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Ferroplasma

Ferroplasma es un género de arqueas que pertenece a la familia Ferroplasmaceae . Los miembros de Ferroplasma son cocos típicamente acidófilos, pleomórficos y de forma irregular. [1] [2]

La familia arqueana Ferroplasmaceae fue descrita por primera vez a principios de la década de 2000. [3] Hasta la fecha, se han aislado y caracterizado muy pocas especies de Ferroplasma . Las especies aisladas incluyen Ferroplasma acidiphilum , Ferroplasma acidarmanus y Ferroplasma thermophilum . [1] [4] Más tarde se determinó que un cuarto aislado, Ferroplasma cupricumulans , pertenecía a un género separado . [5] [6] Todas las especies conocidas de Ferroplasma son oxidantes de hierro.

Características y fisiología celular

Mapa del genoma de Ferroplasma acidiphilum Y T (también conocido como DSM:12658)
Locus CRISPR en F. acidiphilum Y T con un operón que codifica las proteínas asociadas a CRISPR (Cas) (flechas rojas).

Las células de ferroplasma son pleomórficas y carecen de pared celular. [2] Todos los miembros conocidos del género son acidófilos que prosperan en entornos donde el pH varía de 0,0 a 2,0. [1] [2] También son mesófilos a moderadamente termófilos con temperaturas óptimas que oscilan entre 35 y 55 °C. [3]

Los lípidos tetraéter son una parte importante de la membrana celular de Ferroplasma y permiten que las células mantengan un gradiente de pH. Un estudio de F. acidarmanus encontró que el pH citoplasmático se mantuvo en ~5,6 mientras que el pH ambiental varió de ~0 a 1,2. [7] Las variaciones en los lípidos tetraéter de la familia Ferroplasmaceae se utilizan para la identificación quimiotaxonómica a nivel de género y especie porque muchos miembros poseen secuencias de ARNr 16S idénticas. [3]

Los miembros del género Ferroplasma son quimiomixótrofos que pueden oxidar el hierro ferroso para adquirir energía, pero a pesar de la evidencia de fijación de carbono, los cultivos de laboratorio a menudo requieren una fuente de carbono orgánico como el extracto de levadura para el crecimiento. [1] [3] En ausencia de hierro, algunas cepas cultivadas en laboratorio han sido capaces de un crecimiento quimioorganotrófico. [1]

Importancia ecológica

El hierro es el cuarto mineral más abundante en la corteza terrestre. Como oxidantes de hierro, Ferroplasma sp. participa en la biogeoquímica del hierro. Ferroplasma sp. se identifica a menudo en sitios de drenaje ácido de minas (AMD). [3] Cuando el hierro ferroso (Fe 2+ ) se oxida a hierro férrico (Fe 3+ ) en los sitios mineros, Fe 3+ reacciona espontáneamente con agua y compuestos de hierro y azufre como la pirita para producir iones de sulfato e hidrógeno. [8] Durante esta reacción, el hierro ferroso, que puede ser utilizado por Ferroplasma , también se regenera dando lugar a un "ciclo de propagación" en el que se reduce el pH. La reacción puede describirse mediante la siguiente ecuación:

Las especies de ferroplasma suelen estar presentes en los sitios AMD, donde participan en este ciclo a través de la oxidación biótica del hierro ferroso. [8]

El Ferroplasma sp. puede tener importantes aplicaciones para la biolixiviación de metales. La biolixiviación microbiana ocurre de forma natural en los ambientes altamente ácidos que albergan al Ferroplasma sp. Aprovechar el poder de la biolixiviación para recuperar metales de minerales y desechos de baja calidad es energéticamente ventajoso en comparación con la fundición y la purificación. [9] [10] También produce menos subproductos tóxicos. Los estudios han demostrado que la inclusión de Ferroplasma thermophilum junto con las bacterias Acidithiobacillus caldus y Leptospirillum ferriphilum puede bioaumentar el proceso de lixiviación de la calcopirita y aumentar la velocidad a la que se recupera el cobre. [11]

