Extremophilic microorganisms from natural and artificial environments: Bioprospecting and Biotechnological Applications

La Tierra es el hogar de una gran biodiversidad de microorganismos, que recientemente se ha estimado en 10(12) o más taxones microbianos que habitan nuestro planeta. Durante décadas, se han explorado los ambientes naturales para estudiar sus comunidades microbianas, así como los mecanismos de adaptación específicos de las especies que los componen y sus potenciales aplicaciones biotecnológicas. No solo los entornos naturales sino también los artificiales tienen interés como fuentes de diversidad microbiana. Investigaciones anteriores sobre el microbioma de los productos hechos por el hombre revelaron que los dispositivos artificiales con un diseño y un procedimiento de operación estándar representan presiones selectivas particulares, como ocurre con los paneles solares, cafeteras, lavadoras, lavavajillas, sistemas de refrigeración por aire y sistemas de calentamiento de agua, que dan como resultado la selección de un microbioma que no cambia significativamente dentro de las variaciones geográficas o climáticas. Sin embargo, esos ambientes artificiales y sus comunidades microbianas han recibido poca atención. En la presente tesis doctoral, estudiamos el microbioma de varios ambientes artificiales y semiartificiales, especialmente aquellos con presiones selectivas particulares como la desecación, la radiación ultravioleta, la salinidad, la privación de nutrientes, las temperaturas extremas, la actividad de agua y las variaciones de pH. Nuestros resultados mostraron que, además del microbioma asociado al ser humano, que puede constituir una fracción considerable de los dispositivos artificiales, los consorcios microbianos ambientales no patógenicos acabn estableciéndose en esos ambientes. Entre todas esas comunidades microbianas, algunas especies son extremófilas y algunas pueden tolerar las condiciones extremas de su entorno, albergando una variedad de mecanismos de supervivencia, como la esporulación y/o la formación de biopelículas. Algunos otros han desarrollado evolutivamente mecanismos adaptativos intercelulares e intracelulares para hacer frente a las duras condiciones ambientales. Objetivos El objetivo de esta tesis doctoral es caracterizar las comunidades microbianas de algunos ambientes artificiales y semiartificiales que se encuentran bajo constantes presiones selectivas particulares tales como irradiación UV, desecación, salinidad, privación de nutrientes, baja temperatura y disponibilidad de oxígeno. Para ello, se utilizaron análisis NGS y culturómicos para describir las comunidades microbianas asociadas con chicles desechados, sales de mesa y la máquina de hielo de un laboratorio. Además, estudiamos la sucesión de la comunidad microbiana en la colonización de productos sintéticos como la goma de mascar desechada. Se identificaron especies microbianas asociadas con productos artificiales como goma de mascar, sales de mesa y dispositivos completamente manufacturados, como la máquina de hielo, y hemos discutido su potencial para aplicaciones biotecnológicas. También aislamos y caracterizamos microorganismos individuales de esos ambientes utilizando medios y métodos estándar para determinar su actividad biológica. Una nueva especie del género Sagittula, previamente aislada del desecho marino (una lata de aluminio) se caracterizó mediante enfoques fenotípicos multiómicos. Capítulo I - Metodología, resultados y discusión En esta disertación, hemos estudiado el bacterioma de los chicles desechados, los cuales son a menudo desechados indebidamente en calles, terrazas, aceras o pavimentos exteriores de cualquier tipo. Generalmente, los chicles se componen de dos fases: la fase insoluble en agua (base de goma) y la fase soluble en agua, que puede estar hecha de azúcar o alcoholes de azúcar como polioles. El componente principal de cualquier goma de mascar es la base de goma (20-30 %), que no es comestible ni digerible, se puede producir a partir de polímeros naturales o sintéticos y tiene propiedades similares a las del plástico. Los chicles desechados a menudo se consideran contaminantes ambientales y tienen además un componente estético muy negativo. Estudios anteriores muestran que el ADN del consumidor y el microbioma oral pueden quedar atrapados en el residuo pegajoso, pero la supervivencia del microbioma oral a lo largo del tiempo solo ha recibido una atención limitada hasta la fecha. Por primera vez, hemos estudiado el contenido microbiano de los chicles desechados muestreados en diferentes lugares del mundo, así como la distribución de bacterias según la profundidad (en tres fases: la superficie, la capa intermedia y la base del chicle, en contacto con el sustrato) y hemos realizado un estudio dinámico para descubrir la sucesión microbiana que tiene lugar en el chicle durante las primeras semanas después de que sea descartado en una superficie al aire libre. Además, hemos