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Geomicrobiología

El cocolitóforo Gephyrocapsa oceanica puede convertirse en un importante sumidero de carbono a medida que aumenta la acidez del océano . [ 1 ] La geomicrobiología es el campo ci...

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El cocolitóforo Gephyrocapsa oceanica puede convertirse en un importante sumidero de carbono a medida que aumenta la acidez del océano . [ 1 ]

La geomicrobiología es el campo científico que se encuentra en la intersección de la geología y la microbiología , y es un subcampo importante de la geobiología . Se ocupa del papel de los microbios en los procesos geológicos y geoquímicos , así como de los efectos de los minerales y metales en el crecimiento, la actividad y la supervivencia microbiana. [ 2 ] Estas interacciones ocurren en la geosfera (rocas, minerales, suelos y sedimentos), la atmósfera y la hidrosfera . [ 3 ] La geomicrobiología estudia los microorganismos que impulsan los ciclos biogeoquímicos de la Tierra , median la precipitación y disolución de minerales, y adsorben y concentran metales. [ 4 ] Las aplicaciones incluyen, por ejemplo, la biorremediación , [ 5 ] la minería , la mitigación del cambio climático [ 6 ] y el suministro público de agua potable . [ 7 ]

Rocas y minerales

Interacciones entre microbios y acuíferos

Se sabe que los microorganismos afectan a los acuíferos modificando sus tasas de disolución. En el acuífero kárstico de Edwards , los microbios que colonizan las superficies del acuífero aumentan las tasas de disolución de la roca huésped. [ 8 ]

En el acuífero de la corteza oceánica , el acuífero más grande de la Tierra, [ 9 ] las comunidades microbianas pueden influir en la productividad oceánica , la química del agua de mar y el ciclo geoquímico en toda la geosfera . La composición mineral de las rocas afecta la composición y abundancia de estas comunidades microbianas presentes en el subsuelo marino. [ 10 ] Mediante la biorremediación, algunos microbios pueden ayudar a descontaminar los recursos de agua dulce en acuíferos contaminados por desechos.

minerales precipitados microbianamente

Algunas bacterias utilizan iones metálicos como fuente de energía. Convierten (o reducen químicamente) los iones metálicos disueltos de un estado eléctrico a otro. Esta reducción libera energía para el uso de las bacterias y, como subproducto, sirve para concentrar los metales en lo que finalmente se convierten en depósitos minerales . La biohidrometalurgia o minería in situ es un proceso en el que los minerales de baja ley pueden ser atacados por procesos microbianos bien estudiados en condiciones controladas para extraer metales. Se cree que ciertos minerales de hierro , cobre , uranio e incluso oro se han formado como resultado de la acción microbiana. [ 11 ]

Los entornos subterráneos, como los acuíferos, son lugares atractivos para la selección de depósitos de residuos nucleares , dióxido de carbono (véase secuestro de carbono ) o como reservorios artificiales de gas natural . Es importante comprender la actividad microbiana dentro del acuífero, ya que puede interactuar con los materiales del depósito subterráneo y afectar su estabilidad. [ 12 ] Las interacciones entre microbios y minerales contribuyen a la bioincrustación y la corrosión inducida por microorganismos. La corrosión inducida por microorganismos en materiales como el acero al carbono tiene graves implicaciones para el almacenamiento seguro de residuos radiactivos en depósitos y contenedores. [ 13 ]

remediación ambiental

Se están estudiando y utilizando microorganismos para degradar la contaminación por residuos orgánicos e incluso nucleares (véase Deinococcus radiodurans ) y para contribuir a la limpieza ambiental. Una aplicación de la geomicrobiología es la biolixiviación , que consiste en el uso de microorganismos para extraer metales de los residuos mineros .

Suelo y sedimentos: biorremediación microbiana

Dos científicos preparan muestras de suelo mezclado con petróleo para probar la capacidad de un microbio para limpiar suelo contaminado.

