and 12.31%) were superior to those obtained by using 1% (w/v) solutions of the commercial surfactants SDS (0.87 and 0.71%), saponin (0.57 and 0.55%) and, soy lecithin (2.05 and 2.63%). The pH and the solid: liquid ratio influenced the results of the column tests. The highest As removals: 25.43% (MPCB) and 22.43% (MPBR) were obtained after 10 extraction cycles, at pH 11 and 1:40 ratio (g.mL-1). The extracts MPCB and MPBR removed the water-soluble arsenic as well as the carbonate associated As and the adsorbed ions. Both extracts behaved similarly to EDTA and the commercial microbial extract (GorduraKlin®).

Produção biotecnológica de biossurfactante por Lactococcus lactis CECT-4434 a partir de resíduos agroindustriais e avaliação de suas propriedades / Biotechnological production of biosurfactant by Lactococcus lactis CECT- 4434 from agroindustrial residues and evaluation of its properties

A bactéria Lactococcus lactis subsp. lactis CECT-4434 foi empregada para investigar o efeito da composição do meio de cultivo na produção biotecnológica de biossurfactante e, adicionalmente bacteriocina. Utilizou-se resíduos agroindustriais, tais como soro de leite e vinhaça de uva, para formular meios de cultivos mais econômicos e naturais, suplementados sacarose e extrato de levedura. Um planejamento fatorial fracionado 24, com adição de três ensaios nos pontos centrais foi empregado para avaliar a influência destas variáveis. A produção de biossurfactante foi influenciada positivamente pela concentração soro de leite, onde 15 % deste demonstrou melhor resultado reduzindo a tensão superficial em cerca de 18,1 mN/m, alcançando produção máxima de biossurfactante equivalente em surfactina de 11,02 mg/L. Em relação à síntese de bacteriocina, a fonte de carbono adicional (sacarose) interferiu de forma antagonista, ou seja, quanto menor a concentração de sacarose, maior a síntese de bacteriocina (com aumento da zona de inibição em 14,2% contra Staphylococcus aureus CECT-239). Observou-se que o ensaio conduzido em biorreator, sob microaeração com 5% de oxigênio dissolvido, promoveu maior produção de biossurfactante (11,6 mg/L) quando comparados aos estudos conduzidos com maior concentração de oxigênio entre 30 a 100%, com produção em média de 2,3 mg/mL. Destaca-se que nenhum estudo da influência do oxigênio dissolvido, principalmente em microaerofilia, para a produção de biossurfactante por bactérias láticas já havia sido realizado. Ademais, o biossurfactante produzido se mostrou altamente estável frente a valores extremos de pH e temperatura, além de demonstrar notável propriedade antimicrobiana e antiadesiva, inibindo Listeria monocytogenes NADC 2045 e Salmonella entérica CECT-724 em mais de 90%.

Lactococcus lactis subsp. lactis CECT-4434 was used to investigate the effect of the composition of the culture media on the biotechnological production of biosurfactant and bacteriocin additionally. Agroindustrial residues, such as whey and grape vinasse, were used to formulate more economical and natural culture media, supplemented with sucrose and yeast extract. A fractional factorial design 24, with addition of three runs at the central points was used to evaluate the influence of these variables. The biosurfactant production was positively influenced by the concentration of whey, where 15% showed a better result reducing the surface tension by 18.1 mN/m, reaching a maximum production of biosurfactant equivalent in surfactin of 11.02 mg/L. In relation to bacteriocin synthesis, the sucrose interfered in an antagonistic way, that is, the lower the sucrose concentration, the greater the bacteriocin synthesis (with an increase in the zone of inhibition in 14.2% against Staphylococcus aureus CECT-239). It was observed that the bioreactor conducted under microaeration with 5% dissolved oxygen promoted a higher biosurfactant production (11.6 mg/L) when compared to studies conducted with a higher concentration of oxygen between 30 and 100%, with production on average 2.3 mg/mL. It is noteworthy that no study of the influence of dissolved oxygen, mainly in microaerophilic, for the biosurfactant production by lactic acid bacteria had already been carried out. In addition, the biosurfactant produced proved to be highly stable against extreme values of pH and temperature, and demonstrated remarkable antimicrobial and antiadhesive properties, inhibiting Listeria monocytogenes NADC 2045 and Salmonella entérica CECT-724 in more than 90%.

