La Técnica: Revista de las Agrociencias e-ISSN 2477-8982
Efecto del pH y la salinidad en el crecimiento y luminiscencia de una bacteria marina como biosensor ambiental
Año 2016. Edición Especial (Enero-Junio)
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Efecto del pH y la salinidad en el crecimiento y luminiscencia
de una bacteria marina como biosensor ambiental
Effect of pH and salinity on the growth and luminescence of a marine
bacterium as an environmental biosensor
Autores: Vener Pérez Lemes
1
Yolaine Delgado Gómez
2
Dirección para correspondencia: venerpl@ult.edu.cu
Recibido: 11-abril-2016
Aceptado: 23-mayo-2016
Resumen
El trabajo se desarrolló en el Centro de Estudios de Proteínas de la Facultad de
Biología de la Universidad de La Habana en septiembre de 2012 con el objetivo
de evaluar el crecimiento y la luminiscencia de la cepa bacteriana CBM-784 en
el medio LM a diferentes intervalos de pH y salinidad y determinar los rangos
óptimos para sus crecimiento y luminiscencia. Los resultados demuestran que
la bacteria luminiscente CBM-784 mostró su mejor crecimiento y luminiscencia
a pH= 8,3 y concentraciones de NaCl entre 2,95 y 3,5%.
Palabras clave: bacterias; ecología marina; luciferase; luminiscencia
bacteriana; medio de cultivo.
Abstract
The work was developed at the Center for Protein Studies of the Faculty of
Biology of the University of Havana in September 2012 with the objective of
evaluating the growth and luminescence of the bacterial strain CBM-784 in the
LM medium at different intervals of pH and salinity and to determine the
optimal ranges for its growth and luminescence. The results demonstrate that
the luminescent bacterium CBM-784 showed its best growth and luminescence
at pH = 8.3 and NaCl concentrations between 2.95 and 3.5%.
Keywords: bacteria; marine ecology; luciferase; bacterial luminescence;
culture medium.
Introducción
La bioluminiscencia es un proceso bioquímico mediante el cual los organismos
emiten luz. Este fenómeno ocurre en muchas especies de organismos
(terrestres y acuáticos) (Sáenz, Guadalupe y Nevárez, 2010), sin embargo las
bacterias luminiscentes se consideran las más abundantes en el entorno
natural (Meighen, 1993). En los océanos se encuentran ya sea como especies de
1
Licenciada. Facultad de Ciencias Agrícolas, Universidad de Las Tunas. Las Tunas, Cuba.
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Master en Ciencias. Instituto de Oceanología. La Habana, Cuba. Correo electrónico: yolaine@oceano.inf.cu
Vener Pérez Lemes, Yolaine Delgado Gómez
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La Técnica. Publicación semestral. Vicerrectoría Académica. Universidad Técnica de Manabí, ECUADOR
vida libre, organismos saprofitos, simbiontes en órganos de peces marinos (Lin
et al., 2001) o como parásitos de crustáceos e insectos (Wegrzyn y Czyz, 2002).
La emisión de luz por las bacterias luminiscentes es el resultado del sistema
enzimático luciferina- luciferasa que se encuentra íntimamente relacionado con
los procesos de transferencia de energía en las células (Martín, Serrano,
Santos, Marquina y Vázquez, 2010).
Está demostrado que para estos microorganismos la capacidad de crecer y
emitir luz en medios artificiales está relacionada con varios factores tales como
los nutrientes empleados, tensión de oxígeno y la temperatura (Reichelt y
Baumann, 1975). El pH y la salinidad también juegan un papel importante en
la fisiología bacteriana (Waters y Lloyd, 1985). Al utilizar azúcares como fuente
de carbono, en condiciones anaerobias ocurre una producción considerable de
ácido pirúvico que para algunas especies de bacterias luminiscentes, es tan
elevada que origina disminución del pH del medio e inhibe la síntesis de la
luciferasa, aun a baja densidad celular (Krieg y Holt, 1984; Berglind, Leffler y
Sjostrom, 2010). Por otra parte el efecto de la salinidad puede variar de una
especie a otra e incluso entre una misma especie aislada de regiones o nichos
ecológicos diferentes (Silva y Duran, 2003).
