Carn alternativa: menjar proteïna microbiana i altres

10 desembre 2022

Click here for the English version: Alternative meat: eating microbial protein and others

PROBLEMES DE LA PRODUCCIÓ DE PROTEÏNA ANIMAL

La majoria de proteïna que els humans consumim és la càrnica d’origen animal produïda per la ramaderia industrial, ja siguin aus o mamífers, i d’aquests sobretot els remugants com les vaques, bous i vedells, dels quals la producció a nivell mundial s’ha doblat en els darrers 50 anys. Els sistemes de granges industrials, tant les intensives com les extensives, tenen conseqüències ambientals molt negatives. Com veiem esquematitzat a la Figura 1, els principals perjudicis són:

La superfície de terreny ocupada per la ramaderia cada cop és més gran. Comptant el terreny de pastures i els conreus de vegetals per alimentar els animals —cereals i soja sobretot—, ja s’arriba quasi al 30% de la superfície de terra, molt més que la dedicada als conreus de consum humà, un 13%. En el cas de la soja per exemple, 3/4 de la seva producció es dedica a pinsos, i una part important prové de regions de Brasil que prèviament eren selva o sabana (Hooper 2022).

L’aigua dolça utilitzada per a la fabricació de qualsevol producte s’anomena petjada hídrica (Hidrofílic 2017). Aquesta en el cas de la ramaderia, que inclou el conreu vegetal de pinsos, és molt més gran que qualsevol altre conreu agrícola: es necessiten 15000 L d’aigua per a cada kg de carn bovina, 9000 L per kg carn d’ovella, 6000 L per kg carn de porc, mentre que només en calen 300 L per a kg de verdures o 900 L per kg de fruites o uns 4000 L per kg de llegums, encara menys que per als animals (Mekonnen & Hoekstra 2010). Com veiem (Figura 1), es calcula que als USA un 30% de la petjada hídrica total és deguda a la ramaderia industrial.

Un terç de les emissions globals de gasos amb efecte d’hivernacle (GEH) són causades pel sistema alimentari, i dins d’aquest la ramaderia n’és el principal contribuent, sobretot pel gas metà expel·lit pels remugants, resultat del metabolisme dels arqueus metanògens, pas final de la fermentació del rumen. Com a GEH, les emissions de metà del boví són les que causen més impacte ambiental amb molta diferència, essent d’uns 100 kg de metà per cada 100 g proteïna produïda (Poore & Nemecek 2018).

Finalment, cal tenir en compte les repercussions de degradació i erosió del terreny que suposa la ramaderia industrial, així com l’acidificació del sòl, les contaminacions per antibiòtics i l’eutrofització per l’ús excessiu dels fertilitzants (Humpenöder et al. 2022).

Figura 1. Impacte ambiental de la indústria ramadera. Imatge treta de Ecopeanut.com.

Es calcula que pel 2050 la població humana mundial serà de quasi 10000 milions (ara al 2022 som 7800 milions), per a les quals caldran unes 400 milions de tones de carn i 800 de productes lactis per any, quantitat que no es podrà aconseguir per la baixa eficiència de la proteïna vegetal dels pinsos en proteïna animal, que és de 6 kg de vegetal per a 1 kg animal (Ritala 2017).

Tot plegat, alguns activistes ambientals ben inquiets com George Monbiot creuen que les explotacions agrícoles i ramaderes comporten una destrucció, explotació i sense sentit econòmic que estan matant el planeta. Tanmateix, també creu que hi ha l’esperança d’un món més sostenible i saludable que passaria per un consum de microbis enlloc d’animals (Hooper 2022). 

Per tant, està clar que aquesta situació a mig termini no és sostenible ambientalment i cal trobar-hi alternatives per substituir gran part de la proteïna animal per altres fonts, com les microbianes i altres. 

———-

L’ALTERNATIVA VEGETAL

L’alternativa de proteïna vegetal és molt coneguda i forma part de la nostra dieta habitual (Figura 2). Portant-ho a l’extrem, els vegetarians basen la seva dieta només en vegetals i exclouen els aliments càrnics. A la Índia són 1/3 de la població, però a la resta del món els vegetarians són minoritaris, un 5% a Europa. Els motius dels vegetarians —i els vegans, que són més estrictes— són molt diversos, com ètics (sensibilitat animal), de salut, religiosos, polítics, de moda, estètics, econòmics, però també cada cop més hi ha els motius esmentats de conscienciació ambiental i de sostenibilitat.

Figura 2. Dieta vegetariana. Imatge treta de Salud Blogs Mapfre.

Les fonts de proteïna vegetal són valuoses nutritivament, ja que contenen fibra —quasi inexistent a les carns— i antioxidants, però el seu contingut en proteïna sempre és més baix que la de la carn, a la qual n’és un 45% de l’extracte sec. Els aliments vegetals amb més proteïna són la soja (un 35%) i els llegums com pèsols, cigrons o fesols (un 20-25%). En canvi el blat, arròs i altres cereals o les patates només contenen un 10% de proteïna. La llet conté un 25% i els ous un 40% de l’extracte sec.

L’inconvenient principal de la proteïna vegetal respecte l’animal, a més del menor contingut total de proteïna, és la menor qualitat nutricional en quant a aminoàcids essencials i menor digestibilitat, amb la qual cosa cal incrementar un 10-20% de proteïna si només es consumeixen aliments vegetals (Petrusán et al 2016). Un altre inconvenient és l’ambiental, en part semblant a l’animal, per les necessitats de grans extensions de terreny i de molta aigua (Ritala et al. 2017).

———-

MENJAR INSECTES ?

Una altra alternativa és el consum de proteïna d’insectes, o sigui l’entomofàgia. El contingut en proteïna de l’extracte sec dels insectes és molt alt, entre un 35% dels tèrmits i el 60% dels grills i llagostes, i la majoria dels insectes comestibles tenen continguts alts dels aminoàcids essencials, i de fibra, minerals i vitamines. Les “granges” d’insectes són molt adients amb la sostenibilitat i el medi ambient, ja que no requereixen terreny, els cal poca aigua, emeten molt pocs gasos d’EH, i són avantatjosos econòmicament. Per tant, tenen un molt bon potencial com a menjar de qualitat (Lange & Nakamura 2021). Tanmateix, l’acceptació del consumidor és un gran obstacle, sobretot als països occidentals. En canvi, són habituals a l’Àfrica subsahariana, al sud-est asiàtic, Austràlia i alguns països iberoamericans com Mèxic, on els “escamoles” són larves de la formiga Liometopum apiculatum molt populars des de temps prehispànics (Figura 3).

Figura 3. Plat d’escamoles mexicans. Imatge treta de Lideresmexicanos.com.

Quan els insectes es produeixen industrialment, cal tenir en compte i controlar les possibles fonts de riscos de seguretat alimentària, com són els al·lèrgens, els microorganismes patògens que poden ser transmesos via insectes, o les micotoxines de fongs que contaminin els insectes (Lange & Nakamura 2021). 

Actualment, la majoria d’inversions en la producció d’insectes comestibles són en el menjar per a animals. Se n’estan produint en forma de pols de proteïna per a animals domèstics, en aqüicultura i s’està començant a introduir com a complement dels pinsos del bestiar. A més els excrements dels insectes en la fase productiva poden ser utilitzats com a fertilitzant (Godwin 2021). 

———-

CARN CULTIVADA O SINTÈTICA

També anomenada carn “in vitro” o carn “neta” o “carn de laboratori”, consisteix en fer créixer teixit muscular animal en cultius de laboratori a partir de cèl·lules mare. Amb aquest mètode més ràpid i eficient que l’obtenció de carn tradicional no cal ni sacrificar animals ni hi han tots els inconvenients comentats de la ramaderia.

Per aconseguir carn cultivada cal un seguit de requeriments resumits en aquests passos que han de funcionar bé tant del punt de vista biològic com comercial: 

1. Obtenir mostres del múscul esquelètic de l’animal adequat
2. Separar-ne les cèl·lules mare dels altres components musculars i a vegades altres tipus cel·lulars
3. Induir el creixement i proliferació dels mioblasts en les condicions físico-químiques i medi adequat, amb factors de creixement
4. Induir que els mioblasts formin els miotubs multinucleats, en una estructura marc o bastida, com el col·lagen
5. Aconseguir el creixement continuat de nous mioblasts i la diferenciació dels miotubs en fibres musculars
6. Assegurar el creixement continuat al llarg de l’augment d’escala, introduint altres components com els adipòcits, amb els lípids que aporten palatabilitat
7. Processar el producte resultant afegint-hi greixos, aromes i altres compostos, i modelar-ne l’aspecte físic, tot plegat per tal de mimetitzar els productes càrnics convencionals, la qual cosa és més fàcil amb productes processats, com la carn picada o el bacon (Figura 4) (Kadim et al. 2015).

La carn cultivada pot ser igual de bona i nutritiva que la convencional d’animals de granges, a més dels avantatges d’un dràstic menor efecte sobre el medi ambient i sobre l’animal en qüestió. A més, el rendiment és clarament major, ja que només amb una mostra de teixit es pot arribar a produir la mateixa quantitat de carn que amb 80 vaques (Bingham 2020).

Malgrat que els resultats preliminars fins ara són molt esperançadors, aquesta tecnologia encara no està prou desenvolupada per a la producció a gran escala, sobretot en quant als medis de cultiu, i l’acceptació i confiança per part del consumidor encara són molt minses (Kadim et al. 2015).

Figura 4. Carns “cultivades”, fetes amb cultius de cèl·lules animals, simulant un filet de vedella (esquerra) o una carn processada (dreta). Imatges tretes de Bingham (2020).

De manera semblant, també s’està desenvolupant la producció de filets de peix i de carn de marisc amb cultius cel·lulars, és el que se’n diu aqüicultura cel·lular. La substitució progressiva de peix capturat pel “peix cultivat” reduiria significativament la sobrepesca, s’eliminaria la pesca il·legal i la destrucció dels ecosistemes marins, i aquests aliments no tindrien possibles patògens o contaminants habituals com el metil-mercuri o les partícules de plàstic. 

Aquests productes de peix i marisc cultivats tenen també les qualitats organolèptiques que els productes marins salvatges o de piscifactoria però amb l’avantatge de ser més sostenibles, segurs i saludables. Algunes de les empreses que els estan desenvolupant ho fan amb tècniques semblants als cultius d’organoides o miniòrgans, que s’utilitzen des de fa uns 10 anys per a l’estudi i tractament de malalties i tumors. Els cultius es fan en estructures tridimensionals permetent que les cèl·lules formin una composició natural de greix i múscul equivalent a la de l’animal (VelSid 2022).