La remediación microbiana se utiliza en suelos para eliminar contaminantes y sustancias nocivas. Los microbios desempeñan un papel clave en muchos ciclos biogeoquímicos y pueden afectar diversas propiedades del suelo, como la biotransformación de la especiación de minerales y metales, la toxicidad, la movilidad, la precipitación de minerales y la disolución de minerales. Los microbios participan en la inmovilización y desintoxicación de diversos elementos, como metales , radionúclidos , azufre y fósforo , en el suelo. Trece metales se consideran contaminantes prioritarios (Sb, As, Be, Cd, Cr, Cu, Pb, Ni, Se, Ag, Tl, Zn, Hg). [ 2 ] Los suelos y sedimentos actúan como sumideros de metales que se originan tanto de fuentes naturales a través de rocas y minerales como de fuentes antropogénicas a través de la agricultura, la industria, la minería, la eliminación de residuos, entre otras.

Muchos metales pesados, como el cromo (Cr), en bajas concentraciones son micronutrientes esenciales en el suelo; sin embargo, pueden ser tóxicos en concentraciones más altas. Los metales pesados ​​se incorporan a los suelos a través de diversas fuentes antropogénicas, como la industria y/o los fertilizantes. La interacción de los metales pesados ​​con los microbios puede aumentar o disminuir su toxicidad. Los niveles de toxicidad, movilidad y biodisponibilidad del cromo dependen de sus estados de oxidación. [ 14 ] Dos de las especies de cromo más comunes son Cr(III) y Cr(VI). El Cr(VI) es altamente móvil, biodisponible y más tóxico para la flora y la fauna , mientras que el Cr(III) es menos tóxico, más inmóvil y precipita fácilmente en suelos con pH >6. [ 15 ] La utilización de microbios para facilitar la transformación de Cr(VI) a Cr(III) es una técnica de biorremediación ecológica y de bajo costo que ayuda a mitigar la toxicidad en el medio ambiente. [ 16 ]

Drenaje ácido de minas

Otra aplicación de la geomicrobiología es la biolixiviación , que consiste en el uso de microorganismos para extraer metales de los residuos mineros . Por ejemplo, las bacterias reductoras de sulfato (BRS) producen H₂S , que precipita los metales en forma de sulfuro metálico. Este proceso elimina los metales pesados ​​de los residuos mineros, uno de los principales problemas ambientales asociados al drenaje ácido de minas (junto con un pH bajo ). [ 17 ]

Las técnicas de biorremediación también se utilizan en aguas superficiales y subterráneas contaminadas , a menudo asociadas con el drenaje ácido de minas. Los estudios han demostrado que la producción de bicarbonato por microorganismos como las bacterias reductoras de sulfato añade alcalinidad para neutralizar la acidez de las aguas de drenaje de minas. [ 5 ] Los iones de hidrógeno se consumen mientras se produce bicarbonato, lo que conduce a un aumento del pH (disminución de la acidez). [ 18 ]

Degradación microbiana de hidrocarburos

Los microbios pueden afectar la calidad de los depósitos de petróleo y gas a través de sus procesos metabólicos. [ 19 ] Los microbios pueden influir en el desarrollo de hidrocarburos al estar presentes en el momento de la deposición de los sedimentos fuente o al dispersarse a través de la columna de roca para colonizar las litologías del yacimiento o fuente después de la generación de hidrocarburos.

Resistencia a los metales en las bacterias

Las bacterias han desarrollado diversos mecanismos de resistencia para hacer frente a la toxicidad de los metales pesados ​​en sus entornos. Metales como el cobre, el zinc y el hierro son esenciales en bajas concentraciones, pero cantidades excesivas pueden afectar los procesos celulares o causar la muerte. Para sobrevivir, las bacterias han desarrollado estrategias para prevenir la absorción de metales, desintoxicarlos dentro de la célula o almacenarlos de forma segura. Estos mecanismos de resistencia son cruciales para la adaptación ambiental y los esfuerzos de biorremediación. [ 20 ]

