Europa Medio Ambiente Ríos, Lagos y Océanos

Más pequeño que un grano de arena, el fitoplancton es clave para la salud acuática

Más pequeño que un grano de arena, el fitoplancton es clave para la salud acuática
Fitoplancton bajo el microscopio. Crédito: © Rattiya Thongdumhyu, Shutterstock

Los científicos se están acercando cada vez más a revelar los elusivos mecanismos que activan las pequeñas especies marinas para transformar los contaminantes orgánicos del agua en sustancias químicas menos tóxicas.


por Eri Markopoulou, Horizon: Revista de investigación e innovación de la UE


Toma agua de mar en tus manos y estarás sosteniendo un mundo bullicioso de organismos unicelulares, miles de ellos.

Al igual que las criaturas de una metrópoli submarina, los microbios fotosintéticos microscópicos, el fitoplancton, flotan silenciosamente a través del océano, mejorando la calidad del agua. Como base del ecosistema oceánico, el fitoplancton trabaja incansablemente para alimentar las redes alimentarias marinas y consumir grandes cantidades de dióxido de carbono en escalas equivalentes a los bosques. Pero esto no es todo lo que pueden hacer. Estas diminutas plantas pueden convertir los contaminantes orgánicos en productos químicos menos tóxicos.

Suena simple, pero no lo es. Los procesos involucrados siguen siendo esquivos.

Productos químicos sintéticos en el medio ambiente

La contaminación del agua, que alguna vez fue una amenaza invisible y silenciosa, es ahora una de las principales preocupaciones ambientales en todo el mundo.

«Millones de toneladas de productos químicos orgánicos sintéticos se utilizan anualmente para fines industriales, agrícolas y de consumo. Estos compuestos llegan parcialmente al medio acuático , lo que perjudica la calidad del agua y socava la vida acuática», dijo Giulia Cheloni, científica ambiental que estudia las respuestas del fitoplancton. a contaminantes a base de carbono.

Estos contaminantes se describen como contaminantes de preocupación emergente debido a su riesgo potencial para la salud humana y los impactos ecológicos. Se pueden encontrar en productos para el cuidado personal como fragancias, desinfectantes y agentes de protección solar, así como en artículos para el hogar como disolventes, protectores de telas y retardadores de llama.

¿Puede el fitoplancton poderoso limpiar contaminantes?

Los científicos están estudiando cómo los contaminantes orgánicos afectan al fitoplancton.

«El fitoplancton no está indefenso contra la contaminación química: cuando se expone a contaminantes, pueden activar respuestas celulares para reducir su toxicidad», dijo Cheloni, quien está realizando una investigación bajo PHYCOCYP , un proyecto emprendido con el apoyo del programa Marie Skłodowska-Curie Actions .

Este proceso se llama biotransformación. Las moléculas xenobióticas, es decir, las moléculas que no se producen naturalmente dentro de los organismos, como los pesticidas, podrían ser metabolizadas por células fitoplanctónicas. Estos últimos activan enzimas específicas que hacen que los contaminantes se vuelvan menos tóxicos y se eliminen más fácilmente del organismo.

Hasta ahora, exactamente cómo sucede esto ha sido difícil de alcanzar. «El objetivo de PHYCOCYP es profundizar la comprensión mecanicista de los procesos de biotransformación en el fitoplancton e investigar cómo afectan su tolerancia a los contaminantes orgánicos», señaló Cheloni.

La disección de las vías de biotransformación aumentará la comprensión de los científicos sobre qué enzimas se activan en el proceso y qué tipo de sustancias químicas pueden transformar.

Esta información es vital para comprender exactamente cómo el fitoplancton transforma diferentes clases de contaminantes orgánicos en entornos naturales.

«La capacidad de transformar contaminantes orgánicos en productos más seguros convierte al fitoplancton en un candidato prometedor en las plantas de tratamiento de agua «, añadió Cheloni.

Preparando el terreno para CYP

Para comprender mejor este proceso, PHYCOCYP investigará cómo una familia de enzimas llamada Citocromo P450 (CYP) afecta la capacidad del fitoplancton para transformar contaminantes orgánicos. Se encuentran en todos los reinos de la vida, incluidos animales, plantas, bacterias e incluso en algunos virus, los CYP desempeñan un papel destacado en las respuestas al estrés y la degradación xenobiótica.

