Un equipo del Museo Nacional de Ciencias Naturales (MNCN-CSIC) ha desarrollado una estrategia de investigación que permite estudiar con mayor precisión las comunidades microbianas que crecen sobre las rocas de los ríos. Aplicada a arroyos glaciares de la Antártida, esta técnica ha revelado cómo se organizan estos microorganismos para sobrevivir a condiciones ambientales extremas y cómo sus estructuras podrían conservar información sobre la evolución reciente de los cauces.
Las investigadoras Rebeca Arias-Real y Asunción de los Ríos han combinado distintas técnicas de microscopía para observar los biopelículas fluviales sin separar estas comunidades de las rocas sobre las que se desarrollan. De esta forma, pueden estudiar no solo qué microorganismos están presentes, sino también cómo se distribuyen, interactúan entre sí y se relacionan con el sustrato mineral.
Los resultados, publicados en la revista científica Biofilm, abren nuevas posibilidades para comprender el funcionamiento de las comunidades microbianas en los ecosistemas fluviales. Además, las capas de microorganismos y sedimentos observadas en algunas muestras podrían servir en el futuro para reconstruir episodios de la historia ambiental de estos ríos.
«Hemos aplicado una estrategia novedosa en ecología acuática que combina la observación por microscopia electrónica de las rocas con biofilm en cortes transversales procesados para preservar componentes biológicos y minerales, con la visualización por crio-microscopía que mantiene mejor la estructura del biofilm en estado hidratado», explica Asunción de los Ríos.
Biopelículas fluviales antárticos: cómo se organizan para sobrevivir
A simple vista, las biopelículas fluviales pueden parecer una fina capa verdosa o marrón sobre las piedras. Sin embargo, son comunidades complejas de bacterias, cianobacterias, algas, hongos y otros microorganismos que viven unidos mediante una matriz mucosa.
Estos organismos desempeñan funciones importantes en los ecosistemas acuáticos: participan en la liberación y el reciclaje de nutrientes, crean microhábitats protegidos y retienen partículas y sedimentos transportados por el agua.
Para estudiar estas comunidades, el procedimiento más habitual consiste en raspar la superficie de las rocas y analizar el material extraído. Este método permite identificar organismos y moléculas, pero altera la estructura original del biofilm y dificulta observar cómo se organizan sus componentes en condiciones naturales.
La estrategia desarrollada por las investigadoras del MNCN-CSIC busca superar esta limitación mediante la observación de las comunidades conservando la interfaz entre el biofilm y la roca.
«No es posible comprender el funcionamiento de un biofilm sin conocer como se organizan sus componentes y las interacciones que se establecen entre ellos. A diferencia del análisis del biofilm raspado o separado de la roca, nuestra estrategia permite conservar intacta la interfase entre la roca y el biofilm, y visualizar cómo se disponen y relacionan sus distintos componentes. Ese acercamiento nos permite también analizar sus interacciones con la roca y su contribución a la acumulación de partículas de sedimentos», contextualiza de los Ríos.
Para comprobar la utilidad de esta metodología, el equipo analizó muestras recogidas en cuatro ríos de deshielo próximos a la Base Antártica Española Juan Carlos I. Se trata de ecosistemas muy dinámicos, sometidos a fuertes variaciones del caudal y a ciclos de humectación, desecación y congelación.
Las imágenes revelaron que los biofilms presentan una organización compleja y recurrente que favorece la supervivencia de sus integrantes en estas condiciones extremas.
«Para sobrevivir a esas condiciones, las comunidades se adhieren a la roca a través de microoganismos filamentosos, principalmente cianobacterias y algas, que forman una red en la que se establecen otros microorganismos como diatomeas y bacterias no filamentosas. Estos microorganismos generan una matriz mucosa que mantiene unida la comunidad y atrapa pequeñas partículas minerales», explica Rebeca Arias-Real.
Esta estructura podría desarrollarse progresivamente a medida que distintos microorganismos colonizan la superficie y modifican las condiciones del entorno, facilitando la llegada de otros organismos.
«Esta organización sugiere que la comunidad se va construyendo progresivamente: los primeros microorganismos que colonizan la roca modifican su entorno y crean condiciones más favorables para que puedan establecerse otros organismos, dando lugar a biofilms cada vez más complejos», continúa la investigadora del MNCN-CSIC.
Microorganismos que colonizan el interior de las rocas
En algunas muestras, las investigadoras observaron microorganismos que penetran en fisuras y cavidades de las rocas. Esta colonización endolítica, es decir, del interior del sustrato mineral, revela una relación estrecha entre los biofilms y las superficies sobre las que crecen.
La roca no actúa únicamente como soporte físico. Sus grietas y cavidades pueden proporcionar espacios protegidos para los microorganismos, que deben afrontar importantes variaciones ambientales.
La posibilidad de observar estas estructuras sin separar el biofilm de la roca permite estudiar mejor cómo interactúan ambos componentes y qué papel desempeña el sustrato mineral en la organización de estas comunidades.
Las capas de los biofilms podrían conservar la historia de los ríos
Uno de los hallazgos más interesantes del estudio es la presencia de capas enriquecidas en sedimentos atrapadas entre otras dominadas por microorganismos.
Esta alternancia podría haberse formado a través de distintos episodios: primero, el crecimiento de la comunidad microbiana; después, la deposición de partículas transportadas por el agua; y, finalmente, una nueva fase de colonización de la superficie.
Si esta interpretación se confirma, las estructuras internas de los biofilms podrían funcionar como un archivo natural de los cambios experimentados por el río, al conservar señales de episodios de crecimiento microbiano y acumulación de sedimentos.
«Del mismo modo que los anillos de un árbol conservan información sobre su historia, estas capas podrían guardar la huella de distintos episodios de la vida del río. Si conseguimos relacionarlas con eventos hidrológicos concretos mediante seguimientos temporales, en el futuro podrían ayudarnos a reconstruir lo que ha ocurrido en esos cursos de agua», explica Arias-Real.
La comparación con los anillos de los árboles ilustra el potencial de esta investigación, aunque existe una diferencia importante: todavía será necesario establecer cómo se relacionan las capas observadas con acontecimientos concretos y determinar hasta qué punto permiten reconstruir la evolución de un cauce.
Para ello, serán necesarios estudios de seguimiento que relacionen la formación de estas estructuras con las variaciones del caudal, el transporte y la deposición de sedimentos y los ciclos de crecimiento de las comunidades microbianas.
Una nueva herramienta para estudiar ecosistemas extremos
Esta posible aplicación resulta especialmente interesante en los ríos antárticos, los cursos de agua de alta montaña y los ríos temporales, donde los ciclos de flujo, desecación y congelación pueden ser muy marcados y los registros hidrológicos continuos son escasos.
En estos entornos, el análisis de la estructura interna de los biofilms podría complementar las mediciones hidrológicas convencionales y aportar información sobre episodios de circulación del agua, deposición de sedimentos y crecimiento microbiano.
La nueva estrategia de microscopía ofrece, por tanto, una vía para estudiar los ecosistemas fluviales desde una perspectiva más cercana a sus condiciones naturales. Al preservar las relaciones entre los microorganismos y las rocas, permite avanzar en la comprensión de cómo se organizan estas comunidades, cómo responden a ambientes cambiantes y qué señales de su historia podrían conservar sus estructuras.
