MNCN

microscopio cabeceras

Biogeoquímica y ecología microbiana

Departamento

 

 

Jefe del Departamento / Head of Department:

Asunción de los Ríos Murillo

 

 

 

PRIMERAS JORNADAS DEL DEPARTAMENTO DE BIOGEOQUÍMICA Y ECOLOGÍA MICROBIANA

24 de abril de 2015

 

 

 

Descripción general  / General description

- Líneas de investigación / Research lines

- Proyectos en curso / On-going research projects

- Proyectos de investigación finalizados / Past research projects

 

 

 

 

 

 

 

 

Descripción general

 

Este departamento se dedica al estudio de los efectos del cambio global y de los ambientes extremos en la estructura y funcionamiento de los ecosistemas, incluyendo las implicaciones ecológicas que tienen los microorganismos en los ciclos biogeoquímicos y la degradación de los compuestos orgánicos. Nuestra meta es obtener una visión mecanicista de los ecosistemas para modelar los procesos biogeoquímicos ante los factores de cambio global. El departamento está integrado por un grupo multidisciplinar de investigadores, especialistas en biogeoquímica, ecología acuática, ecología terrestre, ecología microbiana y geomicrobiología.

 

Izquierda: el edafólogo austriaco Profesor Walter L. Kubiena, impartiendo una conferencia en el Instituto de Edafología en la década de 1940; derecha: edificio de los extintos Instituto de Edafología y Biología Vegetal y Centro de Ciencias Medioambientales, donde se ubica el Departamento desde su fundación.

 

Este departamento tiene su origen en un Departamento de Biología formado en 1967 en el histórico Instituto de Edafología y Biología Vegetal fundado por Jose María Albareda (creador del CSIC), en el que figuraron o se formaron científicos de renombre así como numerosos catedráticos en el campo de las ciencias naturales (F. Velasco, F. González Bernáldez, F. García Novo, T. Mendizabal, P. Montserrat, A. Gómez Sal, entre muchos otros), que pasó a denominarse Biología Ambiental en 1977. Posteriormente, se mantuvo como tal en el ya extinto Centro de Ciencias Medioambientales (CCMA) hasta 2010, año en que pasó en bloque a formar parte del Museo Nacional de Ciencias Naturales. Desde 2013 adquiere el nombre actual, más acorde con la actividad científica que desarrolla durante los últimos 10 años, aunque conservando el espíritu multi y transdisciplinar que motivo su formación para el estudio de la ecología y la biología de la conservación en España.

 

En particular, la investigación desarrollada en el Departamento de Biogeoquímica y Ecología Microbiana parte de la premisa de que la presión antrópica modifica los flujos de intercambio entre los diversos compartimentos de un ecosistema, alterando significativamente su funcionamiento y su estructura. Esos cambios son estudiados desde los distintos niveles de organización (macroscópico, microscópico y molecular) con el propósito de cubrir todos los procesos que operan en un ecosistema y sus interacciones a diferentes escalas. Para ello, se estudian desde ecosistemas prístinos a perturbados, incluyendo los que se desarrollan en ambientes extremos, y se consideran un amplio abanico de alteraciones inducidas por el hombre. Los resultados obtenidos están permitiendo cuantificar cómo cambian las contribuciones de los distintos compartimentos bióticos y abióticos a los flujos biogeoquímicos y al funcionamiento de los ecosistemas, y están permitiendo modelar sus respuestas en escenarios de cambio global. Con esto mejoramos el conocimiento sobre el funcionamiento de los ecosistemas, un aspecto esencial para formular estrategias de conservación ambiental a medio y largo plazo y para afrontar una restauración ecológica razonable, contribuyendo así al desarrollo sostenible de nuestra sociedad.

Arriba: Campamento en pie de
los Andes de una expedición
en Atacama (Chile) en 2013;
medio: un experimento para
estudiar las emisiones de
metano en un humedal; abajo:
laboratorio de biogeoquímica

 

 

 

 

 

 

 

Lineas de investigación

 

 

El departamento tiene tres líneas de investigación interrelacionadas: una dedicada al estudio de la biogeoquímica de los ecosistemas, otra dedicada al estudio de la ecología microbiana y la geomicrobiología y otra dedicada a la química de la materia orgánica:


La línea de Biogeoquímica de Ecosistemas estudia la funcionalidad de los ecosistemas continentales considerando sus características y evolución ante los cambios inducidos por el hombre. Los ecosistemas son analizados a través de la cuantificación de los flujos biogeoquímicos entre compartimentos a diferentes escalas temporales (desde minutos a milenios), con énfasis en los procesos relacionados con las transformaciones de C, N y P y en las interrelaciones con la estructura del compartimento biótico (redes tróficas). El objetivo final del grupo es modelar los diferentes procesos que dirigen los ciclos biogeoquímicos -y que sustentan la actividad de los ecosistemas- en relación con el cambio global.

