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MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL

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Presentación del tema: "MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL"— Transcripción de la presentación:

1 MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL

2 Introducción a la Ecología Microbiana
Hot spring, Yellowstone National Park, Utah

3 ‘Microbial ecology is the study of microbial relationships with other organisms and also with their nonliving environments. These relationships, based on interactive uses of resources, have effects extending to the global scale’. Prescott, 2004 Hebras de Ferroplasma sp. creciendo en una mina abandonada de California, a pH 0. Sólo una membrana celular separa a esta bacteria ferrooxidante de su ambiente extremo. Ferroplasma es un género de microorganismos del dominio Archaea. Comprende solamente una especie, F. acidophilum, un acidófilo oxidante del hierro. Al contrario que otros miembros de Thermoplasmata, F.acidophilum es unmesófilo que crece optimamente a una temperatura óptima de aproximadamente 35 ºC y a un pH de 1,7. Se encuentra generalmente en minas ácidas, principalmente en aquellas que contienen pirita (FeS). Es especialmente abundante en el caso de que se usen drenajes ácidos, donde otros organismos tales como Acidithiobacillus y Leptospirillum han bajado el pH del ambiente y el acidófilo obligado F. acidophilum puede prosperar. Fisiológicamente, F. acidophilum es un autótrofo y obtiene energía por la oxidación ferrosa del hierro de la pirita usandooxígeno como receptor final de electrones. Este proceso produce ácido sulfúrico como residuo, lo que conduce a la acificación del ambiente. F. acidophilum, al igual que Thermoplasma, no tiene pared celular. Sin embargo, al contrario que Thermoplasma, la membrana de F. acidophilum no contiene lípidos tetra-eter .

4 Las bacterias colonizan gran cantidad de
ambientes, en los que pueden establecer biofilmes.

5 La Ecología Microbiana es el estudio de los ecosistemas que:
A. Están constituidos en su totalidad por microorganismos, o, B. Son influenciados profundamente por estos microorganismos. Es el estudio de la estructura, composición y fisiología de las comunidades microbianas en el ambiente (suelo, aire, agua u otros organismos).

6 ‘La Ecología Microbiana es el estudio de las actividades y conductas de los
microorganismos en sus ambientes naturales’. -Thomas D. Brock, descubridor del Thermus aquaticus El concepto de Ecología Microbiana se englobaba anteriormente dentro del más amplio concepto de Microbiología Ambiental. Actualmente refleja más el hecho de que los MOs afectan profundamente a su entorno con sus actividades, localmente y a nivel planetario. El ambiente, más correctamente definido a escala microbiana, es el microambiente donde crece el MO. La Microbiología Ambiental se ocupa más de los procesos a escala macro, sin considerar en detalle los microambientes. Hay actualmente una tendencia a tomar el término Ecología Microbiana en forma más generalista, pero debe recordarse la importancia del microambiente en los procesos descritos en ésta área en desarrollo de las Ciencias Biológicas. El epitelio intestinal es un microambiente Bacteriano.

7 Los microorganismos se agrupan en asambleas funcionales llamadas en ecología poblaciones.
Las poblaciones de diferentes MOs que interactúan entre sí en un (micro)ambiente, forman comunidades microbianas. Las interacciones de los MOs con otros MOs, macroorganismos y el ambiente han permitido la evolución y el surgimiento de actividades microbiológicas que influencian el ambiente. La mayoría de las interacciones son beneficiosas desde el punto de vista biológico: sólo un reducido número de MOs causan patogenia y ese grupo reducido es el foco de estudio de la Microbiología Clínica. Los ecosistemas y comunidades microbianas pueden ser muy estables: poblaciones de cianobacterias han formado mats que constituyen el microambiente de los estromatolitos, que se consideran entre las formaciones vivas más antiguas. Son un buen ejemplo de las interacciones entre MOs y las propiedades químico-físicas del medio.