Debido a la diversidad de bacterias luminiscentes marinas se hace necesario la
selección de cepas específicas y la determinación de sus condiciones óptimas de
cultivo para su empleo como biosensores ambientales (Podgórska, Pazdro, y
Wêgrzyn, 2007; Weng, Kheng, Ahmad, Yook y Surif, 2012).
Teniendo en cuenta la importancia que implica el empleo de bacterias
luminiscentes marinas para el monitoreo de la calidad ambiental de las costas
cubanas el presente trabajo tuvo como objetivo evaluar el efecto del pH y la
salinidad en el crecimiento y la luminiscencia de la cepa CBM-784 para su
posterior estudio como posible bioindicador.
Metodología
Selección de la cepa de trabajo
La cepa de bacteria luminiscente empleada en el presente estudio fue la CBM-
784, aislada de la plataforma noroeste de Cuba, perteneciente al Instituto de
Oceanología, la cual se encuentra conservada en la colección de bacterias
marinas del Centro de Bioproductos Marinos (Cebimar).
Mantenimiento y conservación de la cepa CBM-784
El medio empleado para el mantenimiento de la cepa CBM-784 fue el medio
LM, recomendado para el aislamiento de bacterias luminiscentes (Baumann y
Baumann, 1981).
La cepa fue mantenida en tubos de plano inclinado de LM agarizado con aceite
mineral estéril a temperatura de 4 oC, los cuales constituyeron el banco
maestro. De este se realizaron pases a tubos con planos inclinados con igual
medio pero sin aceite mineral que constituyeron el banco de trabajo.
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Preparación del preinóculo
A partir de un tubo del banco de trabajo, se tomó 1 mL de medio LM líquido y
se descargó en el tubo de plano inclinado con el fin de arrastrar la biomasa.
Posteriormente, esta biomasa se vertió en un erlenmeyer que contenía 75 mL de
medio LM líquido y se colocó en zaranda (160 rpm) a una temperatura entre
27-28 °C, durante 18h. La densidad óptica del preinóculo se midió a una
longitud de onda (λ) igual a 620 nm, en una cubeta de 1 cm de paso de luz.
A partir de este cultivo (preinóculo) se inocularon 4 erlenmeyers de 500 mL de
capacidad, por cada medio de cultivo ensayado, los cuales contenían 150 mL de
medio fresco.
Para inocular se tomaron volúmenes del preinóculo entre 0,0027 y 1% para
obtener densidades ópticas iniciales que oscilaban entre 0,0535 y 0,077, según
lo recomendado por Stuart (1998).
Se realizaron curvas de crecimiento a la cepa bajo estudio. Las determinaciones
del crecimiento, mediante la medición de la densidad óptica, se realizaron en
un espectrofotómetro Shimadzu, en cubetas de 1 cm de paso de luz, a una
longitud de onda (λ) de 620 nm, a intervalos regulares de tiempo (30 minutos),
en las primeras etapas de crecimiento y a partir de los 240 minutos se
espaciaron las mediciones (cada 120 min), hasta los 1448 minutos. En cada
medición se tomaron muestras de cada frasco de cultivo, de 2 mL de volumen.
Paralelo a esto se medió la luminiscencia y se realizaron espectros de emisión
de luz desde los 380 nm hasta los 665 nm espectrofluorímetro (Shimadzu RF-
5301pc), en una cubeta de cuarzo pulido de 1 cm de paso de luz.
Por último, se procedió al cálculo de la velocidad específica de crecimiento (µ)
durante la etapa de crecimiento exponencial.
Efecto del pH sobre la µ y la luminiscencia
La marcha experimental para la evaluación del efecto del pH fue similar a la de
la temperatura, sólo que aquí se mantuvo constante la salinidad (3,5 %) y la
temperatura (28ºC) y agitación de 160 rpm.
El estudio de la influencia del pH inicial en el crecimiento fue realizado en un
rango entre 3 y 9 ajustando con NaOH ó HCl 1N según el caso. Los valores de
pH a evaluar fueron: 3, 5, 7, 8 y 9. Posteriormente fue modelada la relación
entre pH y µ mediante el empleo del modelo de polinomios ortogonales para la
optimización.