Sin embargo, nuestro conocimiento de cómo actúan los CYP en el fitoplancton está muy por detrás del de otros organismos. Esta es la razón por la que los investigadores se basarán en avances genéticos anteriores en el fitoplancton y aplicarán un enfoque de edición del genoma para generar especies mutantes sin CYP activos.

«Por primera vez, nuestro estudio utiliza una herramienta de edición del genoma única llamada CRISPR-Cas9 en fitoplancton para la investigación de toxicología ambiental», dijo Cheloni. Esta tecnología permite a los investigadores editar partes del genoma eliminando, agregando o alterando secciones de la secuencia de ADN.

Estos mutantes luego se expondrán a contaminantes orgánicos para descubrir el papel de los CYP en la respuesta al estrés y la tolerancia a contaminantes orgánicos.

Los investigadores utilizarán un enfoque comparativo para investigar la capacidad del fitoplancton para transformar contaminantes orgánicos y el papel de los CYP en este proceso de biotransformación.

«Nuestro enfoque de la metabolómica nos permitirá realizar un análisis comparativo entre los fenotipos de tipo salvaje y mutante. Nunca antes se había aplicado un enfoque comparativo de este tipo para explorar las vías de biotransformación», destacó Cheloni.

Implicaciones de gran alcance

Durante los últimos años, los estudios de toxicología ambiental se han centrado principalmente en cómo los contaminantes afectan a los organismos (la biota), pero no al contrario. Los hallazgos de PHYCOCYP arrojarán más información sobre cómo los procesos de biotransformación de microorganismos pueden afectar el destino y la persistencia de los contaminantes en los ecosistemas.

En el ámbito de la biotecnología ambiental, la identificación de las enzimas involucradas en los pasos clave de la degradación de contaminantes es particularmente importante para el tratamiento de aguas residuales. Tales enzimas podrían ayudar en gran medida a seleccionar cepas naturales que puedan transformar de manera más eficiente los contaminantes orgánicos o ayudar a generar cepas sintéticas que puedan transformar los contaminantes persistentes.

» PHYCOCYP es un proyecto colaborativo e interdisciplinario que reunirá la experiencia de tres laboratorios franceses especializados en los campos de la ecología microbiana marina (MARBEC), química analítica acuática (HydroSciences Montpellier), fisiología del fitoplancton y biología celular (UMR7141)», dijo Cheloni .

Materiales avanzados al rescate

Mientras se explora más a fondo el papel del pequeño fitoplancton en el tratamiento del agua, los científicos también están estudiando otro aliado importante en la lucha contra la contaminación de los océanos: los materiales y procesos avanzados.

Llevado a cabo con el apoyo del programa Marie Skłodowska-Curie, MAT4TREAT desarrolló materiales y procesos avanzados para proteger las aguas naturales de contaminantes de preocupación emergente (CEC) como compuestos activos farmacéuticos y otros productos químicos, así como bacterias y virus resistentes a los antibióticos, debido a su impacto potencial en la salud pública.

La novedad aquí es la integración de las tres tecnologías avanzadas de tratamiento de agua: adsorción, membranas y fotocatálisis o térmica.

En los dos primeros enfoques, los contaminantes quedan atrapados por materiales de gran superficie o están separados por tamices que solo permiten el paso de agua limpia.

En la catálisis fotográfica y térmica, la luz solar y el calor desencadenan la formación de especies químicas que convierten los contaminantes en productos menos dañinos: dióxido de carbono y agua en el mejor de los casos, explica Giuliana Magnacca, profesora asociada de Química Física en el Departamento de Química de la Universidad. de Torino.

Desde poner organismos diminutos a trabajar hasta el desarrollo de materiales avanzados , el objetivo de la investigación es el mismo: permitir un uso mejor, más limpio y más sostenible del agua, que es crucial para todas las funciones sociales críticas. Esto también está en línea con el objetivo de la UE de tener el 100 por ciento de los ecosistemas de agua dulce de la UE en buen estado de salud para 2027, en comparación con el 40 por ciento actual.