Si no lo ha hecho: cómo las bacterias trabajan juntas en la proliferación de algas nocivas

El lago Erie es uno de varios lagos del Medio Oeste que se ven afectados por la proliferación de algas nocivas (FAN) en los meses de verano. Si vive cerca de uno, es posible que haya visto la «escoria de estanque» verde flotando en el agua o haya oído hablar de las poderosas toxinas que se liberan en el agua, poniendo en peligro tanto los ecosistemas como la salud pública. En general, las FAN amenazan los valiosos servicios que brindan los ecosistemas de agua dulce, como el acceso al agua potable y de riego, y también pueden matar peces y otros animales.

Muchas floraciones graves son causadas por un grupo de procariotas llamados cianobacterias, anteriormente conocidas como «algas verdiazules» aunque no son algas en absoluto. Estas pequeñas máquinas que se alimentan de dióxido de carbono comenzaron a realizar la fotosíntesis para producir oxígeno miles de millones de años antes de que aparecieran las plantas en la tierra, preparando el escenario para el desarrollo de organismos consumidores de oxígeno. Las cianobacterias se pueden encontrar en entornos de todo el mundo, desde el océano abierto, donde unos pocos grupos importantes actúan como productores primarios, proporcionando casi la mitad del oxígeno del mundo, hasta las fuentes termales, donde forman esteras de colores espectaculares y actúan como cicladores de nutrientes importantes.

Si bien no todas las cianobacterias son dañinas, aquellas que forman HAB cianobacterianas, o cHAB, pueden causar problemas graves cuando se cultivan en altas densidades. Sin embargo, estas cianobacterias no actúan solas: tienen compañeros especiales que las ayudan a sobrevivir y prosperar. Quizás ya esté familiarizado con el concepto de microbiota intestinal humana, una comunidad compleja de alrededor de mil billones de microbios que trabajan juntos para ayudarnos a digerir nuestros alimentos y combatir las infecciones intestinales, entre sus muchas funciones. De manera similar, muchas cianobacterias en la naturaleza también cuentan con el apoyo de comunidades de otras bacterias no fotosintéticas.

Una cianobacteria bien estudiada es Microcystis aeruginosa, que causa cHAB en ambientes de agua dulce en todo el mundo, incluidos muchos lagos del Medio Oeste. Además de producir poderosas toxinas llamadas microcistinas, M. aeruginosa también secreta sustancias poliméricas extracelulares (EPS). Estas moléculas pegajosas de carbohidratos se unen individualmente M. aeruginosa Las células se unen en colonias más grandes y albergan la comunidad bacteriana, que proporciona a las cianobacterias los nutrientes esenciales. De hecho, M. aeruginosa produce más EPS en presencia de otras bacterias que cuando se cultiva solo, lo que sugiere que intenta contratar los servicios de la comunidad proporcionándole un lugar al que llamar hogar.

A pesar de M. aeruginosa puede crecer sin él, la comunidad bacteriana impulsa el crecimiento de la cianobacteria y contribuye a su distribución mundial y dominio entre las cianobacterias que causan la floración. Los investigadores ahora han comenzado a asumir el desafío de descubrir el funcionamiento interno de estas comunidades, lo que puede ayudarnos a comprender cómo y por qué se forman y persisten los brotes.

En las versiones HAB

Dado que el lago Erie no le es ajeno M. aeruginosa Blooms, es un lugar valioso para realizar esta investigación. Por ejemplo, al secuenciar el ADN de bacterias no fotosintéticas de las floraciones del lago Erie, los investigadores pueden predecir sus funciones para comprender mejor sus interacciones con M. aeruginosa. Sin embargo, estas funciones siguen siendo especulativas, ya que la secuenciación del ADN por sí sola no puede confirmar que estas funciones realmente se estén realizando. De hecho, se han observado directamente en el laboratorio relativamente pocas interacciones entre cianobacterias y bacterias no fotosintéticas, especialmente entre comunidades de agua dulce.

Un ejemplo de tal interacción entre cianobacterias y bacterias no fotosintéticas es el ciclo del carbono, que es esencial para mantener la comunidad bacteriana. Mientras que las cianobacterias pueden producir energía mediante la fotosíntesis utilizando únicamente luz solar, agua y dióxido de carbono, las bacterias no fotosintéticas no pueden producir su propio alimento. Su sustento proviene de las cianobacterias, que liberan pequeñas moléculas al medio ambiente. Algunas especies más especializadas también pueden consumir EPS de cianobacterias, ya que pueden descomponer los carbohidratos complejos que contiene.

