ACTIVITATEA GEOLOGICA A MICROORGANISMELOR

ACTIVITATEA GEOLOGICA A MICROORGANISMELOR

Geomicrobiologia sau litobiologia este un domeniu al ecologiei microorganismelor, cu carcater interdisciplinar, rezultat din confluenta unor concepte apartinand microbiologiei generale, geologiei, ecologiei si stiintelor solului.

Formarea si degradarea unor minerale, initial s-a realizat fara interventia microorganismelor. In prezent este demonstrat in mod cert ca, dupa formarea lor, diferite tipuri de roci situate la suprafata scoartei sau aproape de suprafata sunt expuse fortelor fizice, chimice si biologice, care le degradeaza la particule mici sau la compusi hidrosolubili.

Geomicrobiologia studiaza rolul microorganismelor in transformarile substantelor minerale, in formarea, eliberarea si migrarea titeiului in zacamant, precum si in formarea zacamintelor de carbuni.

Unele microorganisme folosesc direct substantele minerale, ca surse de energie (donori de e^- sau de hidrogen) sau ca acceptori de e^- sau hidrogen. Nevoia de substante minerale este foarte mare, atunci cand ele sunt utilizate ca sursa de energie.

Unele microorganisme din mediile naturale pot transforma cantitati mari de substante minerale prin doua mecanisme diferite:

1) prin actiune enzimatica directa (oxidare, reducere, hidroliza);

2) pe cale neenzimatica (indirecta), prin actiunea unor produsi finali de metabolism. Pe aceasta cale se pot realiza patru tipuri de interactiuni: a) coroziunea materiei insolubile prin efectul acizilor anorganici (azotic, sulfuric, carbonic) sau acizilor organici; b) precipitarea carbonatilor, a sulfatilor si a sulfurilor produse in metabolism; c) adsorbtia oxizilor de Fe si Mn pe structurile extracelulare a bacteriilor; d) chelatarea, reactie prin care un compus organic produs pe cale metabolica poate complexa un ion metalic, protejandu-l de precipitare, oxidare sau reducere.

Procesele de transformare ale mineralelor sunt cel mai mult studiate in cazul bacteriilor, dar au loc si sub actiunea fungilor, a algelor, a protozoarelor, a lichenilor, a unor plante superioare si chiar a unor metazoare.

Transformarile microbiene ale fierului si manganului

Fierul, al patrulea element ca abundenta in natura este prezent in cea mai mare parte, in forme insolubile, inaccesibile circulatiei biogeochimice. Ciclul fierului poate fi redus la reactii de oxidare ale Fe feros la Fe feric si de reducere a Fe feric la Fe feros.

Reactiile de oxido-reducere sunt importante atat pentru compusii anorganici, cat si pentru cei organici ai Fe.

Fe³⁺ si Fe²⁺ au solubilitati diferite: Fe³⁺ (feric) precipita in mediul alcalin ca hidroxid feric, iar in conditii anaerobe poate fi redus la forma feroasa mai solubila. In conditii naturale, in habitate aerobe Fe este prezent in special in stare oxidata (ferica). In anerobioza se acumuleaza Fe feros.

Bacteriile provenite din medii naturale sau cultivate pe medii cu Fe si Mn, examinate la microscopul electronic au evidentiat existenta depozitelor de Fe si Mn cu localizari selective.

Magnetosomii sunt depusi intracelular, dar compusii cu Fe si Mn pot fi depusi extracelular, la nivelul polimerilor ce formeaza stratul mucos. Matricea polimerica este impregnata cu metale. Fixarea metalelor ar fi rezultatul unui proces de precipitare nespecifica, ulterior adsorbtiei fierului coloidal pe gruparile acide ale polimerilor.

Pe baza observatiilor privind asocierea frecventa a depozitelor de Fe cu unele structuri celulare si cu polimerii extracelulari se considera ca depozitarea Fe s-ar putea realiza prin mecanisme biologice, dar si pe cale abiotica.