———-

PROTEÏNA MICROBIANA

També es coneix com a “proteïna unicel·lular” (Single Cell Protein, SCP) perquè en origen molts eren microbis unicel·lulars com la majoria de bacteris —inclosos els cianobacteris—, els llevats i algunes microalgues (les unicel·lulars), però també s’inclouen alguns fongs filamentosos i algunes algues pluricel·lulars. Lògicament els microbis que més s’han estudiat en aquest sentit són els que contenen més proteïna. Tenim una bona revisió dels tipus, el procés d’obtenció i aplicacions al treball de Junaid et al. (2020).

Taula 1. Productes de “proteïna unicel·lular” (SCP), tots amb mínim 45% proteïna dins extracte sec. Adaptat de Ritala et al. (2017).

Microorganisme	Tipus	Ús	Substrats	Companyies (país)	Problemes
Methylophilus, Methylococcus	Bacteris metilòtrofs i metanòtrofs, proteobacteris	Aliment d’animals	Metanol, metà	ICI (UK) “Pruteen” anys 1970, Calista Inc. (UK) “FeedKind” a partir de biogàs	Alt contingut en RNA i DNA (>10%), cal processat
Azonexus, Comamonadaceae	Bacteris oxidadors d’H2, proteobacteris	En perspectiva, aliment humà o altres animals	H2, CO2, O2, N2	Startups: Air Protein (USA), Solar Foods (FI), Deep Branch (UK)	En R&D
Arthrospira maxima, A. platensis	Abans “Spirulina”, bacteris: Cianobacteris (“microalgues”)	Suplement dietètic, aliment d’asteques i pobles del Txad	CO2, llum	BlueBio Tech (D), Cyanotech (Hawaii USA), FEBICO (Taiwan), Parry Nutraceuticals (India)	Possible contaminació amb toxines (microcistines) d’altres cianobacteris, i per metalls pesants
Aphanizomenon flos-aquae(AFA)	Bacteris: Cianobacteris	Suplement dietètic, efectes positius a salut	CO2, llum	Blue Green Foods (USA), E3Live (USA), Klamath Valley (USA)	Algunes soques tòxiques
Chlorella	Microalgues verdes: Chlorophyta	Suplement dietètic	CO2, llum	TerraVia (USA), Roquette Klötze (D), FEBICO (Taiwan), BlueBioTech (D)	Producció costosa: aigua carbonatada. Paret cel·lular indigerible
Saccharomyces cerevisiae	Fong unicel·lular (llevats), ascomicets	Extracte de llevat: suplement dietètic	Melasses, cereals hidrolitzats	Bega Cheese (AUS), Flint Hills Resources (USA)	Ocasional: migranyes per tiramina, digestions irregulars, intolerància en malalts de budell inflamat *
Torula utilis	Cyberlindnera jadinii (sin. Candida utilis), llevats, ascomicets	Suplement saboritzant, alternativa a glutamat	Metanol, melasses	Phillips Petroleum Co (USA) fins 2002, Provesteen Process (USA) fins 1990	Poca rendibilitat del procés
Fusarium venenatum	Fong filamentós, ascomicets	“Micoproteïna”, paret rica en glucans (fibra), efectes positius a salut	Glucosa de midó, sals, N inorgànic	Marlow Foods Ltd “QuornTM” (UK), Atlastfood (USA), Nature’s Fynd (USA) i altres, en funcionament	Aparició ocasional de mutants amb miceli molt ramificat, que fan que calgui aturar el cultiu continu cada 6 setmanes.
Paecilomyces varioti	Fong filamentós, ascomicets	Aliment d’animals	Sucres de residus lignocel·lulòsics	Papereres de Finlàndia “Pekilo”, anys 1970-1990	No era rentable, ara volen revifar-ho: https://www.eniferbio.fi/product/

Veiem a la Taula 1 un resum dels principals productes que s’han desenvolupat, la majoria des dels anys 1970, quan amb les primeres crisis energètiques i ambientals es cercaren alternatives a la producció de proteïna càrnica, si bé la majoria d’aquests productes no han tingut gran desenvolupament industrial i/o comercial.

Com veiem, hi ha uns quants productes que són microalgues o cianobacteris, tots ells microorganismes fotosintètics, que són interessants pel seu baix cost de producció en necessitar només llum i una mica de CO₂ i algunes sals. D’aquests cal destacar els coneguts com Spirulina o espirulina, que són cianobacteris i que ja han estat una font alimentària des del temps dels asteques i altres pobles d’Amèrica central, així com dels pobles del voltant del Txad. Avui dia s’utilitza com a suplement alimentari humà, en forma de pastilles o pólvores (Figura 5), i també s’empra com a suplement alimentari en l’aqüicultura i les indústries d’aviram. Un dels principals beneficis és l’alt contingut en vitamina B₁₂. Tanmateix, cal controlar bé el producte ja que ocasionalment pot haver-hi contaminacions amb cianotoxines o la presència de pesticides i altres compostos tòxics, sobretot si es consumeix habitualment (Grosshagauer et al., 2020).

Figura 5. Suplements en pólvores i en pastilles a base de “Spirulina”, cianobacteris. Imatge treta de Iswari.com.

De bacteris, a banda dels cianobacteris, se n’han fet assajos amb molt diversos, com alguns Bacillus, Corynebacterium i Rhodopseudomonas, però a nivell industrial com a SCP els que més èxit han tingut són els metilòtrofs i/o metanòtrofs (Taula 1), que contenen molta proteïna (50-80% del pes sec), són rics en aminoàcids essencials com la metionina, i quantitats rellevants de lípids i vitamines. Ja als anys 1970 la britànica ICI desenvolupà el producte “Pruteen” amb Methylophilus methylotrophus a partir de metanol, i actualment Calysta Inc. (producte “FeedKind”) i altres empreses estan produint Methylococcus i altres metanòtrofs convertint el metà, excedent en granges, en proteïna bacteriana (Ritala et al. 2017). 

El problema principal dels bacteris —i dels fongs— és el seu alt contingut en àcids nucleics, sobretot RNA, degut al seu ràpid creixement i síntesi de proteïnes, que requereix ràtios elevades de transcripció i traducció. Això no passa amb els fotosintètics (microalgues i cianobacteris) que creixen més lentament. La ingestió de purines derivades del RNA fa augmentar la concentració d’àcid úric en plasma, que pot provocar gota i pedres al ronyó. Per tant, cal eliminar en part aquests àcids nucleics durant el procés d’elaboració de SCP. El mètode més usual és la combinació de tractament tèrmic suau amb l’ús de ribonucleases (Ritala et al. 2017).

Un cas prometedor de bacteris són els quimiolitòtrofs oxidadors d’hidrogen que també són fixadors de nitrogen N₂, com Azonexus i els Comamonadaceae. Es coneixen com “mastegadors d’aire” (air-munching microbes) (De Sousa 2021) perquè poden créixer només amb N₂, O_2, CO₂ i H₂ perquè oxiden l’hidrogen amb O₂ i fixen el N₂ atmosfèric (Figura 6). Però com que el H₂ és quasi inexistent a l’atmosfera, cal proporcionar-lo, obtenint-lo per hidròlisi de l’aigua amb energies verdes. L’avantatge principal de que són fixadors de N₂ és l’estalvi d’amoni, la producció del qual requereix molta energia, a banda del rendiment en proteïna (Hu et al., 2020)

Figura 6. Esquema del metabolisme dels bacteris oxidadors d’hidrogen fixadors de nitrogen. Tret de Hu et al. (2020).

Els fongs i llevats dominen el mercat mundial de SCP per al consum humà, ja que els llevats sobretot tenen una llarga història d’acceptació, sobretot en forma d’extractes. Lògicament, la majoria de llevats comercialitzats com a SCP ho són de Saccharomyces cerevisiae, però també n’hi ha de Torula utilis, Candida i Kluyveromyces. Els llevats i altres fongs també tenen l’inconvenient del contingut en àcids nucleics (un 10%), menor que als bacteris, però que també requereix del processat per reduir-los.

El fong micelial més utilitzat com a SCP és sens dubte Fusarium venenatum, sobretot comercialitzat amb el nom de Quorn^TM per Marlow Foods Ltd. des de 1985. De fet, és l’únic producte SCP utilitzat exclusivament per a consum humà. Com altres fongs, a banda de l’elevat contingut de proteïna (micoproteïna), és una bona font d’aminoàcids essencials, vitamines i sobretot glucans, que contribueixen a l’aportació de fibra a la dieta. És un ascomicet, considerat un microfong (Figura 7) per l’absència de cossos fructífers macroscòpics, com també ho són Penicillium, Aspergillus i molts altres fongs filamentosos no bolets.

Figura 7. Micrografia electrònica (350 x) del miceli del fong Fusarium venenatum a la superfície del producte Quorn. Imatge treta de Ugalde & Castrillo (2002).

La producció de F. venenatum es fa en bioreactors continus amb aeració en un medi aquós amb glucosa obtinguda per hidròlisi del midó, una font de N, vitamines i minerals. El miceli resultant s’extreu (Figura 8) i es fa el tractament per eliminar el RNA, i s’asseca.

Figura 8. Traginant una capa de miceli de Fusarium. Foto de MyForest Foods Co, treta de Dietrich (2022).

Els productes amb micoproteïna com Quorn en concret estan pensats sobretot com a succedani de la carn, i es venen sobretot en forma de plats preparats, amb una varietat enorme de gustos i textures (Figura 9), lògicament afegint additius. Com a curiositat, vegeu el web publicitari de Quorn (www.quorn.co.uk), amb profusió de receptes i suggeriments. La majoria dels productes contenen albúmina d’ou a més del fong, que actua com a lligant. Les formulacions veganes substitueixen l’ou per patata. 

Figura 9. Exemples de productes fets amb F. venenatum: pseudosalsitxes Quorn i crema de formatge no lacti de Nature’s Fynd. Imatges respectives de quorn.co.uk i de Dietrich 2022.

L’interès en la SCP és cada cop més gran, i la recerca i desenvolupament relacionades està augmentant molt, sobretot a la Xina, on des del 2001 s’han registrat el 70% de patents mundials de SCP, sovint relacionades amb l’aprofitament de residus agrícoles com el metà (Ritala et al. 2017).

