Geomicrobiology of meromictic, metal-mine pit lakes in the Iberian Pyrite Belt and biotechnological applications María del Carmen Falagán Rodríguez Tesis Doctoral 2015 This PhD project has been funded by the Spanish Ministry of Science and Innovation (BACCHUS research project: “Biotic and Abiotic Controls of Chemical Underwater Stratification of Acidic Pit Lakes of the Iberian Pyrite Belt”; reference number CGL2009-09070) and by the National Programme for the Promotion of Talent and Its Employability, Sub-Programme for Training (BES- 2010-039799) and Sub-Programme for Mobility (Spanish Ministry of Science and Innovation). Other additional funds were received from the Gobierno Vasco (Grupo de Investigación IT-762- 13) and the European Science Foundation under the program “The Functionality of Iron Minerals in Environmental Processes” (FIMIN). Geomicrobiology of meromictic, metal-mine pit lakes in the Iberian Pyrite Belt and biotechnological applications TESIS DOCTORAL 2015 María del Carmen FALAGÁN RODRÍGUEZ Directores Javier Sánchez-España Iñaki Yusta Arnal This thesis was also supervised by D. Barrie Johnson School of Biological Sciences Bangor University ACKNOWLEDGEMENTS During the last four years, I have met quite a few people. No matter how briefly our paths crossed, each one of them has helped me bring this work to completion. I would like to underline that the order of the names mentioned below does not change the fact that, without any of them, I would not be here. I have tried to list them chronologically. A long time ago, when I was still a child, someone told me “estudia si quieres ser alguien en la vida” (“Study hard if you want to achieve great things”). I am where I am now because of this lesson, so the greatest thanks goes to my mother, for her unfailing support during such a long journey. I am indebted to my parents, who always listened to me and encouraged me even when things were most difficult, showing me the way to get back on track. Firstly, I would like to thank Pilar Mata Campo, who first informed me about this project and the opportunity available for this PhD. I am very grateful to my supervisors, Javier Sánchez España and Iñaki Yusta Arnal, for giving me the opportunity to embark on this PhD project. We have surely had our disagreements (as surely happens to most of PhD students and their supervisors) while on other things we strongly agreed, but it is certainly thanks to them that I have been able to complete a work which otherwise would have been impossible to finish. I must also thank them for teaching me how to be a researcher while, at the same time, allowing me to follow my own path. I would like to express my gratitude to the kind and friendly staff in the Instituto Geológico y Minero de España, and to the staff in the laboratories in Tres Cantos, always helpful and patient as I was working on the experiments and causing chaos in the lab with sediments and iron-rich acid water. Carlos M. García Jiménez, from the Estructura y Dinámica de Ecosistemas acuáticos of the Cádiz University, who kindly hosted me during my first year as I was looking for phytoplankton, also deserves my thanks. I would like to thank the staff in the UFZ-Magdeburg, Katrin Wendt-Potthoff and Matthias Koschorrek (and all the other members of the Lake Microbiology Group), for putting me up for over three months, which were fundamental as I moved my first steps in the microbial world, building the foundation for the following research work. I am also grateful to Christina Jeschke (UFC-Halle) who helped me with some of the research for this thesis. Then, I would like to thank the people of the analytical and high-resolution microscopy in biomedicine, Ricardo Andrade e Irene Fernández and the material and surfaces units, Ana Martínez-Amesti, of the SGiker services at the University of the Basque Country, who assisted me with the electronic microscopy work. And finally, words cannot express my immense gratitude to the Bangor Acidophile Research Team crew, Barrie D. Johnson and Barry M. Grail (and those who sadly left the team before the completion of this project: Sabrina Hedrich, Ivan Ñancucheo, Cath M. Kay), who have helped me day after day since my arrival at Bangor. In particular, I would like to thank Barrie D. Johnson for enabling me to stay and work in his group as a long-term visitor; for letting me become part of his team. Also, thank him for teaching me how to become a researcher and helping me with my work on the thesis. Lastly, I must also thank him for introducing me to the amazing world of acidophiles and biomining. Without his input, this thesis simply would not have been the same. On a personal level, I would like to thank my friend Ambra Finotello for her help and for taking one last look at this thesis, checking my Spanglish. RESUMEN Este trabajo aborda la caracterización microbiológica de dos lagos ácidos formados en antiguas explotaciones mineras de la Faja Pirítica Ibérica (Huelva, España), Cueva de la Mora y Guadiana (mina de Herrerías). Estos dos lagos se escogieron como modelo por sus