lunes, 2 de diciembre de 2019

Microbios y cambio climático


Hay que incorporar el papel de los microorganismos en los modelos predictivos sobre el efecto del cambio climático  y en las propuestas de soluciones más sostenibles

El cambio climático afecta a la mayoría de las formas de vida de nuestro planeta. La disminución de la biodiversidad animal y vegetal y su efecto en los ecosistemas está siendo bien analizada y documentada por la comunidad científica, y publicitada por los medios de comunicación. Pero por el contrario, no se está prestando prácticamente ninguna atención al mundo de los microorganismos.

Los microorganismos mantiene la existencia del resto de seres vivos. Aunque pasen desapercibidos y ocultos para el ojo humano, sin microbios la vida en el planeta no sería posible (ver Sin microbios, ¡el caos total!). Su abundancia (se calcula que pueden haber unos 1030 bacterias y arqueas) y diversidad son responsables de la salud global del planeta (ver ¿Cuántas bacterias hay en la Tierra?).

Aunque los efectos del ser humano sobre los microorganismos son mucho menos obvios y están menos estudiados, comienza a preocupar cómo los cambios en la biodiversidad microbiana y en su actividad podrían afectar a otros seres vivos y cómo ellos mismos pueden responder al cambio climático.

Para ello, para poder hacer frente al cambio climático es vital incorporar en la “ecuación” a la inmensa mayoría de seres invisibles: el mundo microbiano. Es necesario entender no solo cómo los microorganismos afectan al cambio climático sino que también cómo el cambio climático afecta a los propios microorganismos.

Los microorganismos son parte del ecosistema y son esenciales para el mantenimiento del medioambiente

Los microorganismos tienen un papel esencial en los ciclos biogeoquímicos (como el ciclo del carbono y del nitrógeno, por ejemplo), en la salud de los animales (incluido el ser humano) y las plantas, en la agricultura, y en todas las cadenas tróficas alimenticias. Además, los microorganismos viven en todos los ambientes de la Tierra en los que haya otros seres vivos, e incluso son las únicas formas de vida en muchos ambientes extremos donde otros no pueden sobrevivir. Los microorganismos están aquí desde el origen de la vida, hace unos 3.800 millones de años, durante miles de millones de años fueron los únicos pobladores del planeta y seguro que nos sobrevivirán cuando el resto nos hayamos extinguido.

El ciclo del carbono es un ciclo microbiano

El 70% de la superficie del planeta es agua. El papel de los microorganismos en los océanos se pone de manifiesto si tenemos en cuenta que el 90% de la biomasa marina es microbiana. El fitoplancton marino (formado por microorganismos fotosintéticos como cianobacterias, bacterias verdes y rojas, y protozoos fotosintéticos, como las diatomeas, principalmente) son responsables de la mitad del CO2 fijado por fotosíntesis en el planeta. Pero no solo influyen en el ciclo del carbono los microorganismos fotosintéticos, también intervienen las bacterias y arqueas quimiolitotrofas que fijan el CO2 en oscuridad en las profundidades marinas, y los microorganismos productores y consumidores de metano CH4 (metanógenos y metanotrofos).

En los ambientes terrestres, también hay gran cantidad de microorganismos que descomponen la materia orgánica y liberan nutrientes en el suelo para el crecimiento de las plantas así como CO2 y CH4 a la atmósfera. Los microorganismos del suelo también regulan las productibilidad de las plantas, porque influyen en la disponibilidad de nitrógeno y fósforo (recuerda que las plantas no fijan el nitrógenos atmosférico, lo hacen las bacterias en simbiosis con ellas). También la biomasa microbiana se convierte en combustibles fósiles, a lo largo de millones de años.

Muchas actividades humanas, como la agricultura, la industria, el transporte, el crecimiento de la población humana, combinado con otros factores ambientales, influyen sobre las interacciones microbianas que ocurren entre los propios microorganismos y con las plantas y animales. Estas interacciones pueden afectar a cómo los microorganismos pueden influir en el cambio climático y como el cambio climático (aumento del nivel de CO2, calentamiento global, cambios en las precipitaciones, el pH o la salinidad de los océanos, …) pueden afectar  a la respuesta de los microorganismos. Además, la degradación de los hielos y el permafrost también puede afectar a los microorganismos, que pueden descomponer el carbono congelado y liberar CO2 y CH4.

Los cambios ambientales pueden afectar al tamaño, diversidad e interacción de las poblaciones microbianas, a su actividad metabólica, velocidad de crecimiento, y a su capacidad de regulación (se ha descrito, por ejemplo, un aumento de la concentración de toxinas como efecto de un incremento de la población de determinados microorganismos, como cianobacterias, debido a un aumento de temperatura). Y todas esas modificaciones, a su vez, pueden tener un impacto en lo ciclos biogeoquímicos globales y en el clima mundial.

Los microbios y la agricultura

Cerca del 40% de la superficie terrestre está dedicada a la agricultura. Esa proporción va en aumento y esos cambios están asociados a una marcada pérdida de la biodiversidad, también de los microorganismos.

