Cómo degradan las bacterias el petróleo

Esta entrada está dedicada a Eduardo Villalobo.

El petróleo es un producto natural. Sí, ya sé que suena paradójico, pero es cierto. Es una mezcla de hidrocarburos provenientes de la acumulación de la materia orgánica generada por los seres vivos del pasado y que se ha ido acumulando y transformando en los sedimentos geológicos. Al ser una fuente de carbono hay microorganismos que son capaces de degradarla y esos microorganismos están presentes en todo tipo de ambientes, ya sean terrestres o marinos. Resulta evidente que estudiar esos microorganismos tiene una gran importancia desde el punto de vista medioambiental.

En un reciente artículo de la revista Science se describe cómo la bacteria marina Alcanivorax borkumensis (Alca para los amigos) es capaz de degradar aeróbicamente el hexadecano, uno de los muchos hidrocarburos presentes en el petróleo. Para estudiarlo han usado una cámara de microfluidos en la que han colocado gotitas de hexadecano y luego las han puesto en contacto con un cultivo de la bacteria. El hexadecano es inmiscible con el agua, así que de esa forma se simula una emulsión de gotitas de hidrocarburo rodeadas de agua. Lo primero que hace la bacteria es adherirse a la superficie de la gota de hidrocarburo y formar un biofilm que va cubriendo toda la gota. A partir de ahí la bacteria comienza a degradar las moléculas del alcano (no en vano su nombre significa "devoradora de alcanos"). Poco a poco el biofilm crece y las bacterias van haciendo desaparecer la gotita (ver el vídeo del comienzo de este post).

Degradación de una gota de hexadecano por A. borkunensis mediante la formación de un biofilm esférico. La barra de escala es de 10 micras. Fuente de la imagen: Prasad et al. 2023.

Lo que han encontrado es que las células de Alca parece que se hacen mucho más eficientes en su papel de degradadoras de hidrocarburos según pasa el tiempo. Cuando cogen  un cultivo que ha crecido durante cinco días en hexadecano y lo ponen en contacto con nuevas gotas del hidrocarburo lo que ven es que el biofilm comienza a introducirse en la gota y a hacer protusiones y tubos formando un biofilm dendrítico. La velocidad de degradación en ambos casos es la misma (un volumen celular de alcano por hora), pero la bacteria consigue de esa manera aumentar la superficie de contacto sobre la gota con lo que la degradación es muchísimo más rápida ya que más bacterias pueden contactar la gota. 

Degradación de una gota de hexadecano por A. borkunensis mediante la formación de un biofilm dendrítico. La barra de escala es de 10 micras. La región aumentada muestra los "tubos" del hidrocarburo rodeados de bacterias. Fuente de la imagen: Prasad et al. 2023.

¿Cómo consigue Alca esta adaptación bioquímica? La bacteria parece producir un biosurfactante que vuelve a la superficie bacteriana más hidrofóbica y por tanto le permite reducir la tensión superficial entre el agua y el alcano. De esa manera se incrementa la fuerza de adhesión a la gota y además permite que la célula penetre en la misma de manera mucho más eficiente. 

Aunque esto es un modelo de laboratorio los resultados obtenidos servirán para entender mucho mejor la dinámica de la biorremediación de los derrames de petróleo. La morfología de las gotas de una emulsión petróleo pueden servir para predecir cómo se va a dispersar la contaminación y cuánto tiempo puede tardarse en eliminarla mediante microorganismos. Además, también hay que tener en cuenta de que el petróleo es degradado por una comunidad de microrganismos, no por uno solo. Pero está claro que lo que puede hacer uno va a influir en el resto de la comunidad.

Siete bioprocesos microbianos para ayudar al planeta

Planeta Microbiano (origen de la imagen)

El título de esta entrada es la traducción del que aparece en el reciente artículo que ha publicado el investigador Victor de Lorenzo. En dicho escrito el autor hace una presentación de los siete bioprocesos microbianos que requerirán un desarrollo biotecnológico en los próximos años para poder ser usados en la resolución de los problemas medioambientales a los que nos enfrentamos. Además propone que para esos bioprocesos sean efectivos a escala global deberían estudiarse mecanismos para su diseminación entre los diferentes ecosistemas. Como no hay mal que por bien no venga, para dicha diseminación global podría ser muy útil tomar como modelo la forma en la que se diseminan los genes de resistencia a los antibióticos. También se propone que se usen fagos modificados para transmitir dichas capacidades. Supongo que eso no quita para que a su vez se desarrolle un "mecanismo de seguridad" que permita remover dichas capacidades metabólicas una vez se ha resuelto el problema medioambiental, aunque eso no se comenta en el artículo.

Aquí tenemos los siete bioprocesos y el problema que podrían resolver.

1.- Rutas metabólicas no-fotosintéticas de captura del CO₂. Permitiría reducir los niveles de CO₂ atmosférico y de otros gases de efecto invernadero. En este artículo tenemos un ejemplo.

2.- Expresión de proteínas "capturadoras" de agua en bacterias del suelo resistentes a la desecación. De esa forma se permitiría incrementar la humedad en los ecosistemas áridos y se lucharía contra la desertificación. La actinobacteria Rhodococcus jostii RHA1 podría ser un ejemplo.

