Magíster en Bioquímica área de especialización Bioquímica Ambiental y Memoria para optar al Título de Bioquímico / Autor no autoriza el acceso a texto completo de su documento hasta enero de 2019 / La Antártica es el continente más austral de la tierra, contiene cerca del 80% de las reservas de agua dulce del planeta y presenta una serie de condiciones extremas, como bajas temperaturas y alta radiación ultravioleta. A pesar de esto, el hombre ha sido capaz de sobrevivir en la región y realizar actividades científicas y de explotación durante más de 80 años. Como consecuencia, las distintas zonas habitadas han sufrido contaminación, principalmente asociada a diesel. Este compuesto es nocivo, ya que presenta una gran cantidad de moléculas orgánicas como hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAPs) y compuestos inorgánicos como metales pesados (Cd, Cr y Pb). La descontaminación de HAPs se puede llevar a cabo mediante procesos físicos, químicos y biológicos. Los procesos biológicos representan una opción ecológica, económica y segura, que involucra una menor alteración de los suelos y en consecuencia constituye una excelente alternativa para la descontaminación del territorio Antártico. A la fecha, se ha reportado un gran número de bacterias capaces de degradar HAPs. Sin embargo, debido al Tratado Antártico no está permitido ingresar microorganismos o ADN foráneo al continente, por lo que se hace vital encontrar bacterias nativas que puedan ser usadas en la biorremediación de diesel en Antártica. Debido a su mayor solubilidad en agua, menor toxicidad para el humano y similitud estructural con otros HAPs, el compuesto que se utiliza como modelo para aislar y estudiar microorganismos degradadores de HAPs es el fenantreno. En base a lo expuesto, se planteó la hipótesis: “La presencia de hidrocarburos aromáticos policíclicos y metales pesados en suelos antárticos ha favorecido el desarrollo de bacterias degradadoras de fenantreno resistentes a metales”. El objetivo general de este trabajo fue aislar y caracterizar bacterias antárticas resistentes a metales pesados (Cd, Cr y Pb) y evaluar su capacidad de metabolizar fenantreno. Para esto se utilizó muestras de suelo antártico obtenido de distintas zonas expuestas y no expuestas a diesel, las cuales fueron caracterizadas química y biológicamente. Además, se aisló y caracterizó bacterias degradadoras de fenantreno resistentes a metales y se estudiaron los procesos asociados a la degradación de fenantreno. Durante este trabajo de tesis se utilizó muestras de suelo obtenidas de la 49° Expedición Científica Antártico (ECA 49°): 4 muestras de suelos no expuestos a diesel (A0, B4, C3 y C8) y 4 muestras de suelos expuestos a diesel (D3, D4, E2 y E4). El análisis del suelo determinó la presencia de HAPs en los suelos expuestos a diesel, en promedio 1000 veces más concentrado que en los suelos sin exposición. Además, en los suelos D3 y D4 (suelos expuestos a diesel) se observó una mayor concentración de cadmio y plomo total en comparación a todas las muestras, sobre los 30 y 600 mg Kg-1, respectivamente. Respecto a la caracterización biológica, el suelo expuesto a diesel D4 presentó mayor actividad biológica y número de heterótrofos, relacionado directamente al contenido de HAP (el suelo D4 presentó la mayor concentración del hidrocarburo, ̴ 30 mg Kg-1). De los 8 suelos se aisló 350 microorganismos, de los cuales 53 fueron capaces de degradar fenantreno. Mediante un screening desarrollado durante esta tesis basado en espectroscopía de fluorescencia total asociada a calibración multivariada, se seleccionó 3 aislados por su alto nivel de degradación. Estos microorganismos se caracterizaron, en particular la cepa D43FB (identificada como Pseudomonas flavescens) resiste 25 mg L-1 de Cd+2 y 5 mg L-1 de Cr+6. Además, tras 7 de incubación es capaz de degradar hasta un 80% de fenantreno en medio M9 con el hidrocarburo como única fuente de carbono. Al agregar 0.025, 0.05 y 0.5 mg L-1 de Cd+2 el porcentaje de degradación es 60, 26 y 25 mg L-1, respectivamente. Además, en un proceso de bioaumetación de suelos degrada aproximadamente un 75% de los hidrocarburos presentes en el terrario. Por otro lado, a este aislado se asoció su capacidad de degradar fenantreno a la facultad de formar biopelículas y adherirse a cristales de este compuesto, junto con descartar la liberación de biosurfactante o la quimiotaxis. Siendo una excelente alternativa para más ensayos de biorremediación de suelos. El trabajo planteado tiene profundas implicaciones para estudios en biorremediación y