Por definición, un mineral es un sólido natural, generalmente formado por procesos inorgánicos, con una disposición de los elementos ordenada y con una composición química y propiedades físicas fijas que varían en un rango limitado. En la naturaleza, existen varios contextos geológicos donde generalmente encontramos diferentes minerales formando tres tipos de rocas: sedimentarias, metamórficas e ígneas. En los ambientes sedimentarios (costas, ríos y lagos, entre otros), aquellos en los que los procesos sedimentarios se desarrollan en contacto con la Biosfera, podemos encontrar bonitas excepciones a la definición original de mineral en relación a su formación. Por lo general, los microorganismos (eucariotas autótrofos y procariotas, autótrofos y heterótrofos) en sistemas lacustres forman comunidades bentónicas microbianas laminadas llamadas tapices microbianos. Estos tapices atrapan y pegan granos detríticos (procedentes de la meteorización y erosión de rocas aledañas) o inducen la precipitación de minerales autigénicos, es decir, aquellos que precipitan in situ. Precisamente, en los tapices microbianos y en otros seres vivos, tiene como resultado la precipitación bioinducida o biocontrolada de minerales. Los biominerales más comunes son los carbonatos (aragonito, calcita y dolomita), aunque los fosfatos (apatito), minerales de la arcilla (esmectitas y palygorskita), algunos óxidos (magnetita), sulfuros (pirita) y sulfatos (yeso y hexahidrita) pueden estar igualmente bioinducidos o biocontrolados. La rama de la Ciencia que estudia este tipo de procesos en los ambientes sedimentarios y experimentalmente se llama Geobiología.
¿Qué diferencia existe entre precipitación mineral bioinducida y biocontrolada?
Según Dupraz et al. (2009), estos dos tipos de biomineralización se diferencian en función de la prevalencia entre dos tipos de factores: intrínsecos o relacionados con el metabolismo microbiano o celular (Ej: fotosíntesis, respiración y formación de hueso) y extrínsecos o relacionados con el ambiente (Ej: desecación y degradación). Si predominan los primeros factores sobre los segundos, estamos hablando de biomineralización controlada, es decir, el metabolismo de bacterias, algunos eucariotas autótrofos (como las diatomeas) y heterótrofos es el promotor de la nucleación mineral y posterior crecimiento cristalino. Para el público en general, algunos ejemplos de biominerales claros y cercanos a nuestra experiencia y fruto del control metabólico son: las conchas de invertebrados como los gasterópodos, compuestos por carbonato cálcico (aragonito o calcita), las frústulas de diatomeas (compuestos por ópalo) o los huesos de los vertebrados, compuestos de fosfato cálcico (apatito). Queda claro que estos biominerales tienen una función fisiológica para el organismo que los produce (de protección o estructural), el cual regula el crecimiento o disolución de esos cristales (Ej: nuestros huesos).
Muchos otros precipitados minerales extracelulares, en realidad, pueden ser considerados producto de la mineralización bioinducida. ¿Cuál es la diferencia con los anteriores?
Las sustancias poliméricas extracelulares (EPS, por sus siglas de Extracellular Polymeric Substances) son el resultado de las interacciones entre microorganismos y su entorno (Decho, 1990). Los EPS se producen en gran abundancia en los tapices microbianos desarrollados como respuesta a las condiciones extremas de salinidad, pH y temperatura y que controlan su producción (Dupraz y Visscher, 2005). Si a partir de los elementos químicos enlazados a los grupos funcionales de las paredes celulares o en las sustancias poliméricas extracelulares, determinados procesos extrínsecos, como la desecación o degradación de otros microorganismos, son los desencadenantes de la nucleación mineral, entonces, estaremos analizando minerales bioinducidos. Este es el caso de muchos minerales en ambiente lacustre (carbonatos, sulfatos y algunos minerales de la arcilla), donde la evaporación induce la cristalización en el seno de estas sustancias orgánicas en contacto con la salmuera (Cabestrero y Sanz-Montero, 2018; del Buey et al., 2018, 2021).