evaluado la capacidad de biodegradación de los ingredientes de la goma de mascar de una colección de cepas bacterianas que aislamos de los residuos de la goma de mascar. Las sucesiones microbianas a partir del bacterioma oral atrapado en el proceso de masticación en la goma de mascar desperdiciada mostraron que el bacterioma oral fue gradualmente sustituido, en los chicles descartados sobre el pavimento, por bacterias ambientales durante tres meses de exposición al aire libre. Mientras que el grupo del microbioma salival se detectaron principalmente como géneros predominantes Streptococcus, Corynebacterium, Haemophilus y Rothia, bacterias ambientales transportadas por el aire como Acinetobacter spp., Sphingomonas spp. Pseudomonas spp. y Rubellimicrobium spp. colonizaron la goma de mascar desperdiciada transcurridas varias semanas. De hecho, el microbioma oral presente en los chicles recién masticados primero fue sustituido por taxones transitorios como Cellulomonas spp. y Rubellimicrobium, que no persistieron hasta el final del experimento. Es interesante recalcar que Cellulomonas spp. se ha descrito por las capacidades de secretar múltiples enzimas degradadoras de polisacáridos. Por tanto, se puede plantear la hipótesis de que estos colonizadores primarios del chicle desperdiciado pueden modificar las características de la superficie, permitiendo la colonización posterior de microorganismos secundarios. Curiosamente, varios chicles desechados recolectados en todo el mundo contienen un típico bacterioma ambiental de biopelícula subaérea, caracterizado por especies como Sphingomonas spp., Kocuria spp., Deinococcus spp. y Blastococcus spp., que están habitualmente presentes en ambientes naturales y artificiales expuestos al sol, como paneles solares, y que suelen estar caracterizados por la formación de biofilms o biopelículas. La biopelícula permite que la población microbiana afronte mejor el estrés y se vuelva más resistente a las condiciones ambientales desfavorables, como la baja actividad del agua y la privación de nutrientes. Además, algunos de los miembros de esos géneros pueden degradar las cadenas aromáticas policíclicas que forman parte de la base de la goma. En nuestrio trabajo, se estableció una colección de cepas bacterianas de chicles desechados y se analizó la capacidad de biodegradación de diferentes ingredientes de chicles por parte de los aislados. Nuestros resultados sugieren que la bioaumentación de algunas de las cepas que caracterizamos puede usarse como una estrategia de biorremediación para eliminar los residuos de chicle de los pavimentos contaminados. También mostramos que no hay diferencias significativas en términos de las comunidades microbianas de las diferentes capas de chicle, lo que sugiere que las propiedades fisicoquímicas de un chicle no cambian a lo largo de su profundidad y los factores selectivos como son la radiación de UV y la actividad del agua forman una comunidad bacteriana particular. En conjunto, nuestros resultados sugieren que las bacterias ambientales desempeñan un papel en la biodegradación natural de la goma de mascar y también pueden ser una fuente de cepas con propiedades de biodegradación. Esta investigación fue el primer informe que caracterizó, desde un enfoque holístico, la composición bacteriana del chicle desechado, y recibió el premio IgNobel de ecología a las investigaciones sorprendentes en septiembre de 2021. Capítulo II - Metodología, resultados y discusión También estudiamos el microbioma de otro entorno semiartificial, las sales de mesa, producidas en diferentes salinas marinas y continentales. En los hábitats salinos naturales, las arqueas y las bacterias halófilas son las comunidades microbianas predominantes. Esos ambientes salinos son en los que se produce, por cristalización, la sal de mesa comercial. La mayoría de las sales comerciales se refinan y se muelen finamente antes de su distribución. Por lo tanto, esos microorganismos pueden quedar atrapados en las inclusiones fluidas durante el proceso de cristalización y seguir siendo viables después de la extracción y el envasado. Hay muy pocos informes sobre el microbioma de la sal de mesa y tienden a centrarse en los taxones de arqueas. Sin embargo, el presente trabajo describe una caracterización completa del bacterioma de dichas sales, donde se estudió la diversidad de microorganismos halotolerantes y halófilos en seis muestras comerciales de sal de mesa mediante técnicas dependientes e independientes del cultivo. Se obtuvieron tres sales de mesa de origen marino: del Océano Atlántico, del Mediterráneo (Isla de Ibiza) y de las marismas del Odiel (sal marina de Mercadona). También se utilizaron otras sales complementadas con ingredientes minerales y nutricionales: sal rosa del Himalaya, sal negra de Hawai y una sal vegetal seca conocida como sal Vikinga. Independientemente del origen de las sales, las especies de géneros bacterianos como Flavobacterium, Bacillus y