Control de insectos de granos almacenados mediante volátiles provenientes de bacterias marinas del caribe colombiano

Abstract

El almacenamiento de granos como frijol, trigo, maíz, entre otros, sufre grandes afectaciones por la invasión de insectos plaga que generan efectos negativos como disminución en el valor nutricional y pérdida de peso, así como cambios en la temperatura y humedad del almacenamiento que propician condiciones para la proliferación de microorganismos. El control químico es la forma más efectiva para atacar estos insectos plaga. Sin embargo, estos compuestos presentan complicaciones toxicológicas y ambientales, que ameritan la búsqueda de alternativas de control. Así surge la idea de buscar en microorganismos provenientes de ambientes marinos, como fuente novedosa de compuestos con actividad biológica, compuestos orgánicos volátiles (COVs) con actividad insecticida. En este trabajo se exploraron 21 aislamientos bacterianos provenientes del caribe colombiano como fuente de COVs. Para ello se desarrolló e implementó un bioensayo insecticida que permitió seleccionar cuatro aislamientos bacterianos como posibles fuentes de COVs con actividad insecticida sobre el insecto T. castaneum. Así se estudiaron los COVs liberados por los aislamientos bacterianos identificados como PNM-39 (Paenibacillus sp.), PNM-123 (Paenibacillus sp.), PNM-143 (Streptomyces sp.) y PNM-201 (Paenibacillus sp.). La extracción de los COVs se realizó por microextracción en fase solida (HS-SPME) y los perfiles metabólicos volátiles (PMVs) se analizaron mediante cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas (GCMS). Se identificaron diversos grupos funcionales entre los que se destacan monoterpenos, sesquiterpenos, esteres alifáticos y compuestos aromáticos en el aislamiento PNM-143; cetonas alifáticas, metilcetonas y compuestos aromáticos en los aislamientos PNM-123 y PNM-201; y compuestos azufrados en el aislamiento PNM-39. Con el fin de corroborar la actividad insecticida de los COVs identificados, se realizó un bioensayo de modelo fumigante frente a los insectos Sitophilus zeamais, Sitophilus oryzae y Tribolium castaneum. Así se determinó que los compuestos con mayor actividad insecticida fueron benzotiazol (LC50 33,5 μmol. L-1 frente T. castaneum y LC50 3,3 μmol. L-1 S. zeamais) y 2- Contenido XI heptanona (LC50 27,96 μmol. L-1 frente a S. oryzae), la cual es semejante a la obtenida con el insecticida comercial Nuvan50EC® usado como control. Los bioensayos de actividad insecticida son aquellos que permiten evaluar la actividad de un compuesto, proteína o enzima sobre un insecto y ver si éste es el causal de la mortalidad. En la actualidad no existen bioensayos reportados que permitan evaluar la actividad insecticida producida por compuestos orgánicos volátiles bacterianos sobre insectos en el que se mantengan los dos organismos vivos en un mismo ambiente. Para tal fin en este trabajo se diseñó un bioensayo que permite evaluar la actividad insecticida de los COVs producidos por bacterias aisladas de ambientes marinos del caribe colombiano sobre los insectos Tribolium castaneum (gorgojo rojo de la harina). Este bioensayo consta de un contenedor plástico con tapa hermética en el cual se introducen los insectos con su respectivo alimento y el microorganismo a evaluar previamente inoculado en medio sólido en una caja de Petri. Todo el sistema es sellado e incubado por un tiempo de 4 días a una temperatura de 28°C y una humedad relativa del 70%. Luego de diseñado el bioensayo y asegurando su reproducibilidad se procedió a establecer las mejores condiciones en las que aumentaba la actividad y se mantenía la uniformidad de este. Se evaluaron condiciones tales como la temperatura, la cantidad de bacteria, el conteo de UFC/caja, el tiempo, el insecto, el alimento del insecto y la estrategia de esterilización. Se preseleccionaron 21 aislamientos respecto a criterio taxonómico con reportes en literatura de un cepario de bacterias aisladas de ambientes marinos. Los aislamientos seleccionados fueron evaluados el bioensayo anteriormente descrito y se seleccionaron los 4 más activos, con el objeto de analizar su perfil metabólico volátil como una posible fuente promisoria de producción de COVs con actividad insecticida sobre el insecto T. castaneum. Se seleccionaron 28 control de insectos de granos almacenados mediante volátiles provenientes de bacterias marinas del caribe colombiano 4 bacterias PNM-39 (Paenibacillus sp.), PNM-123 (Paenibacillus sp.), PNM-143(Streptomyces sp.) y PNM-201(Paenibacillus sp.). Los microrganismos producen compuestos orgánicos volátiles (COVs) que usan como intermediarios de comunicación, alerta, defensa entre otros. La producción de dichos COVs depende de varios factores como el medio de crecimiento, el estrés generado por temperatura, humedad y el tiempo de inoculación. En este trabajo se estudió la producción COVs de 4 aislamientos de bacterias del caribe colombiano identificadas como PNM-123 (Paenibacillus sp.), PNM-201(Paenibacillus sp.), PNM-39 (Paenibacillus sp.) y PNM-143 (Streptomyces sp.). La extracción mediante microextracción en fase solida (SPME) y el análisis por cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas (GCMS), permitió determinar el perfil metabólico volátil (PMV) a las 24, 48, 72 y 96 horas. Entre los COVs identificados para la batería PNM-143 se encuentran acetofenona, limoneno, esteres y compuestos aromáticos. Los aislamientos PNM-123 y PNM-201 producen principalmente cetonas y compuestos aromáticos, mientras la bacteria PNM-39 es la única que produce compuestos azufrados.

Abstract: The storage of grains such as beans, wheat, corn, among others, suffers great damage due to the invasion of insect pests that generate negative effects such as a decrease in the nutritional value and weight loss, as well as changes in the temperature and humidity of storage which creates conditions for the proliferation of microorganisms. Chemical control is the most effective way to attack these insect pests. However, these compounds present toxicological and environmental complications, which require the search for control alternatives. In this way, microorganisms from marine environments becomes as a novel source of compounds with biological activity and as source of volatile compounds with insecticidal activity. In this work, 21 bacterial isolates from the Colombian Caribbean were explored as a source of VOCs. An insecticidal bioassay was developed and implemented to select four bacterial isolates as possible sources of VOCs with activity against T. castaneum insect. Thus, VOCs released by bacterial isolates identified as PNM-39 (Paenibacillus sp.), PNM-123 (Paenibacillus sp.), PNM-143 (Streptomyces sp.) and PNM-201 (Paenibacillus sp.) were studied. The extraction of the VOCs was carried out by solid phase microextraction (HS-SPME) and the volatile metabolic profiles (PMVs) were analyzed by gas chromatography coupled to mass spectrometry (GCMS). Several functional groups were identified, among which monoterpenes, sesquiterpenes, aliphatic esters and aromatic compounds on PNM-143; aliphatic ketones, methyl ketones and aromatic compounds in PNM-123 and PNM-201 isolates; and sulfur compounds in PNM-39. In order to corroborate the insecticidal activity of the identified VOCs, a fumigant model bioassay was carried out against insects Sitophilus zeamais, Sitophilus oryzae and Tribolium castaneum. It was determined that the compounds with the highest insecticidal activity were benzothiazole (LC50 33.5 μmol L-1 against T. castaneum and LC50 3.3 μmol L-1 S. zeamais) and 2-heptanone (LC50 27.96 μmol L -1 against to S. oryzae), which is like that obtained with the commercial insecticide Nuvan50EC® used as a control.