3.- Rutas metabólicas para la mineralización completa de los plásticos / Expresión de adhesinas que permitan la floculación de los plasticos. Permitiría lidiar con el creciente problema de acumulación de plásticos en los ecosistemas marinos. En la primera categoría tendríamos a Ideonella sakaniensis y su capacidad de degradar PET. En la segunda categoría, la acción de los microorganismos permitiría la inertización de los plásticos evitando la liberación de CO₂ al ser biodegradados.

4.- Rutas metabólicas para la biodegradación completa de fármacos e interruptores endocrinos. Estas capacidades metabólicas permitirían eliminar a esas moléculas de las cadenas tróficas. Hay algunas ejemplos en los que se han usado hongos en biorreactores para eliminar interruptores endocrinos (endocrine disruptors) de las aguas residuales, así que un avance sería transferir esas capacidades metabólicas a bacterias que fueran mucho más eficientes.

5.- Rutas de fijación de nitrógeno insensibles al oxígeno / Expresión de enzimas fijadoras del nitrógeno en plantas. Esto permitiría un mayor rendimiento agrícola, pero sobre todo permitiría que disminuyera el uso del proceso Haber-Bosch, por lo que las actividades agrícolas serían más sostenibles (indirectamente se disminuiría las emisiones de CO₂ ya que para el proceso Haber se necesita usar gas natural para producir la energía necesaria). Quizás esta sea una de las áreas donde mayor cantidad de trabajo se ha realizado.

6.- Diseño de micoorganismos hiperacumuladores de fosfato. Después del nitrógeno, el fosfato es el segundo factor limitante en los procesos agrícolas. Casi todo el fosfato se extrae de minas y éste suele acabar al final en los mares o en los sedimentos. Estos microorganismos permitirían recuperar los fosfatos tanto de los ecosistemas marinos como de los sedimentos.

7.- Diseñar microorganismos despolimerizadores de lignina / Microorganismos inertizadores de lignina. Con la lignina tenemos un problema parecido al de los plásticos. Nos puede interesar el diseño de microorganismos capaces de descomponer el polímero de lignina en sus monómeros para que luego puedan ser usados en otros procesos biotecnológicos, o nos puede interesar volver a la lignina en algo completamente recalcitrante y que no contamine.

Como puede verse, los biotecnólogos ambientales van a tener un montón de trabajo

Geobacter: un superhéroe microbiano

Una vez más aparece en el blog una traducción de una de los artículos publicados en el blog de Moselio Schaechter Small Things Considered. En este caso se trata de un trabajo dedicado a la bacteria Geobacter escrito por la divulgadora científica Suzanne Winter.

Geobacter un microbio capaz de respirar hierro. (Fuente: Derek Lovley
Kelly Nevin & Ben Barnhart, University of Massachusetts)

Si el poder de Superman residiera tan sólo en sus superpoderes, entonces el Batman de Bruce Wayne nunca podría competir a su nivel. Pero si se tienen en cuenta los otros factores que hacen a los superhéroes lo que son – sus colegas, el disfraz, el sarcasmo – ambos, Superman y Batman, pueden reclamar su éxito en el mundo de hacer el bien sin despeinarse un pelo. En otras palabras, la fuerza y la efectividad del poder de un individuo a menudo depende de un uso creativo de las materias primas de las que dispone.

Esa realidad también se refleja en el reino de los microorganismos que compiten para ocupar y dominar nichos específicos por medio de la adaptación y la selección natural, y aquel que juega con unas reglas distintas a los otros puede tener la posibilidad de cambiar el mundo.

En particular, las especies que han evolucionado hacia la utilización de novedosos y, subjetivamente, extraños métodos para vivir han intrigado desde siempre a los científicos por sus habilidades de supervivencia y sus preferencias. Consideremos la fascinación que causan los extremófilos que viven en las fuentes termales del Parque de Yellowstone, y que condujeron al aislamiento de la Taq DNA polimerasa a partir de Thermus aquaticus, seguramente una de las más importantes enzimas de un laboratorio de biología molecular. Y mientras que muchos microbios siguen la bien estudiada ruta de usar oxígeno como aceptor final de electrones, hay muchos investigadores que miran con interés a las especies de Geobacter que usan óxidos férricos como aceptores finales de electrones, para así descubrir los secretos enigmáticos de la recuperación medioambiental, la producción de energía y la creación del mundo.

Historia del Mundo, Parte I : Porqué el hierro puede ser el nuevo oxígeno.

Además de ser el escenario de numerosas escaramuzas de la Guerra Civil Americana, el río Potomac, cercano a Washington D.C., tiene la distinción de ser la fuente del primer aislamiento de una especie de Geobacter, conocida inicialmente como GS-15 y posteriormente como Geobacter metallireducens.

Hasta que Derek Lovley y su laboratorio de la Universidad de Massachusetts Amherst identificó a Geobacter en 1987, ningún organismo con capacidad de usar óxidos de hierro como aceptor final de electrones había sido descrito. Para muchos organismos, una cadena de transporte de electrones y la producción de energía celular puede ser la diferencia entre la vida y la muerte. Miles de millones de años han sido dedicados a afinar esa delicada maquinaria; aquellos que no poseen este crucial mecanismo han sido relegados a llevar una vida al estilo de Artful Dodger(*), la de ser parásitos intracelulares obligados. Como muchos otros, las especies de Geobacter dependen de una cadena de transporte de electrones para la producción de energía, pero en lugar de usar oxígeno como el aceptor final, usan compuestos químicos de hierro oxidados.

