Ecología de las poblaciones microbianas Dr. Francisco Javier Almendariz Tapia

Relación de los microorganismos con el Oxígeno Obligados Facultativos Microaerofílicos Aerobios Anaerobios Aerotolerantes Obligados

O2 + e-  O2- O2- + e- + 2 H+  H2O2 H2O2 + e- + H+  H2O + OH- Reducción del oxígeno hasta agua mediante la incorporación secuencial de electrones O2 + e-  O2- O2- + e- + 2 H+  H2O2 H2O2 + e- + H+  H2O + OH- OH- + e- + H+  H2O O2 + 4 e- + 4 H+  2 H2O

Enzimas que actúan sobre especies moleculares derivadas del oxígeno Catalasa H2O2 + H2O2  2 H2O + O2 Peroxidasas H2O2 + NADH + H+  2 H2O + NAD+ Superóxido dismutasa O2- + O2 + 2 H+  H2O2 + O2 Superóxido dismutasa/catasa 4 O2- + 4 H+  2 H2O + 3 O2

Cultivo de los microorganismos Crecimiento Aerobio Crecimiento Anaerobio Crecimiento Aerobio facultativo Microaerofílico

Los cinco reinos (Margulis, 1982) Principales características Ejemplos Móneras Organismos procariotas unicelulares Bacterias Protistas Organismos eucariotas unicelulares y sus descendientes más inmediatos Algas, protozoos Hongos Organismos heterótrofos que obtienen su alimento por absorción. No realizan la fotosíntesis. La pared celular contiene generalmente quitina. Levaduras, setas Vegetal Organismos inmóviles que realizan la fotosíntesis. Pared celular compuesta de celulosa Musgos, helechos, árboles Animal Organismos móviles sin pared celular. Ingieren el alimento. Presentan tejidos diferenciados. Moluscos, peces, aves

Árbol filogenético Universal (Woese et al., 1990) Bacteria Aquifex Thermotoga Flavobacterias Cianobacterrias Cloroplastos Bacterias rojas Mitocondria Bacterias Gram-positivas Bacterias verdes no del azufre Archaea Eukarya Hongos Plantas Animales mucosos Entamebas Ciliados Flagelados Tricomónadas Microsporiodios Diplomónadas (Giardia) Euriarqueotas Methanobacterium Methanosarcina Halófilos extremos Crenarqueotas Thermoproteus Pyrodictium Thermoplasma Thermococcus Methanococcus Korarqueotas Methanopyrus

Características diferenciadoras de los tres dominios (Madigan et al., 1998) Característica Bacteria Archaea Eukaria DNA circular Presente Ausente Núcleo encerrado en una membrana Pared celular Ácido murámico Ausencia del ácido murámico Lípidos de membrana Uniones éster Uniones éter RNA polimerasas 1 (4 subunidades) Varias (de 8 a 12 subunidades c/u) 3 (de 12 a 14 subunidades c/u) Sensibilidad al cloramfenicol, estreptomicina y kanamicina Sí No Metanogénesis Reducción de S0 a H2S Desnitrificación Quimiolitotrofía (Fe, S, H2)

Aerobios / Anaerobios facultativos o estrictos Planctomycetales (4) g- d- Methanopyrales (1) Archaeoglobales (2) Thermococcales (2) Thermoplasmatales (2) Halobacteriales (15) Methanobacteriales (5) Methanomicrobiales (9) Methanosarcinales (7) Sulfolobales (6) Desulfurococcales (11) 0.1 ARCHAEA BACTERIA Actinomycetales (123) a:124 b: 60 g: 161 d: 52 { Methanococcales (4) Deferribacterales (4) Nitrospirales (4) Chrysiogenales (1) a- b- Proteobacteria (397) Halanaerobiales (10) Lactobacillales (28) Cyanobacteria (56) Mollicutes (12) Bacillales (31) Clostridiales (77) Thermales (2) Deinococcales (1) Chloroflexales (5) Thermomicrobiales (1) Bacteroidetes (51) e -Proteobacteria (6) Chlorobiales (5) Spirochaetales (13) Thermoanaerobacteriales (7) Dictyoglomales (1) Thermotogales (5) Aquificales (5) Thermoproteales (5) Aerobios Anaerobios facultativos Anaerobios

