Lo que está debajo

¿Ha visto la película "Temblores"? Es una divertida película de terror con monstruos protagonizada por Kevin Bacon y Fred Ward. La historia se desarrolla en un pueblo perdido del desierto de Nevada que es asediado por unos gusanos gigantes que viven bajo tierra (como los gusanos de Dune). Los protagonistas tendrán que usar todo su (poco) ingenio para evitar ser devorados por los monstruos subterráneos.

Pues bien, parece que debajo de nuestros pies se esconde algo mucho más peligroso y no parece que le estemos haciendo caso. Se trata de los ARGs, las siglas de "Antibiotic Resistance Genes" o genes de resistencia a los antibióticos. El artículo "Vertical migration and leaching behavior of antibiotic resistance genes in soil during rainfall" describe cómo dichos genes pueden "viajar" a través del suelo gracias a la lluvia y de esa manera acabar contaminando las aguas subterráneas.

Los suelos están llenos de microbios, muchos de ellos son esenciales para la agricultura ya que descomponen sustancias orgánicas complejas en nutrientes más sencillos y de esa forma permiten a las plantas absorberlos. La fuente de muchos de esos nutrientes y microbios es el uso de estiércol compostado en los cultivos. Y muchas veces el estiércol proviene de animales que han sido tratados con antibióticos. Así que tenemos una presión de selección para que las bacterias que contenga ARGs estén presentes en gran número. Durante el proceso de compostaje esas bacterias pueden morir y liberar sus contenido, y aquí es donde empieza el problema. Los genes ARGs suelen estar en plásmidos (u otros elementos genéticos móviles), y los plásmidos son bastante estables. A primera vista, esto no parece un problema si los genes de resistencia se quedan en el suelo. Sin embargo, con cada evento de lluvia, estos ARGs se filtran hacia las capas más profundas del suelo, un proceso conocido como lixiviación, y pueden llegar a contaminar los acuíferos subterráneos. Además, en el camino esos ARGs pueden ser adquiridos por las bacterias presentes en el suelo, como Pseudomonas y Anaeromyxobacter, con lo que se incrementa la diseminación de las resistencias. 

Lixiviación (leaching) por lluvia (fuente de la imagen)

Los investigadores han estudiado durante un año lo que ocurre en diferentes suelos - calcáreo, neutro y ácido - de la provincia de Chongqing, una zona de China con clima monzónico subtropical. Los cultivos usados fueron cultivos rotatorios de maíz y repollo. Luego han utilizado cuatro tratamientos: sin fertilizar, fertilizante químico, fertilizante más estiércol y solo estiércol (el estiércol provenía de excrementos de pollo compostados). Finalmente tomaron muestras a tres profundidades: 20, 40 y 60 cm, que fueron analizadas mediante PCR cuantitativa para detectar los diferentes ARGs. Han  encontrado que hay varios factores que afectan a la diseminación de los ARGs. Por ejemplo, en los suelos ácidos hay una mayor migración y en los calcáreos menos. También han encontrado que los ARGs más comunes son los que protegen frente a los aminoglicósidos y a los beta-lactámicos, precisamente el tipo de antibióticos más usados.

El número promedio (A) y la abundancia normalizada (B) de ARGs y Elementos Genéticos Móviles (MGE) en el perfil del suelo y muestras de lixiviados en tres tipos de suelos bajo diferentes regímenes de fertilización recolectados durante eventos de lluvia durante todo un año. Las letras "A, B, C" del interior de las gráficas indican que hay diferencias significativas entre fertilizaciones. Las letras minúsculas "a, b, c, d" encima de las columnas indican  diferencias significativas entre muestras. Los números del eje X indican la profundidad de la toma de muestra (20, 40 y 60 cm). Las abreviaturas indican el tratamiento: CK-control, CF-fertilizante químico, CFM: mezcla fertilizante+estiércol, M: estiércol. Los colores indican el tipo de ARG detectado  (MLSB: macrólido-lincosamida-estreptogramina). Origen de la imagen: Zhang et al. 2024.

Los autores recomiendan que el uso del estiércol debería estar más controlado, sobre todo si proviene de animales tratados con antibióticos. Quizás un mayor tiempo de compostaje sea una solución para eliminar los ARGs y no poner en riesgo los acuíferos. Esperemos que la lección sea aprendida.

 

El mito de la caca de camello, las diarreas y el Afrika Korps.

 

Una de las historias más curiosas de la Segunda Guerra Mundial es la de que las tropas del Afrika Korps imitaron el tratamiento que usaban los beduinos del desierto para combatir la diarrea, y que no consistía en otra cosa que en ingerir heces frescas de camello. De hecho esa historia aparece en varios artículos científicos sobre microbiota, e incluso se relata que los microbiólogos alemanes consiguieron aislar una cepa de Bacillus subtilis como responsable del efecto terapéutico que llegaron a producir en masa. 

Como buen friki de la microbiología y de la 2GM conocía la historia y pensé en introducirla en el artículo que recientemente he escrito para The Conversation sobre el posible uso del trasplante autólogo de heces para intentar "rejuvenecer". Así que me puse a buscar las referencias bibliográficas sobre dicha historia y empecé a notar algo raro. No encontraba ningún artículo en alemán y sobre todo, no encontraba ni una sola referencia a la producción a gran escala de Bacillus subtilis por microbiólogos alemanes durante la 2GM. El caso es que finalmente decidí no incluir ninguna mención de la historia de la caca de camello en el artículo porque pensaba buscar algo más sobre el tema. 

Bueno, pues según un reciente artículo publicado en PLOS-One todo el asunto de las cacas de camello, el Afrika Korps y Bacillus subtilis no es más que un mito. Los autores no solo se han dedicado a bucear en las bibliotecas y han comprobado que la "historia" nació en una revisión del año 2001 escrita por Ralph A. Lewin y titulada “More on Merde”. En dicha revisión se cita como fuente original un blog alemán ya desaparecido, pero que los autores han conseguido recatar gracias a la Wayback Machine. 

Pero los autores no se han quedado ahí. Como buenos científicos han intentado ver si la historia podía ser pausible. Así que se pusieron a ver el contenido de Bacillus subtilis en heces de dos dromedarios para ver si podrían tener un efecto terapéutico. ¿Qué han encontrado? Pues haciendo análisis con el 16S rRNA lo detectaban a niveles muy bajos (ver figura). Y cuando realizaban cultivos de esporas entonces sí que lo encontraban, pero a unos niveles bajísimos. En resumen, Bacillus subtilis no está en forma vegetativa en las heces de camello, tan solo en esporas y en muy bajo nivel.

