Deconstruyendo la microbiología mordisco a mordisco

La resiliencia del microbioma del suelo a una dieta baja en hidratos de carbono.

Hay una razón por la que nuestro planeta es llamado madre tierra. A pesar de la vasta franja de océanos que envuelve la mayor parte de nuestro planeta, el suelo dirige los principales procesos ambientales en la regulación del clima y la nutrición global. El actor principal de este increíble sistema es el microbioma del suelo (1).

Al igual que lo que ocurre en un deslizamiento de lodo, el entendimiento del microbioma del suelo no se nos escapa de las manos. Sin siquiera tener en cuenta las drásticas diferencias en los ambientes o incluso los tipos de suelo que existen dentro de un mismo ecosistema. Un ecosistema de suelo aparentemente homogéneo oculta una diversidad que afecta a las comunidades que están a un milímetro de distancia entre sí. Los factores influyentes, incluyen distancias entre las madrigueras de los animales, profundidad, salinidad, especies de plantas y sistemas de raíces, aireación del suelo, acidez, humedad, minerales y presencia de depredadores microbianos; una lista exhaustiva que puede impactar dramáticamente en la composición y función metabólica de estas comunidades microbiológicas (1 ). Como la mayoría de nuestros alimentos provienen de ecosistemas “controlados”, los científicos del suelo han notado una tendencia inquietante. Los niveles de carbono de nuestro suelo están cayendo (2).

¿Por qué es esto preocupante? Según la literatura actual, el microbioma del suelo depende principalmente de carbono “orgánico” – raíces descompuestas, y productos de las raíces. Los microbios del suelo y la fauna lo degradan en un oscuro humus, rico en carbono y estable. No es “hummus” (en inglés), el famoso plato de garbanzos. Pero al igual que el alimento, es voluminoso, retiene la humedad y es una fuente deliciosa de nutrientes a largo plazo.

La cantidad total de carbono orgánico, carbono orgánico del suelo, es un indicador de uso común en la agricultura porque juega un papel muy importante en la estabilización del ecosistema. Los pesticidas para producción industrial a larga escala y el uso excesivo de nitrógeno, sumado a la deforestación, interrumpen el importante intercambio de carbono. Para empeorar las cosas, la disminución de la fijación de carbono produce un aumento en el dióxido de carbono (CO₂) atmosférico, lo que agrava el efecto invernadero que se ha demostrado que es un contribuyente directo al calentamiento global (2).

**Figura 1.** Ciclo del carbono orgánico del suelo. Imagen copiada directamente sin ninguna modificación de
Ontl, T. A. & Schulte, L. A. (3)

Afortunadamente, el carbono inorgánico, fuente de carbono proveniente de ciertos gases de la atmósfera, también está presente en el suelo. Sirve como fuente alternativa de carbono para estos microorganismos. Hasta hace poco, los investigadores pensaban que sólo un subconjunto raro de microorganismos del suelo convertía los carbonos inorgánicos, como el monóxido de carbono (CO) y otros gases traza, en una fuente de nutrientes. Se creía que el carbono inorgánico solo podía ser secuestrado por microorganismos del suelo que residían en ambientes extremos con bajo contenido de carbono orgánico (1,4, 5).

Para comprender mejor el papel del microbioma del suelo en el ciclo del carbono inorgánico, el equipo de Bay secuenció los metagenomas (composición genética completa) de muestras de suelo de cuatro ecosistemas australianos distintos (4). Genomas ensamblados de alta calidad provenientes de los sistemas de suelo de humedales, pastizales, bosques y tierras secas, proporcionaron información sobre el potencial funcional de los microorganismos del suelo. Estos microorganismos pertenecían a 26 filos bacterianos y 5 de arqueas dentro de esos cuatro ambientes. Es importante destacar que la mitad de las bacterias detectadas son representativas de los microbiomas del suelo global. Encontraron que, en promedio, el 72% de los genomas bacterianos presentan las secuencias que codifican para enzimas que podrían utilizar fuentes de carbono inorgánico en la respiración metabólica (Figura 2).

**Figura 2.** Una figura de diferentes filos bacterianos capaces de fijar gas hidrógeno, monóxido de carbono, y otros metales traza que están en el suelo. Las enzimas son mostradas como formas rojas, y cada color corresponde a un filo. Este artículo fue tomado sin ser editado y sin el permiso del autor (5).

