Del olor a tierra mojada a la transmisión aérea de las bacterias patógenas del suelo

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Fuente: Google imágenes

Ya os hemos narrado en otros post, actualmente se reconoce que los microorganismos viven en una biosfera y edafosfera globalizadas, siendo transportados por el aire a largas distancias, ya sean patógenos o no.  También pueden llovernos ranas, peces sapos y ¿culebras?, como os narramos e uno de los post previamente aludidos. Eso sí, el hombre y su alocada tecnología intenta emularlos de la forma más sangrienta, como esas bombas y misiles que también diluvian sobre las cabezas de muchos pobres o desheredados de la Tierra.

Hoy os vamos a mostrar un curioso trabajo que pretende explicar cómo pudieran dispersarse los microorganismos desde el suelo, a través del aire, tras los impactos de las gotas de lluvia, incluidos los que inducen enfermedades patogénicas. El contenido se basa en la siguiente nota de prensa reproducida y traducida de la original que llevaba por título: “A light rain can spread soil bacteria far and wide” (Una llovizna también puede ser un medio para la propagación lejana y amplia de bacterias), aparecida en el boletín de noticias TerraDaily, Como veis, el título no nos informa de novedad alguna, aunque la noticia “creo que sí”. Tan solo os traduzco los fragmentos más interesantes, pudiendo ver la nota de prensa original al final de este post. Vamos allá……

Utilizando imágenes de alta resolución, los investigadores del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT observaron el efecto de las gotas de lluvia que caían sobre un suelo seco cargado de bacterias. Cuando caen a velocidades que imitan a las de una lluvia ligera, a temperaturas similares a las que acaecen en las regiones tropicales, las gotas liberan aerosoles, algo así como un “rocío de niebla”, según los autores. Cada aerosol transportó hasta varios miles de bacterias del suelo. Los investigadores encontraron que estos microorganismos permanecieron vivos más de una hora después. (…) Si estas bacterias aerotransportadas fueran transportadas más lejos por el viento, podrían recorrer grandes distancias, antes de colonizar y asentarse en el suelo de la una nueva ubicación.

“Imagínese que una planta infectada con un patógeno en una zona determinada, así como que el agente patógeno se hubiera extendido por los suelos de los alrededores. En tal caso, la lluvia podría dispersarlo aún más. Las gotas artificiales de los sistemas rociadores también podrían producir este tipo de dispersión, por lo que la investigación en cuestión atesora implicaciones fitopatológicas, es decir, sobre el control de la dispersión de los patógenos”. Según los cálculos de los científicos que llevaron a cabo el estudio, la precipitación mundial pudiera ser responsable de entre el 1 y el 25 por ciento de la cantidad total de bacterias emitidas desde el suelo. (….).  A medida que las gotitas de agua entran en contacto con el suelo (caen sobre el mismo) atraparán pequeñas burbujas de aire de su superficie, elevándose después para estallar a través de la gotita, creando un spray que albergará gotitas más pequeñas de agua o aerosoles. En ese momento, el grupo propuso que este mecanismo pudiera explicar los orígenes delpetricor“- el característico olor a tierra que a menudo sigue a una tormenta de lluvia. Otros científicos se pusieron en contacto con ellos ya que habían “notado” que tal proceso podía ser el motivo desencadenante de una enfermedad concreta (más detalles en la nota de prensa original).

 En el laboratorio, el equipo examinó el efecto de la lluvia sobre tres especies no infectadas por bacterias del suelo patógenas, sobre seis tipos de suelo seco, entre los que se incluyeron arcilla, arcilla arenosa y arena. Los investigadores simularon la lluvia haciendo caer gotas individuales de agua desde varias alturas diferentes (condicionando pues su velocidad de descenso) sobre estos “suelos”, a través del agujero de un pequeño disco que se colocó justo encima, con vistas a capturar cualquier aerosol que estallara desde la superficie. También comprobaron si la temperatura era otra variable a tener en cuenta, variando la temperatura superficial del medio edáfico, Todo ello ayuda a emular distintas  intensidades de lluvia.