Análisis de la microbiota de las heces de dos dromedarios para comprobar la presencia de la familia Bacillaceae. En el primero la abundancia relativa de dicha familia es de 0,08 y en el segundo de 0,16. Fuente: Koopman et al. 2022.

Así que los nazis serían unos comemierdas, pero no de camello.

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

Altruismo microbiano

Chlorochromatium aggregatum. Las bacterias autótrofas epibiontes rodean a una betaproteobacteria móvil. Lo único que se ve de ella es el flagelo a la derecha (Fuente: Small Things Considered)

Un consorcio microbiano es una comunidad formada por un pequeño número de especies de microorganismos, generalmente dos. Su relativa simplicidad es una ventaja para su estudio experimental en el campo de la ecología microbiana. Hay varios ejemplos de consorcios microbianos, el más famoso es el que está representado en la fotografía de arriba y que se denomina Chlorochromatium aggregatum (ahora C. chlorochromatii). Está formado por unas bacterias vede del azufre fotoautótrofas (el epibionte) que rodean a una betaproteobacteria flagelada quimiorganotrofa.

En un reciente artículo de Nature Microbiology describen el estudio metagenómico de un consorcio microbiano que degrada la celulosa en condiciones aeróbicas y que está presente durante el compostaje de residuos agrícolas. Lo que han encontrado es que la dinámica de la comunidad es consistente con el desarrollo de una sucesión de microorganismos heterótrofos. Es decir, primero aparecen una serie de microorganismos degradadores que van a descomponer los polímeros biológicos en moléculas más simples, a continuación otros microorganismos degradadores y finalmente tendremos a los productores de ácidos húmicos.

Las diferentes etapas del compostaje. En la primera parte (1 a 2 semanas) intervienen los mesófilos. Posteriormente microorganismos termófilos que completan la degradación de la materia orgánica. Finalmente tenemos la etapa de maduración con la formación de los ácidos húmicos.

Lo que han encontrado estos investigadores es que al principio se establece una población pionera a la que han denominado "Candidatus Reconcilibacillus cellulovorans" y que posee un "cluster" genético que codifica para diversas hidrolasas glicosídicas, las enzimas responsables de las primeras etapas de degradación de la celulosa. Eso indica que no hay un solo tipo de hidrolasas sino varios, por lo que hay varias reacciones degradadoras de la celulosa que pueden llevarse a cabo gracias a esa población pionera. Eso es una ventaja si consideramos que el material de partida que se debe compostar suele tener un origen diverso. Pero además, dichas enzimas se organizan en grandes complejos macromoleculares muy estables que permanecen durante todo el proceso de compostaje aunque la población microbiana que los ha sintetizado ya no esté presente. Es decir, esos complejos multidominio poseen diversas capacidades celulolíticas y son una especie de “bien común” que va a beneficiar a toda la comunidad microbiana responsable del proceso de compostaje. Una lección de altruismo a pequeña escala.

Arriba (a). Abundancia relativa de las poblaciones microbianas dominantes al final de las dos semanas de compostaje. Muestras de DNA fueron recogidas a diferentes tiempos para la secuenciación metagenómica. Centro (b) Actividades de la Carboximeti-celulasa (rojo) y de la xilanasa (verde) a lo largo de los días que duró el experimento. Abajo (c) Abundancia relativa diaria de una de las poblaciones de Paenibacillaceae (rojo) comparado el resto del consorcio microbiano creciendo sobre celulosa. Nótese que las actividades enzimáticas permanecen aunque la población productora está muy disminuida. Fuente: Kolinko et al. (2017)

Tomando forma

Manos dibujándose de MC Escher (origen)

En la entrada "De la forma" comentamos la importancia evolutiva que tiene la forma de las bacterias y que la morfología bacteriana era mucho más diversa de lo que en un principio se pensaba.

Pero, ¿cómo se forma una bacteria? La verdad es que sabemos más bien poco ya que lo que se conoce se basa en el estudio de unas cuantas bacterias: los cocos Streptococcus pneumoniae y Staphylococcus aureus; los bacilos Escherichia coli y Bacillus subtilis; las curvas y espirales formadas por Helicobacter pylori, Caulobacter crecentus o Borrelia burgdorferi. Del resto de morfologías no se conoce mucho. Así que quizás habría que replantearse la pregunta y elaborar alguna más simple que sí podamos contestar. Por ejemplo:

En el aspecto de la morfogénesis ¿qué tienen en común todas las bacterias?

• Todas tienen paredes de peptidoglicano (salvo los micoplasmas y los termoplasmas) y la forma viene dada por cómo está construida dicha macromolécula a nivel molecular. Así que no es de extrañar que el equipamiento bioquímico responsable de la síntesis de esa pared se haya conservado entre los diversos phyla bacterianos. A nivel molecular, ese equipamiento enzimático se coloca en una determinada “zona” de la bacteria y es allí donde ejerce su función. Es lo que podría denominarse una "síntesis zonal"



• La maquinaria de síntesis de la pared debe de asegurar que se mantenga la forma y que se incremente el tamaño de la bacteria gracias a la elongación, pero también debe permitir la reproducción celular mediante la septación. Basta cambiar mínimamente la orientación de la síntesis de peptidoglicano para pasar de elongar a septar. Lo que sí es necesario es que ambos procesos deben de estar coordinados tanto en el espacio como en el tiempo para asegurar la supervivencia de la bacteria.

Maquinaria de síntesis de peptidoglicano en la bacteria Escherichia coli. La elongación la lleva a cabo el elongasoma y la división el divisioma. En ambos casos se necesita un armazón citoplasmático que va a dirigir la localización de la síntesis del peptidoglicano (color naranja) y que reclutaran los diversos componentes como los elementos de membrana que incluyen proteínas reguladoras y sintetizadoras de elementos precursores (color azul) y proteínas sintetizadoras y modificadoras del peptidoglicano (color rojo). De todas estas proteínas, las más conservadas en todos los grupos bacterianos son FtsZ (naranja) y FtsK (azul-4). Origen de la imagen: Amelia M. Randich e Yves V. Brun 2015

Podríamos decir que esas son las "reglas básicas" que toda bacteria tiene que seguir. Quizás, cada grupo bacteriano tenga además algunas reglas específicas que expliquen las diferencias morfológicas. O quizás, uno podría esperar que si dos bacterias tienen una forma bacilar será porque ambas siguen el mismo juego de reglas. El mejor ejemplo es Escherichia coli (Gram negativa) y Bacillus subtilis (Gram positiva). Ambas realizan la elongación gracias a que sus equipos enzimáticos se colocan en unas zonas que siguen una pauta espiral y así sintetizan el nuevo peptidoglicano siguiendo dicha pauta.