8 El problema del cultivo
La imposibilidad de cultivar a la mayoría de las especies microbianas, en especial bacterias y arqueas extremófilas, es un desafío mayor en el área de la ecología microbiana. El desarrollo de herramientas moleculares como la secuenciación de rDNA de 16S y los enfoques de la metagenómica y la metaproteómica están revolucionando el entendimiento del mundo microbiano, la Ecología y la Biología.

9 Focos de interés El foco de interés de la Ecología Microbiana es el análisis de comunidades de microorganismos (MOs) que intervienen en, o, regulan procesos naturales que afectan la vida y sobrevivencia del ser humano y otros organismos en la Tierra. Este enfoque la diferencia de la microbiología médica, que se centra en las especies patógenas o de importancia clínica que son agentes etiológicos de la enfermedad. Los MOs objetos de su estudio perteneces a los tres Dominia biológicos: Archaea, Bacteria y Eukarya.

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11 Impacto microbiano sobre la Biosfera
Los MOs constituyen la mayoría de la biomasa de la Biosfera (5 x células, ocho órdenes de magnitud superior que las estrellas observables en el universo, Whitman et al, 1998). La mayor parte de la biodiversidad microbiana permanece desconocida para el ser humano. Son el mayor sumidero biológico de C. Controlan la fijación de N2 y el metabolismo del metano y participan en alguna parte de los ciclos biogeoquímicos de los demás elementos. Realizan la mayoría de la fotosíntesis (marina). Son parte integral de la mayoría de las simbiosis. Procesos de biodegradación y bio-remediación. Los procesos ecológicos planetarios seguirían desarrollándose aunque no estuvieran presentes los eucariontes.

12 ‘Everything is everywhere, the environment selects’.
Desarrollo histórico ‘Everything is everywhere, the environment selects’. M.W. Beijerinck

13 Martinus Beijerinck (1851-1931).
Rhizobium leguminosarumm colonizando una célula radical de leguminosa. Martinus Beijerinck ( ). Microbiólogo holandés fundador de la Escuela Delft de Microbiología de la Universidad de Wageningen. Uno de los padres de la Virología (demostró que la enfermedad del mosaico del tabaco es causada por un agente más pequeño que una bacteria, al cual bautizó virus- hoy el TMV). Descubrió la fijación de N2 por simbiosis entre bacterias y leguminosas. Descubridor de la reducción de sulfato-aislamiento de Spirillum desulfuricans. Se le acredita ser uno de los pioneros en el uso de cultivos enriquecidos para bacterias. Nicotiana tabacum con la enfermedad del mosaico y TMV.

14 Sergei Winogradsky (1853- 1953), microbiólogo ucraniano.
Nitrosomonas sp. (Fuente: the microbe zoo). Sergei Winogradsky ( ), microbiólogo ucraniano. Descubridor de la litotrofia usando Beggiatoa sp. Describió el proceso de nitrificación por Nitrosomonas, Nitrosococcus y Nitrobacter. Realizó estudios sobre bacterias descomponedoras de celulosa, fijación de nitrógeno por Azotobacter y elaboración de medios de cultivo para MOs edáficos. Beggiatoa, bacteria filamentosa que oxida sulfuro de hidrógeno.

15 Desarrollo moderno La Ecología Microbiana comenzó su desarrollo actual en la segunda mitad del siglo XX. El primer texto titulado como Ecología Microbiana apareció en 1966 (Brock). Siguieron: Experimental Microbial Ecology (Aaronson, 1970) y Microbial Ecology (Alexander, 1971). Revista Microbial Ecology (Springer Verlag, desde 1974).

16 El campo actual es amplio:
Autoecología: (ecología de las poblaciones relacionadas genéticamente). Ecología de ecosistemas específicos (lagos, biofilmes, mats (tapices, tapetes), microbiomas, fuentes volcánicas, océanos profundos, etc.) Asociaciones especiales: rizósfera y micorrizas. Ecología microbiana aplicada: biorremediación, biotecnología. Ecología biogeoquímica (biología de los ciclos a nivel local y global)

17 Comunidades microbianas
Una comunidad es un ensamblaje de múltiples especies que viven en un ambiente contiguo y que interactúan entre sí. La biología de las comunidades analiza cómo éstas están estructuradas, cuáles son sus interacciones funcionales y cómo cambia la estructura de la comunidad en el espacio y en el tiempo.