Encontraron que las gotitas produjeron el mayor número de aerosoles en suelos con temperaturas de alrededor de 86 grados Fahrenheit, similares a las que acaecen en las regiones tropicales. Las gotitas también producían más aerosoles cuando impactaban sobre los suelos de arcilla arenosa; La arena tendía a absorber las gotitas por completo antes de que se formaran burbujas o aerosoles. Los autores observaron mayores recuentos de aerosoles cuando las gotas cayeron a velocidades de entre 1,4 y 1,7 metros por segundo – aproximadamente la intensidad de una lluvia ligera o llovizna.  Justo a tal velocidad, el agua penetra en el suelo sin generar salpicaduras, pero lo suficientemente rápido como para atrapar aire, “Este último, confinado, libera burbujas que estallan, liberando así los aerosoles. Encontramos pues una  relación entre la distribución del tamaño del aerosol y el número de burbujas que explotan“.

Seguidamente, los investigadores firmantes del estudio recogieron los aerosoles que rociaron sobre el disco pequeño, transfiriéndolo a recipientes apropiados como para llevar a cabo un conteo del número de bacterias en cada aerosol. Encontraron que el número de bacterias variaba de cero a varios miles en una sola gota de esa agua de lluvia, dependiendo del tipo de suelo, la densidad de bacterias dentro de un suelo dado, la temperatura del mismo y la velocidad del impacto de las gotas.

El equipo identificó tres parámetros principales necesarios para estimar el número total de bacterias u otras partículas que pueden ser dispersadas por una sola gota de lluvia golpeando una superficie porosa: la densidad de bacterias y burbujas de aire en una superficie dada, así como un parámetro al que denominaron eficiencia de aerosolización, es decir la relación entre el número de bacterias en una superficie y el número de bacterias que finalmente se dispersan desde la misma.

Usando estos tres parámetros, los investigadores estimaron que el número total de bacterias dispersadas por las gotas de lluvia puede oscilar entre 10.000 billones y 800.000 billones de microorganismos al año. Como resultado, la precipitación global puede contribuir a liberar del 1,6 al 25% de la cantidad total de bacterias del sueloa tierra. Obviamente, se requiere más investigación con vistas a  reducir la gama de emisiones globales de bacterias por la lluvia, pero la generación de aerosoles por las aguas precipitaciones podría ser un importante mecanismo de transferencia de bacterias al medio ambiente. Finalmente, los investigadores que realizaron esta investigación se proponen ahora averiguar si este mecanismo pudiera ser también responsable de ciertas infecciones en humanos, animales y plantas, así como los impactos climáticos derivados de la formación de nubes, por la nucleación de hielo.

Juan José Ibáñez

A light rain can spread soil bacteria far and wide
by Staff Writers; Boston MA (SPX) Mar 09, 2017

A good rain can have a cleansing effect on the land. But an MIT study published this week in Nature Communications reports that, under just the right conditions, rain can also be a means of spreading bacteria.

Using high-resolution imaging, researchers from MIT‘s Department of Mechanical Engineering observed the effect of raindrops falling on dry soil laden with bacteria. When falling at speeds mimicking those of a light rain, at temperatures similar to those in tropical regions, the drops released a spray of mist, or aerosols. Each aerosol carried up to several thousand bacteria from the soil. The researchers found the bacteria remained alive for more than an hour afterward.

If this airborne bacteria were lofted further by wind, it could travel a good distance before settling back on the ground to colonize a new location, says Cullen Buie, associate professor and the Esther and Harold E. Edergton Career Development Chair in the Department of Mechanical Engineering.

