Identificación de cianobacterias y optimización de su cultivo para restaurar la biocostra en suelos semiáridos degradados
- Autores: Beatriz Roncero Ramos
- Directores de la Tesis: Yolanda Cantón Castilla (dir. tes.), Sonia Chamizo de la Piedra (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Almería ( España ) en 2019
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Eduardo Fernández Valiente (presid.), María Josefa López López (secret.), Miriam Muñoz Rojas (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencias Aplicadas al Medio Ambiente por la Universidad de Almería
- Materias:
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- Resumen
Las tierras secas, que representan más del 40% de la superficie de la Tierra, son sistemas terrestres críticos debido a su baja disponibilidad de agua (Prăvălie 2016). El cambio climático y la intensificación del uso del suelo están provocando la degradación de 12 millones de hectáreas de tierras secas al año (Brauch & Spring 2009), por lo que es urgente restaurarlas. Sin embargo, las estrategias de restauración tradicionales, basadas en el establecimiento de una cubierta vegetal, suelen fracasar por las condiciones ambientales tan extremas. Por lo tanto, alternativas más viables son necesarias.
Una de las comunidades clave, que se ven afectadas por la degradación de las tierras secas, son las biocostras. Algunos de los organismos que habitan estas comunidades son los líquenes, briófitos, microalgas, cianobacterias, hongos y bacterias heterótrofas, los cuales colonizan el primer centímetro de la superficie del suelo en los espacios entre plantas (Belnap et al. 2016). Un descenso de la cobertura de las biocostras (Rodríguez-Caballero et al. 2018) podría modificar el balance de agua (Chamizo et al. 2016), los ciclos biogeoquímicos (Elbert et al. 2012) y la estabilidad y fertilidad del suelo (Beraldi-Campesi et al. 2009; Rodríguez-Caballero et al. 2012). Durante las últimas décadas, se han desarrollado nuevas técnicas para acelerar su recuperación natural o inducir la formación de biocostras artificiales (Weber et al. 2016; Zhao et al. 2016). Una de ellas consiste en inocular suelos con cianobacterias (Rossi et al. 2017), ya que están adaptadas a ambientes extremos. Estas bacterias fotoautótrofas fijan CO2, y algunas también N2, mejorando la fertilidad del suelo (Belnap 2003). Excretan exopolisacáridos que promueven la estabilidad del suelo y reducen la pérdida de humedad (Rossi & De Philippis 2015). Además, algunas cianobacterias producen escitonemina, un pigmento fotoprotector contra la radiación UV (García-Pichel & Castenholz 1991). Así mismo, su metabolismo está activo sólo cuando hay agua disponible, permaneciendo en un estado latente en momentos de sequía (Rajeev et al. 2013). También establecen relaciones de sintropía y competencia con otros organismos, como las bacterias heterótrofas, lo que influye en la comunidad microbiana del suelo (Baran et al. 2015; Maier et al. 2018). Por último, las cianobacterias facilitan la sucesión de organismos más desarrollados, como líquenes o musgos (Weber et al. 2016).
El primer paso en el proceso de inoculación es la selección de la cepa de cianobacteria a inocular, en consorcio o individualmente. Deben ser nativas y, por tanto, haber sido aisladas de biocostras de los suelos a restaurar, para evitar la introducción de especies nuevas en el ecosistema y emplear cepas adaptadas a esas condiciones ambientales concretas (Giraldo-Silva et al. 2019). En los últimos años, se han publicado muchos análisis de la composición de comunidades de cianobacterias en biocostras (Williams et al. 2016; Chilton et al. 2017; Mogul et al. 2017; Muñoz-Martín et al. 2019), que han aportado información útil para la selección de cepas adecuadas para la restauración del suelo. Otro factor a tener en cuenta para la selección es su viabilidad para ser aisladas y cultivadas en condiciones de laboratorio, así como una producción de biomasa eficiente. Finalmente, las características ecofisiológicas de cada especie deberían tenerse también en cuenta, como su capacidad para producir compuestos clave, por ejemplo, escitonemina o exopolisacáridos, o para fijar nitrógeno.