Debido a la complejidad de establecer un límite claro, entre factores intrínsecos o extrínsecos en cuanto a precipitación extracelular se refiere, entonces, diseñamos cultivos microbianos para limitar las variables implicadas en los ambientes sedimentarios. Estos cultivos microbianos pueden ser de una comunidad microbiana entera o de un género o especie aislado. Estos últimos están destinados para evaluar un determinado metabolismo en la precipitación mineral (fotosíntesis oxigénica, anoxigénica, sulfato-reducción). Sabiendo la composición del medio de cultivo y teniendo controladas las variables de luz/oscuridad, temperatura y salinidad, podemos determinar con precisión el mecanismo de biomineralización para un determinado mineral y una especie de bacteria (Sánchez-Román et al., 2007, 2008, 2011).
¿Cómo estudiamos las relaciones texturales entre los minerales y los microorganismos? ¿Cómo podemos identificar los microorganismos?
La Geobiología, al estudiar muestras con proporción variable de tejidos biológicos con distinto grado de mineralización, requiere de una preparación de muestras más relacionada con la histología o microbiología que con la mineralogía. Por el contrario, la difracción de rayos X sigue siendo la técnica básica de determinación mineralógica en este tipo de muestras, al ser los minerales el objetivo último de investigación. No menos importante es la microscopía electrónica de barrido (SEM, por sus siglas de Scanning Electron Microscopy) que nos permite reconocer rasgos texturales y químicos entre las paredes celulares y los minerales. Para un estudio de más detalle y resolución, la microscopía electrónica de transmisión (TEM, Transmission Electron Microscopy) permite estudiar relaciones texturales a escala de nm. La preparación de este tipo de muestras, tanto naturales como de cultivo, para microscopía electrónica requiere de un procedimiento de fijación (glutaraldehído) y deshidratación (etanol) previos. En el caso de la microscopía electrónica de transmisión, al atravesar los electrones la muestra, cortada mediante ultramicrotomo en secciones ultrafinas, se emplean tinciones con elementos pesados (Os, Pb y U), que permiten dar el contraste entre la materia orgánica (tenida y visible) y mineral (opaca).
En paralelo, identificar la taxonomía de los grupos que componen un tapiz microbiano del campo o uno procedente de un medio de cultivo requiere de análisis basados en el gen que codifica para el ARN ribosómico 16S. Mediante el empleo de unidades taxonómicas operativas (OTU) se agrupan secuencias con una homología de más del 97% y se comparan con bases de datos específicas para los tapices microbianos. Alternativamente, se puede emplear el FISH (por sus siglas, Fluorescence In Situ Hybridization) que permite, mediante un conjunto de secuencias de oligonucleótidos activos en fluorescencia que se fijan al ARNr de las células vivas, identificar los filos bacterianos presentes en tapices microbianos (Cabestrero et al., 2018).
Y todo esto, ¿para qué lo estudiamos?
En Geología aplicamos el Principio del Actualismo (lo siento, no tenemos leyes propias…). ¿Qué nos dice?, que todos los procesos geológicos que vemos en la actualidad, han ocurrido también en el pasado de La Tierra. ¿Qué nos permite? Poder interpretar el registro geológico (rocas) en base a los procesos que vemos en la actualidad. Además, si podemos estudiar las interacciones entre los seres vivos y la Geosfera en el presente, más acertadas serán nuestras inferencias a partir de los marcadores bióticos preservados en las rocas. ¿A dónde podemos llegar? Podemos remontarnos en el pasado geológico de La Tierra hasta las manifestaciones más antiguas de vida microbiana: los estromatolitos (2.700 Ma), comunidades microbianas laminadas y litificadas. ¿Y más allá en el espacio? El estudio de los biominerales puede trascender incluso el ámbito de otros planetas, como Marte, donde la asociación de minerales de la arcilla con carbonatos (Morris et al., 2010) y sulfatos (Ehlmann et al., 2011) ha sido detectada mediante análisis espectral en algunas regiones del planeta rojo.
Referencias:
Cabestrero, Ó. and Sanz-Montero, M.E., 2018. Brine evolution in two inland evaporative environments: influence of microbial mats in mineral precipitation. J. Paleolimnol. 59 (2), 139-157.