Efecto de la salinidad sobre la µ y la luminiscencia
El efecto de la salinidad se evaluó de forma similar al pH, sólo que se mantuvo
constante el pH (7) y se varió la concentración de NaCl. La salinidad se evaluó
empleando concentraciones de NaCl adecuadas para ajustar la concentración
de sal deseada. Las concentraciones de NaCl a evaluar fueron: 0, 1, 2, 3, 3.5, 4
y 5. Para la optimización se utilizó igual que en el pH el modelo de polinomios
ortogonales.
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Velocidad específica de crecimiento (µ): la µ fue determinada en la fase
exponencial del crecimiento, mediante el modelo de crecimiento no restringido
(López y Godia, 1998).
Velocidad específica de formación de producto (Qp): Este parámetro cinético fue
determinado por el método de los incrementos (López y Godia, 1998).
Tratamiento estadístico de los resultados
Todos los ensayos se realizaron con tres réplicas. Se realizó un análisis de
varianza (ANOVA) para determinar si existían diferencias entre las diferentes
variables empleadas. En todas las tablas y gráficos se refieren las medias con el
intervalo de confianza para un coeficiente de significación del 95%. Todos los
datos fueron procesados con el paquete estadístico Statistica v 7.0 y Excel 10.0
para Windows.
Resultados
Influencia del pH sobre el crecimiento y la luminiscencia de la cepa CBM-784
La cepa CBM-784 mostró amplia tolerancia a pH entre 7 y 9, sin embargo, no
fue capaz de crecer a pH ácidos como pH=3 y pH=5 (figura 1). El máximo valor
de crecimiento bacteriano se obtuvo a pH 8 (DO= 8,00 ± 3,812) a los 480 min,
fase exponencial.
0
2
4
6
8
10
0 100 200 300 400 500 600
DO
620
Tiempo (min)
pH 3
pH 5
pH 7
pH 8
pH 9
Figura 1. Comportamiento del crecimiento de la cepa CBM-784 a diferentes pH (3, 5, 7, 8 y 9), en medio LM, T=28
°C y 160 rpm.
En las curvas de crecimiento descritas por la cepa CBM-784 en los pH entre 7 y
9 no se pudo observar la fase de latencia (figura 1). Lo cual pudiera asociarse a
una elevada velocidad de crecimiento del microorganismo y además porque el
medio empleado para el preinóculo fue el mismo. Por estas razones la batería
enzimática de la bacteria probablemente estuviera adaptada, lo cual
constituiría un factor importante en el acortamiento de la etapa de latencia
(Martínez, Sánchez, Quintana, Pazos y Del Barrio, 1989).
El comportamiento de la emisión de luz frente a pH diferentes de la cepa en
estudio fue similar al crecimiento. A pH ácidos (3 y 5) no hubo emisión de luz,
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ya que no hubo crecimiento. Por el contrario, a pH entre 7 y 9 exhibió
intensidades de luz elevadas, las cuales fueron estadísticamente similares entre
si (figura 2).
0
200
400
600
800
1000
1200
0 100 200 300 400 500 600
Lum (uamL
-1
)
pH 3
pH 5
pH 7
pH 8
pH 9
Figura 2. Comportamiento de la luminiscencia de la cepa CBM-784a diferentes pH (3, 5, 7, 8 y 9), en medio LM,
T=28 °C y 160 rpm-1.
La mayor intensidad de luminiscencia se alcanzó a pH 8 (993,178 ± 0,008) a los
240 min de crecimiento. Es importante destacar que a los 240 min se midieron
las máximas intensidades de luz en todos los pH ensayados, encontrándose los
cultivos en fase exponencial (figura 2).
La figura 3 muestrá el comportamiento de la velocidad específica de crecimiento
(µ) con relación al pH inicial del medio, y la dependencia de µ basado en un
modelo de polinomios ortogonales.
µ = -0,00018(pH)
2
+ 0,00299(pH) - 0,00572
= 0,92664
0,000
0,004
0,008
0,012
2 3 4 5 6 7 8 9 10
µ (min
-1
)
pH
F
(5;12)
= 30,667; p = 0,000002
a
a
b
b
b
Figura 3. Influencia del pH sobre la µ de la cepa CBM-784 en medio LM en zaranda a 28 ºC y 160 rpm-1.