 

Izquierda: Manglares del Estero de Santa María en Sinaloa (México); centro: salto de agua en la barrera travertínica ubicada entre las lagunas Redondilla y Lengua en el complejo lagunar de Ruidera en febrero de 2010; derecha: Laguna salina del Altillo Chica en la Reserva de la Biosfera de La Mancha Húmeda.

 

La línea de Ecología Microbiana y Geomicrobiología se centra en el estudio in situ de los microorganismos que colonizan el sustrato lítico y sus relaciones con el entorno abiótico, incluyendo las implicaciones ecológicas y biogeomorfológicas del desarrollo de estos ecosistemas, así como su participación en los ciclos biogeoquímicos y su capacidad de respuesta ante el cambio global. El sustrato lítico es analizado especialmente como el hábitat de microorganismos que viven en ambientes extremos. Adicionalmente, dentro de esta línea se estudia el diagnóstico del deterioro de monumentos de piedra en relación con la actividad y presencia de comunidades microbianas, para ofrecer posibles estrategias de control biológico.

 

 

Izquierda: Imagen obtenida en Low Temperature Scanning Electron Microscopy (LTSEM) de colonización por cianobacterias de halita de Yungay (Desierto de Atacama-Chile), los asteriscos son Cianobacterias, las estrellas son substancias poliméricas extracelulares y las flechas cristales de sal; centro: Comunidad liquenica pionera en rocas expuestas por el retroceso del glaciar Ward Hurd (Isla Livingston, Antártida); derecha: colonización endolítica microbiana de ignimbrita del desierto de Atacama.

 

La línea de Materia Orgánica en Suelos y Sedimentos estudia la variabilidad espacial de la composición de humus desde una perspectiva ecológica, con el objetivo de desarrollar modelos integrales que determinen la funcionalidad del humus en el ambiente, así como su incidencia en los procesos biogeoquímicos y en el balance de carbono. Las sustancias húmicas están ampliamente distribuidas en el suelo, agua y combustibles fósiles y representan la mayor reserva de carbono orgánico en la superficie de la Tierra. El humus incluye mezclas complejas de materiales biosintéticos alterados además de macromoléculas recién formadas. Así, la investigación se realiza usando perspectivas típicas de Edafología, Ecología y Microbiología del Suelo, Geoquímica Orgánica o Química Macromolecular.

 

 

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Proyectos de investigación en curso

 

Adaptación y geomicrobiología de comunidades microbianas litobiónticas en ambientes hiperáridos y sus metabolitos: recursos en biotecnología. MINECO, Dirección General de Investigación. 2015-2017. 85.000 €

 

IP: Jacek Wierzchos

 

El desierto de Atacama se encuentra entre los desiertos más antiguos y secos. Este desierto es cada vez más atractivo para los estudios que tratan de comprender todos los aspectos relativos a las estrategias de adaptación de los microorganismos a condiciones ambientales extremas. En dos proyectos anteriores (PN) hemos identificado y descrito comunidades microbianas eneolíticas colonizando sustratos rocosos tales como evaporitas, rocas volcánicas y otras de origen sedimentario y todos en la zona hiperárida del desierto de Atacama. Hasta 2006 se creyó que esta región era el límite para la vida. Nosotros ahora comenzamos a comprender cómo estos microorganismos optimizan su acceso a agua escasa y la utilizan para sus requerimientos fisiológicos. El nuevo paso es promover nuestro conocimiento sobre las estrategias de adaptación utilizadas por las comunidades microbianas litobiónticas (LMC) e identificar y comprender los factores abióticos que controlan la colonización litobióntica en un rango de sustratos y regímenes climáticos en este desierto. Vamos también a caracterizar el estado fisiológico de las LMCs en su hábitat natural y la biorreceptividad de los sustratos líticos y cómo los procesos de desertificación podrían impactar en su supervivencia. Postulamos que la resistencia de estas comunidades a las condiciones climáticas hostiles de este desierto depende en gran parte de su habilidad para evitar la exposición a múltiples factores adversos así como a su habilidad para adaptarse a dichos factores. Además abordaremos el uso de ecosistemas microbianos litobiónticos como indicadores de regímenes climáticos. Un clima hostil puede originar procesos específicos de adaptación tales como el aumento de antioxidantes y metabolitos protectores frente a los rayos UV. Estas biomoléculas pueden tener aplicaciones biotecnológicas. Teniendo en cuenta mencionados objetivos se analizarán estas comunidades a nivel molecular usando secuenciación de alto rendimiento, a nivel micromorfológico aplicando estrategias de investigación con uso de microscopía electrónica y fotónica y a nivel de sustrato analizando las propiedades físicas, químicas y mineralógicas de las rocas. Usando modelos ecológicos identificaremos los procesos que influencian las asociaciones microbianas y se construirá un modelo para determinar los parámetros del límite de hiperaridez para la colonización microbiana. Para alcanzar estos hitos se actuará teniendo en cuenta un enfoque integrado e interdisciplinario para determinar las características de los substratos, identificar los procesos de biodeterioro, caracterizar biomarcadores y desarrollar protocolos que pueden inducir a la obtención de metabolitos intracelulares. Estas líneas de investigación también nos proporcionaran unas bases más sólidas para elaborar las hipótesis respecto a la posible habitabilidad de otros planetas. Formamos un grupo con extensa experiencia en mencionadas líneas de investigación y actualmente ya estamos analizando los datos preliminares que soportan la viabilidad de este proyecto. Además, a través de nuestra colaboración con investigadores internacionales y participantes en nuestros proyectos anteriores, nos beneficiamos de tener más amplias posibilidades de realización de este sobre diversos aspectos de la colonización litobióntica en ambientes extremadamente áridos. Imagen 3D-CLSM mostrando un agregado de cianobacterias endolíticas del halita de Atacama (señal rojo) envueltas en scitonemina (pigmento protector de UV - señal blanca).

