Coordinación del Programa de
Planeación Ambiental y Conservación.

Línea Estratégica VI

Microbiología ambiental

Responsable: Dr. Alejandro López Cortés

Dr. Alejandro López Cortés
Investigador Titular B
Investigador SNI II

1. Ambientes extremos hipersalinos

En el Laboratorio de Geomicrobiología y Biotecnología del CIBNOR hemos estado interesados en conocer la diversidad filogenética y funcional de Bacterias y Arqueas de ambientes extremos hipersalinos de la Reserva de la Biosfera El Vizcaíno, Baja California Sur, con propositos en ecología y biotecnología. En partícular microorganismos del tipo arquea productores de gas metano (metanógenas) y bacterias que acumulan polihidroxialcanoatos (PHA), moléculas que presentan propiedades similares a los plásticos convencionales como el poliéster y el polipropileno de origen petroquímico.

2. Producción de metano en ambientes hipersalinos

La producción de metano por microorganismos, metanogénesis, es un proceso de gran importancia en la investigación biotecnológica hacia la búsqueda de fuentes alternativas de combustibles. Además, juega un papel central en la degradación completa de la materia orgánica. Aunque este proceso ha sido ampliamente estudiado, nuevas especies de arqueas metanogénicas han sido recientemente descubiertas, lo cual motiva a la aplicación de nuevas herramientas para contribuir con la comprensión de estos nuevos linajes filogenéticos. El conocimiento que se tiene sobre la metanogénesis en ambientes hipersalinos de Baja California Sur, indica que son bajas las concentraciones de gas metano (0.25% al 26%) en muestras de gas ambiental, pero se han determinado las condiciones para estimular la producción de metano a escala de laboratorio, utilizando tapetes microbianos y trimetilamina como fuente de carbono. También, las arqueas metanógenas dominantes pertenecen a los géneros Methanohalophilus, Methanococcoides y Methanolobus. Sin embargo, nuevas investigaciones revelaron dos nuevos linajes de arqueas metanógenas que probablemente utilicen H2/CO2, relacionados con el Orden Methanomicrobiales, emparentados con el género Methanogenium, que son estrictamente hidrógenotróficos.

3. Biósfera rara en los tapetes microbianos y nuevos phyla metanogénicos.

El desarrollo de métodos independientes de cultivo para evaluar diversidad microbiana y la bioinformática proporcionan acceso a datos genómicos de un gran número de linajes, revolucionando el conocimiento de la diversidad y el potencial metabólico de los microorganismos en el ecosistema (figura 1). Actualmente, los tapetes microbianos albergan miles de especies de microorganismos, donde la gran mayoría son desconocidos, no cultivables, con bajas abundancias relativas, constituyendo la denominada “materia oscura microbiana”, o “biosfera rara”, término empleado arbitrariamente para referirse a la diversidad de miembros de una comunidad microbiana con abundancias relativas típicamente, entre 0.1 y 1.0 % de la comunidad total. No obstante, estos microorganismos desempeñan un papel esencial para el funcionamiento y estabilidad de la comunidad, actuando como reservorios casi ilimitados de diversidad genética y funcional e impulsando los ciclos biogeoquímicos a escala global.

La rareza se puede explicar desde varias perspectivas tanto bióticas, como abióticas. Dentro de los aspectos no estocásticos, que no dependen de un parámetro, la rareza puede tener su origen en la existencia de especies altamente especializadas y por lo tanto con un nicho muy restringido, que serán muy abundantes en pocos hábitats pero muy raros en otras condiciones. Por esta razón, cuando el interés es hacia la búsqueda de funciones emergentes en los ecosistemas, la biosfera rara es utilizada generalmente para la búsqueda de este tipo de información. Hasta hace poco, todas las arqueas metanógenas estaban agrupadas en el Phylum Euryarchaeota y se clasificaban en dos clases (Clase I y Clase II). Sin embargo, nuevos órdenes de arqueas metanógenas bien establecidos han sido incorporados en este grupo de microorganismos, de los que destacan Methanofastidiosa y Methanomassiliicoccales, ambos incluidos en el Phylum Euryarchaeota, pero no en los metanógenos de Clase I o II. Además, miembros de Bathyarchaeota y Verstraetearchaeota, ambos del superphylum TACK, también pueden incluir microrganismos productores de metano. El análisis y descripción de estos linajes ha tenido un fuerte impacto en la sistemática de las arqueas metanógenas, lo que ha llevado a la propuesta de nuevos clados a diferentes niveles taxonómicos y ha proporcionado información clave para comprender el origen de este grupo de gran relevancia ecológica y las trayectorias evolutivas que han dado forma a la diversidad actual. Dado que la presencia de linajes novedosos de arqueas metanógenas en tapetes microbianos de ambientes hipersalinos aún no se ha evaluado de forma sistemática, ampliar el conocimiento acerca de la distribución ambiental de este tipo de microorganismos seguramente contribuirá con su taxonomía y ecología.

