Magíster en Química / El objetivo de este trabajo fue evaluar la disponibilidad, biodisponibilidad y bioaccesibilidad de elementos trazas presentes en niveles anormalmente altos en suelos urbanos de las ciudades de Santiago y Rancagua. Los elementos analizados fueron Cd, Cr, Cu, Ni, Pb y Zn en suelos del orden Inceptisol (Mapocho), molisol (Rancagua) y Alfisol (Cauquenes). El desarrollo experimental implicó el uso de diferentes métodos para determinar la disponibilidad y biodisponibilidad de los metales. Además, se implementaron dos métodos para determinar la bioaccesibilidad de metales, los cuales se basan en el uso de extractantes que simulan las características de los fluidos gastrointestinales y que se aplican bajo diferentes condiciones de tiempo, pH, agitación y temperatura. Por otra parte, para evaluar la asociación del metal absorbido por la planta a diferentes estructuras vegetales, se implementó un método de fraccionamiento subcelular del tejido vegetal que distingue la fracción de metal unida a la pared celular, unida a los organelos y disuelta en el citoplasma. Los principales resultados del estudio señalan que ambos métodos para determinar bioaccesibilidad fueron útiles para evaluar la bioaccesibilidad de Cd, Cr, Cu, Ni, Pb y Zn, en los tres suelos y en plantas cultivadas; sin embargo, los métodos respondieron de manera diferente, dependiendo de las condiciones de aplicación, fuerza extractiva y contenido de metal total que presentan los sustratos. En general, los metales presentes en el suelo fueron más bioaccesibles en la fase gástrica que en la fase intestinal. El orden en que los metales fueron bioaccesibles fue Cd > Pb > Zn > Cu >> Ni > Cr. Por su parte, Cd, Cu y Zn fueron extraídos con ambos métodos en la fase gástrica e intestinal, tanto en suelos como en plantas, en cambio Cr, Ni y Pb fueron extraídos sólo por el fluido constituido por glicina, sólo en suelos y solamente en una de las fases. La extracción secuencial reveló que los elementos Cd, Cu Ni y Zn se distribuyen en todas las formas en el suelo (intercambiable, reducible, oxidable y residual), en cambio Cr y Pb se asocian principalmente a las formas oxidable y residual. En relación a la biodisponibilidad de metales en los tres suelos, Cr, Cu, Ni y Zn presentaron mayor concentración en la raíz en comparación a parte aérea, ocurriendo lo contrario en el caso de Cd. Por su parte, el fraccionamiento del tejido vegetal permitió detectar los elementos Cd, Cu y Zn asociados a los tres componentes subcelulares, predominando las fracciones de metal unido a pared celular y soluble en el citoplasma. El estudio de correlación múltiple reveló que en suelos las variables más importantes fueron el contenido de metal total y unido en distintas formas en el suelo, siendo escasa la dependencia con variables relacionadas a propiedades fisicoquímicas del suelo, tales como pH, CIC, o contenido de arcillas y materia orgánica. En las plantas, las variables más significativas fueron el contenido de metal en la parte aérea y raíz, así como la fracción de metal unido a la pared celular y soluble en el citoplasma / The aim of this work was to assess trace elements availability, bioavailability and bioaccessibility present in highly abnormal levels in urban soils of Santiago and Rancagua. Cadmium, chromium, copper, nickel, lead and zinc were analyzed in Inceptisol (Mapocho), Mollisol (Rancagua) and Alfisol (Cauquenes) order soils. The experimental procedure implied different methods to determine metal availability and bioavailability. Furthermore, two methods were implemented to determine metal bioaccessibility, which are based on the use of gastrointestinal simulating extractants, applied under different time, pH, mixture and temperature conditions. By the other hand, in order to assess the association of metal absorbed by plants in different plant structures, a method for subcellular fractionation was implemented in order to obtain the metal fraction bounded to cell wall, organelles or dissolved in the cytoplasm. The study main results point that both bioaccessibility methods were useful to assess Cd, Cr, Cu, Ni, Pb and Zn bioaccessibility in all of the three soils and cultivated plants; however, both methods responded in different ways, depending on application conditions, extractive strength and total metal content in the substrates. Generally, soil metals were more bioaccessibles in gastric phase than in intestinal phase. The order in which metals were bioaccessibles was Cd > Pb > Zn > Cu >> Ni > Cr. For their part, Cd, Cu and Zn were extracted with both methods in both gastric and intestinal phase, in soils and plants. However, Cr, Ni and Pb were extracted only by glycine fluid, solely in soils and only in one phase. The sequential extraction revealed that Cd, Cu, Ni and Zn were distributed in all of the soil forms (exchangeable, reducible, oxidizable and residual), while Cr and Pb were mainly associated to oxidizable and residual forms. About metal bioavailability in the three soils, Cr, Cu, Ni and Zn presented higher concentrations in roots than shoots, contrary to Cd. Plant tissue fractionation allowed the detection of Cd, Cu and Zn associated to the three subcellular components, prevailing metal linked to cell wall and dissolved in the cytoplasm. The multiple regression analysis revealed that the most important soil parameters were total metal content and bounded in different forms, being insignificant the dependence with variables related to soil physicochemical properties, like pH, CEC, or clay and organic matter content. In plants, the most significant parameters were total metal content in shoots and roots, just like metal fraction bounded to cell wall and dissolved in the cytoplasm