Oxidarea biologica a Fe²⁺ s-ar realiza in conditii de microaerofilie, la pH 6,6, dar si in apele oligotrofe bine aerate, slab alcaline. Dupa depunerea oxizilor de Fe in matricea polimerica, fenomene de cataliza abiotica ar accelera fenomenele de depunere. Apa care se scurge prin formatiunile de nisip dizolva sarurile feroase. Cand ajung la suprafata, mecanismele oxidative convertesc Fe²⁺ la Fe³⁺, care precipita ca hidroxid feric, ce formeaza depozite brun-ruginii in izvoare, pe suprafata pietrelor in apele care curg lent ca o pelicula iridescenta de Fe(OH)₃.

Autooxidarea are loc rapid in conditii de aerobioza, la pH neutru. Se formeaza Fe(OH)₂ si Fe(OH)₃, oxizi incarcati pozitiv, care se pot lega de polimerii bacterieni electronegativi.

Datorita O₂ atmosferic, cel mai mult Fe din biosfera este in stare oxidata (Fe³⁺). Reducerea Fe feric (Fe³⁺) la Fe²⁺ este rezultatul activitatii bacteriilor heterotrofe din g. Alcaligenes, Bacillus, Proteus si Pseudomonas, precum si a unor fungi (Mulder, 1972).

Manganul, element esential pentru toate organismele se gaseste in natura fie in forma redusa (Mn²⁺), fie in forma oxidata (Mn³⁺).

Oxidarea ionului manganos (Mn²⁺) la ion manganic (Mn³⁺ sau Mn⁴⁺) se poate realiza pe trei cai:

1) Calea pur chimica, realizabila in anaerobioza, la pH 9,0, cu formare de MnO₂, insolubil in apa.

2) Oxidarea in prezenta hidroxiacizilor (acid malic, citric, gluconic) este posibila la pH mai mare de 8,0 si in prezenta unor concentratii mari de Mn. Mecanismul ei nu exclude interventia unor microorganisme.

3) Oxidarea biologica este realizata de manganobacterii si de unii fungi: Leptothrix sp., Gallionella, Hyphomicrobium, Sphaerotilus, Metallogenium, etc. Reactia dupa care bacteriile si fungii ar oxida Mn²⁺ este:

Mn²⁺ + 1/2 O₂ MnO₂ + 2H⁺

Oxidarea s-ar produce pe suprafata celulelor bacteriene sub actiunea oxidazelor sau a catalazelor, fara beneficiu pentru microorganisme.

Microorganismele se pare ca au rol important in geneza nodulilor de Mn. Nodulii sunt concretiuni minerale, bogate in oxizi de Fe si Mn, prezenti pe fundul marilor si oceanelor. Pot contine pana la 65% MnO₂. Marimea lor variaza intre 1 mm si 20 cm diametru. Microorganismele ar constitui suprastructura solida pe care s-ar acumula oxizii de Fe si Mn.

Biosolubilizarea metalelor. "Lesierea" bacteriana

Procedeele de biosolubilizare sunt reunite sub denumirea de lesiere (engl. leaching, de la "to leach" a extrage; fr. "lixiviation" de la lat. "lixivium" lesie). Termenul caracterizeaza ansamblul procedeelor tehnice si tehnologice, care duc la eliberarea metalelor din zacaminte sau din depozitele de steril. Ele includ: sfaramarea minereului, extractia si selectia unei anumite categorii de minerale si de concentrate, solubilizarea propriu-zisa realizata de bacterii sau de metabolitii lor si extractia metalelor din solutie.

Procedeele se incadreaza in preocuparile cunoscute sub denumirea de hidrometalurgie microbiana (Brierley, 1986).

