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Microbiología Ambiental
LGA, 5to semestre 2016
Presentación
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Docentes: Cecilia Alonso, Valentina Amaral y Florencia
Bertoglio
Horarios: Martes y Jueves de 15 a 17. Maldonado y
Rocha
Modalidad: Clases teóricas y prácticas, talleres,
seminarios, EVA
Bibliografía: Brock Biología de los microorganismos
Environmental Microbiology. From genomes to
biogeochemistry.
Presentación
Evaluación continua basada en:
-Asistencia a las clases (se requiere un mínimo del 75% a
teórico, talleres y práctico )
-Control de lecturas previas a clases (14 controles), se
requiere realizar un mínimo del 75% de los controles
-Preparación y participación en talleres y seminarios*
-Informe final de actividades prácticas
-Créditos: 9
Presentación
• I . Biología de los microorganismos. Características
generales, Estructura celular, Genética, Metabolismo.
• II. Ecología microbiana. Taxonomía, Filogenia, Diversidad,
Regulación poblacional.
• III. Microorganismos en el ambiente. Microbiología de suelos,
Microbiología acuática, Ciclos biogeoquímicos. Interacciones con
otros organismos.
• IV. Aplicaciones de relevancia ambiental. Microorganismos
indicadores de contaminación, Bioremediación, Biotecnologías,
Control biológico de plagas.
Presentación
semana fecha clase contenido /po 1 29/03/2016 1 Microbiología: concepto, aspectos históricos y relación con otras disciplinas. Importancia de los microorganismos. Clasificación de los organismos vivos. Características generales. Comparación entre célula procariota y eucariota.
Teórica 1 31/03/2016 2 Microorganismos procariotas y eucariotas. Bacterias, protistas, hongos y virus. Importancia para los ecosistemas
Teórica 2 05/04/2016 3 Estructura y replicación del ADN. Mutaciones. Agentes mutágenos. Recombinación genética: concepto, conjugación, transformación y transducción. Plásmidos bacterianos: concepto y significado biológico.
Teórica 2 07/04/2016 4 Composición química de las bacterias. Fuentes de carbono y energía. Categorías nutricionales.Catabolismo y anabolismo. Reacciones de óxido-reducción, torre de electrones, transporte de electrones, fuerza proton motriz y sintesis de ATP. Diversidad catabólica
Teórica 3 12/04/2016 5 Fermentación. Respiración aeróbica y anaeróbica
Teórica 3 14/04/2016 6 Fotosíntesis oxigénica y anoxigénica.
Teórica 4 19/04/2016 7 Biosíntesis, Asimilación de nutrientes inorgánicos.
Teórica 4 21/04/2016 8 Relaciones metabolismo-ambiente, clasificación funcional de los microorganismos.
Teórica 5 26/04/2016 9 1er Taller y presentación de seminarios
Teórico-­‐prác8ca + trabajo domiciliario de preparación 5 28/04/2016 10 Diversidad bacteriana.Taxonomía. Filogenia. Ejemplos de grupos de relevancia ambiental.
Teórica 6 03/05/2016 11 Cont. Diversidad bacteriana.Taxonomía. Filogenia. Ejemplos de grupos de relevancia ambiental
Teórica 6 05/05/2016 12 Microbiología acuática. Composición y actividad del bacterioplancton. Diferencias entre grupos y ambientesMicrobiología acuática. Composición y actividad del bacterioplancton. Diferencias entre grupos y ambientes
Teórica 7 10/05/2016 13 Microbiología acuática.Tramas tróficas microbianas Microbiología acuática.Tramas tróficas microbianas
Teórica 7 12/05/2016 14 Microbiología de suelos. Componentes del suelo. Procesos claves. Biota microbiana. Ej.de grupos relevantes
Teórica 8 17/05/2016 15 Microbiología suelos. Interacciones clave donde participan mo. Fijación de Nitrógeno, Micorrizas.
Teórica 8 19/05/2016 16 Relaciones con otros organismos. Ejemplos de diversos ambientes.
Teórico-­‐prác8ca + trabajo domiciliario de preparación 9 24/05/2016 17 2do Taller y presentación de seminarios
Teórica 9 26/05/2016 18 Ciclos biogeoquímicos, concepto, importancia ambiental, rol de los microorganismos. Ciclo del agua y ciclo del oxígeno
Teórica 10 31/05/2016 19 Ciclo del carbono. Relevancia del C. Reservorios.Ciclo redox. Principales flujos en el ciclo natural del carbono y sus alteraciones antropogénicas. El ciclo del C y la regulación climática. Rol de los microorganismos. Ej. Bomba microbiana de Carbono.
