Las diatomeas son un grupo de algas unicelulares microscópicas ampliamente distribuido por todo el mundo. Son las algas más comunes en el fitoplancton y tienen un papel fundamental en la cadena trófica como productor primario en hábitats acuáticos. Una de sus características distintivas es la formación de una pared extracelular de Sílice (SiO2 – Óxido de Silicio (IV)) llamada frústula. Se conocen más de 200 géneros y alrededor de 100.000 especies actualmente existentes. Se estima que aparecieron en el período Jurásico temprano.
Índice de contenido
Clasificación
Las diatomeas se clasifican formalmente como la clase Bacillariophyceae (Haeckel 1878) dentro de la división Heterokontophyta (también conocida como Stramenopiles o Heterokonta; Cavalier-Smith, 1986, referidos comúnmente como heterocontos) que pertenece al Reino Protista. Sin embargo, no está aún bien establecido si los heterocontos son una división o un reino, por lo que las diatomeas serían una división, generalmente llamada Bacillariophyta, o una clase, generalmente llamada Diatomophyceae o Bacillariophyceae, con el consiguiente cambio de rango de sus subgrupos.
El sistema de clasificación más aceptado actualmente es el desarrollado por Simonsen en 1979 y ampliado por Round y colaboradores en 1990. Este sistema se basa en características de la frústula de las diatomeas. El sistema de Simonsen dividía la clase Bacillariophyceae en dos órdenes, el Biddulphiales (antes Centrales) y el Bacillariales (antes Pennales). Las diatomeas Biddulphiales presentan una frústula con valvas de simetría radial mientras que las Bacillariales presentan valvas con simetría bilateral. Round y colaboradores desarrollaron posteriormente este sistema de clasificación tras observar más características en las valvas y encontrar nuevas relaciones entre los distintos grupos. La clasificación de las diatomeas quedaría, dentro los heterocontos, del siguiente modo:
Clase Coscinodiscophyceae o Subclase Coscinodiscophycidae (Round y R.M.Crawford)
Estas son diatomeas con valvas de simetría radial (centrales). Se dividen en los siguientes órdenes:
- Anaulales (Round y R.M.Crawford)
- Arachnoidiscales (Round)
- Asterolamprales (Round)
- Aulacoseirales (R.M.Crawford)
- Biddulphiales
- Chaetocerotales (Round y R.M.Crawfor)
- Chrysanthemodiscales (Round)
- Corethrales (Round y R.M.Crawford)
- Coscinodiscales (Round)
- Cymatosirales (Round y R.M.Crawford)
- Desmomastigales
- Ethmodiscales (Round)
- Hemiaulales (Round y R.M.Crawford)
- Leptocylindrales (Round y R.M.Crawford)
- Lithodesmiales
- Melosirales (R.M.Crawford)
- Orthoseirales (R.M.Crawford)
- Paraliales (R.M.Crawford)
- Rhizosoleniales
- Stictocyclales (Round)
- Stictodiscales (Round y R.M.Crawford)
- Thalassiosirales
- Triceratiales (Round y R.M.Crawford)
Clase Fragilariophyceae o Subclase Fragilariophycidae (F.E.Round)
Diatomeas cuyas valvas presentan simetría bilateral (pennales) y presentan rafe, una ranura longitudinal.
- Ardissoneales (F.E.Round)
- Climacospheniales (Round)
- Cyclophorales (Round y R.M.Crawford)
- Fragilariales (P.C.Silva)
- Licmophorales (Round)
- Protoraphidales (Round)
- Rhabdonematales (Round y R.M.Crawford)
- Rhaphoneidales (Round)
- Striatellales (F.E.Round)
- Tabellariales (Round)
- Thalassionematales (Round)
- Toxariales (Round)
Clase Bacillariophyceae o Subclase Bacillariophycidae (D.G.Mann)
Diatomeas con valvas de simetría bilateral y sin rafe.
- Achnanthales (P.C.Silva)
- Bacillariales (Hendey)
- Cymbellales (D.G.Mann)
- Dictyoneidales (D.G.Mann)
- Eunotiales (P.C.Silva)
- Lyrellales (D.G.Mann)
- Mastogloiales (D.G.Mann)
- Naviculales (Bessey)
- Rhopalodiales (D.G.Mann)
- Surirellales (D.G.Mann)
- Thalassiophysales (D.G.Mann)
Biología y características generales
Las diatomeas están ampliamente distribuídas por todo el planeta en océanos, masas de agua dulce, suelo y prácticamente en cualquier superficie húmeda. La mayoría viven en agua abierta (pelágicos) pero también existen diatomeas que viven en la interfase entre el agua y los sedimentos del fondo (bentónicos) e incluso que viven bajo una atmósfera con alta humedad. Su población es especialmente importante en el agua marina dónde forman parte del plancton.
Son organismos unicelulares generalmente de tamaño microscópico, entre 2 y 200 μm, aunque algunas especies pueden alcanzar hasta 2 mm de longitud. La morfología es muy diversa; hay diatomeas esféricas, cilíndricas, cuadradas, elípticas, etc. Tienen una estructura interna relativamente sencilla y se rodean de una pared extracelular formada principalmente por sílice (SiO2 – Óxido de Silicio (IV) o Dióxido de Silicio) que recibe el nombre de frústula.