La aplicación de residuos estabilizados generados del tratamiento de aguas servidas o biosólidos en la agricultura, puede ser beneficiosa, por su elevado contenido de macro y micronutrientes y por su liberación lenta al encontrarse complejados con la fracción orgánica de este sustrato, lo cual constituiría una fuente de nutrientes a largo plazo para las plantas. Así, suelos degradados pueden recuperar su calidad agrícola mejorando su fertilidad. Por otra parte, su aplicación a suelos con estos fines, sería una forma eficiente de reciclaje de estos residuos. Sin embargo, se deben tener presente restricciones para su uso agrícola, debido a su alto contenido en metales traza, compuestos orgánicos tóxicos y microorganismo patógenos, que podrían lixiviar al nivel freático contaminando el suelo, y pudiendo llegar de esta manera a la cadena trófica al aumentar su biodisponibilidad. El propósito de este estudio, fue evaluar el efecto de la aplicación de biosólidos, en muestras de suelo de la región metropolitana del orden Mollisol, pertenecientes a las series Taqueral y Polpaico, en la fracción biodisponible de algunos metales traza (Cd, Cu, Cr, Ni, Pb y Zn) a través de dos métodos predictivos la técnica de la Gradiente de Difusión en Capa Fina (DGT) y la primera etapa del método de extracción secuencial BCR, ambos validados a través de un ensayo comparativo con plantas de maravilla (Calendula officinalis). Los resultados obtenidos en este estudio, mostraron que la aplicación de biosólido alteró la biodisponibilidad en algunos de los metales estudiados, de esta forma a medida que aumentó la dosis de aplicación de biosólido, aumentó también la concentración de la fracción móvil de los metales traza. La extracción secuencial BCR, dio cuenta de las formas químicas en que se encontraban los metales traza en el suelo. Todos los metales estudiados se encuentran mayoritariamente en la fracción residual de los suelos. Con la aplicación de biosólidos se generó un aumento principalmente de la fracción soluble de Zn. En las plantas de maravilla se, encontró, que la absorción de los metales siguió el siguiente orden Zn > Cu > Cr > Ni >Pb > Cd, sin embargo con el aumento de la dosis de biosólido, se observó un incremento de la fracción biodisponible principalmente de Zn, en suelo Taqueral y de Zn, Ni y Cr en suelo Polpaico. Respecto de los métodos predictivos, se encontró que sólo la primera fracción de Zn obtenida a través de método BCR correlacionó con el contenido de éste en la planta, obteniéndose valores de R: 0,916 y 0,925 para suelo Taqueral y Polpaico respectivamente. La técnica DGT permitió predecir la fracción biodisponible de Ni, Zn, Cd y Cr en suelo Taqueral, obteniéndose, para la correlación entre la concentración efectiva y el contenido total de estos metales en la panta, valores de R: 0,92; 0,83; 0,81; 0,77 respectivamente, en cambio en el suelo Polpaico sólo en el caso de Zn, se encontró una buena correlación con lo encontrado en la planta (R=0,92)

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Geóloga / Según datos de SERNAGEOMIN, actualmente se producen más de un millón y medio de toneladas de depósitos de relaves al día; con un total de 740 catastrados en todo el país. Como resultado de procesos de erosión eólica y aluvial de relaves fuera de operación, puede ocurrir una dispersión de sedimentos desde los relaves hacia el entorno; los que usualmente tienen altas concentraciones de metales pesados. Considerando que en Chile se producen residuos mineros hace más de un siglo y que recién desde el año 2011 existe una ley que regula el cierre de faenas y operaciones mineras; los sedimentos que se dispersan por erosión superficial de residuos probablemente están presentes en la conformación de suelos cercanos. Junto con lo anterior, en Chile no existe una norma de calidad de suelos; solo existe una guía metodológica del Ministerio del Medio Ambiente para gestión de suelos con potencial presencia de contaminantes. Esta investigación tuvo como objetivo analizar el aporte de material de residuos mineros a suelos de dos predios agrícolas ubicados en el valle del río Copiapó, en la localidad de Punta del Cobre. Para ello, se realizó un análisis mineralógico mediante XRD y microscopía óptica: y un análisis estadístico y geoestadístico de datos geoquímicos obtenidos mediante digestión ácida y análisis elemental por ICP-MS. Los resultados indican que existe un aporte directo de 3 relaves que están contiguos a los predios, atribuido posiblemente a un transporte aluvial y eólico y a la rotura de una tubería de agua de procesos. Sin embargo, también se identificó una alta concentración de Hg que sobrepasa las concentraciones medidas en los relaves contiguos y en algunas rocas de la zona. Descartando otras fuentes de enriquecimiento tales como pesticidas y fertilizantes , se postula que el aporte de Hg provendría de la formación temprana de estos suelos, que corresponden esencialmente a fluvisoles; o a un aporte de fuentes lejanas aguas arriba del río Copiapó, donde existen residuos mineros con altas concentraciones de Hg. Estos resultados invitan a profundizar el entendimiento de la dinámica de suelos y resaltan la importancia de comprender el alcance de la dispersión de material de residuos mineros, lo cual debería ser considerado en el levantamiento de líneas base y normas de calidad. Además, se remarca la importancia de entender el suelo como una entidad dinámica, la cual necesita ser abordada de manera compleja y multidisciplinaria.

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