DIVULGACIÓN CIENTÍFICA Y TECNOLÓGICA
APROVECHAMIENTO DE RESIDUOS ORGÁNICOS EN LA PRODUCCIÓN DE ENZIMAS MICROBIANAS
Brayan Cobo V.1
Juan M. González A.2
Luis F. Pérez T.3
Juan P. Heredia M.4,
Etna M. Sánchez C.5
El semillero BioTec CGI – SENA aprovecha residuos de papa, flores y bagazo de caña como materia prima en la elaboración de medios de cultivo para obtener enzimas a partir de microrganismos aislados del humedal La Conejera en Bogotá.
El semillero de biotecnología (BioTec), del grupo de investigación “NEURONA” SENA – Centro Gestión Industrial (CGI), se ha interesado en el uso de residuos orgánicos para darles valor agregado en el proceso de obtención de enzimas microbianas, utilizadas como materia prima en la industria textil, papelera y de alimentos y bebidas. Razón por la cual se buscaron y seleccionaron microorganismos productores de enzimas en humedales de Bogotá, los cuales posteriormente fueron cultivados en medios elaborados con cáscaras de papa, tallos de flores y bagazo de caña de azúcar, con el fin de obtener estos productos microbianos.
¿Para qué producir enzimas a partir de microorganismos?
Las enzimas son biomoléculas, principalmente proteínas producidas por organismos vivos, como animales, plantas y microorganismos (bacterias y hongos) para obtener su energía mediante la degradación (catálisis) de grandes compuestos en pequeñas fracciones.
Estas moléculas de origen biológico, que al permitir la degradación de compuestos como almidón, celulosa, lignina o pectina, son usadas en la industria para aprovechar materias primas ricas en estos y mediante procesos de catálisis obtener productos como jarabes de glucosa, etanol, papeles y textiles con características específicas, entre otros. Incluso las enzimas también pueden ser utilizadas en procesos de remediación ambiental gracias a que pueden reducir sustancias contaminantes presentes en el agua o el suelo.
Los microorganismos son una fuente importante para la producción de enzimas, ya que su ubicuidad (estar presentes en diferentes hábitats) y su fácil reproducción, permiten obtener grandes cantidades de estas biomoléculas tanto a nivel de laboratorio como industrial, es por ello que el semillero BioTec se dio a la tarea de buscarlos en el suelo de los humedales.
Búsqueda de microorganismos productores de enzimas.
Los humedales son una fuente biodiversa de microorganismos debido a que son entornos ricos en nutrientes como nitrógeno, carbono y fósforo, así mismo presentan niveles de humedad y pH, ideales para la reproducción de toda clase de organismos microscópicos.
La búsqueda de los microorganismos empezó mediante la toma de muestras de suelos de los humedales Torca, Guaymaral, Córdoba, Conejera y Florida, ubicados al norte de Bogotá, continuó con su aislamiento, sembrándolos en medios de cultivo que favorecieron el crecimiento de microorganismos degradadores tanto de almidón (amilolíticos) y de celulosa (celulolíticos). Una vez aislados los microorganismos estos fueron caracterizados e identificados.
Imagen 1. Muestreo en humedales.
Caracterización de los microorganismos aislados.
Una vez obtenidos los cultivos de estos microorganismos se realizaron preparaciones para observar sus características morfológicas bajo el microscopio, encontrando bacterias en forma de bacilos como se muestra en la siguiente imagen.
Imagen 2. Bacillus amyloliquefaciens.
Así mismo, se realizaron pruebas que permitieron verificar la capacidad de los microorganismos para producir enzimas, específicamente las amilasas y celulasas. Estas consistieron en hacer crecer los microorganismos en medios que contenían almidón o celulosa como sustrato, posteriormente la adición de un colorante permitió revelar un halo de hidrólisis que evidenciaba la degradación de estos componentes en el medio (Imagen 3 y 4) y por lo tanto la presencia de estas enzimas.
Imagen 3. Microorganismo productor de amilasas.
Imagen 4. Microorganismo productor de celulasas.
Selección e identificación de Seleccionando e identificando microorganismos productores de enzimas.
Después de comprobar la capacidad de los microorganismos para producir amilasas y celulasas, se realizaron nuevos cultivos en medios líquidos que contenían almidón o celulosa con el fin de obtener enzimas, incubándolos en agitación a 37ºC durante 48 horas. Luego del tiempo de incubación, mediante centrifugación se recuperaron las enzimas producidas y se procedió a evaluarlas con el fin de seleccionar los microorganismos con mayor capacidad productora.
