Acidithiobacillus thiooxidans , anteriormente conocido como Thiobacillus thiooxidans hasta su reclasificación en el recién designado género Acidithiobacillus de la subclase Acidithiobacillia de Pseudomonadota , [1] es una bacteria gramnegativa con forma de bastón que utiliza azufre como fuente de energía primaria. [2] Es mesófilo , con una temperatura óptima de 28 °C. [2] Esta bacteria se encuentra comúnmente en el suelo, las tuberías de alcantarillado y las biopelículas de cuevas llamadas snottites . [2] A. thiooxidans se utiliza en la técnica minera conocida como biolixiviación , donde se extraen metales de sus minerales mediante la acción de microbios.
A. thiooxidans es una bacteria gramnegativa con forma de bastón y extremos redondeados que se presenta en la naturaleza como células individuales, como es el caso más común, o a veces en pares, pero rara vez en trillizos. [2] Su motilidad se debe a un flagelo polar . [2] Es un acidófilo obligado con un pH óptimo inferior a 4,0, pero también califica como aerobio obligado y quimiolitotrofo . [2] Descrita como una bacteria incolora que oxida el azufre , A. thiooxidans no acumula azufre ni dentro ni fuera de sus células muy pequeñas, que tienen un tamaño promedio de alrededor de 0,5 μm de diámetro y 1 μm o menos de longitud. [2]
Hasta ahora, A. thiooxidans no ha crecido en agar u otros medios sólidos , sino que prefiere medios líquidos con una turbidez fuerte y uniformemente dispersa, y no produce formación de sedimentos ni crecimiento superficial. [2] Aunque no crece en medios orgánicos tradicionales, no se verá perjudicado por un medio que contenga peptona o glucosa . [2] Los medios más adecuados para su crecimiento son aquellos que son inorgánicos y permiten a A. thiooxidans utilizar azufre como fuente de energía. [2] Las siguientes reacciones características acompañan el crecimiento de A. thiooxidans en presencia de fosfato tricálcico : la capa superficial del medio formada por azufre tiende a descender hasta el fondo, el fosfato tricálcico se disuelve como producto de la oxidación del azufre, Por precipitación de sulfato de calcio se forman ácido sulfúrico , que da fosfato soluble y CaSO 4 + 2 H 2 O, y cristales monoclínicos radiantes que cuelgan de las partículas de azufre que flotan en la superficie del medio o que sobresalen hacia arriba desde el fondo . [2] El medio se vuelve ácido con un pH de alrededor de 2,8 y permanece estacionario hasta que se haya disuelto todo el fosfato de calcio. [2] Cualquier cosa que tenga tendencia a cambiar el medio a un estado alcalino se consideraría perjudicial para el crecimiento uniforme de A. thiooxidans , pero si no se daña por un exceso de ácido o álcali, se pueden mantener vivas numerosas generaciones consecutivas. los medios líquidos. [2]
Como los tioxidanos prosperan a una temperatura óptima de 28-30 °C. [2] A temperaturas más bajas (18 °C y menos) y a 37 °C o más, la oxidación del azufre y el crecimiento son significativamente más lentos, mientras que las temperaturas entre 55 y 60 °C son suficientes para matar el organismo. [2]
A. thiobacillus , una especie estrictamente aeróbica, fija CO 2 de la atmósfera para satisfacer sus necesidades de carbono. [2] Además, se requieren otros nutrientes esenciales en cantidades variables. [2] Existe una falta general de conocimiento sobre los microorganismos acidófilos en términos de los sistemas de oxidación de los compuestos inorgánicos reducidos de azufre (RISC). [3] Fazzini et al. . (2013) presentaron el primer modelo estequiométrico validado experimentalmente que fue capaz de evaluar cuantitativamente la oxidación de RISC en A. thiooxidans (cepa DSM 17318), el arquetipo quimiolitotrófico acidófilo oxidante de azufre. Mediante el análisis de la literatura y los análisis genómicos, se combinó y evaluó experimentalmente una combinación de modelos de oxidación de RISC propuestos anteriormente, colocando la oxidación parcial de tiosulfato por el sistema Sox (SoxABXYZ), junto con reacciones abióticas, como los pasos centrales del modelo de oxidación de azufre. [3] Este modelo, junto con una estequiometría detallada de la producción de biomasa, proporciona predicciones precisas del crecimiento bacteriano. [3] Este modelo, que tiene potencial para ser utilizado en aplicaciones biohidrometalúrgicas y ambientales, constituye un instrumento avanzado para optimizar la producción de biomasa de A. thiooxidans . [3]
