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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 científico 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 y 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 , mediando la precipitación y disolución de minerales y absorbiendo y concentrando metales. [4] Las aplicaciones incluyen, por ejemplo, la biorremediación , [5] la minería , la mitigación del cambio climático [6] y los suministros públicos 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 Edwards , los microbios que colonizan las superficies del acuífero mejoran las tasas de disolución de la roca huésped. [8]

En el acuífero de la corteza oceánica , el más grande de la Tierra, [9] las comunidades microbianas pueden afectar la productividad del océano , 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] A través de la biorremediación, algunos microbios pueden ayudar a descontaminar los recursos de agua dulce en los acuíferos contaminados por productos de desecho.

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 producto secundario, sirve para concentrar los metales en lo que finalmente se convierten en depósitos de mineral . La biohidrometalurgia o minería in situ es donde los minerales de baja calidad 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 de microbios. [11]

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

Remediación ambiental

Se están estudiando y utilizando microbios para degradar la contaminación orgánica e incluso de desechos nucleares (véase Deinococcus radiodurans ) y ayudar en la limpieza ambiental. Una aplicación de la geomicrobiología es la biolixiviación , el uso de microbios para extraer metales de los desechos mineros .

Suelo y sedimentos: remediación microbiana

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

La remediación microbiana se utiliza en suelos para eliminar contaminantes y contaminantes. Los microbios juegan un papel clave en muchos ciclos biogeoquímicos y pueden afectar una variedad de propiedades del suelo, como la biotransformación de minerales y especiación de metales, toxicidad, movilidad, precipitación mineral y disolución mineral. Los microbios juegan un papel en la inmovilización y desintoxicación de una variedad de elementos, como metales , radionucleidos , 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 desechos, 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 añaden a los suelos a través de muchas fuentes antropogénicas, como la industria y/o los fertilizantes. La interacción de los metales pesados ​​con los microbios puede aumentar o disminuir la toxicidad. Los niveles de toxicidad, movilidad y biodisponibilidad del cromo dependen de los estados de oxidación del cromo. [14] Dos de las especies de cromo más comunes son Cr(III) y Cr(VI). Cr(VI) es altamente móvil, biodisponible y más tóxico para la flora y la fauna , mientras que Cr(III) es menos tóxico, más inmóvil y precipita fácilmente en suelos con pH >6. [15] El uso de microbios para facilitar la transformación de Cr(VI) a Cr(III) es una técnica de biorremediación respetuosa con el medio ambiente y de bajo costo para ayudar a mitigar la toxicidad en el medio ambiente. [16]

Drenaje ácido de minas

Otra aplicación de la geomicrobiología es la biolixiviación , el uso de microbios para extraer metales de los desechos mineros . Por ejemplo, las bacterias reductoras de sulfato (SRB) producen H2S que precipita los metales en forma de sulfuro metálico. Este proceso elimina los metales pesados ​​de los desechos mineros, que es uno de los principales problemas ambientales asociados con el 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 parte de microbios como las bacterias reductoras de sulfato agrega 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 los hidrocarburos estando presentes en el momento de la deposición de los sedimentos fuente o dispersándose a través de la columna de roca para colonizar las litologías del yacimiento o de la fuente después de la generación de hidrocarburos.

Historia de la Tierra primitiva y astrobiología

Estromatolito paleoarqueano (3.350-3.460 millones de años de antigüedad) de Australia Occidental.

Un campo de estudio común dentro de la geomicrobiología es el origen de la vida en la Tierra u otros planetas. Varias interacciones entre rocas y agua, como la serpentinización y la radiólisis del agua , [12] son ​​posibles fuentes de energía metabólica para sustentar las comunidades microbianas quimiolitoautotróficas en la Tierra primitiva y en otros cuerpos planetarios como Marte, Europa y Encélado. [20] [21]

Las interacciones entre microbios y sedimentos registran algunas de las primeras evidencias de vida en la Tierra. La información sobre la vida durante la Tierra Arcaica está registrada en fósiles bacterianos y estromatolitos preservados en litologías precipitadas como sílex o carbonatos. [22] [23] Se puede encontrar evidencia adicional de vida temprana en la tierra hace unos 3.500 millones de años en la Formación Dresser de Australia en una facies de aguas termales, lo que indica que algunas de las primeras formas de vida en la Tierra se produjeron en aguas termales. [24] Las estructuras sedimentarias inducidas microbianamente (MISS) se encuentran en todo el registro geológico hasta hace 3.200 millones de años. Se forman por la interacción de tapetes microbianos y dinámicas físicas de sedimentos, y registran datos paleoambientales, además de proporcionar evidencia de vida temprana. [25] 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 esteras de bacterias termófilas . [26]

Otra área de investigación en geomicrobiología es el estudio de los organismos extremófilos , los microorganismos que prosperan en entornos que normalmente se consideran hostiles a la vida. Dichos entornos pueden incluir entornos extremadamente cálidos ( fuentes termales o fumarolas negras de las dorsales oceánicas ), entornos extremadamente salinos o incluso entornos espaciales como el suelo marciano o los cometas . [4]

Las observaciones e investigaciones en ambientes de lagunas hipersalinas en Brasil y Australia, así como en ambientes de lagos interiores ligeramente salinos en el noroeste de China, han demostrado que las bacterias anaeróbicas reductoras de sulfato pueden estar directamente involucradas en la formación de dolomita . [27] Esto sugiere que la alteración y el reemplazo de sedimentos de piedra caliza por dolomitización en rocas antiguas posiblemente fue ayudado por los ancestros de estas bacterias anaeróbicas. [28]

En julio de 2019, un estudio científico de la mina Kidd en Canadá descubrió organismos que respiran azufre y que viven a 7900 pies debajo de la superficie, y que respiran azufre para sobrevivir. Estos organismos también son notables porque comen rocas como la pirita como su fuente de alimento habitual. [29] [30] [31]

Véase también

Referencias

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Lectura adicional

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