Cómo otras algas, las diatomeas realizan fotosíntesis y se estima que contribuyen al 45% de la producción primaria oceánica constituyendo un pilar fundamental en la cadena trófica y en la producción de oxígeno atmosférico. Los cloroplastos de las diatomeas son de color amarillento a marrón, típico en los heterocontos. Los pigmentos más destacados en las diatomeas son la clorofila A, clorofila C y carotenoides como el beta-caroteno y la fucoxantina.
Existen algunas especies de diatomeas que son heterótrofas, aunque son escasas. También existen diatomeas fotosintéticas que, en ausencia de luz, pueden vivir de forma heterótrofa si tienen disponible una fuente de carbono adecuada. Las principales sustancias de almacenamiento energético son lípidos y crisolaminarina (también llamada leucosina, un polisacárido característico de los heterocontos).
No suelen presentar flagelos excepto en los gametos masculinos de las diatomeas centrales. A diferencia de otros heterocontos, estos flagelos no presentan mastigonemas. La densa pared celular y la falta de motilidad de la mayoría de diatomeas hacen que se hundan fácilmente. Algunas diatomeas regulan su flotabilidad modificando la concentración de lípidos intracelulares si bien la mayoría de diatomeas del plancton oceánico se mantienen en suspensión en las capas superiores a dónde llega la luz solar gracias a las corrientes y turbulencias del agua.
En muchos casos las diatomeas están suspendidas en el agua de forma individual, en otros casos se agrupan en colonias formadas por numerosos individuos unidos entre sí mediante estructuras de sílice, mucílago o quitina.
La pared celular de sílice
Las células de diatomeas están rodeadas por una dura pared de sílice llamada frústula. El sílice de la frústula es de origen biogéncio; es sintetizado en el interior celular mediante polimerización de ácido silícico y se va excretando hacia el exterior para formar la frústula. La superficie de la frústula puede presentar simetría radial o bilateral junto a una serie de poros, crestas y elevaciones; todas estas características se utilizan para distinguir los diferentes géneros y especies.
Cada frústula está formada por dos valvas separadas que se superponen entre sí. A una de las valvas se le llama epiteca y a la otra hipoteca. La epiteca es ligeramente más grande y se superpone a la hipoteca como las dos mitades de una placa Petri o las valvas de un molusco. En la mayoría de especies de diatomeas, cuándo una célula se divide en dos células hijas cada una hereda una de las valvas, como explicaremos a continuación en el ciclo de vida.
Debido a la pared de sílice, la muerte de diatomeas da lugar a sedimentos inorgánicos en forma de silicatos. Estos sedimentos en el lecho marino son utilizados para estudios geológicos. En las zonas dónde ya no existen los océanos, estos sedimentos fosilizados forman la llamada tierra de diatomeas o diatomita, una materia prima utilizada en numerosos sectores industriales.
El ciclo de la urea
Otra característica destacada de las diatomeas es que realizan el ciclo de la urea, lo que supone una conexión evolutiva entre las diatomeas y los animales. El ciclo de la urea en las diatomeas fue descubierto por una investigación llevada a cabo en el año 2011 por Adrew Allen, Chirs Bowler y colaboradores. Este descubrimiento tuvo un gran impacto ya que se pensaba que el ciclo de la urea apareció en los metazoos, organismos que aparecieron varios cientos de millones de años después que las diatomeas. No obstante, animales y diatomeas utilizan el ciclo de la urea con fines diferentes.
Ciclo de vida
La reproducción de las diatomeas es principalmente asexual por fisión binaria (bipartición). En este proceso cada célula se divide en dos células hijas. Cada célula hija hereda una de las valvas de sílice y la utiliza como epiteca. Incluso la célula hija que recibe la hipoteca de la madre la utilizará como epiteca y construirá una valva menor (hipoteca) bajo ella. Esto hace que el tamaño celular de cada nueva generación de diatomeas vaya siendo menor. Se han observado algunas especies que son capaces de dividirse sin que se produzca disminución de tamaño generacional.
Las diatomeas también se reproducen mediante reproducción sexual y la formación de auxosporas. Cuándo esto ocurre se restaura el tamaño celular en los descendientes y tiene lugar aproximadamente cuándo una célula es un tercio de su tamaño máximo. Las células de las diatomeas son diploides, lo que hace posible que se pueda producir meiosis y se forme un gameto masculino y un gameto femenino. La unión de ambos da lugar a un cigoto que se despoja de las valvas heredadas. El cigoto crece de forma esférica y se rodeada de una membrana orgánica formando la auxospora. Una nueva diatomea de tamaño máximo crece dentro de la auxospora comenzando una nueva generación con el tamaño restaurado.
La auxospora también puede entra en estado de reposo ante condiciones ambientales desfavorables y germinar cuándo las condiciones mejoren.