potencialmente podría representar una alternativa de descontaminación de ecosistemas antárticos aprovechando los bio recursos propios de la Antártica. La proyección de este trabajo está asociada a dilucidar completamente los procesos asociados a la degradación de Pseudomonas flavescens D43FB y continuar ensayos de biorremediación en terrarios, y así eventualmente terminar la investigación en un proceso in situ en Antártica / Antarctica is the southernmost continent on earth, contains ~80% of the planet's fresh water and presents a series of extreme conditions such as low temperatures and high ultraviolet radiation. Despite this, the man has been able to survive in the region doing scientific and operational activities for over 80 years. Consequently, various inhabited areas have been contaminated mainly with diesel. This compound is harmful, because it is composed by organic molecules such as polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and heavy metals (Cd, Cr and Pb). Decontamination of PAHs can be accomplished by physical, chemical and biological processes. Biological processes represent an ecological, economical and safe option that involves a minor alteration of the soil and thus is an excellent alternative for the decontamination of the Antarctic territory. To date, a large number of bacteria capable of degrading PAHs has been reported, however due to the Antarctic treaty is prohibited to enter foreign DNA and microorganisms to the mainland, so it is vital to find native bacteria that can be used in diesel bioremediation. Due to its higher solubility in water, lower toxicity to humans and structural similarities to other PAHs, the compound used as a model to isolate and study PAH degraders is phenanthrene. Based on the above, in this thesis the following hypothesis was proposed: "The presence of polycyclic aromatic hydrocarbons and heavy metals in Antarctic soils has favored the development of phenanthrene degrading bacteria resistant to heavy metals". The overall objective of this work was to isolate and characterize Antarctic bacteria resistant to heavy metals (Cd, Cr and Pb) and assess their ability to metabolize phenanthrene. To accomplish this, Antarctic soils obtained from different areas exposed to diesel were characterized chemically and biologically. Also, phenanthrene degrading bacteria resistant to heavy metals were isolated and characterized, and the degradation mechanisms involved were studied. Soil samples were obtained during the 49th expedition to the Antarctic continent (ECA 49), 4 soils none exposed to diesel (A0, B4, C3 and C8) and 4 soils exposed to diesel (D3, D4, E2 and E4). Soil analysis determined the presence of tri-aromatic polycyclic hydrocarbons in soil exposed to diesel, on average 1000 times more concentrated than in soils with no exposure. Moreover, D3 and D4 soils (exposed to diesel) display a greater cadmium concentration and total lead when compared to all samples, ~30 and 600 mg Kg-1, respectively. Regarding the biological characterization, soil exposed to diesel D4, display greater biological activity and heterotrophes, a result that was directly related to PAH content (D4 soil display the highest concentration of hydrocarbons, ~30 mg Kg-1). This relationship was confirmed by a soil enrichment test with phenanthrene, where it was observed that phenanthrene acts as a supplement in soils exposed to diesel. 350 environmental microorganisms were isolated from the 8 Antarctic soils, 53 of them were able to degrade phenanthrene. Three of them were selected for their high capacity to degrade the hydrocarbon. These isolates were selected through a screening developed during this thesis, based on total fluorescence spectroscopy associated to second order multivariate calibration. Selected isolates were characterized and the resistance to heavy metals was determined. In particular, strain D43FB (corresponding to Pseudomonas flavescens) resists 25 mg L-1 of Cd+2 and 5 mg L-1 of Cr+6. After 7 days, this bacterium was able to degrade ~80% of phenanthrene in M9 medium with the hydrocarbon as a sole carbon source. By adding 0.025, 0.05 and 0.5 mg L-1 of Cd+2 this value decreases to 60, 26 and 25 mg L-1, respectively. Moreover, in a bioaugmentation assay of soil the isolate is capable of degrading ̴75 % of PAH present in the terrarium. In the other hand, the capacity of this microorganism to degrade phenanthrene was associated with their ability to form biofilm and adhere to phenanthrene crystals. The proposed work has profound implications for bioremediation studies and potentially could represent an alternative for the decontamination of Antarctic ecosystems. The projection of this work is linked to fully elucidate the mechanism of degradation of Pseudomonas flavescens D43FB and continue testing bioremediation in terrariums, and so eventually complete the investigation with an in situ process in Antarctica / Fondecyt, INACH T_19-11 e INACH MT-05_13

