Desarrollo de métodos de monitoreo de brotes de algas nocivas y un sistema de pronósticos para acuicultura y pesca costera sustentable en Chile
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PROYECTO

La producción de alimentos de manera industrial es indispensable para satisfacer los requerimientos nutricionales de la población humana en creciente expansión, y las actividades realizadas en torno a este objetivo global tienen importancia económica regional. La mala gestión de los procesos industriales daña el entorno natural, impidiendo la producción de alimentos en sí. La mala gestión de los procesos industriales daña el entorno natural, impidiendo la producción de alimentos seguros para el consumo humano, lo que implica una gran responsabilidad.

En el mundo moderno, muchos países desarrollados dependen del suministro de alimentos importados. Desconcertantemente, muchas anomalías ambientales han sido reportadas en el primer extremo, es decir, aquellos países que producen en masa y exportan sus productos. Las anomalías ecosistémicas observadas en aguas costeras chilenas en los últimos años, especialmente los brotes o floraciones de algas nocivas (FAN) (del inglés “harmful algal blooms”, HAB), podrían enumerarse como uno de los casos relacionados con la exportación de productos alimenticios a Japón. Este proyecto de cooperación binacional Chile-Japón busca caracterizar la dinámica de las FAN en aguas costeras chilenas desde el punto de vista microbiológico ambiental: proponemos entender las FAN como un holobioma (holo = completo, bioma = ecosistema), centrándose específicamente en la caracterización de interacciones biológicas entre las especies microbianas constituyentes, para elucidar la dinámica de estos brotes.

I. Antecedentes del proyecto

Relación entre Chile y Japón

Chile es el segundo mayor exportador de productos marinos a Japón. En particular, Japón destina un monto aproximado de 1,2 billones de dólares (USD) en importaciones de salmón (77% de la importación total) (Japan Fisheries Agency, 2014). En este contexto, el salmón es considerado “una especie exótica” introducida artificialmente en Chile por el programa de cooperación técnica de la Agencia de Cooperación Internacional del Japón (JICA) durante los años 60, cuyos productos actuales son 100% de origen de acuicultura. Su producción aumentó rápidamente de 1,3 a 3,6 billones de USD durante 2004 ~ 2014, generando estabilidad económica en el sur de Chile donde antes sólo existían actividades industriales menores.

Por otro lado, el surgimiento de enfermedades epidémicas en peces y las FAN constituyen actualmente una amenaza para la industria, como también para el ecosistema marino de un área más extensa. Episodios de mortandad a gran escala de peces causadas por FAN ocurrieron en la región de Los Lagos durante marzo y mayo de 2016, causando graves daños a la industria estimados entre 0,5 y 1 billón de USD (15% de la producción total). Además de estos casos de mortandad en peces, se observó la acumulación de veneno paralizante en mariscos de bancos naturales y de criadero causada por una FAN, perjudicando tanto a la pesca artesanal como a la acuicultura, además de la salud pública. De esta forma, es urgente realizar investigaciones en detalle para contrarrestar estos daños, en particular aquellas relacionadas con microbiología ambiental.

HAB e interacción biótica (holobioma)

Es sabido que la dinámica de las FAN se ve afectada por distintas condiciones ambientales, tales como la temperatura del agua, la salinidad, la concentración de nutrientes y la duración del día. Además de estos factores fisicoquímicos, investigaciones recientes indican la existencia de factores biológicos que pueden determinar de manera crucial el comportamiento de las FAN. Por ejemplo, en la actualidad es ampliamente aceptado que la extinción de las FAN se debe al efecto alguicida de algunas bacterias e infecciones virales. En particular, las infecciones virales se basan en las interacciones específicas entre huésped y virus determinadas a nivel molecular, por lo que el efecto alguicida especie-específico por parte de los virus empujará el equilibrio del ecosistema a uno similar antes de la aparición de las FAN. Adicionalmente, varios estudios han revelado que algunas bacterias se propagan rápidamente a lo largo del desarrollo de estas floraciones, ejerciendo sus efectos alguicidas durante el pico de las floraciones para luego terminar con la proliferación de ésta.

A diferencia del proceso de término de las floraciones, el mecanismo para la formación de las FAN sigue siendo desconocido. Distintos estudios recientes revelaron que las interacciones especie-específicas entre fitoplancton y bacterias promueven la propagación de los primeros, revelando el papel crucial de las bacterias promotoras del crecimiento durante la formación de las FAN. Estos hallazgos sugieren el impacto significativo de la interacción biótica entre los microorganismos marinos en el área con especies de algas envueltas en las FAN, así como las condiciones fisicoquímicas, es decir, salinidad, temperatura, eutroficación y duración del día, en la determinación del comportamiento de las floraciones nocivas. Nosotros proponemos comprender este ecosistema de microbioma local, incluidas las especies de las FAN y los microorganismos relacionados en el área, como un “holobioma”. Proponemos que investigar la interacción entre los componentes del holobioma es esencial para comprender el comportamiento de las FAN en el entorno. Con este fin, diseñamos este proyecto de colaboración internacional para descifrar el comportamiento de las FAN como una dinámica estructural FAN-holobioma mediante la incorporación de diversos enfoques de investigación que incluyen el aislamiento y caracterización de microorganismos constituyentes, análisis fisiológicos de las interacciones bióticas, además de análisis rápidos y progresivos en metagenoma y metatranscriptoma. Así, este proyecto proporcionará información sobre la dinámica de las FAN a partir de aspectos microbiológicos ambientales, los cuales hasta la fecha han faltado en gran parte de las investigaciones sobre FAN. Por lo tanto, se espera que los resultados de este proyecto contribuyan al diseño de contramedidas para las FAN no solo en Chile, sino que en otros países, incluyendo Japón.