Incorporación del peptidoglicano en diferentes bacterias morfológicamente distintas. En A se representa la elongación, en B la división. Tanto en Escherichia coli como en Bacillus subtilis, las zonas de elongación se disponen a lo largo de una espiral. Cuando las células se van a dividir la síntesis zonal se localiza solamente en el centro de la bacteria. En el caso de Streptococcus pneumoniae, la elongación se produce al insertar nuevo material en el llamado anillo ecuatorial. Según se va insertando el nuevo material los anillos resultantes se separana señalando el futuro lugar de septación. En el caso de Staphylococcus aureus no parece haber elongación, tan sólo síntesis de peptidoglicano septal. Origen de la imagen Dirk-Jan Scheffers1 y Mariana G. Pinho. 2005.

El dato de que dos bacterias tan alejadas filogenéticamente entre sí, han resuelto el mismo problema de la misma manera puede apuntar a que dicha "solución" apareció hace mucho tiempo. Pero cuando se observa con detalle lo que ocurre en otros grupos taxonómicos (ver el árbol filogenético de la 1ª parte), lo que a primera vista parece una conservación evolutiva es más bien una convergencia evolutiva. Entre una y otra especie nos encontramos con una miríada de morfologías. Observar una convergencia evolutiva nos indica otra cosa distinta: si se reposiciona la maquinaria de síntesis zonal se pueden generar un gran diversidad de formas bacterianas todas ellas derivadas de la morfología bacilar. Por ejemplo, si la síntesis zonal se restringe a uno sólo de los polos podemos obtener una prosteca como la de Caulobacter crescentus. En cambio, si la síntesis zonal se distribuye a lo largo de la longitud de un filamento se pueden conseguir las ramificaciones que se observan en las Actinobacterias. Bastaría con usar las reglas básicas de diferente forma para obtener las diversas morfologías bacterianas.

Síntesis zonal del peptidoglicano y morfología bacteriana. En las Alfaproteobacterias prostecadas basta reposicionar la maquinaria de síntesis del peptidoglicano (en verde) para que aparezcan diferentes fenotipos. A: Caulobacter crescentus prosteca polar. B: Asticcacaulis excentricus, prosteca subpolar. C: Asticcacaulis biprosthecum prostecas bipolares. En D tenemos el fenotipo ramificado de la actinobacteria Streptomyces coelicolor. Origen de la imagen: David T. Kysela et al. 2016.

Combinando tecnologías genómicas de una sola célula (single-cell genomics) con las tecnologías de microscopía de alta resolución, el grupo de Yves Brunn ha conseguido estudiar la evolución de la prosteca entre las especies pertenecientes a los Caulobacterales. Observando el árbol filogenético que se muestra más abajo, puede verse que primero apareció la prosteca polar (presente en Caulobacter crescentus). En algunas especies esa prosteca se ha convertido en una zona especializada en la reproducción por gemación (Hirschia baltica) pero en otras lo que ha pasado es que se ha perdido y la bacteria ha vuelto a una morfología bacilar (C. segnis). En otras especies, la síntesis zonal se reposicionó de manera supolar (Asticcacaulis excentricus) y a partir de este grupo volvió a reposicionarse a bilateral aumentando su número (A. biprosthecum). Al examinar con más detalle dicha transición, lo que se encontraron es que hay una proteína, denominada SpmX, que es la responsable de coordinar la síntesis del peptidoglicano en la prosteca. Dicha proteína tiene una región que es diferente en cada una de esas especies y que determina la localización de la síntesis zonal

Arbol filogenético de los Caulobacterales y morfología celular. 1. prosteca bilateral, Asticcacaulis biprosthecum (Chao Jiang, Stanford University). 2. prosteca subpolar, Asticcacaulis excentricus (Chao Jiang, Stanford University). 3. prosteca polar, Caulobacter crescentus (Paul Caccamo, Indiana University). 4. prosteca polar, Maricaulis maris (Patrick Viollier, University of Geneva). 5. prosteca polar pequeña, Brevundimonas subvibriodes (Brynn Heckel, Indiana University). 6. Prosteca polar para reproducción por gemación, Hirschia baltica. Origen de la imagen: David T. Kysela et al. 2016.

¿Podría explicarse la gran diversidad de morfologías bacterianas en base a la síntesis zonal de peptidoglicano? Pues es muy probable que la combinación de métodos genómicos con las nuevas tecnologías microscópicas den lugar a nuevas aproximaciones experimentales que permitan dar respuesta a esa pregunta y estudiar porqué las bacteria son como son e incluso abordar el problema de relacionar la morfogénesis bacteriana y las fuerzas de selección que actúan sobre ella. Puede afirmarse que este campo de investigación va tomando forma

Esta entrada y su primera parte han sido traducidas y publicadas en el blog Small Things Considered

De la forma

¿Quién dijo que las formas de las bacterias eran simples? (origen de la imagen)

Si hay algo que llama la atención del estudio de los eucariotas es la enorme diversidad de morfologías que uno puede encontrar: desde las secuoyas más grandes hasta el radiolario más pequeño. Los procariotas en cambio parecen bastante más simples y aburridos. Si uno abre la página 109 de la 7ª edición del “Microbiología Médica” de Murray, Roshental y Phaller se va a encontrar con que hay solo cuatro morfologías celulares: cocos, bacilos, bacilos curvos y espiroquetas. Pero en realidad, eso es debido a que tradicionalmente, la bacteriología ha sido una disciplina médica y esas son las típicas morfologías de las bacterias patógenas. Otra cosa que ayudó a establecer la idea de que las bacterias son o bien bacilos, o bien cocos, es que los microorganismos modelo de la Biología Molecular son los bacilos Escherichia coli, Bacillus subtilis y el coco Streptococcus pneumoniae. Sin embargo, cuando uno empieza a observar a las bacterias que hay en el medio ambiente lo que se encuentra es que la diversidad de tamaños y formas no tiene nada que envidiar a la de otros seres vivos.

