Microscopía electrónica de transmisión de células de Chlamydomonas reinhardtii para mostrar alteraciones causadas por cadmio y mercurio. El pirenoide (p) parece aberrante, con proliferación de vesículas lipídicas (punta de flecha verde) y granos de almidón. Los metales también desencadenaron la aparición de vesículas de autofagia (punta de flecha roja). Derecha: imagen de Chlamydomonas reinhardtii (Wikimedia Commons).
Cerdanyola del Vallès, 25 agosto 2021 La contaminación por metales como el cadmio o el mercurio se considera una grave amenaza para el medio ambiente y la salud. Actividades humanas como la minería, la industria metalúrgica y el uso extensivo de fertilizantes minerales son las principales fuentes de contaminación continua por metales en numerosos ecosistemas. Este riesgo ambiental se ve potenciado por los fenómenos de bioacumulación y biomagnificación de la cadena trófica, asociados a la larga persistencia de los metales tóxicos en el ambiente. Los ecosistemas acuáticos y terrestres afectados por escorrentías cargadas de metales tóxicos son particularmente vulnerables, donde los organismos fotosintéticos -productores primarios como fitoplancton y microalgas del suelo- representan la primera etapa de la acumulación de contaminación. El conocimiento de los mecanismos de toxicidad en estos organismos es esencial para una evaluación adecuada de los riesgos ambientales globales.
Un equipo científico del Laboratorio de Fisiología Vegetal del Departamento de Biología, también afiliado con el Centro de Investigación en Biodiversidad y Cambio Global, en la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), ha descubierto grandes cambios en las biomoléculas de la microalga Chlamydomonas reinhardtii causados por el cadmio y el mercurio.
El uso de luz de sincrotrón en la línea de luz MIRAS ha sido una herramienta valiosa y ha hecho posible el hecho de analizar en detalle las variaciones en el patrón biomolecular causadas por los metales pesados, a niveles de resolución raramente descritos antes. “Entre los componentes celulares que cambian fácilmente ante la exposición a los metales, detectamos alteraciones en la composición lipídica con los experimentos de espectroscopia infrarroja en ALBA, que correspondían a una acumulación de lípidos neutros y al aumento de la insaturación”, especifica Ángel Barón, científico de la UAM.
Cada metal desencadenó un patrón de respuesta específico, información relevante para comprender los mecanismos de toxicidad inducida. Bajo exposición al cadmio, en concreto se produjo una mayor insaturación de ácidos grasos libres, mientras que el mercurio condujo a una insaturación más fuerte en el monogalactosil diacilglicerol.
Los científicos también han observado que el cloroplasto es un orgánulo celular particularmente vulnerable a la presencia de estos metales, que alteran sus funciones básicas como la fotosíntesis.
El alto nivel descriptivo de este estudio destaca la relevancia de los resultados obtenidos, que permitirán avanzar en el diseño y desarrollo de nuevas tecnologías en el campo de la descontaminación de metales tóxicos y la biorremediación de ecosistemas acuáticos y edáficos.
Luz de sincrotrón para descifrar los efectos de los contaminantes metálicos
Muestras de microalgas se expusieron a los metales tóxicos, cadmio o mercurio, en diferentes concentraciones y en diferentes intervalos de tiempo. Fueron sometidos a análisis por espectroscopía FTIR (Fourier Transform Infrared) acoplada a luz de sincrotrón (SR-FTIR) con el fin de obtener sus espectros de absorción. Los resultados en la línea de luz MIRAS han mostrado múltiples variaciones en el perfil biomolecular de las algas que coincidían con las observaciones complementarias y los resultados obtenidos en el laboratorio de la UAM, donde se detectó el alto nivel de estrés oxidativo generado por esos metales tóxicos.
El equipo científico de Madrid continúa estudiando los efectos de los metales en los organismos fotosintéticos. Actualmente se están realizando otros análisis SR-FTIR en ALBA para determinar las respuestas de las microalgas expuestas a otro contaminante metaloide (el arsénico) y su relación con los niveles de fósforo. “Cabe señalar que la contaminación del agua por arsénico afecta a gran parte de la población mundial y supone un grave riesgo para la salud humana”, explica Ángel Barón.
Por otro lado, también se están evaluando las alteraciones biomoleculares producidas por mercurio, cadmio y arsénico en plantas de cultivo como el trigo y la alfalfa, con el fin de comprender sus mecanismos de desintoxicación y proponer el desarrollo de nuevas técnicas de fitorremediación. En este sentido, el grupo de investigación del Dr. Luis E. Hernández del Departamento de Biología de la UAM cuenta con una dilatada experiencia en el campo de la respuesta de organismos fotosintéticos (plantas y algas) al estrés oxidativo generado por metales tóxicos y metaloides.
Ejemplos de espectros SR-FTIR recolectados en diferentes regiones, con análisis estadístico de componentes principales y cargas para determinar cambios en grupos funcionales específicos de biomoléculas.
Referencia: Ángel Barón-Sola, Margarita Toledo-Basantes, María Arana-Gandía, Flor Martínez, Cristina Ortega-Villasante, Tanja Dučić, Ibraheem Yousef, Luis E. Hernández. Synchrotron Radiation-Fourier Transformed Infrared microspectroscopy (μSR-FTIR) reveals multiple metabolism alterations in microalgae induced by cadmium and mercury. Journal of Hazardous Materials (2021). Volume 419, 126502. ISSN 0304-3894. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.126502.
Con la colaboración de la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología. El Sincrotrón ALBA forma parte de la red de Unidades de Cultura Científica y de la Innovación (UCC+i) de la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (FECYT) y ha recibido apoyo a través del proyecto FCT-20-15798.
