Geomicrobiología y Biogeoquímica

Descripción

El grupo de investigación emergente BIOGEOCOM está dedicado a explorar las interacciones entre microorganismos, minerales y materia orgánica en ambientes complejos, incluidos los ecosistemas subterráneos (cuevas y minas) y el patrimonio cultural en piedra, suelos y sedimentos. Uno de sus objetivos clave se centra en la geomicrobiología de las cuevas volcánicas, específicamente en los tubos de lava, para comprender el papel de los microorganismos en los procesos de disolución mineral y biomineralización, y sobre la formación de espeleotemas, la biodegradación de rocas y la pedogénesis en regiones volcánicas.

BIOGEOCOM ha sido pionero en enfoques interdisciplinarios que combinan microbiología clásica, microscopía avanzada, metagenómica, mineralogía y geoquímica, lo que ha llevado a avances significativos en la geomicrobiología de los tubos de lava de las Islas Canarias (España), Selvagens (Portugal), Azores (Portugal), Isla de Pascua (Chile), Monte Etna (Italia) y las Islas Galápagos (Ecuador). Nuestra investigación incluye la identificación de biomarcadores orgánicos y rastros de vida microbiana (denominados biosignaturas) archivados en los espeleotemas, proporcionando valiosos conocimientos sobre las condiciones ambientales pasadas y los orígenes de la vida en la Tierra, lo cual es fundamental para el campo de la Astrobiología. A través de este trabajo, BIOGEOCOM también ha sentado las bases para la detección de vida microbiana en ambientes similares en otros planetas a  través  de colaboraciones con la NASA y la Agencia Espacial Europea (ESA), participando en los programas de formación de astronautas PANGAEA y CAVES. Estos programas incluyeron el diseño de técnicas de muestreo geomicrobiológico para el uso de los astronautas en los tubos de lava planetarios, algo esencial para futuras misiones a la Luna y Marte.  BIOGEOCOM se sitúa así en la intersección de la geomicrobiología y la exploración planetaria, lo cual es crucial tanto para comprender la vida en la Tierra como para explorar el potencial de vida en otros lugares del universo.

Objetivos

El objetivo principal del grupo Geomicrobiología y Biogeoquímica es conocer la diversidad, función y dinámica de las comunidades microbianas que colonizan ecosistemas complejos para entender QUÉ microorganismos crecen en estos ambientes, CÓMO lo hacen (es decir, qué mecanismos y vías metabólicas utilizan) y CUÁL es su papel en los ciclos biogeoquímicos de los elementos.

Los objetivos específicos del grupo son los siguientes:

1. Caracterización morfológica y mineralógica de los sustratos colonizados por microorganismos, mediante técnicas de microscopía electrónica y mineralogía.
2. Estudio de la diversidad, función y dinámica de las comunidades microbianas mediante biología molecular y secuenciación masiva.
3. Aislamiento, cultivo y caracterización de los microorganismos aislados, y descripción de posibles especies nuevas.
4. Caracterización de las actividades antimicrobianas y enzimáticas de los microorganismos aislados.
5. Investigación de las interacciones microorganismo-sustrato y reconocimiento de biominerales y microfósiles almacenados en el registro mineral plausibles para la comprensión del origen de la vida en la Tierra, basado en una amplia variedad de microscopía avanzada y análisis químicos.
6. Caracterización geoquímica de los depósitos de minerales secundarios para establecer su biogenicidad y proporcionar información sobre cambios ambientales preservados en los minerales.

Este abordaje multidisciplinar permite obtener información sobre el papel que desempeñan los microorganismos en la formación y disolución de minerales, la erosión y alteración de las rocas, la movilización de metales del suelo y sedimentos, la biorremediación de suelos y aguas contaminadas por metales, los mecanismos de fosilización, así como la biotransformación de elementos. Además, el estudio de las interacciones microbio-mineral y la caracterización molecular de la fracción orgánica preservada en los espeleotemas, la cual llevamos a cabo en el grupo, puede permitirnos comprender el origen de la vida en la Tierra y otros planetas, así como las alteraciones ambientales registradas en los minerales.

Debido a la creciente demanda en el descubrimiento de nuevas sustancias bioactivas de interés para la industria farmacéutica o la recuperación del medio ambiente, nuestro grupo investiga también microorganismos extremófilos, y sus metabolitos secundarios, aislados de ambientes prístinos, como cuevas volcánicas y cuevas de sal.

