Journey to Earth’s prehistoric past: scientific expedition explores extremophiles in Copahue Volcano

For 9 days, reaching 2,900 meters above sea level and only 100 meters away from the crater, a group of researchers explored and collected samples from the Copahue volcano and its surroundings, located in the BioBío Region of Chile and the Neuquén province of Argentina.

A multidisciplinary group of scientists, led by the researcher of Centro Basal Fundación Ciencia y Vida, Raquel Quatrini, explored the microbial ecosystem inhabiting the water bodies that emanate from the Copahue volcano, at limit between Chile and Argentina. The research is one of the first metagenomic studies carried out in the area that, among other things, will contribute knowledge on extremophile microorganisms that are of great interest for the mining industry in Chile and elsewhere.

The journey began on March 2, departing from Santiago towards Los Angeles, and then into the Andes Mountains. Surrounded by an intense smell of sulfur dioxide, the researchers carried out exhaustive work, collecting hundreds of samples from different parts of the system, traversing the environmental gradient that characterizes the area. But why is this system of scientific interest?

The area of Copahue or “place of sulfur” by its translation in Mapuche language, is characterized by a diverse landscape including high altitudes, rivers, waterfalls, lakes and lagoons. The region is known for its natural beauty and biodiversity, with endemic flora and fauna. On the slopes of the volcano, and accompanying the water course of the Agrio River, one can find forests of araucarias, ñires and lengas, as well as different species of animals such as lizards, condors, pumas and foxes.

For the research team, the place is an interesting study model due to its volcanic-glacial origin, and its particular characteristics. At the volcano heights, eternal ice, hot springs and fumaroles, ash and volcanic rocks encrusted with elemental sulfur are observed. The mixture of meltwater, with acidic hydro geothermal fluids which emanate from two springs at the base of the crater, gives rise to the Río Agrio. This water course enriched in sulfur and other chemical elements, provides the optimal conditions for the proliferation of several of the extremely acidophilic microorganisms, on which their study focuses.

In its nearly 40 kilometers of trajectory downhill, several freshwater tributaries dilute the Agrio River, generating habitats with different physicochemical characteristics that are the home of varied communities of microbial acidophiles. At the springs, communities resemble those of thermal environments; further downstream communities bear the signatures of those present in active mining sites, and others with characteristics of abandoned drainages.

“We have different types of communities in a single system, along a common longitudinal axis, which is the Agrio River, and which varies in its physicochemical characteristics. This is ideal for addressing community assembly studies,” explained Raquel Quatrini, PhD in Microbiology and expert in microbial genomics.

Acidophiles

Although most life occurs within normal pH, pressure, temperature and salinity ranges, there are microorganisms that have evolved adaptations that allow them to survive and thrive in environments with extreme characteristics, which are hostile or uninhabitable for most organisms. Examples of this are habitats with high pressure where only barophilic organisms proliferate; those with elevated temperatures where thermophiles are found, or habitats with extremely acidic pH where acidophiles prosper. All these microorganisms (extremophiles) deal with their extreme environments through a variety of biological and physiological mechanisms that border on science fiction.

Due to their capacity to endure extreme acidity and high concentrations of metals in solution, acidophiles are of great interest for the mining industry. Leaching is a process in which metals are extracted from rocks using chemical solutions. These are often highly acidic and toxic, harmful for both the environment and human health. In this context, mining biotechnologies offers a more ecological and safer alternative, increasing the recovery rates of metals of interest (such as copper) through the use of acidophilic microorganisms in bioleaching processes.

“For long, experts in biomining considered that a single microorganism (native or modified) could suffice to recover metals from a given mineral matrix. Today, instead, we consent that different sets of microorganisms, which we designate as ‘communities’ or ‘consortia’, are indeed responsible for mineral dissolution. These communities harbor the capacities to carry out the various reactions required to drive bioleaching under the changing conditions of active bioprocesses”, explained Dr. Quatrini. “How communities or the alternative states of these communities are configured to carry out these activities, or ecosystem functions, is not fully understood,” she added.

One of the objectives of the expedition was to collect concentrates from the native communities, which will be kept in bioreactors, and used in various community assembly tests to be carried out in the lab. “We will study how the communities are structured, modeling the metagenomic data collected from sites across the physicochemical gradient of the Río Agrio and the metadata recovered in this, and in previous sampling campaigns. In addition, we are going to carry out in vitro community assembly experiments, to test aspects of the models under controlled conditions”, commented the researcher Raquel Quatrini. 

“From the integration of these different study approaches, we expect to be able to understand how these communities are structured, what their composition is, how they change in space and time, that is, how communities assemble in alternative states over time as environmental factors gradually change across the rivers course”, she added.

