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Biodegradation of ibuprofen and fluoxetine by bacterial strains isolated from environmental samples and identification of candidate catabolic genes
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Abstract(s)
Pharmaceuticals are commonly found in surface waters due to high global demand. Conventional wastewater treatment plants don’t remove them completely being a major source of these compounds, which pose a risk to the environment and human health despite their low concentrations. The objective of the present investigation was to isolate bacteria from environmental and wastewater samples from the Algarve area potentially exposed to recalcitrant contaminants (aromatic compounds), capable of degrading pharmaceuticals. Ibuprofen (IBU) and fluoxetine (FLX), two of the most common drugs found in effluents worldwide, were the targets. Twenty bacterial strains were isolated using enrichment cultures. However, only three strains (TIBU2.1, LOI1.1 and LOI1.2) showed the ability to degrade IBU, and two (LOFLX1.1 and LOFLX1.3) FLX. The drug concentration was monitored by HPLC, as well as the presence of IBU metabolites eventually formed during biodegradation. In addition, two bacterial strains (Mycolicibacterium aubagnense HPB1.1 and Micrococcus yunnanensis TJTP4), previously isolated for other pharmaceuticals, were investigated in this work. Klebsiella pneumoniae TIBU2.1 and M. yunnanensis TJTP4 exhibited complete degradation of IBU after 15 and 14 days, respectively, while M. aubagnense HPB1.1 was also able to degrade 60.2% ± 0.4 of IBU after 21 days. Additionally, the complete genomes of these three bacterial strains were sequenced to conduct a preliminary analysis of candidate genes involved in the degradation pathway of IBU. Catabolic enzymes reported in databases and literature for IBU biodegradation were used to search for similar proteins translated by the obtained genome sequences. These in silico analyses on the bacterial genomes showed similarities with most of the reported proteins. This work provides useful genetic information for the development of bioaugmentation techniques and reports new bacteria for bioremediation processes transforming IBU into less toxic metabolic compounds.
Os produtos farmacêuticos constituem um mercado em crescimento, altamente procurado ano após ano, o que faz com que estes compostos sejam continuamente detetados nos efluentes e nas águas superficiais. Apesar desses compostos poderem chegar ao ambiente através de diferentes fontes, as estações de tratamento de águas residuais (ETARs) são incapazes de os eliminar completamente, sendo por isso a maior fonte de contaminação ambiental destes poluentes. Foi demonstrado que, apesar das baixas concentrações de descarga presentes nas águas residuais (de ng L-1 a μg L-1), a sua presença nos ecossistemas representa um risco para o meio ambiente e para a saúde humana. A utilização de processos de bioaumentação e bioestimulação apresentam-se como técnicas promissoras para a eliminação desses contaminantes. Para alcançar esse objetivo é fundamental isolar bactérias que possuam a capacidade de degradação dessas substâncias. Além disso, o entendimento da via de degradação e dos genes envolvidos pode ser útil no desenvolvimento de ferramentas a ser utilizadas na bioaumentação de bactérias, ou bioaumentação genética por transferência horizontal de genes de enzimas catabólicas em plasmídeos. Assim, o objetivo principal deste trabalho, a fim de melhorar os processos de tratamento de águas residuais, foi isolar estirpes bacterianas com a capacidade de degradar o anti-inflamatório monocíclico não esteroidal ibuprofeno (IBU) e o antidepressivo fluoxetina (FLX), dois medicamentos comumente encontrados nos efluentes de águas residuais que acabam no mar. Estas bactérias foram isoladas de amostras de sedimentos ambientais de diferentes pontos da região do Algarve, potencialmente afetados por contaminantes recalcitrantes como a gasolina e óleos lubrificantes e também de águas residuais de lagar de azeite – águas ruças - e seus sedimentos, uma vez que estes contêm compostos com aneis aromáticos, tal como o IBU e a FLX. Para selecionar bactérias potencialmente degradadoras foram feitos enriquecimentos em solução aquosa com meio mineral salino (MSM) suplementado com altas concentrações de IBU e FLX (100 mg L-1), a partir dos quais foram isoladas em placa um total de 20 estirpes bacterianas (11 para IBU e 9 para FLX) com diferenças morfológicas entre elas. Dessas apenas 3 (TIBU2.1, LOI1.1 e LOI1.2) foram capazes de degradar IBU e 2 (LOFLX1.1 e LOFLX1.3) FLX, em solução aquosa. Para além dos novos isolamentos obtidos neste trabalho, também foi avaliado o potencial de degradação de duas bactérias previamente isoladas para outros fármacos no laboratório de Tecnologias Ambientais do CCMAR onde decorreu o trabalho: Mycolicibacterium aubagnense HPB1.1 e Micrococcus yunannensis TJPT4.(...)
Os produtos farmacêuticos constituem um mercado em crescimento, altamente procurado ano após ano, o que faz com que estes compostos sejam continuamente detetados nos efluentes e nas águas superficiais. Apesar desses compostos poderem chegar ao ambiente através de diferentes fontes, as estações de tratamento de águas residuais (ETARs) são incapazes de os eliminar completamente, sendo por isso a maior fonte de contaminação ambiental destes poluentes. Foi demonstrado que, apesar das baixas concentrações de descarga presentes nas águas residuais (de ng L-1 a μg L-1), a sua presença nos ecossistemas representa um risco para o meio ambiente e para a saúde humana. A utilização de processos de bioaumentação e bioestimulação apresentam-se como técnicas promissoras para a eliminação desses contaminantes. Para alcançar esse objetivo é fundamental isolar bactérias que possuam a capacidade de degradação dessas substâncias. Além disso, o entendimento da via de degradação e dos genes envolvidos pode ser útil no desenvolvimento de ferramentas a ser utilizadas na bioaumentação de bactérias, ou bioaumentação genética por transferência horizontal de genes de enzimas catabólicas em plasmídeos. Assim, o objetivo principal deste trabalho, a fim de melhorar os processos de tratamento de águas residuais, foi isolar estirpes bacterianas com a capacidade de degradar o anti-inflamatório monocíclico não esteroidal ibuprofeno (IBU) e o antidepressivo fluoxetina (FLX), dois medicamentos comumente encontrados nos efluentes de águas residuais que acabam no mar. Estas bactérias foram isoladas de amostras de sedimentos ambientais de diferentes pontos da região do Algarve, potencialmente afetados por contaminantes recalcitrantes como a gasolina e óleos lubrificantes e também de águas residuais de lagar de azeite – águas ruças - e seus sedimentos, uma vez que estes contêm compostos com aneis aromáticos, tal como o IBU e a FLX. Para selecionar bactérias potencialmente degradadoras foram feitos enriquecimentos em solução aquosa com meio mineral salino (MSM) suplementado com altas concentrações de IBU e FLX (100 mg L-1), a partir dos quais foram isoladas em placa um total de 20 estirpes bacterianas (11 para IBU e 9 para FLX) com diferenças morfológicas entre elas. Dessas apenas 3 (TIBU2.1, LOI1.1 e LOI1.2) foram capazes de degradar IBU e 2 (LOFLX1.1 e LOFLX1.3) FLX, em solução aquosa. Para além dos novos isolamentos obtidos neste trabalho, também foi avaliado o potencial de degradação de duas bactérias previamente isoladas para outros fármacos no laboratório de Tecnologias Ambientais do CCMAR onde decorreu o trabalho: Mycolicibacterium aubagnense HPB1.1 e Micrococcus yunannensis TJPT4.(...)
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Keywords
Isolamento bacteriano Ibu Flx Bioaumentação Genes de degradação