AISLAMIENTO DE HONGOS FILAMENTOSOS Y PRODUCCIÓN DE CELULASAS Y XILANASAS, EMPLEANDO LIRIO ACUÁTICO Y TÉCNICAS DE FERMENTACIÓN EN MEDIO SÓLIDO

Abstract

Eichhornia crassipes (lirio acuático) es una planta vascular acuática, considerada una maleza, debido a su gran capacidad de adaptación a diversos hábitats y a su gran velocidad de crecimiento, siendo perniciosamente invasiva y afectando el equilibrio del ecosistema acuático. Se han propuesto diferentes estrategias químicas, biológicas y mecánicas para tratar de reducir la población del lirio acuático; sin que, hasta la fecha, exista una propuesta eficiente y satisfactoria. El presente proyecto de tesis propone el aprovechamiento sustentable del lirio acuático, al utilizar la planta; por un lado, como sustrato e inductor para la producción de enzimas celulolíticas y hemicelulolíticas, empleando técnicas de fermentación en medio sólido (FMS) y, por otro lado, para la obtención de azúcares fermentables y oligosacáridos, mediante la hidrólisis (sacarificación) de la planta. Para la sacarificación de la biomasa de la planta, se empleó un pre-tratamiento químico (ácido-térmico), a fin de hidrolizar la hemicelulosa y reducir la cristalinidad de la celulosa, para dejarla susceptible del ataque enzimático. Es importante enfatizar que la principal limitante en el proceso de sacarificación de los materiales lignocelulósicos, es el costo de las enzimas (celulasas y hemicelulasas). Para que este proceso sea económicamente factible, se requiere de reducir los costos de producción de las enzimas, y en la medida de lo posible, producirlas (in situ) dentro de un proceso aledaño al proceso de sacarificación, en un concepto de refinería. Inicialmente, se diseñó un medio de cultivo adecuado para el aislamiento, propagación y cultivo de hongos filamentosos (mesófilos y termófilos) productores de celulasas y hemicelulasas. El medio de cultivo consistió básicamente en una solución salina y biomasa de lirio, como fuente de carbono e inductor de enzimas. Este medio, permitió el aislamiento selectivo de 38 cepas de hongos productores de enzimas (28 mesófilos y 10 termófilos), aislados a partir de plantas de lirio en proceso de descomposición recolectadas en ecosistemas donde proliferaba el lirio acuático (el lago de Chapala y la playa de San Blas). Esta colección de cepas fue cultivada en medios semisólidos (gelificados) para determinar la velocidad de crecimiento radial (Vr) y relacionarla con su producción de celulasas y hemicelulasas, encontrando que las cepas 43A530, 21A545 y SB10R9530 fueron las que presentaron los valores de Vr más altos (4.4, 2.0 y 1.16 mm/h, respectivamente). Adicionalmente, se evaluó el índice de esporulación de las cepas aisladas, encontrando que la mayoría de las cepas esporularon en un rango de 1.01 x106 a 9.37x106 esporas/cm2. La colección de cepas fue cultivada por FMS para evaluar su producción de enzimas. Las dos cepas que presentaron las mayores actividades enzimáticas fueron: la cepa 43A545 (termófila) con una producción máxima de 18.84 U/g SFs de celulasas y 33.18 U/gSFs de xilanasas, a las 48 h de fermentación; y la cepa SB2R2545 (termófila) produjo 10.1 U/gSFs de celulasas y 21.46 U/gSFs de xilanasas, a las 72 h de cultivo. La sacarificación de la biomasa del lirio fue llevada a cabo, empleando un pretratamiento químico, seguido de un tratamiento enzimático (empleando los extractos enzimáticos de las cepas 43A545 y SB2R2545). La mejor sacarificación de la holocelulosa del lirio, fue lograda con el extracto enzimático de la cepa 43A545 con un rendimiento de 429.22 mg de azúcares reductores/g de lirio seco. La hidrólisis de la biomasa del lirio, rindió oligosacáridos y monosacáridos; tales como dextrosa, xilosa, galactosa, manosa y arabinosa, lo que puso en evidencia la presencia de actividades celulasas (endo- y exo-celulasas) y xilanasas (endo- y exoxilananas). Finalmente, se evaluó el efecto de la temperatura de reacción en la actividad celulolítica y hemicelulolítica de los extractos enzimáticos, obtenidos de la fermentación en medio sólido empleando las cepas 43A545 y SB2R2545, encontrando varios óptimos de actividad en función de la temperatura de reacción, lo que reveló la presencia de varias enzimas que actúan sinérgicamente en la hidrólisis de los polisacáridos. Dependiendo de la aplicación, la hidrólisis del lirio podría ser parcial, para la obtención de fibras dietéticas; o bien total, para la obtención de azúcares fermentables, que potencialmente podrían emplearse para la producción de biocombustibles y otros productos biotecnológicos.