Los gametos masculinos de diatomeas centrales presentan un flagelo mientras que los gametos femeninos no tienen motilidad y suelen ser de mayor tamaño (oogamia). Los gametos de diatomeas pennales suelen ser del mismo tamaño y forma (isogamia) aunque también se ha documentado anisogamia en algunas diatomeas pennales sin rafe.
Aplicaciones
Tierra de diatomea
La diatomita o tierra de diatomeas (también conocida como DE, TSS, diahydro, kieselguhr, kieselgu) es una roca silícea sedimentaria formada por las frústulas de diatomeas fosilizadas. Está compuesta principalmente por sílice y carbonato cálcico. Tiene muchos y variados usos; los más destacados son:
- Fertilizante: aporta micronutrientes al suelo, reduce la lixiviación de otros nutrientes, como el fósforo, el nitrógeno y el potasio, y además favorece su absorción por las plantas. Es un producto natural aceptado en producción ecológica en muchos países y puede neutralizar el efecto tóxico del aluminio y otros metales pesados en el suelo.
- Insecticida natural para animales y plantas. Al entrar en el tubo digestivo de los insectos les produce la muerte por deshidratación.
- Aditivo en piensos animales (E 551C, aprobado en la Unión Europea en Reglamento EC/1831/2003 sobre aditivos utilizados en nutrición animal en su artículo 17).
- Cosmética: se utiliza su efecto abrasivo suave en dentífricos y cremas exfoliantes
- Material de filtración: la granulometría de la tierra de diatomeas es idónea para su uso como agente de filtración química. Su uso para este fin es muy común en el laboratorio; también en plantas de tratamiento de aguas. Como material de filtración se utiliza la diatomita procedente de agua salada debido a que contiene más sílice de estructura cristalina que la diatomita de agua dulce que contiene más sílice de estructura amorfa.
- Agente higroscópico: en algunas industrias, principalmente la industria alimentaria, se utiliza como agente higroscópico debido a la alta capacidad absorbente de la diatomita. Al absorber la humedad reduce notablemente el deterioro de materias primas.
- También se utiliza en la purificación de ADN.
La alta capacidad absorbente de humedad de la diatomita puede provocar una deshidratación extrema de la piel de las manos al manipularla y producir grietas y heridas. Al ser inhalada puede producir silicosis. Se recomienda uso de mascarilla durante la manipulación.
Producción de biodiésel
Las diatomeas tienen una alta concentración de lípidos, entre el 25% en condiciones normales hasta el 45% en condiciones de estrés, lo que las sitúa en el grupo de las algas oleaginosas. A partir de estos lípidos se puede obtener, mediante transesterificación, glicerol y una mezcla de ésteres de alquilo que forman el biodiésel.
La producción de biodiésel a partir de diatomeas se realiza cultivando diatomeas en biofotoreactores dónde se controlan las condiciones de crecimiento para que produzcan la mayor cantidad de lípidos posible. La masa de diatomeas obtenida se deshidrata y se somete a ultrasonido para que se liberen las distintas sustancias. Se separan los lípidos del resto y el aceite obtenido se somete a transesterificación para obtener el biodiésel.
Diatomeas como indicador ambiental
En general, las diatomeas viven en condiciones muy particulares del agua y las distintas especies crecen en rangos específicos de variables ambientales como puede ser el pH, la salinidad o la concentración de nutrientes. El efecto de la actividad humana sobre estas y otras variables del agua afectan notablemente a las poblaciones de diatomeas y por ello se pueden utilizar como indicador de la salubridad del agua.
Además, los restos de la pared celular de sílice que quedan en los sedimentos del lecho acuático se utilizan en paleoecología para interpretar y deducir condiciones ambientales en el pasado. Conociendo las condiciones que hacen crecer a determinadas especies de diatomeas en el presente se pueden conocer las condiciones ambientales del pasado si se encuentran las mismas especies en los sedimentos fósiles.
Uso en investigación forense
El análisis de diatomeas en medicina forense tiene como objetivo la determinación de la causa y lugar de la muerte. El análisis de las especies de diatomeas encontradas en el cuerpo y en el agua dónde se encontró supone una evidencia de alta fiabilidad sobre si el cuerpo murió en ese lugar o no. También es posible determinar si la persona murió antes o después de la inmersión. Además tiene como ventaja que las frústulas de sílice no se deterioran fácilmente y pueden encontrarse en cuerpos en avanzado estado de descomposición.
Tecnología
Las diatomeas y su capacidad de producir valvas de sílice de diversas formas y tamaños está siendo utilizada en investigación tecnológica en diversas áreas, especialmente en nanotecnología. Se podrían utilizar las diatomeas, artificialmente seleccionadas, para producir estructuras de sílice micro o nanoscópicas que podrían utilizarse en diversos dispositivos electrónicos dada su capacidad semiconductora. Aprovechando esta capacidad también han sido propuestas como sustituto del dióxido de titanio fotosensible de las células fotovoltaicas de los paneles solares pudiendo llegar, según algunas fuentes, a triplicar la eficiencia en la producción de electricidad.
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