 

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 Ecosistemas microbianos líticos de áreas expuestas tras retroceso de glaciares. Sucesión ecológica, filodiversidad y geomicrobiología. MINECO, Dirección General de Investigación. 2013-2015. 173.000 €

 

IP: Asunción de los Ríos

 

La sucesión primaria es un fenómeno fundamental en los ecosistemas, sin embargo, aún no se entiende bien cómo tiene lugar este desarrollo en ecosistemas microbianos y la influencia que los cambios medioambietales pueden tener en las comunidades microbianas. En este proyecto, nos centraremos en el estudio de las comunidades microbianas pioneras, ya que éstas tienen el potencial de comenzar la sucesión en los ecosistemas. Además, la biodegradación generada por organismos litobiontes (colonizadores del sustrato lítico) potencia el desarrollo de los ecosistemas porque puede inducir el desarrollo del suelo y de esta manera, también el de las comunidades vegetales. El principal objetivo de este proyecto es analizar los cambios en las comunidades microbianas a lo largo de cronosecuencias en áreas expuestas tras el retroceso de glaciares de los hemisferios norte y sur. Las diferencias en la composición de las comunidades microbianas presentes en estas cronosecuencias de ambos hemisferios podrían estar relacionadas con la tasa de retroceso, las condiciones ambientales (clima y sustrato lítico) y con la disponibilidad de un consorcio de especies que se dispersan de forma efectiva. Por todo ello, el desarrollo de estos ecosistemas líticos podría no ser sólo el resultado de una trayectoria determinística, sino estar también fuertemente influenciado por la interacción estocástica de procesos bióticos y de ensamblaje de comunidades microbianas, y por la interacción de los distintos factores químicos y físicos. Para caracterizar esta dinámica de sucesión, planteamos un estudio de la filodiversidad y la estructura filogenética de las comunidades microbianas (con especial énfasis en las asociaciones simbióticas) combinado con un estudio geomicrobiológico de los biofilms líticos (i.e. area del sustrato lítico colonizada biológicamente) a lo largo de las cronosecuencias de colonización en glaciares en retroceso. Además, el análisis de genes funcionales nos ayudará a entender mejor los factores que dirigen los cambios en las comunidades. La síntesis de estos resultados nos permitirá identificar diferencias en grupos claves en la sucesión ecológica entre regiones polares de ambos hemisferios.

 

Izquierda: Glaciar Breioamerkurjökull en el Sureste de Islandia, el cual está retrocediendo por efecto del Cambio climático y en donde se está analizando la secuencia de colonización microbiana en suelos y piedras del área descubierta por el retroceso; derecha: Asunción de los Ríos recogiendo muestras de suelo en el área expuesta por el retroceso del Glaciar Hurd en la Isla Livingston (Antártida).

 

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Durabilidad y conservación de geomateriales del patrimonio construido (GEOMATERIALES-2). Comunidad de Madrid. 2014-2017. 49.000 €

 

IP subproyecto: Carmen Ascaso

 

