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FISIOLOGÍA Y ECOLOGÍA DE LOS MICROORGANISMOS. FISIOLOGÍA: REALIZAN LAS FUNCIONES DE RELACIÓN, REPRODUCCIÓN Y NUTRICIÓN. 1. LA RELACIÓN. RESPONDEN A ESTÍMULOS.

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1 FISIOLOGÍA Y ECOLOGÍA DE LOS MICROORGANISMOS

2 FISIOLOGÍA: REALIZAN LAS FUNCIONES DE RELACIÓN, REPRODUCCIÓN Y NUTRICIÓN. 1. LA RELACIÓN. RESPONDEN A ESTÍMULOS AMBIENTALES POR MODIFICIACIONES DE SU ACTIVIDAD METABNÓLICA O SU COMPORTAMIENTO. El movimiento es de acercamiento o alejamiento, de tipo flagelar, de reptación… se denominan taxias. La quimiotaxia son respuestas a señales químicas, fototaxias, respuestas a la luz. Hay bacterias Gram positivas que como reacción producen la formación de esporas. Al ser intracelulares se denominan endosporas y protegen al ADN y resto de citoplasma pasando al estado latente. En condiciones favorables germinan y dan lugar a una nueva bacteria.

3 Formación de una Endospora en un Bacilo Gram Positivo Etapa 0 La célula se encuentra en la etapa final de crecimiento exponencial y contiene dos cromosomas. Etapa 1 El DNA celular se hace más denso y ocupa el centro de la célula. Comienza un importante recambio intracelular de proteínas.

4 Etapa 2 Se forma un tabique (septo) cerca del polo celular a causa de la invaginación de la membrana citoplasmática. El DNA es segregado en dos compartimentos (la espora en desarrollo y la célula madre). Etapa 3 El citoplasma de la espora en formación queda delimitado por dos membranas debido al crecimiento de la membrana citoplasmática alrededor del protoplasto.

5 Etapa 5 Aparece el exosporio. La membrana exterior se transforma en la capa cortical por la incorporación de proteínas ricas en cisteína. Esta etapa le confiere a la espora resistencia frente a los agentes antimicrobianos. Etapa 6 Maduración de la espora. Su citoplasma se vuelve homogéneo y electrodenso. La capa cortical se completa. Etapa 7 La endospora es liberada por la lisis de la célula.

6 2. REPRODUCCIÓN: generalmente asexual por bipartición o división binaria En bipartición después de replicación de ADN la pared crece hasta formar un tabique transversal que separa las dos nuevas bacterias (genéticamente idénticas) Las sucesivas divisiones crearán colonias de células iguales que se denominan clones. TRANSFERENCIA HORIZONTAL EN GENÉTICA BACTERIANA En plantas y animales la transferencia es vertical, padre y madre aportan la misma cantidad. En las bacterias es horizontal, y al adquirir nuevos genes, cedidos por células de su misma generación, adquieren de forma inmediata nuevos rasgos heredables. Poseen mecanismos para intercambiar fragmentos de ADN de modo que especies taxonómicamente diferentes pueden compartir genes.

7 Intercambian mediante: Transformación: una bacteria receptora capta un fragmento de ADN desnudo del medio y lo incorpora a su cromosoma. Transducción: de una bacteria a otra a través de un virus bacteriófago (vector intermediario) Conjugación: una bacteria donadora transmite, por los pili, un fragmento de su ADN a otra bacteria receptora. Las donadoras poseen plásmidos conjugativos, como el factor F y el R, y las receptoras carecen de ellos.

8 3. NUTRICIÓN. TENIENDO EN CUENTA LA FUENTE DE ENERGÍA Y LA FUENTE DE CARBONO USADA, SE DIVIDEN: -Según la fuente de energía: Quimiótros: oxidan compuestos químicos: quimiorganótrofos si son compuestos orgánicos y quiniolitótrofos si son compuestos inorgánicos. Fotótrofas si usan la luz como fuente de energía. -Según la fuente de carbono: Autótrofos. El dióxido de carbono es la fuente. Bacterias quinolitótrofas y fotótrofas. Haterótrofas. Utilizan carbono orgánico, quimiorganótrofas. Suelen ser las adaptadas al saprofitismo, simbiosis o parasitismo.