En qualsevol cas, cal contemplar la proteïna microbiana com un més dels elements a tenir en compte, a més dels altres comentats, en la necessària transformació necessària del sistema agroalimentari, combinant-lo amb la reducció dels residus alimentaris, l’incentiu de menjar més saludable, i la comercialització de productes amb menor impacte ambiental que els actuals (Carrington 2022).

———-

BIBLIOGRAFIA

Berkheiser K (2019) Four potential side effects of nutritional yeast. Nutrition, Healthline, 8 aug 2019.

Carrington D (2022) Swapping 20% of beef for microbial protein “could halve deforestation” The Guardian News website, Food, 4 May 2022.

Bingham L (2020) Cultured meat: better than the real thing ? Foodunfolded, 10 march 2020.

Calysta: https://calysta.com

De Sousa A (2021) How air-munching microbes could grow the fake meat of the future. Bloomberg Europe edition website, 11 October 2021.

Dietrich T (2022) Microbes and mushrooms -the future of Earth-friendly food. National Science Foundation website, 20 January 2022.

Godwin R (2021) If we want to save the planet, the future of food is insects. The Guardian News website, The Observer Food, 8 May 2021.

Grosshagauer S, Kraemer K, Somoza V (2020) The true value of Spirulina. J Agric Food Chem 68:4109.

Hidrofílic (2017) Petjada hídrica. Aigües.net, 13/01/2017.

Hooper R (2022) Farming is the most destructive human activity ever (Interview with George Monbiot). New Scientist website, 19 May 2022. 

Hu X, Kerckhof FM, Ghesquière J, Bernaerts K, Boeckx P, Clauwaert P, Boon N (2020) Microbial Protein out of Thin Air: Fixation of Nitrogen Gas by an Autotrophic Hydrogen-Oxidizing Bacterial Enrichment. Environ Sci Tech 54:3609

Humpenöder, F., Bodirsky, B.L., Weindl, I. et al. (2022) Projected environmental benefits of replacing beef with microbial protein. Nature 605, 90–96. 

Junaid F, Khawaja LA, Sikander A (2020) Single cell protein as a potential meat substitute: a critical review. World J Pharmac Res 9:141.

Kadim IT, Mahgoub O, Baqir S, Faye B, Purchas R (2015) Cultured meat from muscle stem cells: a review of challenges and prospects. J Integr Agric 14, 222–233.

Lange KW, Nakamura Y (2021) Edible insects as future food: chances and challenges. J Future Foods, 1, 38-46

Mekonnen MM, Hoekstra AY (2010) The green blue and grey water footprint of farm animals and animal products. Value of Water Research Report Series n. 48, UNESCO-IHE

Petrusán JI, Rawel H, Huschek G (2016) Protein-rich vegetal sources and trends in human nutrition: A review. Curr Topics Pept Prot Res 17, 1-19

Poore J, Nemecek T (2018) Reducing food’s environmental impacts through producers and consumers. Science 360, 987–992

Quorn: https://www.quorn.co.uk

Ritala A, Häkkinen ST, Toivari M, Wiebe MG (2017) Single cell protein —State-of-the-Art, Industrial landscape and Patents 2001-2016. Front Microbiol 8, 2009

Ugalde UO, Castrillo JL (2002) Single cell proteins from fungi and yeasts. Appl Mycol Biotech 2:123

Velsid (2022) Producción de filetes de pescado a partir de la técnica para cultivar organoides. Gastronomía y Cía, República. 8 set 2022

Geosmina, Streptomyces i els camells

5 abril 2022

Click here for the English version: Geosmin, Streptomyces and camels

Us preguntareu de què va això. Encara que “Geosmina” sembla un nom maco per posar-li a una nena, no crec que n’hi hagi gaires al món amb aquest nom (Piqueras 2016). Doncs bé, com ara comentaré, la geosmina és un dels principals compostos que fan olor de pluja o terra mullada, que és produït per Streptomyces i altres bacteris, i que sembla que els camells al desert podrien detectar des de llargues distàncies per trobar aigua.

OLOR DE PLUJA: el PETRICOR i la GEOSMINA

De l’olor d’humitat o aroma característica que provoca la pluja en caure als sòls eixuts se’n diu petricor, que en grec és més o menys “líquid de les pedres”. El petricor és una olor com dolça, fresca i agradable, té una complexa composició i en prevalen la geosmina —d’origen microbià— i un conjunt d’olis aromàtics alliberats per moltes plantes. Aquests olis, que retarden la germinació de les llavors, són traspuats per les plantes en períodes de sequera per tal de protegir a les llavors, evitant que germinin (Bear & Thomas 1965). Els olis queden adsorbits al terra, sobretot argilós, i quan comença a ploure, les gotes de pluja colpegen la superfície i alliberen aerosols a l’aire transportant aquests compostos aromàtics, que formen part del perceptible olor de petricor. Un cop plou, l’aigua renta aquests olis del sòl, que deixen d’inhibir la germinació, i tot seguit hi ha una ràpida resposta de llavors germinant. 

A banda d’aquests olis aromàtics vegetals, la geosmina és l’altre constituent principal de l’olor de petricor que percebem quan comença a ploure. Com veurem, és produïda per microbis —sobretot actinobacteris com Streptomyces. Els aerosols provocats per les gotes de pluja en caure contenen milions d’aquests bacteris productors de geosmina, que són transportats per l’aire, disseminant durant una estona l’aroma de pluja recent (Portillo 2020).

Cal esmentar també l’ozó com a relacionat en part amb l’olor de pluja. A vegades aquest O₃ de sensació punxent pot ser detectat, sobretot prèviament a la pluja, degut a l’activitat elèctrica de les tempestes (Sen 2016).

La GEOSMINA

El nom ve del grec (geos – osmos): olor de terra. És el dimetil-octahidro-naftalenol (C₁₂H₂₂O), un alcohol bicíclic no aromàtic sense nitrogen (Figura 1). La forma natural és l’isòmer (–). En solució àcida és transformat en argosmina, que té la mateixa estructura però sense el grup -OH, i que no fa olor.

Figura 1. La Geosmina, compost amb aroma de la terra recent mullada.

Els humans, com molts altres animals, podem detectar aquesta molècula a l’aire en molt baixa concentració. El nostre llindar olfactiu de la (–)geosmina és al voltant d’alguns nanograms per litre d’aire, o sigui de parts per trilió (10^-12) (Cotton 2009). Aquesta alta sensibilitat olfactiva de molts animals se suposa que està relacionada amb la possibilitat de trobar aigua de pluja per beure, i el fet que la majoria dels humans trobem agradable aquesta olor pot estar relacionat amb què per als nostres avantpassats això anava lligat a la supervivència (Palermo 2013).

Malgrat això, la geosmina també es relaciona amb mala qualitat d’aigua i d’aliments, ja que és un subproducte del metabolisme microbià, com tot seguit veurem, i per tant va lligat al creixement dels microorganismes. Per exemple, pot donar un mal gust, com terròs, al vi, a l’aigua de consum i al peix i marisc (Coca-Ruiz et al 2022). Un altre compost que també contribueix de forma similar a aquests problemes és el 2-metilisoborneol, un altre terpè produït també per Streptomyces i cianobacteris (Juttner & Watson 2007).

ORGANISMES PRODUCTORS DE GEOSMINA

La geosmina és produïda per molt diversos grups de bacteris, sobretot dels fílums Actinobacteria, Cyanobacteria i els mixobacteris (del fílum Delta-proteobacteria). Us recordo que podeu veure la relació dels principals fílums bacterians al meu post del 7 abril 2020. La geosmina també pot ser produïda per uns quants eucariotes, incloent fongs, hepàtiques, insectes i alguns plantes (Coca-Ruiz et al 2022).

De tots ells, els principals productors de geosmina són els Streptomyces, dins el fílum Actinobacteria. Aquests, abans també anomenats actinomicets, són bacteris grampositius heteròtrofs, de DNA amb alt G+C, i de formes irregulars o filamentoses. Els Streptomyces —gènere que inclou més de 500 espècies— són aerobis, formen un complex miceli filamentós d’hifes ben desenvolupades, i es dispersen amb conidiòspores, espores aèries a partir d’estructures comparables als fongs però procariotes (Figura 2). Són molt abundants al sòl i la vegetació, i tenen un complex metabolisme secundari, per la qual cosa són molt importants industrialment i en biotecnologia. Són productors de 2/3 dels antibiòtics naturals, tant antibacterians com antifúngics, i també produeixen antiparasitaris, anticancerígens i són emprats com vectors d’expressió heteròloga de proteïnes eucariòtiques.

Figura 2. Esquema de secció d’una colònia de Streptomyces creixent en agar, amb les morfologies característiques dels micelis vegetatiu i aeri, i les cadenes de conidiòspores (imatge treta de Li et al. 2016).

RUTA de BIOSÍNTESI de la GEOSMINA als STREPTOMYCES

Encara que la ruta biosintètica de la geosmina s’ha estudiat a diferents bacteris que la produeixen, incloent cianobacteris i deltaproteobacteris, lògicament els Streptomyces han estat els més estudiats. Fou aïllada per primer cop per Gerber & Lechevalier (1965) en una fermentació de S. griseus i recentment s’ha estudiat sobretot a S. coelicolor (Figura 3), perquè és una espècie model o prototip dels Actinobacteria, la seva genètica es coneix molt bé i el seu cromosoma lineal de 8.7 Mb va ser dels primers amb seqüència completa (Cane & Watt 2003). S. coelicolor és una de les principals espècies on s’han conegut bé els gens de biosíntesi de tots els terpenoides (Cane & Ikeda 2012). Des del punt de vista taxonòmic, S. coelicolor ha estat reclassificada dins l’espècie-grup Streptomyces albidoflavus (Rong et al. 2009).

Figura 3. Colònies de Streptomyces coelicolor, amb un característic pigment blau cel (imatge treta de John Innes Centre 2003).