Doctora en Química / Autorizada por el autor, pero con restricción para ser publicada a texto completo en el Portal de tesis, hasta enero de 2017 / Los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAPs) son una familia de más de 100 compuestos orgánicos; presentan al menos dos anillos aromáticos fusionados y son derivados principalmente de la combustión incompleta de biomasa y combustibles fósiles. Son ubicuos y su formación, fuentes y depositación son ampliamente estudiadas. En este contexto, es muy relevante su control en muestras ambientales. La presencia de los HAPs en diferentes matrices de Antártica y Groenlandia (suelos, sedimentos, nieve y agua de mar) ha sido detectada en niveles muy bajos de concentración. Debido a los niveles del orden de ultratrazas de estos compuestos en matrices acuosas de zonas remotas, las etapas de extracción y pre-concentración son requeridas previo a su determinación analítica. La extracción homogénea líquido-líquido (HLLE) constituye un método promisorio en cuanto a exactitud y precisión y presenta una serie de ventajas de tipo práctico (simple, tiempos cortos de extracción, bajo costo y uso de pequeños volúmenes de solvente) y entre ellas destaca la posibilidad de usar pequeños volúmenes de muestra, como los obtenidos en sistemas de fusión en continuo con muestreo discreto de testigos de hielo; dichas muestras son homogéneas y permiten obtener alta resolución temporal para el estudio de composición química en testigos de hielo. El objetivo de esta investigación fue desarrollar una metodología analítica basada en HLLE apropiada para el estudio de hidrocarburos aromáticos policíclicos en muestras acuosas prístinas obtenidas desde un testigo de hielo de Antártica. En HLLE los analitos son extraídos desde una solución homogénea en un pequeño volumen de fase sedimentada, formada por el fenómeno de separación de fases, en un sistema de componentes ternarios. La metodología de extracción se desarrolló y optimizó mediante técnicas de diseño multivariado utilizando cromatografía líquida de alta eficiencia con detección de arreglo de diodos (HPLC-DAD) para, posteriormente, validar el método de determinación de los compuestos por cromatografía líquida de alta eficiencia con detección de fluorescencia (HPLC-FLD), a fin de obtener límites de detección y cuantificación apropiados, de acuerdo a los niveles de concentración esperados en las muestras. La extracción desde muestras acuosas muy diluidas se realizó por adición de una mezcla de cloroformo y metanol y agitación manual por 30 segundos. La separación de fases fue por adición de NaCl, recuperándose el extracto (fase sedimentada) por centrifugación. Aplicando un diseño factorial a tres niveles con tres factores (33) se establecieron las condiciones óptimas de extracción y determinación simultánea para naftaleno, fenantreno, antraceno, benzo[k]fluoranteno, benzo[b]fluoranteno acenaftileno, fluoreno, fluoranteno, benzo[a]pireno (BaP), benzo[g,h,i]perileno, dibenzo[a,h]antraceno, indeno[1,2,3-c,d]pireno, (BghiP) acenafteno, pireno y criseno. Las condiciones óptimasde extracción fueron: 10% m/v de NaCl, 1,2 mL de CH3OH y 120 μL de CHCl3 (solvente extractante) para 3,5 mL de muestra. Los factores de enriquecimiento logrados fluctuaron entre 32 y 43 en el intervalo 8-50 ng mL-1 para la metodología HLLE-HPLC-DAD y desde 34 a 49 en el intervalo 0,03-0,11 ng mL-1 para HLLE-HPLC-FLD. Las recuperaciones de los HAPs bajo las condiciones óptimas a niveles de concentración de 20 ng mL-1 fluctuaron entre 67 y 92%, con desviaciones estándar relativas entre 0,7 y 5,1 %. Para la detección por fluorescencia las recuperaciones variaron entre 71 y 99 % en el intervalo de concentraciones de 0,048-0,130 ng mL-1, con desviaciones estándar relativas entre 1,1 y 9,9%. Para HLLE-HPLC-FLD la sensibilidad analítica/ límites de detección/ límites de cuantificación estuvieron entre 0,0078/ 0,0203/ 0,0676 ng mL-1 para fluoranteno y 0,0006/ 0,0015/ 0,0051 ng mL-1 para antarceno. Un comportamiento lineal para la extracción fue establecido, con valores de R2 entre 0,9654 para fluoranteno y 0,9998 para antraceno. La aplicación de HLLE-HPLC-FLD en muestras acuosas prístinas, correspondientes