Los habitantes de ríos agrios, volcánicos y ardientes

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El Río Agrio nace del cráter del volcán Copahue, en la provincia de Neuquén, en la Patagonia Argentina. De bajo perfil comparado con Río Tinto, en España, y con las fuentes hidrotermales del Parque Nacional Yellowstone, en Estados Unidos, está igualmente habitado por microorganismos procariotas que toleran altas temperaturas y medios extremadamente ácidos.

Metabolismos para armar

Las capacidades metabólicas de los procariotas, conocidos vulgarmente como “bacterias” y actualmente clasificados dentro de dos grupos: Bacterias y Arqueas, son deslumbrantes.

Los organismos vivos necesitan indispensablemente cubrir dos necesidades metabólicas básicas: obtener energía en forma de ATP (adenosín trifosfato) y proveerse de compuestos carbonados simples a partir de los cuales sintetizan moléculas más complejas.

Las células contienen una variedad de proteínas y moléculas muy específicas que forman vías y ciclos de reacciones enzimáticas igualmente intrincados e interesantes que se encargan de estas tareas con una eficiencia envidiable.

Una explicación sencilla que podríamos dar de los reactivos y productos de estas reacciones químicas sería decir que la célula parte de un compuesto “donante de electrones” que en nuestro caso son los azúcares y las grasas que ingerimos en la dieta, cuyos electrones, luego de muchos pasos e intercambios, son transferidos finalmente a otra molécula “receptora de electrones”, el oxígeno.

Como subproductos de estas reacciones químicas conjuntas, expiramos dióxido de carbono y generamos agua.

En muchos organismos fotosintéticos, el “donante de electrones” es el agua y el “receptor de electrones” es el dióxido de carbono. Como subproductos se generan el oxígeno que respiramos y los azúcares como el almidón.

En el caso de las bacterias y las arqueas, los posibles “donantes de electrones” son moléculas de las más diversas: hidrógeno molecular, metano, ácido sulfhídrico, compuestos orgánicos y amoníaco, por nombrar algunos. Mientras que entre las moléculas “receptoras de electrones” contamos con: sulfato, oxígeno, nitrato, dióxido de carbono y hierro en su forma oxidada.

Las combinaciones que se dan entre los donantes y los receptores de electrones son demasiadas, más aún si tenemos en cuenta que en los últimos años se descubrieron nuevas categorías taxonómicas de arqueas y bacterias.

Esta excepcional diversidad metabólica nos permite explicar sus múltiples hábitats: las bacterias y arqueas pueden ser encontradas casi en cualquier parte, a diferencia del resto de los seres vivos, porque pueden utilizar una enorme variedad de moléculas como donantes y receptores de electrones.

Geografía de Río Agrio

Para ilustrar la expresión “casi en cualquier parte”, que podría resultar poco científica, voy a contarles acerca de los microorganismos procariotas que se encuentran en Río Agrio. Comenzaré por la geografía del lugar.

El Río Agrio nace en el Complejo Volcánico Copahue-Caviahue conocido también como Caldera del Agrio que se encuentra al Noroeste de la provincia de Neuquén, en la zona de transición entre los Andes Centrales y los Andes Patagónicos, Argentina.

Vertientes sobre el flanco este del volcán Copahue, curso del río Agrio superior y lago Caviahue. Se indican valores de temperatura y pH. Modificado de Agusto y Vélez, 2017..

El Volcán Copahue, localizado a 2800 metros sobre el nivel del mar y actualmente activo, cuenta con una laguna en su cráter cuyo aspecto es turbio y sus aguas son de color gris-verdoso interrumpidas por planchas flotantes de azufre de color amarillo. Es una salmuera ácida, con valores de pH inferiores a 1 y se encuentra a una alta temperatura.

De esta laguna tan particular, parten dos vertientes ácidas y calientes que confluyen para formar las nacientes del Río Agrio Superior cuya temperatura varía de acuerdo a la actividad volcánica entre los 20ºC en los períodos de baja actividad, hasta los 70ºC en los períodos donde la actividad es máxima. Estas vertientes desembocan en el Lago Caviahue.

Del Lago Caviahue parte el Río Agrio Inferior, el Arroyo Trolope vierte sus aguas en él y, a 1 km de esta confluencia, está el Salto del Agrio y el río seguirá su curso hasta unirse al Río Neuquén.

¿Cómo se relaciona la geografía del Río con el metabolismo de las bacterias?

Río Agrio presenta una peculiaridad que lo hace especialmente atractivo para personas proclives a hacer muchas preguntas. No todos los Ríos nacen en volcanes activos y no todos los ríos presentan un ¡gradiente de pH y temperatura natural!

