Deepwater Horizon: La Plataforma Petrolera y el Surgimiento de las Técnicas Ómicas

This is an authorized translation of an Eos article. Esta es una traducción al español autorizada de un artículo de Eos.

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En casi todas partes, los científicos han mirado la superficie de la Tierra o cerca de ella—desde lagos antárticos sepultados sobre hielo, hasta desiertos áridos ultravioleta y ecosistemas que van desde prístinos hasta muy contaminados— y han encontrado abundantes y muy diversas poblaciones de microorganismos. Los microorganismos, o microbios, están en todas partes. Son adaptables y desempeñan papeles clave en el ciclo de los elementos y el funcionamiento del ecosistema en casi todos los entornos de la Tierra.

Los microbios son los grandes descomponedores en los ecosistemas. Descomponen la materia orgánica muerta y moribunda, y reciclan los principales nutrientes para que puedan ser usados por las plantas. Y al reaccionar rápidamente y adaptarse a las condiciones cambiantes, actúan como socorristas para ayudar a restablecer el equilibrio y la estabilidad de los ecosistemas después de perturbaciones como la contaminación o las tormentas catastróficas. Los microbios están, por ejemplo, íntimamente involucrados en las respuestas de los ecosistemas a los derrames de petróleo.

Igual que la materia orgánica derivada de la producción primaria moderna, el petróleo formado a lo largo del tiempo geológico puede actuar como una fuente de carbono que alimenta el crecimiento y el metabolismo microbiano. Los microbios que degradan los hidrocarburos se han estudiado durante décadas y se cree que son ubicuos y diversos, y se han adaptado al consumo de petróleo durante millones de años [Head et al. , 2006]. La biodegradación mediada por comunidades microbianas locales se considera el destino primario de la mayoría del petróleo (petróleo y gas) que ingresa al medio marino a través de mecanismos naturales como las filtraciones [Leahy y Colwell , 1990].

Sin embargo, a medida que los investigadores comenzaron a revelar la complejidad de las comunidades microbianas y los fundamentos ilustrados de cómo operan en las últimas décadas, quedaba poca claridad sobre su estructura y funcionamiento en la naturaleza. La razón de esto fue por la escasez de técnicas para estudiarlos. Debido a su pequeño tamaño, los microbios evaden la observación fácil y la mayoría no puede cultivarse en el laboratorio. En el momento del derrame de petróleo de Exxon Valdez en 1989, por ejemplo, la microbiología ambiental era un campo relativamente nuevo. Pero en la última década, surgieron una variedad de técnicas llamadas ómicas, centradas en analizar la composición genética de las células, y ofrecieron a los investigadores nuevas y poderosas formas de estudiar las comunidades microbianas y los roles desempeñados por grupos específicos de microbios.

Emergen las Técnicas Ómicas

El derrame de petróleo de 2010, Deepwater Horizon (DWH) en el Golfo de México, es la mayor descarga accidental de petróleo en un entorno marino para la cual se realizó un esfuerzo proporcional de respuesta de emergencia. A diferencia del derrame de Valdez, que fue el último derrame importante que afectó a los Estados Unidos antes de 2010, la descarga de DWH ocurrió en aguas profundas, y se usaron volúmenes extraordinariamente grandes de dispersante químico durante los esfuerzos de respuesta de emergencia.

El derrame de DWH también fue el primer desastre ambiental importante donde las tecnologías genómicas habían madurado hasta tal punto que podían desplegarse para cuantificar las respuestas microbianas en grandes escalas espaciales y temporales. Como resultado, el campo de la genómica ambiental maduró durante la última década en paralelo con la respuesta al DWH, esto se puede ver detallado en un informe reciente publicado por la Academia Estadounidense de Microbiología. Los avances técnicos en genómica permitieron análisis directos e integrales de los microbios en su hábitat natural tanto de agua de mar como de sedimentos contaminados con petróleo o no contaminados. Los investigadores que estudiaron los efectos del derrame de DWH presidieron una explosión de datos de genómica microbiana que permitió grandes avances en la ciencia del derrame de petróleo y permitió a los científicos responder a la pregunta: ¿qué microbios hay?, en comunidades complejas con detalles sin precedentes.