a secciones de un testigo de hielo, permitió la detección y cuantificación en el orden de los pg mL-1 de la mayoría de los analitos (menos BaA y coroneno) en las muestras, encontrándose diferencias a diferentes profundidades al considerar el total de HAPs estudiados. / Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are a family of over 100 organic compounds, having at least two fused aromatic rings. They are derived mainly from the incomplete combustion of fossil fuel and biomass. PAHs are ubiquitous and their formation, sources and fate have been extensively reviewed. In this context their control on environmental samples is highly relevant. The presence of PAHs in various matrices in Antarctica and Greenland (soil, sediment, snow and sea water) has been detected at very low concentrations levels. According to the ultra-trace levels in aqueous matrices from remote areas an extraction and pre-concentration step, prior to the analytical determination is required. Homogeneous liquid–liquid extraction (HLLE) is a promising method for the determination of organic compounds in aqueous matrices because of its accuracy and precision. In addition it presents several practical advantages (simple, with short extraction times, low cost and use of small volumes of solvent). This technique allows using small sample volumes, such as those attained from continuous ice core melter system with discrete sampling for different chemical analysis. These samples are homogeneous and provide a high temporal resolution for the study of ice core chemical composition. The objective of this research was to develop an analytical methodology based on HLLE appropriate for the study of polycyclic aromatic hydrocarbons in pristine aqueous samples obtained from an ice core of Antarctic. In HLLE analytes are extracted from a homogeneous solution in a small volume of sedimented phase formed by a phase separation phenomenon in a ternary component system. The extraction methodology was developed and optimized using multivariate design by using high-performance liquid chromatography with diode array detection (HPLC-DAD) for the analytical determination of PAHs. In a second stage the method was validated for the determination of compounds by high-performance liquid chromatography with fluorescence detection (HPLC-FLD) in order to achieve the appropriate limits of detection (LODs) and quantification (LOQs) according to the possible concentration levels of samples. The extraction from very dilute aqueous samples was performed by adding a mixture of chloroform and methanol and manual shaking for 30 seconds. Phase separation was performed by adding NaCl and the extract (sedimented phase) was recovered by centrifugation. The optimization was carried out by applying a three-level factorial design with three factors (33) for the simultaneous extraction and analytical determination of 15 PAHs from water samples: naphthalene, phenanthrene, anthracene, acenaphthylene, fluorene, fluoranthene, benzo[k]fluoranthene, benzo[b]fluoranthene benzo[a]pyrene, acenaphthene, benzo[g,h,i]perylene, chrysene, pyrene, dibenzo[a,h]anthracene and indeno [1,2,3-c,d] pyrene. Optimal conditions were: 10% w/v of NaCl, 1.2 mL of CH3OH and 120 μL of CHCl3 (extracting solvent) for 3.5 mL of sample. The enrichment factors obtained were between 32 and 43 in the range 8-50 ng mL-1 for the HLLE-HPLC-DAD methodology and from 34 to 49 in the range 0.03-0.11 ng mL-1 for HLLE-HPLC-FLD. Recoveries under optimal conditions for a PAHs concentration levels of 20 ng mL-1 varied between 67 and 92% with a relative standard deviation between 0.7 and 5.1 %. For fluorescence detection mean recoveries were 71-99 % in the concentration range 0.048 -0.13 ng mL-1, with a relative standard deviation of 1.1-9.9% Analytical sensitivity/detection limit and quantification limits for the whole method varied between 0.0078/ 0.0203/ 0.0676 ng mL-1 for fluoranthene and 0.0006/ 0.0015/ 0.0051 ng mL-1 for anthracene. A linear behavior for the extraction method was established with R2 values between 0.9654 for fluoranthene and 0.9998 for anthracene. The application of HLLE-HPLC-FLD to aqueous pristine samples from ice core sections allowed the detection and quantification in the order of pg mL-1, of most analytes (less coronene and BaA) in samples. Significant differences were found at different depths when the total PAHs under study were considered. / Conicyt

Memoria (licenciado en ciencias jurídicas y sociales) / El Tratado Antártico marca un hito jurídico-político en la historia del continente blanco.