18 Nivel de oxígeno: 21% (bacterias aerobias) Nivel de oxígeno: 10-15% (bacterias microaeróbilas) El microambiente Para un MO, el hábitat se constituye en un microambiente dentro del cual puede ocupar su nicho. Las condiciones en el microambiente pueden variar rápidamente, de forma que sólo los organismos mejor adaptados pueden establecer poblaciones resistentes en el tiempo. Muchas poblaciones establecen cooperación con otras especies en el ecosistema (sintrofia). Nivel de oxígeno: 0% (bacterias anóxicas). Bacterias anaerobias facultativas A escala microbiana, una partícula de suelo consiste de múltiples microambientes en los cuales se distribuyen gradientes de nutrientes o gases esenciales (fuente: Brock, 12th edition).

19 DEFINICIONES

20 Organización de los microorganismos en la naturaleza

21 Estructuración ecológica de los microorganismos

22 Desafíos a escala microbiana

23 Impacto del estudio de las interacciones microbianas en distintas áreas de la Biología
ECOLOGÍA BIOTECNOLOGÍA SALUD HUMANA INTERACCIONES MICROBIANAS ECOLOGÍA Y BIODIVERSIDAD AGRICULTURA

24 Interacciones biológicas
Simbiosis 1. Mutualismo: una simbiosis en la cual ambas especies incrementan su grado de fitness (aptitud biológica). 2. Comensalismo: una simbiosis en la cual uno de los socios incrementa su fitness sin afectar al otro. 3. Patogénesis: una simbiosis en la que una especie incrementa su fitness a expensas de la otra. Otras interacciones: 4. Depredación 5. Competencia Las hojas que cortan las hormigas trabajadoras no son para su consumo, ya que les resultan tóxicas a las hormigas. Las hormigas mínima lo utilizan como sustrato para cultivar hongos. los nidos se encuentran emplazados de forma tal que las brisas ayuden a renovar el aire de la colonia para evitar que se desarrollen niveles peligrosos de CO2 producto de los hongos que cultivan y de los cuales se alimentan. Didinium es un género de ciliados. Son carnívoros de vida libre, y se encuentran mayoritariamente en medio ambientes de agua dulce o salobre además se conocen al menos tres especies de vida marina. Su dieta se compone principalmente de Paramecium, pero algunas especies, como por ejemplo D. gargantua se alimentan de otros protistas incluyendo dinoflagelados, criptomonas y algas verdes. Atta cephalotes y su jardín fúngico y microbioma

25 Interacciones de los microorganismos en los ciclos de los nutrientes
CICLOS BIOGEOQUÍMICOS Los microorganismos tienen un papel clave en el reciclado de los elementos (nutrientes), especialmente carbono, azufre, nitrógeno y hierro. Un ciclo biogeoquímico es el resultado del conjunto de los procesos biológicos y químicos durante el reciclado de estos elementos esenciales de los sistemas vivos. Los nutrientes son transformados y reciclados normalmente mediante reacciones de óxido – reducción que pueden cambiar las características físicas y químicas de los nutrientes.

26 El término mixotrófico puede describir organismos (usualmente algas, bacterias), capaces de obtener energía metabólica tanto de la fotosíntesis como de seres vivos. Esos organismos pueden utilizar la luz como una fuente de energía, o tomarla de compuestos orgánicos o inorgánicos. Pueden apropiarse de compuestos simples de manera osmótica (por osmotrofía) o englobando las partículas (a través de fagocitosis o de mizocitosis). También se incluye en este grupo los procariontes que obtienen energía de la oxidación de compuestos inorgánicos pero que utilizan compuestos orgánicos como fuente de carbono.

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28 CICLOS BIOGEOQUÍMICOS
REACCIONES OXIDACIÓN-REDUCCIÓN (REDOX): Aquellas en las que se produce un transferencia de electrones desde un dador, el agente reductor (el que se oxida), a un aceptor de electrones, el agente oxidante (el que se reduce).