Biosurfactant production by Chr omobacterium violaceum ATCC 12472 using corn steep liquor and corn post-frying oil as nutrients / Produção de biossurfactante por Chromobacterium violaceum ATCC 12472 utilizando milhocina e óleo de milho pós-fritura como nutrientes

The interest in microbial surfactants has been increased considerably in the recent years. Environmental concern among consumers, combined with new laws control of the environment, the demand for natural surfactants, to replace petrochemicals. The microbial surfactants have been tested in many industrial and environmental applications, such as in bioremediation, oil dispersion and oil recovery, replacing chemical surfactants. Furthermore, they can also be used in the food, cosmetic, detergent and agriculture. However, increased environmental concern among consumers to new legislation combined control of the environment has led to demand for natural surfactants as alternatives to existing products. This work aimed to produce biosurfactant by Chromobacterium violaceum ATCC 12472, using low nutrient value. The surface tension of the biosurfactant produced by C. violaceum ATCC 12472 had values between 29 and 40 mN/m. The best result was observed on the assay 8 (8.0% of corn steep liquor, 1.0% of lactose and corn oil post-frying 7.5%) factorial design, within 72 hours of fermentation, lowering the surface tension of water from 71 to 29 mN/m. The best results of the index (E24) and emulsification activity (UEA) were observed in the central point, and using the both methods and corn post-frying oil resulted in 72% of emulsification, and the emulsification activity value of 6 UAE. The results demonstrate the high potential of C. violaceum promising in producing a biosurfactant.

O interesse em surfactantes de origem microbiana tem aumentado consideravelmente nos últimos anos. A preocupação ambiental entre os consumidores, combinada às novas legislações de controle do meio ambiente, aumentou a procura por surfactantes naturais em substituição aos derivados petroquímicos. Os surfactantes microbianos têm sido testados em muitas aplicações ambientais e industriais, como na biorremediação, na dispersão de manchas oleosas e na recuperação de petróleo, substituindo os surfactantes químicos. Além disso, também podem ser utilizados nas indústrias de alimentos, cosméticos, detergentes e na agricultura. Neste trabalho foi produzido biossurfactante por Chromobacterium violaceum ATCC 12472, utilizando nutrientes de baixo valor agregado. A tensão superficial do biossurfactante produzido por C. violaceum ATCC 12472 teve valores entre 29 e 40 mN/m. O melhor resultado foi observado no ensaio 8 (milhocina 8,0%, lactose 1,0% e óleo de milho pós-fritura 7,5%) do planejamento fatorial, com 72 horas de fermentação, reduzindo a tensão superficial da água de 71 para 29 mN/m. Os melhores resultados do índice (E24) e da atividade de emulsificação (UEA) foram observados no ponto central, sendo utilizados para ambos os métodos o óleo de milho, que resultou no E24 de 2% e atividade com valores acima de 6 UAE. Os resultados obtidos demonstram o elevado potencial de C. violaceum na produção de um promissor biossurfactante.

Effect of nutrients and fermentation conditions on the production of biosurfactants using rhizobacteria isolated from fique plants / Efecto de los nutrientes y las condiciones de fermentación en la producción de biosurfactantes con rizobacterias aisladas de fique / Efeito dos nutrientes e as condições de fermentação na produção de biossurfactantes com rizobacté rias isoladas da piteira

