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Importancia ecológica de las cianobacterias

En artículos anteriores hemos hablado de aplicaciones biotecnológicas de las cianobacterias. Colonización de Marte, obtención de biocombustibles, uso como biofertilizantes, producción de suplementos alimenticios o síntesis de compuestos con aplicaciones farmacológicas son solo algunos ejemplos del potencial de estos organismos. Sin embargo, el estudio de las cianobacterias no solo tiene interés por estas aplicaciones, sino que estos organismos poseen una gran importancia ecológica y ambiental en los ecosistemas. ¿Quieres saber por qué? Pues lo vemos a continuación.

Las cianobacterias: escribiendo la historia de nuestro planeta

Las cianobacterias han sido testigos y protagonistas de la historia de nuestro planeta desde hace miles de millones de años. Estos microorganismos son considerados unos de los primeros habitantes de la Tierra, con una antigüedad que se remonta a más de 3.500 millones de años. Su presencia desde los albores de la vida ha sido crucial para la evolución y el desarrollo de otros seres vivos en nuestro planeta.

Las cianobacterias desempeñaron un papel fundamental en la formación de la atmósfera terrestre tal como la conocemos hoy en día. Estos organismos desarrollaron la capacidad de llevar a cabo la fotosíntesis, un proceso que les permite utilizar la energía luminosa para sintetizar sus propios nutrientes a partir de dióxido de carbono y agua, liberando oxígeno en el proceso.

El desarrollo de la fotosíntesis supuso un punto de inflexión en la historia de nuestro planeta, ya que hasta entonces la atmosfera de nuestro planeta era reductora, es decir, carecía de oxígeno. La acumulación de oxígeno generó una atmósfera oxidante, lo que permitió el desarrollo de organismos aeróbicos que podían usar el oxígeno como combustible en la respiración para obtener energía, como hongos, peces, aves, reptiles y mamíferos, y sentó las bases para la diversificación de la vida en la Tierra.

Figura 1. La atmósfera tal y como la conocemos se originó gracias a la actividad fotosintética de las cianobacterias.
Fuente: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Top_of_Atmosphere.jpg

Además de su contribución a la formación de la atmósfera como la conocemos en la actualidad, las cianobacterias también han dejado su huella en la historia geológica de nuestro planeta. A lo largo de millones de años, estas bacterias fotosintéticas han contribuido a la formación de estromatolitos, estructuras rocosas formadas por sedimentos que se van depositando con el paso del tiempo a causa de la existencia de comunidades de cianobacterias. Los estromatolitos son testimonio de la presencia de cianobacterias en los mares y océanos primitivos y son considerados unos de los primeros registros de vida en la Tierra.

Figura 2. Las cianobacterias, mediante la fotosíntesis, captan de la atmósfera grandes cantidades de dióxido de carbono para formar carbonatos que, al precipitar, dan lugar a la formación de los estromatolitos.
Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Stromatolites_in_Sharkbay.jpg

Las cianobacterias no solo han influido en la historia de nuestro planeta, sino que también continúan desempeñando un papel fundamental en los ecosistemas actuales. Su capacidad de llevar a cabo la fotosíntesis las convierte en organismos clave en la cadena alimentaria, siendo los productores primarios en muchos ecosistemas. Además, su presencia y actividad influyen en la calidad del agua y en la biodiversidad de los ecosistemas acuáticos y terrestres.

La fotosíntesis: fijación de carbono y producción de oxígeno a partir de la luz

Uno de los rasgos característicos de las cianobacterias es su capacidad para realizar la fotosíntesis, que es responsable de una gran parte de la producción de oxígeno en la Tierra. Se estima que aproximadamente la mitad del oxígeno liberado en la atmósfera proviene de la actividad fotosintética de las cianobacterias, lo cual es esencial para la respiración de otros seres vivos, incluidos los seres humanos.

Además de producir oxígeno, la fotosíntesis de las cianobacterias también es crucial para la fijación de carbono. Estos organismos son capaces de capturar el dióxido de carbono atmosférico y convertirlo en compuestos orgánicos como los azúcares, que son fundamentales para el crecimiento y desarrollo de otros seres vivos en los ecosistemas acuáticos y terrestres. Los compuestos orgánicos producidos por las cianobacterias son liberados al medio ambiente y se convierten en fuente de alimento para otros organismos, como zooplancton, peces y otros microorganismos.

Se inicia así una cadena trófica que se extiende a lo largo de los ecosistemas acuáticos y terrestres y, de esta manera, las cianobacterias desempeñan un papel clave en el ciclo global del carbono y en el establecimiento de las cadenas tróficas. Además, su capacidad de capturar el CO2 atmosférico también tiene un impacto beneficioso a nivel medioambiental pues a medida que convierten el CO2 en compuestos orgánicos, ayudan a reducir la concentración de este gas de efecto invernadero en la atmósfera. Esto es crucial para el equilibrio climático, ya que altas concentraciones de CO2 contribuyen al calentamiento global y al cambio climático.