Teórica 10 02/06/2016 20 Ciclo del Nitrógeno. Relevancia del N.Reservorios. Ciclo redox.Procesos naturales y antropogénicos. Rol de los mo. La cascada de Nitrógeno
Teórica 11 07/06/2016 21 Ciclo del Azufre y del Fósforo. Relevancia del S. Reservorios.Ciclo redox del S. Procesos claves y rol de los mo.Relevancia del P. Reservorios. Procesos de transformación del P y rol de los mo. P en sistemas terrestres y acuáticos. Eutrofización. Impactos antropogénicos
Teórica 11 09/06/2016 Microorganismos como indicadores de calidad ambiental. Calidad de agua, tipos de contaminantes, indicadores. Ejemplos de indicadores microbianos: coliformes, cianobacterias. Floraciones tóxicas. Indicadores ecológicos. Ej indicadores de calidad de suelo contaminado por
22 hidrocarburos.
Teórica 12 14/06/2016 23 Bioremediación. Ejemplos de uso de microorganismos como agentes de remoción de contaminantes. Bioremediación, tratamiento de efuentes
Teórica 12 16/06/2016 24 Aplicaciones de relevancia ambiental: Bio-tecnologías.
Teórica 13 21/06/2016 25 Aplicaciones de relevancia ambiental: Bio-tecnologías. Control biológico. Líneas de investigación en el CURE
Teórico-­‐prác8ca + trabajo domiciliario de preparación 13 23/06/2016 26 3er Taller y presentación de seminarios
Teórico-­‐prác8ca 14 28/06/2016 27 Practico: salida de campo, siembra coliformes
Teórico-­‐prác8ca 14 30/06/2016 28 Practico: recuento coliformes, largar gel dgge
Teórico-­‐prác8ca 15 05/07/2016 29 analisis de gel DGGE
Teórico-­‐prác8ca 15 07/07/2016 30 Discusión de resultados
Teórico-­‐prác8ca 16 15/07/2016 Entrega del informe del trabajo práctico
Producto de trabajo domiciliario Clase 1
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Microbiología: concepto. Microbiología Ambiental,
aspectos históricos. Relación con otras disciplinas.
Importancia de los microorganismos en el ambiente
Clasificación de los organismos vivos.
Características generales. Estructura celular.
Comparación entre célula procariota y eucariota.
Microbiología
Estudio de los microorganismos que viven como
células aisladas o asociadas (no tejidos)
Diferencia fundamental con macroorganismos: cada
célula lleva a cabo todas las funciones vitales de
forma independiente de otras células
Microbiología
Virus: también son objeto de estudio, a pesar de que
no son células. Son entidades biológicas que
necesitan obligatoriamente de otro organismo para
llevar a cabo sus funciones vitales.
Para que estudiar los mo?
Microbiología como ciencia básica:
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-Conocimiento de las bases físicas y químicas de
la vida
-Conocimiento de procesos ecológicos y
evolutivos
Para que estudiar los mo?
Microbiología como ciencia aplicada:
-resolución de problemas relativos a salud,
agricultura, industria, medio ambiente
Pioneros en estudio
microorganismos en el ambiente
Martinus Willem Beijerinck
(1851-1931)
Serguéi Nikoláievich Winogradski
(1856-1953)
Importancia de los microorganismos en
el ambiente
Un poco de historia…
Si todo el tiempo transcurrido desde el
comienzo del Universo equivale a un día.
…la Tierra se formó a las 4:30 a.m.
...las bacterias habrían aparecido
alrededor de las 5:00 a.m.
...los dinosaurios no habrían aparecido
sino hasta las 10 de la noche.
...y nosotros solamente hasta segundos
antes de la media noche.
Los microorganismos han moldeado profundamente el
ambiente en la Tierra
La mayoría de la diversidad de la vida es microbiana
(sobre todo procariota)
Ud. está aquí
(Woese 1987)
La mayoría de la diversidad de la vida es microbiana
(sobre todo procariota)
(Woese 1987)
Los procariotas son ubicuos y colonizan
todo ambiente donde la vida sea posible
aire
1000 procariotas
suelos
100.000 millones
de procariotas
En un centímetro cúbico!!