El programa que se presenta se centra en la tecnología de la conservación de los GEOMATERIALES utilizados en el patrimonio construido y en objetos de interés patrimonial. Se entiende como geomaterial todo aquel material de origen geológico que tras un proceso de elaboración es utilizado en diferentes sectores, como materiales para ingeniería civil, edificación, materiales avanzados, conservación del patrimonio, medio ambiente, etc. Este programa es continuación del programa GEOMATERIALES (S2009/MAT_1629). En esta propuesta se incluyen nuevos objetivos de base tecnológica y se modifica el consorcio, incorporando nuevos grupos de investigación, nacionales e internacionales, además de implicar directamente a empresas del sector. El programa está enfocado a proporcionar soluciones a diferentes aspectos que inciden en la conservación de los geomateriales desde una visión tecnológica. Se abordan temáticas relevantes como el desarrollo de nanomateriales aplicados a la conservación del patrimonio, el diseño de nuevos tratamientos para la consolidación y protección de geomateriales del patrimonio contemporáneo, la formulación de nuevos morteros de restauración, o el desarrollo de sistemas de monitorización que permitan controlar las condiciones ambientales que van a influir en la conservación interior y exterior de los edificios y de sus materiales. Un aspecto fundamental y esencial en la tecnología de conservación del patrimonio es la validación y mejora de técnicas no destructivas y portátiles que posibiliten y faciliten la toma de datos, sin daño para los materiales. El programa realizará sus actividades considerando los diferentes ambientes agresivos a los que pueden estar expuestos los elementos a conservar, incidiéndose en la problemática de la conservación del patrimonio subacuático. Uno de los objetivos persiguidos es el control de los riesgos en la conservación del patrimonio, que pueden ser tanto naturales como de origen antrópico. De este modo, se pretende dar solución a los problemas de humedades, determinar los efectos actividad social o los daños generados por efecto del fuego, por los derivados del cambio climático, etc. Otro objetivo que se presenta, no estudiado hasta la fecha en la profundidad que requiere, es el análisis de la eficacia y sostenibilidad de las intervenciones antiguas en la conservación del patrimonio. Su estudio permitirá conocer y evaluar la evolución de dichas intervenciones con el paso del tiempo, constituyendo indicadores de las pautas a seguir en intervenciones actuales y futuras. Se proponen objetivos enfocados muy directamente a aspectos tecnológicos como es la Tecnología de la Información y la Comunicación (TIC), con el fin de establecer los procedimientos y técnicas para el procesamiento, almacenamiento y transmisión de información. También se incluye la incorporación de nuevas tecnologías que puedan ser puestas al servicio de la industria. Se espera que el impacto potencial se encamine a este sector industrial, empresarial y tecnológico de la conservación del patrimonio, sin olvidar que pueda ser igualmente útil al sector de la construcción y obra nueva. El programa tiene valor social ya que está dirigido a mejorar el conocimiento y las técnicas de estudio y de intervención para la conservación del patrimonio. Esto repercute en la calidad de vida de las personas, en su identidad como ciudadanos, en el bienestar social y en el mantenimiento de su concepción histórica y tecnológica. Todo ello favorece una atracción económica estable por la mejora de los recursos de turismo monumental y museístico. En definitiva, se trata de llevar a cabo una transferencia de conocimientos científicos y tecnológicos, dando a conocer las investigaciones e innovaciones que existen y que pueden servir a los diferentes sectores implicados, con el fin de aumentar su competitividad y promover la atracción económica a la región.

 

Izquierda: parcelas de experimentación con biocidas y láser; derecha: imagen SEM-BSE del efecto sobre la colonización liquénica del tratamiento con biocidas.

 

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Life at the dry limit: Cyanobacteria inside halite pinnacles in the Atacama Desert. NASA Astrobiology: Exobiology and Evolutionary Biology Program. 2011-2015. 210.000 USD.

 

IP: A.F. Dávila (Co-investigador: J.Wierzchos)

 

Queremos demostrar que el límite para la fotosíntesis en la Tierra se puede ampliar si tenemos en cuenta la habitabilidad de los minerales higroscópicos. Dadas las similitudes entre el desierto de Atacama y Marte, nuestro trabajo potencialmente podría revelar un ambiente en Marte (donde ya se han encontrado depósitos evaporíticos) con condiciones próximas a los límites de habitabilidad propuestas por el COSPAR. Esto redefiniría los mapas actuales de las regiones especiales en Marte y podría potencialmente volver a dirigir el foco de futuras misiones de detección de vida. La investigación propuesta se centra en la adaptación de la vida a los ambientes secos extremos (aplicables a la Tierra y a Marte), así como en la evaluación de la habitabilidad de los minerales higroscópicos (que se encuentra tanto en la Tierra y en Marte), y por lo tanto se ocupa de una de las principales áreas de investigación enfatizada por el programa de Astrobiología.

 

Imagen del interior de una roca de halita colonizado por los microorganismos endolíticos (bandas verdes).

 

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Evaluación de impactos ambientales mediante la caracterización molecular de las formas resilientes de materia orgánica en los suelos. Ministerio de Ciencia e Innovación, Plan Nacional I+D+i. CGL2008-04926. 2009-2014.

 

IP: Gonzalo Almendros

 

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Estudios limnológicos para la aplicación del Marco Comunitario de Actuación en el ámbito de la Política de Aguas. Contrato del Ayuntamiento de Las Rozas de Madrid. 2014. 20.000 €

 

IP: Miguel Álvarez-Cobelas

 

http://www.humedalesibericos.com/index.php?contenido_servicio_tabla=publicaciones&ln=sp

 

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General description

 

This department is dedicated to the study of the effects of global change and extreme environments on ecosystem structure and functioning, including the ecological implications of microbes in biogeochemical cycling and organic compound degradation. Our ultimate goal is to develop a mechanistic view of ecosystems to model biogeochemical process under global change drivers. The department is comprised of a multidisciplinary group of scientists with expertise on biogeochemistry, aquatic ecology, terrestrial ecology, microbial ecology and geomicrobiology.