Mecanismos de resistencia

Bombas de eflujo

Las bombas de eflujo son uno de los principales mecanismos que utilizan las bacterias para resistir los metales pesados. Estos complejos proteicos transportan activamente iones metálicos tóxicos fuera de la célula bacteriana, a menudo utilizando la energía de la hidrólisis de ATP o los gradientes iónicos. Existen varias familias de bombas de eflujo implicadas en la resistencia a los metales, incluidas las ATPasas de tipo P, las bombas de resistencia-nodulación-división (RND) y los facilitadores de difusión de cationes (CDF). Estas bombas ayudan a eliminar iones metálicos como el cadmio (Cd²⁺ ) , el zinc (Zn²⁺ ) y el cobalto (Co²⁺ ) de la célula, impidiendo que alcancen concentraciones tóxicas en su interior. La diversidad de los sistemas de bombas de eflujo permite a las bacterias adaptarse a diversos contaminantes metálicos en su entorno y sobrevivir en hábitats contaminados, como vertederos industriales o aguas contaminadas. [ 21 ] Algunos sistemas de eflujo también son capaces de transportar antibióticos, lo que añade una capa adicional de resistencia a las bacterias en entornos con presiones tanto de metales como de antibióticos. [ 22 ]

Secuestro de metales

Una vez dentro de la célula bacteriana, los iones metálicos pueden alterar funciones celulares críticas. Para evitarlo, las bacterias suelen secuestrar metales uniéndolos a proteínas intracelulares, como las metalotioneínas, que son pequeñas proteínas ricas en cisteína con alta afinidad por los metales pesados. De manera similar, las moléculas tipo fitochelatina también pueden unirse a los iones metálicos, neutralizándolos eficazmente. Este secuestro cumple varias funciones: mantiene los metales alejados de componentes celulares reactivos como las proteínas y el ADN, reduce el estrés oxidativo y, en ocasiones, facilita la transferencia de metales a las bombas de eflujo para su eliminación. Esta estrategia es particularmente importante en entornos donde los metales presentes no se eliminan fácilmente solo mediante eflujo, o cuando los metales deben almacenarse temporalmente hasta que puedan eliminarse de la célula de forma segura. [ 23 ] El secuestro de metales no es solo una táctica de supervivencia; también puede permitir que las bacterias toleren altas concentraciones de metales durante períodos prolongados.

Desintoxicación enzimática

Las bacterias también poseen enzimas que desintoxican metales modificándolos químicamente en formas menos dañinas. Un ejemplo es la mercurio reductasa, una enzima que reduce los iones de mercurio tóxicos (Hg²⁺ ) a mercurio elemental (Hg⁰ ) , que es menos tóxico y puede ser volatilizado fuera de la célula. De manera similar, la arseniato reductasa convierte el arseniato (AsO₄³⁻ ) en arsenito (AsO₂⁻ ) , una forma menos tóxica y más fácilmente expulsada de la célula mediante mecanismos de eflujo. Estos procesos enzimáticos son vitales para las bacterias que habitan ambientes contaminados con metales como el mercurio, el arsénico u otros metales pesados, donde la capacidad de desintoxicar estas sustancias es necesaria para la supervivencia. La desintoxicación enzimática también pone de manifiesto la capacidad de las bacterias no solo para resistir la toxicidad de los metales, sino también para adaptarse a la diversidad química de los contaminantes metálicos con los que se encuentran. [ 20 ] [ 22 ]

Mutaciones y transferencia genética

Las bacterias pueden adquirir resistencia a los metales mediante mutaciones espontáneas y transferencia horizontal de genes. Las mutaciones en los genes bacterianos pueden provocar cambios en la estructura de las proteínas de unión a metales, las bombas de eflujo o las enzimas implicadas en la desintoxicación, aumentando así la capacidad de las bacterias para tolerar el estrés causado por metales pesados. La transferencia horizontal de genes (THG) desempeña un papel fundamental en la propagación de la resistencia a los metales, ya que elementos genéticos móviles como plásmidos, transposones e integrones transportan genes de resistencia a metales (GRM) entre especies bacterianas. Esto permite a las bacterias adquirir y diseminar rápidamente rasgos de resistencia en las comunidades microbianas. La THG también facilita la cotransferencia de otros genes de resistencia, incluidos aquellos que confieren resistencia a los antibióticos. Este proceso suele dar lugar a bacterias que pueden resistir simultáneamente tanto metales como antibióticos, lo que complica los tratamientos en entornos clínicos. [ 24 ]