Para llevar a cabo estas investigaciones, aplicamos una amplia gama de técnicas que incluyen secuenciación masiva, microbiología clásica, mineralogía, geoquímica orgánica y microscopía avanzada (FESEM, FIB-SEM, TEM, CLSM, Epifluorescencia, micro-CT) para poder avanzar en el conocimiento científico sobre el papel de los microorganismos y sus relaciones con el entorno geológico.

Proyectos en vigor

2024 – 2025: Título: “Microbial Biomineralization for Sustainable Applications (MicroApp)”. Entidad financiadora: CSIC, Programa de Cooperación Científica i-COOP (ref. COOPB23099). IP: A.Z. Miller (IRNAS-CSIC)

10/2022 – 09/2025: Título: “A biodeterioration model to predict biological impact on exposed rock surfaces and open-air rock-art” (ROCKinBIO), Entidad financiadora: Fundação para a Ciencia e a Tecnologia, Portugal (ref. 2022.04830.PTDC). IP: Joana Marques (CIBIO, Porto), co-IP: A.Z. Miller (IRNAS-CSIC).

2023 – 2025: Título: “Pioneer microbial biocenosis and minerogenesis on newly emplaced rocks and lava tubes by Cumbre Vieja volcanic eruption (MICROLAVA)”. Proyectos de investigación de Excelencia de la Junta de Andalucía (PROYEXCEL_00185). IP: A.Z. Miller (IRNAS-CSIC)

2022 – 2024: Título: “Comunidades microbianas pioneras en depósitos volcánicos recientes de La Palma: potencial para su meteorización”. Proyectos de Transición Ecológica y Digital, Ministerio de Ciencia e Innovación (TED2021-130683B-C22). IP: A.Z. Miller (IRNAS-CSIC)

01/2022 – 12/2024: Título: “Estudio geomicrobiológico y biogeoquímico de espeleotemas, suelos y sedimentos: un enfoque multidisciplinar y transfronterizo”, CSIC, Proyecto Intramural Especial (PIE-20214AT021): IP: A.Z. Miller (IRNAS-CSIC)

03/2021 – 02/2025: Título: “Geomicrobiology of volcanic caves from pristine islands: potential for Astrobiology, Biotechnology and Paleoenvironmental Research (MICROCENO)”. Entidad financiadora: Fundação para a Ciencia e a Tecnologia, Portugal (ref. (PTDC/CTA-AMB/0608/2020). IP: A.Z. Miller (IRNAS-CSIC)

11/2020 – 12/2023: Título: “Discovering subsurface microbiota and biominerogenesis in lava tubes from Lanzarote (TUBOLAN)”, Spanish Ministry for Science Innovation and Universities, PID2019-108672RJ-I00 (Programa Estatal de I+D+i Orientada a los Retos de la Sociedad). PI: Ana Z. Miller.

