Rev. Colomb. Biotecnol. Vol. VII No. 2 Diciembre 2005 19-25
Caracterización de cristales de calcita bioprecipitada por un aislamiento nativo de Bacillus subtilis
Characterization of calcite bioprecipitated by a native
Bacillus subtilis isolate
Carolina Montoya*, Marco A. Márquez**, Jesús María López***, Claudia Cuervo****
RESUMEN
Bacillus subtilis es una bacteria útil en algunas aplicaciones biotecnológicas por poseer enzimas como las amilasas, las cuales desempeñan un papel importante en diferentes procesos industriales. Una de sus propiedades, poco estudiada, ha sido su capacidad de inducir bioprecipitación química de carbonato de calcio (Ca2+ + HCO3 3> CaCO3 + H+) mediante un mecanismo similar al observado en la formación de rocas, suelos y estructuras biológicas como huesos, conchas y dientes. En esta investigación se estudiaron los cristales producidos por un aislamiento nativo de B. subtilis, tomado de una mina de oro situada en Segovia (Antioquia). Se determinó su capacidad calcificante utilizando el medio de cultivo B4. La caracterización del cristal producido se realizó con lupa binocular, microscopio petrográfico de luz plana polarizada (MOLP) en su modo de luz transmitida, microscopio electrónico de barrido con analizador de estado sólido (ESEM/EDX) y espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier (FTIR). A partir de los resultados obtenidos por medio de la caracterización utilizando la combinación de las técnicas analíticas que se mencionaron, fue posible determinar que el aislado nativo de B. subtilis generó y por ende es productor de cristales de carbonato de calcio (CaCO3) en su forma polimórfica de baja temperatura (calcite).
Palabras clave: Bacillus subtilis, calcita, bioprecipitación, mineralogía aplicada, biomineralogía.
ABSTRACT
Bacillus subtilis, a bacterium useful in some biotechnology applications, contains enzymes such as amylases, which play an important role in several industrial processes. One of its properties, not very well studied, is its capacity to induce the chemical bioprecipitation of CaCO3 (Ca2+ + HCO3 —> CaCO3 + H+), a similar mechanism commonly observed in the formation of rocks, soils and biological structures like bones, shells and teeth. In this work we have studied carbonate crystals produced by a B. subtilis isolate collected from a gold mine in Segovia (Antioquia, Colombia). Its calcification capability was assessed by determining the production of CaCO3 crystals using the specific B4 media culture. In addition, mineralogical analyses were conducted, using techniques such as a binocular stereoscopy, plane polarized light optical microscopy (PPLOM), scanning electronic microscopy with energy dispersive X-ray detector (ESEM/EDX) and Fourier Transform Infrared spectroscopy (FTIR). These analyses showed that the native isolated strain of B. subtilis produces calcium carbonate (CaCO3) in its low temperature polymorphic form, (calcite).
Key words: Bacillus subtilis, calcite, bioprecipitation, applied mineralogy, biomineralogy.
* Bacterióloga, investigadora grupo de Mineralogía Aplicada, Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín.
cmmontoyr@unalmed.edu.co ** Ingeniero geólogo, M. Se, Ph. D. Mineralogía aplicada, grupo de Mineralogía Aplicada, Laboratorio de
Biomineralogía, Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín. mmarquez@unalmed.edu.co *** M. Sc. Biotecnología, Colegio Mayor de Antioquia. chuchol@epm.net.co **** Bacterióloga, especialista en Epidemiología, grupo de Mineralogía Aplicada (subcapítulo Bacest), Colegio Mayor
de Antioquia. ccuervo88@hotmail.com
Recibido: Julio 21 de 2004 Aceptado: Julio 21 de 2005
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INTRODUCCIÓN
La bioprecipitación es un proceso común en la natu­raleza, bien datado paleontológicamente, en la for­mación de exoesqueletos en la era Cámbrica, hace cerca de 550 millones de años (Weiner y Addadi, 1997). Este proceso involucra la síntesis de materia­les a partir de compuestos simples con una variedad de propósitos como son proporcionar dureza, pro­veer orientación magnetotáctica, almacenamiento de materiales y formación de matriz extracelular, en­tre otros (Gower y Tirrell, 1998).
