Effect of environmental changes and metal stress on phototrophic microorganisms in extree environments. Development of new methodologies in high-resolution microscopy techniques

Abstract

Els efectes del canvi climàtic incideixen directament en les poblacions de microorganismes fotòtrofs dels tapissos microbians, produint alteracions en altres paràmetres ambientals com és l’increment de la temperatura, que pot provocar sequeres i fins i tot la desertització d’aquests ecosistemes, així com altres efectes en l’osmolaritat de les cèl·lules, degut a l’augment de la salinitat. Els microorganismes esmentats són molt abundants en els tapissos microbians, principalment els cianobacteris i les microalgues, que a més de ser els principals estabilitzadors d’aquests ecosistemes, al mateix temps es troben exposats a diferents condicions d’estrès. La majoria dels estudis que es realitzen per valorar l’impacte que tenen sobre els microorganismes condicions ambientals tan variables utilitzen cultius axènics que provenen de microorganismes aïllats de l’ambient natural o bé de col·leccions de cultius; res més lluny de la realitat, ja que en els ambients naturals els microorganismes fotòtrofs estableixen associacions estables amb microorganismes heteròtrofs i, a vegades, amb altres fotòtrofs. A més, hi ha pocs estudis que analitzin, en aquestes condicions i a nivell individual, els efectes dels paràmetres ambientals o de la pol·lució per metalls en aquestes associacions. La manca de metodologies que poden aplicar-se per esbrinar aquests efectes en un microorganisme en concret, quan està associat amb un altre de manera selectiva, in vivo, de manera ràpida i sense l’ús de cap tipus de tinció, és, per tant, un repte a la hora d’analitzar les possibilitats que tenen aquests microorganismes enfront a canvis tan dràstics. En aquest treball, s’ha intentat solucionar aquesta problemàtica mitjançant l’optimització de diferents tècniques que tenen com a base el microscopi làser confocal, considerant la principal característica dels cianobacteris i les microalgues, que és la d’emetre fluorescència natural. La clorofil·la a és el pigment majoritari d’aquests microorganismes i s’ha utilitzat amb anterioritat com a bioindicador, especialment en estudis realitzats en metalls per altres membre del grup. Així mateix, una problemàtica important és esbrinar el paper que juguen aquests microorganismes en la resistència davant canvis sobtats de les condicions naturals o antropogèniques. En aquest sentit, també s’ha accentuat l’interès en les anomenades cèl·lules dorments i en l’estudi de cèl·lules viables i no viables. Per aquest motiu, en aquest treball s’ha posat a punt una nova metodologia que utilitza el microscopi làser confocal i dos làsers específics i que ha permès determinar el percentatge d’aquestes cèl·lules en mostres exposades a diferents condicions d’estrès. Els microscopis electrònics de rastreig i transmissió, ambdós acoblats a un detector d’energia dispersiva de raigs X, juntament amb el microscopi de transmissió de raig X del sincrotró ALBA, s’han aplicat en mostres sotmeses a varis factors d’estrès per avaluar els canvis morfològics en cèl·lules senceres i en seccions ultrafines, així com en estudis de captació de metalls extra- i intracel·lularment. Els objectius del present treball s’han centrat en l’aplicació combinada de totes aquestes metodologies en dos consorcis de microorganismes: Scenedesmus sp. DE2009 i Geitlerinema sp. DE2011. L’efecte de la llum i la salinitat (com a paràmetres ambientals), així com l’impacte del plom, coure i crom (com a contaminants), s’ha estudiat àmpliament en cèl·lules individuals d’ambdós microorganismes. Finalment, aquesta tesi està estructurada en diferents capítols. El Capítol 3 correspon amb els articles publicats (un d’ells en revisió); així doncs, els resultats obtinguts de les investigacions realitzades s’exposen en les Seccions 3.1, 3.2 i 3.3 i es discuteixen globalment en el Capítol 4.