9 BACTERIAS FOTÓTROFAS (FOTOSINTÉTICAS) Bacterias rojas y verdes son fotótrofas anoxigénicas. Poseen cromatóforos con una clorofila especial la bacterioclorofila, asociada a los pigmentos del fotosistema I (único) Las cianobacterias son fotótrofas oxigénicas. BACTERIAS QUIMIOLITÓTROFAS (QUIMIOSINTÉTICAS) Obtienen la energía de la oxidación de sustratos inorgánicos. Se incluyen las bacterias del cuelo responsables del reciclaje y de la mineralización de la materia orgánica en los ecosistemas (fundamentales en los ciclos biogeoquímicos) * Bacterias del hidrógeno y del metano. Su fuente de electrones son el hidrógeno y el metano. * Bacterias nitrificantes. oxidan el amoniaco a nitratos. Bacterias Nitrosomas oxidan amoniaco a nitritos. Después bacterias Nitrobacter oxidan los nitritos a nitratos. B. AUTÓTROFAS

10 ASIMILACIÓN TEDUCTORA DEL CARBONO Y DEL NITRÓGENO. La oxidación de los sustratos inorgánicos produce ENERGÍA para la síntesis de ATP y NADPH que utililzarán para la asimilación reductora del carbono y del nitrógeno. ASIMILACIÓN REDUCTORA DEL CARBONO. Se realiza mediante el Ciclo de Calvin (igual que en plantas) ASIMILACIÓN REDUCTORA DEL NITRÓGENO. Reducen nitratos a nitritos y estos a amoniaco. Aunque existe un grupo de bacterias que reducen directamente el nitrógeno atmosférico y fijarlo como nitrógeno orgánico. Bacterias de vida libre como Rhizobium sp., las cianobacterias, bacterias fotosintéticas y algunos hongos.

11 B. HETERÓTROFAS Se nutren a expensas de compuestos orgánicos elaborados por otros organismos con enzimas liberadas por exocitosis. -Bacterias saprófitas descomponen la materia orgánica mediante putrefacciones y fermentaciones. - Bacterias patógenas responsables de enfermedades en animales. -Bacterias simbiontes con otros organismos animales o vegetales.

12 En medio favorable, un microorganismo aumenta su tamaño hasta que se divide. El periodo necesario para que las células crezcan se dividan y originen dos células nuevas por cada una de las células se denomina tiempo de generación o tiempo de duplicación. El incremento de número de células de una población se llama crecimiento microbiano. Como el número se dobla cada cierto tiempo se dice que el crecimiento es exponencial. * Requisitos físicos para el crecimiento microbiano. TEMPERATURA: similares a las preferidas por las personas Ph: la mayoría cercano a la neutralidad entre 6,5 y 7,5 PRESIÓN OSMÓTICA: en hipotónico sufren lisis. En hipertónico sufren plasmólisis. * Requisitos químicos para el crecimiento microbiano. CARBONO. Necesario para formar los compuestos orgánicos. NITRÓGENO. A partir de descomposición de proteinas. CRECIMIENTO MICROBIANO

13 AZUFRE Y FÓSFORO. Azufre para sintetizar vitaminas. El fósforo para síntesis de ácidos nucleicos y fosfolípidos OLIGOELEMENTOS. Cantidades pequeñas de minerales como cobre, cinc, hierro, molibdeno… OXÍGENO. Para respiración aerobia. FACTORES DE CRECIMIENTO ORGÁNICOS. Compuestos orgánicos esenciales que no pueden sintetizar por sí mismos. CULTIVO DE MICROORGANISMOS En laboratorio se cultivan en cultivo líquidos o semisólidos, que suelen ser discontinuos o cerrados es decir, no se le añaden nutrientes ni se eliminan productos tóxicos. Por tanto un MEDIO DE CULTIVO es un preparado líquido o semisólido con todos los nutrientes necesarios para el crecimiento de microorganismos (bioelementos, glucosa, vitaminas, cloruro sódico)

14 Un CULTIVO PURO O AXÉNICO es un cultivo que contiene un solo tipo de microorganismo El crecimiento pasa por cuatro fases consecutivas: 1.FASE DE LATENCIA. Entre la inoculación y el comienzo del crecimiento. 2.FASE EXPONENCIAL. En la que crecen y se dividen hasta el nivel máximo posible. El tiempo de generación se mantiene constante en esta fase. 3.FASE ESTACIONARIA. En la que cesa el crecimiento de la población por el consumo de los nutrientes. 4.FASE DE MUERTE. Las células dejan de metabolizar y mueren.