Lovley y su equipo observaron que los compuestos químicos metabolizados por G. metallireducens eran magnéticos, pero el hierro que se encuentra en ambientes anaeróbicos no lo es. Como sugiere su nombre, el microorganismo reduce el ion férrico (Fe[III]) hasta magnetita Fe₃O₄, (que contiene ferroso (Fe[II]), gracias a la oxidación de compuestos orgánicos hasta CO₂. Esta observación permitía explicar cómo se podrían haber formado las antiguas y grandes acumulaciones de hierro en los ancestrales años en los que la Tierra era anóxica.

En el momento actual, esta curiosa adaptación permite a las especies de Geobacter sobrevivir a partir de fuentes energéticas que son inaccesibles para la mayor parte de los organismos aerobios. Y mientras hace eso, puede realizar tareas tremendamente útiles para los humanos. Por ejemplo, Lovley y su equipo demostraron que la respiración anaeróbica de G. metallireducens en ambientes anóxicos puede ser utilizada para la eliminación de contaminantes (como compuestos orgánicos radioactivos o derivados del petróleo) y por lo tanto para la biorremediación.

El análisis de varios genomas secuenciados de Geobacter ha revelado que en ausencia de un aceptor de electrones soluble, la expresión de los genes de motilidad son activados. En particular, los pili y los flagelos ayuda a G. chemotax a nadar hacia depósitos de moléculas que contengan Fe(III). ¿No sería interesante manipular este mecanismo para así usar organismos que busquen-y-destruyan la contaminación?

(a) Geobacter en presencia de un aceptor soluble como el nitrato no desarrolla flagelos.(b)Cuando no hay un aceptor de electrones soluble, pero hay ion férrico (Fe[III]) insoluble, se activan los mecanismos de quimiotaxis y se forma el flagelo, lo que le permite nadar a la bacteria. Después, gracias a la formación de pili, la bacteria puede adherirse a los gránulos conteniendo el ion férrico. (Fuente: Geobacter project)

Desde 1987 las investigaciones han continuado para desarrollar el potencial de Geobacter como parte del "kit de herramientas microbianas". En el 2010, Lovley y sus colegas comunicaron que microorganismos distintos a Geobacter pueden formar una conexión eléctrica y hacer pasar una corriente entre ellos. La habilidad de realizar una transferencia de electrones entre especies microbianas permitiría a los distintos microbios aprovechar fuentes de nutrientes a los que no podrían acceder si lo hicieran en solitario. Esto además abre la posibilidad de usar a Geobacter y otros microorganismos relacionados para crear baterías eléctricas automantenidas y otras fuentes renovables de energía.

Historia del Mundo, Parte II: La revolución de la red socia microbiana

En esta época donde el rumor se extiende por Tweeter en lugar de por el murmullo, el poder no está asociado necesariamente con lo que se conoce, sino con quién lo conoce – y Geobacter es más conocido que muchos otros microbios. De acuerdo con Google Trends, si se buscan los términos "microbial fuel cells" (células de energía microbianas), en el que Geobacter es uno de los jugadores clave, veremos que comenzó a hacer titulares en el 2007 por vía de uno de los métodos más seguros de divulgar la Biología, mediante un link con la cerveza. En el año 2009, la revista Time clasificó a las “pilas de Geobacter de Lovely” en el puesto 20 de las 50 mejores invenciones del 2009.

A finales de abril del 2010 llegó un momento de euforia en los medios de comunicación, como se evidenció por el pico en los términos de búsqueda en Google – coincidiendo en el tiempo con la concesión de un proyecto de 1 millón de dólares a Lovley por parte del Departamento de Energía de los EEUU -, y con el derrame de la plataforma Deepwater Horizon. En el momento del derrame, muchos medios de comunicación, incluyendo el New York Times y NPR's Science Friday, publicaron historias sobre Geobacter recalcando la habilidad del microbio para limpiar el mundo de contaminantes al mismo tiempo que producía energía. La Oficina de Investigación Naval de los EEUU se subió al carro de Geobacter colgando un vídeo en su canal de Youtube siete días después de que se anunciara la financiación de numerosos proyectos gubernamentales, incluyendo la creación de baterías inagotables o su uso en la conservación de las tortugas marinas.

Fotograma del vídeo de la Oficina de Investigación Naval (ONR) en el que se muestra un esquema de como conseguir energía a partir de las especies de Geobacter que habitan en los fondos marinos (Fuente: ONR Youtube channel)

La diversidad de aplicaciones de las distintas especies de Geobacter supone una inagotable fuente de noticias para los medios de comunicación. Dejando de lado la quincalla que publican, esas significativas cuñas de ciencia pura en el foco de las noticias podría estimular el apoyo a la investigación que nos permita entender la forma de vida de estas bacterias y así poder usarlas para beneficiarnos todos.