especiales características hidrogeoquímicas y por su condición meromíctica (estratificación permanente). Además de realizar una caracterización microbiológica detallada de ambos lagos, se describen nuevas especies bacterianas presentes en estas aguas ácidas con contenido muy alto de metales disueltos, y también se estudia la posibilidad de usar especies bacterianas presentes en estos ambientes extremos en procesos aplicados de biorremediación y biolixiviación. Cueva de la Mora y Guadiana son dos ejemplos excepcionales de lagos meromícticos con marcados gradientes hidroquímicos y condiciones redox. La columna de agua de ambos lagos está dividida en dos capas, una capa superior (mixolimnion ) oxigenada que sufre periodos de estratificación durante los meses más calurosos y una capa inferior anóxica (monimolimnion ) permanentemente aislada de la atmósfera oxidante. Estas dos capas están separadas por una zona de transición (quimioclina/redoxclina ), que presenta fuertes variaciones verticales de pH, potencial redox y oxígeno disuelto en un espesor de unos pocos metros. Ambos lagos se caracterizan por tener altas concentraciones de metales disueltos (p. ej. Fe, Al, Mn, Cu, Zn, Co, Ni) en toda la columna de agua, y escasas concentraciones de nutrientes (P y - N). El metal predominante en ambos lagos es el hierro que está presente como hierro férrico (Fe(III)) en la capa superior y como hierro ferroso (Fe(II)) en la capa inferior. Gracias al uso de técnicas basadas en biología celular y molecular se ha podido determinar la existencia de tres hábitats distintos en la columna de agua de los lagos Cueva de la mora y Guadiana poblados por comunidades microbiológicas diferentes. Y además se han observado otras comunidades microbianas características de los sedimentos. La columna de agua de ambos lagos está poblada por bacterias acidófilas (p. ej. Acidithiobacillus ferrooxidans , Acidithiobacillus ferrivorans , Leptospirillum ferrooxidans , Acidicapsa sp.) que se distribuyen de forma diferente entre las distintas capas. Mientras que la zona óxica está principalmente poblada por organismos fotosintéticos (p. ej. Pseudococcomyxa simplex ) y bacterias reductoras de hierro (Acidicapsa sp.), la capa de transición presenta mayor diversidad microbiana. En ambos lagos, esta zona de transición está fuertemente condicionada por los ciclos bioquímicos del hierro y del azufre, que se manifiestan con claridad y ejercen un importante control sobre la hidroquímica del lago. Sin embargo, el monimolimnion de ambos lagos es la zona que muestra menor presencia y diversidad bacteriana, hasta el punto de que no se ha podido detectar ninguna especie bacteriana en estas aguas. La distribución vertical de los nutrientes (especialmente el fósforo) parece que juega un papel muy importante en la ecología microbiana de estos lagos determinando la distribución del fitoplancton en la columna de agua que a su vez actúa como fuente de carbono para las capas de agua inferiores. Los sedimentos recogidos de la zona óxica y de la zona anóxica se caracterizan por presentar comunidades microbianas diferentes a las observadas en la columna de agua, siendo también distintas entre ellos. Los sedimentos de la zona óxica son más diversos en cuanto a metabolismos bacterianos dado que aparecen bacterias tanto aeróbicas (p. ej. bacterias oxidadoras de hierro) como anaeróbicas (p. ej. bacterias sulfato-reductoras) mientras que los sedimentos de la zona anóxica están poblados por metabolismos bacterianos anaeróbicos (p. ej. sulfato- reducción). Además, se ha investigado la posible presencia de arqueas en aguas de ambos lagos y en sedimentos. Este grupo de procariotas se ha detectado en aguas del monimolimnion habiéndose observado también en sedimentos tanto de la zona óxica como de la anóxica. Entre las arqueas detectadas, se han encontrado ciertos grupos típicos de ambientes con pH más elevado (p. ej. arqueas metanógenas) incluyendo un filo (Thaumarchaeota ) que incluye especies capaces de oxidar amonio. Durante esta investigación, se aislaron un gran número de bacterias en los lagos Cueva de la Mora (columna de agua y sedimentos) y Guadiana (columna de agua). Aunque se encontraron especies de bacterias acidófilas conocidas mundialmente, incluyendo Acidithiobacillus ferrooxidans y Leptospirillum ferrooxidans , también se han encontrado otras que han resultado corresponder a nuevas especies, e incluso, a géneros bacterianos nuevos que no han sido descritos hasta la fecha (p. ej. “ Acidicapsa ferrireducens ”, Acidibacter ferrireducens , “ Clostridium acididurans ”. De entre todas estas, se eligieron seis para su caracterización fisiológica y se estudió su crecimiento en presencia de algunos metales que están típicamente presentes en estos lagos ácidos (p. ej. Cu, Al, Mn). Como resultado, se proponen cuatro nuevas especies (“ Acidicapsa ferrireducens ”, “ Acidicapsa acidophila ”, “ Granulicella acidophila ” y Acidibacter ferrireducens ) y un género nuevo (Acidibacter sp.) de bacterias acidófilas, así como una especie de bacteria acido-tolerante (“ Clostridium acididurans ”).