Una vez seleccionado el microorganismo productor de amilasas y celulasas, mediante técnicas moleculares basadas en la secuenciación del ADN bacteriano, se identificó que este correspondía a una bacteria denominada Bacillus amyloliquefaciens.
Imagen 5. Bacillus amyloliquefaciens en agar almidón.
Residuos orgánicos seleccionados para la producción de enzimas.
Según la guía de estrategias de aprovechamiento de residuos orgánicos de la Secretaría Distrital del Hábitat (2018), en Bogotá son enterradas 6.300 toneladas de residuos al día en el relleno sanitario Doña Juana, de las cuales el 53.4% corresponde a residuos orgánicos. Por otra parte, en las zonas rurales productoras de panela el bagazo de la caña de azúcar es un residuo desperdiciado o incinerado luego de la extracción del jugo rico en azúcares.
Por esta razón, se vio la oportunidad de producir enzimas a partir de cáscaras de papa, tallos de flor y bagazo de caña. Los residuos de flores se recolectaron en la plaza de paloquemao - Bogotá, los de papa en restaurantes ubicados en Puente Aranda - Bogotá y el bagazo en un trapiche de Tobia - Cundinamarca. Después, se realizó el pretratamiento para su limpieza, conservación y posterior cuantificación de almidón y celulosa. En la siguiente imagen se muestran los contenidos de almidón y celulosa en los residuos.
Imagen 6. Contenido de almidón y celulosa en los residuos.
Aprovechamiento de los residuos orgánicos.
A partir de los residuos caracterizados se prepararon medios de cultivo para la producción de enzimas mediante la acción de Bacillus amyloliquefaciens. Para la obtención de amilasas se empleó como principal fuente de carbono la cáscara de papa y para las celulasas los tallos de flores y el bagazo de caña de azúcar. Con el fin de comparar la eficiencia en la producción de las enzimas, se emplearon medios de cultivo estándar preparados a partir de almidón y celulosa comercial. Después de 36 horas de cultivo el microorganismo fue capaz de producir amilasas y celulasas utilizando los residuos como sustrato, siendo transformados en enzimas y biomasa que pueden ser aprovechadas en otros procesos industriales.
Los resultados obtenidos por el semillero demuestran que las cáscaras de papa, tallos de flores y bagazo de caña utilizados como medios de cultivo, poseen un rendimiento similar a los medios estándares. Por tal razón, estos residuos orgánicos pueden aprovecharse en la obtención industrial de enzimas a un bajo costo de elaboración.
Documentos de interés
Heredia-Martín JP, Sánchez-Castelblanco EM. (2021). Evaluation of sugarcane bagasse and flower stems as substrates for cellulase production by Bacillus amyloliquefaciens C18. https://worldresearchersassociations.com/Archives/RJBT/Vol(16)2021/January2021.aspx
Sánchez-Castelblanco EM, Heredia-Martín JP, Buitrago-Morales SM, Medina-Rodríguez, JP. (2020). Aislamiento e identificación de microorganismos potencialmente amilolíticos y celulolíticos de suelos de humedales de Bogotá. doi.org/10.15446/rev.colomb.biote.v22n1.71278
Sánchez-Castelblanco EM, Heredia-Martín JP. (2020). Evaluación de residuos de cáscaras de papa como sustrato para la producción de amilasas a partir de Bacillus amyloliquefaciens A16. doi.org/10.18257/raccefyn.1122
SECRETARÍA DISTRITAL DE HÁBITAT. (2018). Guía técnica para el aprovechamiento de residuos orgánicos a través de metodologías de compostaje y lombricultura. Tomado de: https://www.uaesp.gov.co/images/Guia-UAESP_SR.pdf
Filiaciones institucionales de los autores
1, 2, 3. Aprendices tecnología de Química Aplicada a la Industria SENA – CGI y Semilleristas de BioTec - CGI, Grupo de Investigación NEURONA. 1. cobolasco21@gmail.com; 2. jmgonzalez2514@misena.edu.co; 3. lfperez473@misena.edu.co
4, 5. Instructores - Investigadores del Semillero BioTec - CGI, Grupo de Investigación NEURONA SENA – CGI. 4. jpheredia@misena.edu.co; 5. etnamilena@misena.edu.co