Especies aisladas

Ferroplasma acidiphilum

Se ha demostrado que Ferroplasma acidiphilum crece como quimiomixótrofo y crece sinérgicamente con la bacteria acidófila Leptospirillum ferriphilum . [12] La cepa Ferroplasma acidiphilum Y T es un anaerobio facultativo con todos los genes necesarios para la fermentación de la arginina. [13] Aunque no está claro si Ferroplasma acidiphilum Y T utiliza su vía de fermentación de la arginina, la vía en sí es un metabolismo antiguo que se remonta al último ancestro común universal (LUCA) de los tres dominios de la vida. [13] [14]

Ferroplasma acidarmanus

Se aisló Ferroplasma acidarmanus Fer1 de muestras de minas recolectadas en Iron Mountain , California. [15] Iron Mountain (California) es una antigua mina conocida por su drenaje ácido de minas (AMD) y contaminación por metales pesados. Además de ser acidófila, F. acidarmanus Fer1 es altamente resistente tanto al cobre como al arsénico. [15] [16]

Ferroplasma cupricumulans (anteriormente Ferroplasma cyprexacervatum)

En 2006, se aisló Ferroplasma cupricumulans de una solución de lixiviado recogida en el yacimiento minero de la empresa Myanmar Ivanhoe Copper (MICCL) en Myanmar. [5] Se observó que era el primer miembro ligeramente termófilo del género Ferroplasma . Sin embargo, en 2009 se identificó un nuevo género de arqueas acidófilas y termófilas, Acidiplasma . Se propuso que, basándose en la similitud del ARNr 16S y la hibridación ADN-ADN, se transfiriera al género Acidiplasma y se le cambiara el nombre a Acidiplasma cupricumulans. [6]

Ferroplasma thermophilum

En 2008, Zhou, et al. describieron el aislamiento del organismo Ferroplasma thermophilum L1 T de un reactor de columna de calcopirita que fue inoculado con drenaje ácido de mina (AMD) de la mina de cobre Daye en la provincia de Hubei, China. [4] En condiciones aeróbicas con bajas concentraciones de extracto de levadura, F. thermophilum crece oxidando hierro ferroso. [4] Sin embargo, en condiciones anaeróbicas, F. thermophilum reduce el hierro férrico y el sulfato. [4] Esto hace que F. thermophilum sea ecológicamente importante para el ciclo del hierro y el azufre en sitios mineros ricos en pirita.