A. thiooxidans obtiene toda la energía necesaria para satisfacer sus necesidades de carbono de la fijación de CO 2 . [2] Se puede hacer una distinción importante entre bacterias oxidantes de azufre y nitrificantes por su respuesta a la introducción de carbono al cultivo en forma de carbonatos y bicarbonatos . [2] Los carbonatos mantienen el medio alcalino , evitando así el crecimiento de A. thiooxidans , que crece mejor en condiciones ácidas, mientras que se ha demostrado que los bicarbonatos permiten un crecimiento saludable si se mantienen en pequeñas concentraciones. [2] El bicarbonato, sin embargo, es innecesario porque el CO 2 de la atmósfera parece ser suficiente para sustentar el crecimiento de A. thiooxidans , y en realidad tendría un efecto nocivo ya que tendería a hacer el medio menos ácido. [2]
A. thiooxidans requiere sólo pequeñas cantidades de nitrógeno debido a su pequeña cantidad de crecimiento, pero las mejores fuentes son las sales de amonio de ácidos inorgánicos, especialmente sulfato , seguidas de las sales de amonio de ácidos orgánicos , nitratos , asparagina y aminoácidos . [2] Si no se introduce ninguna fuente de nitrógeno en el medio, se observa cierto crecimiento, y A. thiooxidans obtiene el nitrógeno necesario de trazas de amoníaco atmosférico , agua destilada o la contaminación de otras sales. [2]
A. thiooxidans es obligatoriamente aeróbico porque utiliza oxígeno atmosférico para la oxidación del azufre a ácido sulfúrico . [2]
En presencia de una buena fuente de nitrógeno, sustancias orgánicas como la glucosa , el glicerol , el manitol y el alcohol parecen actuar de manera similar a los estimulantes o participar en los requisitos estructurales del organismo, sin causar daño a A. thiooxidans y pareciendo tener algo de efecto. efecto favorable sobre el mismo. [2]
A. thiooxidans utiliza azufre elemental como fuente de energía primaria y lo oxida mediante las vías de sulfuro-quinona reductasa y sox . [2] El azufre es oxidado a ácido sulfúrico por A. thiooxidans y la energía liberada se utiliza para el crecimiento y el mantenimiento. [2] Además del azufre, A. thiooxidans puede utilizar tiosulfato o tetrationato como fuentes de energía, pero el crecimiento en un medio líquido sobre tiosulfato es lento y generalmente tarda entre 10 y 12 días en condiciones favorables, en lugar de sólo 4 a 5 días. para el crecimiento sobre azufre elemental, como lo demuestra el cambio de pH y turbidez . [2] A. thiooxidans es incapaz de oxidar hierro o pirita , pero se ha demostrado que crece sobre el azufre de la pirita cuando se cultiva conjuntamente con la bacteria Leptospirillum ferrooxidans , una especie que puede oxidar el hierro pero no el azufre. [2]
A. thiooxidans es completamente autótrofo y, aunque la glucosa no causa ningún daño y puede ser beneficiosa hasta cierto punto, la cantidad de ácido producido y el azufre oxidado no son significativamente diferentes entre cultivos que contenían o no glucosa. [2]
Como bacteria autótrofa, A. thiooxidans utiliza sustancias inorgánicas para satisfacer sus necesidades energéticas y carbono atmosférico para satisfacer sus demandas de carbono. [2] Debido a que A. thiooxidans obtiene su energía del azufre elemental inorgánico, el carbono directamente de la atmósfera y el nitrógeno del sulfato de amonio y otras sales inorgánicas, y también debido a sus pequeños requerimientos minerales, este microorganismo autótrofo probablemente estuvo entre los primeros aerobios que contribuyeron a la meteorización mediante la formación de ácido sulfúrico, que interactuaba con fosfatos , carbonatos y silicatos insolubles .
