Rebioarid

El contexto del problema que afronta REBIOARID

La degradación del suelo es una de las principales amenazas de carácter global a la que nos enfrentamos en el siglo XXI, ya que aumenta la inseguridad alimentaria, provoca la pérdida de biodiversidad y reduce las funciones y servicios de los ecosistemas. La Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO) estima que el 33% de la superficie terrestre se encuentra de moderada a altamente degradada y las predicciones auguran que la situación se agravará como consecuencia del rápido aumento que está experimentando la población y por los efectos del cambio climático. Los problemas de degradación del suelo son especialmente críticos en las llamadas “tierras secas” (drylands), que representan aproximadamente el 45% de la superficie, porque en ellas están asociados a la desertificación. Además, estas regiones se encuentran entre las más vulnerables al cambio climático, ya que se predicen sequías más prolongadas y un aumento en la frecuencia, magnitud y gravedad de los eventos extremos, como precipitaciones extremas y fuertes vientos que intensificarán los procesos de degradación del suelo. Por todo ello, una de las metas de la Agenda 2030 es frenar la degradación de tierras integrando medidas que la eviten o reduzcan, con otras de restauración de suelos degradados.

Desafortunadamente, la restauración de suelos en las tierras áridas es difícil. La escasez de agua, las elevadas temperaturas, baja fertilidad de los suelos y susceptibilidad a la erosión que caracterizan estas regiones, provocan que las estrategias tradicionales, basadas en el establecimiento de una cubierta vegetal, a menudo fracasen.

Copiando a la naturaleza para resolver el problema

En los ecosistemas áridos, la mayoría de los espacios en los que la vegetación no es capaz de crecer son colonizados por otras componentes bióticas que desarrollan funciones similares a las plantas y que están muy adaptadas a las condiciones hostiles, que son las biocostras o costras biológicas del suelo. Las biocostras son comunidades complejas de algas, bacterias heterótrofas, hongos, cianobacterias, líquenes y musgos que viven en la superficie del suelo, íntimamente asociadas a las partículas minerales que lo forman. Las biocostras afectan a procesos clave para el funcionamiento de los ecosistemas regulando los ciclos de agua y nutrientes, estabilizando el suelo y reduciendo la erosión.

Las biocostras suelen aparecer en los claros entre plantas, formando un mosaico de cubiertas organizadas espacialmente de tal forma que la escorrentía y nutrientes generados en los claros con biocostras (fuentes) se distribuyen hacia los parches de vegetación (sumideros). Esta redistribución de agua y nutrientes supone un aporte extra de recursos para la vegetación, promoviendo su crecimiento y contribuyendo a mantener la productividad de estos ecosistemas. Para restaurar el funcionamiento de estos ecosistemas es esencial reestablecer estas retroalimentaciones y para ello el primer paso es recuperar la cubierta de biocostras.

El proyecto REBIOARID, pretende facilitar la restauración de ecosistemas áridos, usando biocostras, y en especial cianobacterias, que son los organismos pioneros y propulsores de la formación de la biocostra, y presentan una alta resistencia a condiciones ambientales extremas, logrando coberturas muy altas en estas regiones. Una vez colonizan el suelo, las cianobacterias son capaces de fijar carbono y nitrógeno de la atmósfera que incorporan al perfil del suelo, aumentando la fertilidad y la disponibilidad de agua [1]  y nutrientes para otros organismos y las plantas vasculares y reduciendo la pérdida de suelo. Además, se aislar de los suelos que se pretende restaurar o cercanos, pueden ser cultivadas “ex-situ” a gran escala a un coste asumible para restaurar grandes extensiones.

El objetivo

REBIOARID pretende proporcionar una nueva biotecnología dirigida a restaurar la biocostra en ecosistemas áridos y semiáridos degradados que promueva la rehabilitación del suelo y el establecimiento de la vegetación. Para ello se desarrollarán estrategias de bajo coste que reduzcan el estrés ambiental en campo para favorecer el establecimiento y crecimiento de inóculos de cianobacterias y biocostra, e inducir así la formación de una nueva biocostra capaz de recuperar las funciones del suelo a corto plazo. También, se evaluará el efecto de la nueva biocostra en la regeneración de las plantas nativas.

¿Qué hemos descubierto?

• Conocemos las comunidades de cianobacterias (composición y abundancia de especies) que viven en las biocostras de ecosistemas áridos representativos del SE de España [2, 3] y, entre todas ellas, hemos seleccionado especies con funciones clave para garantizar el éxito de la restauración (ej.. especies fijadoras de nitrógeno y eficientes productoras de exopolisacáridos). Hemos aislado estas especies de las biocostras.

Microfotografía de tres especies de cianobacterias heterocistosas Nostoc comune, Scytonema hyalinum, Tolypothrix distorta y la especie filamentosa no heterocistosa Trichocoleus desertorum que inoculamos en forma de consorcio.

La hemos cultivado en medio líquido

¿Qué estamos investigando ahora?