Además, hasta que el Batmovil no sea superado como el coche más deseable de todos los tiempos, deberíamos anima al Bruce Wayne de los microbios para que haga lo que mejor sabe hacer. Si tenemos en cuenta la cantidad de energía que Lovely y su grupo ha conseguido producir a partir de cepas seleccionadas de Geobacter, puede que un día su poder pueda ser utilizado bajo el capó de un coche en una carretera de un futuro más limpio y brillante.

Para saber más sobre el salvaje y extraño mundo de Geobacter puedes visitar el Geobacter Project, escuchar los podcast de Pulse of the Planets, o revisar la última publicación de Lovley sobre el futuro de los microbios eléctricos.

(*)Artful Dodger es un personaje de Oliver Twist. Es el pequeño pícaro con chistera que “educa” a Oliver en el arte de robar.



Suzzane Winter se graduó en el 2010 en el Swarthmore College con los títulos en Biología y en Literatura Comparada. Ha escrito para la sección de noticias de la revista BioTechniques y actualmente trabaja como escritora freelance en biología y ciencias de la vida al mismo tiempo que estudia para el master en Medicina y Salud Pública.

Algas para limpiar un desastre

Dedicado a Sato, Hiroko, Kyori y Masato. Espero que vuestro país se recupere pronto.

El accidente nuclear de Fukushima va a suponer uno de los mayores retos para las tecnologías dedicadas a la descontaminación. Y las técnicas biológicas o técnicas de biorremediación también van a tener su parte.

Hay veces que el destino te hace un guiño. Hace un tiempo se planeó una reunión de la American Chemical Society en la que se iba a discutir de los procesos de biomineralización. Uno de los trabajos que se ha presentado ha despertado un gran interés debido a los acontecimientos actuales. El trabajo ha sido realizado por el grupo liderado por Minna Krejci, una científica de materiales de la Northwestern University en Evanston, Illinois, sobre la capacidad del alga Closterium moniliferum, de secuestrar selectívamente el estroncio del agua y acumularlo en sus vacuolas.

Eso podría significar que este alga podría biorremediar vertidos contaminados con el isótopo radioactivo estroncio 90 (⁹⁰Sr). El ⁹⁰Sr supone un problema para los seres vivos porque, en su forma de catión divalente (Sr²⁺) es muy similar al catión del calcio (Ca²⁺). Así que ese isótopo radioactivo puede acabar formando parte de los huesos, la leche, la médula ósea, etc, y como es lógico, la radiación que emite puede inducir la aparición de tumores. El ⁹⁰Sr se genera como un subproducto de los procesos de fisión nuclear y tiene una vida media de 30 años.

¿Y por qué le gusta a Closterium moniliferum acumular estroncio? En realidad lo que le gusta a C. moniliferum es captar bario. Y si uno se mira la tabla periódica verá que el orden de estos tres elementos de arriba a abajo es Calcio, Estroncio y Bario. Así que aunque el calcio sea muy abundante, los transportadores de C. moniliferum no lo transportan al interior, ya que es bastante diferente del bario. Pero no ocurre lo mismo con el estroncio que al estar en la posición intermedia también se parece al bario. El resultado es que C. moniliferum acumula cristales de bario muy enriquecidos con estroncio.

El alga Closterium moniliferum. La imagen (a) es un fotografía realizada con microscopio confocal; los clorosplastos están en color rojo y la membrana en color verde. La imagen (b) es una microfotografía en contraste de fases en la que se ve la vacuola terminal con cristales de sulfato de bario en su interior. En la microfotografía (c) se observan esos cristales usando microscopía electrónica de barrido después de haber incinerado a la célula (Fuente: Krejci et al.)

¿Por qué cristalizan estos elementos en el interior de C. moniliferum? Al parecer las vacuolas de dicho alga presentan altas concentraciones del anión sulfato. Y en esas condiciones, tanto el estroncio como el bario son muy insolubles, por lo que precipitan formando cristales. Es lo que en Microbiología conocemos como biomineralización. Lo que no se sabe es porqué C. moniliferum tiene tanto sulfato en el interior de dichas vacuolas. ¿Una fuente de reserva de azufre? ¿una forma de eliminar cationes divalentes nocivos?

Minna Krejci ha encontrado que variando las concentraciones de sulfato y bario en un determinado medio, puede estimular la captación de estroncio. Y el proceso es muy rápido. En una hora acumulan una gran cantidad de estroncio. Así que este alga podría ser utilizada como un bioacumulador del residuo radioactivo. Imaginemos que tenemos en un deposito 500 litros de agua contaminada con ⁹⁰Sr. Se añadiría el alga y la mayor parte del catión se acumularía en ella. Posteriormente separamos las células del agua. La contaminación ahora ocuparía mucho menos volumen y sería mucho más barata de almacenar y procesar. Sin embargo, aún no se ha realizado ningún experimento en el que se compruebe que estas algas puedan realizar esta bioacumulación en condiciones en las que hay altas dosis de radioactividad.

Lovett, R. (2011). Algae holds promise for nuclear clean-up Nature DOI: 10.1038/news.2011.195

Krejci, M., Finney , L., Vogt, S., & Joester, D. (2011). Selective Sequestration of Strontium in Desmid Green Algae by Biogenic Co-precipitation with Barite ChemSusChem DOI: 10.1002/cssc.201000448

Bombas atómicas, bacterias y delfínes

Leó Szilárd y Aaron Novick. Hace 60 años inventaron el quimiostato.