Objective. To isolate biosurfactant-producing microorganisms from the rhizosphere of fique and to select the best genus to evaluate the effect of nutritional and fermentation conditions on the production of rhamnolipids. Materials and methods. Rhizospheric soil was sampled in three areas of Cauca. The best genus was selected for the experimental designs (Plackett Burman and 2² factorial) and to find the production conditions for the growth kinetics at an Erlenmeyer flask scale. Results. Isolates from the rhizosphere of fique plants were from groups (or genera) of Bacillus, Pseudomonas and Actinomycetes, being Pseudomonas the more responsive in preliminary testing for emulsification. From the results of the experimental designs and the kinetics of production, we found that rhamnose synthesis associated with rhamnolipids (3.2 g/l) and emulsification (68% EC24) was significantly favored (p <0.0001) by cultivating an inoculum of 10% v/v of Pseudomonas fluorescens in a medium composed of: soybean oil 2% (v/v), K2HPO4 0.2% (w/v), yeast extract 0.4 g/l, NH4NO3 3.7 g/l, 1 ml trace elements (CoCl3 20 mg/l, H3BO(3)30 mg/l, ZnSO(4)10 mg/l, Cu2SO(4)1 mg/l, Na2MoO(4)3 mg/l, FeSO (4)10 mg/l MnSO(4)2,6 mg/l) and pH 7.2. Conclusion. Of all the microbial genera isolated from the rhizosphere of fique, Pseudomonas fluorescens had the greatest potential in the production of biosurfactants of the rhamnolipids family.

Objetivo. Aislar microorganismos de la rizosfera de fique capaces de producir biosurfactantes y seleccionar el mejor gé nero para evaluar el efecto de las condiciones nutricionales y de fermentación en la producción de ramnolípidos. Materiales y mé todos. Se realizaron muestreos de suelos rizosfé ricos en tres zonas del Cauca. El mejor gé nero fue seleccionado para realizar los diseños experimentales (Plackett Burman y factorial 2²) y establecer las condiciones de producción para las ciné ticas de crecimiento a escala de Erlemeyer. Resultados. Se aislaron bacterias del gé nero Bacillus, Pseudomonas y del grupo Actinomycetes, siendo Pseudomonas el grupo con mayor respuesta en las pruebas preliminares de emulsificación. A partir de los resultados obtenidos en los diseños experimentales y ciné ticas de producción, se estableció que la síntesis de ramnosa asociada con ramnolípidos (3,2 g/l) y la emulsificación (68% EC24) se favorecieron significativamente (p<0.0001) al cultivar un inoculo de 5% v/v de Pseudomonas fluorescens en un medio compuesto por: aceite de soya 2% (v/v), K2HPO4 0,2% (p/v), extracto de levadura 0,4 g/l, NH4NO(3)3,7 g/l, 1 ml de elementos traza (CoCl(3)20 mg/l, H3BO(3)30 mg/l, ZnSO(4)10 mg/l, Cu2SO4 1 mg/l, Na2MoO(4)3 mg/l, FeSO(4)10 mg/l MnSO(4)2,6 mg/l) y pH 7.2. Conclusión. Se aislaron 3 gé neros microbianos a partir de rizosfera de fique, siendo Pseudomonas fluorescens la bacteria con mayor potencial en la producción de biosurfactantes de la familia de los ramnolípidos.

Objetivo. Isolar microorganismos da rizosfera da piteira capazes de produzir biossurfactantes, selecionar o melhor gênero para avaliar o efeito das condições nutricionais e de fermentação na produção de rhamnolipídeos. Materiais e mé todos. Foram realizadas amostragem de solos rizosfé ricos em três á reas do Cauca. O melhor gênero foi selecionado para realizar desenhos experimentais (Plackett Burman e fatorial 2²) e definir as condições de produção para as ciné ticas em escala de erlenmeyer. Resultados. Foram isoladas bacté rias do gênero Bacillus, Pseudomonas e grupo de Actinomycetes. As Pseudomonas foram o grupo com maior resposta nos testes preliminares de emulsificação. A partir dos resultados obtidos nos desenhos experimentais e ciné ticas de produção foi estabelecido que a síntese de ramnose associados com rhamnolipídeos (3,2 g/l) e a emulsificação (68% EC24) foram favorecidos significativamente (p<0,0001) ao cultivar um inoculo de 5% v/ v de Pseudomonas fluorescens em um meio composto por: óleo de soja 2% (v/v), K2HPO(4)0,2% (p/v), extrato de levedura 0,4 g/l, NH4NO3 3,7 g/l, 1 ml de oligoelementos (CoCl(3)20 mg/l, H3BO(3)30 mg/l, ZnSO(4)10 mg/l, Cu2SO(4)1 mg/l, Na2MoO(4)3 mg/l, FeSO(4)10 mg/l MnSO4 2,6 mg/l) e pH 7,2. Conclusão. Três gêneros microbianos foram isolados da rizosfera da piteira, sendo Pseudomonas fluorescens a bacté ria com maior potencial na produção de biossurfactantes da família dos rhamnolipídeos.