Malgrat que aquesta ruta biosintètica ha estat molt estudiada durant anys, no ha estat resolta en detall fins fa poc. La geosmina és un metabòlit secundari, o sigui, del metabolisme de síntesi de compostos que no tenen una funció clara en els processos de creixement i manteniment cel·lular. Els metabòlits secundaris, per a l’organisme que els produeix, tenen funcions sobretot com a mediadors de relacions ecològiques, com competència amb altres organismes (ex. antibiòtics, toxines) o de protecció (ex. pigments, alcaloides) o de comunicació amb altres cèl·lules o organismes (ex. feromones). Dins dels possibles metabòlits secundaris, la geosmina és del grup dels terpens, que es deriven de l’isoprè o la seva forma activa pirofosfat d’isopentenil (C5), procedent del mevalonat format a partir de l’acetil-CoA (Figura 4). 

Figura 4. Inici de la ruta de biosíntesi dels terpens, presents a molts procariotes i a la majoria d’eucariotes, sobretot fongs i plantes.

Encara que els terpens són biosintetitzats per moltes plantes, la diversitat i funcions dels d’origen microbià és enorme. Vegeu al respecte la recent excel·lent revisió de Avalos et al. (2022). Com passa amb altres metabòlits secundaris, els terpens microbians tenen funcions bioecològiques de competència i defensa, interaccions amb l’hoste, comunicació i senyalització intercel·lular, i resposta a l’estrès per temperatura o pH.

Per polimerització a partir de la unitat bàsica C5 dels terpens i altres reaccions es formen els monoterpens (C10), sesquiterpens (C15), diterpens (C20), i els C25, C30 i C40, que inclouen molts aromes i fragàncies de les plantes, els esteroides, alcaloides, carotens i altres metabòlits secundaris. La geosmina en concret és el compost més representatiu i interessant de la família dels tri-nor-sesquiterpens, que són sesquiterpens degradats que han perdut C3 dels C15. Com veiem (Figura 5), el sesquiterpè bàsic —difosfat de farnesil (FPP)— és convertit en germacradienol, i aquest alliberant acetona (C3) dóna dimetiloctalina, la qual ja és C12 i precursora de la geosmina (Coca-Ruiz et al. 2022).

Figura 5. Biosíntesi de la geosmina (C₁₂H₂₂O) per Streptomyces i altres bacteris, a partir del difosfat de farnesil (FPP), un sesquiterpè (tret de Sen 2016, Jiang et al. 2007, i Coca-Ruiz et al. 2022).

Sorprenentment, aquesta conversió complexa del FPP a la geosmina a S. coelicolor és catalitzada per un sol enzimbifuncional de 726 aminoàcids, germacradienol/geosmina sintasa, del qual el domini N-terminal converteix i cicla el FPP a germacradienol i el domini C-terminal fa la resta, incloent la geosmina sintasa. Ambdues part són dependents de Mg²⁺ (Jiang et al. 2007).

El gen (SC9B1.20 = SCO6073) que codifica per a aquest enzim a S. coelicolor (soca A3(2)) fou caracteritzat en primer lloc per Cane & Watt (2003) i Gust et al. (2003). Posteriorment s’han trobats gens homòlegs a molts dels altres bacteris productors de geosmina, ja siguin cianobacteris o delta-proteobacteris o gamma-proteobacteris o altres actinobacteris (Figura 6) (Churro et al. 2020).

També recentment s’ha vist que aquest gen de la geosmina sintasa, així com el de la sintasa del 2-metilisoborneol —l’esmentat altre terpè amb aroma de pluja de Streptomyces— tenen uns factors de transcripció específics d’esporulació que fa que s’expressin només en les colònies de Streptomyces que estan esporulant (Becher et al. 2020), la qual cosa està relacionada amb la seva funció de dispersió del bacteri, com ara veurem.

Figura 6. Esquema del clúster gènic de geosmina amb el gen de geosmina-sintasa (geoA) i altres gens relacionats, amb diversos arranjaments a diversos bacteris dels Cyanobacteria Cyano), Deltaproteobacteria (Delta), Gammaproteobacteria(Gamma) i Actinobacteria (Actino). cnb és el gen de la proteïna lligand de nucleòtids cíclics (tret de Churro et al. 2020).

I PERQUÈ STREPTOMYCES PRODUEIX LA GEOSMINA ?

Com hem vist, els metabòlits secundaris com la geosmina tenen funcions sobretot com a mediadors de relacions ecològiques o amb altres organismes, que d’alguna manera beneficien la supervivència de l’organisme que els produeix. 

En el cas de la geosmina, sembla que el característic olor de terra humida atrau molt diversos organismes, i entre aquests hi ha diversos invertebrats, els quals es menjarien o adsorbirien els bacteris productors de l’olor, i amb això ajudarien a escampar-ne les espores per tal que els bacteris puguin colonitzar altres terrenys.

Entre aquests invertebrats hi ha sobretot els col·lèmbols. Aquests són minúsculs (5 mm) artròpodes àpters hexàpodes, parents dels insectes, molt abundants a tots els hàbitats de tota la Terra on hi hagi humus o matèria orgànica en descomposició. S’ha vist que Folsomia candida —una de les 8000 espècies de col·lèmbols— (Figura 7) és atreta per la geosmina produïda per Streptomyces, i s’alimenta de les colònies de l’actinobacteri. Amb això, el col·lèmbol dissemina les espores bacterianes a través de les femtes i també perquè se li adhereixen a la cutícula. A més, com he comentat abans, la geosmina només es produeix en la fase d’esporulació de Streptomyces (Becher et al. 2020). Per tant, la funció final de la geosmina és la dispersió del bacteri mitjançant els artròpodes del sòl.

Figura 7. El col·lèmbol Folsomia candida és atret per la geosmina (imatge treta de Ryszard, Flickr). 

…..

GEOSMINA i els CAMELLS, i els CANGURS, i altres

Ara bé, aquests artròpodes no són els únics animals atrets per la geosmina. Com he dit al principi, els humans mateixos tenim una alta sensibilitat olfactiva per detectar aquest compost en concentracions molt baixes. És probable que la sensibilitat per aquest compost ja la tenien els primers animals perquè els actinobacteris productors de geosmina són evolutivament previs (Chater 2015). En molts casos, es creu que l’atracció està relacionada amb la possibilitat de trobar aigua per beure. 

Els camells són el cas més impressionant, ja que alguns del desert de Gobi són capaços de trobar aigua a més de 80 quilòmetres de distància (Simons 2003). Els camells són mamífers ungulats remugants, pràcticament tots domèstics, molt resistents i molt adaptats als deserts. Són bàsicament 2 espècies: el dromedari o camell comú d’una gepa (Camelus dromedarius) del nord d’Àfrica i península aràbiga, i el camell bactrià (Camelus bactrianus) de 2 gepes del Gobi a Mongòlia i Xina. Poden aguantar sense aigua viatjant pel desert, i quasi sense menjar, durant 3 dies a l’estiu i més de 7 dies a l’hivern. Amb aquestes condicions poden arribar a perdre un 30% del pes corporal sense deshidratar-se, degut a què emmagatzemen aigua intracel·lular com extracel·lular a diferents parts del cos com la sang i el tracte digestiu i quasi tots els òrgans del cos. No és el cas dels característics geps, que són reserves de teixit adipós (Kakar et al. 2011). 

Figura 8. El camell bactrià Camelus bactrianus del desert de Gobi a Mongòlia (imatge de Afhunta 123RF).

Doncs bé, sembla que el fet que els camells puguin trobar aigua des de llocs tan llunyans és gràcies a les molècules de geosmina que el seu bon olfacte detecta. Als terrenys humits (oasis o similars) haurien crescut Streptomyces i altres microorganismes que en esporular excretarien la geosmina que seria transportada per l’aire. En arribar els camells al lloc amb aigua i beure’n, podrien captar les espores del bacteri, i ajudar a la seva propagació portant-les allà on vagin (Simons 2003). Per tant, la geosmina en aquest cas podria ser un mecanisme de disseminació dels bacteris, de forma semblant a com hem vist amb als col·lèmbols.

Hi ha molts altres casos d’animals que detecten la geosmina com a senyal d’aigua o de pluja, i en molts casos això és d’importància vital. En un estudi fet a Austràlia amb cangurs es va veure que just unes 2 setmanes després d’unes bones pluges el 65% de les femelles observades estaven en zel. Com que els fol·licles ovàrics triguen uns 10 dies en madurar, es va concloure que l’estímul de la maduració va ser l’inici de la pluja. Aquesta afavoriria posteriorment un creixement de la vegetació i per tant de menjar disponible per als cangurs. Per tant, d’alguna manera la geosmina amb la pluja seria el senyal de previsió d’una època adient per tenir descendents (Tyndal-Biscoe 2005).

L’atracció de la geosmina no sempre és positiva: la coneguda mosca del vinagre Drosophila melanogaster també té una alta sensibilitat de detecció de la geosmina però en aquest cas la resposta és negativa, quan la detecta se’n allunya ràpidament. És un mecanisme de quimiorepulsió, amb sensors específics de geosmina a nivell neurocerebral, que fa que la mosca eviti qualsevol font de menjar que tingui aquesta olor. Això és per tal d’evitar aliments contaminats amb microorganismes tòxics, ja siguin actinobacteris o cianobacteris o altres. El principal aliment de Drosophila són els llevats que creixen fermentant fruits, i a la mosca li cal distingir molt bé els llevats sans dels que estan recoberts amb altres microbis (Stensmyr et al. 2012).

La importància de la geosmina en les interaccions bioecològiques arriba fins al punt que no només és produïda per microorganismes sinó que també la sintetitzen algunes plantes. Efectivament, s’han trobat alguns cactus i una planta de l’Amazones que les seves flors alliberen geosmina, que atrau els insectes com a senyal d’aigua, els quals accidentalment pol·linitzen la flor (Simons 2003).

Bé, i per acabar tornem als humans. Malgrat que pot ser una mala senyal trobar la geosmina als vins o a alguns aliments deteriorats, està clar que ens agrada l’olor dels camps recent mullats, perquè no deixa de ser l’olor de trobar aigua i per tant de la supervivència (Howes 2013). Per això els perfumistes l’han inclòs com a component d’algunes de les seves pocions irresistibles, bé en solucions de geosmina del 1%, o destil·lant terra assecada al sol junt amb fusta de sàndal, en un perfum que diuen que recorda “l’olor de les primeres pluges del monsó en un terra ressec” (Chater 2015).

……….

BIBLIOGRAFIA

Avalos M, Garbeva P, Vader L, van Werzel GP, Dickschat JS, Ulanova D (2022) Biosynthesis, evolution and ecology of microbial terpenids. Natural Product Reports, 39, 249-272. 