Grupos tróficos de procariotas Planctomycetales (4) g- d- Methanopyrales (1) Archaeoglobales (2) Thermococcales (2) Thermoplasmatales (2) Halobacteriales (15) Methanobacteriales (5) Methanomicrobiales (9) Methanosarcinales (7) Sulfolobales (6) Desulfurococcales (11) 0.1 ARCHAEA BACTERIA Actinomycetales (123) a:124 b: 60 g: 161 d: 52 { Methanococcales (4) Deferribacterales (4) Nitrospirales (4) Chrysiogenales (1) a- b- Proteobacteria (397) Halanaerobiales (10) Lactobacillales (28) Cyanobacteria (56) Mollicutes (12) Bacillales (31) Clostridiales (77) Thermales (2) Deinococcales (1) Chloroflexales (5) Thermomicrobiales (1) Bacteroidetes (51) e -Proteobacteria (6) Chlorobiales (5) Spirochaetales (13) Thermoanaerobacteriales (7) Dictyoglomales (1) Thermotogales (5) Aquificales (5) Thermoproteales (5) Foto autotrofos Foto hétérotrofos Quimio autotrofos Quimio hétérotrofos

{ Ciclo del carbono g- d- ARCHAEA BACTERIA a- b- Fermentadores Planctomycetales (4) g- d- Methanopyrales (1) Archaeoglobales (2) Thermococcales (2) Thermoplasmatales (2) Halobacteriales (15) Methanobacteriales (5) Methanomicrobiales (9) Methanosarcinales (7) Sulfolobales (6) Desulfurococcales (11) 0.1 ARCHAEA BACTERIA Actinomycetales (123) a:124 b: 60 g: 161 d: 52 { Methanococcales (4) Deferribacterales (4) Nitrospirales (4) Chrysiogenales (1) a- b- Proteobacteria (397) Halanaerobiales (10) Lactobacillales (28) Cyanobacteria (56) Mollicutes (12) Bacillales (31) Clostridiales (77) Thermales (2) Deinococcales (1) Chloroflexales (5) Thermomicrobiales (1) Bacteroidetes (51) e -Proteobacteria (6) Chlorobiales (5) Spirochaetales (13) Thermoanaerobacteriales (7) Dictyoglomales (1) Thermotogales (5) Aquificales (5) Thermoproteales (5) Fermentadores sintrofos Metanogenos

{ Ciclo del Nitrógeno g- d- ARCHAEA BACTERIA a- b- fijadores de N2 Planctomycetales (4) g- d- Methanopyrales (1) Archaeoglobales (2) Thermococcales (2) Thermoplasmatales (2) Halobacteriales (15) Methanobacteriales (5) Methanomicrobiales (9) Methanosarcinales (7) Sulfolobales (6) Desulfurococcales (11) 0.1 ARCHAEA BACTERIA Actinomycetales (123) a:124 b: 60 g: 161 d: 52 { Methanococcales (4) Deferribacterales (4) Nitrospirales (4) Chrysiogenales (1) a- b- Proteobacteria (397) Halanaerobiales (10) Lactobacillales (28) Cyanobacteria (56) Mollicutes (12) Bacillales (31) Clostridiales (77) Thermales (2) Deinococcales (1) Chloroflexales (5) Thermomicrobiales (1) Bacteroidetes (51) e -Proteobacteria (6) Chlorobiales (5) Spirochaetales (13) Thermoanaerobacteriales (7) Dictyoglomales (1) Thermotogales (5) Aquificales (5) Thermoproteales (5) fijadores de N2 Nitrificantes Desnitrificantes