La metagenómica, la secuenciación de todos los genes para todos los organismos en una muestra, permitió determinar el rango completo de especies microbianas presentes. También proporcionó evaluaciones del potencial metabólico de estos organismos para llevar a cabo procesos importantes del ecosistema como la fotosíntesis y la degradación de ciertos compuestos de carbono. La aplicación de la metatranscriptómica, la secuenciación de genes activos o expresados, brindó oportunidades para descifrar las funciones o actividades de esos mismos microbios en la naturaleza, esencialmente respondiendo a la pregunta: ¿Qué están haciendo?

Las secuencias de genes se recogen del medio ambiente en fragmentos. Las recientes mejoras en las herramientas de bioinformática, que utilizan la informática de alto rendimiento para unir estos fragmentos en los genomas de especies microbianas individuales, han permitido a los científicos reconstruir genomas microbianos a gran escala, revelando la increíble diversidad y complejidad de las comunidades microbianas.

A través de un enfoque de sistemas que incorpora, la genómica junto con el conocimiento y las herramientas de una variedad de otras disciplinas (como la biogeoquímica y la oceanografía), los investigadores ahora pueden monitorear y evaluar la salud del ecosistema, e identificar alteraciones que de otro modo pasarían desapercibidas mediante el análisis de poblaciones microbianas que pueden actuar tanto como administradores, como bioindicadores de los ecosistemas. Con estos esfuerzos, los ecosistemas globales pueden protegerse mejor y, cuando sea necesario, restaurarse frente a diversos factores de estrés ambiental.

Descubrimientos Transformadores

Antes de 2010, la mayoría de los estudios de microbios asociados con derrames de petróleo se realizaban cultivándolos en el laboratorio utilizando cultivos puros o enriquecimientos . En consecuencia, teníamos una comprensión muy limitada de los tipos y la distribución de los microorganismos que degradan el petróleo, y de lo que realmente hacen en el medio ambiente, porque la gran mayoría de los microorganismos en el medio natural aún no se han cultivado. Pero a raíz del derrame de DWH, las asociaciones científicas multidisciplinarias permitieron descubrimientos transformadores que detallan cómo los microbios responden a las descargas de petróleo y facilitan la recuperación del ecosistema.

Muchas de estas asociaciones fueron respaldadas por la Iniciativa de Investigación del Golfo de México (GoMRI), creada con un compromiso de $ 500 millones por 10 años de BP para financiar un programa de investigación científica independiente dedicado a estudiar los impactos y la mitigación de derrames de petróleo, particularmente en el Golfo de México. GoMRI ha financiado 17 consorcios internacionales y miles de investigadores.

Armados con herramientas de genómica, los investigadores de GoMRI demostraron que los microbios que degradan el petróleo son, de hecho, casi ubicuos, se encuentran en casi todo el mundo en baja abundancia, incluso cuando el petróleo crudo está ausente. Estos microbios, que forman parte del grupo de especies de baja abundancia conocido como “la biosfera rara”, albergan una capacidad metabólica especializada para utilizar el petróleo como fuente de alimento, una capacidad que puede activarse rápidamente tras la exposición al petróleo [ Kleindienst et al. , 2015].

Desde aguas oceánicas profundas hasta sedimentos costeros poco profundos, las bacterias que degradan los hidrocarburos respondieron profundamente a la contaminación por hidrocarburos después del derrame de DWH, aumentando en abundancia y expresando genes involucrados en el metabolismo de los hidrocarburos durante días o meses. Se demostró en algunos casos que las comunidades microbianas estaban compuestas de hasta un 90% de especies degradantes del petróleo después de la exposición a los hidrocarburos [ Kleindienst et al. , 2015; Huettel y col. , 2018].