Además, las bacterias capaces de realizar la respiración anaeróbica estaban presentes en los cuatro tipos de suelo. Esto se determinó tomando muestras de suelo de varias profundidades de los cuatro tipos, colocándolas dentro de un tubo sellable y exponiendo el microbioma del suelo solo a los gases traza. El equipo de Bay midió el consumo de carbones inorgánicos dentro de este sistema cerrado. Pudieron detectar una oxidación significativa de CO y H₂ por la capa superficial del suelo de los bosques, pastizales y humedales, a tasas hasta cinco veces mayores que las registradas anteriormente. La humedad también pareció desempeñar un papel, ya que los ambientes con suelo más húmedos eran significativamente más eficientes en la utilización de carbonos inorgánicos como fuente de energía que los suelos de tierra seca. Fue consistente con la exploración metagenómica que la mayoría de las bacterias tienen ADN que codifica para hidrogenasa y CO deshidrogenasa, proteínas importantes involucradas en la oxidación de gas hidrógeno y monóxido de carbono, respectivamente.

Los investigadores teorizaron que, aunque las bacterias dependen principalmente del carbono orgánico del suelo para crecer, su capacidad para secuestrar energía del carbono inorgánico les permite persistir en un ecosistema impredecible. Para determinar el aporte energético de los gases traza en la célula, el equipo de Bay utilizó modelos para predecir la energía que una bacteria podría producir a partir del carbono inorgánico. Los investigadores predijeron que las concentraciones observadas de carbono inorgánico son suficientes para que las bacterias sobrevivan en un estado estático, sin crecer ni desarrollarse. Además, este estado de hibernación solo es posible si las condiciones son algo favorables, como en niveles altos de humedad. Este experimento se resume en la Figura 3 que está a continuación.

**Figura 3.** El eje y muestra la energía ganada (vatios por celda) cuando los microbios de los cuatro ambientes diferentes del suelo (eje x) se exponen a diferentes fuentes de carbono inorgánico (gases de diferentes colores). También se muestran en el gráfico las cantidades de energía necesarias para mantener las tasas de consumo de energía de varios cultivos puros de bacterias que se encuentran en el microbioma del suelo (verde, amarillo, azul) y en los respiraderos del profundo fondo marino (rosa). Estos valores fueron obtenidos de la literatura. Esta imagen fue copiada directamente del artículo original (4).

Los investigadores también notaron que las células podrían potencialmente utilizar el carbono inorgánico de manera eficiente no solo para su propio beneficio, sino para el nuestro. A la luz del preocupante aumento del dióxido de carbono atmosférico y otros gases de efecto invernadero (como los carbonos inorgánicos mencionados en este artículo), ha aumentado la necesidad de sumideros de carbono o depósitos naturales.

La reacción química de fijación de carbono más famosa es la fotosíntesis. Lo esencial de esta, como recordarás, es la conversión de CO₂ y agua en un azúcar de seis carbonos, y oxígeno, utilizando el poder del sol. Mientras que la deforestación a gran escala de las selvas tropicales impacta en este importante sumidero de carbono, es un alivio descubrir que ciertas bacterias del suelo también revelaron genes capaces de quimiosíntesis. Esta vía utiliza elementos inorgánicos atmosféricos que de otro modo se clasificarían bajo la etiqueta general de gases de efecto invernadero, redirigiendo carbonos al suelo.

A pesar de que estas vías son emocionantes, la realidad es que los gases traza no están disponibles en una cantidad lo suficientemente alta, ni están disponibles de manera constante en profundidades del suelo cada vez mayores. Por lo tanto, la probabilidad de que las bacterias sobrevivan de forma completamente independiente del carbono orgánico del suelo es bastante baja. Quizás los directores de las industrias cuyos suelos son pobres en carbono orgánico podrían utilizar técnicas de alta aireación, lo que podría aumentar la exposición del microbioma del suelo a los gases traza (4).

**Figura 4.** Imagen copiada directamente de este sitio web sin permiso del autor.

La perspectiva de fuentes de carbono adicionales dentro del microbioma del suelo es emocionante. La resiliencia y persistencia de estos microbios hacen del suelo una de las concentraciones más densamente pobladas de bacterias (1), y una estrella de rock en los procesos nutricionales globales. De todas formas, hasta que podamos utilizar nuestro nuevo conocimiento para abordar el problema del bajo nivel de carbono en el suelo, las bacterias del suelo tendrán que soñar con humus mientras recogen bajas concentraciones de carbono inorgánico para sobrevivir.

Links de los artículos originales:

Featured image: Photograph by Lance Chung

Traducido por: Santiago Chaillou