{ Ciclo del azufre g- d- ARCHAEA BACTERIA a- b- Sulfo-oxidantes Planctomycetales (4) g- d- Methanopyrales (1) Archaeoglobales (2) Thermococcales (2) Thermoplasmatales (2) Halobacteriales (15) Methanobacteriales (5) Methanomicrobiales (9) Methanosarcinales (7) Sulfolobales (6) Desulfurococcales (11) 0.1 ARCHAEA BACTERIA Actinomycetales (123) a:124 b: 60 g: 161 d: 52 { Methanococcales (4) Deferribacterales (4) Nitrospirales (4) Chrysiogenales (1) a- b- Proteobacteria (397) Halanaerobiales (10) Lactobacillales (28) Cyanobacteria (56) Mollicutes (12) Bacillales (31) Clostridiales (77) Thermales (2) Deinococcales (1) Chloroflexales (5) Thermomicrobiales (1) Bacteroidetes (51) e -Proteobacteria (6) Chlorobiales (5) Spirochaetales (13) Thermoanaerobacteriales (7) Dictyoglomales (1) Thermotogales (5) Aquificales (5) Thermoproteales (5) Sulfo-oxidantes Sulfo-reductores Thiosulfato- reductores Sulfato-reductores

Procariotas terrestres Planctomycetales (4) g- d- Methanopyrales (1) Archaeoglobales (2) Thermococcales (2) Thermoplasmatales (2) Halobacteriales (15) Methanobacteriales (5) Methanomicrobiales (9) Methanosarcinales (7) Sulfolobales (6) Desulfurococcales (11) 0.1 ARCHAEA BACTERIA Actinomycetales (123) a:124 b: 60 g: 161 d: 52 { Methanococcales (4) Deferribacterales (4) Nitrospirales (4) Chrysiogenales (1) a- b- Proteobacteria (397) Halanaerobiales (10) Lactobacillales (28) Cyanobacteria (56) Mollicutes (12) Bacillales (31) Clostridiales (77) Thermales (2) Deinococcales (1) Chloroflexales (5) Thermomicrobiales (1) Bacteroidetes (51) e -Proteobacteria (6) Chlorobiales (5) Spirochaetales (13) Thermoanaerobacteriales (7) Dictyoglomales (1) Thermotogales (5) Aquificales (5) Thermoproteales (5)

Procariotas patógenos Planctomycetales (4) g- d- Methanopyrales (1) Archaeoglobales (2) Thermococcales (2) Thermoplasmatales (2) Halobacteriales (15) Methanobacteriales (5) Methanomicrobiales (9) Methanosarcinales (7) Sulfolobales (6) Desulfurococcales (11) 0.1 ARCHAEA BACTERIA Actinomycetales (123) a:124 b: 60 g: 161 d: 52 { Methanococcales (4) Deferribacterales (4) Nitrospirales (4) Chrysiogenales (1) a- b- Proteobacteria (397) Halanaerobiales (10) Lactobacillales (28) Cyanobacteria (56) Mollicutes (12) Bacillales (31) Clostridiales (77) Thermales (2) Deinococcales (1) Chloroflexales (5) Thermomicrobiales (1) Bacteroidetes (51) e -Proteobacteria (6) Chlorobiales (5) Spirochaetales (13) Thermoanaerobacteriales (7) Dictyoglomales (1) Thermotogales (5) Aquificales (5) Thermoproteales (5)

Principales procariotas patógenos de alimentos Planctomycetales (4) g- d- Methanopyrales (1) Archaeoglobales (2) Thermococcales (2) Thermoplasmatales (2) Halobacteriales (15) Methanobacteriales (5) Methanomicrobiales (9) Methanosarcinales (7) Sulfolobales (6) Desulfurococcales (11) 0.1 ARCHAEA BACTERIA Actinomycetales (123) a:124 b: 60 g: 161 d: 52 { Methanococcales (4) Deferribacterales (4) Nitrospirales (4) Chrysiogenales (1) a- b- Proteobacteria (397) Halanaerobiales (10) Lactobacillales (28) Cyanobacteria (56) Mollicutes (12) Bacillales (31) Clostridiales (77) Thermales (2) Deinococcales (1) Chloroflexales (5) Thermomicrobiales (1) Bacteroidetes (51) e -Proteobacteria (6) Chlorobiales (5) Spirochaetales (13) Thermoanaerobacteriales (7) Dictyoglomales (1) Thermotogales (5) Aquificales (5) Thermoproteales (5) Escherichia coli : diarreas Shigella spp. : diarreas Salmonella spp.: salmonelosis Yersinia enterocolitica: yersiniosis Vibrio vulnificus: gastroenteritis Listeria monocytogenes: listeriosis Staphylococcus aureus: intoxicaciones Clostridium botulinum: botulismo Campylobacter jejuni: diarreas