Esto es precisamente lo que describen en el artículo “Diversity Takes Shape: Understanding the Mechanistic and Adaptive Basis of Bacterial Morphology” de David T. Kysela , Amelia M. Randich , Paul D. Caccamo e Yves V. Brun. En el artículo no sólo realizan un pequeño catálogo de las diversas formas bacterianas que uno puede observar, también discuten la importancia que tiene esa morfología desde el punto de vista evolutivo. Recordemos que en biología uno de los paradigmas más importantes es el binomio estructura-función, y si un ser vivo tiene una determinada morfología suele ser porque esa morfología le ha ayudado a sobrevivir mejor en el habitat que ocupa. La forma de las bacterias ha sido moldeada por la selección natural, así que entender cómo pudo haber surgido esa diversidad nos puede dar muchas ideas sobre cómo funcionan las bacterias

Lo cierto es que la morfología bacteriana sí que se usó inicialmente como un carácter taxonómico importante. Todas las bacterias que tenían forma espiral, o que presentaban prostecas, o que eran bacilos helicoidales fototróficos, o cocos que se agrupaban en racimos, o..., acababan formando un taxón de mayor o menor categoría. Sin embargo, cuando llegó la filogenia molecular, muchos de aquellos taxones tuvieron que ser “reestructurados”. En el artículo ponen el ejemplo de las betaproteobacterias Rhodocyclus tenuis y Rubrivivax gelatinosus que antes estaban incluidas dentro del género Rhodospirillum incluido en la clase Alfaproteobacteria. Hablando en términos zoológicos, es como si hubieran descubierto que dos arañas estaban erróneamente clasificadas como insectos.

En la esquina superior izquierda una microfotografía de Rhodocyclus tenuis (barra 5 micras). A la derecha una microfotografía de Rhodospirillum rubrum a la misma escala. La distancia filogenética entre ambas bacterias es la misma que hay entre una araña y una hormiga, pero antes se las clasificaba dentro del mismo género debido, entre otros caracteres, a su morfología tan parecida. (Orígenes de las imágenes. R. tenuis, R. rubrum, araña, hormiga)

Al combinar los datos metagenómicos y los morfológicos se puede construir un árbol filogenético que nos de algo de información de cómo ha ido evolucionando la forma de las bacterias en los distintos phyla (ver el árbol filogenético de la figura inferior). Hay morfologías como las helicoidales (señaladas en verde) o las filamentosas (rojo) que aparecen repartidas por todo el árbol. Eso indica que ese tipo de forma ha aparecido de manera independiente y repetida en la evolución. En ese caso, si dos linajes diferentes llegan a tener la misma morfología ¿está generada dicha forma por una estrategia molecular convergente? ¿o es porque tienen estilos de vida similares?

Árbol filogenético del dominio Bacteria y morfología de diferentes bacterias. Se han representado 26 tipos de morfología (ver tabla de especies). Las abreviaturas indican los taxones principales. Los colores muestran las morfologías de un determinado tipo.  Ver las tablas inferiores para más información. Las diferentes bacterias no están a escala. Clickear encima para ver en mayor detalle. Origen de la imagen Kysela et al.  

Otras veces lo que se ve es que una determinada morfología está agrupada en una región del árbol, por ejemplo las ramificaciones de las actinobacterias (púrpura) o los apéndices de las caulobacterias (azul). En ese caso lo que ha ocurrido es que la morfología ha sido heredada de un ancestro común a todo ese agrupamiento. Las preguntas entonces son algo distintas ¿la persistencia de dicha forma es debida a una presión de selección? Si no todos los miembros de ese grupo son iguales ¿cómo y por qué pueden surgir variaciones morfológicas?

Lo cierto es que no está muy claro el porqué algunas bacterias tienen una determinada morfología y no otra. En líneas generales, los caracteres morfológicos pueden ser atribuidos a la adaptación a fuerzas selectivas tan diferentes como la adquisición de nutrientes, la adhesión a una superficie, la dispersión, la evasión frente a depredadores o la colonización de un hospedador. Si nos fijamos en las morfologías que aparecen en el árbol filogenético algunas son fáciles de asociar a una determinada característica. Por ejemplo, las formas helicoidales son óptimas para nadar en líquidos viscosos; los filamentos grandes suelen funcionar como una adaptación para evitar ser engullidos por protozoos; la ramificación en una bacteria acuática modifica su flotabilidad lo que le permite controlar la profundidad y así situarse en la zona de la columna de agua donde haya nutrientes. Algunas morfologías incluso sirven para cumplir más de una función. Herpetosiphon es una bacteria que forma largos filamentos que se entrecruzan entre si. Eso evita que pueda ser devorada por cualquier protozoo, pero a su vez le permite crear una red en cuyos “huecos” secreta enzimas hidrolíticas que lisan a otras bacterias de las que se alimenta.

Género Herpetosiphon. (a) crecimiento en medio sólido (b) crecimiento en medio líquido. Origen de la imagen

Y si la forma es tan importante en las bacterias ¿cómo consiguen hacerla? Eso lo veremos en una próxima entrada.

Esta entrada y su segunda parte han sido traducidas y publicadas en el blog Small Things Considered

Olimpiadas Microbianas 2016

La revista Nature Microbiology acaba de publicar un artículo con los nuevos campeones olímpicos del mundo microbiano (si te interesa saber el palmarés del 2014 lo tienes aquí). Pasamos a exponer el medallero con los microbios citius, altius, fortius.

Maratón
En esta prueba se ha comprobado cual es el microorganismo con mayor capacidad de dispersión. El oro ha sido para el género Polaromonas desbancando a rivales de categoría como el virus Zika (bronce) o los firmicutes termófilos marinos (plata). Las Polaromonas han aprovechado las corrientes aéreas para estar presentes en todas los rincones del planeta.

Polaromonas

Piragüismo
El campeón en la modalidad eslalon fue Vibrio alginolyticus. Esta pequeña bacteria con forma de plátano es capaz de realizar giros bruscos de 90º gracias a que su único flagelo posee una propiedad muy peculiar. Tiene una inestabilidad estructural en la zona de inserción y eso le permite pandear y cambiar de dirección.