Se aprecia que µ varía de forma significativa con los cambios de pH inicial. El
valor de la µ aumenta a medida que el pH inicial aumenta hasta pH 8 y luego
se observa un ligero descenso de la µ a pH 9, aunque no es significativo.
Luego de aplicar el análisis matemático al modelo obtenido se obtuvo que el
valor óptimo de pH para el crecimiento de la cepa CBM-784 es 8,3. El cual está
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en correspondencia con el hábitat de esta bacteria, si tenemos en cuenta que el
pH de las aguas marinas cubanas oscila entre 7-8 (Lluis-Riera, 1972).
En general, podemos inferir que el rango de pH entre 7 y 9 es adecuado para el
crecimiento de la cepa CBM-784, ya que no hubo diferencias significativas
entre las velocidades específicas de crecimiento y las intensidades de luz en
este rango. Aunque para estudios más detallados como de fisiología o que se
requiera un máximo de emisión de luz se recomienda el pH 8,3 obtenido en este
estudio.
Influencia de la salinidad sobre el crecimiento y la luminiscencia de la cepa CBM-
784
La cepa CBM-784 mostró una amplia tolerancia a diferentes concentraciones
de NaCl en el medio de cultivo. Los altos valores de densidades ópticas
aparentes obtenidas en el rango de concentración de NaCl entre 1 y 5% no
mostraron diferencias significativas, excepto en el medio con ausencia de NaCl
(0%), donde no creció. Sin embargo, con adición de bajas concentraciones de
NaCl (1%) la cepa fue capaz de crecer y emitir luz. El crecimiento máximo fue a
3,5% de NaCl (4,557 ± 0,0874) a los 480 min (figura 4).
0
1
2
3
4
5
0 250 500 750 1000 1250 1500
DO
620
Tiempo (min)
0%
1%
2%
3%
3,5%
4%
5%
Figura 4. Comportamiento del crecimiento de la cepa CBM-784 a diferentes concentraciones de NaCl (%), en medio
LM, T=28 °C y 160 rpm.
La luminiscencia de la cepa CBM-784 mostró una mayor sensibilidad a los
cambios de salinidad que el crecimiento bacteriano. En todas las
concentraciones ensayadas hubo emisión de luz, excepto en el medio con
ausencia de NaCl, donde no hubo crecimiento. A la concentración de 3,5% de
NaCl se registró la máxima intensidad de luz (999,807 ± 21,259) a los 360 min,
el cual resultó significativamente superior al resto de las salinidades evaluadas,
mientras que al 2% de NaCl la luminiscencia resultó significativamente inferior
(figura 5).
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7
0
200
400
600
800
1000
1200
0 250 500 750 1000 1250 1500
Lum (uamL
-1
)
Tiempo (min)
0%
1%
2%
3%
3,5%
4%
5%
Figura 5. Comportamiento de la luminiscencia de la cepa CBM-784 a diferentes concentraciones de NaCl (%), en
medio LM, T=28 °C y 160 rpm.
El análisis de la µ con respecto a la concentración de NaCl en el medio de
cultivo, mostró diferencias significativas entre las salinidades evaluadas (figura
6).
El valor de la µ aumenta de forma significativa a medida que se incrementa la
concentración de NaCl hasta un valor de 5%. Es importante señalar que las µ
obtenidas entre 2 y 4% estadísticamente son similares.
Luego de aplicar el análisis matemático al modelo obtenido se obtuvo que el
valor óptimo de concentración de NaCl para el crecimiento es de 2,95%.
µ = 1E-04(NaCl)
4
- 0,0003(NaCl)
3
+ 0,001(NaCl)
2
+ 0,005(NaCl) - 3E-05
= 0,996
0,000
0,004
0,008
0,012
0,016
0 1 2 3 4 5 6
µ (min
-1
)
NaCl (%)
a
b
c
cd
c
cd
d
F
(6,14)
= 130, 3704; p < 0,05
Figura 6. Influencia de la concentración de NaCl sobre la µ de la cepa CBM-784en medio LM a 28 °C, pH 7 y 160
rpm.
Teniendo en cuenta las intensidades luz de la cepa CBM-784 obtenidas a
diferentes salinidades y las densidades aparentes alcanzadas, se propone como
rango óptimo de NaCl para el crecimiento y la luminiscencia de 2,95- 3,5%, ya
que en este intervalo se obtuvieron valores de crecimiento elevados con
velocidades específicas de crecimiento similares y máximas intensidades de luz.