Bear I, Thomas R (1965) Petrichor and Plant Growth. Nature 207, 1415–1416. 

Becher PG, Verschut V, Bibb, MJ, Bush MJ, Molnár BP, Barane E et al. (2020) Developmentally regulated volatiles geosmin and 2-methylisoborneol attract a soil arthropod to Streptomyces bacteria promoting spore dispersal. Nature Microbiology 5, 821–829.

Cane DE, Ikeda H (2012) Exploration and mining of the bacterial terpenome. Acc Chem Res 45, 3, 463-472. 

Cane DE, Watt RM (2003) Expression and mechanistic analysis of a germacradienol synthase from Streptomyces coelicolor implicated in geosmin biosynthesis. PNAS 100, 4, 1547-1551.

Chater KF (2015) The smell of the soil. Microbiology Today, May 15, 66-69. 

Churro C, Semedo-Aguiar AP, Silva AD, Pereira-Leal JB, Leite RB (2020) A novel cyanobacterial geosmin producer, revising GeoA distribution and dispersion patterns in Bacteria. Sci Rep 10, 8679.

Coca-Ruíz V, Suárez I, Aleu J, Collado IG (2022) Structures, Occurrences and Biosynthesis of 11,12,13-Tri-nor-Sesquiterpenes, an Intriguing Class of Bioactive Metabolites. Plants 11, 769. 

Cotton S (2009) Geosmine, the smell of the countryside. The molecules of the month. Bristol University School, UK.

Gerber NN, Lechevalier HA (1965) Geosmin, an earthy-smelling substance isolated from actinomycetes. Appl. Microbiol 13, 935–938.

Gust B, Challis GL, Fowler K, Kieser T, Chater KF (2003) PCR-targeted Streptomyces gene replacement identifies protein domain needed for biosynthesis of the sesquiterpene soil odor geosmin. PNAS 100, 4, 1541-1546.

Howes L (2013) Magnificent molecules: Geosmin. The Mole, 4, July 2013. 

Jiang J, He X, Cane DE (2007). Biosynthesis of the earthy odorant geosmin by a bifunctional Streptomyces coelicolor enzyme. Nature Chemical Biology, 3(11), 711. 

John Innes Centre (2003) Scientists discover the gene that causes the smell of the eartch and leads camels to water. Biology Online, feb 2003.

Juttner F, Watson S (2007) Biochemical and Ecological Control of Geosmin and 2-Methylisoborneol in Source Waters. Applied and Environmental Microbiology 73, 4395–4406. 

Kakar AR, de Verdier K, Muhammad Y, Khan S, Iqbal A, Khan MS (2011) A unique and fascinating creature ! the camel. Article base.com, feb. 2011.

Li Q, Chen X, Jiang Y, Jiang C (2016) Morphological identification of actinobacteria. Actinobacteria – Basics and Biotechnological Applications, ed. D. Dhanasekaran & Y. Jiang. IntechOpen.

Palermo E (2013) Why does rain smell good ? Live Science, June 21.

Piqueras M (2016) Geosmina i la terra mullada. Blog “La lectora corrent”, 10 agost 2016. 

Portillo G (2020) Geosmina. Meteorologia en xarxa. 28 des 2020. 

Rong X, Guo Y, Huang Y (2009).Proposal to reclassify the Streptomyces albidoflavus clade on the basis of multilocus sequence analysis and DNA–DNA hybridization, and taxonomic elucidation of Streptomyces griseus subsp. solvifaciens. Systematic and Applied Microbiology 32, 5, 314-322.

Sen DJ (2016) Moist earth smelling geosmin as a terpene bicyclic alcohol. World J Pharmaceut Res 5, 8, 1-8.

Simons P (2003) Camels act on a hump. The Guardian 6 Mar 2003. 

Stensmyr MC, Dweck HKM, Farhan A, Ibba I, Strutz A, Mukunda L et al. (2012) A conserved dedicated olfactory circuit for detecting harmful microbes in Drosophila. Cell, 151, 6, 1345-1357.

Tyndale-Biscoe H (2005) Life of Marsupials. Csiro Publishing, Collingwood, Australia

Bacteris que “mengen” plàstic

27 novembre 2018

Click here for the English version: Plastic-eating bacteria

Oceans de plàstic

Els humans estem destrossant el planeta Terra. A banda del canvi climàtic (que encara hi han ignorants que no s’ho creuen), l’exhauriment dels recursos naturals i l’extinció massiva d’espècies animals i vegetals, un dels efectes més “vistosos” és el cobriment del planeta amb deixalles. Com que el 71% de la superfície és marina, la majoria dels residus que no es degraden acaben al mar, i com sabeu, als oceans ja hi ha grans extensions cobertes de residus surants, sobretot plàstics, anomenades “illes de plàstic” (Figura 1). En el cas de la zona centre nord del Pacífic, on conflueixen diferents corrents marines, la “illa” arriba a fer 1500 km de radi, i amb plàstics fins a 200 m de fondària, i segueix creixent. Podeu llegir-ne més, i sobre les conseqüències ambientals, a l’article Sopa de plàstic del Pacífic de la Wikipedia.

Figura 1. Petita part de la illa de plàstic del Pacífic nord (Tret de oceanandreserveconservationalliance.com)

 

Els plàstics PET

Encara que hi molts tipus de plàstics, un dels més utilitzats i més abundant a les deixalles i a les “illes de plàstic” és el politereftalat d’etilè (o polietilè terfetalat), conegut com a PETo PETE (Figura 2). És un tipus de polímer termoplàstic, vulgarment plàstic, que pertany als denominats polièsters, i s’obté per síntesi a partir del petroli. És innocu, molt resistent i lleuger i té múltiples aplicacions (Figura 3). Només d’ampolles de PET per a begudes refrescants es calcula que se’n venen al món 1 milió per minut. És un material reciclable (vegeu Pet bottle recycling a Wikipedia) però molt resistent a la biodegradació. A la natura pot durar alguns centenars d’anys.

Figura 2. El PET, politereftalat d’etilè.

 

Figura 3. Les múltiples aplicacions del PET (Tret de http://www.technologystudent.com).

 

El bacteri Ideonella sakaiensis es “menja” el PET

I. sakaiensis (Figura 4) és un bacteri en forma de bacil, gram-negatiu no esporulat aeròbic heteròtrof, mòbil amb un flagel, i catalasa (+) i oxidasa (+) (Tanasupawat et al 2016). Creix a pHs neutres i és mesòfil, amb òptim a 30-37ºC. Pertany al grup filogenètic dels betaproteobacteris, que inclou entre molts altres als coneguts Neisseria (gonorrea i meningitis) i el nitrificant Nitrosomonas.

Figura 4. Ideonella sakaiensis, imatge al microscopi electrònic de rastreig en fals color (Treta de Yoshida et al 2016).

 

La soca201-F6, la primera de la nova espècie I. sakaiensis, fou aïllada d’un abocador i identificada el 2016 per un grup japonès de l’Institut de Tecnologia de Kyoto que cercaven bacteris que utilitzessin el plàstic com a font de carboni, a partir de mostres de restes d’ampolles de PET (Yoshida et al 2016). Van veure que aquest bacteri s’adhereix a un film de PET de baix grau i el pot degradar, mitjançant dos enzims que van caracteritzar: una PETasa i una MHETasa, que acaben donant com a productes àcid tereftàlic i etilenglicol (Figura 5), que són substàncies ambientals benignes i que el bacteri pot metabolitzar. Una colònia de I. sakaiensis va degradar del tot una ampolla de PET de baix grau en 6 setmanes. Els productes PET d’alt grau requereixen ser escalfats per afeblir-los abans que el bacteri pugui degradar-los. Aquest és el primer bacteri trobat com a degradador de PET, i l’utilitza com a única font de carboni i d’energia. Donat que el PET només existeix des de fa 70 anys, aquest bacteri hauria d’haver evolucionat en aquest breu període fins arribar a poder-lo degradar en poques setmanes, enlloc dels centenars d’anys a la natura (Sampedro 2016).

Figura 5. Ruta metabòlica prevista de la degradació de PET per I. sakaiensis: la PETasa extracel·lular hidrolitza el PET donant monohidroxietil tereftàlic (MHET) i l’àcid tereftàlic (TPA). La MHETasa hidrolitza el MHET a TPA i etilenglicol (EG). El TPA és incorporat mitjançant un transportador de TPA (TPATP) i és catabolitzat a ciclohexadiè i aquest a protocatecuïc (PCA) per la DCDDH. Finalment, l’anell del PCA és tallat per una PCA 3,4 dioxigenasa amb oxigen, com és conegut a la degradació dels compostos fenòlics i altres xenobiòtics. Els n. entre parèntesis són els ORF dels gens corresponents (Tret de Yoshida et al 2016).

 

Només es coneixien prèviament alguns microfongs tropicals (Fusarium solani) degradadors del PET, que també excreten esterases. En aquest cas, aquests Fusarium serien utilitzats per modificar el teixit de polièster, per aconseguir teixits més hidrofílics i més fàcils de treballar (Nimchua et al 2008). Cal recordar l’assemblança estructural dels teixits de PET, roba de fibra sintètica (Figura 3), als de fibra natural com el cotó, ja que aquests contenen cutina, que és un polièster de les parts externes de les plantes. Per tant, els enzims de Fusarium o Ideonella deuen ser relativament semblants als que ja hi eren a la natura molt abans d’inventar-se els plàstics.

 

Recent millora genètica de l’enzim PETasa de Ideonella sakaiensis

Per tal d’entendre millor el funcionament i l’especificitat de la PETasa, recentment un grup d’investigadors nord-americans i britànics han caracteritzat l’estructura de la PETasa (Austin et al 2018), sobretot per cristal·lografia de raigs X d’alta resolució, comparant-la amb una cutinasa homòloga, obtinguda de l’actinobacteri Thermobifida fusca. Les principals diferències entre les dues han estat una major polarització en la superfície de la PETasa (pI 9.6) que en la cutinasa (pI 6.3), i per altra banda, com veiem (Figura 6), una amplada més gran de la fissura del lloc actiu en el cas de la PETasa de I. sakaiensis. Això podria ser per acomodar-hi més fàcilment els polièsters aromàtics com el PET.