Impacto ambiental en la resistencia

Factores ambientales como el pH del suelo, la temperatura, la disponibilidad de nutrientes y las prácticas agrícolas pueden influir en la propagación y la eficacia de la resistencia a los metales en las poblaciones bacterianas. Los fertilizantes y pesticidas, por ejemplo, pueden aumentar la concentración de metales pesados ​​en el suelo, creando una presión selectiva que promueve la supervivencia de bacterias resistentes a los metales. En algunos casos, las poblaciones bacterianas en estos entornos también pueden desarrollar resistencia a los antibióticos, un fenómeno conocido como coselección. Este proceso ocurre porque los mismos mecanismos que protegen a las bacterias de los metales pesados, como las bombas de eflujo, también pueden expulsar los antibióticos, lo que da lugar a bacterias resistentes a múltiples amenazas simultáneamente. Esta interacción entre la contaminación ambiental y la resistencia bacteriana subraya la necesidad de prácticas agrícolas sostenibles y estrategias eficaces de gestión de residuos para limitar la propagación de bacterias resistentes. [ 23 ] [ 25 ]

Se ha demostrado que la exposición de bacterias a metales pesados ​​promueve la resistencia tanto a metales como a antibióticos. Las bombas de eflujo, fundamentales para la resistencia a metales, a menudo expulsan no solo iones metálicos, sino también antibióticos, creando un escenario donde las bacterias son resistentes a una amplia gama de antibióticos, además de a metales pesados. Esta doble resistencia es una preocupación creciente para la salud pública, ya que complica el tratamiento de infecciones en humanos y animales. Además, el uso de antibióticos en la agricultura y el medio ambiente puede contribuir a la selección de bacterias resistentes tanto a toxinas ambientales como a fármacos, lo que dificulta el control de las infecciones bacterianas. El vínculo entre la resistencia a metales y a antibióticos subraya la importancia de monitorear la contaminación por metales en entornos naturales, así como el desarrollo de estrategias para mitigar la propagación de bacterias multirresistentes. [ 26 ]

Formación de biopelículas

Los biofilms son comunidades viscosas de bacterias que se adhieren a las superficies. En condiciones de estrés, como la exposición a metales pesados, las bacterias suelen formar biofilms para protegerse. En lugar de vivir libremente (fase planctónica), las bacterias en los biofilms son sésiles, están ancladas y rodeadas por una matriz protectora de exopolisacáridos (EPS). [ 23 ]

Función de los biofilms en la resistencia a los metales

Los biofilms pueden actuar como barreras protectoras contra metales pesados. Al atrapar iones metálicos en la matriz de EPS, los biofilms reducen la exposición directa de las células bacterianas a metales tóxicos. Este mecanismo es especialmente importante en entornos ricos en metales, donde la supervivencia sin la formación de biofilms sería difícil. [ 24 ] En operaciones de biominería, como la extracción de cobre de minerales sulfurados, los biofilms formados por bacterias acidófilas ayudan a promover la solubilización de metales. La adhesión a superficies minerales y la formación de biofilms son pasos iniciales críticos que influyen en el éxito de la biolixiviación. [ 27 ] De manera similar, en entornos naturales como suelos y acuíferos, las bacterias forman biofilms en superficies minerales para estabilizarse y mejorar la degradación de contaminantes, lo que ayuda a los esfuerzos de biorremediación. [ 23 ]

Interacciones entre minerales y bacterias

Los biofilms bacterianos interactúan física y químicamente con los minerales. La matriz de EPS a menudo incorpora iones positivos como el calcio (Ca²⁺ ) y el magnesio (Mg²⁺ ) , fortaleciendo la estructura del biofilm. [ 26 ] La selectividad mineral, o preferencia por ciertos minerales, puede crear puntos críticos para la vida microbiana en lugares como el subsuelo profundo. Estas interacciones no solo estabilizan los biofilms, sino que también afectan el destino de los contaminantes y la eficiencia de las estrategias de biorremediación. [ 24 ]

Historia primitiva de la Tierra y astrobiología

Estromatolito del Paleoarcaico (de 3.350 a 3.460 millones de años de antigüedad) procedente de Australia Occidental.