Figura 3. La fotosíntesis permite a las cianobacterias emplear la energía proporcionada por la luz solar para producir materia orgánica a partir de dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) , al tiempo que se libera oxígeno (O2).
Fuente: elaboración propia

Fijación de nitrógeno: un poder al alcance de pocos

Además de su actividad fotosintética, las cianobacterias tienen una habilidad al alcance de pocos organismos: la fijación de nitrógeno atmosférico. A diferencia de muchos otros organismos, que dependen de compuestos nitrogenados presentes en el suelo o en el agua, las cianobacterias son capaces de capturar el nitrógeno atmosférico y convertirlo en formas utilizables por otros seres vivos.

La fijación de nitrógeno es un proceso bioquímico complejo que requiere la presencia de una enzima llamada nitrogenasa, que solo está presente en algunas bacterias, entre las que se encuentran las cianobacterias. Esta enzima tiene la capacidad de romper la fuerte triple unión entre los átomos de nitrógeno gaseoso y convertirlos en compuestos nitrogenados más fácilmente asimilables por otros organismos.

Figura 4. Detalle del centro activo de la nitrogenasa, donde tiene lugar la ruptura del triple enlace de la molécula de nitrógeno atmosférico.
Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:The_FeMo_cofactor_of_
nitrogenase,_((R-homocitrate)MoFe7S9C).png

No obstante, esta enzima presenta una peculiaridad, y es que es extremadamente sensible al oxígeno. Dado que en el caso de las cianobacterias se produce oxígeno durante la fotosíntesis, las cianobacterias han desarrollado dos estrategias para poder hacer ambos procesos. La primera es la separación temporal, que consiste en llevar a cabo la fotosíntesis por el día y la fijación de nitrógeno por la noche. La segunda se denomina separación espacial y consiste en llevar a cabo la fijación de nitrógeno en células especializadas llamadas heterocistos.

En condiciones de deficiencia de nitrógeno algunas cianobacterias filamentosas son capaces de diferenciar algunas de las células de sus filamentos a heterocistos. Estas células sufren varios cambios morfológicos y metabólicos para poder llevar a cabo la fijación de nitrógeno. Se sintetizan dos gruesas envueltas alrededor de la célula que impiden la entrada del oxígeno y se desmantela la maquinaria fotosintética para disminuir la producción de este gas. De esta forma se crea un ambiente anaeróbico en el que la nitrogenasa puede llevar a cabo la fijación de nitrógeno.

Figura 5. Algunas cianobacterias como Anabaena sp. PCC 7120, en condiciones de deficiencia de nitrógeno, son capaces de diferenciar algunas de sus células a heterocistos (flecha), células especializadas en la fijación de nitrógeno atmosférico.
Fuente: Elaboración propia

La fijación de nitrógeno realizada por las cianobacterias es de vital importancia para la disponibilidad de este elemento en los ecosistemas acuáticos y terrestres. El nitrógeno es un elemento esencial para los seres vivos, pues es necesario para la síntesis de proteínas o del ADN, y su disponibilidad limitada puede limitar el crecimiento y desarrollo de las plantas y otros organismos.

Las cianobacterias desempeñan por tanto un papel crucial en la fertilización de los suelos y en el enriquecimiento de los nutrientes en los ecosistemas acuáticos. Gracias a su capacidad de fijar nitrógeno, estas bacterias contribuyen a mejorar la fertilidad del suelo, promoviendo el crecimiento de las plantas y la producción de alimentos, y de hecho se ha propuesto su uso como biofertilizantes. Además, en los cuerpos de agua, la fijación de nitrógeno por las cianobacterias puede aumentar la disponibilidad de nutrientes para otros organismos, estimulando la biodiversidad.

Maestras de la supervivencia presentes en todos los rincones del planeta

Las cianobacterias son auténticas maestras de la supervivencia y han logrado colonizar prácticamente todos los rincones del planeta. Estos microorganismos se encuentran en una amplia variedad de hábitats, desde océanos y lagos hasta suelos áridos y rocas, pasando por desiertos, fuentes hidrotermales o incluso el permafrost ártico. Su capacidad de adaptación a diferentes condiciones ambientales les permite sobrevivir en entornos extremos y competir con otros organismos por recursos limitados.

En los océanos y mares, las cianobacterias marinas son muy abundantes y desempeñan un papel esencial en la productividad y el equilibrio ecológico del ecosistema. Su actividad fotosintética posibilita la producción de oxígeno y la fijación de CO2 a azúcares y aminoácidos, sustentando así el desarrollo de otros organismos en estos ecosistemas. Dado que el 70 % de la superficie terrestre son océanos, la importancia ecológica de estos organismos es incuestionable. De hecho, se estima que más de la mitad del oxígeno de nuestra atmósfera se produce en los océanos.