Figura 6. Estructures comparades (esquerra) de la PETasa de I. sakaiensis (dalt) i de la cutinasa de l’actinobacteri Thermobifida fusca (baix), obtingudes per cristal·lografia de raigs X d’alta resolució (0.92 Å). La fissura del lloc actiu està senyalada amb un cercle puntejat vermell. Detalls (dreta) del lloc actiu amb diferents amplades de la fissura a la PETasa de I. sakaiensis (dalt) i de la cutinasa de T. fusca (baix) (Tret de Austin et al 2018).

 

Amb la hipòtesi que l’estructura d’aquest lloc actiu de la PETasa hauria resultat de l’evolució d’una semblant a la cutinasa en un ambient amb PET, Austin et al (2018) van procedir a fer mutacions en el lloc actiu de la PETasa per fer-lo més semblant al de la cutinasa i van obtenir un doble mutant S238F/W159H que teòricament faria més estreta l’entrada del lloc actiu (Figura 6). Però la seva sorpresa va ser majúscula quan van veure que el mutant degradava millor el PET (una millora del 20%), amb una erosió del film de PET (Figura 7 C) encara més gran que la PETasa original (Figura 7 B). Van veure que l’explicació era que els canvis de residus (aminoàcids) del mutant afavorien l’encaix del PET al lloc actiu, malgrat fer-ne la fissura més estreta (Austin et al 2018).

Figura 7. Imatges de microscòpia electrònica de rastreig d’un retall de PET sense microorganismes (A), amb incubació 96 h de la PETasa de la soca I. sakaiensis 201-F6 (B) i de la PETasa del doble mutant S238F/W159H (C) (Tret de Austin et al 2018).

 

A més, aquests autors han vist que aquesta PETasa degrada també altres polièsters semiaromàtics semblants, com el poletilè-2,5-furandicarboxilat (PEF), i per tant aquest enzim pot ser considerat una poliesterasa aromàtica, però no degrada els alifàtics.

La conclusió del seu treball és que l’enginyeria de proteïnes és factible per millorar el rendiment de la PETasa i que cal seguir aprofundint en el coneixement de les relacions entre estructura i activitat per a la biodegradació dels polièsters sintètics (Austin et al 2018).

 

Altres menja-plàstics ?

La descoberta de I. sakaiensis ha tingut molta importància per la possibilitat d’establir un procés de reciclat ràpid del PET, però no és el primer organisme que s’hagi trobat com a consumidor de plàstics. Per cert, veiem les fórmules dels principals plàstics derivats del petroli a la Figura 8.

Figura 8. Fórmules dels plàstics derivats del petroli més usuals: polietilè (PE), clorur de polivinil (PVC), polipropilè (PP), poliestirè (PS), politereftalat d’etilè (PET o PETE) i poliuretà (PU) (Tret de Shah et al 2008).

 

Doncs bé, repassant la bibliografia, veiem que s’han descrit força casos de microorganismes degradadors de plàstics (Shah et al 2008), sobretot de polietilè, poliuretà i PVC: diversos Pseudomonas, Rhodococcus i Comamonas entre els bacteris, i alguns Penicillium, Fusarium i Aspergillus entre els fongs.

Entre els degradadors de poliuretà destaquen els fongs (Howard 2002), i sobretot l’endòfit de plantes Pestalotiopsis microspora, que pot consumir poliuretà com a única font de carboni (Russell et al 2011).

D’altra banda, és força coneguda la capacitat dels cucs o larves dels escarabats de la farina, els Tenebrio molitor, per mastegar i degradar l’espuma de poliestirè (Yang et al 2015). Alimentades només amb el PS, aquestes larves el degraden completament en uns temps relativament curts. La degradació del PS, com era d’esperar, la fan els bacteris intestinals de l’animal (Figura 9), com s’ha demostrat en aturar-se la degradació quan s’administra antibiòtic a la larva (Yang et al 2015). Un dels bacteris aïllats que s’ha demostrat degradador del PS és Exiguobacterium, un bacil·lal, però no és l’únic. De fet, en fer estudis de metagenòmica de l’intestí de les larves quan mengen PS, s’ha trobat una gran varietat de bacteris, i que aquests varien en funció del plàstic, ja que també s’ha vist la degradació de polietilè. Alguns dels bacteris amb DNA trobat com a predominant serien els enterobacteris Citrobacter i Kosakonia. Sembla que la microbiota intestinal de Tenebrio es modifica i adapta als diferents plàstics ingerits (Brandon et al 2018).

Figura 9. Biodegradació del poliestirè pels bacteris intestinals de Tenebrio, el cuc de la farina (Yang et al 2015).

 

Per acabar, com veiem la biodegradació microbiana de plàstics en principi no biodegradables o recalcitrants no ens hauria d’estranyar, ja que per un costat, hi ha “plàstics” naturals com el polihidroxibutirat o l’àcid polilàctic que són fàcilment degradables (Shah et al 2008), i d’altra banda la capacitat adaptativa dels microorganismes per poder arribar a trencar els enllaços químics més recalcitrants és molt gran. Els microbis evolucionen ràpidament, i adquireixen estratègies millors per poder trencar els plàstics fets pels humans (Patel 2018). Ho hem vist en aquest cas de la degradació del PET, que en menys de 70 anys que fa que existeix, alguns microbis ja han trobat la manera d’aprofitar-lo.

El problema segueix sent que estem generant massa quantitat de residus plàstics en molt poc temps i els microorganismes no han tingut temps encara per poder degradar-los. És evident que haurem d’ajudar als nostres companys microbis, no generant més polímers tan poc degradables, i reciclant-los i degradant-los, entre altres maneres, utilitzant aquests mateixos microbis degradadors.

 

Bibliografia

Austin HP et al (2018) Characterization and engineering of a plastic-degrading aromatic polyesterase. Proc Nat Acad Sci 115, 19, E4350-E4357

Brandon AM et al (2018) Biodegradation of Polyethylene and Plastic Mixtures in Mealworms (Larvae of Tenebrio molitor) and Effects on the Gut Microbiome.Environ Sci Technol 52, 6526-6533

Griggs MB (2017 april 24) These caterpillars chow down on plastic bags. Popular Science. http://www.popsci.com

Howard GT (2002) Biodegradation of polyurethane: a review. Int Biodeterior Biodegrad 42, 213-220

https://en.wikipedia.org/wiki/Great_Pacific_garbage_patch

https://en.wikipedia.org/wiki/PET_bottle_recycling

https://en.wikipedia.org/wiki/Polyethylene_terephthalate

Patel NV (2018 april 17) Scientists stumbled upon a plastic-eating bacterium – then accidentally made it stronger. Popular Science. http://www.popsci.com

Russell JR et al (2011) Biodegradation of polyester polyurethane by endophytic fungi. Appl Environ Microbiol 77, 17, 6076-6084

Sampedro J (2016 marzo 10) Descubierta una bacteria capaz de comerse un plástico muy común. El País

Shah AA et al (2008) Biological degradation of plastics: a comprehensive review. Biotechnol Adv 26, 246-265

Tanasupawat et al (2016) Ideonella sakaiensis sp. nov., isolated from a microbial consortium that degrades poly(ethylene terephtalate). Int J Syst Evol Microbiol 66, 2813-2818

Yang et al (2015) Biodegradation and mineralization of polystyrene by plastic-eating mealworms: Part 2. Role of gut microorganisms. Environ Sci Technol 49, 12087-12093

Yoshida et al (2016) A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate). Science 351,1196–1199

 

 

 

L’efecte accelerat del canvi climàtic a l’ecosistema àrtic

12 febrer 2016

Click here for the english version: The effect of rapid climate change in the Arctic ecosystem

 

L’oceà Àrtic o l’Àrtida

Curiosament i casualment, “àrtic” prové de la paraula grega αρκτος -arctos-, que vol dir “ós”, i és una referència a la constel·lació Óssa Menor, on hi ha l’estrella Polar, que assenyala el pol nord geogràfic.

L’Àrtic, o també anomenat Àrtida, constitueix un ecosistema únic de la Terra, format per una extensa banquisa, o sigui un oceà cobert de gel, a vegades considerat com la part nord de l’oceà Atlàntic, i que està envoltat per terra que és permagel (permafrost), amb absència absoluta d’arbres. La vida a l’Àrtida consta d’organismes adaptats al gel, incloent zooplàncton i fitoplàncton, peixos, mamífers marins, ocells, animals terrestres, plantes i societats humanes totalment adaptades a les condicions extremes de l’entorn.

Degut a l’escalfament global, les isotermes estan avançant en direcció nord a un ritme superior als 50 km per dècada durant els últims 30 anys, de manera que si definim l’àrtic a partir de la temperatura o de la línia d’arbres la seva extensió està disminuint, cosa de la qual l’efecte més visible és la reducció de la banquisa.

 

Canvi climàtic antropogènic: Escalfament global i especialment a l’Àrtic

Doncs sí: el canvi climàtic ja és aquí i és generat per les activitats humanes, o sigui és antropogènic. A la Terra hi han hagut prèviament oscil·lacions de la temperatura global causades per fenòmens naturals, normalment variacions cícliques i de llarga durada. Per exemple les glaciacions des de fa uns 2 milions d’anys es repeteixen cada 100.000 anys i la última època glacial va acabar fa 15.000 anys. Per tant ara vivim es un període interglacial i la propera glaciació podria esdevenir no abans d’uns 50.000 anys. La causa d’aquest cicle de glaciacions sembla que són les variacions orbitals de la Terra, que donen lloc a una menor insolació a les latituds altes de l’hemisferi Nord durant els períodes glacials.

L’activitat solar, com la d’altres estrelles, també té cicles i aproximadament cada 600 anys hi ha uns períodes de molt poca activitat (molt poques taques i absència d’aurores), amb menor emissió d’energia, que es corresponen amb períodes freds en el clima terrestre. El darrer mínim fou els anys 1645-1715, i per tant des de mitjans del segle XVIII gaudim d’un màxim d’activitat, amb petits cicles de màxims i mínims de 11 anys.

Descomptant aquestes variacions naturals, és evident que al llarg del segle XX i sobretot des dels anys 1960 hi ha hagut un increment constant de la temperatura mitjana global (Figura 1), fins assolir quasi 1ºC més que a l’inici del segle XX. Als primers anys d’aquest segle XXI la tendència s’està agreujant. Els últims 10 anys han estat els més calorosos des que es porten registres i les prediccions són a seguir augmentant. La majoria dels experts estan d’acord en què els humans exerceixen un impacte directe sobre aquest procés d’escalfament, conegut com a efecte d’hivernacle. Els causants d’aquest efecte són els components gasosos de l’atmosfera, i sobretot el CO₂, que ha anat augmentant en paral·lel a la pujada de temperatures, des d’unes 300 ppm a inicis del s. XX fins als quasi 400 ppm actuals. Aquest CO₂ i altres gasos com el mateix vapor d’aigua, el metà i altres exclusivament antropogènics, absorbeixen la radiació i el resultat és que l’atmosfera s’escalfa encara més.