Un campo de estudio común dentro de la geomicrobiología es el origen de la vida en la Tierra u otros planetas. Diversas interacciones roca-agua, como la serpentinización y la radiólisis del agua , [ 12 ] son ​​posibles fuentes de energía metabólica para sustentar comunidades microbianas quimiolitoautótrofas en la Tierra primitiva y en otros cuerpos planetarios como Marte, Europa y Encélado. [ 28 ] [ 29 ]

Las interacciones entre microbios y sedimentos registran algunas de las primeras evidencias de vida en la Tierra. La información sobre la vida durante el Arcaico se registra en fósiles bacterianos y estromatolitos conservados en litologías precipitadas como sílex o carbonatos. [ 30 ] [ 31 ] Evidencia adicional de vida temprana en la Tierra hace unos 3.500 millones de años se puede encontrar en la Formación Dresser de Australia en una facies de manantial termal, lo que indica que algunas de las primeras formas de vida en la Tierra ocurrieron en manantiales termales. [ 32 ] Las estructuras sedimentarias inducidas por microbios (MISS) se encuentran en todo el registro geológico hasta hace 3.200 millones de años. Se forman por la interacción de tapetes microbianos y la dinámica física de los sedimentos, y registran datos paleoambientales, además de proporcionar evidencia de vida temprana. [ 33 ] Los paleoambientes de la vida temprana en la Tierra también sirven como modelos cuando se busca vida fósil potencial en Marte.

Extremófilos

Los colores de Grand Prismatic Spring en el Parque Nacional de Yellowstone se deben a tapetes de bacterias termófilas . [ 34 ]

Otra área de investigación en geomicrobiología es el estudio de los organismos extremófilos , microorganismos que prosperan en ambientes normalmente considerados hostiles para la vida. Dichos ambientes pueden incluir ambientes extremadamente calientes ( fuentes termales o chimeneas hidrotermales de dorsales oceánicas ), ambientes extremadamente salinos o incluso ambientes espaciales como el suelo marciano o los cometas . [ 4 ]

Las observaciones e investigaciones realizadas en ambientes lagunares hipersalinos de Brasil y Australia , así como en ambientes lacustres continentales ligeramente salinos del noroeste de China , han demostrado que las bacterias anaeróbicas reductoras de sulfato pueden estar directamente involucradas en la formación de dolomita . [ 35 ] Esto sugiere que la alteración y el reemplazo de sedimentos calizos por dolomitización en rocas antiguas posiblemente fueron facilitados por ancestros de estas bacterias anaeróbicas. [ 36 ]

En julio de 2019, un estudio científico realizado en la mina Kidd de Canadá descubrió organismos que respiran azufre y que viven a 2400 metros (7900 pies) bajo la superficie, y que respiran azufre para sobrevivir. Estos organismos también son notables porque se alimentan de rocas como la pirita. [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

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  • Kirchman, David L. (2012). Procesos en ecología microbiana . Oxford: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-958693-6.
  • Loy, Alexander; Mandl, Martin; Barton, Larry L., eds. (2010). Geomicrobiología: perspectiva molecular y ambiental . Dordrecht: Springer. ISBN 978-90-481-9204-5.
  • Nagina, Parmar; Ajay, Singh, eds. (2014). Geomicrobiología y biogeoquímica . Berlín, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. ISBN 978-3-642-41837-2.
  • Las minas de oro podrían formarse por acción de bacterias - Archivo PDF
  • Biomineralización de minerales magnéticos. Archivado el 11 de enero de 2007 en Wayback Machine.