¿Cómo lidian los microbios con los metales pesados ​​tóxicos?

Los metales pesados ​​son tóxicos para los seres vivos y, cuando están presentes en el medio ambiente, pueden causar estragos en los organismos. Algunas bacterias han ideado formas de lidiar con esta toxicidad.

Los microbios son pequeños organismos vivos que están omnipresentes en nuestro medio ambiente. Desde el suelo y las rocas hasta los océanos, desde las montañas más altas hasta las fosas más profundas, y desde los respiraderos hidrotermales más calientes hasta los glaciares más fríos, ningún rincón está libre de microbios; incluso están presentes dentro de plantas, animales y seres humanos. Son tan versátiles que pueden prosperar en todas partes y en todo.

Sin embargo, existen ciertos requisitos previos para que los microbios crezcan con tanta facilidad y velocidad. Estos incluyen nutrientes que contienen una fuente de carbono, una fuente de nitrógeno, vitaminas y minerales. También requieren agua en forma de humedad, pH apropiado, concentración de sal amistosa y condiciones de oxígeno adecuadas.

Bacterias y virus presentes en el suelo con hojas descompuestas. (Crédito de la foto: drical / Shutterstock)

Los metales pesados ​​son elementos inorgánicos que pueden resultar tóxicos para los organismos vivos cuando su concentración aumenta más allá del umbral límite de un entorno en particular.

No se confunda entre minerales y metales; aunque muchos minerales son metales, no todos los metales son minerales.

Los minerales son complejos inorgánicos con una estructura y composición definidas, los cuales son vitales para el crecimiento bacteriano. Por naturaleza, pueden ser metálicos, como potasio, magnesio, calcio y hierro, o no metálicos, como fósforo, azufre y cloro. Los minerales a menudo juegan un papel biológico en el funcionamiento de los organismos vivos.

Los minerales comprenden microelementos y macroelementos que tienen valor nutricional para los organismos vivos (Crédito de la foto: Sadovnikova Olga / Shutterstock)

La mayoría de los metales carecen de una función biológica y pueden resultar tóxicos para un organismo cuando están presentes más allá de un cierto umbral de concentración. Algunos ejemplos incluyen plomo, cromo, cobre, cadmio, arsénico, zinc, mercurio y níquel.

Obtenemos nuestros minerales de los alimentos que consumimos, pero ¿cuáles son las fuentes de metales pesados? ¿De dónde vienen?

La fuente de acumulación de metales puede ser agrícola, industrial o doméstica. Las fuentes agrícolas incluyen el uso de fertilizantes inorgánicos, pesticidas, fungicidas y desechos de aguas residuales, mientras que las fuentes industriales incluyen refinerías, extracción de minerales metálicos, extracción de carbón, derrames petroquímicos y energía térmica. La quema doméstica de biomasa, desechos diarios orgánicos e inorgánicos, baterías usadas y filtros usados ​​también son formas de desechos domésticos que contribuyen a la acumulación de metales pesados.

Estos metales pesados ​​acumulados persisten en el suelo mucho más tiempo que los contaminantes orgánicos. Dado que el suelo es el principal sumidero de la acumulación de metales pesados, las formas de vida que llaman hogar al suelo corren peligro. Como el suelo alberga la comunidad microbiana más diversa y la carga microbiana más alta, los microbios del suelo tienen un mayor riesgo de contaminación por metales pesados.

Algunas de las fuentes de acumulación de metales pesados ​​son la lixiviación de metales de la corteza terrestre, la descarga de desechos de las industrias y el uso de fertilizantes y pesticidas en la agricultura. (Crédito de la foto: Aravind EH / Shutterstock)

La acumulación de metales pesados ​​en el suelo presenta más peligros para los microbios que la acumulación de contaminantes orgánicos. La razón clave es la naturaleza de lixiviación de los contaminantes orgánicos, que reduce su toxicidad con el tiempo, mientras que los metales pesados ​​persisten durante mucho más tiempo en el suelo. Los metales pesados ​​no pueden destruirse ni descomponerse en formas más pequeñas.

Los metales pesados ​​afectan la actividad microbiana del suelo y la composición de la comunidad microbiana del suelo. Exploremos brevemente cómo sucede esto.