Ciclismo Biogeoquímico
En esta categoría se evalúa la capacidad de un equipo para aprovechar los estados de óxido-reducción de un determinado elemento y fue la más polémica de todos los juegos debido a las numerosas descalificaciones por dopaje ya que los equipos utilizaban una combinación de elementos químicos y no uno solo. Eso es lo que les pasó a los equipos carbono, hierro y nitrógeno. El único que no fue descalificado y por lo tanto quedó como campeón en solitario, fue el equipo del azufre compuesto por la bacteria reductora de sulfato Desulfosarcina variabilis capaz de producir sulfuros que eran aprovechados por el quimiolitotrofo Beggiatoa sp. que los volvía a oxidar a sulfatos.

El equipo Desulfosarcina /Beggiatoa en acción

Natación sincronizada
De nuevo los Vibrios mostraron que son las bacterias acuáticas por excelencia. En este caso Vibrio parahaemolyticus mostró su maestría y gracilidad en la competición de extenderse rápidamente y por sus propios medios en la superficie de una placa de agar semisólido. Bacillus subitlis y Proteus mirabilis ganaron la plata y el bronce respectivamente.

Esgrima
Los maestros en los sistemas de secreción de tipo VI (T6SS) se toman muy en serio la competición ya que literalmente les va la vida en ello. Los contendientes no sólo deben de ser expertos en el manejo de dichos sistemas, sino también en tener unas buenas defensas para evitar al sistema del contrario. En la figura podemos ver dos de los duelos. En el primero Acinetobacter baylyi (en rojo) consigue imponerse a Vibrio cholerae (en verde). Ambos contendientes muestran una técnica muy similar lanzando sus ataques del T6SS a diestro y siniestro, intentando golpear al adversario el mayor número posible de veces. En la siguiente ronda sin embargo Acinetobacter baylyi fue derrotada por Pseudomonas aeuroginosa que utilizó una táctica muy diferente. Sus ataques eran pocos pero muy precisos y destructivos ya que superaban con facilidad las defensas de su oponente

Equitación
La competición para medir la habilidad de un microorganismo simbionte para controlar el comportamiento de su hospedador estuvo muy reñida. Se confiaba en la capacidad del hongo zombificador brasileño Ophiocordyceps ya que jugaba en casa, pero fue sobrepasado por Wolbachia que consiguió transformar un crustáceo macho en hembra tras inhibir la funcionalidad de sus glándulas endocrinas.

Determinación sexual en el isópodo Armadillidium vulgare y efecto de la simbiosis con Wolbachia. Cordaux et al.

Triatlón
¿Cuál es la bacteria con mayor movilidad frente a un estímulo aeróbico? ¿Y la que tiene un ciclo de Krebs más eficiente? ¿Y la que mejor nada sobre agar sólido? En este caso la competición estuvo muy reñida entre Bacillus subtilis y Escherichia coli. Empataron en la carrera para pasar de un ambiente anóxico a uno aeróbico. E. coli superó por muy poco a B. subtilis en la eficiencia del ciclo de Krebs al poder usar el acetato. Pero la Gram positiva se impuso decisivamente al poder extenderse sobre la superficie de agar mientras E. coli se quedaba inmovilizada en un punto formando una colonia.

Salto de longitud
El premio quedó desierto debido a que todos los participantes dieron positivo en el test para la Transferencia Horizontal de Genes

¡Eso es todo amigos!

Cine y Bichos: Marte (The Martian)

Origen del póster: Wikipedia

AVISO SPOILERS: Voy a contar partes del argumento

Cuando supe de esta producción lo primero que pensé es que iba a ser una especie de "Naufrago" (más bien es un Robinson Crusoe) pero situada en Marte. Tras su estreno, poco a poco en las redes sociales se comenzaron a acumular los comentarios positivos y laudatorios, sobre todo en los aspectos científicos de la historia. A estas alturas creo que casi todo el mundo sabe que es una adaptación de una novela escrita en el 2011 por Andy Weir y que fue publicada en internet. Weir intentó que su relato fuera lo más creíble posible desde el punto de vista científico. Afortunadamente Ridley Scott ha mantenido dicha pretensión en la adaptación a la pantalla y no ha hecho una "Prometheus" con tripulación de científicos-del-todo-a-100 explorando el primer rastro de vida alienígena encontrado por la humanidad.

Al final de la entrada encontrarás unas pocas de las numerosas páginas webs que han diseccionado la ciencia de esta obra. En general los comentarios son muy positivos, así que hay que reconocer a la NASA su estupenda campaña de relaciones públicas que parece continuar por buen camino después de "Interstellar". La mayor parte de las críticas se centran en la imposibilidad de que exista una tormenta como la que se muestra en el film debido a la tenue atmósfera marciana. La otra gran crítica es el problema de la falta de protección frente a la radiación. Y finalmente nos queda el tema de la hidracina y el agua. Ahora sabemos que en el subsuelo marciano es probable que haya agua, así que habría sido más fácil para Matt Damon calentar un terruño marciano que descomponer hidracina, pero cuando Weir escribió su novela se pensaba que Marte era un lugar muy seco.

De todas formas no vamos a dejar el tema de la hidracina, porque tiene que ver bastante con la Microbiología. La hidracina es un compuesto que se usa como combustible de cohetes, pero tiene un pequeño inconveniente: es super-tóxica. De hecho hubiera sido recomendable que Matt Damon tuviera puesta la escafandra y los guantes para manejarla. La hidracina es líquida, pero en la película se representa como una especie de cristalitos (¿quizás es algún tipo de material adsorbente al estilo de lo que es la dinamita a la nitroglicerina?). El caso es que la hace reaccionar para conseguir hidrógeno gaseoso que luego hacer reaccionar con el oxígeno y así obtener agua para poder crecer las patatas. Un poco rebuscado pero válido.

Carga de hidracina para la sonda espacial Messenger. . El operario lleva un traje de alta seguridad química (fuente de la imagen: Wikipedia)

Pues bien, un compuesto tan tóxico como la hidracina puede ser sintetizado por un tipo de microorganismos. Son los conocidos como "anammoxidadores" porque son capaces de realizar la oxidación anaeróbica del amonio. Básicamente llevan a cabo la siguiente reacción:

NH₄⁺ + NO₂^- → N₂ + 2 H₂O + Energía

Puede parecer muy simple pero cuando algún microbiólogo ambiental proponía que en la Naturaleza debía haber algún tipo de microorganismo que realizara la oxidacióna anaeróbica del amonio lo mínimo que le podía pasar es que se rieran en su cara. Sin embargo en 1990 el laboratorio holandés de Gijs Kuenen presentó datos concluyentes de que dicha reacción existía y en 1999 se pudo aislar al primer microorganismo capaz de realizarla: la bacteria Brocadia anammoxidans. Pero las sorpresas no habían hecho nada más que empezar. Cuando B. anammoxidans fue observada al microscopio los investigadores se encontraron con una morfología totalmente inusual ya que la bacteria contenía un orgánulo membranoso en su interior. Al analizarlo encontraron que la membrana era una bicapa lipídica, pero el lípido era un laderano (el término ladder significa "escalón" en inglés). Al analizar su bioquímica descubrieron que la reacción anammox se producía precisamente en el interior de dicho orgánulo, por eso se le denomina anammoxosoma. Pero la traca final fue encontrar que uno de los intermediarios de la reacción era la hidracina. Como suele pasar esa última pieza resolvió todo el puzzle. Como hemos dicho antes la hidracina es muy tóxica, así que si se produce hay que tenerla muy controlada. La bicapa de laderano es una bicapa casi totalmente impermeable, así que la hidracina nunca sale de su interior. Es en la membrana de dicha donde se sitúan las enzimas que realizan la reacción anammox. Estas enzimas forman un complejo multimérico y recientemente se ha determinado su estructura tridimensional. Así que quizás en un futuro y con ayuda de la ingeniería genética quizás tengamos hidrazina 100% de origen biológico.

Estructura interna de Brocadia anammoxidans. El nucleoide es la masa oscura y el anammoxosoma es la zona central de la célula. Fuente: The anammox online resource

Estructura y función del anammoxosoma. La membrana de esta vesícula es una bicapa lipídica compuesta por laderano (molécula representada arriba a la derecha). Embebidas en dicha membrana se encuentran las enzimas responsables del proceso. La hidracina (N₂H₄) es un intermediario que se acumula en el interior de anammoxosoma. Fuente: Nature  

Pero el papel estelar de los microorganismos en esta película es en el de ser los responsables de que crezcan patatas sanas y hermosas. Matt Damon pone en práctica lo que dijo el microbiólogo Marcus Beijerinck - Todo está en todas partes - ampliado por su colega Lourens Baas Becking - "pero el medioambiente selecciona"- . En principio la materia fecal humana debe de contener micoorganismos capaces de interaccionar con las plantas y colonizar su rizosfera. Además, en 2014 apareció un artículo en el PLoS en el que se simulaba lo que sería plantar diversas plantas en suelo marciano. Se determinó que dichas plantas podrían crecer al menos durante 50 días antes de tener que añadir algún tipo de nutriente. Así que en principio, la idea de usar los excrementos como abono no es en absoluto descabellada, aunque hubiera sido mejor que realizara un pequeño compostaje de esos desechos. Donde sí que tengo que expresar mi crítica es en algo que va a suceder más adelante. En un momento dado hay una brecha en la estructura del invernadero y sufre una descompresión y congelación brusca. En la película se nos dice que eso significa que se ha quedado sin suministro de patatas, no porque no pueda reponer las plantas, sino porque se han congelado los microorganismos del suelo y eso ha provocado su muerte.

Típico congelador de -80ºC para el almacenamiento de cepas microbianas (Fuente: Thermo Scientific)

¿En serio? ¿Microorganismos muertos por congelación brusca? Pues no sé que demonios hacemos en nuestros laboratorios guardando todas nuestras cepas de microorganismos en congeladores de -80ºC. Adicionalmente, va incluso en contra de lo que hemos visto antes en la película. Recordemos que Matt Damon recoge los excrementos deshidratados de bolsas selladas que están almacenadas en el exterior de la base marciana. En este punto creo que los guionistas no han estado muy finos.

De todas formas, creo que es una gran y entretenida película con un buen trasfondo científico.

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Esta entrada participa en el LI carnaval de la Química que se aloja en el blog Scientia y que está dedicada a “La química en la pequeña y gran pantalla”.

Cine y bichos: Interstellar

Origen de la imagen: Wikipedia

AVISO, ESTA ENTRADA PUEDE CONTENER SPOILERS

Confieso que fui a ver "Interstellar" con algo de precaución. Casi todo el mundo que la había visto decía que era una maravilla. En el argumento había participado el físico Kip Thorne (además de ser productor ejecutivo). Por si fuera poco el divulgador Neil deGrasse Tyson calificó con un 8,9 la credibilidad científica de la película. Con todos esos avales lo más fácil es generar falsas esperanzas y confié que no ocurriese lo que suele pasar en estas situaciones: que te esperas mucho y luego acabas defraudado.

En cierta forma pasó eso, pero no precisamente por lo que yo creía. La película es espectacular y los efectos especiales son muy originales. La trama no esta mal aunque me pareció algo larga (le sobra una hora). La doy un notable. La decepción tuvo que ver con otra cosa. En cuanto a la credibilidad científica, pues... la Física Relativista puede ser buena, pero la Biología y la Química no.

No voy a entrar en aspectos tales como que para salir de la Tierra necesiten un cohete de tres etapas y luego aparezcan con una pequeña nave capaz de salir de un planeta con una gravedad mayor, y que además sea capaz de aguantar una ola gigantesca. Ni tampoco me voy a meter en que tipo de comida liofilizada, ni que sistemas de reciclaje de nutrientes llevan en esas naves para que pueda sobrevivir un astronauta durante unos 20 años. O cómo en un mundo postapocalíptico con escasez de recursos, todavía existe la NASA con un pedazo megaproyecto que ríase usted del proyecto Apolo (*). No, con lo que me voy a atrever es con el motivo por el cual los seres humanos se ven obligados a realizar un viaje interestelar a través de un agujero de gusano: la plaga que está acabando con todas las cosechas de la Tierra.

- Oye Chris
- ¿Qué, John?
- Cómo justificamos un proyecto de viaje espacial en un mundo postapocalíptico en el que hay escasez de recursos
- Fácil, el calentamiento global producido por la guerra global acaba con todas las cosechas.
- ¡Buff! Demasiado trillado. Tiene que ser algo más original
- Un asteroide
- ¿Estás de broma?
- Una pandemia mortal
- ¡Venga ya!
- ¡Ya lo tengo! una plaga que acabe con todas las plantas comestibles
- ¿Con todas? ¿No es un poco exagerado?
- Bueno, podemos dejar un par que aguanten un poco. Por ejemplo, el maíz. Era la base de la alimentación de los pioneros americanos. Y también algo exótico y africano como la okra. Pero luego también se verán afectadas
- Pero no hay ninguna plaga capaz de hacer eso.
- Pues nos la inventamos. La llamaremos "The Blight", como aquella que afectaba a las patatas en Irlanda.
- Sí vale, pero ¿a todas?
- A ver, ¿qué necesitan todas las plantas para crecer, además de agua, suelo y sol?
- Déjame pensar... ¿Fertilizante?
- ¿Y qué llevan los fertilizantes?
- ¿Nitrógeno?
- Muy bien.
- Pero el nitrógeno es muy abundante. Es el 78% por ciento de la atmósfera.
- Pues hacemos que "The Blight" pueda ser capaz de respirar nitrógeno y ¡ahí lo tienes!
- ¡Genial!