Con el tiempo, las sucesiones de poblaciones microbianas florecieron a medida que consumieron los diferentes compuestos de hidrocarburos del petróleo y respondieron a factores ambientales [Kostka et al. , 2011; Yang y col. , 2016; Kleindienst y col. , 2015]. La investigación de genómica reveló que diferentes especies microbianas están adaptadas para degradar tipos específicos de compuestos de hidrocarburos (por ejemplo, gases naturales, alifáticos de cadena lineal o aromáticos ) dependiendo de las condiciones ambientales como la temperatura y la disponibilidad de nutrientes. Estos descubrimientos subrayan la capacidad natural de los microbios en el Golfo de México y en otros lugares para bio-remediar hidrocarburos de petróleo.

Cómo el Petróleo Afecta los Ecosistemas

Los científicos han planteado la hipótesis de que el destino y los impactos del petróleo en los ecosistemas están determinados por las interacciones entre las características físicas y químicas del medio ambiente y por la química de los hidrocarburos y los procesos biogeoquímicos que en gran parte están mediados por microbios. Sin embargo, la complejidad de estas interacciones ha afectado nuestra capacidad de descifrar exactamente cómo el petróleo afecta el funcionamiento del ecosistema.

El petróleo puede ser una fuente de alimento para algunos microbios, pero puede ser tóxico para otros y provocar efectos adversos en los servicios de los ecosistemas mediados por microbios, como la descomposición de la materia orgánica y la regeneración de nutrientes. Después de la descarga de DWH, los investigadores de GoMRI observaron a través de múltiples líneas de evidencia que los hidrocarburos líquidos y gaseosos del derrame entraron rápidamente en la red alimentaria microbiana y persistieron durante años [Fernández-Carrera et al. 2016; Rogers y col. , 2019; Chanton y col. , 2020], con importantes implicaciones para el ciclo del carbono y los nutrientes a través del medio ambiente. La investigación habilitada por la genómica reveló, por ejemplo, que las funciones del ecosistema relacionadas con el ciclo microbiano del nitrógeno se vieron drásticamente afectadas por el petróleo.

Por ejemplo, una serie temporal metagenómica reveló un aumento en la abundancia de genes que codifican para la fijación de nitrógeno (a través de la enzima nitrogenasa) que coincidió con un aumento en los genes relacionados con las vías de degradación de hidrocarburos [Rodriguez-R. et al. , 2015]. Este aumento se disipó cuando el aceite y los compuestos de hidrocarburos asociados desaparecieron. Además, la abundancia de genes relacionados con la degradación de clases específicas de hidrocarburos, como alcanos y aromáticos policíclicos, podría correlacionarse directamente con las concentraciones de las clases correspondientes.

Los datos genómicos fueron corroborados por la investigación con trazadores isotópicos, que mostraron la incorporación de nitrógeno inorgánico en la red alimentaria microbiana [Fernández-Carrera et al. , 2016]. Los microbios fijadores de nitrógeno, también llamados diazotrofos, son bien conocidos por apoyar el crecimiento de los cultivos en los ecosistemas agrícolas y la producción fotosintética en el océano abierto [Zehr et al. ,2016], pero la fijación de nitrógeno por degradadores de petróleo en respuesta a la exposición a hidrocarburos es un nuevo descubrimiento. El reconocimiento de que las bacterias que degradan el petróleo pueden abastecerse de nitrógeno indica que la red alimentaria microbiana puede compensar, al menos en cierta medida, los flujos de petróleo pobre en nutrientes. Los estudios de los investigadores de GoMRI revelaron que, a medida que la diversidad microbiana general disminuía en ambientes contaminados con petróleo, el aceite seleccionado para unas pocas especies microbianas muy abundantes con la capacidad dual de fijar nitrógeno y degradar el petróleo.

