Production, charecterization and immobilization of bacterial metalophores for the recovery of Rare Earth Metals

Abstract

Muitas bactérias respondem à escassez de metais no meio ambiente através da produção elibertação de metalóforos, que são metabolitos secundários especializados no sequestro decatiões metálicos, aumentando a sua biodisponibilidade. A afinidade dos metalóforos por iões e a estabilidade do complexo formado depende de fatores como respectiva denticidade e estrutura de metabolitos.Moléculas com três ligações bidentadas permitem a formação de complexos hexacoordenados comgeometria octaédrica com os catiões, e metalóforos cíclicos formam complexos mais estáveis ​​do quemetalóforos lineares aumentando a resistência a enzimas. Estes compostos orgânicos também sãocapazes de complexar metais de terras raras, porém os valores logarítmicos das constantes de estabilidade entre metalóforos e terras raras são várias unidades abaixo da constante de estabilidade dedeferrioxamina B (DFOB)-Fe3+. No presente trabalho, pretendemos identificar estirpes bacterianas produtoras de metalóforos do tipo hidroxamato para recuperar elementos de terras raras (REEs) desoluções aquosas através da sua ligação a hidroxamatos imobilizados na superfície de partículas magnéticas.Para atingir este objetivo, 19 estirpes bacterianas isoladas de uma estação de tratamento de águas residuais e de diferentes minas foram examinadas para avaliar sua capacidade de sequestrar diferentes metais em meio de cultura sólido contendo o indicador CAS (Chrome Azurol S). Estirpes que apresentaram resultado positivo em meio CAS sólido foram selecionados para continuar este estudo através da otimização do crescimento parâmetros, em particular a escolha de fontes de carbono e agitação que potencializem o crescimento e produção de metalóforos. Das cinco estirpes bacterianas (Ochrobactrum sp. 5bvl1, Bacillusaltitudinis 3w19, Pseudomonas peli FBO M7 R9A, Diaphorobacter polyhydroxybutyrativoransB2A2W2 e Serratia fonticola A3-242) que foram capazes de sequestrar metais em meio sólido, P.peli FBO M7 R9A e S. fonticola A3-242 foram as estirpes que produziram maior quantidade dehidroxamatos e catecolatos em meio líquido Modi. Na presença de glicerol e glicose,P. peli FBO M7 R9A produziu um máximo de 147 e 162 µM de hidroxamatos, respectivamente.Esta estirpe produziu um máximo de 294 e 424 µM de catecolatos, na presença de glicerol eglicose, respectivamente. Serratia fonticola produziu diferentes concentrações de metalóforosde acordo com a velocidade de agitação. A 140 rpm, esta estirpe produziu a maior quantidade decatecolatos, na concentração máxima de 124 µM, e a 70 rpm produziu quaseexclusivamente hidroxamatos, aproximadamente 2137 µM. Uma estratégia de purificação dometalóforos presentes no meio de cultura foi implementado usando Fast Protein LiquidChromatography (FPLC), com resina Amberlite XAD-4 e 16 . Essa estratégia foi eficaz na concentração de catecolatos produzidos por P. peli FBO M7 R9A e S. fonticola A3-242,no entanto, não foi possível recuperar hidroxamatos. Como não foi possível purificarmetalóforos do tipo hidroxamato, foi testada a capacidade quelante do DFOB comercial imobilizado em partículas magnéticas com uma superfície altamente carboxilada. As próprias partículas magnéticas foram capazes de quelatar a totalidade dos catiões Ga em solução aquosa. Houve uma redução na capacidade de quelação do Ga com DFOB imobilizado nas partículas magnéticas, com redução de 77-80% da concentração de Ga, após 120 minutos. Foi estudada a resposta de fluorescência de metalóforos purificados na presença de diferentes metais, incluindo seis elementos de terras raras, como estratégia para detectar a interação metalóforos-metal. A redução na intensidade de fluorescência é mais significativo ao incubar os metalóforos purificados com catiões com o raio iónico semelhante ao de Fe3+. Sc foi o único metal de terra rara em que foi identificado uma redução significativa na intensidade de fluorescência.

Many bacteria respond to the scarcity of metals in the environment through the production andrelease of metallophores, which are secondary metabolites specialized in the sequestration ofmetal cations, increasing their bioavailability. The affinity of metallophores for ions and thestability of the complex formed depend on factors such as their denticity and metabolite structure.Molecules with three bidentate bonds allow the formation of hex-coordinated complexes withoctahedral geometry with the cations, and cyclic metallophores form more stable complexes thanlinear metallophores by increasing resistance to enzymes. These organic compounds are alsocapable of complexing rare earth metals, however the logarithmic values of the stability constantsbetween metallophores and rare-earths are several units lower than the stability constant ofdeferrioxamine B (DFOB)-Fe3+. In the present work, we intended to identify hydroxamate-typemetallophore-producing strains in order to recover Rare Earth Elements (REEs) from aqueoussolutions through their binding to hydroxamates immobilized on the surface of magnetic particles.To achieve this objective, 19 bacterial strains isolated from a waste water treatment plant andmines were screened in order to assess their ability to sequester different metals in solid culture medium containing the CAS indicator (Chrome Azurol S). Strains that showed a positive result in solid CAS medium were selected to continue this study through the optimization of growth parameters, in particular the choice of carbon sources and agitation that enhance the growth and production of metallophores. Of the five bacterial strains (Ochrobactrum sp. 5bvl1, Bacillus altitudinis 3w19, Pseudomonas peli FBO M7 R9A, Diaphorobacter polyhydroxybutyrativoransB2A2W2 and Serratia fonticola A3-242) that were able to sequester metals in solid media, P.peli FBO M7 R9A and S. fonticola A3-242 were the strains that produced the highest amount ofhydroxamates and catecholates in Modi liquid medium. In the presence of glycerol and glucose,P. peli FBO M7 R9A produced a maximum of 147 and 162 µM of hydroxamates, respectively.This strain produced a maximum 294 and 424 µM of catecholates, in the presence of glycerol andglucose, respectively. Serratia fonticola produced different concentrations of metallophoresaccording to the agitation speed. At 140 rpm, this strain produced the highest amount ofcatecholates, at a maximum concentration of 124 µM, and at 70 rpm it produced almostexclusively hydroxamates, approximately 2137 µM. A strategy of purification of themetallophores present in the culture medium was implemented using Fast Protein LiquidChromatography (FPLC), with Amberlite XAD-4 and 16 resins. This strategy was effective inthe concentration of catecholates produced by P. peli FBO M7 R9A and S. fonticola A3-242,however it was not possible to recover hydroxamates. Since it was not possible to purifyhydroxamate-type metallophores, the chelating capacity of commercial DFOB immobilized on magnetic particles with a highly carboxylated surface was tested. Magnetic particles themselveswere able to chelate the entirety of Ga cations in aqueous solution. There was a reduction in thechelation capacity of Ga with DFOB immobilized on the magnetic particles, with a reduction of 77-80% of the concentration of Ga, after 120 minutes. It was studied the fluorescence responseof purified metallophores in presence of different metals, including six rare earth elements, as a strategy to detect metallophores-metal interaction. The reduction in fluorescence intensity is most significant when incubating the purified metallophores with cations with the ionic radius similar to that of Fe3+. Sc was the only REE in which a significant reduction in fluorescence intensity was identified.