Si le preguntara a un físico quién fue Leó Szilárd es probable que me respondiera: fue el extraterrestre que ideó la bomba atómica. Pero si le preguntamos a un microbiólogo industrial respondería: fue el extraterrestre que inventó el quimiostato.

Esto último no lo hizo él solo, sino en compañía del químico Aaron Novick, uno de los pioneros de la Biología Molecular. Ambos se habían conocido en 1943 durante el desarrollo del "Proyecto Manhattan". El trabajo de Novick versaba sobre la purificación del plutonio, material con el que se construyó la bomba arrojada sobre Nagasaki. Después de la Segunda Guerra Mundial muchos de los científicos que habían estado involucrados en el desarrollo de las armas atómicas comenzaron a renegar de ellas y a trabajar en aras de la paz. Además de llevar a cabo diversas campañas de concienciación social también comenzaron utilizar sus neuronas en el campo de la Biología. Szilárd y Novick comenzaron su colaboración en 1947, y se centraron en entender el crecimiento bacteriano y como sacar provecho del mismo.

Esquema muy simplificado de un quimiostato aeróbico. La tubería superior añade medio fresco en el cultivo microbiano. La tubería inferior actúa como un aliviadero o rebosadero. Nótese que el mismo volumen que entra en el quimiostato sale por la parte inferior. (origen de la imagen)

Tomando como base la ecuación conocida como "Primera Ley de Monod" en el año 1950 consiguieron desarrollar el quimiostato, un tipo de biorreactor en el que los microorganismos de su interior se encuentran creciendo exponencialmente de manera constante. Es lo que se llama un cultivo continuo. El quimiostato permite controlar de modo independiente la concentración celular del interior y la velocidad de crecimiento del cultivo. La velocidad de crecimiento se controla ajustando la velocidad de dilución. En el quimiostato entra medio nutritivo fresco al mismo tiempo que sacamos medio nutritivo usado. Cuanto más alta sea la velocidad de dilución más rápidamente deben de crecer las células. La concentración celular se controla variando la concentración del nutriente que entra. Cuanta más comida entra, más células habrá dentro del quimiostato.

Esquema simple del proceso de depuración de aguar residuales. (origen de la imagen)

Y eso ¿para qué sirve? Bueno, para muchas cosas. Podríamos decir que sin los quimiostatos no existiría biotecnología industrial. Pero probablemente su aplicación más conocida es para la depuración de aguas, ya sea mediante procesos aeróbicos o anaeróbicos. Una estación depuradora de aguas es una especie de quimiostato en el que el "medio de cultivo fresco" es el agua residual que entra en la planta y que sirve para alimentar a los fangos activos (los microorganismos). Posteriormente se retiran los fangos del agua mediante decantación y así conseguimos agua depurada.

En 1961, Szilárd publicó un libro titulado "The voice of the dolphins" en el que debatía diversos aspectos de la Guerra Fría. La historia corta que da título al libro versa sobre un futuro en el que la raza humana se ha extinguido y los delfines son los nuevos seres inteligentes del planeta (*). En dicho relato, Szilárd imaginaba un laboratorio internacional de Biología, situado en la Europa Central. La idea se hizo realidad en 1962 con el nacimiento del Laboratorio Europeo de Biología Molecular (EMBL). La biblioteca del EMBL fue bautizada Biblioteca Szilárd y en su sello aparecen los delfines.

(*) Una visión más optimista basada en la narración de Szilárd se puede encontrar en el cómic "Fragmentos de la Enciclopedia Délfica"

Esta entrada se presenta al 8º carnaval de la Física.

Novick, A., & Szilard, L. (1950). Description of the Chemostat Science, 112 (2920), 715-716 DOI: 10.1126/science.112.2920.715

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Los primeros en responder a un derrame de petróleo

Ha pasado más de un mes desde la explosión de la plataforma petrolífera Deepwater Horizon de la compañía BP localizada en el Golfo de México. En dicha explosión murieron 11 trabajadores y comenzó a derramarse una gran cantidad de petróleo. Aunque desde el primer momento se tomaron diferentes medidas para paliar los efectos, lo cierto es que son los microorganismos los primeros que respondieron al vertido. Aquí os traigo la traducción del comentario "Small Things: First Responders to Oil Spills" escrito por los profesores D. Jay Grimes y Ronald M. Atlas en el blog "Small Things Considered". Probablemente el nombre de Ronald Atlas les suene a los alumnos de Ciencias Ambientales porque es autor de uno de los libros de texto que se utilizan en clase.

El derrame visto desde el espacio. Fotografía realizada el 24 de mayo. (Fuente: Wikipedia)

El 20 de abril de 2010, la plataforma petrolífera Deepwater Horizon localizada mar adentro en el norte del Golfo de México, explotó por causas indeterminadas. Dos días después la plataforma se hundió causando la ruptura total de las tuberías de perforación y provocando el derrame de enormes cantidades de petróleo. Las estimaciones más bajas asumen que el derrame ya ha eclipsado los 11 millones de galones (41 millones de litros) del Exxon Valdez en el año 1989. Antes de que el petróleo deje de fluir la cantidad derramada podría ser superior a los 140 millones de galones (529 millones de litros) vertidos en el Golfo de México por el estallido en 1979 de la plataforma Ixtoc-1 (*).