“Super Bicho” Descubierto

Fertilizar el agua con nitrógeno y fósforo para estimular el crecimiento microbiano es una estrategia común de biorremediación para la limpieza de derrames de petróleo. Se usó, por ejemplo, durante el derrame de Valdez en 1989 [Bragg et al. , 1994]. Pero los fertilizantes son costosos y difíciles de aplicar a grandes escalas y pueden tener consecuencias no deseadas en el ecosistema. Por lo tanto, los profesionales encargados de limpiar después de los derrames de petróleo sueñan con una “superbacteria”, una que sea nativa del ambiente contaminado y capaz de eliminar todos los componentes del petróleo y generar sus propios nutrientes.

La naturaleza puede haber proporcionado tal organismo. Guiados por datos de campo metagenómicos, los investigadores de GoMRI unieron los genomas de microbios que se cree que son diazotróficos que también degradaron el petróleo en los sedimentos marinos. Después de observar los metabolismos potenciales de estos microbios, aislaron un microorganismo particular de las muestras de campo. Utilizaron hexadecano, un hidrocarburo, como única fuente de carbono y energía y no proporcionaron nitrógeno [Karthikeyan et al. , 2019]. La secuenciación confirmó que el genoma del microbio recién aislado, KTK-01, contiene genes que codifican para la  fijación de nitrógeno y las vías de degradación de hidrocarburos, así como para la producción de biosurfactantes, los cuales juntos facilitan el crecimiento en un ambiente aceitado limitado en nitrógeno.

Las comparaciones con genomas disponibles de estudios previos, revelaron que el microbio recién aislado, llamado provisionalmente Candidatus Macondimonas diazotrophica por el aceite de Macondo que se descargó durante el desastre de DWH, representa un género nuevo de Gammaproteobacteria, una clase que incluye Escherichia coli y Salmonella , entre muchos otros. El examen también reveló una distribución notable de secuencias idénticas o casi idénticas a las de KTK-01 en sedimentos contaminados con hidrocarburos de ecosistemas costeros de todo el mundo: los microbios con genomas que coinciden con esta secuencia a menudo constituían aproximadamente el 30% de sus comunidades totales, pero eran casi ausente en sedimentos vírgenes o agua de mar. Por lo tanto, Macondimonas parece desempeñar un papel ecológico clave en las respuestas naturales a los derrames de petróleo en los entornos costeros de todo el mundo y podría ser un organismo modelo útil para seguir estudiando dichas respuestas.

Biomarcadores de Contaminación de Petróleo

El objetivo final de la investigación genómica respaldada por GoMRI es traducir los hallazgos genómicos en información procesable para ayudar a los científicos a monitorear y restaurar la salud del ecosistema ante desastres naturales o provocados por el hombre. Mediante el examen de los organismos, genes y vías metabólicas presentes en las comunidades microbianas, los investigadores pueden tomar el pulso de un ecosistema e identificar déficits o ganancias funcionales en las comunidades que afectan la salud general del ecosistema. Tales indicadores genómicos sirven como biomarcadores para guiar las estrategias de mitigación, de la misma forma que los análisis de sangre pueden indicar a los médicos el diagnóstico de enfermedades y las opciones de tratamiento.

Durante la respuesta al DWH, las técnicas de genómica microbiana han demostrado el potencial de desarrollar proxys genéticos o biomarcadores efectivos para registrar los aportes de petróleo, los regímenes de exposición y la degradación de hidrocarburos. Las alteraciones del ecosistema inducidas por el petróleo fueron identificadas por una reducción en la diversidad comunitaria, el crecimiento excesivo de ciertas especies o la aparición de nuevos genes, vías metabólicas y funciones del ecosistema. Por ejemplo, se demostró que Macondimonas domina las comunidades microbianas en las arenas de las playas aceitadas, y un gran aumento en la abundancia de genes de fijación de nitrógeno significó la limitación de nutrientes e interrupciones en el ciclo del nitrógeno iniciado por la lubricación [Karthikeyan et al. , 2019]. Además, una disminución en la abundancia de microorganismos quimiolitoautotrófico nitrificantes en sedimentos aceitados seguidos del rebote de estos microbios en las arenas recuperadas, proporcionaron evidencia de la recuperación del esocsistema Huettel et al. , 2018].