El arroz alimenta a casi la mitad de la población mundial, y los arrozales contribuyen a un 20% de la emisión agrícola de CH4. Por su parte los rumiantes son una de las fuentes de CH4 más importante. Pero en realidad ni el arroz ni las vacas producen el metano. Los grandes productores de CH4 son los microorganismos. Se produce en esos ambientes anaerobios como los sedimentos y suelos inundados en los arrozales, y en el intestino de los animales, especialmente los rumiantes. En el aumento del nivel de CH4 atmosférico también participan, por tanto, los microorganismos.


Efecto de la agricultura y otras actividades humanas en los microorganismos (Fuente: ref 1)

Y algo parecido podemos decir del nitrógeno. La combustión de combustibles fósiles y el uso de fertilizantes en la agricultura tienen una gran influencia en la disponibilidad de nitrógeno. La agricultura es responsable de la gran emisión de óxido nitroso (N2O), un gas con efecto invernadero. Los microorganismo del suelo y en simbiosis con las leguminosas pueden convertir el N2O en N2, nitrógeno atmosférico, sin efecto nocivo. En realidad, prácticamente todo el ciclo global del nitrógeno es un ciclo microbiano: desde la fijación y asimilación del N2 atmosférico, la nitrificación (paso del amonio a nitrito y de nitrito a nitrato), la desnitrificación (del nitrato al N2 atmosférico), hasta la descomposición o mineralización (liberación del nitrógeno de los aminoácidos y proteínas). No cabe duda de que el cambio climático puede afectar al ritmo en el cual los microbios transforman el nitrógeno.

La investigación de cómo el cambio climático afecta a los ciclos del carbono y del nitrógeno debe incluir el papel de los microorganismos

Las enfermedades infecciosas

La transmisión y dispersión de microorganismos patógenos, su tasa de replicación y supervivencia en el ambiente, están muy influenciadas por las precipitaciones, la humedad relativa, la temperatura, la salinidad o el viento. Por eso, el cambio climático también puede afectar a la aparición y extensión de enfermedades infecciosas tanto en ambientas marinos como terrestres.

Por ejemplo, existe una relación entre el aumento de la temperatura de la superficie del mar y la enfermedades de los corales: el calentamiento de los océanos puede alterar la microbiota de los corales, lo que contribuye a la aparición de determinadas enfermedades. La acidificación de los océanos puede causar daños en los tejidos de los peces que contribuyen a debilitar su sistema inmune y favorecer la invasión de bacterias patógenas. Algo similar ocurre con los anfibios cuando aumentan las temperaturas. También, a nivel terrestre, muchos patógenos de plantas y de cultivos son sensibles a los cambios de temperatura y están influenciados por el clima.

El aumento de la resistencia a los antibióticos de algunos patógenos humanos también se ha relacionado con el cambio climático. Se ha sugerido que un aumento de temperatura puede favorecer la transferencia horizontal de genes de resistencia y un aumento de la tasa de crecimiento del patógeno.

Los patógenos transmitidos por vectores (mosquitos y garrapatas), por alimentos, aire o agua puede ser especialmente susceptibles a los efectos del cambio climático. Un aumento de la temperatura de la superficie del agua se ha relacionado con una aumento de la infecciones por Vibrio cholera en Bangladesh, por ejemplo.


El cambio climático aumenta el impacto de los patógeno (Fuente: ref. 1)

Pequeños cambios de temperatura y humedad pueden afectar a la distribución mundial de los vectores y a la eficacia con que trasmiten los patógenos, se pueden prolongar las épocas de transmisión de la enfermedad, aumentar las tasas de replicación del patógenos en el vector o aumentar la extensión geográfica en la que se  multiplica en vector. Así, algunas enfermedades transmitidas por vectores están emergiendo en Europa, como respuesta a los cambios ambientales, como por ejemplo los brotes de la enfermedad de la lengua azul, una infección viral aguda transmitida por mosquitos del ganado ovino, caprino y bovino. La distribución espacial de enfermedades como el dengue y la malaria, también están cambiando debido al cambio climático. El número de personas en el mundo susceptibles de padecer infecciones como el dengue, zika, chikungunya, fiebre amarilla, fiebre del Nilo Occidental, enfermedad de Lyme u otras fiebres hemorrágicas, aumenta considerablemente conforme los vectores (mosquitos y garrapatas) se extienden a otras latitudes, debido al cambio climático. También se han relacionado brotes de enfermedades infecciosas (malaria, cólera, dengue, peste, …) con fenómenos atmosféricos como El Niño y similares, que conllevan grandes cambios en los patrones de lluvias y temperaturas.

Los microorganismos también pueden ayudar a mitigar el efecto del cambio climático

La biotecnología microbiana puede proporcionar algunas soluciones para un desarrollo más sostenible: desde manipular genéticamente microorganismos, por ejemplo, para incrementar su capacidad de reducir el N2O a N2 atmosférico, de forma que neutralizen las emisiones de este gas; manipular la microbiota del rumen para reducir la producción de CH4; emplear microorganismos para producir biocombustibles y reducir el empleo de combustibles fósiles; o la reciente transformación de una bacteria para consumir CO2 (ver noticia).

Todos estos ejemplos ilustran la necesidad de incorporar el papel de los microorganismos en los modelos predictivos sobre el efecto del cambio climático  y en las propuestas de soluciones más sostenibles. 

Para más información:

(1) Scientists’ warning to humanity: microorganisms and climate change. Cavicchioli, R., y col. 2019. Nature Reviews Microbiology. 17: 569–586.

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