
La urgente necesidad de mitigar el cambio climático ha estimulado el interés en las estrategias de secuestro de carbono basadas en el océano, y el cultivo de macroalgas a gran escala ha surgido como una solución prometedora.
Las macroalgas, o algas marinas, ofrecen una vía sostenible para la captura y utilización de carbono, al tiempo que proporcionan biomasa valiosa para diversas aplicaciones. Sin embargo, el éxito del cultivo de macroalgas depende de la comprensión y la optimización de la compleja interacción entre el huésped y su microbioma asociado.
Los investigadores de la Chinese Academy of Sciences, del Shandong Energy Institute, del Qingdao New Energy Shandong Laboratory y de la Xiamen University publicaron una revisión científica que explora el potencial de manipular los microbiomas de macroalgas para mejorar su crecimiento, resiliencia y capacidades de secuestro de carbono.
El holobionte de macroalgas: una interacción compleja
Las macroalgas no son organismos solitarios, sino holobiontes complejos, que comprenden el huésped y su comunidad microbiana asociada. Este complejo conjunto desempeña un papel crucial en varios aspectos de la biología de las macroalgas, incluido el ciclo de nutrientes, la regulación del crecimiento, la defensa contra patógenos y las respuestas al estrés.
La composición y la función del microbioma de las macroalgas están influenciadas por una multitud de factores, incluidas las especies hospedantes, las condiciones ambientales y las prácticas de cultivo.
«Una comunidad diversa de microbios vive en las algas, al igual que los probióticos para las algas: microbios específicos pueden proteger a las algas de las enfermedades, proporcionar nutrientes esenciales y ayudarlas a prosperar en condiciones difíciles», explica el autor correspondiente Yongyu Zhang. «Esto es particularmente importante ya que nuestro estudio anterior ha demostrado que el aumento de las temperaturas oceánicas y la acidificación probablemente aumentarán las enfermedades patógenas de las algas».
¿Cómo el microbioma afecta a las macroalgas?
El microbioma tiene un impacto significativo en la productividad y la resistencia de las macroalgas, influyendo en varios procesos clave. Aquí hay algunos puntos clave sobre cómo el microbioma afecta a las macroalgas:
Ciclo de nutrientes
Los microorganismos asociados a las macroalgas juegan un papel crucial en el ciclo de nutrientes. Por ejemplo, ciertas bacterias fijadoras de nitrógeno aumentan la disponibilidad de este elemento, esencial para el crecimiento de las algas. Asimismo, otras bacterias solubilizan fosfatos inorgánicos, haciéndolos más accesibles para las macroalgas. También, algunos microbios producen sideróforos, que mejoran la captación de hierro por las algas, crucial para la fotosíntesis.
Promoción del crecimiento y la biomasa
Además del ciclo de nutrientes, el microbioma puede mejorar directamente el crecimiento y la acumulación de biomasa de las macroalgas. Algunas bacterias sintetizan fitohormonas y otros compuestos que estimulan el crecimiento y desarrollo de las algas. Por ejemplo, la producción de auxinas como el ácido indol-3-acético (IAA) por parte de ciertas bacterias puede regular el crecimiento de las macroalgas. También, ciertas cepas bacterianas regulan la morfogénesis de las macroalgas, influyendo en la velocidad de crecimiento.
Resistencia al estrés y a enfermedades
El microbioma también juega un papel importante en la protección de las macroalgas contra el estrés ambiental y las enfermedades. Los microbios pueden ayudar a las macroalgas a tolerar condiciones oceánicas cambiantes, como variaciones de temperatura y salinidad. Además, ciertas bacterias protegen a las macroalgas de patógenos. Por ejemplo, Vibrio alginolyticus protege a Saccharina japonica de enfermedades de blanqueamiento. La presencia de un microbioma beneficioso puede prevenir la colonización de organismos dañinos.
Transformación del carbono
El microbioma también influye en la fijación y el secuestro de carbono por las macroalgas. Las bacterias asociadas a las macroalgas pueden modular la eficiencia de fijación de carbono y los patrones de asignación de las algas. Además, el microbioma contribuye directamente al secuestro de carbono al transformar el carbono orgánico lábil disuelto (DOC) liberado por las macroalgas en formas recalcitrantes, a través de las actividades de la bomba de carbono microbiano (MCP). Esta transformación produce DOC recalcitrante (RDOC), que puede secuestrar carbono a largo plazo.
Desafíos en la manipulación del microbioma de las macroalgas
La investigación destaca las áreas en las que es necesario centrarse para superar las limitaciones actuales en la manipulación del microbioma de las algas marinas, como el conocimiento completo sobre la composición total del microbioma y el momento de la inoculación.
A pesar del potencial significativo, la manipulación de los microbiomas de las macroalgas para obtener los resultados deseados enfrenta varios desafíos:
- Comprensión limitada: Nuestro conocimiento de las funciones específicas de muchos miembros microbianos dentro del microbioma de las macroalgas sigue siendo incompleto.