4. Perspectivas

Se busca ampliar el conocimiento sobre la diversidad microbiana que incluye la biosfera rara y el metabolismo desconocido de las arqueas metanogénicas en ambientes hipersalinos, a través de enfoques metagenómicos e isotópicos, con la intención de expandir el conocimiento sobre las rutas metabólicas no exploradas involucradas en la producción del metano por la fracción de arqueas de baja abundancia relativa en tapetes microbianos. Se espera que el uso de enriquecimientos promueva el desarrollo de metanógenos, que usan fuentes de carbono con un grupo CH3, dependientes de hidrógeno. Además, el análisis metagenómico de muestras ambientales permitirá ensamblar genomas de los microorganismos más representativos y dilucidar in silico, con diferentes programas bioinformáticos, las rutas metabólicas involucradas en la metanogénesis (figura 1). La metagenómica podría revelar la presencia de microorganismos con funciones de interés para posibles aplicaciones biotecnológicas.

metagenomicos
Figura 1. Esquema de la metodología empleada en estudios metagenómicos, para la caracterización de la composición y estructura microbiana, anotación de genes funcionales y filogenia de comunidades microbianas de tapetes laminados. ADN= Ácido desoxirribonucleico; PCR = Reacción en Cadena de la Polimerasa. Fuente: elaborado por José Q. García Maldonado, Patricia J. Ramírez Arenas y Ricardo Vázquez Juárez.

5. Ecología y bioprospección de microorganismos

Mis áreas de conocimiento son la Microbiología y la Biotecnología, con especialidades en Ecología, Sistemática, Biofertilizantes, Probióticos en acuícultura, Biocombustibles y Bioplásticos. Hemos contribuido al conocimiento de la estructura y función de comunidades microbianas de tapetes microbianos laminados de ambientes extremos hipersalinos, cortezas microbióticas de zonas áridas, manantiales termales. También, hemos estudiado los microbiomas de invertebrados crustáceos como: Artemia franciscana, Nyctiphanes simplex y Litopenaeus vannamei. En biotecnología contamos con un prototipo de bioplástico basado en polihidroxibutirato y una marca registrada.

 

Dra. Luz Estela González de Bashan
Investigadora Titular C
Investigadora SNI III

1. Asociación entre bacterias promotoras de crecimiento de plantas (PGPB) y microalgas unicelulares.

En esta temática se ha venido estudiando la asociación desde enfoques bioquímicos, fisiológicos y moleculares, intentando dilucidar los mecanismos que intervienen y modulan la interacción simbiótica entre estos microorganismos. En el modelo de estudio se utilizan microalgas verdes de los generos Chlorella, Chlamydomonas y Scenedesmus, y la PGPB Azospirillum spp. Los estudios realizados hasta el momento han mostrado que las microalgas responden a la presencia de Azospirillum de manera muy similar a las respuestas en las plantas superiores, es decir, mejorando el crecimiento y cambiando su metabolismo. El fin último de estos estudios es su aplicación como un sistema eficaz para producción biotecnológica de metabolitos de interés y para mejorar la fertilidad de los suelos erosionados del desierto. Resultado de esta temática, se han publicado alrededor de 40 artículos científicos en revistas de alto factor de impacto.

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Mutualismo sintético entre Chlorella sorokiniana y Azospirillum brasilense (a) Microscopía electrónica de barrido. (b) Microscopía de epifluorescencia.