La mayor parte de la información sobre Acidithiobacillus proviene de análisis experimentales y basados en el genoma de otras dos especies relacionadas, Acidithiobacillus : A. ferrooxidans y A. caldus . El borrador completo de la secuencia del genoma de A. thiooxidans ATCC 19377 se determinó utilizando una estrategia de escopeta de genoma completo y se reveló que contenía un total de 3.019.868 pares de bases en 164 contigs . [4] Se encontró que la proporción de GC era del 53,1% al 46,9%; [4] Se predijeron 3235 genes codificadores de proteínas en el genoma de A. thiooxidans , que también contenía 43 ARNt , un operón 5S-16S-23S completo y uno parcial, y conjuntos completos de genes para aminoácidos, nucleótidos y compuestos inorgánicos de azufre. y el metabolismo central del carbono. [4] El genoma también contiene los genes azufre quinona oxidorreductasa ( sqr ), tetrationato hidrolasa ( tetH ) y tiosulfato quinona oxidorreductasa ( doxD ), junto con los dos grupos de genes que codifican el complejo de oxidación de azufre SOX (soxYZB-hyp-resB- saxAX-resC y soxYZA-hyp-soxB), que se encontraron previamente en A. caldus y Thiobacillus denitrificans , un oxidante de azufre neutrófilo . [4] Las cepas de Acidithiobacillus thiooxidans se han diferenciado de otros Acidithiobacilli relacionados , incluidos A. ferrooxidans y A. caldus , mediante análisis de secuencia del espaciador intergénico (ITS) de ADNr 16S - 23S amplificado por PCR y polimorfismo de longitud de fragmentos de restricción (RFLP). [5] Las cepas de A. thiooxidans que fueron investigadas por estos investigadores (aislados de minas metálicas) produjeron patrones RFLP que eran idénticos a la cepa tipo A. thiooxidans (ATCC 19377T), excepto la cepa DAMS, que tenía un patrón distinto para todos enzimas probadas. [5] Las tres especies de Acidithiobacillus se diferenciaron mediante análisis filogenético de las secuencias ITS. [5] El tamaño y el polimorfismo de secuencia de la región ITS3 contribuyeron a las variaciones genéticas inter e infraespecíficas que se detectaron en este análisis. [5] Las pruebas de Mantel no mostraron ninguna correlación significativa entre la similitud de las secuencias ITS y el origen geográfico de las cepas. [5] Bérgamo et al. . (2004) concluyeron que la región espaciadora del ADNr 16S-23S es un objetivo útil para desarrollar métodos moleculares que se centren en la detección, diferenciación rápida e identificación de especies de Acidithiobacillus .
Los snottites son biopelículas altamente ácidas (pH 0-1) que se forman en las paredes y techos de cuevas ricas en sulfuro de hidrógeno, donde el gas rico en sulfuro arroja H 2 S al aire de la cueva. [6] Las comunidades microbianas de snottita tienen una diversidad de especies muy baja y están compuestas predominantemente de microorganismos oxidantes de azufre. [7] La oxidación de sulfuros produce ácido sulfúrico, que disuelve las paredes de piedra caliza de la cueva. [6] El yeso microcristalino precipita como residuo de corrosión que eventualmente limita la amortiguación del pH por parte de la piedra caliza subyacente y permite el desarrollo de superficies de pared extremadamente ácidas. [6] Se sabe que A. thiooxidans habita en estas biopelículas. La morfología y distribución de las snottitas dentro de las cuevas depende de la disponibilidad de sustratos de carbono, nitrógeno y energía en la atmósfera. [6] Las formaciones de snottita son generalmente de color lechoso, suspendidas verticalmente de los techos y paredes de las cuevas, y tienen una consistencia similar a la flema (de ahí el nombre). [8]
Le Grotte di Frasassi (Cuevas de Frasassi) se encuentran en las montañas de los Apeninos en la región de Las Marcas, en el centro de Italia. [7] Este sistema de cuevas se formó mediante el proceso de espeleogénesis del ácido sulfúrico debido a microorganismos oxidantes de sulfuro. [7] Los snottites dentro de las cuevas de Frasassi son muy viscosos con un rango de pH de 0-2,5. [6] Las secuencias bacterianas de ARNr 16S más abundantes (>98% de similitud de ARNr 16S) en snottites recolectadas en todo el sistema de cuevas de Frasassi son parientes de A. thiooxidans y los géneros Acidimicrobium y Ferrimicrobium (familia Acidimicrobiaceae, Actinobacteria). [6] Los análisis FISH de muestras de snottita han indicado que Acidithiobacillus y Acidimicrobiaceae son las poblaciones bacterianas más abundantes dentro de las cuevas. [6] Las poblaciones de biopelículas en el sistema de cuevas de Frasassi están dominadas por A. thiooxidans (>70% de la población celular) con poblaciones más pequeñas que incluyen un arqueón en el clado de plasma G no cultivado de Thermoplasmatales (>15%) y una bacteria en el familia Acidimicrobiaceae (>5%). [6] Se cree que Acidithiobacillus es el principal productor y el arquitecto de la snottita. [6]
La biolixiviación es una técnica minera en la que se extraen metales de sus minerales insolubles mediante el uso de organismos vivos mediante oxidación biológica. Esta técnica ha progresado constantemente en los últimos 20 años aprovechando bacterias como A. thiooxidans. Las operaciones de biominería han permitido la solubilización de minerales de baja ley. En comparación con los procedimientos tradicionales de fundición y extracción, la biolixiviación es mucho menos costosa y no libera tantos tóxicos ambientales, pero requiere una mayor cantidad de tiempo. La biolixiviación implica al menos tres subprocesos importantes, a saber, el ataque del mineral de sulfuro, la oxidación microbiana del hierro ferroso y algo de azufre. [9] El proceso general ocurre a través de una de dos vías dependiendo de la naturaleza del mineral de sulfuro, una vía a través del tiosulfato que da como resultado la formación de sulfato o una vía de politionato que da como resultado la formación de azufre elemental. [9]