Figura 6. Las cianobacterias marinas son responsables de la producción de la mayor parte del oxígeno de nuestro planeta.
Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pexels_of_sea.jpg

Las cianobacterias también son capaces de colonizar tierras áridas y rocas, siendo fundamentales para la formación y estabilización de suelos que permitan el desarrollo de otras formas de vida. Las cianobacterias secretan sustancias pegajosas denominadas exopolisacáridos y dan lugar a agrupaciones que reciben el nombre de biofilms. Esto les ayuda a retener la humedad y los nutrientes en los suelos, facilitando la colonización y el desarrollo de otros microorganismos y plantas.

En ambientes acuáticos dulces, como lagos y ríos, las cianobacterias también están presentes y desempeñan importantes papeles como productores primarios. Sin embargo, es crucial que su población esté controlada, ya que una proliferación masiva da lugar a floraciones o blooms, que tienen un impacto negativo en el ecosistema.

Los excesos nunca fueron buenos: florecimientos o blooms de cianobacterias

Cuando se dan condiciones favorables, como altas temperaturas y altos niveles de nutrientes, las cianobacterias que habitan en ríos y lagos pueden experimentar un crecimiento descontrolado y desmesurado, formando blooms o florecimientos masivos.

Estos blooms de cianobacterias pueden tener consecuencias negativas para los ecosistemas acuáticos y para la salud humana. Al proliferar en grandes cantidades, las cianobacterias pueden impedir la difusión de oxígeno y agotar el oxígeno disuelto en el agua, creando zonas hipóxicas que son perjudiciales para la vida acuática. Además, como se comentó en artículos anteriores, algunas especies de cianobacterias pueden producir toxinas que reciben el nombre de cianotoxinas y que son perjudiciales para otros organismos, representando un riesgo para la salud humana y animal.

Los blooms de cianobacterias también pueden afectar la calidad del agua, volviéndola turbia y de mal olor. Estos eventos pueden tener un impacto negativo en la recreación y el turismo en áreas costeras y lacustres, así como en la producción de agua potable, ya que las cianobacterias y sus toxinas pueden acumularse en los sistemas de abastecimiento de agua.

Figura 7. El crecimiento desmesurado de las cianobacterias da lugar a las floraciones o blooms, que pueden alterar el equilibrio de los ecosistemas.
Fuente: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:CyanobacteriaLamiot2009_07_26_290.jpg

Para prevenir y controlar los blooms de cianobacterias, es importante tomar medidas de gestión adecuadas. Esto incluye la reducción de la contaminación de nutrientes, como el exceso de fertilizantes y la descarga de aguas residuales en los cuerpos de agua. También se pueden implementar técnicas de tratamiento del agua, como la filtración y la aplicación de productos químicos que inhiban el crecimiento de las cianobacterias.

Conclusiones

Las cianobacterias son organismos con una gran importancia ecológica y ambiental que han estado presentes y han dejado su huella en la historia de nuestro planeta desde los albores de la vida en la Tierra.

Gracias a su actividad fotosintética fijan carbono y producen oxígeno, desempeñando un papel crucial como productores primarios de los ecosistemas y siendo la base de muchas cadenas tróficas. Además al llevar a cabo la fotosíntesis también contribuyen a la disminución de los niveles de CO2 atmosférico, contribuyendo así a paliar las consecuencias negativas de este gas de efecto invernadero sobre el medio ambiente.

Algunas especies tienen también la capacidad de fijar nitrógeno atmosférico, enriqueciendo los suelos y promoviendo la disponibilidad de este nutriente esencial para el resto de organismos del ecosistema. Además, su habilidad para adaptarse y sobrevivir en una amplia variedad de hábitats las convierte en maestras de la supervivencia y en actores clave en los ecosistemas acuáticos y terrestres. Sin embargo, pese a su importancia en los ecosistemas, el exceso de cianobacterias, al que se denomina floración o bloom puede tener efectos negativos.

En resumen, las cianobacterias son organismos muy versátiles y ubicuos que son esenciales para la vida en la Tierra. Su historia milenaria y su papel actual en los ecosistemas resaltan su importancia y nos recuerdan la necesidad de cuidar y conservar estos microorganismos fundamentales para la vida en nuestro planeta.

Artículo editado por Equipo de Microbacterium

Bibliografía

Paerl, H.W., and Otten, T.G. (2013) Harmful Cyanobacterial Blooms: Causes, Consequences, and Controls. Microbial Ecology 65: 995-1010.

Tang, W., Wang, S., Fonseca-Batista, D., Dehairs, F., Gifford, S., Gonzalez, A.G. et al. (2019) Revisiting the distribution of oceanic N2 fixation and estimating diazotrophic contribution to marine production. Nature Communications 10: 831.

Whitton, B., and Potts, M. (2002) The Ecology of Cyanobacteria: Their Diversity in Time and Space.

Jorge Guío Martínez

Jorge Guío Martínez

Biotecnólogo y biólogo molecular investigando mecanismos de regulación génica en cianobacterias || "Sic parvis magna (La grandeza nace de pequeños comienzos)" - Sir Francis Drake

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