Dilución seriada mostrando Materia Orgánica Disuelta Coloreada. Los números son unidades estandarizadas. (Fuente: SCCF Recon)

El primer buque oceanográfico en el lugar fue el R/V Pelican. Posteriormente, tanto la compañía BP como la NOAA, enviaron buques de investigación al lugar. El Pelican realizó mediciones fluorimétricas de la materia orgánica disuelta coloreada (CDOM), para estimar indirectamente la cantidad de hidrocarburos dispersados en el agua. De esa forma encontró varias "plumas" o manchas de CDOM a profundidades entre 700 y 1,300 metros. Se han tomado muestras de agua de esas plumas para su posterior análisis para determinar la cantidad de petróleo. BP realizó diversos anuncios (18 de mayo, 23 y 25) por parte de los científicos de la NOAA, la EPA, y la BP presentes en el barco R/V Brooks McCall. Éstos comprobaron que la fluorescencia de fondo era de 5 ppb con picos de hasta ligeramente por encima de 20 ppb en los 1.200 metros. La fluorescencia de fondo puede ser atribuida a una serie de causas, incluyendo el hecho de que hay 63 filtraciones naturales en el norte del Golfo de México que contribuirían con alrededor de 20 millones de galones de petróleo al año (hacer click aquí y aquí para más detalles). Según todas las apariencias, una mancha de petróleo se está moviendo muy por debajo de la superficie, mientras que el petróleo también se está moviendo en la superficie y contaminando las costas de Louisiana.

Evolución de una mancha de petróleo. (Fuente: Tecnum)

Sin duda, los microbios del Golfo se han visto expuestos al petróleo, tanto en la superficie como en profundidad-y han sido los primeros en responder. Aunque muchos microbiólogos están interesados en la identidad de las bacterias degradadoras de petróleo, ese detalle es de menor relevancia que los cambios químicos que provocará la comunidad microbiana de microorganismos degradadores de petróleo. Por lo general, como se observó en las costas afectadas por el derrame del Exxon Valdez, la presencia de microorganismos degradadores de petróleo en la comunidad microbiana va desde menos del 1% a un 10% en aguas marinas y sedimentos expuestos al petróleo en crudo. Los microorganismos degradadores de hidrocarburos son diversos e incluyen especies de Vibrio y Pseudomonas junto con otros géneros como Alkinovorax, aislado precisamente en el Golfo de México.

Los científicos a bordo del Pelican tomaron muestras para análisis microbianos utilizando métodos moleculares modernos y así identificar y caracterizar las comunidades microbianas. También midieron el oxígeno disuelto (OD) en el interior de las "plumas" y se determinó que existía una relación inversa entre el CDOM y el oxígeno disuelto, lo que indicaba que había una degradación activa del petróleo por parte de los microorganismos en el interior de las "plumas". Los resultados mostraron que las lecturas de OD en el máximo de la pluma estaban reducidas en un 30%, pero ese valor no es tan bajo como para impedir la degradación aeróbica microbiana, un proceso muchísimo más rápido que la biodegradación anaeróbica de hidrocarburos. A pesar de la preocupación de que la bajada de OD podría volver las aguas anóxicas y por lo tanto inadecuadas para los peces, la experiencia con el derrame del Exxon Valdez sugiere que un 30% de reducción de la OD para el agua corriente es lo que se debe esperar como resultado de una activa biodegradación aeróbica de hidrocarburos. Con pocas excepciones, los datos del Brooks McCall no muestran zonas con bajas OD, por el contrario, estos datos muestran aumentos consistentes de la OD con la profundidad a partir de los 500-600 metros. Una de las excepciones que han hecho notar los científicos a bordo de la Brooks McCall muestra un pico de fluorescencia de más de 20 ppb conjuntamente a una reducción de la OD de 6 a 5 mg/L.

Biodegradación del petróleo por microorganismos. Los procesos de biodegradación son fundamentalmente aerobios. Los microorganismos azules son los biodegradadores. Dicha población crece y puede ser presa de otros microorganismos (protozoos y virus). A su vez, la degradación del petróleo cambia su composición y permite que sea accesible por otro tipo de microorganismos llamados consumidores secundarios(Fuente: Nature)

Las muestras de agua con petróleo recogidas por el Pelican evidencian la presencia de microbios en la superficie de las gotas de crudo (Grimes et al., datos de tinción de DAPI y FISH sin publicar). Las plumas subsuperficiales se pueden estar formando por la adición de dispersantes en las profundidades donde se está produciendo el derrame de petróleo. La fina dispersión material también puede ser debida a la mezcla del petróleo caliente que sale del derrame(~ 200 º C) con el agua de mar fría (~ 4 º C). Cualquiera que sea la explicación, el aumento de superficie que ofrecen esas gotitas de petróleo deberían permitir una mayor colonización por bacterias que degradan hidrocarburos. De hecho, los estudios sobre los derrames de petróleo anteriores, incluido el Ixtoc-1 y el derrame de 1978 del Amoco Cádiz en la costa de Bretaña, indican que los microbios son los primeros en responder, para degradar el petróleo a medida que avanza hacia las zonas costeras sensibles. Los estudios en curso deben mostrar como de efectivos serán en la mitigación del actuales desastroso derrame que está afectando la costa del Golfo.