Yoonia-Loktanella fueron los taxones más abundantes, mientras que las arqueas más frecuentes fueron Natronomonas, Halolamina, Halonotius, Halapricum, Halobacterium, Haloarcula y Halobacterales. Curiosamente, los resultados de la secuenciación del gen 16S rRNA revelaron que las sales de origen marino muestran una taxonomía de arqueas similar, pero con variaciones significativas entre los géneros. Los taxones Halorubrum, Halobacterium, Hallobellus, Natronomonas, Haloplanus, Halonotius, Halomarina y Haloarcula prevalecieron en las sales marinas. Además, el género Salinibacter se detectó solo en sales de origen marino. La sal rosa del Himalaya, la sal negra de Hawai y la sal Vikinga mostraron perfiles taxonómicos más heterogéneos dominados por bacterias. Estas sales no marinas a menudo se enriquecen con minerales o saborizantes adicionales, como hierro, sulfato de hidrógeno, carbón activo y vegetales secos. La sal del Himalaya se extraía de las estribaciones de la cordillera del Himalaya que alguna vez fueron mares. El género más importante en esta muestra fue Sulfitobacter. Podría plantearse la hipótesis de que Sulfitobacter aparece en una cantidad tan significativa en esta muestra debido a la actividad que muestra este género para oxidar los sulfitos, que están presentes en altas concentraciones en la región del Himalaya. Otra muestra del grupo no marino es la sal Vikinga, que presenta una alta frecuencia de cloroplastos (más del 66 % de su perfil taxonómico) y mitocondrias (4.7 % del total), lo que puede ser consecuencia de su composición actual (contiene diferentes vegetales). El género Bacillus también estuvo presente en esta muestra. Este género contiene ciertas especies tolerantes a la sal. Además, se puede suponer que las bacterias que se originan a partir de minerales o sabores adicionales se inocularon en la sal durante el proceso de producción. Además, existen otras posibles explicaciones para la prevalencia de bacterias sobre arqueas en esas muestras. De hecho, la sal enriquecida con vegetales secos tiene menos contenido de cloruro de sodio. La alta salinidad (por encima del 20 - 25 % p/v de NaCl) es el factor principal para la supervivencia de las haloarqueas. Por lo tanto, la salinidad como factor abiótico es la principal presión selectiva para establecer la población microbiana en los paquetes de sal de mesa junto con la presencia de otros ingredientes. Como era de esperar, aislamos cepas de las sales de mesa que estaban estrechamente relacionadas con bacterias (en general, moderadamente) halófilas. Se estableció una colección de 76 especies de bacterias y haloarqueas halotolerantes y halófilas mediante el cultivo en diferentes medios con una amplia gama de salinidad y composición de nutrientes. La comparación de los resultados de la metataxonómica y la culturómica del gen 16S rRNA reveló que los microorganismos cultivables Acinetobacter, Aquibacillus, Bacillus, Brevundimonas, Fictibacillus, Gracilibacillus, Halobacillus, Micrococcus, Oceanobacillus, Salibacterium, Salinibacter, Terribacillus, Thalassobacillus, Haloarcula, Halobacterium y Halorubrum se identificaron al menos en una muestra por ambos métodos. Aunque la mayor parte del microbioma de las sales de mesa eran bacterias halófilas y arqueas, algunos microorganismos potencialmente patógenos como Enterococcus sp. y Brevundimonas sp. se identificaron en casi todas las muestras, mientras que bacterias potencialmente consideradas como beneficiosas como Lactobacillus sp. solo se detectaron en algunas sales de mesa. Esto sugiere que la sal de mesa puede ser una fuente de algunas de las bacterias halotolerantes que se caracterizan como microorganismos promotores de la salud o patógenos, cuya conexión con la salud del consumidor debería recibir más atención. Por otro lado, se ha monitorizado la producción de carotenoides en una variedad de bacterias y arqueas aisladas. La mayoría de los microorganismos aislados de la sal de mesa son productores de carotenoides. Los carotenoides son pigmentos que pueden ser incoloros, amarillos, naranjas o rojos, y están constituidos principalmente por isoprenoides lipofílicos C40, como compuestos antioxidantes y desempeñan un papel crucial en la protección de las células, especialmente al reducir los hidroperóxidos en compuestos estables, prevenir la formación de radicales libres, inhibir la reacción en cadena de auto-oxidación y en la irradiación de alta intensidad mediante la extinción del oxígeno monoatómico. Además, los carotenoides pueden actuar como quelantes de metales y convertir los iones tóxicos de hierro y cobre en moléculas no tóxicas. Parece que, en un entorno de estrés múltiple como la sal de mesa, la producción de pigmento podría ser un mecanismo de supervivencia, especialmente para los microorganismos halotolerantes, frente a la salinidad y la desecación y probablemente evitar que las células sufran daños irreversibles. Capítulo III - Metodología, resultados y discusión Además de los alimentos