Más pequeño que un grano de arena, el fitoplancton es fundamental para la salud del agua – Blog de la revista Horizon

Tome agua de mar en sus manos y tendrá un mundo vertiginoso de organismos unicelulares, miles de ellos.

Al igual que las criaturas de una metrópolis submarina, los microbios fotosintéticos microscópicos, el fitoplancton, flotan silenciosamente en el océano, mejorando la calidad del agua. Como base del ecosistema oceánico, el fitoplancton trabaja incansablemente para alimentar las redes tróficas marinas y consumir grandes cantidades de dióxido de carbono en escalas equivalentes a bosques. ¡Pero eso no es todo lo que pueden hacer! Estas diminutas plantas pueden convertir los contaminantes orgánicos en productos químicos menos tóxicos.

Suena simple, pero no lo es. Los procesos involucrados siguen siendo esquivos.

Productos químicos sintéticos en el medio ambiente

La contaminación del agua, una vez una amenaza invisible y silenciosa, es ahora una gran preocupación ambiental en todo el mundo.

“Cada año se utilizan millones de toneladas de productos químicos orgánicos sintéticos para fines industriales, agrícolas y de consumo. Estos compuestos encuentran parcialmente su camino hacia el ambiente acuático, comprometiendo la calidad del agua y socavando la vida acuática ”, dijo Giulia Cheloni, científica ambiental que estudia las respuestas del fitoplancton a contaminantes basados ​​en carbono.

Estos contaminantes se describen como contaminantes de creciente preocupación debido a su riesgo potencial para la salud humana y los impactos ecológicos. Se pueden encontrar en productos para el cuidado personal como fragancias, desinfectantes y agentes de protección solar, así como en artículos para el hogar como disolventes, protectores de telas y retardadores de llama.

¿Puede el fitoplancton potente limpiar los contaminantes?

Los científicos están estudiando cómo los contaminantes orgánicos afectan al fitoplancton.

«El fitoplancton no está indefenso contra la contaminación química: cuando se expone a contaminantes, puede activar respuestas celulares para reducir su toxicidad», dijo Cheloni, quien está realizando una investigación bajo PHYCOCYP, un proyecto emprendido con el apoyo del programa Marie. Acciones Skłodowska-Curie .

Este proceso se llama biotransformación. Las moléculas xenobióticas, es decir, las moléculas que no se producen naturalmente en los organismos, como los pesticidas, podrían ser metabolizadas por las células del fitoplancton. Estos últimos activan enzimas específicas que hacen que los contaminantes sean menos tóxicos y se eliminan más fácilmente del cuerpo.

Hasta ahora, la forma exacta en que esto sucede ha sido difícil de alcanzar. «El propósito de PHYCOCYP es profundizar la comprensión mecanicista de los procesos de biotransformación en el fitoplancton y estudiar cómo afectan su tolerancia a los contaminantes orgánicos», señaló Cheloni.

La disección de las vías de biotransformación mejorará la comprensión de los científicos sobre qué enzimas se activan en el proceso y qué tipos de sustancias químicas pueden transformar.

Esta información es fundamental para comprender exactamente cómo el fitoplancton transforma las diferentes clases de contaminantes orgánicos en entornos naturales.

«La capacidad de transformar contaminantes orgánicos en productos más seguros hace que el fitoplancton sea un candidato prometedor en las plantas de tratamiento de agua», agregó Cheloni.

Preparando el terreno para CYP

Para comprender mejor este proceso, PHYCOCYP examinará cómo una familia de enzimas llamada citocromo P450 (CYP) afecta la capacidad del fitoplancton para transformar contaminantes orgánicos. Presentes en todos los ámbitos de la vida, incluidos los animales, las plantas, las bacterias e incluso algunos virus, los CYP desempeñan un papel destacado en las respuestas al estrés y la degradación xenobiótica.