Preparación para la Respuesta y Restauración

Los esfuerzos apoyados por GoMRI para caracterizar las respuestas de las comunidades microbianas en los ecosistemas del Golfo de México después del derrame de petróleo de DWH, generaron conocimiento con impactos de largo alcance e impulsaron una gran cantidad de descubrimientos. Y las herramientas y enfoques recientemente desarrollados han demostrado la prueba de principio para la implementación como parte del kit de herramientas de respuesta a emergencias.

La necesidad de seguir investigando en estas áreas es grande porque el riesgo de futuros derrames de petróleo como DWH permanece, mientras la industria petrolera continúa aprovechando pozos marinos ultraprofundos para la producción de petróleo y gas, y porque los dispersantes químicos, que pueden ser tóxicos para los organismos, siguen siendo la principal estrategia de respuesta. Pero las lecciones aprendidas de la investigación de DWH hasta ahora se pueden aplicar al desarrollo de nuevas estrategias de mitigación y mejoras en las capacidades predictivas para responder a futuras perturbaciones ambientales, como las causadas por eventos climáticos extremos o cambio climático.

Por primera vez, es posible un enfoque basado en datos para la respuesta y mitigación de derrames de petróleo. Con herramientas genómicas avanzadas y experiencia científica, los microbiólogos pueden analizar rápida y económicamente muestras de campo para proporcionar información esencial sobre los ecosistemas microbianos antes, durante y después de los derrames.

Visualizamos un futuro en el que las mediciones ómicas permitan evaluar los riesgos ambientales, identificar los déficits del ecosistema, seleccionar los planes de mitigación apropiados y monitorear la recuperación del ecosistema, y ​​en el que los científicos desempeñen funciones clave para informar a los profesionales a fin de mejorar la respuesta y la preparación para la restauración ante futuros desastres ambientales.

References

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Kostka, J. E., et al. (2011), Hydrocarbon-degrading bacteria and the bacterial community response in Gulf of Mexico beach sands impacted by the Deepwater Horizon oil spill, Appl. Environ. Microbiol., 77, 7,962–7,974, https://doi.org/10.1128/AEM.05402-11.

Leahy, J. G., and R. R. Colwell (1990), Microbial-degradation of hydrocarbons in the environment, Microbiol. Rev., 54, 305–315, https://doi.org/10.1128/MMBR.54.3.305-315.1990.

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Rogers, K. L., et al. (2019), Sources of carbon to suspended particulate organic matter in the northern Gulf of Mexico, Elementa Sci. Anthropocene, 7(1), 51, https://doi.org/10.1525/elementa.389.

Yang, T., et al. (2016), Pulsed blooms and persistent oil-degrading bacterial populations in the water column during and after the Deepwater Horizon blowout, Deep Sea Res., Part II, 129, 282–291, https://doi.org/10.1016/j.dsr2.2014.01.014.

Zehr, J. P., et al. (2016), Unusual marine unicellular symbiosis with the nitrogen-fixing cyanobacterium UCYN-A, Nat. Microbiol., 2(1), 16214, https://doi.org/10.1038/nmicrobiol.2016.214.

Author Information

Joel E. Kostka (joel.kostka@biology.gatech.edu), Georgia Institute of Technology, Atlanta; Samantha Joye, University of Georgia, Athens; y Rita Colwell, University of Maryland, College Park

Text © 2020. The authors. CC BY-NC-ND 3.0
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