o residuos alimentarios, los dispositivos artificiales pueden albergar poblaciones microbianas potencialmente interesantes. En esta tesis, también estudiamos el microbioma de una máquina de hielo de laboratorio estándar, cuya bomba de extracción de agua estaba obstruida por una biopelícula espesa y gomosa. Describimos la composición de esta comunidad microbiana oligotrófica que habita este dispositivo a través de técnicas independientes y dependientes de la cultura. Mediante el uso de culturómica en ocho medios diferentes a tres temperaturas psicrófilas y mesófilas, se aislaron e identificaron taxonómicamente 25 cepas microbianas diferentes. Las cepas bacterianas aisladas de la biopelícula de máquina de hielo están estrechamente afiliadas a los géneros Acidovorax, Bacillus, Chryseobacterium, Delftia, Flavobacterium, Hydrogenophaga, Methylobacterium, Nocardia, Peribacillus, Pseudomonas, Prolinoborus, Rhodococcus, Sphingomonas. A nivel de especie los hongos también se identificaron como Aspergillus austroafricanus, Cadophora luteo-olivacea, Briansuttonomyces eucalypti, Filobasidium magnum, Neomicrosphaeropsis italica, Penicillium citrinum y Vishniacozyma victoriae. Entre todos, se observó una mayor diversidad de cepas microbianas a 25 ºC frente a otras temperaturas de incubación; 4 y 10 ºC. Aquí, la esporogénesis puede desempeñar un papel clave, ya que algunas especies estrechamente relacionadas con las cepas presentes en la tubería de drenaje de la máquina de hielo, como los géneros Bacillus y Peribacillus, se han descrito anteriormente como bacterias formadoras de esporas. Una posible explicación de la mayor biodiversidad de las especies aisladas a 25 ºC en comparación con las otras dos temperaturas puede estar relacionada con la alta abundancia relativa de bacterias formadoras de esporas en la biopelícula. El análisis de secuenciación de alto rendimiento 16S rRNA e ITS reveló que Bacteroidota y Proteobacteria eran los filos bacterianos más abundantes en la muestra, seguidos de Acidobacteriota y Planctomycetota, mientras que la comunidad fúngica estaba claramente dominada por la presencia de un género desconocido de la familia Didymellaceae. A nivel de género, la comunidad bacteriana se caracterizó por la presencia de Sediminibacterium sp., con una abundancia relativa superior al 40 %, seguida de otros géneros, Hydrogenophaga sp. y Methyloversatilis sp. A pesar de la gran abundancia de especies de Sediminibacterium según los resultados de la NGS y las condiciones de cultivo favorables, que se utilizaron previamente para aislar Sediminibacterium spp. de otros ambientes oligotróficos, no fue posible aislar ninguna cepa de este género. Esto puede ser debido a la falta de factores abióticos específicos, como el pH ácido y la concentración de sal, que son necesarios para algunos miembros de este género, como Sediminibacterium lactis y Sediminibacterium halotolerans, respectivamente. En los ambientes de bajo contenido en nutrientes como es ciertas aguas continentales, los géneros Hydrogenophaga spp. y Methyloversatilis spp. se ha reportado que permanecen dentro de las biopelículas en lugar de en formas planctónicas. La alta abundancia de Hydrogenophaga sp. en los ecosistemas oligotróficos naturales reveló que especies de Hydrogenophaga como Hydrogenophaga laconesensis, tienen una capacidad de adaptación a la vida oligotrófica. Investigaciones anteriores también sugirieron que Hydrogenophaga sp. son capaces de hidrolizar agua, utilizando el metabolismo del hidrógeno como fuente de energía, lo que podría afectar la composición microbiana de la biopelícula. El análisis de coordenadas principales (PCoA) mostró que las muestras más similares a la biopelícula de la máquina de hielo eran dos muestras de biopelícula provenientes de depuradores de aire biológicos en una instalación de alojamiento porcino, así como una muestra de biocrust del suelo del Ártico. De hecho, a pesar de la baja similitud entre las muestras, estas cuatro muestras compartían hasta seis géneros (Pseudoxanthomonas, Ferruginibacter, unknown Comamonadaceae, Clostridium sensu stricto 1, unknown Microbacteriaceae y Brevundimonas) identificados mediante NGS, mientras que en los otros 51 géneros encontrados en el hielo el microbioma de la máquina también se encontró en al menos una de las otras muestras. Además, el análisis de diversidad alfa demostró que la muestra de la máquina de hielo, a pesar de mostrar un alto número de ASV observados, es relativamente menos diversa, es decir, más homogénea en su composición. Finalmente, las comparaciones de diversidad alfa y beta de la comunidad microbiana de la máquina de hielo con la de otros ambientes fríos revelaron una baja similitud entre las muestras. Para complementar la información taxonómica de la comunidad microbiana, también se realizó secuenciación metagenómica (shotgun). A partir de la secuenciación metagenómica de shotgun, las lecturas más frecuentes correspondieron al reino Bacteria mientras