 

Left: Professor Walter L. Kubiena (edaphologist from Austria) in a lecture at the Institute of Edaphology in 1940s; right: building where both the Institute of Edaphology and Plant Biology and the Center for Environmental Sciences were located and where the department is situated since its founding. 

 

This department has its origins in a Department of Biology formed during 1967 in the historic Institute of Edaphology and Plant Biology founded by Jose Maria Albareda (founder of CSIC), in which were enrolled or trained both several renowned scientists and academics in the field of Spanish natural sciences (F. Velasco, F. González Bernáldez, F. García Novo, T. Mendizabal, P. Montserrat, A. Gómez Sal, among many others). Later, the Deparment was renamed Environmental Biology in 1977 and, subsequently, it remained as such in the now extinct Center for Environmental Sciences (CCMA) until 2010, the year when it was moved as a whole to the National Museum of Natural Sciences. Since 2013 acquired its current denomination, according with the scientific activity carried out during the last 10 years, while retaining the fundamentals of multidisciplinarity which motivated its fundation for the study of ecology and conservation biology in Spain.

 

Particularly, our research starts from the premise that human pressure modifies the flows between the compartments of an ecosystem, significantly altering its function and structure. These changes are studied from different organizational levels (macroscopic, microscopic and molecular) in order to cover all processes operating in an ecosystem and their interactions at different scales. To do this, ecosystem studies are conducted from pristine to disturbed, including those developed in extreme environments, considering a wide range of human-induced disturbances. The results are allowing to quantify how the various biotic and abiotic compartments are changing their contributions to the ecosystem biogeochemical fluxes and therefore to the ecosystem functioning, and are allowing to model their responses global change scenarios. Our results contribute to improve the scientific knowledge on the functioning of ecosystems, key for both the development of strategies for environmental conservation to the medium and long-term and to conduct reasonable ecological restorations, with the ultimate goal of contributing to the sustainable development of our society.

 

 

 

 

Upper: Atacama Expedition-2013

- camp close to the Andes;

middle: an experiment to measure

methane emission by a wetland

in Central Spain; lower: laboratory

of biogeochemistry

 

 

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Research lines

 

 

The department develops three interrelated research lines: one dedicated to the study of the biogeochemistry of ecosystems (macroscopic), other devoted to the study of microbial ecology and geomicrobiology (microscopic) and another dedicated to the chemistry of organic matter (molecular):

 


 

The line Ecosystem Biogeochemistry studies the functionality of continental ecosystems considering how characteristics and evolution are changing as induced by human activity. Ecosystems are analyzed by quantifying the biogeochemical fluxes between compartments at different time scales (from minutes to millennia), with emphasis on processes related to the transformations of C, N and P and their interconnections with the structure of the biotic compartment (food webs). The ultimate goal of the line is to model processes that drive the biogeochemical cycles -which sustain the activity of ecosystems- in relation to global change.

 

Left: mangroves of the Estero de Santa Maria in Sinaloa (Mexico); middle: waterfall on a travertine barrier in Ruidera chain lakes during February 2010; right: Altillo chica playa lake in Central Spain (La Mancha Húmeda Biosphere Reserve).

 


The line on Microbial Ecology and Geomicrobiology is centered on the in situ investigation of the microorganisms that colonize the lithic substrate and their relationships with the abiotic environment, including the ecological and biogeomorphological implications and their involvement in the biogeochemical cycling as well ability to respond to global change. The lithic substrate is mainly analyzed as the habitat of microorganisms living in extreme environments. In addition, we are doing the diagnosis of the biodeterioration of monumental stone related to the presence and activity of microbial communities, as well as possible biocontrol strategies.

 

Left: image obtained in LTSEM of colonization by cyanobacteria in halite of Yungay (Atacama Desert Chile), asterisks are Cyanobacteria, stars are extracellular polymeric substances (EPS) and arrows salt crystals; middle: Pioneer lichen comunnity from Ward Hurd glacier foreland (Livingston Island, Antarctica); right: Microbial endolithic colonization of ignimbrite from the Atacama Desert.

 

The line Chemistry of the Organic Matter on Soils and Sediments studies the spatial variability of the humus composition from a ecological perspective with the aim to provide comprehensive models determining the functional relationship of the humus in the environment and their bearing on the carbon balance and biogeochemical processes. The so-called humic substances are widely distributed in soil, water and fossil organic resources and represent the greatest reservoir of organic carbon on the surface of the Earth. They include complex mixtures of altered biosynthetic materials in addition to newly-formed macromolecules. Consequently, the research on humic substances can be carried out using perspectives typical of Pedology, Ecology and Soil Microbiology, Organic Geochemistry or Macromolecular Chemistry. .