Memoria (licenciado en ciencias jurídicas y sociales) / La regulación de la Antártida, fue un desafío importante en el ámbito internacional durante el siglo XX. Diversos Estados, con intereses divergentes en aquellos parajes, lograron ponerse de acuerdo en el Tratado de Washington de 1959. Poniendo así la piedra fundamental sobre la cual se ha construido todo un sistema de normativas y regulaciones, que hoy se denomina “Sistema Antártico”. Parte fundamental de este Sistema, es la Convención para la Conservación de los Recursos Vivos Marinos Antárticos, la cual tiene como principal objetivo la conservación de este valioso ecosistema. En el presente trabajo queremos profundizar sobre el valor que tiene esta particular convención en el Derecho Internacional y destacar el inmenso aporte que ha realizado en la regulación de importantes aspectos económicos, científicos y jurídicos que se relacionan profundamente con la naturaleza del Continente Blanco. Abordaremos, a su vez, la participación de nuestro país en tan importante instrumento y evaluaremos el desempeño de Chile en los foros internacionales que han sido originados a raíz de esta Convención

Memoria (licenciado en ciencias jurídicas y sociales) / No autorizada por el autor para ser publicada a texto completo / El propósito de esta investigación es aportar a la interpretación de las normas del Sistema Antártico en relación a la actividad turística que se desarrolla en la zona. Asimismo se buscará esclarecer las dudas que se presentan en torno al sistema de responsabilidad al cual se acogen los operadores de turismo en el territorio antártico. Para efectos de esta memoria, se considerarán los instrumentos propios del Sistema del Tratado Antártico, con especial atención al Protocolo sobre Protección del Medio Ambiente (en adelante Protocolo) y a su anexo VI sobre responsabilidad emanada de emergencias ambientales. Se analizará la aplicación del principio precautorio y cómo éste puede manifestarse en las evaluaciones de impacto ambiental (en adelante EIA), previstas en el artículo 8 del Protocolo. Se trabajará bajo una perspectiva de análisis crítico ante la falta de una normativa legalmente vinculante de la actividad turística y se observarán las virtudes y desventajas que plantea la autorregulación que ha desarrollado la Asociación Internacional de Operadores Turísticos Antárticos (IAATO, por sus siglas en inglés), de carácter no gubernamental

Los buques oceanográficos están equipados para llevar a cabo misiones de investigación científica: analizando las características biológicas y físicas del océano, o realizando tareas de observación meteorológica e hidrográfica del mar. Con estos propósitos, las naves científicas se diseñaron para estudiar innumerables actividades oceanográficas. En la actualidad, los buques de investigación oceanográficas de IMARPE, adquiridos hace décadas, no cuentan con una infraestructura hidrodinámica adecuada que les permita navegar por el océano Antártico. Por este motivo, se plantea un rediseño hidrodinámico de este tipo de navíos, realizando modificaciones en los sistemas de propulsión, maniobrabilidad y forma del casco; además, se pretende disminuir su impacto ambiental, que, a su vez, cumplan con los reglamentos internacionales de las sociedades de clasificación marítima. Para esto, se utilizará el software MaxSurf, donde se diseñará el buque con las modificaciones correspondientes, se harán los respectivos análisis hidrodinámicos, resistencia y maniobrabilidad. Además, en todo el proceso se empleará el reglamento de Lloyd’s Register, proporcionando los estándares apropiados para la construcción y diseño del buque oceanográfico.