que menos de una cuarta parte correspondió a hongos. Sediminibacterium, Methyloversatilis e Hydrogenophaga también se identificaron como principales taxones de biopelículas mediante secuenciación metagenómica. Además, Stagonosporopsis sp, perteneciente a la familia Didymellaceae, fue el género más abundante entre los eucariotas. Esto está en concordancia con los resultados obtenidos del análisis de secuenciación ITS, en el que también predominaron los miembros de la familia Didymellaceae. La recuperación y el análisis de genomas ensamblados en metagenoma (MAG) de alta calidad arrojaron una tasa sorprendentemente alta de nuevas especies potenciales en la máquina de hielo. Cada MAG se clasificó taxonómicamente usando MiGA y luego se calculó el índice de Identidad Promedio de Nucleótidos (ANI) al vecino filogenético más cercano. Sorprendentemente, todas las MAG se clasificaron como especies potencialmente nuevas con un valor ANI <95 %, excepto MAG 14 que se identificó como Mycobacterium gordonae DSM 44160(T) con un valor ANI de 98,32 %. En general, tres MAG se pudieron clasificar hasta el nivel de género, cinco se clasificaron para nivel de familia, tres a nivel de orden, dos a nivel de clase y cuatro a nivel de phylum. Además, con una resolución taxonómica más alta que la proporcionada por los MAG, hemos encontrado que las bacterias detectadas en la máquina de hielo corresponden a varias especies nuevas, que no hemos podido cultivar hasta la fecha. Como mostraron los resultados de la metataxonómica y la metagenómica, la biopelícula de la máquina de hielo está formada por la cooperación de microorganismos aeróbicos, anaeróbicos, heterótrofos y quimiotrópicos de múltiples especies, lo que podría mejorar la tolerancia al estrés, la producción de biomasa, aumentar la señalización y la cooperación metabólica entre la comunidad. A medida que aumenta el número de especies en la biopelícula, las interacciones dentro de la comunidad de múltiples especies afectan a los flujos de carbono y nitrógeno. En este caso, probablemente cada población microbiana tiene un papel crucial dentro de la comunidad en los ciclos biogeoquímicos. La singularidad del microbioma de la máquina de hielo podría resultar del efecto de ambas presiones selectivas simultáneamente, el frío y la escasez de nutrientes. Los microorganismos psicooligotróficos son capaces de crecer y reproducirse lentamente a temperaturas que oscilan entre -20 °C y +10 °C en ambientes con niveles muy bajos de nutrientes. En este caso, las sustancias exopolisacáridas bacterianas (EPSs) y los micelios fúngicos podrían actuar como una red de intercambio de nutrientes y más particularmente de elementos como el carbono y el nitrógeno. Por tanto, se puede plantear la hipótesis de que la biopelícula oligotrófica de la máquina de hielo es un nicho microbiano relativamente cerrado, que podría ser en gran medida independiente de los recursos nutricionales externos debido a la cooperación de diferentes especies. Además de la oligotrofia, la máquina de hielo también es un entorno psicro-alcalino debido a que la temperatura del depósito de agua de la máquina de hielo era bastante baja (alrededor de 5 ºC); y el pH era ligeramente alcalino (pH 8,2 ± 0,1). Así que, en resumen, la comunidad microbiana dinámica de la máquina de hielo consta de varias especies nuevas, formadas bajo presiones selectivas poliextremas de baja temperatura, pH ligeramente alcalino y oligotrofia. Recientemente, se han detectado y extraído enzimas adaptables al frío y crioprotectores de comunidades microbianas oligo-psicrofílicas, lo que sugiere que los entornos poliextremos representan diversidad microbiana, con diversas aplicaciones biotecnológicas. Dado que el microbioma de la máquina de hielo comprende nuevas especies y puede tolerar este estrés multiextremo, esto sugiere que la máquina de hielo tiene una prevalencia sorprendentemente alta de especies no descritas anteriormente, que pueden tener interés en aplicaciones biotecnológicas, especialmente en condiciones oligotróficas y/o poliextremófilas. Capítulo IV - Metodología, resultados y discusión Por otro lado, en la presente tesis doctoral, describimos una nueva especie de bacteria asociada a desechos que fue aislada del sedimento interior de una lata de aluminio desechada de la playa de la Malvarrosa. Los desechos marinos como el plástico y el aluminio se distribuyen en todo el mundo, lo que representa un problema ambiental importante y constituye nuevos nichos ecológicos que pueden albergar nuevas especies microbianas. Por ello, llevamos a cabo una caracterización polifásica de la cepa M10.9X(T), para descubrir el posible potencial de este microorganismo desde un punto de vista de biorremediación y bioprospección. La cepa M10.9XT era una bacteria halófila, inmóvil, teñida de Gram negativa con forma bacilar y células agregadas ocasionalmente formadas. Las colonias en medio de Marine Agar (MA) eran de color crema claro, circulares, convexas, con