Antes de seguir, el pH es una medida de la concentración de hidronios (H3O+) en una muestra líquida. Podría usar el resto del artículo para hablar del pH pero a fines prácticos es lo que nos dice que el jugo de limón es ácido (valores de pH bajos), el agua potable neutra (pH = 7) y varios de los productos de limpieza, alcalinos (valores de pH altos). Nuestro cuerpo realiza la mayoría de sus reacciones a un controladísimo valor de pH = 7,40, una variación en los decimales de este valor obliga a nuestro organismo a realizar compensaciones. Un gradiente de pH es un cambio de pH en función de la distancia.

Fotografía del Río Agrio Inferior en Neuquén, Argentina. Créditos: Brenda Castelli.

Retornando al Río Agrio, es notable que a medida que se aleja de su fuente geotérmica la temperatura del agua baja considerablemente debido a la presencia de vertientes tributarias cuya agua proviene del deshielo y, consecuentemente, su temperatura es comparativamente más baja. Debemos resaltar, sin embargo, que el agua se mantiene aún muy ácida, con valores de pH cercanos a 1 en Río Agrio Superior.

Fotografía del Salto del Agrio en Neuquén, Argentina. Créditos: Brenda Castelli.

Otros parámetros fisicoquímicos a destacar son su marcada conductividad y alta concentración de sulfatos, hierro y cloruros.

Las muestras tomadas en la parte media del Río Agrio Superior indican que la entrada de agua proveniente de tres vertientes tributarias elevan el pH a valores comprendidos entre 1,7 y 2, es decir, se vuelve menos ácido.

El Lago Cavihaue, de origen glaciario, presenta valores de pH entre 2,1 y 3,7 y una temperatura aproximadamente de 8ºC.

El único efluente del lago, Río Agrio Inferior, continúa su curso hacia el norte y alcanza valores de pH de 3,7. Las márgenes se observan rojizas-anaranjadas debido a la precipitación del metal hierro III como hidróxido férrico. Finalmente, el Río Agrio Inferior alcanza la neutralidad (pH próximo a 7) antes de unirse al Río Neuquén.

¿Qué organismos se desarrollan en un hábitat tan singular?

La respuesta es obvia, -los microorganismos que mencioné antes-, ¿cómo hacen para mantenerse con vida?, no tanto.

Los siguientes diagramas detallan con círculos rojos los taxones en que han sido ubicados los microorganismos identificados en el Río Agrio. El enfoque utilizado para alcanzar estas determinaciones involucró tanto técnicas basadas en el cultivo de los microorganismos como así también la secuenciación del gen 16S rRNA (presente en todos los seres vivos según la evidencia acumulada hasta el momento).

Diagrama que detalla las categorías taxonómicas asignadas a las bacterias identificadas en Río Agrio.

Como mencioné antes, hay dos grandes grupos de “bacterias”, las Eubacterias o “Bacterias”, a secas, y las “Arqueas”.

Dentro de los pertenecientes al dominio Bacteria (ver diagrama de arriba) se encontraron las del género Acidithiobacillus (At.) que se caracteriza por especies quimiolitoautotróficas, lo que significa que oxidan o toman electrones de moléculas inorgánicas generando ATP a partir de la respiración celular mientras que generan sus propios esqueletos carbonados fijando dióxido de carbono. Son acidófilas o “amantes del ácido”. En este género podemos encontrar las especies At. thiooxidans, At. ferrooxidans, At. caldus, At. ferrivorans y At. albertensis que pueden tomar electrones del azufre elemental, oxidándolo y la mayoría son mesofílicas, es decir, crecen óptimamente en temperaturas moderadas (entre 20ºC y 40ºC).

El género Acidiphiliumse compone de un grupo de bacterias acidófilas que preferentemente utilizan compuestos carbonados como donores de electrones (son quimioorganotróficas) o pueden oxidar azufre elemental. Además, cuentan con la maquinaria celular para fijar dióxido de carbono y para sintetizar sus propios esqueletos carbonados.

En cuanto al género Leptospirillum, este contiene especies quimiolitoautotróficas. Por un lado, oxidan moléculas inorgánicas como el hierro II y generan sus propios compuestos orgánicos básicos a partir de la fijación de dióxido de carbono.

Las especies del género Sulfobacillus son oxidantes del azufre elemental y del hierro II mientras que las pertenecientes al género Ferrimicrobium sólo pueden tomar electrones del hierro II.

Diagrama que detalla las categorías taxonómicas asignadas a las archaeas identificadas en Río Agrio.

Si nos detenemos a examinar los procariotas clasificados dentro del Dominio Archaea (ver diagrama de arriba) encontramos al género Ferroplasma que contiene a un grupo de archaeas acidofílicas, litoautotróficas capaces de oxidar hierro y pirita y de sintetizar esqueletos carbonados a partir de la fijación de dióxido de carbono.