Los componentes principales de los materiales biológicos mineralizados son minerales, macro-moléculas y agua. La formación de estos materiales depende de un centro de nucleación que bien puede ser una capa de biopolímeros. Cristales aniónicos pueden ser inducidos en su nucleación por la pre­sencia de un biopolímero con carga opuesta (Weiner y Addadi, 1997). Estos minerales pueden formarse en la pared celular, en el interior o el exterior y no de­penden solamente del centro de nucleación sino de factores del medio ambiente circundante como el pH y la concentración de CO2 (Hammes y Boon, 2003).
El papel preciso de los microbios en los procesos de precipitación de carbonatos aún no es claro. Casi todas las bacterias son capaces de precipitar CaCO3. Esta precipitación puede ocurrir como producto de un proceso metabólico microbiano, por ejemplo la fo­tosíntesis, la hidrólisis de la urea y la reducción de sul­fatos. Estos procesos incrementan la alcalinidad, disol­viendo el contenido de carbono inorgánico del medio ambiente, favoreciendo así la precipitación del CaCO3. La carga natural negativa y los grupos funcionales de la pared celular favorecen la fijación de cationes como Ca2+, Mg+2 y Fe+2, haciendo de los microorganismos sitios de nucleación ideales. Sustancias extracelulares poliméricas también son importantes factores en la precipitación (Hammes y Boon, 2003).
Algunas de las bacterias reportadas como bio-precipitadoras de carbonatos son Bacillus cereus, Bacillus pasteurii, Bacillus subtilis y Myxococcus xanthus (Rodríguez et ál., 2003; Tiano et ál., 1999). Otras bacterias referenciadas con esta propiedad son Pseudoalteromonas atlantica, Pseudomonas auriginosa, Sporosarcinas ureae, Sporosarcinas pasteurii, Micrococcussp., Enterobacter aerogenes, Proteus vulgaris y Citrobacterfreundii. Este grupo de microorganismos ha sido motivo de estudio en otras
investigaciones (Santhosh et ál., 2001; Gutiérrez, 1998; Brunella y Giorgio, 2003).
Debido a que los microorganismos tienen un efecto directo sobre el ambiente en el cual se forman los cristales de carbonato de calcio y a que estos de­terminan la nucleación y crecimiento del cristal, se hace necesario identificar el tipo de mineral que es bioprecipitado por una especie bacteriana.
Este trabajo reporta algunas características mi­neralógicas de cristales de calcita bioprecipitada por un aislado nativo de Bacillus subtilis, producido en condiciones controladas de laboratorio.
MATERIALES Y MÉTODOS Aislamiento y cultivo
La bacteria utilizada fue un aislado de Bacillus subtilis, proveniente de los desechos de una mina de oro loca­lizada en el municipio de Segovia (Antioquia), la cual fue reactivada en el medio líquido de enriquecimiento Luria Bertani (LB) (NaCl 0.5%, extracto de levadura 0.5% y peptona 1%), a un pH de 7, incubándose du­rante 24 horas a una temperatura de 34 °C y una agi­tación de 200 rpm. A partir de este medio se realiza­ron subcultivos continuos al medio sólido de mantenimiento LB (agar 2.8%, NaCl 0.5%, extracto de levadura 0.5% y peptona 1%), con el fin de obser­var las características del cultivo y su pureza.
Condiciones para la producción de cristales
La bacteria se inoculó en el agar B4 (Tiano et ál., 1999), a un pH de 6 y a 34 °C, durante 15 días, hasta observar macroscópicamente la formación de crista­les sobre la superficie del medio de cultivo. Los cris­tales se obtuvieron mediante un barrido de la superfi­cie del cultivo bacteriano, el cual posteriormente se resuspendió en agua destilada y se sometió a ebulli­ción (100 °C) por 15 min, con el fin de desligar los cristales de los somas bacterianos y recuperar la mayor cantidad posible de mineral. Finalmente, la suspensión anterior se filtró al vacío a través de membranas millipore de 0.45 |im.