II. Objetivo del proyecto

Este proyecto posee dos aspectos: investigación científica básica e implementación social de los resultados de la investigación. Planeamos investigar la dinámica de las FAN mediante un exhaustivo análisis de las FAN-holobioma, para luego refinar los resultados de la investigación a un uso práctico, y utilizarlo en la predicción de la dinámica de las FAN y el desarrollo de medidas que las prevengan. Concretado este primer aspecto, los resultados del proyecto contribuirán a establecer protocolos de cultivo sostenible de peces, estabilizar la producción acuicola y preservar el ecosistema. Además, nuestro objetivo es promover la colaboración científica activa entre Chile y Japón, y contribuir con actividades educativas de acercamiento para llegar a una amplia audiencia en Chile a través de este proyecto.

Investigación básica

Para identificar los componentes de las FAN-holobioma, incluidos el fitoplancton, las bacterias y los virus, aislaremos y caracterizaremos estos microorganismos desde muestras de agua marina y sedimentos fangosos recogidos desde los puntos que muestran una ocurrencia más frecuente de FAN. Para comprender las condiciones fisicoquímicas óptimas para la formación de las FAN, caracterizaremos estas condiciones óptimas para el crecimiento de los componentes del holobioma y los efectos de las bacterias y virus en la fisiología del fitoplancton. Esta información proporcionará una visión concreta de los factores fisicoquímicos y biológicos que determinan la dinámica de las FAN en el medio ambiente. Además, identificaremos secuencias genómicas parciales de los microorganismos asociados al holobioma, que serán utilizadas más adelante en el proyecto en la identificación de especies.

Investigación aplicada

El kit desarrollado será distribuido a los pescadores artesanales, y se acumularán los datos obtenidos desde muchos sitios para controlar el cambio cuantitativo de los microorganismos de las FAN-holobioma. Al integrar la dinámica del holobioma con aquellos datos de monitoreo ambiental, desarrollaremos el procedimiento predictivo de la dinámica de las FAN en áreas con actividades pesqueras intensas. Actualmente, el Estado a través del Servicio Nacional de Pesca y Acuicultura (SERNAPESCA) y el Instituto de Fomento Pesquero (IFOP) una corporación de derecho privado sin fines de lucro, pero ligada al Estado, llevan a cabo monitoreos para cautelar la inocuidad de los productos pesqueros para consumo humano, como para minimizar los impactos derivados de las FAN sobre el entorno social y económico. Además se complementan con acciones del mundo privado a través de ONG sin fines de lucro como el Instituto Tecnológico del Salmon (INTESAL) que lleva a cabo también un programa de monitoreo de las FAN de manera independiente, para fines ligados a actividades de salmonicultura. En este proyecto, integraremos los datos obtenidos por estas tres instituciones independientes con los obtenidos en el presente proyecto, con lo cual pretendemos desarrollar el protocolo predictivo dinámico de las FAN mediante aprendizaje automático (vía machine learning) basándonos en la integración conjunta de los datos obtenidos.

Implementaciones sociales

A medida que vayamos compartiendo e integrando los datos obtenidos desde diferentes programas de monitoreo, estableceremos una plataforma de comunicación para las organizaciones relacionadas con FAN. Se organizará un simposio anual para comunicar sobre asuntos relacionados con las FAN entre IFOP, SERNAPESCA, INTESAL, la Subsecretaría de Pesca y Acuicultura (SUBPESCA), el Ministerio de Salud Pública (MINSAL), la Superintendencia de Medio Ambiente (SMA), empresas de cultivo de salmón y moluscos, e investigadores relacionados con las FAN durante el período del proyecto. De igual manera, se planea organizar seminarios abiertos y talleres de capacitación una o dos veces al año para mejorar la comunicación entre diferentes instancias, como la industria, gobierno y academia relacionadas al problema. Estas actividades fomentarán un mejor intercambio de información para el diseño de medidas contra las FAN. Adicionalmente, servirán para comunicar el propósito y las actividades de este proyecto a las comunidades y ONG.

Basándonos en el monitoreo del holobioma instaurado por el proyecto, así como en el monitoreo ambiental actualmente en curso, estableceremos el sistema de previsión de dinámica de las FAN y construiremos un sistema de entrega de información disponible para la comunidad. Actualmente, IFOP publica esta información mediante boletines regulares en línea y en papel. Por tanto, planeamos actualizar este boletín incorporando los resultados del monitoreo de las FAN y su pronóstico al ‘HAB Weather News’, un sistema para la entrega de información y pronóstico de las FAN. Asimismo, planeamos realizar mejoras continuas al protocolo de pronóstico una vez que el sistema esté en funcionamiento.