Memoria (licenciado en ciencias jurídicas y sociales) / La presente tesis realiza un diagnóstico sobre las normas aplicables ante la ocurrencia de daño ambiental en la Antártica, por actividades vinculadas a Chile y Reino Unido, caracterizando la forma en que se regula los eventuales casos que pudieren dar lugar a responsabilidad por daño ambiental en el sexto continente. Para realizar lo anterior, se determinan y caracterizan los elementos necesarios en un sistema de responsabilidad por daño ambiental, para luego revisar las principales normas aplicables a nivel del Sistema del Tratado Antártico, Tratados Internacionales externos al mencionado sistema y legislaciones domésticas de Chile y Reino Unido, de manera de identificar si se adecúan a las exigencias de un sistema de responsabilidad. Se toman en consideración las características especiales del medioambiente antártico. Se concluye que en los tres niveles existen normas referidas a la responsabilidad por daño ambiental que pueden ser aplicables al continente antártico. En el Sistema del Tratado Antártico, la única norma que trata el tema y actualmente se encuentra vigente es el artículo 16 del Protocolo sobre Protección al Medioambiente (el cual es meramente programático, ya que establece solamente un deber de regular la responsabilidad, requiriendo de anexos para su implementación). Por su parte, a nivel de las normas existentes en el derecho internacional que no forman parte del Sistema del Tratado Antártico existe una gran cantidad de normativa sectorial que sería aplicable pero con varias dificultades prácticas. Finalmente, al considerar la normativa doméstica de Chile y Reino Unido se observa que la legislación del primero encuentra menos obstáculos para ser aplicada al territorio reclamado por ambos países, pero ninguna de las normas analizadas en ambos casos es óptima para aseverar la existencia de un sistema que regule en forma íntegra y satisfactoria la responsabilidad por daño ambiental en la Antártica.

Esta memoria doctoral forma parte del proyecto financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación (CICYT, CTQ2010-21183-C02-01), el cual tiene entre sus objetivos la búsqueda de nuevas cepas con capacidad para producir emulsionantes naturales poliméricos. Existe un interés real en el aislamiento y caracterización estructural y funcional de nuevos exopolímeros (EPS) obtenidos a partir de microorganismos de ambientes extremos que pudieran ser utilizados con estos fines en diversas industrias. Para ello, se realizó en primer lugar el estudio de los EPS desde el punto de vista ultraestructural, de cepas antárticas adaptadas al frío, mediante técnicas de microscopía electrónica de transmisión (MET) después de procesar las muestras por criofijación a alta presión seguida de criosustitución (HPF-FS). Estas técnicas aportaron numerosos detalles sobre la ultraestructura de las distintas cepas y el material extracelular que producen, al lograr preservar el material biológico próximo a su estado natural. Se observó que este material polimérico extracelular es para la mayoría de las cepas complejo con la presencia de material capsular alrededor de las células y abundantes estructuras vesiculares dispersas en la matriz extracelular secretada por las bacterias. Es la primera vez que se describen y visualizan de manera tan clara y abundante las vesículas de membrana externa (VME) que producen bacterias no patógenas de ambientes naturales antárticos. De igual forma, es la primera vez que se reporta la presencia de estas estructuras en cepas de los géneros Marinobacter y Psychrobacter. Asimismo, se estudió el origen de las proteínas presentes en las VME mediante geles SDS-PAGE donde se mostraron los perfiles proteicos comparados con las proteínas de membrana externa. Esto evidenció el origen de estas VME formadas a partir de esta membrana, al presentar proteínas en la fracción de VME, que comigraron con proteínas que estaban presentes en la fracción de membrana externa, además en el perfil proteico de la membrana externa se