Community outreach

The area surrounding the volcano generates great touristic interest. This is greatly due to the “Copahue Hot Springs”, located 18 km away from the town of Caviahue, famed  for  the curative and therapeutic properties of its waters. The thermal waters oscillate between 35° and 80° C (Celsius), and contain a wide variety of minerals such as iron, sulfur, calcium and magnesium, among others. 

Since 1870 they have been acknowledged for their ability to relieve muscle and joint pain, to improve blood circulation, reduce stress and anxiety, among other benefits. “They have a completely different approach to the hot springs that one knows in Chile, which are more recreational. At the Copahue Hot Springs, work is being done to treat pathologies using the different resources that come from the hot springs and other thermal manifestations, said the Universidad San Sebastian researcher and participant in the expedition, Simón Beard.

However, not all the waters that surround the Copahue Volcano have healthy and safe characteristics for humans, since there are significant concentrations of toxic ions, such as arsenic and fluoride.

“Part of this project seeks generating knowledge that is useful for the general public, making people aware of the peculiar characteristics of this system, so it may safeguarded and not excessively intervened. It is important that the unique characteristics of this system are recognized, so that it is not thought of as a system that should be remedied or repaired,” Beard said.

Considering several of its characteristics, the environments of this geothermal park recall the characteristics of the primitive world and provide unique windows to explore the evolutionary scenarios that have shaped life on our planet.

Collaborative work

The team led by Dr. Raquel Quatrini, from the Microbial Ecophysiology Laboratory of the Basal Center Fundación Ciencia & Vida, and associate professor at Universidad San Sebastian, explored the extreme system for 9 days in the company of collaborators.  Simón Beard, also researcher at USS and member of the team, evaluated the experience very positively. “There was a lot of mutual support among team members. Expeditions of this nature are very demanding physically and mentally, calling for high levels of diligence, tolerance and hard work, despite little sleep. Even if this is typical of field activities, hurdles’ are exacerbated in extreme environments, and this generate a very important strengthening of the work team”, he commented.

Away from the field, the project counts with the participation of different areas of knowledge, such as Computational Biology. Through a collaboration with doctor in biotechnology, Tomás Pérez-Acle, Director of the Basal Center Fundación Ciencia y Vida, said “data will be taken from the communities collected at different points along the Agrio River that runs downhill the Copahue volcano – almost as an introspection to the past, to the prehistoric past of the Earth – with the idea of understanding how these microbial communities work together almost as a kind of macroscopic living being”, explained Pérez-Acle.

“We will use mathematical algorithms and computational analyses to take the information of these multiple organisms that exist at each of the sampling points, and evaluate how this macroorganism changes as it moves along this gradient, because there is a temperature gradient, a chemical gradient, a physical gradient, which in some way makes life change”, he added.

The project financed by a FONDECYT project of the National Agency for Research and Development (ANID) is supported by international collaborators Dr. Alejandra Giaveno and Dr. Ricardo Ulloa, both from the University of Comahue, in the province of Neuquén in Argentina, and by Dr. Barrie Johnson, professor of Environmental Biotechnology at the University of Bangor in the United Kingdom, among others.

This project will contribute relevant information and knowledge on this type of extreme systems and the extremophilic communities that inhabit it, with eventual projections applied in biomining and environmental remediation. “All this study on the community structure, the assembly rules and the stability of acidophilic communities in the face of changes that occur in the environmental gradient, has direct application in the field of bioleaching, environmental protection and mitigation of damage from environmental contamination that can occur as a consequence of mining activity”, emphasized Dr. Quatrini.

Viaje al pasado prehistórico de la Tierra: expedición científica explora extremófilos en volcán Copahue

Durante 9 días, alcanzando los 2900 metros sobre el nivel del mar y a solo 100 metros del cráter, grupo de investigadores exploró y colectó muestras del volcán Copahue y su entorno, ubicado en la Región del Biobío de Chile y la provincia de Neuquén de Argentina.

Un grupo multidisciplinario de científicos, liderados por la investigadora del Centro Basal Fundación Ciencia y Vida, Raquel Quatrini, exploraron el ecosistema microbiano de los cuerpos de agua que emanan del volcán Copahue, ubicado en el límite de Chile y Argentina. La investigación es uno de los primeros estudios metagenómicos que se realiza del lugar que, entre otras cosas, aportará al conocimiento de microorganismos extremófilos de gran interés para la minería en Chile y el mundo.

La travesía inició el 2 de marzo desde Santiago hacia Los Ángeles, para luego adentrarse en la Cordillera de los Andes. Con un intenso olor a dióxido de azufre en el ambiente, los investigadores realizaron un exhaustivo trabajo colectando cientos de muestras de distintos puntos del sistema, recorriendo el gradiente ambiental que caracteriza la zona. Pero, ¿por qué es de interés científico este sistema?

