¿Corrientes Eléctricas en Suelos y Sedimentos?

En los ambientes reductores, anóxicos, carentes de oxigeno, o anaerobios de los suelos y sedimentos, abundan los organismos denominados quimioautótrofos, que extraen de los sustratos minerales energía para su metabolismo. Se trata de la denominada  quimiosíntesis. Durante las últimas décadas, los científicos han prestado mucha atención a tales microbios, por cuanto nos pueden informar sobre la vida primordial de la Tierra, o la que pudiera acaecer en otros planetas. En ambos casos, el oxígeno se encuentra ausente de su atmósfera. La noticia que ofrecemos hoy es demasiado técnica, pero nos informa de que en tales ambientes, estudios previos señalan la posible existencia de corrientes eléctricas en los sedimentos marinos, que bien pudieran acaecer en los suelos terrestres hidromorfos. Tal curiosidad ha despertado mi atención. ¿Sería posible la transmisión de información entre los microorganismos del suelo por esta vía? ¿Habrían inventado ya las bacterias ancestrales tal tipo de comunicación, que si sabemos que es posible entre las células que constituyen los tejidos de organismos complejos? De momento se trata de “ciencia ficción”, a la espera de posibles descubrimientos que ratifiquen la ubicuidad e importancia de tal proceso.

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Bacterias quimiolitótrofas. Fuente: Lab Spaces

 

Desde luego, no conozco el caso de ningún edafólogo electrocutado :)

Realmente he meditado si editar un post sobre este tema, por cuanto, hoy por hoy, no pasa de ser una mera curiosidad para el lector que no atesore un gran conocimiento de la bioquímica y geoquímica de suelos y sedimentos. Los autores nos informan de que los ácidos húmicos (polímeros generados en la descomposición de materia orgánica, muy abundantes en el medio edáfico y de gran importancia en la génesis de los agregados del suelo) estimulan el metabolismo de las bacterias que extraen su energía del hierro, otro elemento muy abundante en los suelos. Hasta ahora, se conocía tal hecho en las sustancias húmicas disueltas, pero no en las que “dicen” encontrarse en “estado sólido”. De hecho estos polímeros, son geles, no sólidos propiamente dichos, como también ocurre con las arcillas.

Arcillas, compuestos húmicos y hierro son muy abundantes en la edafosfera. Cuando los microorganismos terrestres, hace cientos de millones de años, comenzaron a desarrollar un metabolismo oxidativo, este era secuestrado por los depósitos de hierro, pasando de su forma reducida a otra oxidada. Se ha venido defendiendo, que el por aquel entonces, este peligroso contaminante (el oxígeno), no afluía a la atmósfera, en virtud de tal mecanismo. Empero los depósitos de hierro de hierro reducido terminaron por oxidarse en tal medida que el letal oxígeno comenzó a desprenderse hacia la atmósfera, contaminándola, dañando las formas de vida primitiva y dando lugar a un brutal salto evolutivo, tras una enorme crisis de la biodiversidad precedente. Empero también tal atmósfera cambió gran parte de los procesos geosféricos precedentes, dando lugar a nuevos tipos de alteraciones biogeoquímicas y de nuevos suelos. Veamos ahora que nos dice la Wikipedia española de estos microorganismos quimioautótrofos.

“Los organismos quimioautótrofos o quimiolitótrofos son aquéllos capaces de utilizar compuestos inorgánicos reducidos como substratos para el metabolismo respiratorio. Es una facultad exclusiva de las bacterias conocida con el nombre de quimiosíntesis”.

Al igual que los fotoautótrofos (como algas y plantas) los quimioautótrofos utilizan el CO2 como fuente principal de carbono, pero a diferencia de ellos, no utilizan la luz como fuente de energía sino que la obtienen por oxidación de compuestos inorgánicos reducidos, tales como NH3, NO2-, H2, formas reducidas del azufre (H2S, S , S2O3-) o Fe2+. Su carbono celular deriva del CO2 y es asimilado mediante las reacciones del ciclo de Calvin, de modo análogo a las plantas. Como resultado de su capacidad distintiva de crecer en medios estrictamente minerales, en ausencia de luz, estos organismos son denominados con frecuencia quimiolitótrofos (de lithos, roca).

Por el contrario, los organismos quimioheterótrofos (o simplemente heterótrofos), como los animales y los hongos, oxidan moléculas orgánicas reducidas, como la glucosa (vía glucólisis), los triglicéridos (vía beta oxidación) o los aminoácidos (vía desaminación oxidativa) para obtener energía metabólica (ATP) y poder reductor; además, son incapaces de usar del CO2 como fuente de carbono.

Del mismo modo, al referirse a aquellos microorganismos que extraen su energía de los minerales de hierro, Wikipedia nos informa (in formación un tanto pobre y sesgada), entre otros aspectos, de que:

Las bacterias del hierro oxidan compuestos de hierro ferroso (Fe2+) a férricos (Fe3+) con lo que transforman depósitos de carbonato de hierro en yacimientos de óxido de hierro. (…) El hierro ferrosos se oxida espontáneamente a pH neutro, pero no a pH ácido, con lo que estas bacterias deben vivir en ambientes ácidos para su supervivencia; Acidithiobacillus ferrooxidans vive en las aguas que se escurre por las galerías de las minas de carbón, que es con frecuencia ácidas y contienen hierro ferroso.

