EMISIÓN DE GASES EFECTO

EMISIÓN DE GASES
DESNITRIFICANTES
DE
EFECTO
INVERNADERO
POR
BACTERIAS
Tortosa, G.a, Correa, D.a, Mesa, S. a, Delgado, M.J.a, Bedmar, E.J.a
Departamento de Microbiología del Suelo y Sistemas Simbióticos. Estación Experimental del Zaidín, CSIC.
Apartado Postal 419, 18080-Granada
1. Introducción
El ciclo biogeoquímico del nitrógeno (N) es uno de los más complejos y variables en la naturaleza,
y la influencia antropogénica en el mismo produce importantes alteraciones y riesgos
medioambientales. Debido a una agricultura cada vez más intensiva que consume grandes
cantidades de nitrógeno inorgánico, principalmente nitratos y sales de amonio, la contaminación
por nitratos y nitritos de los suelos y aguas es cada vez más frecuente e intensa. La
desnitrificación es el único proceso biológico por el que el nitrato y el nitrito pueden transformarse
en nitrógeno molecular (N2) vía la formación de óxido nítrico (NO) y óxido nitroso (N2O). Es, por lo
tanto, el proceso principal por el que el nitrato/nitrito se puede eliminar de los suelos y aguas y así
evitar su acumulación y posteriores problemas de contaminación. Cuando la desnitrificación es
incompleta, la reducción del nitrato/nitrito resulta en la producción de NO y/o N2O, gases que se
liberan a la atmósfera donde ejercen un potente efecto invernadero (GEIs). Es, por tanto, una
paradoja que siendo la desnitrificación el único mecanismo que poseen los seres vivos para
eliminar el exceso de nitratos que contaminan los ecosistemas terrestres y acuáticos, sea también
un proceso cuyos productos intermediarios tienen un enorme impacto sobre la contaminación
atmosférica. En este trabajo se exponen las líneas de investigación que nuestro Grupo de
Investigación lleva a cabo actualmente en relación con la desnitrificación y la producción de gases
de efecto invernadero. Esta investigación se ha subvencionado con los proyectos de investigación
CGL2006-06870, P07-CVI-3177, RNM-4746 y AGL2010-18607 y se centran en tres grandes
objetivos: 1) el estudio medioambiental de ecosistemas afectados por la contaminación por
nitratos; 2) el análisis de la biodiversidad de las poblaciones de bacterias desnitrificantes en
muestras medioambientales y, 3) la emisión de N2O por bacterias endosimbióticas en cultivos de
leguminosas de interés agrícola.
2. Técnicas, Resultados y Discusión
Las técnicas que se emplean en nuestro laboratorio incluyen las relacionadas con la
caracterización fisicoquímica de muestras medioambientales (aguas, suelos y sedimentos), entre
ellas, determinación de pH, conductividad eléctrica, carbono orgánico y nitrógeno total, amonio,
nitrato y nitrito, así como el contenido en macro y microelementos. Desde un punto de vista
bioquímico se analizan las actividades enzimáticas que caracterizan los principales ciclos
biogeoquímicos, como el carbono, nitrógeno, fósforo y azufre respectivamente. También se lleva a
cabo la determinación de los GEIs CO2, CH4 y N2O que pueden liberarse durante la incubación de
suelos, aguas y sedimentos, la actividad desnitrificante y el potencial de desnitrificación (Tortosa y
col., 2011). Se dispone también de las técnicas necesarias para el aislamiento de ADN a partir de
muestras medioambientales y para amplificar (qPCR) y clonar (metagenómica) los genes
desnitrificantes narG, napA, nirK, nirS y nosZ que puedan estar presentes en tales muestras. La
determinación de la actividad desnitrificante, basada en la detección de N2O mediante
cromatografía gaseosa, permite analizar las relaciones entre gen y función en tales muestras
medioambientales. La asociación de estos datos con técnicas geoestadísticas hace posible
obtener la distribución espacial de comunidades funcionales en muestras medioambientales
(mapa de Krige). La amplificación y secuenciación del gen 16S rRNA permite, por otra parte,
estudiar la biodiversidad de las poblaciones desnitrificantes y entender los factores que puedan
modificar la biodiversidad (Correa-Galeote y col., 2012). La nueva técnica de pirosecuenciación,
que permite el análisis masivo de miles de secuencias amplificadas de un gen determinado,
permitirá profundizar en el estudio de las poblaciones desnitrificantes que puedan desarrollarse en
un ecosistema determinado.
