Descubren un inmenso ciclo de hidrocarburos en el océano global

ciclo biológico de hidrocarburos en el océano

Microbios producen colectivamente entre 300 y 600 millones de toneladas métricas de pentadecano por año

Los hidrocarburos y el petróleo son casi sinónimos en la ciencia ambiental. Después de todo, las reservas de petróleo representan casi todos los hidrocarburos que encontramos. Pero los pocos hidrocarburos que tienen su origen en fuentes biológicas pueden desempeñar un papel ecológico mayor de lo que los científicos sospecharon originalmente.

Un equipo de investigadores de la UC Santa Bárbara y la Institución Oceanográfica Woods Hole investigó esta área de la oceanografía previamente desatendida en busca de signos de un ciclo global pasado por alto. También analizaron cómo su existencia podría afectar la respuesta del océano a los derrames de petróleo.

"Demostramos que hay un enorme y rápido ciclo de hidrocarburos que ocurre en el océano, y que es distinto de la capacidad del océano para responder a la entrada de petróleo", dijo el profesor David Valentine, quien ocupa la Cátedra Presidencial Norris en el Departamento de Ciencias de la Tierra en la UCSB.

En 2015, un equipo internacional dirigido por científicos de la Universidad de Cambridge publicó un estudio que demuestra que el hidrocarburo pentadecano fue producido por cianobacterias marinas en cultivos de laboratorio. Los investigadores extrapolaron que este compuesto podría ser importante en el océano. La molécula parece aliviar el estrés en las membranas curvas, por lo que se encuentra en cosas como los cloroplastos, donde las membranas muy compactas requieren una curvatura extrema, explicó Valentine. Ciertas cianobacterias aún sintetizan el compuesto, mientras que otros microbios oceánicos lo consumen fácilmente para obtener energía.

Valentine escribió un comentario de dos páginas sobre el documento, junto con Chris Reddy de Woods Hole, y decidió continuar con el tema con Arrington y Love. Visitaron el Golfo de México en 2015, luego el Atlántico occidental en 2017, para recolectar muestras y realizar experimentos.

El equipo tomó muestras de agua de mar de una región del Atlántico pobre en nutrientes conocida como el Mar de los Sargazos, llamado así por las algas flotantes de sargazo arrastradas desde el Golfo de México. Esta es un agua hermosa, clara y azul con las Bermudas justo en el medio, dijo Valentine.

La obtención de las muestras fue aparentemente una tarea bastante complicada. Debido a que el pentadecano es un hidrocarburo común en el combustible diesel, el equipo tuvo que tomar precauciones adicionales para evitar la contaminación del propio barco. Hicieron que el capitán girara el barco contra el viento para que el escape no contaminara las muestras y analizaron la firma química del diesel para asegurarse de que no fuera la fuente de ningún pentadecano que encontraron.

Además, nadie podía fumar, cocinar o pintar en cubierta mientras los investigadores recolectaban agua de mar. "Eso fue un gran problema", dijo Valentine, "No sé si alguna vez has estado en un barco durante un período de tiempo prolongado, pero pintas todos los días. Es como el puente Golden Gate: comienzas en un extremo y cuando llegas al otro extremo es hora de empezar de nuevo".

recogida de muestras de aguaLas precauciones funcionaron y el equipo recuperó muestras prístinas de agua de mar. "De pie frente al cromatógrafo de gases en Woods Hole después de la expedición de 2017, estaba claro que las muestras estaban limpias y no había señales de diesel", dijo el coautor principal Love. "El pentadecano era inconfundible y ya mostraba claros patrones oceanográficos incluso en el primer par de muestras que analizamos".

Imagen derecha: Los investigadores recuperan muestras de agua del mar de los Sargazos. Crédito: David Valentine

Debido a su gran número en el océano del mundo, continuó Love, "solo dos tipos de cianobacterias marinas están agregando hasta 500 veces más hidrocarburos al océano por año que la suma de todos los demás tipos de entradas de petróleo al océano, incluidas las filtraciones de petróleo natural, los derrames de petróleo, el vertido de combustible y la escorrentía de la tierra". Estos microbios producen colectivamente entre 300 y 600 millones de toneladas métricas de pentadecano por año, una cantidad que eclipsa los 1,3 millones de toneladas métricas de hidrocarburos liberados de todas las demás fuentes.

Si bien estas cantidades son impresionantes, son un poco engañosas. Los autores señalan que el ciclo del pentadecano abarca el 40% o más de la superficie de la Tierra, y más de un billón cuatrillón de células cianobacterianas cargadas de pentadecano están suspendidas en la región iluminada por el sol del océano del mundo. Sin embargo, el ciclo de vida de esas células suele ser de menos de dos días. Como resultado, los investigadores estiman que el océano contiene solo alrededor de 2 millones de toneladas métricas de pentadecano en un momento dado.

Es una rueca rápida, explicó Valentine, por lo que la cantidad real presente en cualquier momento no es particularmente grande. "Cada dos días se produce y consume todo el pentadecano en el océano", dijo.