Rolul bacteriilor in acest proces a fost sugerat de Colmer si Hinkle (1947), care au remarcat prezenta constanta a bacteriei T. ferooxidans, in apele de drenaj ale minelor de carbune. Aceasta bacterie, in asociere cu T. thiooxidans "dizolva" metalele din zacaminte.

Microorganismele care produc lesierea metalelor sunt, in special, chemolitotrofe, acidofile. Au fost implicate T. ferooxidans, T. thiooxidans, Leptospirillum ferooxidans si Sulfolobus acidocaldarius.

T. ferooxidans are rol fundamental in procesele de biosolubilizare. Se izoleaza curent din apele acide ale minelor de carbune si are rolul de a converti Fe²⁺ la Fe³⁺. In plus, oxideaza compusii sulfului, cu diferite grade de oxidare: sulfurile (S^2-) solubile si insolubile, sulful nativ (S⁰), tiosulfatul (S₂O₃^2-) sau tetrationatul (S₄O₆^2-). Produsul oxidarii este sulfatul.

Oxidarea Fe²⁺ si a S⁰ se pot realiza spontan, fara interventia bacteriilor, sub actiunea O₂ in aer, dar procesul este lent si lipsit de semnificatie practica. Reactia este accelerata de 200000-500000 ori in prezenta bacteriei T. ferooxidans.

Mecanismele biosolubilizarii. In procesul de solubilizare a metalelor din zacaminte, bacteriile pot actiona pe doua cai:

- pe cale directa, respectiv prin oxidarea mineralelor sulfurate;

- pe cale indirecta, participand la oxidare prin producerea Fe³⁺ si a acidului sulfuric.

Biosolubilizarea indirecta este procedeul prin care metalele sunt eliberate din mineralele insolubile, prin intermediul oxidantilor chimici produsi de microorganisme. Reactiile chimice caracteristice lesierii indirecte se pot produce si ca oxidari pur chimice, dar activitatea microorganismelor accelereaza mult viteza reactiilor chimice.

In lesierea indirecta, bacteriile produc Fe feric (Fe³⁺) ca Fe₂(SO₄)₃ prin oxidarea Fe feros (Fe²⁺) solubil. Fe₂(SO₄)₃ este un oxidant puternic si dizolva o mare varietate de metale pe care le transforma in ioni oxidanti solubili intr-o solutie de acid sulfuric.

Lesierea produsa sub actiunea Fe₂(SO₄)₃ este numita indirecta, deoarece are loc in absenta bacteriilor viabile, ca si in absenta O₂. In cursul acestei reactii, reapare Fe feros, care este rapid reoxidat de bacterii. De aceea, lesierea indirecta se numeste lesiere "asistata".

In acest proces, interventia bacteriei T. ferooxidans mareste viteza reactiei de oxidare de peste 1 000 000 ori.

Reactiile de oxidare "asistata" a piritei (FeS₂) sunt urmatoarele:

Biosolubilizarea directa se realizeaza fara participarea sulfatului feros produs pe cale bacteriana, deoarece metalele sunt eliberate din minereul insolubil direct, prin metabolismul oxidativ al microorganismelor. Bacteriile se leaga fizic pe suprafata sulfurilor metalice si transfera in cursul metabolismului lor energetic, e^- de la Fe sau S, pe atomii de oxigen. Existenta acestui mecanism aerob a fost demonstrata la T. thiooxidans. Consecinta este solubilizarea metalului, dupa reactia:

SM (sulfura metalica) + 2O₂ MSO₄. M este un metal bivalent.

Recuperarea metalelor prin acumulare de catre microorganisme

Capacitatea microorganismelor acvatice de a concentra ionii metalici din solutiile lor diluate prin adsorbtie sau absorbtie directa din apa a fost demonstrata de Riley (1965) si este consecinta proprietatii de a fixa si precipita intracelular sau pe suprafata lor, metalele din solutie. In prima etapa are loc interactiunea stoichiometrica a metalului din solutie cu gruparile chimice reactive de pe suprafata peptidoglicanului. Ulterior, dupa complexare, situsurile respective devin "centre de nucleare", la nivelul carora continua procesul de depunere a metalului sub forma de precipitate chimice.