29 Transformaciones Físicas: Disolución, precipitación, volatilización y fijación. Químicas: Biosíntesis , biodegradación y biotransformaciones oxido - reductivas. Combinaciones de cambios físicos y químicos. Traslocación espacial de materiales. Microorganismos: Ubicuidad, diversidad de capacidades metabólicas y altas velocidades metabólicas.

30 Pools o reservorios: Varias formas químicas de un elemento
Pools o reservorios: Varias formas químicas de un elemento. Fuentes o sumideros. Ciclos globales: Depósito atmosférico (C y N). Relacionados con problemas ambientales a gran escala. Ciclos locales / edáficos o sedimentarios: depósito principal en la roca o en los sedimentos (P).

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32 CICLO DEL CARBONO CARBONO: Esqueleto de todas las moléculas orgánicas.
Elemento más prevalente en el material orgánico celular. Forma inorgánica: CO2 (forma más oxidada). Forma orgánica: CH2O (formas reducidas). Autótrofos o productores primarios (plantas. Algas, cianobacterias, litótrofos,y metanógenos). Heterótrofos: Animales, microorganismos descomponedores.

33 El Carbono en la Naturaleza
El carbono es un elemento no metálico que se presenta en formas muy variadas. Puede aparecer combinado, formando una gran cantidad de compuestos, o libre (sin enlazarse con otros elementos). Combinado En la atmósfera: en forma de dióxido de carbono CO2. En la corteza terrestre: formando carbonatos, como la caliza CaCO3. En el interior de la corteza terrestre: en el petróleo, carbón y gas natural.

34 En la materia viva animal y vegetal: es el componente esencial y forma parte de compuestos muy diversos: glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. En el cuerpo humano, por ejemplo, llega a representar el 18% de su masa.

35 CICLO DEL CARBONO Reservorio atmosférico de CO2 (0.032% de la atmósfera, 700 billones de ton. de C). Formas inorgánicas de C disueltas (CO2 , H2CO3 , HCO3 y CO3) en agua superficial en equilibrio con el CO2 atmosférico. Biomasa viviente en ambientes terrestres y acuáticos (450 – 500 billones de ton´s de C).

36 CICLO DEL CARBONO Es un ciclo biogeoquímico por el cual el carbono (C) se intercambia entre la biosfera, litosfera, hidrósferas y la atmosfera de la tierra. Depende tanto de la actividad de los microorganismos como de los macroorganismos y está estrechamente ligado con el ciclo del oxígeno. Ya que la fijación de CO2 por fotótrofos oxigénicos libera O2 y mucha de la materia orgánica es oxidada a CO2 a través de la respiración aerobia. El C puede presentarse en formas reducidas, como metano (CH4) y materia orgánica, y en formas más oxidadas como monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO2 ).

37 CICLO DEL CARBONO CICLO BIOLÓGICO (RÁPIDO):
Comprende los intercambios de carbono (CO2) entre los seres vivos y la atmósfera, es decir, la fotosíntesis, proceso mediante el cual el carbono queda retenido en las plantas y la respiración que lo devuelve a la atmósfera. CICLO BIOGEOQUÍMICO (LARGO): Regula la transferencia de carbono entre la hidrosfera, la atmósfera y la litosfera (océanos y suelo).

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41 FOTOSÍNTESIS Única vía importante de producción de C orgánico nuevo en el planeta procede de la fotosíntesis y quimiosíntesis (fijación de CO2 por quimiolitótrofos). Organismos fototróficos se encuentran en la base del ciclo de C.

42 DESCOMPOSICIÓN El C fijado fotosintéticamente es degradado finalmente por varios organismos. En la degradación se observan dos estados principales de oxidación del C: METANO (CH4) Y DIOXIDO DE CARBONO (CO2). METANO: por acción de metanógenos. CO2: acción de diversos quimiorganótrofos mediante fermentación, por respiración aeróbica o respiración anaeróbica.