Grupos representativos de las bacterias anaerobias Bacteria Archaea Aerotolerantes Bacterias del ácido láctico Obligadas Clostridios Homoacetogénicas Bacterias intestinales Sulfatoreductoras Extremófilas Metanogénicas

Características del género Clostridium (Madigan et al., 1998) Característica clave Otras características Especies I. Fermentadores de carbohidratos Fermentan celulosa Productos de fermentación: acetato, lactato, succinato, etanol, CO2 e H2 C. cellobioparum C. thermocellum Fermentan azúcares, almidón y pectina Productos de fermentación: acetona, butanol, etanol, isopropanol, butirato, acetato, propionato, succinato, CO2, H2; algunos fijan N2 C. butyricum C. acetobutylicum C. pasteurianum C. perfringens C. thermosulfurogenes Fermentan principalmente azúcares a ácido acético Células anulares que forman cadenas helicoidales que giran hacia la izquierda C. aceticum C. thermoaceticum Fermentan únicamente pentosas o metil pentosas Productos de fermentación: acetato, propionato, n-propanol, CO2 e H2 C. formioaceticum C. metylpentosum II. Fermentadores de proteínas Productos de fermentación: acetato, otros ácidos grasos, NH3, CO2, a veces H2; algunos también fermentan azúcares hasta butirato y acetato; pueden producir exotoxinas C. sporogenes C. tetani C. botulinum C. tetanomorphum C. propionicum III. Fermentadores de carbohidratos o aminoácidos Productos de fermentación: acetato, formiato y pequeñas cantidades de isobutirato e isovalerato C. bifermentans IV. Fermentadores de purinas Fermentan ácido úrico y otras purinas formando acetato, CO2 y NH3 C. acidurici V. Fermentadores de etanol a ácidos grasos Producen butirato, coproato e H2; requieren acetato como aceptor de electrones; no utiliza azúcares, aminoácidos o purinas C. kluyveri

Contribuciones bioquímicas/metabólicas de los microorganismos intestinales (Madigan et al., 1998) Contribución Productos del metabolismo Síntesis de vitaminas Producción de tiamina, riboflavina, piridoxina, B12 y K Producción de gas Producción de CO2, CH4, H2 Producción de olor Producción de H2S, NH3, aminas, indol, escatol y ácido butírico Producción de ácidos orgánicos Producción de acético, propiónico y butírico Reacciones de glicosidasas Enzimas: -glucoronidasa,  y -galactosidasa,  y -glucosidasa Metabolismo esteroide Proceso: esterificación, deshidroxilación, oxidación, reducción, inversión

Bacterias homoacetogénicas (Madigan et al., 1998) I. La síntesis de acetato es el resultado del metabolismo energético Acetoanaerobium noterae Acetobacterium woodii Acetobacterium wieringae Acetogenium kivui Acetitomaculum ruminis Desulfotomaculum orientis Sporomusa paucivorans Eubacterium limosum II. Síntesis de acetato en el metabolismo autotrófico Bacterias homoacetogénicas autotróficas Bacterias reductoras de sulfato autotróficas

Bacterias Sulfato-reductoras

Ciclo rédox para el azufre (Madigan et al., 1998) SO42- S0 H2S SH Grupos de proteínas Reducción asimilatoria del sulfato Reducción desasimilatoria del sulfato Desulfuración

y otras características Algunas características de las bacterias reductoras de sulfato (Madigan et al., 1998) Género Morfología Gram Especies reportadas Desulforidina y otras características Grupo I. Reductores de sulfato: no oxidantes de acetato Desulfovibrio Desulfomicrobium Desulfobotulus Desulfotomaculum Desulfomonile Desulfobacula Desulfobulbus Thermodesulfobacterium Bacilos curvos Bacilos móviles Vibrios Bacilos rectos o curvos Bacilos Ovales o cocos Ovoides - 14 2 1 4 3 + Grupo II. Reductores de sulfato: oxidantes de acetato Desulfobacter Deulfobacterium Desulfococcus Desulfonema Desulfosarcina Desulfoarculus Desulfacinum Desulforhabdus Thermodesulforhabdus Cocos Filamentos Cocos en paquetes Cocos u ovales