Publicaciones recientes

• Palma V, De la Rosa JM, Onac BP, Martínez-Frías J, Caldeira AT, González-Pérez JA, Jiménez-Morillo NT, Miller AZ* (2024) Decoding organic compounds in lava tube sulfates to understand potential biomarkers in the Martian subsurface. Commun Earth Environ 5, 530. https://doi.org/10.1038/s43247-024-01673-4
• Daniel-Mozo M, Rombolá-Caldentey B, Mendoza I, Ragel P, De Luca A, Carranco R, Alcaide AM, Ausili A, Cubero B, Schumacher K, Quintero FJ, Albert A, Pardo JM (2024). The vacuolar K+/H+ exchangers and calmodulin-like CML18 constitute a pH-sensing module that regulates K+ status in Arabidopsis. Sci Adv. 2024 15;10(46) https://doi.org/10.1126/sciadv.adp7658
• Osman JR, Castillo J, Sanhueza V, Miller AZ, Novoselov A, Cotoras D, Morales D, 2024. Key energy metabolisms in modern living microbialites from hypersaline Andean lagoons of the Salar de Atacama, Chile, Science of The Total Environment 937, 173469, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.173469
• Gutierrez-Patricio, S., Osman, J.R., Gonzalez-Pimentel, J.L., Jurado, V., Laiz, L., Láinez, A., Saiz-Jimenez, C., Miller, A.Z*. 2024. Microbiological exploration of the Cueva del Viento lava tube system in Tenerife, Canary Islands. Environmental Microbiology Reports 16, e13245. http://dx.doi.org/10.1111/1758-2229.13245
• Ghezzi D, Jiménez-Morillo NT, Foschi L, Donini E, Chiarini V, De Waele J, Miller AZ*, Cappelletti M. (2024). The microbiota characterizing huge carbonatic moonmilk structures and its correlation with preserved organic matter. Environmental Microbiome 19, 25.
• Silva I, Dias L, Salvador C, Miller AZ, Candeias A, Caldeira AT (2024). Microbial induced stone discoloration in Alcobaça Monastery: A comprehensive study. Journal of Cultural Heritage 67, 248–257. https://doi.org/10.1016/j.culher.2024.03.011https://doi.org/10.1186/s40793-024-00562-9
• Gatinho P, Salvador C, Gutierrez-Patricio S, Macedo-Arantes S, Martins MR, Silva A, Miller AZ, Caldeira AT (2024). From cultural and natural heritage to reservoir of biomedicine: Prospection of bioactive compounds produced by bacterial isolates from caves. International Biodeterioration & Biodegradation 190, 105773. https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2024.105773
• Palma V, González-Pimentel JL, Jiménez-Morillo NT, Sauro F, Gutierréz-Patricio S, De la Rosa JM, Tomasi I, Massironi M, Onac BP, Tiago I, González-Pérez JA, Laiz L, Caldeira AT, Martínez-Frías J, Cubero B, Miller AZ (2024). Connecting molecular biomarkers, mineralogical composition, and microbial diversity from Mars analog lava tubes. Science of the Total Environment 913, 169583.
  DOI: 10.1016/j.scitotenv.2023.169583
• Addesso R, Baldantoni D, Cubero B, De La Rosa JM, González Pérez JA, Tiago I, Caldeira AT, De Waele J, Miller AZ (2023). A multidisciplinary approach to the comparison of three contrasting treatments on both lampenflora community and underlying rock surface. Biofouling 39, 204-217.
  DOI: 10.1080/08927014.2023.2202314
• De la Rosa JM, Pérez-Dalí SM, Campos P, Sánchez-Martín Á, González-Pérez JA, Miller AZ (2023). Suitability of Volcanic Ash, Rice Husk Ash, Green Compost and Biochar as Amendments for a Mediterranean Alkaline Soil. Agronomy 13, 1097.
  DOI: 10.3390/agronomy13041097
• Nicolosi G, Gonzalez-Pimentel JL, Piano E, Isaia M, Miller AZ (2023). First Insights into the Bacterial Diversity of Mount Etna Volcanic Caves. Microbial Ecology 86, 1632-1645.
  DOI: 10.1007/s00248-023-02181-2.
• Miller AZ, Jiménez-Morillo NT, Coutinho ML, Gazquez F, Palma V, Sauro F, Pereira MFC, Rull F, Toulkeridis T, Caldeira AT, Forti P, Calaforra JM. (2022). Organic geochemistry and mineralogy suggest anthropogenic impact in speleothem chemistry from volcanic show caves of the Galapagos. iScience 25, 104556. DOI: 10.1016/j.isci.2022.104556
• Ferreira RL, Bernard E, Júnior CFW (…), Miller AZ (54/105), Frick W (2022). Brazilian cave heritage under siege. Science 375, 1238–1239. DOI: 10.1126/science.abo1973
• Jimenez-Morillo NT, Almendros G, Miller AZ, Hatcher PG, Gonzalez-Perez JA (2022) Hydrophobicity of soils affected by fires: An assessment using molecular markers from ultra-high resolution mass spectrometry. Science of the Total Environment 817, 152957.
  DOI: 10.1016/j.scitotenv.2022.152957
• Wynne J, Titus T, Agha-Mohammadi A, and authors (Miller AZ 11/37), Williams KE. (2022). Fundamental Science and Engineering Questions in Planetary Cave Exploration. Journal of Geophysical Research: Planets. 127, e2022JE007194. DOI: 10.1029/2022JE007194
• Nicolosi G, Galdenzi S, Messina MA, Miller AZ, Petralia S, Sarbu SM, Isaia M (2022). Sulfidic habitats in the gypsum karst system of Monte Conca (Italy) host a chemoautotrophically supported invertebrate community. International Journal of Environmental Research and Public Health 19, 2671.
  DOI: 10.3390/ijerph19052671
• García-Sánchez AM, Miller AZ, Caldeira AT, Cutillas C. (2022). Bacterial communities from Trichuris spp. A contribution to deciphering the role of parasitic nematodes as vector of pathogens. Acta Tropica 226, 106277.