  

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On-going research projects

 

Adaptation and geomicrobiology of lithobiontic microbial communities in hyperarid environments and their metabolites: resources in biotechnology. MINECO, Dirección General de Investigación. 2015-2017. 85,000 €

 

PI: Jacek Wierzchos

 

The Atacama Desert is among the oldest and driest deserts in the world and its hyperarid core is described as "the most barren region imaginable". This desert is becoming increasingly appealing for studies that seek to understand all aspects of the adaptation strategies of microorganisms to extreme environmental conditions. In two prior PN projects, we identified and described endolithic microbial communities colonizing five different rock substrates of evaporite, volcanic and sedimentary origin in the hyperarid zone of the Atacama Desert. Up until 2006, this region was thought to be the limit for photosynthetic life - we are now beginning to understand how these microorganisms optimize their access to scarce water and use it for their physiological requirements. The next logical step is to further our knowledge on adaptation strategies used by lithobiontic microbial communities and identify and constrain the abiotic factors that control lithobiontic colonization in a range of substrates and climate regimes in the Atacama Desert. We will also characterize the physiological state of lithobiontic communities in their natural habitat and bioreceptivity of lithic substrates and how desertification processes could impact their survival. We postulate that the resistance of these communities to the hostile climate conditions of the Atacama Desert depends as much on their ability to avoid exposure to multiple adverse factors as it does on their ability to adapt to such factors. Besides looking at adaptive strategies, we will address the use of lithobiontic microbial ecosystems as indicators of future climate regimes. A harsh climate will give rise to specific adaptation processes such as the build-up of antioxidant and UV-protective metabolites. These biomolecules (carotenoids, scytonemin and PUFAs) may have biotechnological applications. We will analyse these communities at (1) the molecular level using high-throughput barcoded 16S rRNA gene sequencing, (2) the micro-morphological level using electron and photon microscopy, and (3) the substrate level by analysing the rocks' physical, chemical, and mineralogical properties. Using ecological models we will identify processes that influence microbial assemblages and build a model to determine parameters for the "dry edge" for colonization. The multiphase and interdisciplinary approach will be used to determine substrate characteristics, identify bioweathering processes, characterize biosignatures and develop ways to induce the production of intracellular metabolites. These investigation lines will also provide us with a more solid background for speculations regarding the habitability of other planets. Our team members are all highly experienced and we already have significant preliminary data to confirm the feasibility of this project. In addition, through our collaborations with international partners in previous projects, we have substantial information on several aspects of the lithobiontic colonization of extremely arid environments. Image 3D-CLSM showing an aggregate of endolithic cyanobacteria from Atacama's halite (red signal) involved by scytonemin (UV protective pigment - white signal).

 

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Lithic microbial ecosystems developed in exposed areas after glacial retreat. Ecological succession, phylodiversity and geomicrobiology. MINECO, Dirección General de Investigación. 2013-2015. 173,000 €

 

PI: Asunción de los Ríos

 

Primary succession is a fundamental process in macroecosystems; however, how these processes occur in the development of microbial ecosystems and the influence of environmental changes on microbial community structure is poorly understood. We focus on pioneer microbial communities because they have the potential to kickstart the succession. Rock mineral weathering, mediated by lithobiontic microorganisms (rock colonizers), enhances ecosystem development because it triggers soil development and plant biocenosis. Our investigation looks at changes in the microbial communities along chronosequencies of different glacier forelands from Northern and Southern Hemispheres. The differences in succession between hemispheres could be related to retreat rates, environmental (climate and lithic substrate) conditions, and the availability of a pool of effectively dispersed species. Therefore, the development of lithobiontic ecosystems may not only be the result of deterministic trajectory but could be strongly influenced by a stochastic interplay of biotic interactions and assembly processes, and different physical and chemical environmental factors. The phylodiversity and the phylogenetic structure of the microbial communities (with especial emphasis on symbiotic microbial associations), together with the geomicrobiological study of the microbial biofilms (i.e. microbial communities and colonized lithic substrate), will be used to characterize the changes along the chronosequencies. In addition, the study of functional genes will help us to understand the drivers of these changes along the glacier forelands. The synthesis of these results will allow us to understand the differences in ecological succession between northern and southern Polar Regions. 

Left: Breioamerkurjökull glacier in southeast Iceland, which is receding due to climate change and where it is analyzing the sequence of microbial colonization in soils and rocks of the area uncovered by the receding; right: Asunción de los Ríos collecting soil samples in the exposed area by the retreat of Hurd Glacier on Livingston Island (Antarctica). 