Bacterias teñidas con DAPI adheridas a una gota de petróleo del vertido producido por el accidente en la plataforma Deepvater Horizon. (Fuente: Jay Grimes)

Addendum de Ron Atlas

Lo que está claro de los estudios sobre vertidos anteriores, incluyendo los estudios sobre el derrame del Exxon Valdez y un derrame experimental llevado a cabo por la EPA y realizado a lo largo de la costa de Delaware, es que es muy improbable que añadir microbios al vertido sea de alguna ayuda. Mientras que los cultivos puros de microbios hacen un trabajo maravilloso de degradación de hidrocarburos en los matraces de laboratorio y en los biorreactores, nunca han demostrado ser capaces de competir con la diversa comunidad de microorganismos degradadores de petróleo que se desarrolla de forma natural en los océanos contaminados con petróleo crudo. Tampoco son capaces de degradar todos los hidrocarburos presentes en la compleja mezcla que es el petróleo crudo. Pero eso no impide que haya empresas que traten de vender una solución inmediata que limpie al instante el petróleo derramado, o de ignorar o denigrar a la literatura científica acerca de la falta de demostración de que la siembra de cultivos es mejor que la adición de fertilizantes en la aceleración de las tasas de biodegradación de petróleo.

Durante el incidente del Exxon Valdez tuve el trabajo de evaluar muchos de los productos llevados al laboratorio de campo en Valdez. Esto incluía cultivos incluidos en arcillas que se suponía podrían hacer que el petróleo de la bahía Prince William desapareciese. La idea era que las arcillas provocaran que el petróleo se hundiera y desapareciera de la vista, pero no había pruebas de que las bacterias adheridas a las arcillas podrían competir con los microorganismos indígenas degradadores de petróleo que ya habían colonizado el crudo. Otra idea era utilizar ralladuras de limón y de naranja que provocarían la desaparición inmediata del petróleo, de hecho si se utiliza una prueba olfativa para detectar la presencia de petróleo se y agrega la suficiente cantidad de naranjas y limones, uno no será capaz de oler el crudo y podría concluir erróneamente que el petróleo se había ido. Años más tarde, en respuesta a un derrame en la selva amazónica en Ecuador, quedé horrorizado al ver a los trabajadores tirar ralladuras de limón en el petróleo. Sí, las mismas barricas de limones que no se había utilizado en la bahía de Prince William se habían llevado al Ecuador y habían sido vendidas como la solución biorremediadora maravillosa. Teniendo en cuenta las numerosas noticias de gente a lo largo de la costa del Golfo que dice que el petróleo debe estar cerca porque lo huele, mi temor es que alguien podría tratar de vender ese tratamiento a un gerente de BP o a un grupo local de ciudadanos que no esté familiarizado con las bacterias para degradar el petróleo, la biorremediación y los complejos análisis químicos que se utilizan para determinar la presencia de petróleo. Esta semana he recibido varias notas por correo electrónico de compañías que dicen estar educando a BP acerca de todas las campañas de desinformación científica, como los reclamos de que hay cultivos de microorganismos capaces de degradar instantáneamente el petróleo y que no suponen un peligro ecológico porque no son capaces de reproducirse. Esperemos que BP insista en los métodos científicamente probados y se resista a la tentación de comprar curas milagrosas.

Los autores: Ronald Atlas, Profesor de Biología y Salud Pública en la Universidad of Louisville (izquierda) y D. Jay Grimes, Profesor del Departamento de Ciencias Costeras y Ecología Microbiana Marina en el Laboratorio de Investigación de la Costa del Golfo, Universidad del Sur de Mississippi (derecha).

(*) Para comparar con algo más cercano. El Prestige vertió 63.000 toneladas de las 77.000 que transportaba. Asumiendo que 1000 litros de petróleo pesan unos 840 kilos (depende de la densidad), los 529 millones de litros equivaldrían a 446.000 toneladas.

Siglas:
DAPI: Técnica de fluorescencia con el colorante DAPI que tiñe el DNA.
EPA = Environmental Protection Agency.
FISH: Fluorescence in situ hybridization.
ppb = Parts Per Billion. En español, partes por cada 1000 millones ó: 1 en 10⁹.
NOAA= National Oceanic and Atmospheric Agency.
R/V = Research Vessel, barco de investigación

Head, I., Jones, D., & Röling, W. (2006). Marine microorganisms make a meal of oil Nature Reviews Microbiology, 4 (3), 173-182 DOI: 10.1038/nrmicro1348

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Negra Vida. Un análogo terrestre de la posible vida en Titán

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El lago Pitch. Los puntos negros muestran los lugares de muestreo. A la derecha se ve una burbuja en la superficie de asfalto. La barra de escala representa 5 cm (fuente: Schulze-Makuch et al.)

El lago Pitch está situado en la isla caribeña de Trinidad y Tobago. No es precisamente un destino turístico paradisíaco a menos que trabajes para una compañía petrolífera. Es un lago natural de asfalto caliente con una superficie de 40 hectáreas y que supongo debe de oler a carretera recién asfaltada. De hecho, una gran parte del PIB de Trinidad y Tobago viene de la venta de asfalto.