Una vez que las cepas de cianobacterias han sido seleccionadas, se tiene que producir la biomasa necesaria para inocular los suelos. La inoculación de áreas grandes conlleva la optimización de la producción de biomasa con el objetivo de desarrollar un método sostenible y eficiente. A pesar de que ya se han conseguido varias mejoras, como el uso de luz solar o aguas residuales, en lugar de agua dulce, para producir el medio de cultivo (Rossi et al. 2017; Wu et al. 2018), más esfuerzos son necesarios para reducir el coste e incrementar la eficiencia del proceso de producción.
Además, en varios estudios ya se han inoculado suelos con cianobacterias para inducir la formación de biocostra artificial. La mayoría de ellos se han hecho en laboratorios o invernaderos y algunos a escala de campo (ej. Chen et al. 2006; Wang et al. 2009; Wu et al. 2013). Se ha demostrado que distintas cepas de cianobacterias, como Microcoleus spp., Phormidium spp., Nostoc spp. or Scytonema spp., colonizaron con éxito distintos tipos de suelo (Hu et al. 2002; Román et al. 2018; Chamizo et al. 2018). También se ha probado que mejoraron varias funciones del suelo, como su fertilidad (Muñoz-Rojas et al. 2018), estabilidad (Mugnai et al. 2018), el secuestro de polvo (Hu et al. 2002) o el descenso en la erosión hídrica y eólica (McKenna Neuman et al. 1996). Por otro lado, la mayoría de los factores analizados, que influyen en el éxito de la inoculación, han sido abióticos, como el riego o la incorporación de fertilizantes (Maestre et al. 2006), mientras que el efecto de los factores bióticos apenas ha sido estudiado.
El objetivo principal de esta tesis era identificar cianobacterias y optimizar su cultivo para su uso como bio-inóculos con el fin de restaurar de suelos semiáridos degradados. Para conseguirlo, se han llevado a cabo todos los pasos del proceso descrito. Primero, se identificaron, mediante el método polifásico, cepas de cianobacterias de biocostras en tres sitios de estudio con distintos niveles de degradación del sudeste de España: una cantera caliza (Gádor), El Cautivo (desierto de Tabernas) y Las Amoladeras (Parque Natural Cabo de Gata-Níjar). Segundo, se analizó la composición de la comunidad de cianobacterias mediante la secuenciación del gen 16S del ARNr del ADN total de biocostras para apoyar la selección de la cepa a inocular. Una cianobacteria filamentosa y heterocistosa, Nostoc commune, fue seleccionada por su presencia en todos los sitios de estudio, capacidad para fijar N2 y viabilidad para ser cultivada en condiciones de laboratorio. Entonces, se optimizó la producción de su biomasa mediante el uso de medios de cultivo más baratos hechos con fertilizantes, en lugar de los tradicionales hechos con reactivos químicos y más caros. Después, la biomasa obtenida fue inoculada en el mismo tipo de suelo del que fue aislada para determinar su efecto en las propiedades del suelo. Finalmente, la presencia o ausencia de la comunidad indígena del suelo y su interacción con la cianobacteria inoculada fue analizada mediante la inoculación de la misma cepa sobre suelos esterilizados y no esterilizados, caracterizados por tener distintos niveles de degradación. Este factor biótico se estudió para evaluar la influencia de la comunidad indígena del suelo en el éxito de la inoculación, lo que es de interés para determinar el éxito de esta técnica en condiciones de campo.