detectaron proteínas adicionales que no estaban presentes en VME. Se estudió la influencia de la temperatura sobre la producción y morfología de VME producidas en la cepa S. livingstonensis NF22T Para esta bacteria psicrotolerante se demostró que la temperatura influye en la producción de VME. A bajas temperaturas la cantidad de VME que produce la cepa es mayor, su tamaño es menor y más regular y el perfil electroforético muestra la expresión diferencial de algunas proteínas, viéndose sobrexpresadas proteínas relacionadas con funciones de transporte a nivel de membrana. Se realizaron análisis proteómicos para identificar las proteínas presentes en las VME producidas a 4 y 16 ºC a partir de S. livingstonensis NF22T y S. vesiculosa M7T. Para ambas cepas se identificaron fundamentalmente proteínas de membrana externa y periplasmáticas con diferentes funciones fisiológicas, destacando por su abundancia las proteínas implicadas en el transporte y metabolismo de iones inorgánicos así como las relacionadas en la biogénesis de las envueltas celulares. El material extracelular (EPS) obtenido y purificado a partir de Shewanella vesiculosa M7T presentó mayor actividad emulsionante frente a aceites comestibles que los emulsionantes comercializados goma arábiga y xantano y su caracterización reveló que contiene abundantes VME y polímeros polisacarídicos, siendo sus componentes químicos mayoritarios azúcares neutros y aminados, lípidos de membrana y aminoácidos. / The present work is part of the research project (CICYT, CTQ2010-21183-C02-01), which has among its objectives the search for new strains capable to produce natural polymeric emulsifiers. There is a real interest in the isolation and structural and functional characterization of new exopolymers (EPS) derived from microorganisms of extreme environments that could be used for these purposes in various industries. Many Gram-negative, cold-adapted bacteria from the Antarctic environment produce large amounts of extracellular matter, which has potential biotechnology applications. We examined the ultrastructure of extracellular matter from Antarctic bacteria by transmission electronic microscopy after high pressure freezing and freeze substitution. All analyzed extracellular matter appeared as a netlike mesh composed of a capsular polymer around cells and large numbers of outer membrane vesicles (OMV), which have not been described for members of the genera Psychrobacter and Marinobacter so far. OMV showed the typical characteristics described for these structures, and seemed to be surrounded by the same capsular polymer as that found around cells. The analysis of OMV proteins from Antarctic strains by SDS-PAGE showed different banding profiles in OMV compared to the outer membrane, suggesting some kind of protein sorting during membrane vesicle formation. For the psychrotolerant bacterium, S. livingstonensis NF22T, the growth temperature seemed to influence the amount and morphology of OMV. In an initial attempt to elucidate the functions of OMV from S. livingstonensis NF22T and S. vesiculosa M7T we conducted a proteomic analysis on membrane vesicles obtained at 4 and 16°C. At both temperatures, OMV were highly enriched in outer membrane proteins and periplasmic proteins related to nutrient processing and transport in Gram-negative bacteria, suggesting that OMV could be related with nutrient sensing and bacterial survival. Differences were observed in the expression of some proteins depending on incubation temperature but further studies will be necessary to define their roles and implications in the survival of bacteria in the extreme Antarctic environment. The extracellular material (EPS) obtained and purified from Shewanella vesiculosa M7T had a higher emulsifying activity against edible oils than commercial emulsifiers like arabic and xanthan gums. Characterization of this EPS revealed that it contains abundant OMV and polysaccharides polymers, with neutral and amino sugars, membrane lipids and aminoacids as its major chemical components.