2. Estudio de comunidades bacterianas asociadas a plantas del desierto y su uso en la rehabilitación de suelos erosionados.

El objetivo de esta temática es usar interacciones entre plantas nativas del desierto y bacterias promotoras de crecimiento vegetal (PGPB) para ayudar con la solución de problemas ambientales. Así, se busca estudiar microbiomas bacterianos tanto en rizosfera como endófitas en plantas del desierto, con el fin de aislar bacterias benéficas con potencial de promotoras de crecimiento, que permitan desarrollar tecnologías para recuperar suelos desérticos erosionados. La meta última es maximizar el potencial de los microorganismos para mejorar el crecimiento de plantas en ambientes desfavorables, situación cada vez más común de cara al cambio climático. En 2004 se inició el proyecto de utilizar plantas nativas inoculadas con PGPBs para crear un en la Reserva Laura Arriaga del CIBNOR un campo demostrativo del éxito de esta estrategia en el restablecimiento de la cobertura vegetal en suelos deteriorados. Los resultados se han monitoreado y publicado durante estos años. Este tema de investigación ha producido un cuerpo importante de información científica reflejado en aproximadamente 12 artículos científicos en revistas de alto impacto.

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Vista del crecimiento de cardones sembrados en el campo experimental en la Reserva Laura Arriaga, CIBNOR.

 

Dr. Macario Bacilio Jiménez
Investigador Titular A

Biorremediación de suelos contaminados empleando plantas y biofertilizantes

Identificación y valoración del desempeño de una especie vegetal (Tecoma stans) con potencial para estabilización de jales de minería y de bio-acumulación de elementos potencialmente tóxicos (arsénico, cadmio y plomo).

La contaminación del suelo por metales pesados ​​ y metaloides (plomo, cadmio, arsénico, etc.) ha llevado a la búsqueda de plantas capaces de estabilizar el suelo y hasta extraer dichos contaminantes como una estrategia de biorremediación. Una herramienta que se utiliza en este proceso biotecnológico de limpieza del ambiente es el uso de abonos orgánicos (composta, vermicomposta, biochar) que mejoren las propiedades físicas, químicas y microbiológicas del suelo, creando un ambiente más propicio para el establecimiento y desarrollo de las plantas y con ello promover y aumentar su potencial remediador.

En nuestro caso la adición de composta a los desechos mineros (MWC) aumentó la biomasa de los vástagos más del doble en comparación con las plantas crecidas en desechos mineros (MW), sin composta; hasta diez veces el peso de las hojas y trece veces el área foliar (Figura 1). Por otro lado, la movilidad y biodisponibilidad para As y Pb disminuyeron cuando se incorporó composta a los residuos mineros, cuyas concentraciones totales en plantas disminuyeron 50% y 70% respectivamente. Los factores de translocación de Cd y Pb aumentaron, aunque la cantidad de clorofila a, de ácidos grasos poli-insaturados: linoléico y linolénico (PUFAS 18: 2ω6 y 18: 3ω3, respectivamente) aumentó significativamente (Figura 2), lo que sugiere que el Cd y el Pb no alteran la integridad de la membrana tilacoidal cuando se agrega el 10% de compost a los desechos mineros (MW).

Hemos probado la capacidad de T. stans para fitorremediar desechos mineros (MW) mediante la adición de composta (MWC), pudiendo además bioacumular cadmio (Cd) y Cobre (Cu), produciendo un sistema de raíces capaz de estabilizar el suelo, por lo que es una especie que puede utilizarse para la limpieza de suelos contaminados con elementos potencialmente tóxicos.

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Figura 1. Se observa el efecto de la composta en el crecimiento de plantas de T. stans cultivadas en desechos de minería (MWC) comparadas con las cultivadas en desechos mineros (MW), sin composta.

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Figura 2. Concentración (mg 100 g-1 de peso seco) de ácidos linoleico y linolénico (18: 2ω6 y 18: 3ω3) en el vástago (tallo y hoja) de Tecoma stans. Suelo Arenoso (S) como control, Desechos Mineros (MW), Suelo control + composta (SC) y Desechos Mineros + Composta (MWC). Los valores son significativos. Las barras de error denotan el 95% de confianza del intervalo.