Microorganismos biorremediadores de jales mineros

La minería aporta buena parte de los materiales necesarios para mantener nuestro estilo de vida: la producción de dispositivos electrónicos (como el que está usted usando para leer este texto), utensilios médicos y maquinaria dependen de ella. Uno de los métodos más empleados en la actualidad es la minería a cielo abierto, que consiste en fragmentar y pulverizar los yacimientos (que puede incluir cerros completos). Posteriormente se usan métodos físicos y químicos, como el magnetismo y sustancias corrosivas como el ácido sulfúrico, para separar y capturar el mineral de interés. 

Esto produce grandes cantidades de residuos sólidos que tienen características tóxicas como una alta acidez y concentraciones elevadas de metales pesados. A estos residuos se les conoce como jales mineros. En la actualidad existen regulaciones legales que exigen que estos residuos sean contenidos de manera apropiada en depósitos especiales. Sin embargo, en todo el mundo (incluyendo China, España y México) existen sitios con jales mineros expuestos que fueron abandonados hace décadas y están generando problemas de salud en las poblaciones aledañas.

Una de estas poblaciones afectadas por jales abandonados es la ciudad de Nacozari de García, Sonora, en donde se ha encontrado que elementos como el cobre y el arsénico están siendo acarreados desde el jal hacia zonas urbanas por efecto del viento. En algunos sitios afectados por este tipo de contaminación, incluyendo el jal de Nacozari de García, se han observado plantas pioneras creciendo sobre jales, lo cual es sorprendente porque las plantas también son sensibles a las características tóxicas de este sustrato. Varios autores han sugerido que estas plantas pioneras podrían ser usadas para establecer una cubierta vegetal sobre los jales y así amortiguar la erosión. A esta estrategia de biorremediación se le llama fitoestabilización. Con esto en mente, los investigadores de los laboratorios de Alelopatía y Ecología de la Biodiversidad del Instituto de Ecología de la UNAM y del Laboratorio de Genómica Ambiental de la Facultad de Ciencias de la UNAM decidieron colaborar para estudiar estas plantas y eventualmente usarlas para fitoestabilizar el sitio.

Como producto de esta colaboración, se realizó y publicó un estudio en el cual se identificaron las especies de plantas que componen la comunidad pionera en el jal de Nacozari de García. Se encontró que cuatro especies de plantas arbustivas dominan esta comunidad y de hecho se están reproduciendo en el sitio. Sin embargo, las semillas de las plantas creciendo dentro del jal son igual de sensibles al sustrato tóxico que las semillas de las plantas creciendo en el suelo nativo de Sonora. Además, el sustrato es igual de tóxico alrededor de las plantas y lejos de ellas (https://ehp.niehs.nih.gov/doi/10.1289/ehp.10608). 

Estos resultados generaron más preguntas sobre los factores que están permitiendo el establecimiento de estas plantas en el jal. ¿Si las plantas no se están adaptando al jal, por qué pueden crecer ahí? ¿Qué otro componente de este ecosistema podría explicar este establecimiento? Como en el Laboratorio de Genómica Ambiental de la Facultad de Ciencias de la UNAM estamos obsesionados con las bacterias, comenzamos a trabajar con la hipótesis de que los microorganismos que conviven con dichas plantas les ayudan a tolerar estas condiciones. Esto, porque sabemos que existen bacterias y hongos que promueven el crecimiento de las plantas y nos interesa mucho estudiarlos, sobre todo las bacterias.

Fue así como nos pusimos nuestras botas de campo, cargamos un tanque con nitrógeno líquido y fuimos a Nacozari de García, Sonora. En este lugar no solo tomamos muestras de las raíces de estas plantas para conocer a los microorganismos por métodos basados en su DNA, sino que también aislamos microorganismos cultivables para poder trabajar con ellos en el laboratorio.

Con el fin de obtener una comunidad de microorganismos que se pueda explotar con fines de biorremediación, la ahora M. en C. Diana Gallego llevó a cabo un experimento de evolución experimental en el cual tomo 235 de los más de 800 aislados de microorganismos y los puso a crecer en un medio de cultivo que solo permitiera sobrevivir a aquellos que pudieran obtener nutrientes a partir de las plantas, que toleraran los componentes tóxicos del jal minero y que sobrevivieran a la competencia con los demás microorganismos. El resultado de este experimento, tras varias semanas de tortura (tanto para Diana como para las bacterias), fue una comunidad sintética con 144 aislados sobrevivientes. 

Para estar seguros de que la comunidad sintética final de hecho promueve el crecimiento de las plantas nativas en el jal (y no solo se las comen vivas), la ahora M. en C. Arely Lechuga realizó un experimento de invernadero en el cual germinó plántulas de la especie más abundante de la comunidad de plantas pioneras y las puso a crecer en sustrato de jal. Como resultado encontramos que bajo ciertas condiciones, las plantas que han sido inoculadas con la comunidad sintética crecen más que las plantas no inoculadas. En el Laboratorio de Genómica Ambiental seguimos trabajando para conocer a esta comunidad y entender mejor su interacción con las plantas para facilitar la fitoestabilización del jal minero en Nacozari de García.