 

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Sustainability and Conservation of Built Heritage Geomaterials (GEOMATERIALES-2). Comunidad de Madrid. 2014-2017. 49,000 €

 

PI-subproject: Carmen Ascaso

 

The program outlined in this proposal focuses on conservation technology of geomaterials used in built heritage and any other cultural asset. A geomaterial is defined as any material from a geological source that after undergoing a process is utilized in different sectors such as civil engineering materials, construction, advanced materials, heritage conservation, environment, etc.This program follows GEOMATERIALES Programme (S2009/MAT_1629) and this proposal includes new technology based objectives. The consortium has been modified and new research groups, national and international, are incorporated. Besides, related sector and industry companies are directly involved. From a technological scope, the program is focused on providing solutions to different aspects affecting geomaterials conservation. Relevant issues such as nanomaterials development applied to heritage conservation, design of new treatments for the consolidation and protection of contemporary heritage geomaterials, new restoration mortars formulation or sensors and monitoring systems development that allow the environmental conditions control that will affect the interior and exterior preservation of the buildings and their materials (fittingout for use and comfort), which in turn will allow preventive conservation, are addressed. A fundamental and essential topic in heritage conservation technology is the validation and improvement of portable and nondestructive techniques that enable and make easier the data collection, without material damage, in order to explain the processes that are affecting heritage asset conservation and to carry out decision making with a scientific and technological approach. The program will conduct its activities taking into account different aggressive environments and special attention is paid to underwater heritage conservation. One of the objectives pursued is to control risks, both natural and anthropogenic, in heritage conservation. Therefore, it is expected to solve moisture problems, to determine the effects of urine from social activity ("bottle effect"), or the damage due to fire action, as the result of climate change, etc. Another objective, not studied hitherto conveniently, is the effectiveness and sustainability analysis of interventions performed in ancient heritage. These studies will reveal and assess the evolution of such interventions over time and they will entail guidelines on current and future conservation operations. Objectives directly focused on technological aspects are proposed, such as Information and Communication Technologies (ICT), in order to establish the procedures and techniques for the processing, storage and transmission of information. This issue entails an essential tool to coordinate the results achieved in the entire program, and will make easier the interpretation and definition of the actions to accomplish. The new technologies incorporation that can be put at the industry disposal is also proposed, both related with new materials development and monitoring techniques implementation or equipment validation. Industry and companies can be highly benefited with the results of this program. Potential impact forwards industrial, business and technological sector focused on heritage conservation, besides construction and new construction sectors, is expected. The program has a social value as it is aimed to improve the knowledge as well as the study and intervention techniques for heritage conservation. This issue affects people quality of life, their identity as citizens, social profitability and its historical and technological conception maintenance. This gives advantage to a stable economic attraction as entails improvements on monumental tourism and museum resources. Ultimately, the scientific and technological knowledge transfer is addressed, and current research and innovation that can support the different sectors involved are disseminated, in order to increase their competitiveness and to promote the economic attraction of the region.

 

Left: experimental plots where biocide and laser treatment are applied; right: SEM-BSE image showing the effect of biocide treatment on liquen colonization.

 

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Life at the dry limit: Cyanobacteria inside halite pinnacles in the Atacama Desert. NASA Astrobiology: Exobiology and Evolutionary Biology Program. 2011-2015. 210,000 USD.

 

PI: A.F. Dávila (Co-investigator: J. Wierzchos)

 

We want to demonstrate that the limit for photosynthesis on Earth can be expanded if we consider the habitability of hygroscopic minerals. Given the similarities between the Atacama Desert and Mars, our work could potentially reveal an environment on Mars (where evaporitic deposits have already been found) with conditions close to the habitability limits proposed by COSPAR. This would re-define current maps of special regions on Mars and could potentially re-direct the focus of future life detection missions. The proposed research focuses on the adaptation of life to extreme dry environments (applicable to Earth and Mars), as well as on assessing the habitability of hygroscopic minerals (found both on Earth and Mars), and therefore addresses one of the main areas of research emphasis stated in the Astrobiology program. 

 

Image of the interior of halite rock colonized by endolithic microorganisms (green bands).

 

 

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Environmental impacts assessment through the molecular characterization of resilient forms of organic matter in soils. Ministerio de Ciencia e Innovación, Plan Nacional I+D+i. CGL2008-04926. 2009-2014.

 

PI: Gonzalo Almendros

 

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Sustainable local management in the field of water policy. Contract by Las Rozas de Madrid Municipality. 2014. 20,000 €

 

PI: Miguel Álvarez-Cobelas

 

http://www.humedalesibericos.com/index.php?contenido_servicio_tabla=publicaciones&ln=sp

 

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Proyectos de investigación finalizados (últimos 5 años) / Past research projects (last 5 years)

 

Mitigación del cambio global por las Lagunas y Humedales de la Reserva de la Biosfera de La Mancha Húmeda. Obra Social La Caixa-EINTAM. 2011-2012. 30.000€. IP: Salvador Sánchez-Carrillo.

 

Informe de actuaciones preceptivas para la restauración ecológica del lavajo de las Lavanderas de Carpio (Valladolid) así como para la realización del estudio limnológico de la misma. Fundación Patrimonio Natural de Castilla y León. 2011-2012. 30.000 €. IP: Santos Cirujano y Salvador Sánchez-Carrillo.