Caracterización mineralógica
Análisis químico determinativo para carbonatos. En este método se utilizó HCl al 10% en frío, con el obje­tivo de verificar, a priori, la presencia de carbonatos
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(Klein y Hurlbut, 1999), donde la reacción de los car-bonatos con el ácido clorhídrico disuelve los cristales y produce un desprendimiento de CO2, el cual se manifiesta mediante la aparición del fenómeno de efervescencia (Trujillo, 1984).
Lupa binocular. La observación se hizo directa­mente sobre los granos de carbonato producidos en el medio de cultivo, con el objetivo de caracterizar ini-cialmente los productos obtenidos de la actividad de las bacterias, observando aspectos generales como color, hábito, forma y tamaño de los cristales obtenidos.
Microscopía óptica de luz plana polarizada (modo de luz transmitida). Se utilizó un microscopio de luz plana polarizada marca Leitz, con el cual se observaron montajes de grano de los minerales ob­tenidos por la actividad bacteriana. A estos solo se les determinaron algunas propiedades ópticas, como clivaje, colores de interferencia, índice de re­fracción, entre otros, con la finalidad de caracterizar­los como carbonatos.
Microscopía electrónica de barrido con analiza­dor rayos X por dispersión de energía (ESEM/EDX). Se utilizó el microscopio de barrido (ambiental) mar­ca Phyllips del Laboratorio de Física del Plasma de la Universidad Nacional de Colombia, sede Maniza-les, operando a un voltaje de aceleración de 20 KV y una presión de 1.2 torr. Se determinaron mediante este método las características microtopográficas de los granos y el tamaño de los mismos mediante
imágenes de electrón secundario (SE), así como la microquímica de las fases presentes por EDX.
Espectroscopía de infrarrojo con transformada de Fourier(FTIR). Se hizo con el fin de definir la fase mineral precipitada por Bacillus subtilis, mediante el reconocimiento de las bandas de absorción presen­tes. Con este objetivo se pesaron 2 mg de muestra, los cuales se molieron junto con 150 mg de KBr, usando un mortero de ágata, hasta conseguir un pol­vo pasante malla 400 (Tyler), con el fin de elaborar una pastilla preparada en una prensa, a una presión de 10 ton fuerza, en la cual se hizo la medición.
RESULTADOS Producción de cristales
En la figura 1 se pueden observar imágenes obteni­das por lupa binocular de los cristales de carbonato generados por los cultivos de Bacillus subtilis en el medio B4.
Caracterización mineralógica
Los minerales retenidos en los filtros millipore 0.45 u,m, observados mediante lupa binocular, fueron de tonalidades crema, con cristales aciculares radiales muy finos, agrupados para generar hábitos botrioi-dales (figuras 2 y 3). Adicionalmente, estos presen­taron reacción positiva al HCl en frío, mostrando efervescencia copiosa, lo cual es característico de algunos carbonatos como la calcita y el aragonito (Klein y Hurlbut, 1999).
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Figura 1. Colonia de B. subtilis con cristales en su superficie, en el medio de cultivo B4.
Figura 2. Imagen de lupa binocular donde se observan minera­les retenidos en filtros millipore, de tamaños aproximados de 0.45 (j,m. Aumento 15X.
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Figura 3. Granos de calcita que muestran hábitos aciculares radiales, agrupados para generar hábitos botrioidales y esferoidales. Au­mento 40X.
Mediante la observación al microscopio óptico de luz transmitida (MOLT) (figuras 4a) y b)) fue posi­ble observar granos esféricos o en formas de cam­panas, conformados internamente por cristales de hábito acicular radial, con colores de interferencia ro­sados de cuarto orden. Dichas características son tí­picas de carbonatos de calcio, donde para el arago-nito son más comunes hábitos de tipo acicular radial; sin embargo, también se han reportado, con menos frecuencia, en calcita (Klein y Hurlbut, 1999).
