Resumen de El estrés abiótico en el metabolismo del nitrógeno y en el sistema antioxidante de la microlga acidófila: Coccomyxa onubensis
- español
Las microalgas son micoorganismos eucarióticos unicelulares de muy variadas formas y tamaños capaces de realizar la fotosíntesis oxigénica. Debido a la estructura celular sencilla de las microalgas, la acumulación de energía química después del proceso fotosintético no se desperdicia en la construcción de estructuras complejas, sino que se orienta a un uso más eficiente de formación de nuevas células. En este sentido, los microorganismos fotosintéticos son la base de todas las cadenas alimenticias y, por tanto, de la vida en el planeta. Existen microorganismos que son capaces de vivir en ambientes cuyas características fisicoquímicas se encuentran fuera de los parámetros normales, tomando valores considerados límites para la vida.
Las variables más importantes que pueden afectar a las funciones y estructuras de los componentes celulares y, por lo tanto, las que permiten definir un ambiente como extremo son la temperatura, el pH, la presión, la disponibilidad de oxígeno, la salinidad y la exposición a la radiación. Es común que muchos de estos microorganismos, debido al ambiente en el cual se desarrollan, se vean afectados por más de una de estas cualidades extremófilas, tal y como le ocurre a la microalga objeto de estudio de la presente Tesis. Coccomyxa onubensis es una microalga acidófila aislada de la cuenca minera del río Tinto (Huelva). En su ambiente natural, es capaz de crecer a pH ácido (aproximadamente 2,5) y en altas concentraciones de metales. El estudio de los micoorganismos acidófilos es muy importante debido a sus aplicaciones biotecnológicas, las cuales están relacionadas con el procesamiento de minerales con intervención microbiana (biominería) y la biorremediación de ambientes contaminados con metales. Estos procesos mediados por microorganismos se consideran "tecnologías limpias", ya que tienen menores requerimientos energéticos, menores costes y, fundamentalmente, menor impacto ambiental que los procesos no biológicos tradicionales.
En microalgas, la presencia de metales pesados afecta de manera importante al metabolismo celular generando estrés oxidativo y afectando a distintas rutas metabólicas. Por ello, el Capítulo 1 de la presente Tesis Doctoral se ha centrado en el estudio del comportamiento de las células de C. onubensis frente al consumo de diferentes fuentes nitrogenadas (nitrato, amonio y nitrato amónico) a pH neutro (7) y a pH ácido (2,5), también se ha comprobado el efecto que producen el consumo de diferentes fuentes nitrogenadas sobre el pH del medio de cultivo y, además, se ha estudiado cómo distintos metales (cobre, cadmio y mercurio) y metaloides (arsenito y arseniato) actúan sobre el consumo de nitrato y amonio en la microalga. Se ha comprobado que el pH del medio no afecta al consumo de nitrógeno, que el consumo de nitrato basifica el pH del medio de cultivo, y el de amonio lo acidifica; además, el consumo de nitrato es más sensible que el de amonio al estrés metálico. Por otro lado, las microalgas utilizan la síntesis de fitoquelatinas para minimizar los efectos provocados por la exposición a metales, teniendo en cuenta la demanda de glutamato necesaria para la síntesis de las fitoquelatinas. Por ello, en el Capítulo 2 se ha realizado un estudio de tres enzimas del metabolismo del nitrógeno (nitrito reductasa, glutamina sintetasa y glutamato deshidrogenasa) que, de manera directa o indirecta, participan en la síntesis de este aminoácido. Se han caracterizado cinética y molecularmente las enzimas indicadas, y se han comprobado el efecto que sobre ellas provoca el estrés abiótico, comprobándose en general una inhibición de las dos primeras y una activación de la glutamato deshidrogensa. Además, la presencia de metales pesados también provoca un incremento en los niveles de especies reactivas de oxígeno (ROS), siendo el peróxido de hidrógeno (H₂O₂) la especie que desempeña el papel más importante en la señalización de los cambios estresantes debido a su elevada estabilidad y largo tiempo de vida media.