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44 Compuestos inorgánicos de N Nro. De oxidación
CICLO DEL NITRÓGENO Compuestos inorgánicos de N Nro. De oxidación Amonio (NH4+) Hidroxilamina (NH2OH) Intermediario en la oxidación de NH3 Di - nitrógeno (N2) Oxido Nitroso (N2O) Oxido Nítrico (NO) Nitrito (NO2-) Nitrato (NO3-)

45 Formas de nitrógeno presentes en el suelo (1m de profundidad).
N2: dinitrógeno, nitrógeno gaseoso : poros del suelo N orgánico: tejidos animales y vegetales, células microbianas, organismos del suelo, materia orgánica (aminoácidos, proteínas, polímeros de la pared celular, aminoazúcares, ácidos nucleicos, vitaminas, antibióticos, intermediarios metabólicos). NH4+: amonio. solución acuosa NO3-: nitrato: solución acuosa Transformaciones de nitrógeno: procesos microbianos

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47 El ciclo del nitrógeno puede ser dividido en tres subciclos:
Elemental: enfatiza las reacciones biológicas de oxidación-reducción. Interconversión del nitrógeno y N2 en varias formas químicas. Fototrófico: toma del nitrógeno por la planta (autótrofos), el nitrógeno inorgánico (NH4+, NO3-) es convertido a formas orgánicas (constituyentes celulares). Heterotrófico: vinculado a los procesos de descomposición.

48 Los seres vivos cuentan con una gran proporción de nitrógeno en su composición química.
El nitrógeno oxidado que reciben como nitrato (NO3–) es transformado a grupos  aminoácidos (asimilación). Para volver a contar con nitrato hacen falta que los descomponedores lo extraigan de la biomasa dejándolo en la forma reducida de ion amonio (NH4+), proceso que se llama amonificación; y que luego el amonio sea oxidado a nitrato, proceso llamado nitrificación. Así parece que se cierra el ciclo biológico esencial. Pero el amonio y el nitrato son sustancias extremadamente solubles, que son arrastradas fácilmente por la escorrentía y la infiltración, lo que tiende a llevarlas al mar. Al final todo el nitrógeno atmosférico habría terminado, tras su conversión, disuelto en el mar. Los océanos serían ricos en nitrógeno, pero los continentes estarían prácticamente desprovistos de él, convertidos en desiertos biológicos, si no existieran otros dos procesos, mutuamente simétricos, en los que está implicado el nitrógeno atmosférico (N2). Se trata de la fijación de nitrógeno, que origina compuestos solubles a partir del N2, y la desnitrificación, una forma de respiración anaerobia que devuelve N2 a la atmósfera. De esta manera se mantiene un importante depósito de nitrógeno en el aire (donde representa un 78 % en volumen).