Sin embargo, nuestro conocimiento de cómo funcionan los CYP en el fitoplancton está muy por detrás del de otros organismos. Esta es la razón por la que los investigadores se basarán en avances genéticos previos en el fitoplancton y aplicarán un enfoque de edición del genoma para generar especies mutantes sin CYP activos.

«Al principio, nuestro estudio utiliza una herramienta de edición del genoma única llamada CRISPR-Cas9 en el fitoplancton para la investigación de toxicología ambiental», dijo Cheloni. Esta tecnología permite a los investigadores modificar partes del genoma eliminando, agregando o alterando secciones de la secuencia de ADN.

Luego, estos mutantes estarán expuestos a contaminantes orgánicos para comprender el papel de los CYP en la respuesta al estrés y la tolerancia a los contaminantes orgánicos.

Los investigadores utilizarán un enfoque comparativo para estudiar la capacidad del fitoplancton para transformar contaminantes orgánicos y el papel de los CYP en este proceso de biotransformación.

“Nuestro enfoque metabolómico nos permitirá realizar un análisis comparativo entre fenotipos de tipo salvaje y mutantes. Este enfoque comparativo para explorar las vías de biotransformación nunca se había aplicado antes ”, destacó Cheloni.

Implicaciones de gran alcance

En los últimos años, los estudios de toxicología ambiental se han centrado principalmente en cómo los contaminantes afectan a los organismos (la biota), pero no al revés. Los resultados de PHYCOCYP proporcionarán más información sobre cómo los procesos de biotransformación de los microorganismos pueden influir en el destino y la persistencia de los contaminantes en los ecosistemas.

En el campo de la biotecnología ambiental, la identificación de enzimas involucradas en los pasos clave en la degradación de contaminantes es particularmente importante para el tratamiento de aguas residuales. Tales enzimas podrían ser de gran ayuda para seleccionar cepas naturales que pueden transformar contaminantes orgánicos de manera más eficiente o ayudar a generar cepas sintéticas que pueden transformar contaminantes persistentes.

«PHYCOCYP es un proyecto colaborativo e interdisciplinario que reunirá la experiencia de tres laboratorios franceses especializados en los campos de la ecología microbiana marina (MARBEC), química analítica acuática (HydroSciences Montpellier), fisiología del fitoplancton y biología celular (UMR7141)», dijo Cheloni. .

Materiales avanzados al rescate

A medida que se explora más a fondo el papel del pequeño fitoplancton en el tratamiento del agua, los científicos también están estudiando otro aliado importante en la lucha contra la contaminación de los océanos: materiales y procesos avanzados.

Con el apoyo del programa Marie Skłodowska-Curie, MAT4TREAT ha desarrollado materiales y procesos avanzados para proteger las aguas naturales de los contaminantes de emergencia (CEC), como compuestos farmacéuticos activos y otros productos químicos, así como bacterias y virus resistentes a los antibióticos, debido a su impacto potencial en la salud pública.

La novedad aquí es la integración de las tres tecnologías avanzadas de tratamiento de agua: adsorción, membranas y fotocatálisis o térmica.

En los dos primeros enfoques, los contaminantes son atrapados por materiales de alta superficie o separados por tamices que solo permiten el paso de agua limpia.

En la foto y en la catálisis térmica, la luz solar y el calor desencadenan la formación de especies químicas que convierten los contaminantes en productos menos dañinos: dióxido de carbono y agua en el mejor de los casos, explica Giuliana Magnacca, profesora asociada de Química Física en el Departamento de Química de la Universidad. de Turín.

Desde la implementación de organismos diminutos hasta el desarrollo de materiales avanzados, el objetivo de la investigación es el mismo: permitir un uso mejor, más limpio y más sostenible del agua, crucial para todas las funciones sociales fundamentales. Esto también está en línea con el objetivo de la UE de tener el 100% de los ecosistemas de agua dulce de la UE en buen estado para 2027, en comparación con el 40% actual.