márgenes enteros, lisas y presentaban un diámetro de 1-2 mm después de 5 días de incubación a 30 ºC. La cepa era oxidasa negativa y catalasa positiva y mostró un metabolismo ligeramente psicrofílico, neutrofílico y ligeramente halófilo. Además, el contenido genómico de G+C de la cepa M10.9X(T) fue del 65,2 %. Los valores promedio de identidad de nucleótidos y de hibridación digital ADN-ADN fueron de 76,6 % y 20,9 %, respectivamente, lo que confirma su adscripción a una nueva especie dentro del género Sagittula. Los lípidos polares consistían en fosfatidilglicerol M10.9XT, fosfatidiletanolamina, un aminolípido no identificado, un glicolípido no identificado, un fosfolípido no identificado y un lípido no identificado. El árbol filogenómico basado en un conjunto de 92 secuencias de genes domésticos se agrupó con las dos cepas de Sagittula; S. stellata DSM 111524(T) y S. marina DSM 102235(T), formaron un grupo monofilético, lo cuál fue respaldado por los valores elevados de Bootstrap y GI. Los análisis filogenéticos revelaron que la cepa M10.9X(T) estaba estrechamente relacionada con el género Sagittula y representa una nueva especie de este género para la cual se ha propuesto el nombre Sagittula salina sp. nov. (cepa tipo M10.9X(T)= DSM 112301(T)= CECT 30307(T)). El género Sagittula fue descrito por primera vez en 1997 y reclasificado dentro de la familia Rhodobacteraceae en 2012. Otras dos especies del género Sagittula (Sagittula stellata y Sagittula marina) fueron aisladas de ecosistemas acuáticos y reportadas como cepas prometedoras con capacidades de biorremediación. Conclusión En conclusión, en la presente tesis discutimos las presiones selectivas de los ambientes artificiales y semiartificiales descritos, especialmente los factores fisicoquímicos (abióticos) que podrían promover o inhibir una célula o comunidad microbiana. Durante mucho tiempo, el famoso principio microbiológico " Todo está en todas partes, pero el entorno selecciona” de Baas Becking (1934) se ha utilizado como punto de partida para cuestionar muchas investigaciones sobre diversidad y distribución microbiana. En la presente tesis hemos estudiado la diversidad microbiana de varios ambientes semiartificiales y artificiales considerando dicha hipótesis de Baas Becking. Aquí, también hemos discutido la distribución microbiana y la colonización de esos ambientes, así como el impacto de los factores fisicoquímicos ambientales como la desecación, la radiación ultravioleta, la privación de nutrientes, la baja temperatura, etc., sobre el contenido microbiano de los hábitats microbianos creados por el hombre. Aunque la primera comunidad microbiana de cualquier entorno puede influir en factores abióticos como el pH, la condición redox y la disponibilidad de nutrientes, nuestros resultados respaldan la tesis de Bass Becking sobre el papel principal de la presión selectiva a nivel de micronicho ecológico como un factor clave que da forma a los mundos microbianos que prosperan en los ambientes creados por el hombre.

Earth is home of a large biodiversity of microorganisms, which recently predicted to be as high as 10(12) or more microbial taxa inhabiting our planet. For decades, natural environments have been explored to study their microbial communities as well as the specific adaptation mechanisms of the species that compose them and their potential biotechnological applications. Not only natural but also artificial environments hold interest as sources of microbial diversity. Previous research on the microbiome of man-made products revealed that artificial devices with a standard design and operation procedure represent particular selective pressures that result in the development of a microbiome that does not significantly change within geographical or climatic variations. However, those micro-habitats and their microbial communities have been received poor attention. In the present doctoral thesis, we studied the microbiome of several artificial and semi-artificial environments, especially those with particular selective pressures such as desiccation, UV irradiation, salinity, nutrient deprivation, extreme temperatures, water pressure, and pH variations. Our results showed that besides the human-associated microbiome, which constitutes a considerable fraction of the artificial products, environmental, non-photogenic microbial consortia could establish diverse microbial communities. Among all those microbial communities, some species are extremophiles, and some can tolerate the extreme conditions of their surroundings, harbouring a variety of survival mechanisms such as sporulation and/or biofilm formations. Some others have been evolutionarily developed inter and intracellular adaptive mechanisms to cope with the harsh effects of the environments. In this dissertation, we studied the bacteriome of the wasted chewing gums, which are discarded improperly to the public area and outdoor environments. The microbial successions over the