MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL

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 La ecología microbiana es el estudio de las relaciones de los microbios con otros organismos y también con sus entornos no vivos. Estas relaciones, basadas en usos interactivos de recursos, tienen efectos que se extienden a la escala mundial. 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 un mesófilo que crece óptimamente 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 Ferroplasma es un género de microorganismos del dominio Archaea.
Comprende solamente una especie, F. acidophilum, un acidófilo oxidante del hierro. Ferroplasma acidophilum es una especie de arqueobacteria de la clase Thermoplasmata. Es un microorganismo descubierto en Rusia que sobrevive en ácido sulfúrico (lo más parecido a las condiciones extremas que existían en la Tierra hace millones de años) y se puede alimentar de alguna forma de pirita (FeS). Todo parece indicar que es el primer poblador de la Tierra, el ancestro común a partir del cual se originaron el resto de organismos. Al contrario que otros miembros de Thermoplasmata, F.acidophilum es un mesófilo que crece óptimamente 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. 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 usando oxígeno 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. Manuel Ferrer, uno de los responsables de la investigación y científico titular del CSIC, explica que este organismo es único porque es capaz de vivir en ácido sulfúrico sin poseer pared celular. «Es como si el ser humano fuera resistente al ácido en ausencia de piel», agregó. Pero es que, además, «es capaz de obtener energía y alimentarse de pirita, que es insoluble y no puede ser fuente de alimento para ningún animal». Lo que hace este organismo es oxidar el hierro e incorporarlo en sus proteínas a modo de 'grapa', de tal forma que «se engancha» a la estructura de las proteínas manteniéndolas estables. Una de las teorías más admitidas para reconstruir la génesis de la vida, y que este estudio apunta, es que esas primeras moléculas biológicas que aparecieron en la Tierra lo hicieron en superficies repletas de hierro y azufre, los dos elementos que componen la pirita, muy abundante en la Tierra primitiva y que originaba ambientes muy ácidos. La Tierra en esos momentos estaba formada por gases y minerales y ese hierro en sí sirvió como catalizador para formar las primeras macromoléculas, las primeras proteínas. Procesos biológicos La cuestión clave en la evolución es cómo se formaron esas primeras proteínas capaces de catalizar los primeros procesos biológicos que dieron origen a la vida. Y la explicación la da el hierro: «Esas proteínas no eran activas porque no tenían la estructura tridimensional adecuada, pero al incorporar ese hierro que se estaba oxidando en el medio se dio forma a esas proteínas pasando de una catálisis inorgánica a una biológica», explica Ferrer. A medida que el ambiente de la Tierra se volvió menos ácido y menos rico en pirita, la evolución incorporó nuevos materiales (metales) estabilizadores que no estaban basados en hierro, lo que facilitó el desarrollo de otros organismos que podían crecer en ambientes con poco hierro, como ocurre en la Tierra actual. «Una excepción absoluta es el ambiente en el cual el 'Ferroplasma acidiphilum' puede encontrarse, incluso en la actualidad», dice Ferrer. Aunque este microorganismo en particular se aisló en un reactor alimentado con pirita, Ferrer explica que también se puede encontrar en zonas volcánicas, a temperaturas altas y donde hay emanaciones de material sulfuroso. Parece que es uno de los primeros pobladores de la Tierra y que permanece inalterado desde el inicio de la evolución. Se supone que estos microorganismos y otros similares estabilizaron las primeras proteínas mediante su anclaje con hierro y de ahí surgieron otras formas de vida.

5 Las bacterias colonizan gran cantidad de
ambientes, en los que pueden establecer Biofilmes o biopelículas.

6 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).

7 ‘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 microorganismos 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 microorganismo. La Microbiología Ambiental se ocupa más de los procesos a escala macro, sin considerar en detalle los microambientes. El epitelio intestinal es un microambiente Bacteriano.

8 Thermus aquaticus, denominada también Thermophilus aquaticus, es una bacteria termófila que vive en la proximidad de manantiales de agua caliente. La describió por primera vez Thomas Brock en 1969, en un manantial del Parque Nacional de Yellowstone. Es una bacteria gram-negativa, aerobia y heterótrofa. Esta bacteria vive a temperaturas comprendidas entre 50 y 80 °C, gracias a que sus enzimas resisten tales condiciones. Normalmente, a esas temperaturas las proteínas constitutivas de la mayoría de los seres vivos se desnaturalizan y no vuelven a ser funcionales. Debido a esa termorresistencia, la enzima que Thermus aquaticus emplea para replicar su ADN, llamada ADN polimerasa Taq, se utiliza con frecuencia en las reacciones de PCR (Reacción en Cadena de la Polimerasa). En la PCR se separan las cadenas de la doble hélice del ADN mediante desnaturalización térmica a temperaturas en torno a los 95°C, lo que conduciría a la inactivación de las DNA polimerasas ordinarias. La polimerasa Taq, en contraste, tiene su máxima actividad a 72 °C y su termoestabilidad es tal que su vida media a 95°C es de 40 minutos, lo que la hace idónea para este tipo de procesos.

9 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 (tapetes microbianos) 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. Los tapetes microbianos ("microbial mats") han sido descritos como comunidades bentónicas estratificadas que se desarrollan en la interfase entre el agua y sustratos sólidos.

10 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. La metagenómica es el estudio del conjunto de genomas de un determinado entorno (metagenoma) directamente a partir de muestras de ese ambiente (comunidades de microorganismos en su entorno natural) , sin necesidad de aislar y cultivar esas especies. Metaproteómica (análisis proteómico de comunidades).

11 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 pertenecen a los tres Dominia biológicos: Archaea, Bacteria y Eukarya.

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13 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. Participan en procesos de biodegradación y bio-remediación. Los procesos ecológicos planetarios seguirían desarrollándose aunque no estuvieran presentes los eucariontes.

14 ‘Everything is everywhere, the environment selects’.
Desarrollo histórico ‘Everything is everywhere, the environment selects’. M.W. Beijerinck Todo lo que está en todas partes, es lo que el medio ambiente selecciona.

15 Martinus Beijerinck (1851-1931).
Nicotiana tabacum con la enfermedad del mosaico y TMV. 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 y aislamiento de Spirillum desulfuricans. Se le acredita ser uno de los pioneros en el uso de cultivos enriquecidos para bacterias. Rhizobium leguminosarum colonizando una célula radical de leguminosa.

16 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.

17 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).

18 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).

19 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.

20 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).

21 Desafíos a escala microbiana

22 Estructuración ecológica de los microorganismos

23 Organización de los microorganismos en la naturaleza
DEFINICIONES Organización de los microorganismos en la naturaleza

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

25 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