Bacterias Metanogénicas Methanospirillum hungatii

Metanogénesis Compuestos orgánicos complejos Carbohidratos, proteínas, lípidos 5% 20% Hidrólisis Compuestos orgánicos simples Azucares, aminoácidos, péptidos 10% 35% Acidogénesis Ácidos grasos de cadena larga (propionato, butirato, etc.) 13% 17% H2, CO2 Acetato 28% 72% CH4, CO2

M. barkeri

Coenzimas únicas para las arqueas metanógenas (Madigan et al., 1998) 2 H+ 2 e- Coenzima F420 Transportador de e-

Coenzimas únicas para las arqueas metanógenas (Madigan et al., 1998) Coenzima F430 Transportador de e- Transportador de C1 Metanofurano

Coenzimas únicas para las arqueas metanógenas (Madigan et al., 1998) Metanopterina Transportador de C1 Coenzima M Transportador de C1

Sustratos convertibles a metano (Madigan et al., 1998) Sustratos tipo CO2 Dióxido de carbono (con electrones derivados de H2, algunos alcoholes o piruvato) Formiato (HCOO-) Monóxido de carbono (CO) Sustratos de metilo Metanol (CH3OH) Metilamina (CH3NH3+) Dimetilamina [(CH3)2NH2+] Trimetilamina [(CH3)3NH+] Metilmercaptano (CH3SH) Dimetilsulfuro [(CH3)2S] Sustratos acetotróficos Acetato (CH3COO-)

Algunas características de las bacterias metanogénicas (Holt et al Género Morfología Gram Especies reportadas Sustratos Grupo I Methanobacterium Methanobrevibacter Methanosphaera Methanothermus Bacilos alargados Bacilos cortos Cocos Bacilos + ó – + 13 3 1 2 H2 + CO2 y formiato Metanol + H2 H2 + CO2 Grupo II Methanococcus Methanomicrobium Methanogenium Methanospirillum Methanoplanus Methanoculleus Methanocorpusculum Methanolacinia Cocos irregulares Espiral Células en forma de placa Cocos irregulares en agregados Cocos grandes - 7 4 5 Grupo III Methanosarcina Methanolobus Methanohalobium Methanococoides Methahalophilus Methanotrix (Methanosaeta) Cocos grandes e irregulares en paquetes Bacilos alargados o filamentos 6 Acetato, Metanol, Mono, di ó trimetil aminas Metanol, mono, di ó trimetil aminas Metanol, mono, di y trimetil aminas Acetato

Bacterias nitrificantes y desnitrificantes Pseudomonas Nitrosomonas

Ciclo del nitrógeno NO2- NH3 N2 Nitrificación N2 NO3- Óxico Anóxico Asimilación Asimilación Grupos de proteínas NH2 Fijación de nitrogeno NO3- Amonificación Óxico NH3 Grupos de proteínas Asimilación Anóxico NO2- ANAMMOX NH2 Amonificación NO, N2O N2 Desnitrificación

Procesos clave y procariotas en el ciclo del nitrógeno organismos Nitrificación (NH4+NO3-) NH4+NO2- NO2+NO3- Nitrosomonas Nitrobacter Desnitrificación Bacillus, Paracoccus, Pseudomonas Fijación de N2 (N2+8HNH3+H2) Vida libre Aerobia Anaerobia Simbiótica Azotobacter Cianobacterias Clostridium, Bacterias fototróficas rojas y verdes Rhizobium, Bradyrhizobium, Frankia Amonificación (N orgánico  NH4+) Pueden hacerlo muchos microorganismos