Grupos microbianos de relevancia ecológica

En esta Tesis se consideraron especialmente dos grupos de microorganismos frente a tratamientos con el herbicida glifosato, tanto en suelo rizosférico (Capítulo 4) como no rizosférico (Capítulos 2 y 3): Actinobacteria y los microorganismos oxidantes del amoníaco (MOA). En el primer caso, los análisis realizados fueron sólo a nivel de abundancia. En el segundo caso, se estudió la abundancia de bacterias y de arqueas oxidantes del amoníaco (BOA y AOA, respectivamente) como así también la estructura de la comunidad de BOA (PCR-DGGE).

Diversos aspectos, mencionados a continuación, justifican la consideración de estos dos grupos microbianos como posibles indicadores del impacto de glifosato.

41 4.6.1 Microorganismos oxidantes del amoníaco (MOA)

El ciclo del nitrógeno (N) tiene una importancia fundamental en la productividad de ecosistemas naturales y agrícolas. La nitrificación y la desnitrificación son las dos principales transformaciones del N en el suelo. La nitrificación es el proceso de oxidación autotrófica del amonio a nitrito y luego a nitrato. En particular, la regulación de la nitrificación es considerada el paso clave para un eficiente ciclado del N, ya que en contraste con otros pasos del ciclo del N, sólo un número limitado de microorganismos es capaz de convertir el amonio en nitrato. El paso limitante en la nitrificación es la oxidación de amonio a nitrito, el cual se oxida rápidamente a nitrato por los microorganismos oxidantes del nitrito (Kowalchuk y Stephen, 2001). La oxidación de amonio en los suelos es mediada por la actividad de bacterias y arqueas oxidantes del amonio (BOA y, AOA, respectivamente; Prosser y Nicol, 2012). Aunque se conocen algunas pocas especies de bacterias heterótrofas nitrificadoras, la vasta mayoría son procariotas aerobios quimiolitoautotróficos que tienen la capacidad de usar amonio como única fuente de energía y dióxido de carbonocomo fuente de carbono (C) (Kowalchuk y Stephen, 2001). En las BOA y AOA, el amonio primero es oxidado por la enzima de membrana amonio-monooxigenasa. Los genes que codifican para esta enzima forman parte del operón amoCAB. En particular, el gen amoA ha sido extensamente estudiado como biomarcador para estudiar la diversidad de las BOA (Kowalchuk y Stephen, 2001; Junier et al., 2010). Se ha postulado a los cambios en el número de MOA y en la composición de especies como indicadores in situ del impacto biológico de contaminantes y como indicadores finales (endpoints) en la recuperación de ambientes contaminados (Kowalchuk y Stephen, 2001), ya que son especialmente sensibles a metales pesados (Zn; Mertens et al., 2006), herbicidas (Hendricks y Rhodes, 1992; Hernández et al., 2011: Feld et al., 2015), fungicidas (Puglisi et al., 2012) e hidrocarburos (Deni y Penninckx, 1999).

Las pérdidas de nitrógeno producidas por procesos de nitrificación rápidos y desregulados constituyen un problema de gran relevancia ambiental. Esto es particularmente preocupante para los suelos que se encuentran bajo los sistemas de intensificación agrícola modernos donde cerca de un 95% del nitrógeno total circula a través de la vía de nitrificación-denitrificación. Como consecuencia de ello, los suelos se caracterizan por una baja recuperación de N y de eficiencia de uso del mismo (Subbarao et al., 2015). Conocer los factores que afectan el proceso de nitrificación en estos sistemas y que impactan sobre los grupos microbianos involucrados en él es fundamental tanto por su importancia en la bioquímica del suelo como por la sensibilidad de los MOA como indicadores frente a pesticidas. En este sentido, el estudio de los efectos del glifosato en comunidades microbianas nitrificantes del suelo debe comenzar a estudiarse en mayor

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profundidad. El primer reporte sobre el tema tuvo lugar recientemente (Zabaloy et al., 2016b), hasta el momento los MOA no habían sido considerados como un blanco de estudio frente a glifosato pese a que otros pesticidas habían mostrado efectos significativos (Hernández et al., 2011, Feld et al., 2015).

Los estudios de impacto de glifosato llevados a cabo a partir del Capítulo 2 de esta Tesis incluyen a las BOA y AOA dentro de los grupos seleccionados como indicadores microbiológicos.

4.6.2 Actinobacteria

El filo Actinobacteria es uno de los fila bacterianos dominantes en diversos nichos ecológicos como los encontrados en ambientes acuáticos y terrestres, comprendiendo diversos géneros de bacterias gram positivas como así también gram-variables. Sus miembros se caracterizan por un complejo ciclo de vida que puede incluir tanto esporas en dormición como así también formas filamentosas de crecimiento activo. Constituye un filo de gran relevancia ecológica, predominante de la microbiota del suelo, donde lleva a cabo importantes funciones para su fertilidad a través de la degradación de la materia orgánica y formación de humus, desempeñando un papel central en diversos procesos biológicos como los ciclos biogeoquímicos, la promoción del crecimiento vegetal y la biorremediación (ElTarabily y Sivasithamparam, 2006; Anandan et al., 2016;). Debido a esta amplia distribución en ambientes terrestres respecto de otros fila y a su múltiples roles ecológicos, la inclusión de este grupo microbiano es de especial importancia en el análisis de impacto frente a pesticidas. No obstante, además de los mencionados roles, una de las razones principales que justifica el análisis de este grupo microbiano se basa en la reconocida capacidad de Actinobacteria de producir y secretar una amplia gama de metabolitos y enzimas que tienen el potencial de influenciar notablemente a otros miembros de las comunidades microbianas. Son antagonistas de diversos microorganismos a través de la producción de diversos metabolitos secundarios (Karlovsky, 2008) y/o la secreción de enzimas que inhiben el crecimiento (Suneetha y Zaved, 2011). Así, por ejemplo, en suelos con una alta densidad poblacional de actinobacterias se ha observado inhibición del crecimiento de rizobacterias afectando negativamente la nodulación (Pereira et al., 1999). Por lo tanto, un incremento o disminución de la abundancia Actinobacteria frente a tratamientos con glifosato podría repercutir indirectamente en la estructura de las comunidades microbianas.

Como se mencionará en la próxima sección, los antibióticos podrían tener diversas funciones a las concentraciones sub-inhibitorias a las que normalmente se encuentran en el

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suelo, entre ellas la señalización y la modulación. Dado que las actinobacterias son prolíficas productoras de diversos tipos de antibióticos, la modificación en su abundancia dentro de las comunidades podría derivar en diversas modificaciones estructurales y funcionales. Asimismo, en relación con el modo de acción del glifosato (véase Sección 1.2), el glifosato inhibe una enzima clave en la síntesis de aminoácidos aromáticos que está presente tanto en plantas como en bacterias. Se cree que el modo de acción no sólo estaría relacionado con la imposibilidad de síntesis de dichos aminoácidos sino también con el secuestro de C necesario para otras vías biosintéticas (Duke y Powles, 2008). La consideración de ambos efectos bioquímicos permite pensar que el glifosato podría afectar no sólo la síntesis de aminoácidos aromáticos sino también la biosíntesis de compuestos importantes que derivan de ellos, como por ejemplo, ciertos antibióticos naturales. El trans- cinamato, por ejemplo, proviene de la desaminación de la fenilalanina y es un precursor de ciertos antibióticos naturales a través de reacciones catalizadas por policétido sintasas (PKSs) de tipo II.