15 LATENCIA EXPONENCIAL ESTACIONARIA MUERTE

16 ECOLOGIA MICROBIANA ECOLOGIA MICROBIANA: ciencia que estudia el comportamiento y actividades de los microorganismos. Los microorganismos pueden ser productores primarios (acumulan materia orgánica),consumidores, ó descomponedores (materia orgánica a inorgánica). Los hábitats son muy diversos (son capaces de vivir en hábitats con condiciones extremas en los que no viven organismos superiores y son condiciones favorables para su crecimiento). En la atmosfera: no es un ambiente de crecimiento sino más bien de dispersión. Aunque sí que los podemos encontrar en la troposfera, tanto células activas como esporas de algas, hongos, protozoos y bacterias.

17 En la hidrosfera: dependerá de aguas dulces y saladas. Dependerá también de la concentración de oxígeno el grado de iluminación para su distribución en profundidad. En el suelo disminuye la concentración de microorganismos con la profundidad. Dependerá de la concentración de oxígeno y la cantidad de agua. Las bacterias, algunas algas, hongos y protozoos, son importantes para la fertilidad del suelo. Algunos viven en el interior de los organismos superiores creando una relación de simbiosis. Otros pueden ser parásitos perjudiciales de plantas y animales.

18 CICLOS BIOGEOQUÍMICOS. Los nutrientes son los bioelementos y moléculas de pequeño tamaño que constituyen las estructuras de los seres vivos. Los organismos los necesitan en gran cantidad como es el agua, carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo, azufre y calcio. Algunos serán necesarios en menor cantidad como el hierro, el cinc y el yodo. Los bioelementos están sometidos en la naturaleza a unos ciclos denominados ciclos biogeoquímicos en los que unas veces forman parte de la materia inorgánica y otras veces de la materia orgánica (seres vivos). Los ciclos biogeoquímicos son los procesos de transformación de elementos químicos por la actividad de los seres vivos y su intercambio entre los componentes bióticos y abióticos de la exosfera. Los microorganismos son muy importantes ya que además de productores y consumidores son descomponedores de materia orgánica y su transformación en materia inorgánica (mineralización), para que nuevamente pueda ser utilizada por los productores. Los microorganismos son esenciales en el reciclado de la materia en los ecosistemas.

19 CICLO DEL CARBONO: SÓLO INCORPORADO A PARTIR DEL CO 2 Existen dos grandes reservorios: las rocas carbonatadas, combustibles fósiles y sedimentos y la atmósfera en forma de dióxido de carbono, monóxido de carbono, metano y formas inorgánicas disueltas en agua. Los seres vivos intercambian CO 2 con atmósfera. Las plantas lo toman por fotosíntesis para crear compuestos orgánicos que irán a consumidores. En ecosistemas acuáticos, el CO 2 del aire se combina con el agua para formar bicarbonato. Al respirar los seres vivos también liberan CO 2 a la atmósfera. Los descomponedores actúan sobre desechos de seres vivos produciendo descomposición aerobia o anaerobia produciendo CO 2 o CH 4 pudiendo pasar de un compuesto a otro por bacterias metanógenas o metanotrofas. Hay veces que algunos restos orgánicos sufren procesos fisicoquímicos convirtiéndose en combustibles fósiles como el carbón, el petróleo y el gas natural, liberando de nuevo CO 2 (aunque éste es retenido por largo tiempo)

20 CICLO DEL NITRÓGENO. El nitrógeno es un compuesto esencial para aminoácidos, proteínas y sobre todo ácidos nucleicos. A veces puede convertirse en factor limitante del crecimiento La fijación del nitrógeno atmosférico, N 2, y su transformación en nitrógeno orgánico lo realizan bacterias libres como Azotobac er, Clostridium, y las del género Rhizobium. La transformación en amoniaco, amonificación se lleva a cabo por plantas, animales y microorganismos. La nitrificación o producción de nitratos: el amonio del suelo, NH 4, se convierte en nitrito, NO 2, por Nitrosomonas y éste en nitrato, NO 3, por la s Nitrobacter. La desnitrificación es la conversión del nitrato en gas nitrógeno por bacterias desnitrificadoras.