“Imagine you had a plant infected with a pathogen in a certain area, and that pathogen spread to the local soil,” Buie says. “We’ve now found that rain could further disperse it. Manmade droplets from sprinkler systems could also lead to this type of dispersal. So this [study] has implications for how you might contain a pathogen.”

Furthermore, the team calculated that precipitation around the world may be responsible for 1 to 25 percent of the total amount of bacteria emitted from land.

Buie’s co-authors are postdoc Zhifei Ge and former postdoc and lead author Youngsoo Joung.

Following up an uptick

In 2015, Buie and his colleagues identified a mechanism by which rain produces aerosols: As a falling droplet makes contact with the ground, it traps tiny air bubbles at the ground’s surface, which rise up and burst through the droplet, creating a spray of much smaller water droplets, or aerosols. At the time, the group proposed that this mechanism may explain the origins of “petrichor” – the characteristic earthy smell that often follows a rainstorm.

Soon after the group published its results, a team of British scientists contacted Buie to see whether this same rainfall mechanism may help to spread bacteria, in particular Burkholderia pseudomallei, a bacteria that lives in soil, which has been known to cause lung infections in humans known as meliodosis.

They’ve noticed a qualitative uptick in the number of infections of this disease after rainfall, and they had speculated that this particular soil-borne bacteria gets dispersed into the air after rainfall,” Buie says.

The group’s inquiry piqued Buie’s curiosity as to whether rain might help spread bacteria in general.

“That was one of the initial motivations for us to even try some of these experiments, to see whether bacteria in general could be dispersed and remain alive during the process,” Buie says.

A “just-right speed”

In the lab, the team looked at rainfall’s effect on three nonpathogenic species of soil bacteria, which they infused in six types of dry soil, including clay, sandy clay, and sand.

The researchers simulated rainfall by dispensing single drops of water from various heights, through the hole of a small disc that was placed just above a soil sample to catch any aerosols bursting up from the surface. They varied the surface temperature of the soil, as well as the height at which a droplet was released, to speed up or slow down a droplet’s impact speed, thereby simulating certain intensities of rainfall.

They found droplets produced the highest number of aerosols in soils with temperatures of around 86 degrees Fahrenheit, similar to soils found in tropical regions. Droplets also produced more aerosols when dispensed on sandy clay soils; sand tended to absorb the droplets completely before any bubbles or aerosols could form. The researchers also observed higher aerosol counts when droplets fell at speeds between 1.4 and 1.7 meters per second – about the intensity of a light rain shower.

“At this just-right speed, water wicks into the soil without splashing, but fast enough to trap air,” Buie explains. “That trapped air gets released as bubbles that burst, releasing the aerosols. We found the relationship between the distribution of aerosol size and the number of bubbles bursting.”

The team collected the aerosols that sprayed up onto the small disc, and transferred them to culture dishes to count the number of bacteria in each aerosol. They found the number of bacteria varied from zero to several thousand from a single raindrop, depending on the type of soil, the density of bacteria within a given soil, the soil temperature, and the raindrop’s impact speed.

Going a step further, the team identified three main parameters necessary for estimating the total number of bacteria or other particles that may be dispersed by a single raindrop hitting a porous surface: the density of both bacteria and air bubbles on a given surface, and a parameter they call aerosolization efficiency – the ratio of the number of bacteria on a surface to the number of bacteria that are ultimately dispersed from that surface.

Using these three parameters, along with estimates for the world’s total land area and precipitation patterns, the researchers estimated that the total number of bacteria dispersed by raindrops can range from 10,000 trillion to 800,000 trillion cells per year. As a result, global precipitation may contribute to releasing 1.6 to 25 percent of the total amount of bacteria from land.

Further investigation is required to narrow down the range of global emission of bacteria by rain, but aerosol generation by rain could be a major mechanism of bacteria transfer into the environment,” says Joung. “Future work on these findings could provide new clues to trace soil-borne bacteria responsible for infections in humans, animals, and plants, as well as climate impacts due to cloud formation and ice nucleation.”

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