Estudiar ecosistemas: un reto para un laboratorio grupal

Escrito por Maribel Nava-Mendoza y Yolanda Magdalena García Rodríguez

Un laboratorio grupal es un sitio de trabajo en donde se comparte equipo analítico, procedimientos técnicos y se apoya con personal técnico especializado en la investigación científica en diferentes disciplinas. En este diseño de laboratorio, el principal objetivo es hacer eficiente el uso de los recursos y potenciar las capacidades del personal con una estrategia metodológica interdisciplinaria que estudie y explique el lenguaje de los ecosistemas y contribuya a resolver diversas problemáticas en esta disciplina.

En el Instituto de Investigaciones en Ecosistemas y Sustentabilidad (IIES) del Campus de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) en Morelia, Michoacán, México, existen varios laboratorios grupales: Agroecología, Ecología Funcional para el Manejo de Ecosistemas, Investigación y Gestión de Sistemas Socioecológicos, Análisis de Recursos Genéticos y el de Química Analítica y Metabolómica (LQUAM). En este laboratorio  se estudia a los ecosistemas desde dos enfoques químicos, la Química Analítica y la Metabolómica.

 

¿En qué se centran estos estudios?

La Química Analítica, se centra en estudiar, analizar y describir la composición y estructura química de la materia a través de técnicas y procesos analíticos que se relacionan con los ciclos de nutrientes, principalmente carbono (C), nitrógeno (N) y el fósforo (P), en sus diferentes formas y con diferentes funciones en un ecosistema. Estos estudios permiten a los ecólogos entender aspectos funcionales de la dinámica de nutrientes en los ecosistemas bajo diferentes escenarios y explicar cómo esta dinámica es modificada por diversos factores ambientales incluyendo las actividades humanas.

Por otra parte, la Metabolómica, estudia los sistemas biológicos a través de su composición química y su relación con la fisiología de los organismos. Los compuestos orgánicos, productos finales de todo proceso celular, son los que indican la respuesta de un sistema biológico a los cambios ambientales o genéticos de una población. Es así como se generan perfiles metabólicos de una especie, se caracterizan los cambios metabólicos durante el crecimiento, el desarrollo y diferenciación de un organismo, o bien se describen las rutas de biosíntesis de compuestos con actividad biológica.

 

El trabajo en equipo para contestar preguntas de investigación

Ambas áreas que conforman el LQUAM son complementarias; donde se trabaja con métodos y herramientas técnicas para estudiar el funcionamiento de los ecosistemas bajo diferentes disciplinas.

El apoyo que brindan los Técnicos Académicos al trabajo de los investigadores y sus estudiantes es fundamental para el desarrollo de proyectos de investigación de diversas disciplinas, lo que permite responder preguntas como:

 

¿Cuánto nitrógeno hay en una muestra de suelo, agua o material vegetal? 

¿En qué formas y cantidades están disponibles los elementos de importancia biológica como el C, N y P, para la flora y la biota del suelo 

¿Cómo es la dinámica de los nutrientes en escenarios naturales, extraordinarios y bajo perturbaciones humanas? 

¿Cuáles son los microrganismos del suelo y en qué proporción están? 

¿Cómo contribuyen los microrganismos del suelo en los procesos del ecosistema?

 

En la actualidad, el QUAM organiza y ofrece cursos teórico-prácticos dirigidos a personal técnico y estudiantes del IIES y de otras dependencias de la UNAM sobre manejo de equipo especializado, seguridad y manejo de riesgos y buenas prácticas de laboratorio. Se pretende que estas actividades en el futuro se fortalezcan y se ofrezcan de manera sostenida; de tal manera que su participación permita contribuir a la formación de recursos humanos profesionales del instituto y otras dependencias que lo soliciten. Además, se busca a través de estas actividades el LQUAM participe en diferentes foros académicos y se vincule con otros sectores de la sociedad.                         

¿Cómo se trabaja en el LQUAM?

El trabajo diario en el laboratorio involucra una red de proceso en interacción que son constantemente evaluados por el personal técnico mediante herramientas (por ejemplo, el ciclo PHAV) que permiten trabajar bajo la mejora continua para la satisfacción del usuario.

 

¿Qué se analiza en LQUAM?

 En el área de Química Analítica (QUAMQA) se cuantifica la química de algunos elementos en muestras ambientales como carbono (C), fósforo (P), nitrógeno (N) total y sus formas inorgánicas (NO3- , NH4+ y PO4-), en el suelo, material vegetal y agua. En el caso de las formas totales se analizan mediante el método de digestión Micro-Kejeldahl y las formas disponibles son extraídas en KCl, ambos casos son cuantificadas por Colorimetría Automatizada.

La digestión Micro-Kejeldahl consiste en una fuerte oxidación bajo condiciones de seguridad, de la materia orgánica de una muestra por la hidrólisis de oxidantes como el ácido sulfúrico concentrado y el peróxido de hidrógeno, aplicando calor.

Posteriormente, después de realizar la extracción de la muestra, la cuantificación por colorimetría de N y P en sus formas (amonio, nitratos, ortofosfatos, etc.) se realiza en un colorímetro automatizado de alta resolución: Autoanalizador Bran+Luebbe AA3. Este análisis consiste en medir en forma fotoeléctrica la cantidad de luz que absorbe una muestra con distinto cromóforo a través de un filtro óptico a diferente longitud de onda y por colorimetría se detecta la luz absorbida; que es directamente proporcional a la concentración del analito en la muestra problema respecto a un blanco en concentraciones de partes por millón.

El método se aplica para la determinación de N y P en diferentes almacenes de un ecosistema: suelo (diferentes horizontes y fracciones), material vegetal (hojas vivas y muertas, mantillo, raíces, material leñoso) y agua (escorrentía y lluvia).