21 CICLO DEL AZUFRE. La mayoría del azufre se encuentra en forma de sulfatos, plantas lo absorben y reducen entrando a formar parte de la materia orgánica. El sulfuro pasa al suelo por degradación y descomposición de compuestos proteicos. En condiciones aerobias es oxidado por bacterias quimiolitótrofas a sulfato inorgánico. En condiciones anaerobias puede pasar azufre por las sulfobacterias mediante oxidación y reducción. El azufre también puede ser expulsado a la atmósfera como sulfuro o como óxido, por los volcanes o actividades humanas, que puede causar lluvia ácida.

22 SIMBIOSIS. Encontramos mutualismo, parasitismo y comensalismo. LÍQUINES: son mutualistas: son asociaciones de hongos con algas verdes o cianobacterias. El hongo obtiene el carbono orgánico de alga o de las cianobacterias y protege al alga del exceso de intensidad luminosa, aporta agua, sales y le da soporte. PLANTAS: una micorriza es la relación entre hongos del suelo y raíces de plantas (mutualismo). El hongo le da gran superficie de absorción y se beneficia de recibir carbohidratos; otro ejemplo es el Rhizobium y las raíces de plantas leguminosas formando nódulos característicos. ANIMALES: en el estómago de rumiantes, el rumen, contiene bacterias, hongos y protozoos que degradan celulosa y polisacáridos complejos. Los microorganismos sintetizan aminoácidos y vitaminas que el animal utiliza. En los humanos también existen simbiosis: CONJUNTIVA: estafilococos; OÍDO EXTERNO: estafilococos; ESTÓMAGO: Lactobacillus; PIEL, URETRA, VAGINA, NARIZ, BOCA Y FALINGE, INTESTINO DELGADO E INTESTINO GRUESO. (el estafilococos lo encontramos en todos, Escherichia Coli y Stahylococus aureus también en intestino grueso).

23 MICROBIOLOGÍA INDUSTRIAL Y BIOTECNOLOGÍA La microbiología industrial cultiva los microorganismos a gran escala para realizar transformaciones químicas u obtener productos comerciales de gran valor. Los microorganismos que se utilizan en la industria tienen ciertos requisitos: -Producir sustancias de interés en cortos periodos de tiempo -Que existan cultivos para mantener durante largo tiempo en laboratorio -Ser genéticamente estable -Crecer rápidamente en medios de cultivo líquidos -Ser aptos para manipulación genética. Los ACTINOMICETOS (bacterias heterótrofas aerobias Gram positivas) así como los MOHOS y las LEVADURAS son muy importantes en la industria. Los procesos microbianos que serán de utilidad en la industria serán las fermentaciones. Se suelen realizar en unos tanques denominados fermentadores o biorreactores preparado para funcionar en condiciones aeróbicas y anaeróbicas, y el microorganismo implicado se denomina agente de la fermentación.

24 MICROORGANISMOS EN LA INDUSTRIA FARMACEÚTICA. Después de la segunda guerra mundial se produjo la introducción de la producción de antibióticos. ANTIBIÓTICO: sustancia química elaborada pro microorganismos, que inhiben o matan el crecimiento de otros microorganismos. Muchos proceden de hongos filamentosos de los géneros Penicillium y Aspergillus y bacterias del grupo de los actinomicetos del género Streptomyces. Al ser selectivamente tóxicos se utilizan con fines preventivos ó terapéuticos en las enfermedades infecciosas. Poseen eficacia tóxica: inhiben reacciones bioquímicas esenciales y específicas en las bacterias pero no en las células humanas. Como la penicilina y la bacitracina. Actualmente, ciertas mutaciones han creado bacterias resistentes a uno o más antibióticos lo que supone una pérdida de acción de los medicamentos. Se conocen más de 8000 sustancias antibióticas y se siguen descubriendo. ¿cómo producirlo?