El terreno circundante al lago está lleno de petróleo caliente. Este va filtrándose hacia la superficie y en el proceso los hidrocarburos se van mezclando con el fango mientras que los componentes más volátiles se evaporan. Lo que queda es una emulsión de asfalto con agua a una temperatura que oscila entre 32 y 56º C y que puede ser aprovechada industrialmente. Pero desde hace tiempo los científicos han observado con interés este lugar. En primer lugar por sus potencialidades como fuente de microorganismos biorremediadores para ser usados en derrames de petróleo. En segundo lugar, porque el lago Pitch es un hábitat saturado de hidrocarburos líquidos, algo muy parecido a lo que podríamos encontrar en Titán, una de las lunas de Saturno.

Los lagos de hidrocarburos de Titán (fuente: wikipedia)

Así que un grupo de científicos ha tomado muestras de dicho lago y tras analizarlas han encontrado microorganismos. En cierto sentido eso ya no sorprende. En el blog hemos comentado otros ecosistemas extremos en los que parecía imposible la vida. Pero estos nuevos microorganismos presentan una propiedad que aunque se había visto antes, no por ello deja de sorprender. Parecen capaces de generar su propia agua al producir sus reacciones metabólicas.

Una de las más importantes limitaciones para la vida es la disponibilidad de agua. Más de dos terceras partes de la composición de un ser vivo es agua. Sin líquido elemento no se podrían llevar a cabo las reacciones bioquímicas, ni disolver o suspender las moléculas. Pero la disponibilidad de agua no sólo depende del contenido de agua del ambiente, sino también de la concentración de solutos que hay en dicha agua. Si hay muchos, "secuestran" las moléculas de agua e impiden que los seres vivos puedan usarla. Por eso la sal es un buen conservante.

El parámetro físico que mide la disponibilidad de agua se denomina actividad del agua (aw) y es la razón entre la presión de vapor de aire en equilibrio con una solución y la presión de vapor a la misma temperatura del agua pura. Sus valores oscilan entre 0 y 1. Cuanto más alto el valor, más disponibilidad de agua. Para hacernos una idea, la sangre tiene una actividad de 0,995, el agua de mar de 0,998, el jamón serrano de 0,85, el bacalao salado de 0,75 y un caramelo de 0,7. La actividad de agua de algunas de las zonas del lago Pitch oscila entre 0,49 y 0,65. El límite anteriormente registrado estaba en 0,61.

Los investigadores han encontrado densidades celulares de hasta 10⁷ células por gramo en algunas de las muestras. El análisis genético y bioquímico muestra que la microbiota está compuesta de bacterias y arqueas capaces de degradar anaeróbicamente los hidrocarburos, utilizar iones metálicos para procesos respiratorios y utilización de rutas metabólicas basadas en la química de un sólo átomo de carbono (rutas C1). La mayor parte del metabolismo de los seres vivos se basa en rutas C2.

Comparación de la biodiversidad de las microbiotas de diferentes lugares donde abundan los hidrocarburos. Las barras indican la presencia de una determinada especie. La intensidad del color da idea de su abundancia. Las muestras recogidas en el lago Pitch están en el interior del recuadro grisaceo de la izquierda. La principal diferencia es la gran abundancia de especies pertenecientes a los Thermoplasmatales (fuente: Schulze-Makuch et al.)

Dentro del Dominio Archaea han encontrado nuevos miembros del grupo de las Arqueas Anaerobias Oxidadoras del Metano (ANME), metanógenos y respiradores del metal del orden Thermoplasmatales. En el Dominio Bacteria se han encontrado a representantes de los quimiolitotrofos reductores del sulfato del orden Thiotrichales y representantes de los Campylobacteriales, así como bacterias conocidas por su capacidad degradadora de hidrocarburos de los órdenes Pseudomonadales, Oceanoespirillales y Bhurkolderiales. La microbiota encontrada presenta algunos parecidos con los de otras microbiotas caracterizadas en lugares como fuentes volcánicas o yacimientos mineros, pero también presenta características exclusivas.

Microfotografía electrónica de una arquea del género Thermoplasma. Este tipo de microorganismo no tiene pared celular y por eso tiene esa forma irregular (fuente: MicrobeWiki)

Las condiciones del algo Pitch pueden ser un análogo de los lagos de hidrocarburos que se descubrieron en Titán. El hecho de que haya lluvia de metano en esa luna abre la posibilidad de que exista un ciclo del metano similar a nuestro ciclo del agua. Quién sabe, a lo mejor la próxima misión planeada para el 2030 nos puede dar sorpresas.

Grant, W. (2004). Life at low water activity Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 359 (1448), 1249-1267 DOI: 10.1098/rstb.2004.1502
Kreuzer-Martin, H. (2005). Oxygen isotopes indicate most intracellular water in log-phase Escherichia coli is derived from metabolism Proceedings of the National Academy of Sciences, 102 (48), 17337-17341 DOI: 10.1073/pnas.0506531102
Dirk Schulze-Makuch, Shirin Haque, Marina Resendes de Sousa Antonio, Denzil Ali, Riad Hosein, Young C. Song, Jinshu Yang, Elena Zaikova, Denise M. Beckles, Edward Guinan, Harry J. Lehto, & Steven J. Hallam (2010). Microbial Life in a Liquid Asphalt Desert arXiv arXiv: 1004.2047v1