- Especificidad del hospedante: Las interacciones entre hospedante y microbio son altamente específicas, y comprender estas intrincadas relaciones es crucial para una ingeniería exitosa del microbioma.
- Variabilidad ambiental: La naturaleza dinámica de los entornos marinos afecta significativamente la composición y la función del microbioma, lo que dificulta predecir los efectos a largo plazo de las manipulaciones del microbioma.
- Escalabilidad: Trasladar las manipulaciones del microbioma en laboratorio a sistemas de cultivo a gran escala sigue siendo un obstáculo importante.
“Las primeras etapas de la vida de las algas marinas, al ser más susceptibles a la colonización microbiana, presentan una ventana crítica para establecer microbios beneficiosos que podrían persistir durante todo el ciclo de vida de las algas marinas”, dice el primer autor Shailesh Nair. “Algunas algas marinas pueden incluso transmitir estos microbios beneficiosos a su descendencia, lo que sugiere posibles beneficios a largo plazo a lo largo de las generaciones”.
Enfoques para la manipulación del microbioma
Los investigadores proponen un marco para la futura manipulación del microbioma de las algas marinas, enfatizando la necesidad de la integración de tecnologías avanzadas como la multiómica, las técnicas de aislamiento de alto rendimiento, las herramientas basadas en inteligencia artificial y la validación sólida.
“Se deben implementar soluciones microbianas para el cultivo sostenible de macroalgas”, agrega Zhang. “Al aprovechar el poder de los microbios beneficiosos, los agricultores podrían crear granjas de algas marinas más estables y productivas, lo que haría que el cultivo oceánico a gran escala sea más factible que nunca”.
De acuerdo con el estudio se están explorando varios enfoques para manipular los microbiomas de las macroalgas:
- Probióticos: Introducir microbios beneficiosos para mejorar la salud y la resiliencia del huésped.
- SynComs: Diseñar y ensamblar comunidades microbianas sintéticas con funcionalidades específicas.
- Bioaummentación: Mejorar la abundancia de microbios beneficiosos naturales dentro del microbioma.
- Antibióticos: Identificar y eliminar microbios perjudiciales del microbioma.
Aplicaciones de la manipulación del microbioma en el cultivo de macroalgas
Según reportan los científicos, la manipulación del microbioma tiene el potencial de:
- Mejorar el crecimiento y la productividad: Optimizando el ciclo de nutrientes y promoviendo la producción eficiente de biomasa.
- Mejorar la tolerancia al estrés: Mejorando la resistencia a los factores estresantes ambientales, como las fluctuaciones de temperatura, las limitaciones de nutrientes y los brotes de enfermedades.
- Aumentar el secuestro de carbono: Promoviendo la fijación eficiente del carbono y mejorando la producción de compuestos de carbono recalcitrantes.
Una hoja de ruta para futuras investigaciones
Para aprovechar al máximo el potencial de la manipulación del microbioma para el cultivo sostenible de macroalgas, se requiere un enfoque multidisciplinario:
- Análisis multiómico: Integración de metagenómica, metatranscriptómica y metabolómica para caracterizar de manera integral el holobionte de macroalgas.
- Estudios funcionales: Investigación de las funciones específicas de los miembros microbianos clave dentro del microbioma.
- Cribado de alto rendimiento: Desarrollo de métodos eficientes para aislar y caracterizar nuevos microbios beneficiosos.
- Validación in vivo: Pruebas rigurosas de la eficacia de las manipulaciones del microbioma en entornos controlados y de campo.
Conclusión
La manipulación de los microbiomas de macroalgas presenta una vía prometedora para mejorar la sostenibilidad y la productividad del cultivo de macroalgas a gran escala. Si abordamos los desafíos actuales y aprovechamos las tecnologías de vanguardia, podemos aprovechar todo el potencial de estas comunidades microbianas para respaldar el secuestro sostenible del carbono y contribuir a un futuro más resiliente y sostenible.
El estudio fue financiado por el National Key Research and Development Program of China, la Natural Science Foundation of China, la China Postdoctoral Science Foundation, la Shandong Province Postdoctoral Fund Project, la Youth Innovation Promotion Association of CAS, el Taishan Scholar Foundation of Shandong Province, y el Ocean Negative Carbon Emissions (ONCE) Project.
Contacto
Nianzhi Jiao
State Key Laboratory of Marine Environmental Science, Xiamen University
Xiamen, China, 361101
Email: jiao@xmu.edu.cn
Yongyu Zhang
Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, Chinese Academy of Sciences
Qingdao, China, 266101
Email:zhangyy@qibebt.ac.cn
Referencia
Nair, S., Zhang, Z., Wang, X., Zhang, B., Jiao, N., & Zhang, Y. (2024). Engineering microbiomes to enhance macroalgal health, biomass yield, and carbon sequestration. Green Carbon. https://doi.org/10.1016/j.greenca.2024.11.001