Efecto de los metales sobre la actividad microbiana

Los metales pesados ​​obstaculizan varias funciones microbianas, como el mantenimiento de la estructura del suelo, la formación de materia orgánica del suelo, el mantenimiento de los ciclos biogeoquímicos y la descomposición de compuestos tóxicos, que a largo plazo pueden amenazar la función del ecosistema del suelo.

Veamos qué metales pesados ​​afectan qué aspectos del metabolismo microbiano.

El mercurio, el cadmio y el plomo inhiben la división celular, la actividad enzimática y la traducción, desnaturalizan las proteínas, inducen daño al ADN y dañan las membranas celulares a través del desequilibrio iónico. El desequilibrio de iones ocurre cuando los metales pesados ​​desplazan los minerales importantes de la membrana celular y toman su lugar. Además, el mercurio también inhibe la transcripción, mientras que el arsénico induce daños en el ADN. El cobre, el níquel y el zinc inhiben la actividad enzimática y provocan un desequilibrio iónico. Las actividades de enzimas como superóxido dismutasa, catalasa y ascorbato peroxidasa son inhibidas por metales pesados. También contribuyen a la producción de especies reactivas de oxígeno e inducen daño oxidativo.

Por tanto, los metales pesados ​​influyen en gran medida en la morfología, el metabolismo, el crecimiento y la reproducción de los microbios.

Efecto de diferentes metales pesados ​​sobre el metabolismo microbiano

Efecto de los metales sobre la composición de la comunidad microbiana

Los metales pesados ​​que se han acumulado en el suelo alterarán la calidad de los nutrientes del suelo. Si la calidad de los nutrientes se deteriora, la cantidad de microbios que prosperan en el suelo también disminuirá. Esta reducción restringirá la liberación de CO2 en el suelo, lo que influirá en las comunidades microbianas que habitan el suelo. Esto sigue repitiéndose como un ciclo.

Solo aquellas bacterias que pueden tolerar metales pesados, llamadas bacterias metalotolerantes, podrán sobrevivir, lo que eventualmente resultará en una alteración de la comunidad microbiana del suelo.

Algunos microbios han desarrollado mecanismos para combatir o tolerar el aumento de la cantidad de metales pesados ​​en su entorno.

Hay cinco mecanismos principales de tolerancia al metal.

El primer mecanismo es el más sencillo: evitar que el metal entre en la celda. Esto puede lograrse de dos formas. Una forma es bloquear los transportadores (túneles que permiten que las moléculas entren y salgan de la célula) que son importantes para el transporte de metales pesados ​​desde el exterior de la célula hacia el interior. La segunda forma es la producción extracelular de compuestos viscosos para atrapar los metales e inhibir su entrada a la célula.

Si los microbios no pueden inhibir la absorción de metales pesados, pueden intentar expulsarlos de la célula. Aunque este proceso consume energía, es factible en comparación con los numerosos efectos negativos que los metales pueden imponer a los microbios.

Los microbios pueden intentar formar complejos insolubles con metales pesados, también denominados secuestro o acumulación, de modo que no ejerzan sus efectos deletéreos. Esto se puede hacer de forma intracelular o extracelular, y el mecanismo para lograrlo varía de un microbio a otro.

Varios microbios incluso son capaces de utilizar metales pesados ​​tóxicos con el fin de generar energía. Esto presenta una doble ventaja de hacer que el metal no sea tóxico, al mismo tiempo que gana energía.

¿Puedes creer lo inteligentes que son los microbios? ¡No solo han evolucionado para exhibir mecanismos para combatir la toxicidad de los metales, sino que incluso usan los mismos metales tóxicos para la generación de energía!

Mecanismos de resistencia a metales pesados ​​por células bacterianas. Los mecanismos incluyen el bloqueo de la entrada de metales pesados, la salida de metales fuera de la célula, la acumulación intracelular y la acumulación extracelular.

Conclusión

Las actividades antropogénicas cada vez mayores en nuestro planeta han resultado en la acumulación excesiva de contaminantes como metales pesados ​​en el suelo. Su naturaleza persistente, tóxica y no biodegradable deteriora no solo la calidad del suelo, sino también su riqueza microbiana. Como los microbios son más sensibles al estrés ambiental, actúan como indicadores importantes de la calidad del suelo. La exposición constante de metales pesados ​​a los microbios ha resultado en la evolución de microbios con mecanismos adaptados para ayudarlos a sobrevivir al estrés por metales pesados.