El estudio realizado parece llegar a la conclusión de que las sustancias húmicas estimulan el metabolismo de este tipo de bacterias quimiolitótrofas, que a su vez se vuelven más reactivas al ganar electrones, cambiando, en cierta medida, la visión que atesorábamos de la biogeoquímica en edafología y sedimentalogía. Sería algo así como si tales compuestos orgánicos actuaran  a modo de catalizadores, en el sentido amplio del término, incrementando colateralmente el ambiente “eléctrico” (trasiego de electrones) en los suelos y sedimentos reducidos. Dicho de otro modo, a mayor cantidad de biomasa muerta (es decir necromasa) mayor actividad de los microorganismos quimiolitotrofos, siempre en situaciones de carencia de oxígeno. Personalmente, no os puedo decir más, por cuanto disto mucho de ser experto en el tema. Al parecer los ambientes reductores son mucho más “electrificantes” que los oxidativos. Y lo dicho: ¿tales señales eléctricas podrían desempeñar algún papel de comunicación entre las comunidades bacterianas?. ¿Podrían detectarse en otros mundos señales de vida mediante sensores que nos den cuenta de su electricidad? Pero de ser así, estas deberían ser más pronunciadas con abundancia de materia orgánica (de las sustancias húmicas generadas por su descomposición), por lo que los indicios de la existencia de formas de vida podrían detectarse mediante una u otra vía. ¿O no?. Sinceramente no lo desconozco. Se admiten todo tipo de elucubraciones bien razonadas, porque quizás las mías no lo sean. Os dejo ya con la noticia original.

Juan José Ibáñez    

Organic Solids In Soil May Speed Up Bacterial Breathing

Terradaily: by Staff Writers; Madison WI (SPX) May 26, 2010

Iron is both highly reactive and very abundant on Earth, making it a key element for understanding the chemistry, biology, and geology of natural environments. The “mineral-breathing” bacteria found in many oxygen-free environments may be “carbon-breathing” as well.

Oxygen-free, or anaerobic, environments contain microbes sometimes described as “mineral-breathing” because they use iron oxides and other minerals in the same way we use oxygen. According to a study published online in the journal Nature Geoscience, this bacterial respiration may be accelerated by solid organic compounds in the soil. Led by University of Wisconsin-Madison geoscientist Eric Roden, the new work shows that iron oxide-breathing bacteria can do the same with insoluble organic substances, formed when plants and other organic materials biodegrade in soils and sediments. During respiration, the bacteria release electrons that interact with nearby substances, a process called reduction.

Reduction of large organic molecules - called humics and familiar to gardeners as part of planting soil – represents a new pathway for electrical charges to move around in the environment, with implications for understanding soil chemistry and environmental contamination.

“The reason this is so important is that when the humic substances are reduced – that is, when they go from having less electrons to having more electrons – they are very reactive with other things, in particular iron oxides,” says Roden, an expert on sediment geochemistry and microbiology.

“All kinds of things follow iron oxides – organic contaminants, inorganic contaminants, energy flow, mineral transformations on Earth, speculation about possible iron-based microbial life on other worlds,” Roden says. Insoluble organic compounds in the soil are a “player in that whole picture that no one had recognized before.”

Similar reactions had previously been described with dissolved organic compounds, Roden says, but insoluble ones likely play a larger role in natural environments. “Most of the organic material in soil and sediment is not in solution. It’s the gunk at the bottom of the lake, the dirt, the muck in the wetlands.”

He and colleagues in Madison and Germany analyzed the insoluble humics by adapting existing techniques, including electron spin resonance and transmission electron microscopy, to confirm that the organic compounds receive electrons from the bacteria and pass them along to iron oxides.

In fact, the electrons shuttle more quickly from the cells to iron oxides when humics are present, Roden says. A group of Dutch scientists recently found electrical currents flowing through marine sediments. Though he has not yet tested the idea, Roden suggests that plant-derived organic compounds could act like wires to enhance the transmission of electrons through soil environments.

“The insoluble humic materials could be an integral part of this previously unrecognized pathway for electrons to move around in sediments,” he says. “The bottom line is that reduction of insoluble humics may influence all the kinds of reactions that depend on the oxidation-reduction chemistry in sediments. It’s a new twist.”

The paper was co-authored by Huifang Xu and Hiromi Konishi of UW-Madison; Andreas Kappler, Iris Bauer, and Jie Jiang of Eberhard-Karls-University in Tuebingen, Germany; Andrea Paul of the BAM Federal Institute for Materials Research and Testing in Germany; and Reinhard Stoesser of Humboldt University Berlin. Funding was provided by the U.S. Department of Energy, National Science Foundation, German Federal Ministry for Science and Education, German Research Foundation, and Stifterverband der Wissenschaft.

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