En el futuro, los investigadores esperan vincular la genómica de los microbios con su fisiología y ecología. El equipo ya tiene secuencias del genoma de decenas de organismos que se multiplicaron para consumir el pentadecano en sus muestras. "La cantidad de información que hay es increíble", dijo Valentine, "y creo que revela cuánto no sabemos sobre la ecología de muchos organismos consumidores de hidrocarburos".

Habiendo confirmado la existencia y la magnitud de este ciclo de biohidrocarburos, el equipo trató de abordar la cuestión de si su presencia podría preparar el océano para descomponer el petróleo derramado. La pregunta clave, explicó Arrington, es si estos abundantes microorganismos consumidores de pentadecano sirven como un activo durante la limpieza de derrames de petróleo. Para investigar esto, agregaron pentano, un hidrocarburo de petróleo similar al pentadecano, al agua de mar obtenida a varias distancias de las filtraciones de petróleo natural en el Golfo de México.

Midieron la respiración general en cada muestra para ver cuánto tardaban en multiplicarse los microbios que comen pentano. Los investigadores plantearon la hipótesis de que, si el ciclo del pentadecano realmente preparaba a los microbios para consumir también otros hidrocarburos, entonces todas las muestras deberían desarrollar floraciones a tasas similares.

Pero éste no era el caso. Las muestras de cerca de las filtraciones de petróleo desarrollaron rápidamente floraciones. "Aproximadamente una semana después de agregar pentano, vimos el desarrollo de una población abundante", dijo Valentine. "Y eso se vuelve más y más lento cuanto más te alejas, hasta que, cuando estás en el Atlántico Norte, puedes esperar meses y nunca ver una floración". De hecho, Arrington tuvo que quedarse después de la expedición en las instalaciones de Woods Hole, Massachusetts, para continuar el experimento con las muestras del Atlántico porque esas floraciones tardaron tanto en aparecer.

Curiosamente, el equipo también encontró evidencia de que los microbios que pertenecen a otro dominio de la vida, Archaea, también pueden desempeñar un papel en el ciclo del pentadecano. "Aprendimos que un grupo de misteriosos y abundantes microbios en todo el mundo, que aún no han sido domesticados en el laboratorio, pueden ser alimentados por pentadecano en la superficie del océano", dijo el coautor principal Arrington.

Los resultados plantean la pregunta de por qué la presencia de un enorme ciclo de pentadecano parece no tener ningún efecto sobre la descomposición del pentano petroquímico. "El petróleo es diferente del pentadecano", dijo Valentine, "y es necesario comprender cuáles son las diferencias y qué compuestos realmente componen el petróleo, para comprender cómo van a responder los microbios del océano".

En última instancia, los genes que los microbios utilizan habitualmente para consumir el pentano son diferentes de los que se utilizan para el pentadecano. "Un microbio que vive en las aguas cristalinas de la costa de las Bermudas tiene muchas menos probabilidades de encontrar el pentano petroquímico en comparación con el pentadecano producido por las cianobacterias y, por lo tanto, es menos probable que lleve los genes para el consumo de pentano", dijo Arrington.

Cargas de diferentes especies microbianas pueden consumir pentadecano, pero esto no implica que también puedan consumir otros hidrocarburos, continuó Valentine, especialmente dada la diversidad de estructuras de hidrocarburos que existen en el petróleo. Hay menos de una docena de hidrocarburos comunes que producen los organismos marinos, incluidos el pentadecano y el metano. Mientras tanto, el petróleo comprende decenas de miles de diferentes hidrocarburos. Es más, ahora estamos viendo que los organismos capaces de descomponer productos complejos del petróleo tienden a vivir en mayor abundancia cerca de las filtraciones de petróleo natural.

Valentine llama a este fenómeno "cebado biogeográfico", cuando la población microbiana del océano está condicionada a una fuente de energía particular en un área geográfica específica. "Y lo que vemos con este trabajo es una distinción entre pentadecano y petróleo", dijo, "que es importante para comprender cómo responderán las diferentes regiones oceánicas a los derrames de petróleo".

cebado biogeográfico

Imagen: La cantidad de pentadecano que circula por los océanos eclipsa la entrada de hidrocarburos del petróleo. Sin embargo, es poco probable que los microbios involucrados en el ciclo del pentadecano puedan manejar la complejidad química de los hidrocarburos del petróleo. Crédito: David Valentine

Los giros pobres en nutrientes como el mar de los Sargazos representan un impresionante 40% de la superficie de la Tierra. Pero, ignorando la tierra, eso todavía deja un 30% del planeta para explorar en busca de otros ciclos de biohidrocarburos. Valentine cree que los procesos en las regiones de mayor productividad serán más complejos y tal vez proporcionen más preparación para el consumo de petróleo. También señaló que el plan de la naturaleza para la producción de hidrocarburos biológicos es prometedor para los esfuerzos por desarrollar la próxima generación de energía verde.

La investigación, dirigida por sus estudiantes graduados Eleanor Arrington y Connor Love, aparece en Nature Microbiology: Microbial production and consumption of hydrocarbons in the global ocean

Imagen de cabecera: Se producen y consumen grandes cantidades de pentadecano en las capas superiores del océano. Crédito: David Valentine

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