Discusión
Influencia del pH sobre el crecimiento y la luminiscencia de la cepa CBM-784.
Vener Pérez Lemes, Yolaine Delgado Gómez
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El rango óptimo de pH obtenido e este estudio para la cepa CBM-784 está
dentro de los rangos encontrados en la literatura especializada del tema.
Ramaiah y Chandramohan (1991) encontraron que el crecimiento máximo para
cuatro especies diferentes de bacterias luminiscentes fue a pH 7. Sin embargo,
a pH superiores (9 y 10) el crecimiento decrecía significativamente.
Kumar (2010), al analizar el efecto de los factores externos que influyen en la
luminiscencia de 20 cepas aisladas de la bahía de Bengala, determinó que el
crecimiento óptimo se encontraba entre pH 7 y pH 9. Además plantea, que en
medio líquido la luminiscencia no es afectada significativamente por los
cambios de pH. Resultado similar al encontrado en este estudio.
Por otra parte en un estudio realizado por Kannahi y Sivasankari (2014) con 10
cepas aisladas de la localidad de Nagapattinam (Tamil Nadu, India) encontraron
óptimos los valores de luminiscencia a pH 7 y 9.
Influencia de la salinidad sobre el crecimiento y la luminiscencia de la cepa CBM-
784
El no crecimiento y emisión de luz de la cepa CBM-784 en el medio con
ausencia de NaCl demuestra su dependencia a la presencia de NaCl, como
factor determinante para el crecimiento y la luminiscencia y confirma además,
su origen marino.
Los resultados alcanzados en este estudio sobre a la influencia de la salinidad
en el crecimiento de la cepa CBM-784 resultan similares a rangos óptimos
encontrados para bacterias luminiscentes marinas aisladas de diferentes
latitudes.
Ramaiah y Chandramohan (1991) proponen como valor óptimo de NaCl para el
crecimiento, en cepas de las especies Vibrio fischeri, V. harveyi, Photobacterium
phosphoreum y P. leiognathi, 3% de NaCl. Estas especies además, no crecieron
en ausencia de NaCl en el medio de cultivo, demostrando su naturaleza marina.
Soto, Gutierrez, Remmenga y Nishiguchi (2009), observaron en cepas de Vibrio
fischeri aisladas de diversos nichos ecológicos (simbiontes y de vida libre) que
estas bacterias crecían en un rango de concentraciones de NaCl desde 1%
hasta 7%, excepto una cepa de vida libre que fue capaz de tolerar
concentraciones de 9% de NaCl.
Kannahi y Sivasankari (2014) encontraron adecuada la intensidad de la
luminiscencia hasta el 6% de concentración de NaCl y el cese de emisión de luz
por encima del 9% de salinidad en las cepas analizadas.
Todos estos resultados demuestran que el ión Na+ es imprescindible para el
crecimiento y la luminiscencia y que el valor óptimo puede variar de una
especie a otra e incluso entre una misma especie aislada de regiones o nichos
ecológicos diferentes (Reichelt y Baumann, 1975; Silva y Duran, 2003).
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Efecto del pH y la salinidad en el crecimiento y luminiscencia de una bacteria marina como biosensor ambiental
Año 2016. Edición Especial (Enero-Junio)
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Algunos autores plantean que concentraciones de NaCl por debajo de los 5 g/L
pueden causar ruptura en la pared de la membrana celular, debido a la baja
presión osmótica externa del medio (Silva y Duran, 2003).
Por otra parte, los resultados obtenidos sobre la influencia del pH y
concentración de NaCl en el crecimiento y la luminiscencia, permitieron
proponer como valores óptimos de pH= 8,3 y salinidad entre 2,95 y 3,5%.
Conclusiones
La cepa CBM-784 mostró su mejor crecimiento y luminiscencia a pH= 8,3 y
concentraciones de NaCl entre 2,95 y 3,5%, similares a las de las aguas de la
plataforma costera cubana de donde fue aislada lo que constituye una buena
propiedad para su empleo como indicador de calidad de las aguas costeras
tropicales.
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