The inhabitants of marine benthos must combat the ecological pressure caused by predation, competition and fouling through a series of mechanisms, one of which is chemical defense. This type of protection is particularly extended among sessile and/or sluggish organisms, such as sponges, soft corals or ascidians. The strategies to prevent predation are related to bad taste rather than to toxicity. Moreover, they must be considered along with nutritional quality, since the more nutritious the prey, higher quantities or more potent repellents are needed to gain protection. The production of defensive secondary metabolites is energetically expensive. For this reason, the Optimal Defense Theory (ODT) predicts that defenses must be allocated in the most valuable or more exposed structures or body-regions. In Antarctic communities, the main predators are asteroids, and defensive agents are hence expected to accumulate in superficial layers of potential prey. But dense populations of amphipods, which associate opportunistically with biosubtrata, obtaining both refuge and direct or indirect sources of nutrition, are also very influencing on these bottoms. It has been reported that chemical defenses are very common in Antarctic organisms, in accordance with our results. However, the research effort has not been the same for all the groups, and there are still many aspects to learn on the chemical ecology, like the identification of the implicated products, their mode of functioning or their localization and origin. This PhD has focused on three relevant groups of the Antarctic benthos, quite understudied: hexactinellid sponges, soft corals and colonial ascidians. Two influencing sympatric predators were selected, the sea star Odontaster validus, which is a known model predator, and for the first time, the amphipod Cheirimedon femoratus, used to perform feeding experiments for the detection of repellent chemical defenses. We designed a new protocol which provided numerous methodological profits, as well as a remarkable discriminatory potential for unpalatable activities. In a survey with 31 species of Antarctic organisms, a larger incidence of unpalatable activities was recorded towards C. femoratus than against the asteroid, especially in algae and sponges, in which amphipods may particularly influence defenses distribution for representing potential host-preys. Some organisms instead, seemed to exploit alternative defensive strategies. The ecological success of the three studied groups is probably related to the presence of chemical defenses. In hexactinellid sponges these are weak, yet compensated with a low energetic content, and derive from primary metabolites, such as steroid derivates. Some glucosphingolipids instead, could have a chemotaxonomical value as chemical markers in rossellid sponges. In soft corals, chemical protection is obtained from products originating from both, primary (wax esters) and secondary metabolism (sesquiterpenoids), which seem to cooperate in an additive way, and are likely exuded within the coral mucus in living specimens. The use of primary metabolites for defense represents an effective energy saving strategy. In colonial ascidians, defensive secondary metabolites of terpenoid and alkaloid nature with potent bioactivities predominate, and in some species these are accumulated in internal tissues. Presumably, this distribution is related to the production of chemically defended lavae. Some bioactive secondary metabolites isolated from various sources, like the meridianins, may suggest a broad evolutionary retention, or a symbiotic origin. Regarding bacterial antifouling, ascidians exhibited poor activity, while some soft corals did display inhibition. With this work we provide the identification, localization, and possible origin of several defensive agents in three relevant groups of Antarctic benthic invertebrates. / Los habitantes del bentos antártico combaten la depredación, la competencia y el recubrimiento desarrollando mecanismos como la defensa química. Ésta estrategia está particularmente extendida entre organismos sésiles y organismos de cuerpo blando. Las defensas repelentes contra depredadores han de considerarse junto con la calidad nutricional, pues las dietas muy energéticas enmascaran la repelencia. La producción de metabolitos secundarios defensivos es costosa. Por ello, la Teoría de Defensa Optimizada (ODT) prevé que han de localizarse en las regiones corporales más valiosas o expuestas. En las comunidades antárticas los principales depredadores son las estrellas de mar y se postula la concentración de defensas en áreas superficiales en las presas. Pero también influyen las poblaciones de anfípodos asociados a los biosustratos, obteniendo en ellos refugio y fuente de alimentación. Esta tesis se centra en las defensas químicas de tres grupos relevantes del bentos antártico relativamente poco estudiados: esponjas hexactinélidas, corales blandos y ascidias coloniales. Se seleccionaron dos depredadores simpátricos, la estrella Odontaster validus y, por primera vez, fue utilizado el anfípodo Cheirimedon femoratus. Diseñamos un nuevo protocolo con numerosas ventajas metodológicas además de un gran potencial discriminatorio, y observamos que en 31 especies hubo mayor repelencia hacia el anfípodo que hacia la estrella, sobretodo en algas y esponjas, que podrían representar potenciales huéspedes-presa. A partir de aquí estudiamos muestras de los tres grupos seleccionados. En hexactinélidas, las defensas químicas son más débiles y derivadas del metabolismo primario, pero compensadas con un bajo valor nutricional. Algunos glucoesfingolípidos, podrían tener valor quimiotaxonómico como marcadores de la familia Rossellidae. En corales blandos existen metabolitos de defensa primarios y secundarios operando sinérgicamente, y probablemente forman parte del mucus superficial. En ascidias coloniales, los metabolitos defensivos son secundarios y muy potentes; además, en algunas especies éstos tienden a acumularse en tejidos internos, presumiblemente para producir larvas protegidas químicamente. Las ascidias mostraron poca actividad antibacteriana, pero algunos corales exhibieron respuestas inhibitorias. Esta Tesis proporciona la estructura, distribución y posible origen de los metabolitos responsables de las actividades defensivas en tres grupos relevantes de invertebrados antárticos.