  DOI: 10.1016/j.actatropica.2021.106277
• Rodrigues A, Alves M, Gutierrez-Patricio S, Miller AZ, Macedo MF (2022). From biodeterioration to creativity: Bioreceptivity of Spruce Pine 87 Glass Batch by Fungi. Applied Sciences 12, 7672.
  DOI: 10.3390/app12157672
• Macedo MF, Miller AZ, Pinheiro AC, Portugal A, 2022. Editorial – Application of Biology to Cultural Heritage. Applied Sciences 12, 841.
  DOI: 10.3390/app12020841
• Pinheiro C, Miller AZ, Vaz P, Caldeira AT, Casanova C. (2022). Underneath the Purple Stain. Heritage 5, 4100-4113. DOI: 10.3390/heritage5040212
• Titus TN, Wynne JJ, Malaska MJ, et al. (Miller AZ 26/42), Wong UY (2021). A Roadmap for Planetary Caves Science and Exploration. Nature Astronomy, 5, 524–525. DOI: 10.1038/s41550-021-01385-1
• Sanmartín P, Miller AZ, Prieto B, Viles HA, (2021). Revisiting and reanalysing the concept of bioreceptivity 25 years on. Science of the Total Environment 770, 145314. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2021.145314
• Wynne JJ, Howarth FG, Mammola S, and authors Miller AZ (39/56), (2021). A conservation roadmap for the subterranean biome. Conservation Letters 14, e12834. DOI: 10.1111/conl.12834
• De Deus M, Miller AZ, Jimenez-Morillo NT (2021). Molecular characterization of burned organic matter at different soil depths and its relationship with soil water repellency: a preliminary result. Agronomy 11, 2560. DOI: 10.3390/agronomy11122560
• Addesso R, Gonzalez-Pimentel JL, D’Angeli IM, De Waele J, Saiz-Jimenez C, Jurado V, Miller AZ, Cubero B, Vigliotta G, Baldantoni D, (2021). Microbial community characterizing vermiculations from karst caves and its role in their formation. Microbial Ecology 81, 884–896. DOI: 10.1007/s00248-020-01623-5
• Jurado V, D’Angeli I, Martin-Pozas T, Cappelletti M, Ghezzi D, Gonzalez-Pimentel JL, Cuezva S, Miller AZ, Fernandez-Cortes A, De Waele J, Sanchez-Moral S, Saiz-Jimenez C. (2021). Dominance of Arcobacter in the white filaments from the thermal sulfidic spring of Fetida Cave (Apulia, southern Italy). Science of the Total Environment 15, 149465. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2021.149465
• Campos P, Knicker H, Miller AZ, Velasco-Molina M, De la Rosa JM (2021) Biochar ageing in polluted soils and trace elements immobilisation in a 2-year field experiment. Environmental Pollution 290, 118025. DOI: 10.1016/j.envpol.2021.118025
• Gonzalez-Pimentel JL, Martin-Pozas T, Jurado V, Miller AZ, Caldeira AT, Fernandez-Lorenzo O, Sanchez-Moral S, Saiz-Jimenez C (2021). Prokaryotic communities from a lava tube cave in La Palma Island (Spain) are involved in the biogeochemical cycle of major elements. PeerJ 9:e11386. DOI: 10.7717/peerj.11386
• Gutierrez-Patricio S, Gonzalez-Pimentel JL, Miller AZ, Hermosin B, Saiz-Jimenez C, Jurado V. 2021. Paracoccus onubensis sp. nov., a novel alphaproteobacterium isolated from the wall of a show cave. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology 71, 004942. DOI: 10.1099/ijsem.0.004942
• Campos P, Miller AZ, Prats SA, Knicker H, Hagemann N, De la Rosa JM. (2020). Biochar amendment increases bacterial diversity and vegetation cover in trace element-polluted soils: A long-term field experiment. Soil Biology and Biochemistry 150, 108014. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.108014
• Pozo-Antonio JS, Sanmartín P, Serrano M, De la Rosa JM, Miller AZ, Sanjurjo-Sanchez J (2020). Impact of wildfire on granite outcrops in archaeological sites surrounded by different types of vegetation. Science of the Total Environment 747, 141143.
  DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.141143
• De la Torre Noetzel R, Ortega García MV, Miller AZ, Bassy O, Granja C, Cubero B, Jordão L, Martínez-Frías J, Rabbow E, Backhaus T, Ott S, García Sancho LG, de Vera JP. (2020). Lichen Vitality After a Space Flight on Board the EXPOSE-R2 Facility Outside the International Space Station: Results of the Biology and Mars Experiment. Astrobiology 20, 583-600. DOI: 10.1089/ast.2018.1959
• D’Angeli IM, Naylor LA, Lee M, Miller AZ, Mylroie J, De Waele J. (2020). Light attenuation as a control for microbiogeomorphic features: Implications for coastal cave speleogenesis. Geomorphology 354, 107054. DOI: 10.1016/j.geomorph.2020.107054
• Miller AZ, De la Rosa JM, Jimenez-Morillo NT, Pereira MFC, Gonzalez-Perez JA, Knicker H, Saiz-Jimenez C (2020). Impact of wildfires on subsurface volcanic environments: New insights into speleothem chemistry. Science of the Total Environment 698, 134321.
  DOI: 10.1016/j.scitotenv.2019.134321
• Miller AZ, García-Sánchez AM, Coutinho, ML, Costa Pereira MF, Gázquez F, Calaforra JM, Forti P, Martínez-Frías J, Toulkeridis T, Caldeira AT, Saiz-Jimenez C (2020). Colored Microbial Coatings in Show Caves from the Galapagos Islands (Ecuador): First Microbiological Approach. Coatings 10, 1134. DOI: 10.3390/coatings10111134
• Coutinho ML, Veiga JP, Macedo MF, Miller AZ (2020). Testing the feasibility of titanium dioxide sol-gel coatings on Portuguese glazed tiles to prevent biological colonization. Coatings 10, 1169. DOI: 10.3390/coatings10121169