Sin embargo, el intercambio de carbono puede no ser una vía de sentido único, ya que las bacterias no fotosintéticas también pueden producir dióxido de carbono adicional para M. aeruginosa usar Esta reciprocidad puede ser particularmente importante cuando las flores están en su mejor momento. Durante este tiempo, los cambios en las propiedades químicas del agua hacen que el dióxido de carbono esté menos disponible para las cianobacterias fotosintetizadoras, lo que dificulta su crecimiento. Sin embargo, esta fuente adicional de dióxido de carbono puede ayudar a sustentar las cianobacterias incluso cuando las floraciones son muy densas.

Mantenemos las flores

Al igual que con el carbono, el ciclo eficiente del nitrógeno también es crucial. El nitrógeno es un elemento clave para la construcción del ADN y otras moléculas celulares; cuando hay poca oferta, puede limitar el crecimiento de cianobacterias durante la floración. De hecho, las bacterias no fotosintéticas parecen ser las únicas proveedoras de este nutriente esencial para M. aeruginosa, que, a diferencia de otras especies de cianobacterias, no puede absorber nitrógeno del aire. Este servicio de ciclo del nitrógeno parece ser tan eficiente que puede favorecer que las cianobacterias formen floraciones cuando hay poco nitrógeno alrededor.

Más allá de contribuir ampliamente al reciclaje de nutrientes en el ecosistema cHAB, las bacterias no fotosintéticas también pueden producir o inactivar compuestos que regulan el crecimiento de sus socios cianobacterianos. Por ejemplo, varias especies de bacterias asociadas con M. aeruginosa Las flores en el lago Erie son capaces de producir auxinas, hormonas que promueven el crecimiento tanto de cianobacterias como de plantas. Mientras tanto, otras bacterias pueden producir vitamina B12, otro nutriente esencial que M. aeruginosa no puede producirse a sí mismo.

Alternativamente, algunas bacterias pueden degradar contaminantes de agua dulce como el benzoato, un compuesto que es perjudicial para el crecimiento de cianobacterias. Sin embargo, parece que ninguna bacteria contiene la ruta química completa necesaria para degradar el benzoato. En cambio, diferentes partes de esta vía parecen estar distribuidas entre múltiples especies de bacterias no fotosintéticas, lo que significa que pueden cooperar para que se produzca la degradación del benzoato.

Control de HAB consciente de la comunidad

La relación entre las cianobacterias y las comunidades bacterianas tiene implicaciones interesantes para el manejo de chHAB. Una idea es introducir bacterias que degraden las toxinas de las cianobacterias o las maten directamente en los lagos afectados. Sin embargo, estos enfoques aún no se han probado en el campo y su eficacia puede verse limitada por la comunidad bacteriana. Estas bacterias nativas pueden, por ejemplo, competir con microbios introducidos por espacio y nutrientes, proteger a las cianobacterias de daños o aumentar la resiliencia general de la comunidad por otros medios.

Desafortunadamente para los ecosistemas acuáticos, las chHAB están aumentando tanto en frecuencia como en magnitud en todos los continentes excepto en la Antártida. Entre los impulsores de esta tendencia mundial se encuentra la fuga de nutrientes y contaminantes artificiales a los ecosistemas acuáticos. Esto conduce a la eutrofización, un proceso en el que el crecimiento de las cianobacterias se ve potenciado por una abundancia de nutrientes como nitrógeno y fósforo, a menudo en detrimento de otras especies acuáticas. El cambio climático también puede influir, ya que el calentamiento puede impedir la mezcla entre diferentes capas de agua del lago, creando una superficie estable que promueve el crecimiento de cianobacterias.

Encontrar soluciones de gestión eficaces para las cHAB es más importante que nunca. Sin embargo, las estrategias dirigidas a la comunidad bacteriana de apoyo están limitadas por nuestra comprensión incompleta de cómo funciona esta relación simbiótica. Además, debido a su importante papel en el ciclo de los nutrientes, los científicos deben considerar los posibles impactos perjudiciales de la eliminación de estas comunidades bacterianas en todo el ecosistema de agua dulce. Sin embargo, utilizando una combinación de experimentos de laboratorio y de campo, los investigadores podrán caracterizar mejor las interacciones entre las cianobacterias que forman floraciones y sus comunidades bacterianas e informar los enfoques de gestión de cHAB. Si bien se trata de un esfuerzo monumental, proporcionará información esencial sobre cómo funcionan los chHAB y cómo podemos reducir el daño que causan.

La publicación Si no te hubiera HAB: cómo las bacterias trabajan juntas en la proliferación de algas nocivas apareció por primera vez en el Illinois Science Council.

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