Al igual que tú y yo, los microbios necesitan algunos metales en su dieta para mantenerse saludables. Los metales ayudan a los microbios a «digerir» completamente la comida. Después de una buena comida, los microbios, que obtienen energía al reducir químicamente los nitratos, liberan un subproducto inofensivo: nitrógeno, el gas que constituye el 78 % de la atmósfera terrestre.

Al igual que tú y yo, los microbios necesitan algunos metales en su dieta para mantenerse saludables. Los metales ayudan a los microbios a «digerir» completamente la comida. Después de una buena comida, los microbios, que obtienen energía al reducir químicamente los nitratos, liberan un subproducto inofensivo: nitrógeno, el gas que constituye el 78 % de la atmósfera terrestre.

Pero si un metal en particular, el cobre, no está disponible, estos microbios no pueden completar el proceso bioquímico de «digestión» llamado desnitrificación. En lugar de liberar nitrógeno, liberan el poderoso gas de efecto invernadero óxido nitroso.

Estudios de laboratorio previos con cultivos puros han demostrado que la disponibilidad de cobre es importante para la desnitrificación. Ahora, la investigación del laboratorio de Daniel Giammar, el Profesor Walter E. Browne de Ingeniería Ambiental en la Escuela de Ingeniería McKelvey, y Jeffrey Catalano, Profesor de Ciencias Planetarias y de la Tierra en Artes y Ciencias, ambos en la Universidad de Washington en St. Louis, mostró que no siempre puede haber suficiente cobre disponible para la desnitrificación en los entornos acuáticos complejos y dinámicos habitados por estos microbios.

Su investigación fue publicada en la revista el 15 de junio. Geoquímica y Cosmoquímica Acta.

«El material en un vaso de precipitados no es lo mismo que el material en el medio ambiente», dijo Giammar. «Una gran parte de nuestro enfoque fue tomar materiales reales de sistemas ambientales reales y llevarlos al laboratorio y observarlos de manera controlada».

Los resultados subrayan el papel primordial del cobre en la liberación de óxido nitroso. «Con niveles de fondo normales, es posible que estos sistemas no tengan suficientes metales para realizar el proceso», dijo Neha Sharma, estudiante de posgrado en el laboratorio de Giammar.

Esto es importante porque el óxido nitroso es el tercer gas de efecto invernadero más potente y el 50% proviene de microbios en los ecosistemas acuáticos.

Para comprender mejor cómo el cobre afectó la liberación del gas en estos sistemas, Sharma y Elaine Flynn, científica principal del laboratorio de Catalano, fueron a la fuente. En colaboración con tres laboratorios del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE, por sus siglas en inglés), los laboratorios nacionales de Oak Ridge y Argonne y el sitio del río Savannah, Sharma y Flynn recolectaron microbios de humedales y lechos de ríos. Cuando analizaron cuánto cobre había en los sistemas, descubrieron que no era suficiente para completar la desnitrificación.

«Entonces queríamos ver si agregar cobre manualmente afecta la liberación de óxido nitroso», dijo Sharma. Lo hizo. «Todo el óxido nitroso se ha convertido en otras cosas», pero no en gases de efecto invernadero nocivos.

Este hallazgo podría señalar nuevas formas de frenar el calentamiento atmosférico, dijo Sharma. «Si ponemos un poco de metal en los sistemas naturales, podría reducir la liberación de N2O», dijo. También podría tener un impacto más inmediato en los investigadores que estudian el clima.

«Actualmente, los modelos que predicen la liberación de gases de diferentes sistemas no tienen en cuenta estos factores», dijo Sharma. «Saben que factores como la disponibilidad de alimentos o la temperatura pueden afectar la liberación de gases de efecto invernadero, pero no consideran el efecto de los metales en ese aspecto de los gases de efecto invernadero».

Complejidad extrema
Para que los humanos entiendan verdaderamente el clima y hagan predicciones útiles, los modelos climáticos deben tener en cuenta toda la complejidad del mundo real en ecosistemas específicos.

Otro estudio publicado en la revista en mayo ACS Química de la Tierra y el Espacioanalizó el comportamiento de cuatro metales diferentes de suelos de humedales en las orillas del sitio del río Savannah y sedimentos de ríos cerca del Laboratorio Nacional de Oak Ridge.

El equipo de investigación, que incluía a Sharma y Zixuan Wang, un estudiante de posgrado en el laboratorio de Zhen «Jason» He, profesor de ingeniería energética, ambiental y química, quería saber si la disponibilidad de los metales cambiaba cuando los metales estaban bajo el agua ( y había poco oxígeno) en comparación con los expuestos al aire.

El equipo tenía razones para creer que los cuatro metales, todos los cuales son importantes para las reacciones bioquímicas de los microbios, podrían funcionar de manera similar. Sin embargo, para su sorpresa, los metales se comportaron de manera diferente en situaciones similares.

«Esto significa que la biodisponibilidad de ciertos metales cambia con las estaciones», dijo Sharma. «Simplemente subraya la extrema complejidad de los sistemas naturales».

Para comprender esta complejidad, se requiere una gran cantidad de especialistas y socios.

«Somos ingenieros ambientales y siempre estamos pensando, ‘¿Por qué es esto importante? ¿Qué hace eso por el clima? ¿Qué se puede hacer?’”, dijo Giammar. «Pero también trabajamos con el investigador principal Jeffrey Catalano», lo que le dio al trabajo una fuerte perspectiva geoquímica.

Además de la financiación y el acceso a las cuencas hidrográficas de los laboratorios del DOE, esta investigación también contribuye a la base de conocimientos del DOE.

Proporciona otra pieza del rompecabezas de la «función de la cuenca hidrográfica», el estudio de las funciones biogeoquímicas o cuencas hidrográficas y sus habitantes. Mientras tanto, otros investigadores en otros campos están haciendo lo mismo.

Colectivamente, el conocimiento puede cambiar la forma en que las personas entienden la relación de la cuenca con el clima.

«En todo caso, vimos que la tapa de cobre era más importante de lo que pensábamos», dijo Giammar. «Por eso creo que es importante abordar esta complejidad ambiental».


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