pool of the oral bacteriome trapped at the mastication process in the wasted chewing gum showed that the oral bacteriome gradually substituted by the environmental bacteria during three months of outdoors exposure. While the pool of the salivary microbiome detected mainly as prevalent genera Streptococcus, Corynebacterium, Haemophilus and Rothia, air-born environmental bacteria such as Acinetobacter spp., Sphingomonas spp. Pseudomonas spp., and Rubellimicrobium spp. arrived and colonized the wasted chewing gum after several weeks. Intriguingly, several wasted chewing gums collected worldwide contain a typical sub-aerial biofilm bacteriome, characterised by species such as Sphingomonas spp., Kocuria spp., Deinococcus spp. and Blastococcus spp., which are previously detected in sun-exposed natural and artificial environments such as solar panels. Furthermore, a collection of bacterial strains from wasted gums was set, and the biodegradation capability of different gum ingredients by the isolates was analysed. It seems that bioaugmentation of some of the strains we characterized may be used as a bioremediation strategy to remove chewing gum residues from contaminated pavements. We also showed that there are no significant differences in terms of the microbial communities of the different chewed gum layers, which suggested even if the physicochemical properties of a chewing gum may not change across its depth, UV radiation and water activity, which all would be expected to be strong selective factors shaping a particular bacterial community. Taken together, our results suggested that environmental bacteria play a role in the natural biodegradation of the chewing gum and may also be a source of strains with other biodegradation properties. This research was the first report revealing from a holistic approach the bacterial composition of wasted chewing gum, which received the ecology IgNoble prize in September 2021. We also studied the microbiome of another semi-artificial environment, the table salts, originated from different geographical located marine and landmark solar salterns. The diversity of halotolerant and halophilic microorganisms was studied in six commercial table salt samples by culture-dependent and culture-independent techniques. Regardless of the origin of the salts, species from bacterial genera such as Flavobacterium, Bacillus, and Yoonia-Loktanella were the most abundant taxa, loaded over the pool of the archaeal genera, which frequently represented by Natronomonas, Halolamina, Halonotius, Halapricum, Halobacterium, Haloarcula, and uncultured Halobacterales in all table salt samples. Interestingly, the results of 16S rRNA gene sequencing revealed that the salts from marine origins display a similar archaeal taxonomy, but with significant variations among genera. Archaeal taxa Halorubrum, Halobacterium, Hallobellus, Natronomonas, Haloplanus, Halonotius, Halomarina, and Haloarcula were prevalent in the marine salts. Moreover, the genus Salinibacter was detected only in marine-originated salts. A collection of 76 halotolerant and halophilic bacterial and haloarchaeal species was set by culturing on different media with a broad range of salinity and nutrient composition. Comparing the results of 16S rRNA gene metataxonomic and culturomics revealed that culturable microorganisms Acinetobacter, Aquibacillus, Bacillus, Brevundimonas, Fictibacillus, Gracilibacillus, Halobacillus, Micrococcus, Oceanobacillus, Salibacterium, Salinibacter, Terribacillus, Thalassobacillus, Haloarcula, Halobacterium, and Halorubrum were identified at least in one sample by both methods. Although most of microbiome of the table salts were halophilic bacteria and archaea, some potentially pathogenic microbes such as Enterococcus sp. and Brevundimonas sp. were identified in almost all samples, whereas health promoting bacteria such as Pseudomonas sp. and Lactobacillus sp. were only detected in some table salts. This suggests that table salt can be a source of some of the halotolerant bacteria that characterize either as health-promoting or pathogenic microorganisms, which their connection to consumer health should receive more attention. Table salt packages are the semiartificial environments suffer from salinity, high osmotic pressure, desiccation, and low water activity. Besides all, nutritional resources are generally limited to a narrow range in the table salt packages, which may affects establishing a particular microbial community. On another hand, the production of carotenoids has been monitored in a variety of isolated bacteria and archaea. It seems that in a multi-stress environment such as table salt, pigment production might be a survival mechanism, especially for halotolerant microorganism, to cope better with salinity and desiccation and probably prevent cells from deleterious damages. Besides wasted food or food ingredients, artificial devices can be home of potentially interesting microbial populations