Se admite existenta a doua modalitati majore de bioacumulare:

1) complexarea metalelor cu sarcini electropozitive, la gruparile functionale electronegative ale suprafetei celulare sau ale polimerilor extracelulari;

2) acumularea metalelor in citoplasma microorganismelor. Ambele modalitati au fost demonstrate atat in variantele lor "active", prin interventia celulelor vii, cat si "pasive", adica in prezenta celulelor moarte.

Procesele active de acumulare a metalelor sunt asociate cu celulele vii si au la baza interactiunile cu suprafata celulelor, reactii de oxido-reducere, de schimb ionic, de precipitare, de inglobare intracelulara. Procesele de acumulare se realizeaza prin urmatoarele mecanisme:

1) Reducerea metalelor de catre microorganisme, ceea ce implica o diminuare a valentei lor. Este cel mai bine cunoscut in cazul reducerii Hg. Ionul mercuric (Hg²⁺) este inglobat de un sistem de transport activ si este redus de reductaza mercurica la Hg⁰, care difuzeaza din celula in faza apoasa, fiind pierdut prin volatilizare. Ionii de Fe feric actioneaza ca acceptori de e^- si sunt redusi in conditii de microaerofilie sau anaerobioza. Oxizii de mangan sunt redusi sub actiunea unor produsi de metabolism, iar S⁰ este redus la H₂S si sulfit.

2)Precipitarea metalelor sub actiunea sulfurilor produse de bacteriile sulfat-reducatoare. Desulfovibrio sp., Desulfotomaculum produc H₂S care reactioneaza cu cationii metalici liberi sau adsorbiti, pe care ii precipita sub forma de sulfuri metalice.

3)Recuperarea argintului din suspensiile acvatice este un proces foarte eficient, al carui mecanism nu este precizat.

Acumularea intracelulara a metalelor are loc dupa un mecanism incomplet elucidat, dar este extrem de rapida: Ps. aeruginosa acumuleaza 100 mg uraniu/litru de suspensie in mai putin de 10 secunde, iar uraniul ajunge sa reprezinte circa 50% din greutatea celulara uscata. Explicatia fenomenului este urmatoarea: bacteriile poseda sisteme de transport dependente de temperatura si energie, necesare preluarii din mediu a ionilor de Mg² , Ca² , K⁺, Na⁺, SO₄^2-, etc. Desi aceste mecanisme sunt foarte selective, nu este exclusa posibilitatea unor substituiri. In consecinta, anumiti ioni cu sarcina negativa (CrO₄^2-, SeO^2-, VO₄^2-, WO₄^2-, MoO₄^2-) pot folosi sistemul de transport al sulfatului (SO₄^2-), acumulandu-se in celula. In plus, unele microorganisme poseda proteine foarte specifice pentru legarea metalelor. Una dintre ele, metalotioneina, contine numerosi aminoacizi cu sulf. Prin plierea catenei polipeptidice se formeaza situsuri active de chelatare, de exemplu, situsuri HS^-. Actiunea metalotioninei explica posibilitatea cianobacteriei Synechoccus de a fixa 1,28 atomi de Cd/molecula.

Depozitarea interna este bine cunoscuta la bacteria Aquaspirillum magnetotacticum, care include in structura sa magnetosomi alcatuiti din magnetita (FeO₄). Magnetosomii sunt acoperiti de o membrana, asemanatoare ca structura chimica, celorlate membrane celulare.