Mass spectrometry analysis of surface tension reducing substances produced by a pah-degrading Pseudomonas citronellolis strain / Análise por espectrometria de massa de substâncias redutoras da tensão superficial produzidas por uma cepa de Pseudomonas citronellolis degradadora de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos

In this work we investigated the structure of the iron-stimulated surface tension reducing substances produced by P. citronellolis 222A isolated from a 17-years old landfarming used for sludge treatment in petrochemical industries and oil refinery. Its mass spectrum differs from P. aeruginosa spectrum, indicating that the surface tension reducing substances produced by P. citronellolis can be a new kind of biosurfactant.

Neste trabalho é apresentado um estudo a respeito da análise da estrutura de substâncias redutoras de tensão superficial produzidas por Pseudomonas citronellolis 222A estimulado pela presença de ferro. Esta bactéria foi isolada de um solo que há 17 anos vem sendo utilizado para o tratamento de borra oleosa proveniente da indústria petroquímica e de refinaria de petróleo. O espectro de massa difere do espectro de P. aeruginosa, indicando que as substâncias redutoras de tensão superficial produzidas por P. citronellolis podem ser um novo tipo de biosurfactante.

Antimicrobial activity of surfactants produced by Bacillus subtilis R14 against multidrug-resistant bacteria

Lipopeptides represent a class of microbial surfactants with increasing scientific, therapeutic and biotechnological interests. The genus Bacillus is a producer of these active compounds, and among them B. subtilis produces surfactin, the most potent biosurfactant known. These compounds can act as antibiotics, antivirals, antitumorals, immunomodulators and enzyme inhibitors. In this work, the antimicrobial activity of biosurfactants obtained by cultivation of B. subtilis R14 was investigated against multidrug-resistant bacteria. During cultivation in defined medium, the surface tension of the medium was reduced from 54 mN/m in the beginning of the microbial growth to 30 mN/m after 20 hours. A crude surfactant concentration of 2.0 g/L was obtained after 40 hours of cultivation. A preliminary characterization suggested that two surfactants were produced. The evaluation of the antimicrobial activity of these compounds was carried out against 29 bacteria. Enterococcus faecalis (11 strains), Staphylococcus aureus (6 strains) and Pseudomonas aeruginosa (7 strains) and Escherichia coli CI 18 (1 strain) displayed a profile of well defined drug resistance. All strains were sensitive to the surfactants, in particular Enterococcus faecalis. The results demonstrated that lipopeptides have a broad spectrum of action, including antimicrobial activity against microorganisms with multidrug-resistant profiles.

Os lipopeptídeos representam uma classe de surfactantes microbiológicos com crescente interesse científico, terapêutico e biotecnológico. O gênero Bacillus é um dos maiores produtores destes compostos ativos. Dentre as espécies produtoras de biossurfactante, B. subtilis produz surfactina um dos mais conhecidos. Estes compostos atuam como antibióticos, antivirais, agente antitumorais, imunomoduladores e inibidores enzimáticos. O objetivo deste trabalho foi determinar a atividade antimicrobiana de biossurfactantes, obtidos pelo cultivo de B. subtilis R14, frente a bactérias multidroga-resistentes. Durante o cultivo em meio quimicamente definido, a tensão superficial do meio foi reduzida de 54 mN/m no início do crescimento microbiano para 30 mN/m depois de 20 h. Uma concentração de surfactante bruto de 2 g/L foi obtida depois de 40h de cultivo. Uma caracterização preliminar sugeriu que dois surfactantes foram produzidos. A avaliação antimicrobiana destes compostos foi realizada frente a vinte e nove bactérias. O perfil de multidroga-resistência foi previamente definido para Enterococcus faecalis (11 cepas) Staphylococcus aureus (6 cepas), Pseudomonas aeruginosa (7 cepas) e Escherichia coli IC18. Todas as cepas foram sensíveis aos surfactantes, em particular Enterococcus faecalis. Os resultados demonstraram que os lipopeptídios têm um amplo espectro de ação, incluindo microrganismos multidroga-resistentes.