Cabestrero, Ó., Sanz-Montero, M.E., Arregui, L., Serrano, S., Visscher, P.T., 2018. Seasonal variability of mineral formation in microbial mats subjected to drying and wetting cycles in alkaline and hypersaline sedimentary environments. Aquat. Geochem. 24 (1), 79-105.
Decho, A.W., 1990. Microbial exopolimeric secrections in oceans environments: their role (s) in food webs and marine processes. Annu. Rev. Oceanogr. Mar. Biol. 28, 73-154.
Del Buey, P., Cabestrero, Ó., Arroyo, X., Sanz-Montero, M.E., 2018. Microbially induced palygroskite-sepiolite authigenesis in modern hypersaline lakes (Central Spain). App. Clay. Sci. 160, 9-21.
Del Buey, P., Sanz-Montero, M.E., Braissant, O., Cabestrero, Ó. Visscher, P.T., 2021. The role of microbial extracellular polymeric substances on formation of sulfate minerals and fibrous Mg-clays. Chem. Geol. 581, 120403.
Dupraz, C. and Visscher, P.T., 2005. Microbial lithification in marine stromatolites and hypersaline mats. Trends. Microbiol. 13, 429-438.
Dupraz, C., Reid, R.P., Braissant, O., Decho, A.W., Norman, R.S., Vissher, P.T., 2009. Processes of carbonate precipitation in modern microbial mats. Earth Sci. Rev. 96, 141-162.
Ehlmann, J.F., Mustard, J.F., Murchie, S.L., Bibring, J.P., Meunier, A., Fraeman, A.A., Langevin, Yves., 2011. Subsurface water and clay mineral formation during the early history of Mars. Nature, 479, 53-60.
Morris R.V., Ruff S., Gellert R., Ming D.W., Arvidson R.E., Clark B.C., Golden D.C., Siebach K., Klingelhöfer G., Scröder C., Fleischer I., Yen A.S., Squyres S. W., 2010. Identification of carbonate-rich outcrops on Mars by the Spirit rober. Science, 329, 421-424.
Sánchez-Román, M., Rivadeneyra, M.Á., Vasconcelos, C. and Mckenzie, J.A., 2007. Biomineralization of carbonate and phosphate by moderately halophilic bacteria. FEMS Microbiol. Ecol. 61, 273-284.
Sánchez-Román, M., Vasconcelos, C., Schmid, T., Dittrich, M. and McKenxie, J.A., 2008. Aerobic microbial dolomite at the nanometer scale: implication for the geologic record. Geology 36, 879-882.
Sánchez-Román, M., Romanek, C.S., Fernández-Remolar, D.C., Sánchez-Navas, A., McKenzie, J.A., Amils Pibernat, R. and Vasconcelos, C., 2011. Aerobic biomineralization of Mg-rich carboantes: implications for natural environments. Chem. Geol. 281, 143-150.
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Pablo del Buey Fernández
Postdoctoral Researcher at Vrije Universiteit Amsterdam
Nací y crecí en Madrid, donde estudié en la Universidad Complutense el Grado en Geología. Institución en la que también he cursado todos mis estudios de postgrado hasta doctorarme en 2022 en el Departamento de Mineralogía y Petrología. Desde que estaba cursando el Grado en Geología me vinculé con la investigación en mineralogía, primero en crecimiento cristalino y durante la Tesis Doctoral en biomineralización en tapices microbianos. A lo largo de mi etapa predoctoral he tenido la oportunidad de realizar dos estancias breves en el extranjero, la primera en 2017, en el Department of Biomedical Engineering (University of Basel), donde aprendí a caracterizar fisicoquímicamente las sustancias poliméricas extracelulares (en sus siglas en inglés, EPS). Posteriormente, en 2019, realicé otra estancia predoctoral en el Department of Earth Sciences (Vrije Universiteit Ámsterdam) trabajando con cultivos microbianos fotosintéticos. En esta última institución, durante el 2023, estoy realizando mi primera estancia postdoctoral como becario Margarita Salas-UCM. En la actualidad, estoy desarrollando con mayor énfasis una de las líneas de investigación que abordé en la Tesis Doctoral, la mineralogía de arcillas de sistemas lacustres, trabajado en coordinación con el Departamento de Mineralogía y Petrología de la Universidad de Granada.