O bien los asesores científicos contratados por los hermanos Nolan no se leyeron esa parte del guión o yo no entiendo como les dejaron meter esa morcilla. Veamos, el nitrógeno de la atmósfera es un gas diatómico (N₂). Los dos átomos de nitrógeno están unidos por un triple enlace (N≡N) extremadamente fuerte. Eso es precisamente lo que hace que el nitrógeno gaseoso sea un gas inerte (termino que significa incapaz de reaccionar). Pero esto se supone que es Ciencia-Ficción así que, como "respirar" significa que los seres vivos combinan el oxígeno de la atmósfera (O₂) con las moléculas orgánicas para producir CO₂ y H₂O, a lo mejor los hermanos Nolan simplemente quieren decir que ha aparecido un tipo de ser vivo capaz de hacer reaccionar el N₂ con el O₂.

¿Puede ser posible eso? El nitrógeno molecular reacciona, pero cuesta un montón de energía romper ese triple enlace. En la Naturaleza sucede gracias a los rayos o a los seres vivos, más concretamente, gracias a los microorganismos fijadores del nitrógeno. Todos esos microorganismos son procariotas y gastan unos 24 ATPs en fijar una simple molécula de nitrógeno y transformarla en dos moléculas de amonio. Nosotros aprendimos a hacerlo de manera artificial en 1895 gracias a Adolph Frank y Nikodem Caro. El proceso lo mejoró Fritz Haber y Carl Bosch en 1902. A partir de ese momento, se pudieron fabricar fertilizantes basados en formas de nitrógeno bioasimilables (amonios, nitritos y nitratos).

Generalmente, en el último año de instituto se suele enseñar el llamado "ciclo del nitrógeno en la Biosfera". Este ciclo se suele repasar y ampliar en diversas asignaturas de carreras de ciencias, como es el caso de las asignaturas de Microbiología. En la siguiente ilustración se detalla el ciclo:

Ciclo biológico del Nitrógeno. Todos los procesos y transformaciones indicadas son mediadas por seres vivos. Fuente: Nature 

En ese ciclo aparecen todos las transformaciones que sufre el nitrógeno gracias a la acción de los seres vivos. Fijémonos en donde está la molécula de N₂ (si el ciclo es un reloj, está a las 4). Todas las demás rutas del ciclo acaban en el N₂ gaseosa y de ahí sólo parte una flecha roja. La molécula de N₂ sólo se transforma en NH₃ (flecha roja) gracias al proceso biológico conocido como fijación del nitrógeno. Es un proceso que se produce en condiciones anaerobias, y en ese proceso la molécula de nitrógeno es reducida a dos moléculas de amoniaco. Químicamente, la reacción se expresa de esta forma:

Una vez que el nitrógeno está en forma de amoniaco (o de amonio) ya se puede usar por los seres vivos, que generalmente lo incorporan en los aminoácidos. De manera muy simplificada podríamos decir que el resto de moléculas que aparecen en ese ciclo podrían ser consideradas como formas bioasimilables, pero el nitrógeno gaseoso no lo es. Fijémonos también en otra cosa. No hay ningún ser vivo que sea capaz de hacer reaccionar el N₂ con el O₂.

¿Y por qué no pueden existir algún ser vivo que "respire" nitrógeno? ¿Es qué acaso no pueden reaccionar el N₂ y el O₂ para formar algún tipo de óxido de nitrógeno? Sí lo pueden hacer, lo malo es que es una reacción endotérmica que necesita unos 1600 ºC para que se produzca. Por eso, ese tipo de compuestos sólo se forman en la atmósfera cuando hay rayos. Pero dudo mucho que exista alguna vez un ser vivo que le de por gastar una cantidad descomunal de energía en una reacción que no le sirve para nada.

Reacciones abióticas que suceden en la atmósfera entre el nitrógeno, el agua y el oxígeno gracias a la energía de los rayos. Fuente: PEOI. Para más detalles Rakov, Vladimir A.; Uman, Martin A. (2007). Lightning: Physics and Effects. Cambridge University Press. Clickear encima para ver con detalle.

En resumen ¿qué demonios significa que la plaga de "Interstellar" sea capaz de respirar nitrógeno? Pues en mi opinión algo similar a decir que un objeto puede viajar a la velocidad de la luz. Así que la película puede que merezca un 8,9 en Física Relativista, pero a mi humilde entender, en Biología y Química saca un suspenso.



(*) Parece ser que la catástrofe dejo intacta a la NASA y a sus científicos, pero eliminó selectivamente a todos los biólogos/químicos/ingenieros agrónomos o cualquier otro ser humano capaz de intentar abordar el problema de crear una variedad de planta resistente a una plaga vegetal. Algo que llevamos haciendo desde que se conoce la agricultura. En viajes espaciales tenemos mucha menos experiencia, y muchísima menos gente especialista en los mismos. Generalmente, un proyecto de investigación en patógenos vegetales puede costar unos cuantos milloncejos de euros. Así que resulta llamativo que en un mundo con tanta escasez de recursos se dediquen la inmensa mayoría de ellos a realizar una serie de viajes espaciales en los que los astronautas pueden hibernar y tienen recursos alimentarios casi infinitos y no sean capaces de intentar desarrollar un vegetal comestible resistente a una plaga.


