Características de una comunidad bacteriana y su función en un perfil de suelo de arroz ubicado alrededor de una mina de antimonio en China

Metales como el antimonio (Sb) se encuentran en la lista de los contaminantes más peligrosos tanto para América como para la Unión Europea. Existen ciertos metales como el arsénico (As) que tienen características físicas y químicas similares al Sb. Además, se ha observado, que los suelos contaminados con As usualmente se acompañan de la contaminación con Sb en su periferia. Por lo que estudios de las comunidades bacterianas que habitan estos suelos contaminados con Sb y As, así como su potencial metabólico, son importantes para establecer estrategias de biorremediación.

Si bien, los microorganismos son factores críticos en la migración de los elementos traza, transformación, metilación y remediación. La abundancia relativa, diversidad y actividad de los genes relacionados con la transformación de Sb y As usualmente determinan la migración y transformación de Sb y As.  En la actualidad, estos genes han sido estudiados ampliamente y se han agrupado principalmente en categorías funcionales como: aquellos relacionados con la reducción de AsV, aquellos que promueven la oxidación de As (III) y finalmente los que median la migración. Con el objetivo de tratar de entender el efecto de la contaminación con As y Sb sobre la estructura y función de las comunidades bacterianas y su posible uso para biorremediación, en este estudio, se muestreó un perfil de suelo arrocero adyacente a una mina de Sb y una caldera en Dushan al sur oeste de China.  El perfil, se tomó a ciertas profundidades: la muestra SL1 fue tomada aproximadamente entre 0-30 cm, mientras que las muestras SL2 y SL3 fueron tomadas a 30-65 cm y 65-100 cm de profundidad respectivamente. Como primer punto, determinaron las propiedades geoquímicas de dicho perfil midiendo las concentraciones de As, Sb y el pH. Mientras que la concentración de Sb y el pH incrementan a medida que aumenta la profundidad del perfil, las concentraciones de As se mantienen constantes. Después de conocer las propiedades geoquímicas del suelo, caracterizan la diversidad de la comunidad bacteriana utilizando el 16s rRNA. Con este análisis encuentran que los fila más representativos incluyen a Chloroflexi, Proteobacteria, y Actinobacteria. Las bacterias dominantes en SL1 fueron las Actinobacterias mientras que en SL2 fueron las proteobacterias y en SL3 fue Chloroflexi. De manera interesante, la abundancia de Chloroflexi incrementa a medida que aumenta la profundidad del perfil. Aunque entre estos perfiles se comparte la diversidad, se encontró que Rokubacteria, Proteobacteria, y Actinobacteria fueron los mejores indicadores de las diferencias entre la profundidad del perfil y la composición taxonómica.  A este nivel, las concentraciones de As y Sb por sí solos parecen no tener un efecto en la diversidad, mientras que la profundidad es el que modula los cambios en esta. Para establecer una relación entre las propiedades geoquímicas y las comunidades bacterianas, utilizan un análisis de discriminación lineal y encuentran que la abundancia de los taxa está relacionada con las propiedades geoquímicas de los perfiles de los suelos, existiendo una correlación entre Sb y As. De éstos, la concentración total de As tiene una fuerte influencia sobre Proteobacteria y Verrucomicrobia.  

Para determinar la relación entre las propiedades geoquímicas con las funciones metabólicas de las bacterias, se usó el programa Tax4Fun2. Se detectaron 11 enzimas relacionadas con el metabolismo de Sb y As: ArsR, ArsC2, ACR3, ArsC1, AS3MT, ArsA, ArsB, ArsH, ArsC, AoxA, y AoxB. Se encontró que la abundancia de estas enzimas se correlaciona con la concentración de los metales. Por ejemplo, ArsC2 tiene una correlación positiva en aquellos perfiles en donde la concentración de Sb total fue mayor.  Para encontrar una relación de la estructura de la comunidad, sus funciones y la presencia de Sb y As en el suelo, utilizaron un análisis de redes de co-ocurrencia. Se detectaron seis módulos funcionales de los cuales 4 fueron representativos. El módulo 1 contiene a las enzimas ACR3, ArsH, ArsC, ArsB y cinco géneros, el módulo 2 contiene ArsA, ArsC1 y 5 géneros, el módulo III contiene AoxA y seis géneros y el módulo IV contiene ArsR, ArsC2 y tres géneros (Figura 1).  

También calcularon el índice de la redundancia funcional en las diferentes profundidades del perfil. Un índice alto indica que enzimas específicas se encuentran en varias especies de la comunidad bacteriana mientras que, un índice bajo indica que pocas funciones existen sólo en determinados organismos. Con esto encuentran que la redundancia funcional es mayor en SL1, que es la muestra con mayor número de enzimas y abundancias.  Los resultados muestran que los suelos contaminados con As y Sb tienen un efecto directo sobre las funciones de las bacterias del suelo. Además, encuentran que arsB podría catalizar el transporte de Sb, así genes relacionados con As podrían participar en los ciclos biogeoquímicos de Sb.

Finalmente, descubrieron que el As tiene un impacto directo sobre la estructura de la comunidad en comparación con Sb. Por el contrario, el Sb, tiene un mayor impacto en las funciones de la comunidad.  El entendimiento de cómo estos metales afectan la estructura y función de las comunidades, permitirá el desarrollo de estrategias bioquímicas de remediación de suelos contaminados con Sb y As.

Referencia:

Huang, B., Long, J., Liao, H., Liu, L., Li, J., Zhang, J., Li, Y., Wang, X., & Yang, R. (2019). Characteristics of Bacterial Community and Function in Paddy Soil Profile around Antimony Mine and Its Response to Antimony and Arsenic Contamination. International journal of environmental research and public health, 16(24), 4883.