Figura 1. Increment de la temperatura mitjana global respecte l’inici del segle XX (tret de GISTEMP).

 

Aquest escalfament global és especialment manifest a l’Àrtida. Els increments de temperatura son més elevats a les latituds nòrdiques, especialment als 60-70º N, on aquest desembre passat (Figura 2) han arribat a ser fins 9ºC superiors a la mitjana en grans extensions del nord d’Amèrica i Euràsia. És el que s’anomena amplificació d’escalfament polar (PWA, Polar Warming Amplification). La causa d’aquest sobreescalfament de l’Àrtida respecte la resta de la Terra en part és degut a la pèrdua de neu i gel (un efecte retroactiu, com un peix que es mossega la cua) perquè la major superfície de terra i aigua absorbeix més energia solar que el blanc del gel (efecte albedo), però també s’està veient que el PWA és degut en part al transport dinàmic atmosfèric, que transporta energia tèrmica i núvols des de les regions subtropicals cap al nord (Taylor et al 2013).

Figura 2. Anomalia tèrmica registrada aquest desembre 2015 respecte la mitjana 1951-1980 (tret de GISTEMP).

 

A banda de les conseqüències que aquest escalfament està tenint sobre el gel de l’Àrtic que tot seguit comentarem, un altre problema greu és la fosa del permagel (permafrost), ja que aleshores s’allibera el gas metà atrapat sota el terra gelat, i les quantitats ingents de metà alliberat, com a gas d’efecte hivernacle, contribuiran encara més a accelerar l’escalfament global.

 

Cada cop menys gel a l’Àrtic

Les tendències linears de l’extensió del gel marí o banquisa de l’Àrtic des del 1979 fins ara són negatives any rere any, per a qualsevol mes que es consideri, però és més manifest comparant els setembres, al final de l’estiu quan es va fonent la banquisa (Figura 3). Dels aproximadament 7 milions km² mínims del setembre (el màxim al mars són uns 16 milions), s’han fos uns 100.000 km² per any, quasi un 9% cada 10 anys (Serreze et al 2007), de tal manera que ara hi ha pràcticament la meitat que el 1979 (Figura 4).

Figura 3. Comparació de l’extensió de la banquisa (en color roig) de setembre 1979 amb la de 2012 (tret de The Cryosphere Today).

Figura 4. Extensió mitjana mensual del mar de gel àrtic des de 1979 (Reeves et al 2013).

 

A més de la reducció en superfície de la banquisa, cal tenir en compte la reducció en volum, que representa que actualment és un terç del que hi havia el setembre 1979.

Hi ha una gran diferència entre els diferents models de predicció sobre la desaparició del mar de gel àrtic. La meitat d’ells en preveuen la total o pràctica desaparició el setembre del 2100. Les prediccions es mouen des del setembre del 2040 les menys optimistes, fins ben passat el 2100 les altres (Serreze et al 2007).

Uns altres problemes derivats de la desaparició de la banquisa són per un costat el trànsit de vaixells, que podrien escurçar distàncies dels trajectes entre els ports dels països septentrionals, i per un altre costat l’explotació de camps petrolífers i altres combustibles fòssils i minerals, ja que a l’Àrtida hi ha una bona part de les reserves mundials (Figura 5).

Figura 5. Esquerra: previsió de les rutes de vaixells de mar obert (en blau) i per a trencaglaços mitjans (en vermell) per a 2040-2059. Dreta: Distribució de les principals reserves de petroli i gas, tant les regions possibles (groc), com les llicències (vermell) i els pous en explotació o per explotar (negre). La línia discontínua senyala el límit CAFF de conservació de fauna i flor àrtica declarada pel Grup de Treball del Consell Àrtic (www.arctic-council.org). Imatges de Reeves et al 2013.

 

Conseqüències ecològiques de la desaparició de la banquisa de gel àrtic

Hi ha molts organismes vinculats a la banquisa. Els óssos blancs vagaregen sobre la banquisa àrtica, per la qual cosa es tem pel seu destí, i molts peixos, foques i crustacis (krill) formen una cadena tròfica que arrenca de les algues que creixen sota el glaç, en un ambient molt constant i enriquit en nutrients, especialment favorable per a la vida marina (Figura 6 A). La banquisa flotant a l’estiu és un corredor de dispersió de vertebrats terrestres (les guineus àrtiques per exemple) i plantes.

La progressiva desaparició de la banquisa i l’escalfament a la costa àrtica comporta una sèrie de desequilibris ecològics (Figura 6 B). Veiem per exemple com les morses obligades a romandre agrupades a terra tenen més predisposició de transmissió de malalties. La pèrdua de banquisa disminueix els corredors de dispersió i aleshores les poblacions terrestres queden més aïllades, amb la qual cosa es restringeix el flux genètic. Els óssos polars i altres predadors que cacen a la banquisa ho tenen molt més difícil i les seves poblacions perillen. La productivitat del fitoplàncton disminueix notablement, amb la qual cosa es redueix el zooplàncton, i aleshores tota la cadena tròfica (peixos, foques, etc.) es veu afectada (Post et al 2013).

Figura 6. Interaccions ecològiques influïdes pel gel marí. A: La distribució i estacionalitat de la banquisa influeix en l’abundància, distribució i interaccions de tot l’ecosistema en equilibri. B: La major durada del període sense gel i la menor extensió de la banquisa tenen conseqüències nefastes en l’equilibri de l’ecosistema (Post et al 2013).

 

L’ós blanc es busca la vida

L’ós blanc o polar (Ursus maritimus) es considera un animal en perill d’extinció. Només en queden uns 25.000 exemplars en tot el món. L’impacte del canvi climàtic afecta al seu hàbitat exclusiu de les regions polars i les previsions apunten que amb pocs anys el gel de la banquisa àrtica es pot fondre permanentment i l’ós polar pot extingir-se a causa de l’escalfament de la zona.

L’ós blanc és bàsicament carnívor, a diferència dels altres óssos com els bruns, i subsisteix sobretot caçant foques a la banquisa. Amb la desaparició progressiva del gel, té més problemes per trobar preses, i alguns han començat a aprendre a agafar els salmons dels rius, com veiem a les imatges (Figura 7).

Figura 7. Ós blanc dedicant-se a la pesca de salmons per tal de subsistir (www.youtube.com/watch?v=9m_Q9Ojbcmw).

 

També s’han vist grups d’óssos blancs en alta mar pescant (vegeu el vídeo) capbussant-se i emergint alternativament igual que si fossin dofins o marsopes. Malgrat aquestes petites adaptacions, aquesta alimentació és molt minsa i està clar que les seves poblacions estan minvant molt ràpidament.

 

Les orques prosperen cap al nord

La desaparició de la banquisa boreal és un canvi ecològic dràstic que està provocant la desaparició d’algunes espècies com l’ós blanc, però amb aquests desequilibris curiosament algunes altres espècies en surten beneficiades. És el cas de l’orca (Orcinus orca), que està prosperant cada cop més al nord (Figura 8).

Figura 8. Llocs (senyalats amb números) de l’Àrtic canadenc on s’han fotografiat grups d’orques repetidament entre 2004 i 2009 (Young et al 2011).

 

Els esquimals inuit, habitants de tot l’Àrtic americà (des del Quebec a Alaska incloent la badia de Hudson i les illes adjacents) i la costa occidental de Groenlàndia, són els primers testimonis des de mitjans del segle XX de l’observació d’orques en les seves aigües, desconegudes abans. A més a més, aquests darrers anys els científics n’han fet nombrosos albiraments, s’han fotografiat individualment (Young et al 2011) i s’han seguit els seus recorreguts mitjançant bioacústica (Ferguson et al 2010) i altres tècniques.

Figura 9. (Dalt): Narvals amb el característic gran ullal que donà lloc al mite de l’unicorn. (Baix): Grup d’orques atacant els narvals arraconats a la platja. Vegeu el vídeo de PBS Nature.

Des de fa uns anys els atacs de les orques sobre els narvals (com a la Figura 9) han estat observats repetidament pels esquimals inuits i estudiats en detall per diversos científics. Laidre et al (2006) observaren que abans d’acostar-se les orques, els narvals tendeixen a agrupar-se i nadar més silenciosament i molt a prop de la platja, en aigües poc fondes. Durant l’atac, els narvals es dispersen notablement però tanmateix, la mortalitat és molt elevada. Després de la depredació, que pot durar algunes hores, s’han observat taques olioses a la superfície marina provinents del greix dels narvals depredats (Figura 10).

Figura 10. Grup d’orques envoltades per taques d’oli a la superfície marina, provinents del greix dels narvals que han depredat (Laidre et al 2006).

Els atacs de les orques sobre els narvals són tan freqüents i eficaços que ja comencen a afectar la seva població. Els efectes encara són pitjors en altres cetacis amb menor població com les balenes de Groenlàndia (Balena mysticetus, bowhead), que pràcticament ja són en extinció. (Figura 11).

Figura 11. Esquema de les proporcions de preses d’un grup d’orques de la badia de Hudson (Ferguson et al 2010).

 

En conclusió, el canvi climàtic antropogènic està afectant severament l’ecosistema àrtic (i tots els altres), i malgrat que se’n va prenent consciència, les mesures polítiques efectives per disminuir les emissions del CO₂ i altres gasos hivernacle són tan minses, que difícilment arribaran a temps. Estem portant al planeta Terra a una extinció massiva d’espècies i uns canvis ecològics mai vistos en la història dels humans.

La imatge ho diu tot: l’ós blanc o polar s’està quedant sense hàbitat.