Nuestros resultados muestran los tres grupos principales de cianobacterias que pudieron ser aislados e identificados de biocostras del sudeste español: las cianobacterias filamentosas no heterocistosas (Leptolyngbya frigida y Oculatella kazantipica), las que tienen varios tricomas en una misma vaina (Microcoleus steenstrupii, Trichocoleus desertorum y Schizothrix cf. calcicola) y las heterocistosas (Nostoc commune, Scytonema hyalinum y Tolypothrix distorta) (CAPÍTULO I). Además, el análisis de la composición de la comunidad de cianobacterias de biocostras mostró que las unicelulares/coloniales eran también abundantes pero difíciles de aislar. Estos análisis también mostraron que la riqueza específica de cianobacterias disminuyó y su composición cambió conforme aumentaba la degradación del suelo. Así mismo, las especies dominantes en las biocostras más degradadas fueron Leptolyngbya frigida y Trichocoleus desertorum, lo que sugiere que están mejor adaptadas a condiciones más altas de estrés, y, por tanto, son potencialmente mejores candidatas para la inoculación del suelo (CAPÍTULO II). No obstante, debido a su rápido crecimiento y capacidad para fijar nitrógeno, Nostoc commune, fue seleccionada para llevar a cabo los experimentos de inoculación en laboratorio. En primer lugar, se optimizó la producción de esta cepa para futuras restauraciones a gran escala y se obtuvo un modelo de crecimiento mediante el uso de medio de cultivo hecho con fertilizantes en lugar de químicos, disminuyendo así el coste del medio en 295 € ha-1. La inoculación de la biomasa obtenida mostró que cuando N. commune fue producido en un medio hecho con fertilizantes, dio lugar a las mayores mejoras en las propiedades del suelo, como un incremento en el contenido en carbono orgánico y exopolisacáridos del suelo de 8.9 g kg-1 y 2.2 mg g-1, respectivamente, y el valor más bajo de albedo (17.6%). Además, la inoculación por separado de N. commune y del medio, hecho con fertilizantes, sobrante después de recolectar la biomasa, mostró que el medio solo no produjo cambios significativos en las propiedades del suelo, pero contribuyó al rendimiento de la cianobacteria cuando se inocularon juntos (CAPÍTULO III). Finalmente, la inoculación de esta cepa tuvo éxito tanto en ausencia como presencia de la comunidad indígena de dos tipos de suelo, sin verse afectada por distintas frecuencias de riego. Sin embargo, la interacción entre N. commune y la comunidad indígena del suelo fue diferente dependiendo de las características fisicoquímicas del suelo. En suelos menos degradados, la interacción modificó positivamente las propiedades del suelo, como el contenido en carbono orgánico y exopolisacáridos. Por otro lado, en suelos más degradados, la interacción entre los dos dio lugar a una menos cobertura de cianobacterias. En conclusión, esta cepa puede ser utilizada para inocular incluso suelos inertes, pero sería recomendable el análisis de la comunidad del suelo antes de inocular, para planear mejor el método de restauración (CAPÍTULO IV).
En resumen, los descubrimientos de esta tesis implican un avance en nuestro conocimiento de las comunidades de cianobacterias del sudeste español y un uso óptimo de cepas clave para restaurar suelos degradados mediante su inoculación. En primer lugar, se han identificado las especies de cianobacterias que colonizan las biocostras de la región más árida de Europa, aportando información valiosa con relación a su morfología y distribución. Esto es de interés para ampliar nuestra comprensión de las dinámicas de sucesión de las biocostras de estas zonas y sus efectos en las funciones del suelo. Además, se ha secuenciado el gen 16S del rRNA de las cepas aisladas, aumentando así las bases de datos genéticas públicas, lo que apoyará futuras identificaciones de cianobacterias. También se han analizado las comunidades de cianobacterias de biocostras en suelos con distinto nivel de degradación, contribuyendo a la identificación de especies que puedan ser más resistentes a la degradación y, por tanto, mejores candidatas para ser utilizadas en la restauración de suelos degradados. Así mismo, la optimización de la producción de biomasa de cianobacterias ayudará a que este método sea más rentable y aplicable en ensayos de restauración a gran escala. Además, el éxito de la inoculación en laboratorio de suelos de regiones semiáridas del Mediterráneo, las cuales son muy vulnerables a la degradación, prueba la viabilidad de aplicar esta técnica en estas zonas. Nuestros resultados muestran la capacidad de N. commune de mejorar las propiedades del suelo, especialmente el contenido en carbono orgánico, después de inocular distintos tipos de suelos bajo diferentes niveles de degradación. También señalan la importancia de analizar la comunidad indígena del suelo antes de inocular para planificar una restauración con éxito. Por último, los resultados de esta tesis sientan la base para aplicar este método de forma más exitosa y eficiente a escala de campo.