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51 por

52 MEDIO TERRESTRE MEDIO MARINO FONDO MARINO ANIMALES MINERÍA
ALIMENTACIÓN DEPOSICIONES DE LAS AVES FERTILIZACIÓN EXCRECIÓN PLANTAS Y CULTIVOS YACIMIENTOS MINERALES DE FÓSFORO EROSIÓN El ciclo del fósforo es un ciclo biogeoquímico que describe el movimiento de este elemento químico en un ecosistema. Los seres vivos toman el fósforo  (P) en forma de fosfatos a partir de las rocas  fosfatadas, que mediante meteorización se descomponen y liberan los fosfatos. Éstos pasan a los vegetales por el suelo y, seguidamente, pasan a los animales. Cuando éstos excretan, los componedores actúan volviendo a producir fosfatos. Una parte de estos fosfatos son arrastrados por las aguas al mar, en el cual lo toman las algas, peces y aves marinas, las cuales producen guano el cual se usa como abono en la agricultura ya que libera grandes cantidades de fosfatos; los restos de los animales marinos dan lugar en el fondo del mar a rocas fosfatadas, que afloran por movimientos orogénicos. De las rocas se libera fósforo y en el suelo, donde es utilizado por las plantas para realizar sus funciones vitales. Los animales obtienen fósforo al alimentarse de las plantas o de otros animales que hayan ingerido. En la descomposición bacteriana de los cadáveres, el fósforo se libera en forma de ortofosfatos (H3PO4) que pueden ser utilizados directamente por los vegetales verdes, formando fosfato orgánico (biomasa vegetal), la lluvia puede transportar este fosfato a los mantos acuíferos o a los océanos. El ciclo del fósforo difiere con respecto al del carbono, nitrógeno y azufre en un aspecto principal. El fósforo no forma compuestos volátiles que le permitan pasar de los océanos a la atmósfera y desde allí retornar a tierra firme. Una vez en el mar, solo existen dos mecanismos para el reciclaje del fósforo desde el océano hacia los ecosistemas terrestres. Uno es mediante las aves marinas que recogen el fósforo que pasa a través de las cadenas alimentarias marinas y que pueden devolverlo a la tierra firme en sus excrementos. Además de la actividad de estos animales, hay la posibilidad del levantamiento geológico de los sedimentos del océano hacia tierra firme, un proceso medido en miles de años. El hombre también moviliza el fósforo cuando explota rocas que contienen fosfato. La proporción de fósforo en la materia viva es relativamente pequeña, pero el papel que desempeña es vital. Es componente de los ácidos nucleicos como el ADN. Muchas sustancias intermedias en la fotosíntesis y en la respiración celular están combinadas con el fósforo, y los átomos de fósforo proporcionan la base para la formación de los enlaces de alto contenido de energía del ATP, se encuentra también en los huesos y los dientes de animales. Este elemento en la tabla periódica se denomina como "P". Este ciclo no está sometido a procesos redox porque la forma esencial del fósforo (tanto orgánico como inorgánico) es el fosfato. La actividad microbiana reside en la capacidad de producción de otros ácidos orgánicos que aumenten o disminuyan la solubilidad de los fosfatos en el ecosistema haciéndolos más o menos accesibles a otros organismos. El fosfato suele ser limitante del crecimiento. Una entrada masiva de fosfatos en el sistema (como ocurre debido al empleo masivo de detergentes fosfatados) aumenta la productividad del ecosistema con lo que la materia orgánica aumenta considerablemente. Cuando esta materia orgánica comienza a descomponerse, se incrementan los procesos de respiración y, por consiguiente, el consumo de oxígeno, lo que genera un incremento de anaerobiosis conocido como proceso de eutrofización. AFLORAMIENTOS DE AGUAS PROFUNDAS DESCOMPONEDORES FONDO MARINO

53 Ciclo de Hierro El ciclo del hierro consiste principalmente en reacciones de oxido-reducción, que reducen el hierro férrico (Fe3+) a ferroso (Fe2+) y oxidan este hierro ferroso a férrico. Estas reacciones son importantes tanto para los compuestos orgánicos que contienen hierro como para los compuestos inorgánicos de dicho elemento. Prácticamente todos los microorganismos con la excepción de determinados lactobacilos necesitan hierro, que es utilizado como cofactor por muchas enzimas metabólicas y proteínas reguladoras debido a su capacidad de existir en dos estados . El Hierro se encuentra en la Litosfera en dos estados, el férrico Fe3+ y ferroso Fe2+. Este bioelemento es utilizado por distintos seres vivos para formar las cadenas de citocromos y asociado a proteínas de transporte, como la Hemoglobina. Determinadas bacterias anaerobias (Arqueobacterias) que viven en ambientes pantanosos, pobres en oxígeno, reducen el hierro férrico Fe3+ a ferroso Fe2+ que es asimilado por otros seres vivos ya que es más soluble. En ambientes con oxígeno el catión ferroso pasa de forma espontánea a férrico.

54 El hierro férrico se puede reducir en condiciones anóxicas a la forma ferrosa, más soluble.
Si hay suficientes H2S se forman precipitados de sulfuro de hierro. La inundación del suelo crea las condiciones anóxicas que favorecen la acumulación de hierro ferroso. En ambientes aeróbicos, la mayor parte del hierro esta en estado férrico. Diversas bacterias forman sideroforos, que unen al hierro facilitando así la absorción celular. Algunos quimiolitotrofos oxidan hierro para formar energía celular. Estas bacterias oxidadoras del hierro pueden generar grandes cantidades d este elemento.


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