Esta entrada participa en el XLII Carnaval de Química alojado en el blog Ciencia en el XXI, y en el LVIII Carnaval de la Física alojado en MasScience. En el de Biología no puede participar porque este mes no hay :(



Otros enlaces de interés:

Los aciertos y errores de Interstellar
Luces y sombras de Interstellar

Cine y bichos: Erin Brockovich

Origen de la imagen: Wikipedia

"Erin Brockovich" es una película biográfica dirigida por Steven Soderbergh y estrenada en el año 2000. Julia Roberts interpretó a Erin, una secretaria de un pequeño bufete de abogados que se convirtió en un moderno "David" al conseguir iniciar y ganar un litigio medioambiental contra un "Goliath" empresarial, la Pacific Gas and Electric Company. Lo que encontró Erin es que esta compañía había contaminado los acuiferos de la pequeña localidad de Hinkley con cromo hexavalente, causando la aparición de diversas enfermedades y males en los habitantes de dicha localidad. En 1996 la compañía fue condenada a pagar 333 millones de dólares en daños, aunque diez años después tuvo que desembolsar otros 295 millones para cubrir otras demandas relacionadas con el evento de contaminación. Hoy en día, la pluma de contaminación sigue migrando y contaminando el subsuelo de Hinkely.

La historia comenzó en 1952. La compañía Pacific Gas & Electric había dispuesto una estación de compresores para el suministro del gas a las localidades de la zona. Los compresores deben de ser refrigerados utilizando unas torres de refrigeración con agua. Para evitar la corrosión se añadía cromo hexavalente al agua (seguramente en forma de dicromato sódico). Este agua era almacenada en unas "balsas" que no habían sido selladas correctamente, con lo que el agua contaminada pudo percolar en el subsuelo y contaminar los acuíferos. Se alcanzaron niveles de 0,58 ppm de cromo hexavalente, cuando el nivel máximo permitido para el cromo, en cualquiera de sus formas y estados de oxidación, es de 0,1 ppm.

¿Y por qué se utiliza cromo hexavalente para evitar la corrosión? Para ello necesito describir la corrosión del metal, un proceso complejo en el que están involucradas la Física, la Química y la Biología. Las protagonistas de este último aspecto son dos tipos de bacterias: las Bacterias Oxidadoras del Hierro y las Bacterias Reductoras del Sulfato, también conocidas como SRB por Sulfate-Reducing Bacteria. Las primeras son aerobias y las segundas son anaerobias.

Imaginémonos una tubería llena de agua. El metal va a reaccionar con ella de manera electroquímica. La superficie metálica será el ánodo y el agua el cátodo. En la superficie metálica lo que ocurre es la oxidación del hierro metálico a ion ferroso. En caso de haber oxígeno disuelto los dos electrones que se producen reaccionan con el agua y el oxígeno formando iones hidroxilo.


Reacción 1

Fe⁰ → Fe²⁺ + 2 e^-

1/2 O₂ + H₂O + 2 e^- → 2(OH^-)

Pero si no hay oxigeno (condiciones anaeróbicas), ocurre algo distinto. El ánodo sigue siendo la superficie metálica, pero los electrones ahora reaccionan con los hidrogeniones presentes en el agua lo que da lugar a la formación de hidrógeno.


Reacción 2

Fe⁰ → Fe²⁺ + 2 e^-

2 H⁺ + 2 e^- → 2 H₂

En realidad estas dos reacciones se dan de manera simultánea, así que el balance final es una suma de las dos como se muestra a continuación:


Reacción 3

Fe⁰ → Fe²⁺ + 2 e^-

Fe²⁺ + 2 H₂O → Fe(OH)₂ + H₂

Imaginemos que en el agua hay alguna bacteria perteneciente a las SRB, lo cual no es raro porque son unos microbios ubicuos. Este tipo de bacterias pueden "pegarse" a la superficie metálica y forman un biofilm. Cuando se pegan, lo que hacen es favorecer la formación de una "celdilla anaeróbica" en la superficie del metal. Con ello consiguen que la reacción 2 que forma hidrógeno se vea favorecida. Estas bacterias pueden utilizar el hidrógeno como donador de electrones para así obtener energía metabólica. Con lo cual van eliminando el producto de dicha reacción y eso "estimula" que la reacción 2 se acelere. Pero, si utilizan el hidrógeno como donador de electrones ¿qué usan como aceptor? Pues utilizan lo que su propio nombre indica: el sulfato, un anión muy abundante en el agua. Este sulfato es , reducido a ácido sulfhídrico. Así que ahora tenemos un ácido que lo que hace es reaccionar con el metal produciendo sulfuro de hierro y más hidrógeno, hidrógeno que será aprovechado por la bacteria para reducir más sulfato a sulfhídrico que raccionará con el hierro, que a su vez, etc. Las reacciones son las siguiente:


Reacción 4

4 H₂ + SO₄^2- → H₂S + 2 OH^- + 2 H₂O

Reacción 5

H₂S + Fe²⁺ → FeS + H₂

Si juntamos la reacción 3, la 4 y la 5, lo que tenemos es la reacción global.

Reacción global

Fe²⁺ + SO₄^2- + 2 H₂ → FeS↓ + Fe(OH)₂↓ + 2 OH^-

¿Y las bacterias oxidadoras del hierro? Pues ayudan, y mucho, al proceso. Estas bacterias se pegan al biofilm formado por las SRB. Pero como hemos dicho antes, las bacterias oxidadoras del hierro son aerobias, así que lo que hacen son dos cosas. Primero favorecen la reacción 1 ya que oxidan el ferroso a férrico, y en segundo lugar consumen el oxígeno disuelto en el agua, con lo que crean un microhábitat anaerobio que favorece el crecimiento de las SRB que están justo debajo de ellas. Como consecuencia de todos estos procesos se comienzan a crear cavidades y grietas que van siendo colonizadas por estos microorganismos lo que eventualmente producirá que la estructura metálica se vea comprometida. ¿Y el cromo hexavalente? Pues resulta que es un inhibidor del crecimiento de las SRB. Así que si hay cromo, las SRB no pueden crecer sobre el metal, y si no pueden crecer, este proceso no puede iniciarse, con lo cual evitamos que se produzca la corrosión.

Representación esquemática del proceso de biocorrosión. Las SRB están coloreadas de naranja. Las reacciones que producen en anaerobiosis están encuadradas en amarillo. Las bacterias oxidadoras del hierro son los bacilos rojos y las reacciones están encuadradas en rojo. Para más detalles ver el texto. Imagen basada en la figura 15.2 del libro Environmental Microbiology de Maier, Pepper y Gerba.

Esta entrada participa en el XXIII Carnaval de la Biología, edición Micro-BioCarnaval (aunque fuera de concurso) que en este momento se aloja en el blog MicroBio. También participa en el XLI carnaval de la Física alojado en Factor Ciencia, en el XXIV carnaval de la Química edición Cromo alojado en el Zombi de Schrödinger y en el V carnaval de las Humanidades cuando haya anfitrión.