Nuestro grupo de investigación ha sido pionero en caracterizar los genes y enzimas de la
desnitrificación de la bacteria endosimbiótica Bradyrhizobium japonicum, que forma nódulos en las
raíces de soja (Bedmar y col., 2005). Durante estos estudios se ha demostrado que los genes de
la desnitrificación se expresan en los nódulos y que la mutación en los genes correspondientes
resulta en la producción de NO y N2O (Mesa y col., 2004). El primero forma complejos nitrosilleghemoglobina, lo que disminuye la capacidad respiratoria de los bacteroides de los nódulos y el
segundo se libera a la atmósfera, contribuyendo a su contaminación (Meakin y col., 2007;
Sánchez y col., 2011).
Si se considera la cantidad de GEIs que emiten las bacterias en vida libre y se piensa en la que
pueden liberar a la atmósfera las bacterias que establecen asociaciones simbióticas con plantas
leguminosas y actinorrícicas, se puede concluir que los miles de millones de hectáreas que se
cultivan con tales plantas constituyen una fuente importante de emisión de GEIs a la atmósfera.
En este sentido, el Grupo de Investigación utiliza la simbiosis Bradyrhizobium japonicum-Glycine
max y Ensifer meliloti-Medicago sativa como modelos para analizar la producción de NO y N2O por
los nódulos e identificar los factores medioambientales que puedan alterar tales emisiones, entre
ellos, la presencia de metales, con especial interés en el Cu ya que forma parte de algunas
enzimas desnitrificantes, así como el pH y el O2, ello sin contar el efecto de las fuentes de C y N.
El desarrollo efectivo de sistemas de manejo para preservar la contaminación por nitratos de
suelos, agua y atmósfera, así como para establecer planes de actuación en zonas contaminadas,
no sólo requiere el estudio de la ecología funcional de las poblaciones de microorganismos
desnitrificantes, sino que también es necesaria la identificación de las fuentes de contaminación
por nitratos. Esta tarea se aborda en el Grupo mediante el análisis isotópico del oxígeno y del
nitrógeno de los nitratos contaminantes, lo que, a su vez, nos permitirá analizar el origen, bien
agrícola, ganadero o industrial, de los nitratos contaminantes. Gran parte de nuestros estudios se
llevan a cabo en el Parque Nacional del Doñana. Junto con la especial protección a la que está
sometido, las características extraordinarias del Parque hacen de sus marismas un ecosistema
excepcional para estudiar la biodiversidad, la estructura y la dinámica de la comunidad de
microorganismos desnitrificantes (Tortosa y col., 2011; Correa-Galeote y col., 2012).
Referencias
Bedmar, E.J., Robles, E.F., Delgado, M.J. 2005. The complete denitrification pathway of the
symbiotic, nitrogen-fixing bacterium Bradyrhizobium japonicum. Biochem Soc Trans 33: 141-144.
Correa-Galeote, D., Marco, D.E., Tortosa, G., Bru, D., Philippot, L., and Bedmar, E.J. 2012. Spatial
distribution of N-cycling microbial communities and their functional activities showed complex
patterns in constructed wetland sediments. En preparación.
Meakin, G.E., Bueno, E., Jepson, B., Bedmar, E.J., Richardson, D.J., Delgado, M.J. 2007. The
contribution of bacteroidal nitrate and nitrite reduction to the formation of nitrosylleghaemoglobin
complexes in soybean root nodules. Microbiology 153: 411-419
Mesa, S., De Dios Alché, J., Bedmar, E.J., Delgado, M.J. 2004. Expression of nir, nor and nos
denitrification genes from Bradyrhizobium japonicum in soybean root nodules. Physiol Plant 120:
205-211
Sánchez, C., Tortosa, G., Granados, A., Delgado, A., Bedmar, E.J. and Delgado, M.J. 2011.
Involvement of Bradyrhizobium japonicum denitrification in symbiotic nitrogen fixation by soybean
plants subjected to flooding. Soil Biol Biochem 43: 212-217
Tortosa, G., Correa, D., Sánchez-Raya, A.J., Delgado, A., Sánchez-Monedero, M.A., Bedmar, E.J.
2011. Effects of nitrate contamination and seasonal variation on the denitrification and greenhouse
gas production in La Rocina Stream (Doñana National Park, SW Spain). Ecol Eng 37: 539-548.