Pasando al género Acidianus, este contempla un grupo de archaeas acidofílicas, termófilas (amantes de las altas temperaturas) cuya temperatura de crecimiento óptimo es mayor a los 60ºC, capaces de tomar electrones o ceder electrones al azufre elemental dependiendo de la disponibilidad de oxígeno molecular y de la presencia de un dador de electrones apropiados (para el caso en que el azufre elemental juegue el rol de aceptor de electrones).

Por último, el género Sulfolobus concentra especies termófilas, acidófilas que puede utilizar tanto azufre elemental como hierro II como dador de electrones.

Río Agrio es un ambiente con un bajo contenido en compuestos carbonados lo que se refleja en la ausencia de especies estrictamente heterotróficas (que no puedan fijar dióxido de carbono y dependan de tomar esqueletos carbonados del medio).

¿Qué tienen de particular estos microorganismos?

El hecho de que estos organismos puedan utilizar distintas moléculas como dadores y aceptores de electrones sería algo así como si los seres humanos pudieran, en ausencia de oxígeno (O2), metabolizar a nivel celular nitrógeno molecular (N2), el principal componente del aire.

Los lugares que habitan son acordes a sus necesidades

La distribución de los microorganismos (agrupándolas en oxidantes del azufre o del hierro) a lo largo de Río Agrio Superior es acorde a sus necesidades metabólicas. Si nos detenemos a analizar, por ejemplo, el caso de las especies pertenecientes al género Leptospirillum, puede notarse que, al ser oxidantes de hierro II estricto, esta especie se concentra en las regiones del naciente y en la parte media de Río Agrio Superior donde el pH es más ácido. A medida que se suma el agua de los tributarios, el pH aumenta, la disponibilidad de hierro II disminuye (comienza a precipitar) y estas bacterias desaparecen.

Para preservar la biodiversidad, primero hay que comprenderla

El conocimiento sobre los organismos procariotas nos acerca a dilucidar el origen de la vida. Sus aplicaciones potenciales son incalculables. Actualmente son utilizados en una gran variedad de procesos biotecnológicos como ser la elaboración de cervezas y vinos, la biorremediación ambiental y en el método de Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR, por sus siglas en inglés).

Estudiar formas de vida que se desarrollen a temperaturas superiores a 90ºC, allá por el año 1964, en el Parque Nacional Yellowstone, pudo parecer una pérdida de tiempo y dinero para algunas personas… Sin embargo, hoy, los frutos de ese estudio constituyen el fundamento de la técnica PCR, principal método de identificación de SARS-CoV-2.

En palabras del Dr. Bernardo A. Houssay: “Algunos alardean de prácticos y sólo se interesan por cosas aplicadas. Ignoran que no hay ciencias aplicadas sino aplicaciones de las ciencias y que todos los descubrimientos importantes derivan de investigaciones desinteresadas, que buscan la verdad por la verdad misma: así el radio, la asepsia, el tratamiento de la diabetes”.

Bibliografía consultada:

  • Freeman, Scott (2009). Biología. Miguel Martín-Romo. (Madrid: Pearson Educación), 566-590.
  • Urbieta M.S., Willis Porati G., Segretín A.B., González-Toril E., Giaveno M.A. y Donati E.R. (2015).  Copahue Geothermal System: A Volcanic Environment with Rich Extreme Prokaryotic Biodiversity. Microorganism. 3, 344-363.
  • Dopson M. y Barrie Johnson D. (2012). Biodiversity, metabolism and applications of acidophilic sulfur-metabolizing microorganism. Environmental microbiology. doi:10.1111/j.1462-2920.2012.02749.x.
  • Agusto M., Caselli A., Tassi F., Dos Santos Afonso M. y Vaselli O. (2012) Seguimiento geoquímico de las aguas ácidas del sistema Volcán Copahue-Río Agrio: posible aplicación para la identificación de precursores eruptivos. Revista de la Asociación Geológica Argentina 69 (4): 481 – 495.
  • Agusto, M. (2011). Estudio geoquímico de los fluídos volcánicos e hidrotermales del Complejo Volcánico Copahue- Caviahue y su aplicación para tareas de seguimiento. (Tesis doctoral). Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Buenos Aires.
  • Agusto, M. y Vélez, M. (2017) Avances en el conocimientos del sistema volcánico-hidrotermal del Copahue: a 100 años del ttrabajo pionero de Don Pablo Groeber. Revista de la Asociación Geológica Argentina 74 (1): 109 – 124. 

Brenda Castelli Trucco

Autora: Brenda Castelli Trucco

Estudiante de Bioquímica en la Universidad Nacional de Rosario, Argentina

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