Divulgación de la Ciencia

• Exploración de los nuevos tubos de lava formados durante la erupción del Volcán Tajogaite en La Palma, Canarias (sept. – dic. 2021):

• • Informativos Telecinco (13/03/2024): https://www.telecinco.es/noticias/sociedad/20240313/octavio-fernandez-espeologo-tubo-lavico-volcan-tajogaite_18_011963793.html

  • Noticias Cuatro (13/03/2024): https://www.cuatro.com/noticias/sociedad/20240313/entramos-primera-vez-tubos-lavicos-volcan-tajogaite-palma_18_011966239.html

• Impacto de la erupción del volcán Tajogaite en los suelos preexistentes de La Palma (Proyecto HIRES-SOM):

  • Informativos Telecinco (14/03/2024): https://www.telecinco.es/noticias/sociedad/20240314/erupcion-palma-crecimiento-plataneras-lava_18_011975320.html

  • RTVE Canarias (13/03/2024): https://www.instagram.com/rtvecanarias/reel/C4dXtm-y2ek/

• Expedición científica a las remotas Islas Salvajes, Portugal, en el marco del proyecto MICROCENO (julio 2021):

  • «Projecto Microceno: uma nova gruta nas ilhas mais distantes». Revista National Geographic Portugal, edición Noviembre 2021, pp. 38-49 https://nationalgeographic.pt/natureza/grandes-reportagens/2868-projecto-microceno-uma-nova-gruta-nas-ilhas-mais-distantes

  • Newsletter de la Agencia Espacial Portuguesa: “As grutas das Ilhas Selvagens podem ter vista para Marte”: https://ptspace.pt/pt/as-grutas-das-ilhas-selvagens-podem-ter-vista-para-marte/

  • Telediario RTP Madeira: https://www.rtp.pt/madeira/sociedade/microbiologia-e-mineralogia-das-grutas-vdeo_69572?fbclid=IwAR2a62Y_15kR8llWhFvqh1O4dnRfrLZTZiasALrFtU3RoyApr8Jx5_aNxbE

• Estudio de la microbiota de los tubos de lava de Lanzarote, proyecto TUBOLAN:

  • La Vanguardia (25/05/2021): https://www.lavanguardia.com/ciencia/20210525/7471426/cuevas-lanzarote-laboratorio-buscar-vida-marte.html

Servicio Científico Técnico del Grupo

El Servicio de Microscopía Confocal del IRNAS presta sus servicios tanto a los miembros del propio Instituto como a otros investigadores del CSIC. El Servicio incluye el encendido y puesta en marcha del equipo y la asistencia técnica opcional por el personal responsable.

El Servicio cuenta con un Microscopio Confocal espectral Olympus FV1000.

Nuestros usuarios son principalmente del campo de la biología aunque de forma ocasional puedan realizarse estudios de materiales.

Las muestras que usualmente analizamos son cultivos in vivo de microorganismos, tejidos vegetales y animales, biofilms y superficie de materiales.

Contacto: Instituto de Recursos Naturales y Agrobiología de Sevilla (IRNAS – CSIC) – Avda. Reina Mercedes, 10, 41012, Sevilla

Teléfono: 954624711, ext 440538
e-mail: servicio_microscopia[AT]irnas.csic.es
Responsable científico: Beatriz Cubero

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