Procesele pasive de acumulare a metalelor (biosorbtia) sunt consecinta sarcinii electronegative nete a celulelor bacteriene. Polizaharidele capsulare au o sarcina neta negativa. Astfel, biosorbtia descrisa de Brierley (1990) este rezultatul atractiei electrostatice dintre cationii metalici si situsurile anionice ale suprafetei bacteriene. Pe aceasta cale ionii de fosfat (PO₄^3-), carboxil (R-COO^-), hidroxil (HO^-) si sulfhidril (HS^-) "adsorb" ioni metalici electropozitivi, rapid si reversibil, independent de temperatura si de metabolismul energetic.

Descoperirea fenomenelor de bioacumulare a deschis calea unor biotehnologii menite sa asigure indepartarea metalelor (Cu, Cr, Al, Ni, Fe, U, Pb, Cd) din apele uzate industriale. Procedeul poate fi folosit pentru combaterea poluarii, refacerea apelor de suprafata sau freatice contaminate, precum si pentru recuperarea metalelor respective, cu consecinte economice importante.

Biosorbantii produsi in prezent sunt reprezentati de granule de biomasa microbiana sau de polimeri (exopolizaharide sau componente ale peretelui celular). Ei sunt compactati intr-o masa rezistenta la influentele mediului inconjurator, cu forme si dimensiuni adecvate, precum si cu capacitate de regenerare.

Biosorbantii leaga metalele prin reactii de schimb ionic, prin precipitare consecutiva fenomenului de nucleare amorsat de metalul legat initial si prin complexare. Rolul lor este asemanator cu al rasinilor schimbatoare de ioni, dar capacitatea de legare a complexelor metalice este mult mai mare decat al acestora. Dupa desorbtia metalelor legate, biosorbantii pot fi refolositi in mod repetat. Pentru producerea lor poate fi folosita biomasa microbiana ramasa neutilizata de la alte biotehnologii (productia de antibiotice, fermentatii etc).

Biosorbantii se folosesc in special pentru indepartarea cationilor metalelor grele din apele uzate, in special Cd, Cu, Pb si Zn.

Rolul microorganismelor in formarea zacamintelor de petrol

Petrolul (latin, petra roca, oleum ulei) este un amestec complex, extrem de heterogen, de hidrocarburi gazoase, lichide si solide, la care se adauga numerosi compusi ai carbonului si hidrogenului cu O, N, S, P.

Dupa ZoBell (1963), proportia diferitelor elemente este urmatoarea: C - 82,2-87,1%; H - 11,7-14,7%; S - 0,1-5,5%; N - 0,1-1,5%; O - 0,1-4,5%; saruri minerale - 0,1-1,2%.

Teoriile asupra genezei petrolului nu au explicat caracterul reactiilor chimice din care a rezultat complexul ce contine mii de hidrocarburi.

In prezent exista un acord general asupra faptului ca petrolul s-a format ca si carbunele, din materia organica, supusa unor conditii speciale de mediu si continua sa se formeze si in prezent.

Sursa de baza pentru formarea combustibililor fosili este reprezentata de plantele superioare in mediul terestru, iar in mediul acvatic, furnizorul de biomasa este fitoplanctonul alcatuit de diatomee, dinoflagelate si unele Chrysophyceae, in special cocolitoforidele. Se adauga resturile organice provenite din lantul trofic complex al mediului acvatic (din zooplancton, animale marine, microorganisme).

Formarea petrolului, la temperaturi si presiuni moderate ar avea loc in doua etape: una initiala, biologica, in cursul careia masa organica este atacata si modificata de bacterii si o a doua, foarte indelungata, de transformari fizico-chimice.

In favoarea participarii microorganismelor la formarea zacamintelor pledeaza mai multe argumente:

- petrolul este absent in formatiunile geologice pur anorganice;

- in zacaminte a fost evidentiata frecvent prezenta unor microfosile de animale marine,

fragmente de lemn pietrificat, crustacee mici, spori fungici, rasini vegetale etc;

- prezenta in zacamintele de mare adancime (2000-2950 m) a unor bacterii care pentru

crestere necesita temperaturi si presiuni mari;

unele bacterii, in conditii artificiale sintetizeaza unele hidrocarburi simple;

prezenta, in special in fractiunile grele ale petrolului, a unor "molecule chimice fosile" provenite din organismele vii: alcani de tipul C₁₅H₃₂ (probabil originari din alge), alcani de tipul C₂₉H₆₀ (originari, se pare din plante superioare), acid cholanic (de origine animala) etc.