 

Bibliografia

Arctic Council: http://www.arctic-council.org

Ferguson S.H., Higdon J.W. & Chmelnitsky E.G. (2010) The rise of killer whales as a major Arctic predator. In S.H. Ferguson, et al. (eds.): A little less Arctic: top predators in the world’s largest northern inland sea, Hudson Bay. Pp. 117–136. New York: Springer

GISTEMP, Goddard Institute for Space Studies Surface Temperature Analysis (NASA-GISS): http://data.giss.nasa.gov/gistemp/

Hawkings E (2014) nov 28: http://www.climate-lab-book.ac.uk/2014/hiatuses-in-the-rise-of-temperature/

Laidre KL, Heide-Jørgensen MP, Orr J (2006) Reactions of narwhals, Monodon monoceros, to killer whale, Orcinus orca, attacks in the Eastern Canadian Arctic. Can. Field Nat., 120, 457–465

Morell V (2012) Killer whale menu finally revealed. http://www.sciencemag.org/news/2012/01/killer-whale-menu-finally-revealed

PBS Nature: http://www.pbs.org/wnet/nature/invasion-killer-whales-killer-whales-attack-pod-narwhals/11165/

Post et al. (2013) Ecological Consequences of Sea-Ice Decline. Science. DOI: 10.1126/science.1235225: http://www.carbonbrief.org/knock-on-effects-for-wildlife-as-the-arctic-loses-ice

Reeves RR et al (2014) Distribution of endemic cetaceans in relation to hydrocarbon development and commercial shipping in a warming arctic. Marine Policy 44, 375-389

Serreze MC, Holland MM, Stroeve J (2007) Perspectives on the Arctic’s shrinking sea-ice cover. Science 315, 5818, 1533–6.

Taylor PC, Cai M, Hu A, Meehl J, Washington W, Zhang GJ (2013) Decomposition of feedback contributions to Polar Warming Amplification. J Climate 26, 7023-43

The Cryosphere Today: http://arctic.atmos.uiuc.edu/cryosphere/

Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Climate_change

Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Arctic

Young BG, Jeff W. Higdon JW, Steven H. Ferguson SH (2011) Killer whale (Orcinus orca) photo-identification in the eastern Canadian Arctic. Polar Research Vol 30

Els bacteris troposfèrics de la pluja i la neu

Click here for the english version: The tropospheric bacteria of rain and snow

28 juliol 2013

Cada cop hi ha més proves científiques que els bacteris que es troben a l’alta troposfera (8-15 km) podrien influir en la densitat dels núvols i la pluja.

Bé, primer cal recordar que la troposfera és la part baixa de l’atmosfera, i els 8-15 km són l’alta troposfera, ja quasi a la tropopausa que limita amb l’estratosfera, per damunt l’Everest i per on volen més alt els avions. És aquí on són alguns dels núvols més alts.

Les capes de l’atmosfera terrestre (www.theozonehole.com/atmosphere)

Doncs en un estudi recent (DeLeón-Rodríguez et al, 2013) s’ha vist que els bacteris viables (per PCR quantitativa i microscòpia d’epifluorescència) a uns 10 km d’alçada (mostres preses damunt el mar Carib i l’Atlàntic occidental) representen un 20% de les partícules totals de mides entre 0,25 i 1 mm, i que són almenys 10 cops més abundants que els fongs, amb uns nombres de 10⁵ per m³, amb un 60% de viables. Això suggereix que els bacteris són una fracció important i subestimada de les micropartícules dels aerosols atmosfèrics, fins i tot en majors concentracions que a menors alçades. Els autors han analitzat els bacteris presents per piroseqüenciació (Roche 454) dels gens rRNA. Han vist que el microbioma troposfèric té una bona varietat de taxons bacterians i que varien dinàmicament segons les turbulències atmosfèriques i en presència d’huracans. Alguns dels bacteris trobats més abundants són els que utilitzen compostos C1-C4 (l’oxàlic per ex.) presents a l’atmosfera, per tant aquests bacteris són metabòlicament actius a aquestes alçades. Això reforça la idea del paper actiu dels bacteris a la troposfera, i que no són tan sols espores (fúngiques) inerts surant per l’aire.

En aquest sentit, aquest anàlisi metagenòmic també confirma la presència dels bacteris que tenen capacitat de catalitzar la formació de cristalls de gel i per tant la condensació dels núvols.  Aquest procés de nucleació (ice nucleation, IN) té lloc quan les molècules d’aigua presenten coalescència al voltant d’una partícula llavor, per exemple de pols. En funció de la temperatura, aquests complexos poden créixer fins esdevenir gotes d’aigua o de gel, que porten a la formació de la pluja o la neu. Tenint en compte que a l’alta troposfera les partícules de pols són escasses, es fa evident el paper rellevant dels bacteris en aquest fenomen.

Un dels papers clau en la nucleació de gel (IN) per part dels bacteris és que catalitzen la formació de gel a temperatures properes a 0ºC, a diferència de la formació de nuclis de gel per part de les partícules inorgàniques, que ho fa a temperatures més baixes, per sota de -10ºC, i sense cap partícula que faci de nucli l’aigua ultra-pura es congela a -40ºC.

La nucleació de gel pels bacteris s’ha reproduït al laboratori (Christner et al, 2008) amb mostres de pluja i de neu de diferents llocs del món (Canadà, USA, Pirineus, Alps i Antàrtida), demostrant que a les mostres tractades amb lisozima (que hidrolitza la paret cel·lular bacteriana) o tractades amb calor, es reduïa quasi al 100% l’activitat de IN a una temperatura de -5ºC. Per tant, els bacteris són els responsables de la IN a aquestes temperatures relativament altes.

Els bacteris més freqüentment associats amb l’activitat IN són espècies associades a plantes com Pseudomonas syringae o Xanthomonas campestris, que a més sovint han estat detectats als aerosols atmosfèrics i als núvols. També s’han trobat P. syringae dins les pedres de gel de les pedregades.

Pseudomonas syringae (www.forestry.gov.uk)

El fenomen de la IN per P. syringae ja fou observat el 1974 (Maki et al) i després s’ha demostrat (Gurian-Sherman & Lindow 1993) que les soques IN d’aquesta i altres espècies tenen a la membrana externa de la paret cel·lular, com a element actiu IN, una proteïna d’uns 180 kDa, composta de repeticions d’un octapèptid consens. Aquesta proteïna forma una disposició planar que atrapa molècules d’aigua produint un motlle per a la formació de gel.

Aquesta característica fa que aquests bacteris siguin els principals responsables dels danys per glaçades en les plantes, a banda que P. syringae és patogen de moltes plantes a temperatura ambient, per la producció d’un compost (coronatina) que fa mantenir els estomes oberts, provocant la invasió bacteriana dels teixits vegetals (Nigel Chaffey, 2012).

Fulla de tomaquera infectada per Pseudomonas syringae (Alan Collmer, Cornell University/Wikimedia Commons)

Tornant al mal de les glaçades, la majoria de plantes poden aguantar fins a -5ºC sense gaire danys si no hi ha aquests bacteris, però la presència de bacteris formadors de proteïna IN com P. syringae, en nombres només de 1000 per g de vegetal, fa augmentar dràsticament els danys per congelació. Aquests danys també faciliten la penetració i infecció dels bacteris.

Planta glaçada (MO Plants & Maureen Gilmer)

Aquesta característica de nucleació de gel de P. syringae també és aprofitada per a la producció de neu artificial. Encara que aquesta es pot fabricar normalment només per l’expansió forçada de barreja d’aigua i aire pressuritzats en condicions adequades d’humitat i temperatura (per ex. ≤ 2ºC a 20% humitat, o ≤ -2ºC a 60%), la producció s’afavoreix amb l’addició d’agents de nucleació, que poden ser inorgànics, orgànics o la proteïna bacteriana esmentada.

Canons de neu (www.siemens.com)

Tornant als núvols, cal recordar que els bacteris no són ni molt menys els únics agents de la nucleació que donen lloc a la condensació de les gotes que donen lloc a la pluja o la neu. Els nuclis de condensació de núvols (Cloud Condensation Nuclei, CCN), o anomenats llavors de núvols poden ser molt diversos tipus de micropartícules, de mides al voltant de 0,1 – 1 mm. En condensar-se aquest aerosol de micropartícules forma gotes als núvols de 0,02 mm, que en caure donen gotes de pluja de 2 mm.

Les micropartícules són sobretot d’origen natural com la pols, sal marina, sulfats d’origen volcànic, o micropartícules orgàniques resultat de l’oxidació de compostos volàtils. Alguns d’aquests poden ser d’origen industrial, així com el sutge o altres partícules resultat de la combustió. Un altre origen biològic  important dels CCN són els aerosols de sulfats i metanosulfat produïts a partir del dimetilsulfur produït pel fitoplàncton dels oceans.

En qualsevol cas, i malgrat que la microbiologia atmosfèrica encara està a les beceroles, com hem vist cada cop hi ha més dades sobre la importància dels bacteris i altres microorganismes sobre la bioprecipitació de pluja i neu. Per conéixer millor el seu paper, cal anar més enllà de la descripció de l’abundància de microorganismes en l’atmosfera, i més cap a la comprensió de les propietats biològiques i fisicoquímiques dels processos de transport implicats. Això requerirà un enfoc interdisciplinari de disciplines tan aparentment diferents com l’oceanografia, la genètica bacteriana i la física de l’atmosfera, per exemple.

Imaginant-nos els bacteris (Pseudomonas syringae, foto: microbewiki.kenyon.edu) al mig dels núvols amenaçadors (foto: lanroca.wordpress.com)

Bibliografia

Chaffey N. (2012) COR, nice one, Mr Microbe !. AoB Blog.

Christner B. et al. (2008) Geographic, seasonal, and precipitation chemistry influence on the abundance and activity of biological ice nucleators in rain and snow. PNAS 105, 48, 18854-18859.

DeLeón-Rodríguez N. et al. (2013) Microbiome of the upper troposphere: species composition and prevalence, effects of tropical storms, and atmospheric implications. PNAS 110, 7, 2575-2580.

Gurian-Sherman D. & S.E. Lindow (1993) Bacterial ice nucleation: significance and molecular basis. FASEB J. 7, 14, 1338-1343.

Hardy J. (2008) The rain-making bacteria. Micro-Bytes.

http://microbialmodus.wordpress.com/tag/ice-nucleating-bacteria/

https://en.wikipedia.org/wiki/Cloud_condensation_nuclei

https://en.wikipedia.org/wiki/Snowmaking

Maki L.R. et al. (1974) Ice nucleation induced by Pseudomonas syringae. App!. Microbiol. 28, 456-460.

Morris C.E. et al. (2011) Microbiology and atmospheric processes: research challenges concerning the impact of airborne micro-organisms on the atmosphere and climate, Biogeosciences 8, 17-25