 

Biogeoquímica isotópica de nutrientes aplicada al metabolismo de lagos (BIOMET). Plan Nacional I+D+i (CGL2009-10408). 2010-2013. 120.000 €. IP: Salvador Sánchez-Carrillo.

 

Estudios limnológicos para la aplicación del Marco Comunitario de Actuación en el ámbito de la Política de Aguas. Ayuntamiento de Las Rozas de Madrid. 2010-2013. 160.000 €. IP: Miguel Álvarez-Cobelas.

 

Efectos del cambio global en la ecología y la biogeoquímica de Las Tablas de Daimiel (DECAMERON). Organismo Autónomo Parques Nacionales (2008/001). 2009-2013. 123.000 €. IP: Salvador Sánchez-Carrillo. (http://sawface.mncn.csic.es/home.htm)

 

Programa de seguimiento científico del proyecto de restauración y puesta en valor de las Lagunas de Cantalejo (Segovia). Fundación Patrimonio Natural de Castilla y León. 2009. 30.000 €. IP: Santos Cirujano y Salvador Sánchez-Carrillo.

 

Seguimiento y monitoreo ambiental del PN Tablas de Daimiel. Parque Nacional Tablas de Daimiel. 2008-2013. 360.000 €. IP: Miguel Álvarez-Cobelas y Santos Cirujano.

 

Estudio integral de la cantidad y la calidad del agua superficial y subterránea en el Alto Guadiana, en relación con los usos pasados y presentes del territorio, enfocado hacia la restauración de los ecosistemas acuáticos. Contrato con la Confederación Hidrográfica del Guadiana. 2008-2011. 750.000 €. IP: Miguel Álvarez-Cobelas.

 

Estrategias de colonización de microorganismos endolíticos en ambientes áridos e hiperáridos y búsqueda de sus biomarcadores: estudio de desiertos extremos análogos de Marte. MICINN, Dirección General de Investigación. 2011-2013. 107.000 €. IP: J. Wierzchos.

 

Durabilidad y conservación de geomateriales del patrimonio construido (Geomateriales). Comunidad de Madrid S 2009/MAT-1629. 2010-2013. 61.122 €. IP-subproyecto: Carmen Ascaso.

 

Ecosistemas microbianos litobionticos en gradientes antárticos ambientales: biodiversidad, fisiología y geomicrobiología. Plan Nacional I+D+i (CTM2009-12838-CO4-O3). 2010-12. 103.000€. IP: Asunción de los Ríos.

 

Estudios Sobre Machu Picchu: cooperación cultural y científica Perú-España para su conservación y preservación como recurso al desarrollo. Fundación Carolina. 2010-11. IP: Asunción de los Ríos.

 

Estrategias de adaptación de microorganismos endoevaporiticos colonizadores de halitas en las hiper-áridas zonas del Desierto de Atacama, Chile. Proyecto Intramural Especial CSIC. 2009. 30.000 €. IP: J. Wierzchos.

 

Lichens and Fungi Experiment (LIFE). EXPOSE-E Program (ESA) en la Estación Espacial Internacional (ISS). 2009-2010. IP: Silvano Onofri (Co-investigador: Carmen Ascaso).

 

Ecología microbiana y geomicrobiología de hábitats litobiónticos en ambientes extremos: desiertos de Atacama y Negev. MEC, Dirección General de Investigación. 2007-2010. 100.000 €. IP: J. Wierzchos.

 

Bases científicas para la restauración de ecosistemas degradados en el contexto de los bienes y servicios ambientales que proporcionan los suelos y la vegetación de Castilla la Mancha, POII11-0267-4154. Junta de Castilla-La Mancha. 2011-2012. IP: G. Almendros.

 

Evaluación agroecológica de las características organo-minerales de los suelos volcánicos que influyen en la calidad de los suelos y los mostos en los viñedos de las Islas Canarias, Agencia Canaria de Investigación, Innovación y Sociedad de la Información. Gobierno de Canarias [Bodegas Viñátigo e Instituto Canario de la Uva y el Vino, IDT-TF-09/044]. 2010-2013. IP: J.P. Pérez Trujillo (Co-investigador: G. Almendros).

 

Biochar application to soils: can cattle do it for us? Massey University, New Zealand. PROP-20453-SLMACC-MAU.2009-2010. IP: Marta Camps (Co-investigador: G. Almendros).

 

La biofumigación como alternativa no química en la replantación y reconversión en suelos de viñedo. Junta de Comunidades de Castilla-La Mancha, PAI09-0010-4701. 2009-2011. IP: J.A. López Pérez (Co-investigador: G. Almendros).

 

Focos rojos en emisión de gases de invernadero en México. CONACyT - SEMARNAT. 2006-2009. IP: Norma E. García Calderón & G. Almendros.

 

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