Bacteriile actioneaza in mod cert asupra materiei organice precursoare, pentru a o transforma intr-un produs care seamana mai mult cu petrolul decat cu materialul original, protopetrol. Stadiile finale de conversie a protopetrolului in titei brut sunt de natura fizico-chimica.

Faza initiala - biologica corespunde transformarii constituientilor majori (glucide, proteine, lipide) din structura organismelor moarte, sub actiunea bacteriilor. Initial, actioneaza bacteriile facultativ anaerobe care consuma O₂ dizolvat in apele din adanc, diminua cantitatea de substanta organica si deschid calea actiunii microorganismelor anaerobe.

Faza a doua - fizico-chimica este de lunga durata. Cea mai mare parte a materiei organice trece in aceasta faza. In cursul ei, lipidele, prin modificari structurale minore formeaza molecule din categoria "fosilelor geochimice", iar aminoacizii si glucidele simple, prin policondensare, formeaza acizii humici si fulvici, asemanatori celor descrisi in sol. Ei formeaza humusul marin, produs complex, coloidal, asemanator celui din sol. Continuarea procesului de policondensare si a celui de sedimentare realizeaza transformarea sedimentului organic in kerogen, care reprezinta sursa principala de formare a petrolului, a gazelor si a sisturilor bituminoase.

Procesul de sedimentare continua zeci, chiar sute de milioane de ani, in conditii in care temperatura creste cu circa 30^oC/km. Kerogenul, format din nuclei poliaromatici, legati prin lanturi alifatice sufera un proces de degradare termica menajata, care are drept consecinta disparitia gruparilor functionale (acid, ester, cetona, etc.) si mentinerea nucleilor poliaromatici. Se produc rearanjari moleculare, eliminarea CO₂, H₂O si a produsilor oxigenati, degradarea lanturilor alifatice, determinand formarea titeiului.

Titeiul contine cantitati variabile de sulf, intre 0,025 si 6%, sub forma legata in peste 200 de molecule organice complexe sau ca S elementar, sulfati, sulfuri, tiosulfat.

Se admite ca sulful din petrol este rezultatul activitatii bacteriilor sulfat-reducatoare, active in faza de sedimentogeneza asupra compusilor cu sulf din mediu pe care ii introduce in combinatii organice complexe. Microorganismele realizeaza si interactiile inverse, de desulfurizare in situ, prin degradarea compusilor sulfului cu eliberare de H₂S.

Dupa formare, titeiul este regasit in stare dispersata si conservat ca atare in roca-mama. Pentru a forma zacaminte, el trebuie sa migreze si sa se acumuleze in rezervorul poros (migrarea primara). Apoi se deplaseaza in interiorul rezervorului pentru a se acumula la nivelul unei capcane anticlinale sau a unor crapaturi in strat (migrare secundara).

Bacteriile au un rol esential in procesul complex de eliberare, migrare si acumulare a titeiului, realizabil pe mai multe cai:

1) degradarea matricei organice a resturilor vegetale, cu eliberarea picaturilor de titei, care se reunesc prin coalescenta;

2) dizolvarea carbonatilor din rocile pe care este adsorbit si formarea de canalicule si spatii goale;

3) producerea de CO₂, CH₄, H₂ si alte gaze, care reduc vascozitatea, in special cand se afla sub presiune, favorizand scurgerea pana la capcane;

4) producerea de acizi grasi si substante tensioactive, care actioneaza asupra titeiului adsorbit sau aflat in emulsia apoasa.