Gracias a estos experimentos obtuvimos evidencias de que los microorganismos, en efecto, tienen un papel positivo en el establecimiento de las plantas en el jal minero. Sin embargo, seguíamos sin saber qué bacterias componen estas comunidades, ni cómo es que sobreviven en los jales, así como tampoco la forma en que ayudan a las plantas a crecer. Para obtener esta información fue necesario recurrir a la secuenciación de DNA metagenómico, que consiste en leer varios pedazos de genomas de muchos (miles) organismos al mismo tiempo y guardarlos en forma de texto en una computadora. Para procesar estas lecturas de DNA fue necesario usar herramientas bioinformáticas que son programas, algoritmos y estructuras de datos especializados para inferir información biológica a partir de los datos de secuenciación.

Fue así como me senté frente a mi computadora por varios meses (¿o fueron años? ¿en qué año estamos?) con el objetivo de conocer estos microorganismos. La inspección taxonómica (para conocer sus nombres y apellidos) nos reveló que en estas comunidades hay bacterias previamente descritas como promotoras del crecimiento como las del género Bradyrhizobium. Como esperábamos, encontramos actinobacterias y proteobacterias en frecuencias muy altas, ya que se han descrito como bacterias de suelos áridos. Aún así, la diversidad de estas comunidades fue relativamente baja: solo observamos 399 géneros bacterianos diferentes en todas las plantas, cuando en otros sitios hemos encontrado miles de géneros de bacterias en simbiosis con plantas (https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2020.542742/full). 

En cuanto a organismos no bacterianos encontramos hongos del género Rhizophagus que han sido previamente descritos como simbiontes benéficos para las plantas. También observamos otra clase de microorganismos llamados arqueas que pueden tolerar condiciones de vida muy extremas en comparación con la mayoría de microorganismos que conocemos y que de hecho podrían estar protegiendo a los otros microorganismos de las condiciones nocivas del jal.

Cuando nos asomamos a ver los genes que tienen estos microorganismos encontramos varios que codifican para proteínas que protegen a las bacterias de elementos nocivos como el arsénico y de las especies reactivas de oxígeno, genes que median la adhesión de las bacterias a las plantas y capturan los metales fuera de las células y, además, genes involucrados en la fijación de nitrógeno, que se sabe que favorecen en gran medida el crecimiento de las plantas. Cuando analizamos la comunidad sintética con métodos basados en DNA total, encontramos que aumentó la frecuencia de genes involucrados en la respuesta a estrés en comparación con la comunidad de 235 aislados.

Gracias a los análisis bioinformáticos pudimos darnos cuenta de que un solo linaje de bacteria terminó dominando la comunidad sintética final en un 60% con respecto al DNA total secuenciado. Usamos el DNA de este linaje para armar un genoma bacteriano y encontramos que efectivamente estas bacterias tienen los genes necesarios para colonizar la superficie de las plantas, promover su crecimiento y amortiguar la absorción de metales pesados. De hecho, su genoma se pareció bastante al de una bacteria previamente descrita como promotora del crecimiento vegetal en suelos de desierto: Enterobacter sp. SA187. Cuando hicimos análisis de genómica comparada con un método que estamos desarrollando en el laboratorio, encontramos que nuestro genoma bacteriano debería pertenecer al género llamado Kosakonia. Así pues propusimos el nombre de Kosakonia sp.Nacozari para este genoma.

Así logramos resolver el misterio de cómo es que los microorganismos contribuyen al establecimiento de estas plantas en el sustrato de jal minero, incluso identificamos a un principal sospechoso: Kosakonia sp. Nacozari. En este trabajo combinamos ciencia básica, como la ecología microbiana, genómica y fisiología vegetal, con ciencia aplicada, como la ingeniería de comunidades, para entender mejor el establecimiento de las plantas en el jal minero. De esta forma estamos contribuyendo a que en un futuro no muy lejano se puedan contener los contaminantes y así proteger a la población de Nacozari de García. Nuestros esfuerzos sirven de antecedente para que sea posible fitoestabilizar otros sitios con problemas similares. 

No queda más que agradecer a la Universidad Nacional Autónoma de México y a los demás colaboradores que trabajaron en este proyecto. Agradecemos al Dr. Julio Campo del Instituto de Ecología, Universidad Nacional Autónoma de México (IE-UNAM), por su ayuda para procesar los jales mineros. También a Rodrigo García Herrera, jefe del departamento de cómputo científico del LANCIS-IE-UNAM, por mantener la infraestructura HTC usada para estos análisis. Agradecemos a Jazmin Blaz por su trabajo técnico y de campo. Este trabajo fue financiado por los proyectos DGAPA-PAPIIT-UNAM IN221420, Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT) Ciencia Básica 237387, DGAPA-PAPIIT-UNAM IN209015, UNAM-UA Consortium on Drylands Research y DGAPA-PAPIIT-UNAM IN207418 (RN207418). Mi papel en esta investigación fue parte de mis estudios de doctorado en el Posgrado en Ciencias Biológicas de la Universidad Nacional Autónoma de México para el cual recibí la beca 692969 de CONACyT.

Este escrito fue producido con fines de divulgación. El artículo de investigación correspondiente se encuentra publicado en una revista especializada y se puede encontrar con la siguiente información:

Romero, M. F., Gallego, D., Lechuga-Jiménez, A., Martínez, J. F., Barajas, H. R., Hayano-Kanashiro, C., Peimbert, M., Cruz-Ortega, R., Molina-Freaner, F. E., & Alcaraz, L. D. (2021). Metagenomics of mine tailing rhizospheric communities and its selection for plant establishment towards bioremediation. Microbiological Research, 126732. https://doi.org/10.1016/j.micres.2021.126732