Por ello, en el Capítulo 3 se ha estudiado tres enzimas (catalasa, ascorbato peroxidasa y glutatión reductasa) que, de menera directa o indirecta, participan en la eliminación del H₂O₂. Las enzimas se han caracterizado cinética y molecularmente, observándose un incremento generalizado de las mismas, en especial de la catalasa. Por último, en el Capítulo 4 se ha llevado a cabo un estudio que muestra cómo las condiciones de estrés provocada por los metales pesados y metaloides afectan al crecimiento celular de C. onubensis. Además, con vista a su posible fitorremediador, también se ha estudiado la capacidad bioacumuladora de la microalga cuando se expone a cobre, cadmio, zinc o arsénico, mostrándose C. onubensis como una microalga hiperacumuladora de arsénico, especialmente en ambientes ácidos.
- English
Microalgae are unicellular eukaryotic microorganisms comprising an incredibly diverse group of multiple shapes and sizes and also, being capable of performing oxygenic photosynthesis. Due to its simple cellular structure, chemical energy obtained from the photosynthetic process is preferentially invested to generate new cells. In this sense, photosynthetic microorganisms constitute the basis of every food chain and, therefore, sustaining life on the planet. Among these organisms, some groups can be found under very restrictive natural conditions whose specific physicochemical properties are sometimes considered extreme for life. Accordingly, the most important variables affecting the functions and structures of cellular components and therefore, establishing an environment as extreme are: temperature, pH, pressure, oxygen availability, salinity and exposure to radiation. The natural properties of the ecosystem clearly affect the physiology of these microorganisms, as it occurs to the microalga object of study of the present Thesis. Coccomyxa onubensis Is an acidophilous microalgae isolated from the rio Tinto mining basin (Huelva). In its natural environment, it is capable of growing at acidic pH (approximately 2.5) and at high concentrations of metals. Nowadays, acidophilic microorganisms research presents as an interesting and useful tool with many biotechnological application; for example, mineral processing with microbial intervention (biomineria) and bioremediation of metal-polluted environments. These processes mediated by microorganisms are considered "clean technologies", as they have lower energy requirements, lower costs and, fundamentally, less environmental impact than traditional non-biological processes. In microalgae, the presence of heavy metals significantly affects the cellular metabolism generating oxidative stress and affecting different metabolic pathways. Therefore, Chapter 1 of this Doctoral Thesis has focused on the study of the behavior of C. onubensis cells under different nitrogen sources (nitrate, ammonium and ammonium nitrate) at neutral pH (7) and acid pH (2.5). The effect of the consumption of these nitrogen sources on the pH of the culture medium has also been evaluated. In addition, it has been tested the role of different metals (copper, cadmium and mercury) and metalloids (arsenite and arsenate ) on the nitrate and ammonium employment by the microalga. It has been found that the pH of the medium has no effect on the consumption of nitrogen, that the consumption of nitrate and ammonium basifies and acidifies the pH of the culture medium respectively. Indeed, nitrate consumption is more sensitive than ammonium to metallic stress. On the other hand, microalgae use the synthesis of phytochelatins to minimize the effects caused by exposure to metals, taking into account the demand for glutamate necessary for the synthesis of phytochelatins. In Chapter 2, evaluation of three enzymes, nitrite reductase, glutamine synthetase and glutamate dehydrogenase, which are involved either directly or indirectly in the Nitrogen biosynthesis pathway, has been carried out. The indicated enzymes have been kinetically and molecularly characterized, and the effect of diverse abiotic stress has been tested. Results have shown inhibition of nitrite reductase and glutamine synthetase, and activation of the dehydrogenated glutamate. Additionally, the presence of heavy metals also causes an increase in the levels of reactive oxygen species (ROS), with hydrogen peroxide (H202) acting as the most determinant compound to signal the stressful changes undergone due to their high stability and lasting half-life. In this context, the role of three enzymes, catalase, ascorbate peroxidase and glutathione reductase, known as ROS scavengers, which participate directly or indirectly in the elimination of H202 has been studied in Chapter 3. The enzymes have been characterized kinetically and molecularly, generally displaying a common increase, especially of the catalase. Finally, in Chapter 4, research on the effects of abiotic stress caused by the presence of heavy metals and metalloids on the cellular growth of C. onubensis has been performed. To conclude, the microalga capacity of bioaccumulation when exposed to copper, cadmium, zinc or arsenic has also been studied resulting on arsenic hiperaccumulation on the C. onubensis microalga, specially under acidic culture conditions.
