Actualmente vivimos el Decenio de las Ciencias Oceánicas para el Desarrollo Sostenible (2021-2030) y es sobradamente conocido que preservar la salud de nuestros océanos es uno de los mayores desafíos a los que se enfrenta la humanidad. La urgencia de comprender, gestionar y frenar los múltiples factores de estrés que afectan a los océanos es cada día más apremiante. El papel de los océanos en el sistema climático es esencial, al ser no solo los pulmones del planeta, sino también el mayor sumidero de carbono gracias a su productividad biológica. Sin embargo, agentes estresantes como el calentamiento, acidificación o desoxigenación se combinan, además, con factores de estrés antropogénico, como la contaminación por plásticos, provocando, en su conjunto, cambios drásticos en el ecosistema oceánico. Estos factores estresantes, climáticos y no climáticos, están amenazando severamente la productividad marina y sus alteraciones son un hecho constatado.

La temperatura global de la superficie de mares y océanos ha aumentado de forma anormal durante el último siglo. El calentamiento está causando profundas alteraciones en los hábitats marinos y contribuye también a la pérdida de oxígeno en el océano. Además, la mayor temperatura de las masas de agua superficiales conlleva menos mezcla vertical y por tanto menor oxigenación en aguas profundas. Por otra parte, impactos antropogénicos como exceso de nutrientes de la agricultura o aguas residuales en zonas costeras provocan un crecimiento excesivo de organismos, aumentando el consumo de oxígeno.

Así, la desoxigenación es uno de los problemas más severos a los que se enfrenta el ecosistema marino. En las zonas con poco o con ausencia de oxígeno se reducen los hábitats; pequeñas reducciones de oxígeno pueden impedir el crecimiento de organismos, dañar la reproducción o provocar extinciones. La pérdida del oxígeno desde mitad del siglo XX es muy alarmante y pueden esperarse consecuencias muy graves en un futuro. Cabe señalar que las mayores crisis medioambientales a lo largo de la historia del planeta, y que han provocado grandes extinciones faunísticas, han estado asociadas a épocas de calentamiento con baja oxigenación en los océanos.

La acidificación es otro de los problemas críticos a los que se enfrentan los océanos. Con la disminución del pH las aguas se vuelven más ácidas, perturbando la fijación del carbonato cálcico en esqueletos o caparazones, lo que provoca la disminución e incluso desaparición de especies y un riesgo para muchos ecosistemas marinos como los arrecifes de coral.

Registro sedimentario marino

En este contexto y con estas amenazas, ya sobradamente conocidas, se hace cada vez más necesario entender y prever la respuesta de la productividad marina a la variabilidad climática y a los diferentes agentes estresantes de los océanos. Sin embargo, una gestión adecuada, priorizando acciones para proteger los océanos, requiere de un mejor entendimiento de las variaciones en la productividad marina en respuesta al cambio climático.

Para avanzar en este sentido es necesario no sólo la información del medio marino actual, sino datos que vayan más allá del registro instrumental y escenarios pasados de cambios de productividad que ayuden a comprender su respuesta a la variabilidad climática a mayor escala. Para ello, se necesitan indicadores indirectos y el estudio del registro sedimentario marino. A pesar de que han sido muy diversos los indicadores utilizados para reconstruir y entender la productividad biológica marina en el pasado, la preservación de algunos de ellos en el registro sedimentario no siempre es adecuada. Esto ha determinado que la búsqueda de indicadores fiables sea un reto científico de máximo interés.

Diversas investigaciones han puesto de manifiesto que un mineral de Bario, la barita (BaSO₄), precipita en la columna de agua oceánica en zonas de alta productividad y es, por tanto, una señal de la salud de nuestros océanos. Tanto en el registro sedimentario como en los medios actuales, una alta concentración de Bario en sedimentos derivado de la precipitación de barita marina indica una alta tasa de productividad biológica, siendo este mineral un indicador directo y fiable de la productividad y de los procesos biogeoquímicos en el medio marino. Sin embargo, el ciclo biogeoquímico del Bario es muy complejo y tradicionalmente ha sido poco entendido.

Aunque la relación entre el exceso de Bario en sedimentos marinos y una mayor productividad se conocía desde hace décadas, los mecanismos de precipitación del Bario en aguas oceánicas resultaban enigmáticos debido a que las aguas oceánicas están subsaturadas en relación a la precipitación de este mineral. Sin embargo, los cristales de barita son especialmente abundantes en la columna de agua en zonas altamente productivas. Esta barita suele aparecer en agregados orgánicos con tamaños que varían de nanómetros a muy pocas micras.

Mediación microbiana

En la Unidad de Geociencias Marinas del Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra hemos venido investigando los mecanismos de precipitación de la barita en medios actuales, así como proporcionando una paleoperspectiva que ayude a entender el impacto del cambio climático en la productividad marina y el efecto de otros factores de estrés como la desoxigenación. Nuestros resultados han demostrado que la barita marina es un organomineral, particularmente abundante a profundidades intermedias en la columna de agua oceánica donde se produce la mineralización de la materia orgánica. A estas profundidades existe una relación clara entre la formación de barita y la actividad microbiana, que queda demostrada por la asociación de partículas de barita con agregados de materia orgánica y con sustancias poliméricas extracelulares habitualmente producidas por bacterias.

La evidencia de la mediación microbiana en la formación de barita viene también apoyada por trabajos experimentales que muestran que en biopelículas bacterianas el Bario se une a grupos fosfato en superficies celulares y en sustancias poliméricas extracelulares. Estas fases precursoras ricas en fosfato evolucionan a una fase mineral más estable que es el sulfato de Bario. La capacidad de las sustancias poliméricas extracelulares para unir iones metálicos a grupos funcionales cargados negativamente ha sido ampliamente demostrada para diversos metales. En definitiva, en regiones altamente productivas, la abundancia de materia orgánica y su degradación conducen a microambientes saturados en Bario y puntos de nucleación que favorecen la formación de barita. Este mineral suele ser una fase muy estable que se preserva en el registro sedimentario, permitiendo así reconstruir condiciones de productividad marina pasada. La distribución de isótopos de Bario en la columna de agua apoya asimismo este mecanismo de precipitación microbiana.

La distribución de barita en la columna de agua, así como su concentración en sedimentos marinos es, por tanto, una herramienta sumamente valiosa para conocer la producción de materia orgánica, los procesos biogeoquímicos ligados a la bomba biológica, y en particular a la bomba microbiana de carbono, así como la salud de nuestros océanos y el impacto del cambio climático.