El entorno del volcán “Copahue” o “lugar de azufre” por su traducción en mapuche, se caracteriza por su paisaje de alta montaña, ríos, cascadas, lagos y lagunas. La región es conocida por su belleza natural y biodiversidad, con flora y fauna endémica. A las faldas del volcán, y acompañando el curso de agua del Río Agrio, se pueden encontrar bosques de araucarias, ñires y lengas, así como diferentes especies de animales como lagartijas, cóndores, pumas y zorros.

Para el equipo de investigación el lugar es un modelo de estudio interesante por su origen volcánico-glacial y sus particulares características. En las partes más altas del volcán, se observan hielos eternos, hervideros y fumarolas, ceniza y rocas volcánicas con incrustaciones de azufre elemental.  La mezcla de aguas de deshielo con fluidos hidrogeotermales acídicos, que emanan de dos vertientes en la base del cráter, da origen al Río Agrio. Este curso descendente de agua enriquecida en azufre y otros elementos químicos, proveen las condiciones óptimas para la proliferación de varios de los acidófilos, microorganismos extremófilos en los que se enfoca el estudio.

Asimismo, en los cerca de 40 kilómetros de recorrido que tiene el Río Agrio -montaña abajo-, varios afluentes de agua dulce diluyen el sistema generando hábitats con distintas características fisicoquímicas que albergan comunidades de microorganismos acídicos variados. Es decir, arriba se pueden encontrar comunidades con características que son propias de ambientes termales; en otro punto, comunidades con características que son propias de sistemas mineros operativos y activos, y otras con características de un drenaje abandonado.

“Tenemos distintas fórmulas comunitarias en un mismo sistema con un eje longitudinal que los une, que es el Río Agrio, y con características físico-químicas variables, lo que es ideal para abordar este tipo de estudios de ensamblaje de comunidades”, explicó Raquel Quatrini, doctora en Microbiología y experta en genómica microbiana.

Los acidófilos

Aunque la mayor parte de la vida ocurre en rangos de pH, presión, temperatura y salinidad normales, existen microorganismos que se han adaptado y logran sobrevivir y prosperar en ambientes de características extremas, que resultan hostiles o inhabitables para la mayoría de los organismos. Ejemplo de ello son hábitats con alta presión donde solo proliferan organismos barófilos; aquellos con temperaturas elevadas donde se encuentran los termófilos, o hábitats con pH extremadamente ácido donde pululan los acidófilos. Todos estos microorganismos (extremófilos) logran adaptarse a ambientes extremos a través de una variedad de mecanismos biológicos y fisiológicos que bordean la ciencia ficción.

Debido a su capacidad para tolerar altos niveles de acidez y metales en solución, los acidófilos se han convertido en un foco de gran interés para la minería. La lixiviación es un proceso en el que se extraen metales de las rocas utilizando soluciones químicas. Sin embargo, las soluciones utilizadas en este proceso suelen ser muy ácidas y tóxicas, lo que puede generar efectos perjudiciales para el medio ambiente y la salud humana. En ese contexto, la biotecnología minera ofrece una alternativa más ecológica y segura, incrementando las tasas de recuperación de metales de interés (como el cobre) mediante el uso de microorganismos acidófilos en procesos de biolixiviación.

“Originalmente, en el ámbito de la biominería, se pensaba que se podía usar un único microorganismo (nativo o modificado) para lograr recuperar los metales de una matriz mineral dada. Sin embargo, con el tiempo hubo consenso en que, en realidad, los responsables de la disolución mineral son diversos conjuntos de microorganismos, a los que designamos ‘comunidades’ o ‘consorcios’. Y estas comunidades albergan las capacidades necesarias para llevar a cabo las diversas reacciones bajo las condiciones cambiantes de los bioprocesos activos”, explicó la doctora Quatrini. “Cómo se configuran las comunidades o los estados alternativos de las comunidades para llevar a cabo estas actividades o funciones ecosistémicas, eso no está del todo comprendido”, agregó.  

Uno de los objetivos de la expedición fue colectar concentrados de las comunidades nativas, las que serán sostenidas en biorreactores y que permitirán llevar a cabo diversos ensayos de ensamble comunitario. “Vamos a estudiar cómo se estructuran las comunidades, a partir de los datos metagenómicos colectados desde distintos del gradiente fisicoquímico del Río Agrio, modelando la información recuperada en esta y otras campañas de muestreo anteriores. Y no solo eso, vamos a hacer experimentos de ensamble de comunidades in vitro, para probar aspectos de los modelos bajo condiciones controladas”, comentó lainvestigadora Raquel Quatrini.

“El resultado que esperamos obtener de la integración de estas distintas aproximaciones de estudio es comprender cómo se estructuran, qué composición tienen, cómo cambian esas comunidades en el espacio y el tiempo, es decir, cómo se ensamblan las comunidades en estados alternativos a lo largo del gradiente en la medida que los factores ambientales cambian gradualmente”, agregó.