mixed with the human-associated microbiome. In this thesis, we also studied the microbiome of a standard laboratory ice machine, which was clogging by a gummy, thick biofilm. We described the composition of this oligotrophic microbial community inhabiting this device through culture-dependent and -independent techniques. By using culturomics in eight different media at three psychro- and mesophilic temperatures, 25 different microbial strains were isolated and taxonomically identified. The 16S rRNA and ITS high-throughput sequencing analysis revealed that Bacteroidota and Proteobacteria were the most abundant bacterial phyla in the sample, followed by Acidobacteriota and Planctomycetota, while the fungal community was clearly dominated by the presence of an unknown genus from the Didymellaceae family. At the genus level, the bacterial community was in accordance with the presence of Sediminibacterium sp., with a relative abundance higher than 40 %, followed by other genera, Hydrogenophaga sp. and Methyloversatilis sp. Alpha and beta diversity comparisons of the ice machine microbial community against that of other cold environments revealed a low similarity between samples, suggesing the microbial diversity of the ice machine is individual. Based on the shotgun metagenomic sequencing, the most frequent reads belonged to the kingdom Bacteria while less than a quarter was corresponded to Fungi. Sediminibacterium, Methyloversatilis and Hydrogenophaga were also identified as main biofilm taxa by shotgun metagenomic sequencing. The recovery and analysis of high-quality metagenome-assembled genomes (MAGs) yielded a strikingly high rate of potential new species; three MAGs could be classified up to the genus level, five were classified at the family level, three at the order level, two at the class level, and four at the phylum level. More interestingly, among those MAGs analysed to the genus level, except one species which was identified as Mycobacterium gordonae. Besides oligotrophy, the ice machine is also a psychro-alkaliphilic environment due to the temperature of the ice machine water reservoir were rather low (around 5 ºC); the pH was mildly alkaline (pH 8.2 ± 0.1). Considering a fraction of the ice machine microbiome comprises new species, can tolerate this multi-extreme stress suggest that the ice machine has a surprisingly high prevalence of previously undescribed species, which may hold interest in biotechnological applications, especially under oligotrophic conditions. In the present doctoral dissertation, we described a new species of human debris-associated bacterium was isolated from the inner sediment of a wasted aluminium can from the Malva-rosa beach. Marine waste such as plastic and aluminium are distributed worldwide, representing a major environmental problem, and constituting new ecological niches that may harbour potential new microbial species. Therefore, we carried out a polyphasic characterization of the strain M10.9X(T), to uncover the possible potential of this microorganism from a bioremediation and bioprospecting point of view. Strain M10.9X(T) was a Gram-stained-negative, non-motile, halophilic bacterium with rod-shaped and occasionally formed aggregated cells. The strain was oxidase-negative and catalase-positive, and showed a slightly psychrophilic, neutrophilic and slightly halophilic metabolism. The genomic G+C content of strain M10.9X(T) was 65.2 %. The average nucleotide identity and digital DNA-DNA hybridization values were 76.6 % and 20.9 %, respectively, confirming its adscription to a new species within the genus Sagittula. The polar lipids consisted of M10.9XT phosphatidylglycerol, phosphatidylethanolamine, an unidentified aminolipid, an unidentified glycolipid, an unidentified phospholipid and an unidentified lipid. The phylogenetic analyses revealed that strain M10.9XT was closely related to the genus Sagittula and represents a novel species of this genus for which the name Sagittula salina sp. nov. (type strain M10.9X(T)= DSM 112301(T)= CECT 30307(T)) is proposed. Two other species of the genus Sagittula were isolated from aquatic ecosystems and reported as promising strains with bioremediation capacities. Finally, in the present thesis, we discussed the selective pressures of the described artificial and semiartificial environments, especially physicochemical (abiotic) factors that could promote or inhibit a microbial cell or community. It seems, as Baas Becking once mentioned.; “Everything is everywhere, but, the environment selects” refers to the worldwide distribution of microorganisms, concerning only microorganisms with particular adaptation mechanisms can survive and thrive under multi-stress environments. However, we cannot deny the role of the first microbial community of any environments that may change the abiotic factors such as pH, redox condition, and nutrition availability, with direct or indirect influence on the next microbial diversity.