Hay muchos experimentos en marcha y otros muchos a punto de comenzar, por ejemplo, actualmente estamos:

• Aplicando estrategias de reducción del estrés ambiental (estrategias REA) para favorecer la supervivencia y establecimiento en campo de inóculos de cianobacterias y de comunidad de biocostra.

Evaluando la evolución de los inóculos bajo tratamiento REA en campo y sus efectos sobre el suelo. Primeros resultados publicados [<href=»http://pabellondehistorianatural.es/portfolio/rebioarid/#1″>9]

Produciendo inóculos de biocostra en invernadero

• Testando la encapsulación de cianobacterias en pellets hechos a base de arena y arcilla para mejorar su conservación y transporte a áreas menos accesibles [<href=»http://pabellondehistorianatural.es/portfolio/rebioarid/#1″>10]

El equipo humano:

Yolanda Cantón Castilla (IP del proyecto) (Dept Agronomía-UAL , CECOUAL)

Sonia Chamizo de la Piedra (Dept Agronomía-UAL , CECOUAL)

Esther Giménez Luque (CECOUAL)

María José Moro Cuadrillero (Universidad de Alicante)

Emilio Rodríguez Caballero (Dept Agronomía-UAL , CECOUAL)

Alberto Solé-Benet (EEZA-CSIC)

Raúl Román Fernández (Dept Agronomía-UAL)

Lisa Maggioli (Dept Agronomía-UAL)

Beatriz Roncero Ramos (Center for Protein Engineering, Universidad de Lieja)

Borja Rodríguez Lozano (Dept Agronomía-UAL)

Aitor Alameda Martín (Dept Agronomía-UAL)

Miriam Muñoz-Rojas (University of New South Wales (Australia)

M. Ángeles Muñoz Martín (Universidad Autónoma de Madrid)

Referencias

[1] Cantón, Y., Chamizo, S., Rodríguez-Caballero, E., Lázaro, R., Roncero-Ramos, B., Román, R., Solé-Benet, A. 2020. Water Regulation in Cyanobacterial Biocrusts from Drylands: Negative Impacts of Anthropogenic Disturbance. Water 12, 720. DOI: 10.3390/w12030720 

[2] Roncero-Ramos B., Munoz-Martín, MA, Canton, Y., Chamizo, S., Rodríguez-Caballero, E., Mateo, P., 2020. Land degradation effects on composition of pioneering soil communities: An alternative successional sequence for dryland cyanobacterial biocrusts Soil Biology and Biochemistry, 146, 107824.

[3] Roncero-Ramos B, Muñoz-Martín MÁ, Chamizo S, Fernández-Valbuena L, Mendoza D, Perona E, Cantón Y, Mateo P. 2019. Polyphasic evaluation of key cyanobacteria in biocrusts from the most arid region in Europe. Peer: 7:e6169

[4] Roncero-Ramos, B., Román, R., Rodríguez-Caballero, E., Chamizo, S., Águila-Carricondo, P., Mateo, P., Cantón, Y. 2019. Assessing the influence of soil abiotic and biotic factors on Nostoc commune inoculation success. Plant and Soil 444: 57-70

[5] Roncero-Ramos, B., Román, J.R., Gómez-Serrano, C., Cantón, Y., Acién, F.G., 2019. Production of a biocrust-cyanobacteria strain (Nostoc commune) for large-scale restoration of dryland soils. Journal of Applied Phycology, 31, 2217–2230

[6] Román, J.R., Roncero-Ramos, B., Chamizo, S., Rodríguez-Caballero, E., Cantón, Y., 2018. Restoring soil functions by means of cyanobacteria inoculation: importance of soil conditions and species selection. Land Degradation and Development, 29: 3184-3193.

[7] Muñoz-Rojas, M., Román, J.R., Roncero-Ramos, B., Erickson, T.E., Merritt, D.J., Aguila-Carricondo, P. Cantón, Y., 2018. Cyanobacteria inoculation enhances carbon sequestration in soil substrates used in dryland restoration. Science of the Total Environment, 636: 1149-1154.

[8] Román, J.R.; Rodríguez-Caballero, E.; Rodríguez-Lozano, B.; Roncero-Ramos, B.; Chamizo, S.; Águila-Carricondo, P.; Cantón, Y. Spectral Response Analysis: An Indirect and Non-Destructive Methodology for the Chlorophyll Quantification of Biocrusts. Remote Sens. 2019, 11, 1350.

[9] Román, J.R., Chamizo, S., Roncero-Ramos, B., Adessi, A., De Philippis, R., Cantón, Y. 2020. Overcoming field barriers to restore dryland soils by cyanobacteria inoculation. Soil & Tillage Research (In press)

[10] Román, JR, Chilton, AM, Cantón, Y., Muñoz-Rojas, M., 2020. Assessing the viability of cyanobacteria pellets for application in arid land restoration. Journal of Environmental Management, 270, 110795