Las imágenes de SE mostraron la presencia de granos de hábito botrioidal, con formas diversas de campana, así como glóbulos regulares o alargados, con tamaños que oscilan entre 100 y 200 u,m (figuras 5a), b) y c))
Mediante el uso de EDX, se logró verificar que estos granos presentaban una composición típica de carbonato de calcio, aparentemente con pequeñas cantidades de fósforo y cloro, probablemente incor­porados en la estructura en solución sólida (figura 6).
Por medio de FTIR se obtuvieron espectros para las muestras de bioprecipitado, las cuales fue­ron medidas en un intervalo entre 400 y 4.000 cm-1, donde fueron evidentes bandas típicas de la calcita, en forma de desdoblamientos planares a 709 cm-1 (V4), 874 cm-1 (V2), 1.058 cm-1 (vi) y estiramiento asimétrico V3 a 1.420 cm-1 (figura 7), diferentes de los reportados para aragonito situados a 712 cm-1, 858 cm-1, 1.084 cm-1 y 1473 cm-1, respectivamente (Van der Marel y Beutelspacher, 1976).
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Figura 4. Granos de carbonato precipitados porB. subtilis, observados por MOLT a) luz plana polarizada, b) nícoles cruzados. Aumen­to 100X.
DISCUSIÓN
Mediante los análisis de MOLP, ESEM/EDX y FTIR se determinó que los cristales producidos por el aislado nativo de B. subtilis son compatibles con calcita, co­rroborando así los resultados obtenidos porTiano et ál. (1999) y Hammes y Verstraete (2002), en donde se obtuvieron resultados similares trabajando con aislamientos diferentes.
Si se considera que B. subtilis es un productor de una gran variedad de enzimas extracelulares (Horikoshi, 1999), su morfología corresponde a una bacteria en que la proporción área/volumen es alta, con capacidad para generar películas biogénicas (biofilmes), convirtiendo esta matriz en un dominio altamente reactivo, con alto potencial para la nuclea-ción y crecimiento de cristales de calcita. Es impor­tante anotar que estas no son características
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Figura 6. Espectro edx que muestra análisis típico de los granos bioprecipitados lo que indica una composición de carbonato de calcio puro.
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Figura 7. Espectros ftir de dos muestras de bioprecipitado, medidas entre 400 y 4.000 cm-1, donde son evidentes bandas tí­picas de calcita.
Si bien los cristales obtenidos en este ensayo se presentaron en tamaños relativamente finos (en­tre 100-200 )am) y en proporciones relativamente ba­jas, queda por establecer si variando las condiciones físico-químicas usadas en este trabajo es posible aumentar la cantidad de calcita precipitada, así como la búsqueda de la generación de otros hábitos y tamaños (a escala nanométrica, por ejemplo), en la exploración de potencial en cuanto a su uso en diver­sas aplicaciones en la ingeniería de materiales.
Adicionalmente, los resultados aquí logrados establecen una base conceptual para estudios futu­ros, con el fin de catalizar la precipitación de calcita con fines industriales, así como en el entendimiento
Figura 5. Imágenes de esem/se que muestra granos de calcita con diversos hábitos.
exclusivas de B. subtilis, pues microorganismos como Myxococcus xantus, entre otros, se han repor­tado como bioprecipitadores de carbonatos, pare­ciendo poseer las mismas propiedades (Rodríguez et ál., 2003).
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de los mecanismos de formación de este tipo de mi­neral, tanto en ambientes naturales como artificiales, que se tornen en posibles indicadores genéticos con miras, entre otros, a la comprensión de ciertos pro­cesos formadores de rocas de gran relevancia en la geología, así como a la aplicación en futuros proce­sos biotecnológicos y de biorremediación.
AGRADECIMIENTOS
Al Laboratorio de Física del Plasma (Universidad Nacional de Colombia, sede Manizales), especial­mente a su director el profesor Alfonso Devia Cubi­llos; al Colegio Mayor de Antioquia; a la Universi­dad Nacional de Colombia, sede Medellín y a la profesora Judith Betancur Urán (Universidad de Antioquia).
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