Zonas profundas del lago ricas en azufre y hierro están dominadas por bacterias, con escasez de arqueas y protistas. Han identificado las bacterias que generan gases tóxicos de azufre y las que los procesan a formas más inocuas, lo que podría tener usos en biorremediación. El trabajo, liderado por el CEAB-CSIC, ayudará a predecir el comportamiento de los océanos ante futuros escenarios de cambio climático.
Un trabajo internacional liderado por Emilio O.Casamayor, director del Centro de Estudios Avanzados de Blanes (CEAB), analiza el metabolismo de los microorganismos en los lagos de Banyoles (Banyoles y Cisó), que presentan en algunas zonas condiciones de falta de oxígeno y altos niveles de gases de azufre, muy parecidas a las que tenían los océanos en el pasado, cuando aparecieron las primeras formas de vida. El trabajo, publicado en la revista The ISME Journal, cuenta con la participación de los grupos de informática y de Genómica Microbiana del Craig Venter Institute (EUA), del ICRA y de la Universitat de Girona.
Emilio O. Casamayor, que dirige el grupo de Ecología Microbiana en el CEAB-CSIC, explica: “en el mundo microbiano no disponemos de fósiles para estudiar cómo eran las formas de vida en el pasado geológico, por lo que es necesario explorar ambientes actuales que mimeticen las condiciones químicas que prevalecían en aquellas épocas. Los microorganismos actuales se comportan tal como funcionaban los microorganismos en el pasado y pueden dar pistas de cómo se establecieron las primeras relaciones ecológicas y las estrategias pioneras para obtener energía y alimento”.
Ambiente de poco oxígeno, mucho azufre y hierro
El planeta, explican los científicos, no tenía prácticamente oxígeno hasta hace aproximadamente 2500 millones de años, y el océano de entonces era muy rico en hierro. Con la llegada de la fotosíntesis, el oxígeno en la atmósfera y en la superficie de los océanos aumentó. El fondo de los océanos se mantuvo anóxico y rico en hierro, mientras que en algunas zonas costeras probablemente se mantuvieron episodios de falta de oxígeno y elevadas concentraciones de sulfhídrico (H2S). Actualmente, el océano se ha empobrecido en hierro y sólo en las zonas profundas de algunos lagos, como los de Banyoles, se mantienen esas condiciones similares a las del inicio de la vida en la Tierra (poco oxígeno y mucho azufre y hierro).
En este trabajo, los científicos han secuenciado masivamente el ADN total (metagenoma) de muestras de agua, tomadas tanto de profundidades intermedias -donde coexisten niveles bajos de oxígeno y gases de azufre- como de las zonas más profundas donde solo existen gases tóxicos de azufre, metano, anhídrido carbónico, amoníaco e hidrógeno. Tras ubicar las secuencias genéticas obtenidas en el árbol de la vida -lo que se consigue comparándolas con genes ya conocidos de los diferentes seres vivos- han podido concluir que las zonas profundas del lago de Banyoles es un ambiente dominado, en su inmensa mayoría, por bacterias y, con escasez de arqueas y protistas.
Después, han analizado los genes implicados en los ciclos del carbono, nitrógeno y azufre (como la fijación del CO2 por fotosíntesis y quimiosíntesis; la nitrificación, desnitrificación y fijacion de nitrógeno; la asimilación o la oxidación del azufre, etc), procesos esenciales para la vida de los microorganismos, y han reproducido “in silico” lo que sería el metabolismo del conjunto de esos microorganismos y las posibles interrelaciones entre ellos. “La metagenómica nos permite por primera vez reconstruir el entramado complejo de conexiones existentes entre la geología, la química y la biología que se han ido tejiendo a lo largo de millones de años” comenta Casamayor.
Resultados destacados
Entre los resultados, los científicos destacan que han sido capaces de determinar las especies clave que engranan e interconectan diferentes ciclos biogeoquímicos y a las responsables potenciales de procesar y transformar las diferentes moléculas. Por ejemplo, se han podido identificar las bacterias que generan los gases tóxicos de azufre y las que los procesan a formas inocuas, lo que podría tener aplicaciones en procesos de biorremediación.
También, destacan el hecho de que bajos esas condiciones se ha hallado una cantidad considerable de genes de fijación de nitrógeno pero muy baja de genes de nitrificación, lo que explica la gran acumulación de amoníaco en las zonas profundas de estos lagos y posiblemente en los océanos antiguos. Así mismo, se ha puesto de manifiesto un gran potencial de secuestrar CO2 fuera de las vías tradicionales fotosintéticas. Sin embargo, apenas se ha detectado presencia de microorganismos capaces de generar metano bajo estas condiciones.
Algunos de los microorganismos aquí estudiados han dejado señales de su presencia en sedimentos marinos antiguos, como los pigmentos recalcitrantes de bacterias verdes del azufre que utilizan H2S para su fotosíntesis, lo que permite reconstruir los escenarios pasados bajo los cuales esas especies se desarrollaron. A partir de las nuevas especies descubiertas en este estudio, los científicos esperan poder encontrar nuevos trazadores del pasado.
La investigación también ayudará a predecir el comportamiento de los océanos en zonas costeras ante los futuros escenarios de cambio climático ya que, en concordancia con estas predicciones, en los últimos años las conocidas como “zonas muertas oceánicas” ligadas a procesos de cambio global originados por la actividad humana están aumentando de manera significativa en todos los continentes.
Sorcerer, campaña de muestreo de océanos, lagos y mares
Las muestras analizadas fueron tomadas en la campaña Sorcerer, iniciada en 2003 por el científico Craig Venter con el objetivo de descubrir los secretos de los océanos a través del muestreo, la secuenciación y el análisis del ADN de los microorganismos que viven en los ecosistemas acuáticos. Entre 2003 y hasta 2007, la campaña completó con éxito una primera etapa de circunnavegación mundial, en la que se muestreó lugares diversos como las costas de California, la Antártida, o los respiradores volcánicos del fondo del océano.
Desde 2009 y hasta 2010, Sorcerer realizó una nueva etapa para muestrear las aguas del Báltico, del Mediterráneo y del Mar Negro, científicamente importantes porque están entre los mayores mares del mundo aislados de los principales océanos. En esta etapa se incluyó el muestreo y la secuenciación genética de lagos como el Constanza (Alemania) o Banyoles. También se han estudiado lagos del continente antártico, a la búsqueda de nuevas formas de vida y nuevas moléculas, o de zonas alpinas de los Pirineos en las que actualmente el grupo de Blanes también está trabajando.
Llorens-Marès T, S Yooseph, J Goll, J Hoffman, M Vila-Costa, CM Borrego, CL Dupont, EO Casamayor (2015) Connecting biodiversity and potential functional role in modern euxinic environments by microbial metagenomics. The ISME Journal advance online publication DOI:10.1038/ismej.2014.254