25 OBTENCIÓN DE VACUNAS: son un preparado de microorganismos patógenos muertos o atenuados que dentro del organismo inducirán inmunidad frente al patógeno activo. OBTENCIÓN DE ESTEROIDES: se obtienen mediante bioconversión o biotransformación. Los microorganismos se convertirán en un compuesto precursor, como los esteroles o esteroides. (Ejemplos cortisona, estrógenos y progesterona) Se identifica un productor, se realiza la purificación y el análisis químico del agente microbiano. Después el antibiótico se caracteriza estructuralmente y si es biológicamente activo in vivo y pasa los ensayos clínicos, se fabrica comercialmente. Después se produce en los fermentadores a gran escala después se extrae y se refina obteniendo un producto cristalino de alta pureza.

26 MICROORGANISMOS EN LA INDUSTRIA ALIMENTARIA. LEVADURAS: son las más utilizadas. Casi todas proceden de la cepa silvestre de la especie Saccharomyces cerevisiae, la utilizada en el vino y la cerveza. Con el tiempo se han ido seleccionando y mejorando cepas y actualmente con la ingeniería genética se producen aquellas con las características deseadas. Las levaduras se utilizan en la producción de alcohol, bebidas alcohólicas (cervezas, vino y licores), pan,… Se cultivan en grandes fermentadores aireados con medios ricos en compuestos residuales de la purificación d3el azúcar de caña y remolacha como fuente de carbono y energía. ELABORACIÓN DEL VINO: ENOLOGÍA: ciencia que trata la producción del vino: inicia con triturado de uvas, obteniendo el mosto, que se tranforma espontáneamente por microorganismos de la propia piel, aunque se trata también con dióxido de azufre y con Saccharomyces cerevisiae o S. elipsoideus. Después se produce la fermentación alcohólica y la fermentación mololáctica. La duranción y temperatura depende del tipo de vino. El tinto no debe superar los 29ºC. Se separa vino y sedimento. Y se almacena produciéndose la clarificación y el desarrollo del sabor del vino.

27 ELABORACIÓN DEL PAN: se utiliza las levaduras : Saccharomyces cerevisiae, iguales a las del vino. Las levaduras además de fermentación también realizan la respiración. Cuando hay oxígeno la levadura crece mucho y las células se pueden recoger por centrifugación y conservarse. Tendremos así levadura seca activa para fabricar el pan. Durante el proceso de fabricación del pan los azúcares de la masa húmedo son fermentados por las levaduras convirtiéndolo en etanol y dióxido de carbono que hace que la masa esponje. Al cocerse el pan, el calor hace salir el dióxido y etanol y mata las levaduras para que no sigan creciendo.

28 FABRICACIÓN DEL QUESO: el yogur, la mantequilla, el queso y otros derivados se realizan por fermentación láctica con distintos microorganismos como las bacterias del ácido láctico. En una primera fase la leche se transforma en cuajada por bacterias lácticas como Streptococcus cremosis o S. lactis que producen ácido láctico se varía el pH y las proteinas se coagulan. Se produce suero que se retirará. También se puede realizar con la enzima renina o cuajo que se extrae del cuajar de las terneras. En otros quesos se utiliza extractos de cardo mariano. En la segunda fase se produce la maduración con distintos microorganismos dependiendo del tipo de queso. Los quesos se clasifican por su dureza -blandos: madurados por enzimas de la levaduras y por hongos de superficie -Semiblandos madurados por bacterias anaerobias de superficie -Duros madurados pro bacterias lácticas anaerobias en interior

29 BIORREMEDIACIÓN. Es el empleo de organismos para eliminar o neutralizar contaminantes del suelo o el agua. Se utilizan: plantas : fitorremediación, microorganismos: biorremediación microbiana o enzimas de bacterias. Biorremediación enzimática. Puede ser in situ, en el lugar de contaminación, acelerando la degradación natural modificando las condiciones ambientales o por inoculación de microorganismos. O ex situ si se extrae el contaminante y se degrada en otro lugar bajo condiciones controladas. Las aplicaciones pueden ser, por ejemplo: -Tratamiento de residuos industriales (sólidos o líquidos) -Eliminación de metales pesados ( plomo, mercurio o cadmio) -Eliminación de hidrocarburos (manchas de petróleo de accidentes) -Eliminación de pesticidas, insecticidas o herbicidas del suelo.


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