Por otra parte, el C se cuantifica por Coulometría en un Autoanalizador de Carbono Orgánico Total (TOC). El principio de la técnica se basa en la Ley de Miguel Faraday, donde un Faraday de electricidad es igual a la alteración de un Gramo Equivalente Peso (GEU) de carbono cuando el material orgánico es transformado por una corriente eléctrica, lo que se conoce como electrolisis. En el Coulómetro, cada Faraday de electricidad expedido es equivalente a un GEU de CO2 titulado, de tal manera que la electricidad generada durante la electrolisis, es igual a la alteración de un GEU de una sustancia durante la reacción electroquímica.

El método se aplica en las determinaciones de C orgánico, inorgánico y total en distintos almacenes de material vegetal y suelo, así como en muestras de agua y en la cuantificación de carbono derivado de la biomasa microbiana en muestras ambientales.

Los datos que se derivan de estos análisis se reportan a los investigadores y estudiantes; y se le apoya en los cálculos para realizar las interpretaciones correspondientes. De esta forma la información que se genera en el laboratorio, culmina en diferentes documentos científicos como: tesis de diferente grado, artículos científicos en revistas indizadas o libros; publicaciones que contribuyen a la formación de recursos humanos y a la generación de conocimiento para el entendimiento de los ecosistemas.

En el área de Metabolómica (LQUAMM) se estudian procesos bioquímicos, a nivel de población y comunidad, permite explicar procesos de interacción en los diferentes niveles tróficos. Existen numerosas técnicas analíticas para hacer metabolómica, una de ellas la cromatografía que permite caracterizar microorganismos analizando metabolitos primarios y explicar interacciones bióticas identificando y cuantificando   metabolitos secundarios. A su vez existen diferentes técnicas de cromatografía, desde la de líquidos de alta resolución, hasta la de fluidos supercríticos, pasando por la cromatografía en capa fina. En este laboratorio, en específico en QUAMM se trabaja con cromatografía de gases, para separar, identificar y cuantificar ácidos grasos para la identificación de microrganismos en diferentes muestras biológicas.

El cromatógrafo de gases en el área LQUAMM, está dedicado exclusivamente a la separación, identificación y cuantificación de ácidos grasos esterificados. La separación ocurre en una columna capilar contenida en un horno, por cambios de temperatura. Su detector de ionización de flama, quema los compuestos bajo una flama de hidrogeno y aire, combustión que es transformada en cambios de voltaje para generar una gráfica  conocida como cromatograma.

La identificación y cuantificación de los ácidos grasos se hace por medio de una inyección previa de estándares comerciales, conocida como MIX de calibración, la cual es una mezcla de ácidos grasos de concentración conocida. Esta mezcla contiene ácidos grasos de nueve a veinte carbonos (C9:C20) y permite calibrar cualitativa y cuantitativamente el método de análisis. La mezcla contiene además cinco ácidos grasos con grupos hidroxilos, que permiten detectar impurezas en el inyector del equipo y degradación de la columna.

El cromatógrafo de gases está acoplado al software Sherlock, una herramienta de interpretación de los datos que permite seleccionar biomarcadores de un organismo o de un proceso biológico de interés. Sherlock trabaja con diferentes bibliotecas construidas con perfiles de ácidos grasos de un número representativo de cepas de referencia de bacterias anaerobias y aerobias, levaduras, micorrizas, hongos y actinomicetos. De esta manera os perfiles de ácidos grasos se pueden correlacionar con sus homólogos de DNA, para definir la taxonomía a nivel de de especie. Sin embargo, en familias de microrganismos donde varias especies están estrechamente relacionadas, como Enterobacteriaceae, el informe de Sherlock pedirá al usuario que confirme con otras pruebas, generalmente bioquímicas.

Existen también aplicaciones web para analizar éstos y otros datos generados por plataformas metabolómicas en diferentes tipos de experimentos (específicos, no dirigidos, cuantitativos, etc.). Una de ellas, MetaboAnalyst permite no solo procesar, normalizar y analizar datos con métodos univariados y multivariados; sino también realiza análisis de agrupamiento con mapas de calor, análisis del enriquecimiento del conjunto de metabolitos y análisis de la vía de síntesis del metabolito, así como selección de biomarcadores.

Retos y perspectivas para los laboratorios grupales

El trabajo grupal interdisciplinario y transdisciplinario de los laboratorios grupales en el IIES es una estrategia metodológica para lograr los objetivos dentro del plan de desarrollo de la dependencia, eficientizar el uso de los recursos humanos y de infraestructura, potenciar las capacidades humanas científicas y técnicas; todo ello para responder a los nuevos retos que enfrentan las universidades públicas de nuestro país. De esta manera se busca contribuir a la solución de problemas socioambientales complejos que aquejan a la sociedad.

 La calidad en el servicio que ofrece el LQUAM es la meta diaria en el trabajo del laboratorio, cuyo objetivo es la satisfacción de sus usuarios. El reto en el corto plazo es la certificación del laboratorio y la acreditación de los servicios que ofrece al usuario.

 

D. en C. Maribel Nava, Técnico Académico responsable del área de Química y Analítica y del Sistema de Gestión de Calidad,del Instituto de Investigaciones en Ecosistemas y Sustentabilidad (IIES) del Campus de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) en Morelia, Michoacán, México.

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Biól. Yolanda Magdalena García Rodríguez, Técnico Académico responsable del área de Metabolómica; ambas del Instituto de Investigaciones en Ecosistemas y Sustentabilidad (IIES) del Campus de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) en Morelia, Michoacán, México.

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