Los efectos del cambio climático inciden directamente en las poblaciones de microorganismos fototróficos de los tapices microbianos, produciendo alteraciones en otros parámetros ambientales como es el incremento de la temperatura, que puede provocar sequías y hasta la desertización de estos ecosistemas, así como otros efectos en la osmolaridad de las células, debido al aumento de la salinidad. Dichos microorganismos son muy abundantes en los tapices microbianos, principalmente las cianobacterias y las microalgas, que además de ser los principales estabilizadores de estos ecosistemas, a veces se encuentran expuestos a diferentes condiciones de estrés. La mayoría de los estudios, que se realizan para valorar los efectos que tienen sobre los microorganismos condiciones ambientales tan variables, utilizan cultivos axénicos que provienen de microorganismos aislados del ambiente natural o bien de colecciones de cultivos; nada más lejos de la realidad, ya que en los ambientes naturales los microorganismos fototróficos establecen asociaciones estables con microorganismos heterotróficos y, a veces, con otros fototróficos. Además, hay pocos estudios que analicen, en estas condiciones y a nivel individual, los efectos de los parámetros ambientales o de la contaminación por metales en estas asociaciones. La falta de metodologías que pueden aplicarse para averiguar estos efectos en un microorganismo en concreto, cuando está asociado con otro de manera selectiva, in vivo, de manera rápida y sin el uso de ningún tipo de tinción, es, por tanto, un reto a la hora de analizar las posibilidades que tienen estos microorganismos frente a cambios tan drásticos. En este trabajo, se ha intentado solucionar dicha problemática mediante la optimización de distintas técnicas que tienen como base el microscopio láser confocal, considerando la característica principal de las cianobacterias y las microalgas, que es la de emitir fluorescencia natural. La clorofila a es el pigmento mayoritario de estos microorganismos y se ha utilizado con anterioridad como bioindicador, especialmente en estudios realizados en metales por otros miembros del grupo. Asimismo, una problemática importante es valorar el papel que juegan estos microorganismos en la resistencia ante cambios repentinos de las condiciones naturales o antropogénicas. En este sentido, también se ha incrementado el interés por las denominadas células durmientes y en el estudio de células viables y no viables. Por este motivo, en este trabajo se ha puesto a punto una nueva metodología que utiliza el microscopio láser confocal y dos láseres específicos y que ha permitido determinar el porcentaje de estas células en muestras expuestas a diferentes condiciones de estrés. Los microscopios electrónicos de rastreo y transmisión, ambos acoplados a un detector de energía dispersiva de rayos X, junto con el microscopio de transmisión de rayos X del sincrotrón ALBA, se han aplicado en muestras expuestas a varios factores de estrés para evaluar los cambios morfológicos en células enteras y en secciones ultrafinas, así como para los estudios de captación de metales extra- e intracelularmente. Los objetivos de este trabajo se han centrado en la aplicación combinada de todas estas metodologías en dos consorcios de microorganismos: Scenedesmus sp. DE2009 y Geitlerinema sp. DE2011. El efecto de la luz y la salinidad (como parámetros ambientales), así como el impacto de metales como plomo, cobre y cromo (como contaminantes), se ha estudiado ampliamente en células individuales de ambos microorganismos. Finalmente, esta tesis está estructurada en distintos capítulos. El Capítulo 3 corresponde con los artículos publicados (uno de ellos en revisión); así pues, los resultados obtenidos de las investigaciones realizadas se exponen en las Secciones 3.1, 3.2 y 3.3 y se discuten globalmente en el Capítulo 4.

The effects of climate change directly affect the populations of phototrophic microorganisms in microbial mats, causing alterations in other environmental parameters such as the increase in temperature. This in turn causes drought and sometimes the desertification of these ecosystems, as well as affecting the osmolarity of cells due to the increase in salinity. The microorganisms referred to are highly abundant in microbial mats; principally, they are cyanobacteria and microalgae, which, apart from being the main stabilisers of these ecosystems, are exposed to distinct stress conditions at the same time. Most studies carried out to assess the impact on microorganisms of such variable environmental conditions use axenic cultures that come from microorganisms isolated from the natural environment or else from culture collections. Nothing could be further from reality, since—in natural environments—phototrophic microorganisms establish stable associations with heterotrophic bacteria and, at times, with other phototrophs. In addition, very few studies analyse (in these conditions and at individual level) the effects of environmental parameters or of metal pollution in these associations. The lack of methodologies that can be applied to ascertain these effects in a specific microorganism, when this is selectively associated with another, in vivo, swiftly and without using any type of staining, is therefore a challenge in analysing the possibilities of these microorganisms when facing such drastic changes. In the current work, an attempt has been made to solve this problem by means of the optimisation of distinct techniques, based on confocal laser microscopy and centring on the main characteristic of cyanobacteria and microalgae, which is the emission of natural fluorescence. Chlorophyll a is the majority pigment in these microorganisms and has previously been used as a bioindicator, in studies carried out with metals by other members of the group. Determining the role played by these microorganisms in the resistance to sudden changes in natural or anthropogenic conditions is a further, and important, issue. In addition, in this respect, the interest in dormant cells and in the study of viable and non-viable cells has increased. For this reason, a new methodology has been developed in this work; using a confocal laser microscope and two specific lasers, this has allowed us to ascertain the percentage of these cells in samples exposed to distinct stress conditions. The electronic scanning and transmission microscopes, both coupled to an X-ray dispersive energy detector, jointly with the X-ray transmission microscope from the ALBA synchrotron, have been used in samples prepared to evaluate morphological changes due to stress factors both in complete cells and in ultrafine sections, as well as in studies of extra- and intracellular metal extraction. The objectives of this work centre on the combined application of all these methodologies on two consortia of microorganisms: Scenedesmus sp. DE2009 and Geitlerinema sp. DE2011. The effect of light and salinity (as environmental parameters), in addition to the impact of lead, copper and chromium (as pollutants) was studied extensively in individual cells for both microorganisms. Finally, this thesis is organised into distinct chapters. The Chapter 3 correspond to the articles that have already been published (one of them currently under review); thus, the results obtained from the research carried out are therefore presented in Sections 3.1, 3.2 and 3.3 and are discussed globally in Chapter 4.