Véase también

Referencias

  1. ^ abcde Dopson M, Baker-Austin C, Hind A, Bowman JP, Bond PL (abril de 2004). "Caracterización de aislados de Ferroplasma y Ferroplasma acidarmanus sp. nov., acidófilos extremos de entornos de drenaje ácido de minas y biolixiviación industrial". Applied and Environmental Microbiology . 70 (4): 2079–88. Bibcode :2004ApEnM..70.2079D. doi :10.1128/AEM.70.4.2079-2088.2004. PMC  383147 . PMID  15066799.
  2. ^ abc Golyshina OV, Timmis KN (septiembre de 2005). "Ferroplasma y parientes, arqueas recientemente descubiertas sin pared celular que se ganan la vida en ambientes extremadamente ácidos y ricos en metales pesados". Microbiología ambiental . 7 (9): 1277–88. doi : 10.1111/j.1462-2920.2005.00861.x . PMID  16104851.
  3. ^ abcde Golyshina OV (agosto de 2011). "Patrones ambientales, biogeográficos y bioquímicos de las arqueas de la familia Ferroplasmaceae". Microbiología aplicada y ambiental . 77 (15): 5071–8. Bibcode :2011ApEnM..77.5071G. doi :10.1128/AEM.00726-11. PMC 3147448 . PMID  21685165. 
  4. ^ abcd Zhou H, Zhang R, Hu P, Zeng W, Xie Y, Wu C, Qiu G (agosto de 2008). "Aislamiento y caracterización de Ferroplasma thermophilum sp. nov., una nueva arquea extremadamente acidófila, moderadamente termófila y su papel en la biolixiviación de calcopirita". Journal of Applied Microbiology . 105 (2): 591–601. doi :10.1111/j.1365-2672.2008.03807.x. PMID  18422958. S2CID  25924161.
  5. ^ ab Hawkes RB, Franzmann PD, Plumb JJ (1 de septiembre de 2006). "Los termófilos moderados, incluido "Ferroplasma cupricumulans" sp. nov., dominan una operación de biolixiviación en pilas de calcocita a escala industrial". Hidrometalurgia . 16.º Simposio Internacional de Biohidrometalurgia. 83 (1): 229–236. doi :10.1016/j.hydromet.2006.03.027.
  6. ^ ab Golyshina OV, Yakimov MM, Lünsdorf H, Ferrer M, Nimtz M, Timmis KN, et al. (noviembre de 2009). "Acidiplasma aeolicum gen. nov., sp. nov., una euryarchaeon de la familia Ferroplasmaceae aislada de una piscina hidrotermal, y transferencia de Ferroplasma cupricumulans a Acidiplasma cupricumulans comb. nov". Revista internacional de microbiología sistemática y evolutiva . 59 (Pt 11): 2815–23. doi : 10.1099/ijs.0.009639-0 . hdl : 10033/90258 . PMID  19628615.
  7. ^ Macalady JL, Vestling MM, Baumler D, Boekelheide N, Kaspar CW, Banfield JF (octubre de 2004). "Monocapas de membrana unidas por tetraéter en Ferroplasma spp: una clave para la supervivencia en ácido". Extremophiles . 8 (5): 411–9. doi :10.1007/s00792-004-0404-5. PMID  15258835. S2CID  15702103.
  8. ^ ab Madigan MT, Martinko JM, Bender KS, Buckley DH, Stahl DA (2015). Brock Biology of Microorganisms . Estados Unidos de América: Pearson. págs. 652–653. ISBN 978-0-321-89739-8.
  9. ^ Rohwerder T, Gehrke T, Kinzler K, Sand W (diciembre de 2003). "Revisión de la biolixiviación, parte A: avances en la biolixiviación: fundamentos y mecanismos de la oxidación bacteriana de sulfuro de metal". Applied Microbiology and Biotechnology . 63 (3): 239–48. doi :10.1007/s00253-003-1448-7. PMID  14566432. S2CID  25547087.
  10. ^ Olson GJ, Brierley JA, Brierley CL (diciembre de 2003). "Revisión de la biolixiviación, parte B: avances en la biolixiviación: aplicaciones de procesos microbianos en las industrias minerales". Applied Microbiology and Biotechnology . 63 (3): 249–57. doi :10.1007/s00253-003-1404-6. PMID  14566430. S2CID  24078490.
  11. ^ Zhang L, Wu J, Wang Y, Wan L, Mao F, Zhang W, Chen X, Zhou H (mayo de 2014). "Influencia de la bioaumentación con Ferroplasma thermophilum en la biolixiviación de calcopirita y la estructura de la comunidad microbiana". Hidrometalurgia . 146 : 15–23. doi :10.1016/j.hydromet.2014.02.013.
  12. ^ Merino MP, Andrews BA, Parada P, Asenjo JA (noviembre de 2016). "Caracterización de Ferroplasma acidiphilum creciendo en cultivo puro y mixto con Leptospirillum ferriphilum". Progreso en biotecnología . 32 (6): 1390–1396. doi :10.1002/btpr.2340. PMID  27535541. S2CID  2765684.
  13. ^ ab Golyshina OV, Tran H, Reva ON, Lemak S, Yakunin AF, Goesmann A, et al. (junio de 2017). "T". Scientific Reports . 7 (1): 3682. doi :10.1038/s41598-017-03904-5. PMC 5473848 . PMID  28623373. 
  14. ^ Zúñiga M, Pérez G, González-Candelas F (diciembre de 2002). "Evolución de los genes de la vía de la arginina deiminasa (ADI)". Filogenética molecular y evolución . 25 (3): 429–44. doi :10.1016/S1055-7903(02)00277-4. PMID  12450748.
  15. ^ ab Baker-Austin C, Dopson M, Wexler M, Sawers RG, Bond PL (agosto de 2005). "Información molecular sobre la resistencia extrema al cobre en la arquea extremófila 'Ferroplasma acidarmanus' Fer1". Microbiología . 151 (Pt 8): 2637–2646. doi : 10.1099/mic.0.28076-0 . PMID  16079342.
  16. ^ Baker-Austin C, Dopson M, Wexler M, Sawers RG, Stemmler A, Rosen BP, Bond PL (mayo de 2007). "Resistencia extrema al arsénico por parte de la arquea acidófila 'Ferroplasma acidarmanus' Fer1". Extremófilos . 11 (3): 425–34. doi :10.1007/s00792-006-0052-z. PMID  17268768. S2CID  12982793.

Lectura adicional