Vinculación con la comunidad

La zona que rodea al volcán genera gran interés turístico, principalmente por las Termas de Copahue, ubicadas a unos 18 km de la localidad de Caviahue, conocidas por sus aguas termales ricas en minerales y propiedades curativas y terapéuticas.  Sus aguas tienen temperaturas que oscilan entre los 35° y 80° C (Celsius) y contienen gran variedad de minerales como el hierro, el azufre, el calcio y el magnesio, entre otros.

Desde 1870 se reconoce que estas aguas pueden aliviar dolores musculares y articulares, mejorar la circulación sanguínea, reducir el estrés y la ansiedad, entre otros beneficios. “Tienen un enfoque completamente distinto a las termas que uno conoce en Chile, que son más bien recreativas. En la Termas de Copahue se trabaja en el tratamiento de patologías utilizando los distintos recursos que provienen de las termas y de los afloramientos termales”, señaló el investigador asociado a la Universidad San Sebastián y participante de la expedición, Simón Beard.

Sin embargo, no todas las aguas que rodean el Volcán Copahue tienen características saludables y seguras para el ser humano, ya que existen concentraciones importantes de iones tóxicos, como el arsénico y el flúor.

“Parte de este proyecto tiene que ver con vincular e informar a la comunidad, de las características de este sistema para que se cuide, para que no se intervenga excesivamente. Es importante que se reconozcan las características propias y únicas que tiene este sistema, para que no se piense que es un sistema que se deba remediar o reparar”, indicó Beard.

Considerando varias de sus características, los ambientes de este parque geotermal recuerdan las características del mundo primitivo y proveen de ventanas únicas para explorar los escenarios evolutivos que han dado forma a la vida de nuestro planeta.

Trabajo colaborativo

El equipo dirigido por la Dra. Raquel Quatrini, del Laboratorio de Ecofisiología Microbiana del Centro Basal Fundación Ciencias & Vida y profesora asociada de la Universidad San Sebastián (USS), realizó la expedición con la compañía y participación de estudiantes e investigadores quienes durante 9 jornadas exploraron el sistema extremo. Entre ellos Simón Beard, investigador asociado de la USS, quien evaluó positivamente el desempeño del equipo de investigación.  “Hubo mucho apoyo colaborativo entre los distintos miembros del equipo. Desde el punto de vista humano, este tipo de expediciones involucran mucho trabajo, atención y esfuerzo físico, poco sueño y muchas horas de convivencia; todas  esas cosas que son propias de actividades de campo, pero que se exacerban en ambientes extremos, generan un afiatamiento del equipo de trabajo muy importante”, comentó.

A su vez, el proyecto contará con la participación de distintas áreas del saber cómo es el caso de la Biología Computacional. A través de una colaboración con el doctor en biotecnología, Tomás Pérez-Acle, Director del Centro Basal Fundación Ciencia y Vida, “se tomarán datos de las comunidades recolectadas  en distintos puntos a lo largo del Río Agrio que baja del volcán Copahue -que es casi una introspección al pasado, al pasado prehistórico  de la Tierra – con la idea entender  de qué manera estas comunidades de microorganismos  forman casi una especie de ser vivo  macroscópico”, explicó Pérez-Acle.

“Lo que se va a hacer es usar algoritmos  matemáticos computacionales  para tomar la información de estos múltiples organismos que existen en cada uno de los puntos de muestreo, y ver cómo este macroorganismo va cambiando a medida que va moviéndose por este gradiente, porque hay un gradiente de temperatura, un gradiente químico, un gradiente físico,  que de alguna manera hace que la vida vaya cambiando”, agregó.

Asimismo, el proyecto financiado por FONDECYT de la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID) cuenta con la colaboración internacional de la Dra. Alejandra Giaveno y el Dr. Ricardo Ulloa, ambos de la Universidad de Comahue, de la provincia de Neuquén de Argentina y el Dr. Barrie Johnson, profesor de Biotecnología Ambiental de la Universidad de Bangor de Reino Unido, entre otros colaboradores.

Este proyecto aportará antecedentes relevantes para el conocimiento de este tipo de  sistemas extremos y de las comunidades de extremófilos, con eventuales proyecciones aplicadas en  biominería y remediación ambiental. “Todo este estudio sobre la estructura comunitaria, la reglas de ensamblaje y la estabilidad de las comunidades de acidófilos frente a los cambios que ocurren en el gradiente ambiental, tiene aplicación directa en el ámbito de la biolixiviación, de  la protección ambiental y de la mitigación de daño de contaminación ambiental que puede ocurrir como consecuencia de la actividad minera”, enfatizó la Dra. Quatrini.

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