Sedimentos
1000 millones
de procariotas
Aguas oceánicas
1 millón de bacterias
Suelo
Estimaciones por hábitat
(Whitman, Coleman, Wiebe, PNAS 1998)
Número de células
(x1027)
Agua
Selvas tropicales lluviosas
Número de
células (x1026)
Marina
Plataforma oceánica
1
1
Selvas tropicales
estacionales
0.5
Bosques templados
perennes
0.3
Océano abierto
1010
Bosques templados
caducos
0.4
Sedimento
170
Bosques boreales
0.6
Bosques
28.1
Sabana
52.7
Pradera templada
31.6
desierto
63.2
Tierra cultivada
49.1
Tundra y alpinos
20.8
Pantanos
7.3
Total
255
Agua dulce
Lagos
1.3
Ríos
0.012
Salinas
1
Total
Sedimentos
profundos
Total
1180
Número de células
(x1028)
380
Los procariotas son los organismos más abundantes de la
biósfera
En la tierra habitan
6x1030 procariotas
7x109 humanos
6.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000
7.000.000.000
Los procariotas constituyen una proporción muy importante
de la biomasa
=
La biomasa de los
procariotas se estima en
5x1015 gramos de C
equivalente a la biomasa
vegetal total
Además contienen 10 veces más N y P que toda la biomasa vegetal!
Biomasa y área de organismos planctónicos marinos
Las bacterias
constituyen la
mayor parte de la
biomasa y el
área del plancton
La importancia de ser pequeño…
Ambientes extremos sólo habitados
por procariotas
Medios extremadamente salinos
Color dado por una arquea
Lac Rose Senegal
Lago Retba es hipersalino: concentración
máxima de sal: 463 g/l
(el agua de mar tiene 32g/l)
Medios con temperaturas extremas
Desierto Mojave
Antártida
-40 - >130°C
Whakarewarewa aguas termales
Medios ácidos ej Río Tinto
pH: 1.7-2.5
Color y pH dados por un proceso microbiano que
libera ácido sulfúrico y hierro
Proyecto M.A.R.T.E
Bacterias extraterrestres?
Hace 13,000 años un meteorito (ALH 84001) proveniente de
Marte aterrizó en la Antártida
Su análisis reveló que poseía:
• Hidratos de carbono iguales a los
resultantes de la descomposición de
microorganismos terrestres
• Fases minerales consistentes con
productos del metabolismo bacteriano
• Formas que podrían ser microfósiles de
bacterias primitivas
CLASES Y EJEMPLOS DE EXTREMÓFILOS Extremo Término descrip/vo Género/especie Dominio Hábitat Mínimo óp/mo Máximo Temperatura Elevada Hipertermófilo Pyrolobus fumarii Caliente, fuentes Archaea hidrotermales submarinas Baja Psicrófilo Polaromonas vacuolala Bacteria Hielo marino 90°C 106°C 113°C 0°C 4°C 12°C Ph Bajo Acidófilo Picrophilus oshimae Alto Alcalófilo Natronobacterium gregori Presión Barófilo MT41 (Mariana Trench-­‐41) Sal (NaCL) Halófilo Halobacterium salinarum Archaea Fuentes termales ácidas -­‐0,06 Lagos 8,5 carbonatados Sedimentos Bacteria 500 atm océanicos profundos Archaea Archaea Salinas 15% 0,7 4 10 12 700 atm > 1000 atm 25% 32% (saturación) Deinococcus
radiodurans
Simbiosis: Vivir sin sistema digestivo
Gusano
marino
Vive en el
sedimento
Olavius algarvensis
No tiene
sistema
digestivo
Simbiosis: Vivir sin sistema digestivo
Bacterias del Azufre (gammas) y
reductoras de sulfato (deltas).
Deltas producen compuestos que
usan las gammas
Fijan carbono
Gamma-proteobacteria
Delta-proteobacteria
Detoxifican los productos de
desecho
El gusano las mantiene protegidas en la interfase
agua sedimento
El carbono fijado, los aminoácidos y vitaminas
sintetizados por las bacterias alimentan al gusano
Simbiosis: Brillar con luz ajena
Euprymna scolopes
Calamar hawaiano
Órgano luminiscente
Fluorescencia
Reflector (tinta)
Lente
Filtro
Simbiosis: Brillar con luz ajena
Cuando los calamares nacen no
tienen simbiontes
La presencia de simbiontes
influencia el desarrollo del calamar
Cada mañana el calamar expulsa el
90% de las bacterias atrapadas en
una matriz mucosa
Vibrio fischeri
Brillar con luz ajena o propia?
Night Hauling Andrew Wyeth
Y nosotros?
Bacterias de la piel nos protegen frente a la invasión
por patógenos
Flora intestinal
1 billón de bacterias (1 a 1,5 kg de nuestro peso), más
de 400 especies.
*digestión y absorción de los alimentos
*síntesis de vitaminas
*estimulación del sistema inmune
*control de patógenos
Y nosotros?
„Nacemos 100% humanos, pero vivimos y morimos 90% procariotas“
E. Madsen (Environmental Microbiology)
Diversidad metabólica
Modos de nutrición de los seres vivos
Energía
Energía
Química
Lumínica
Quimio-heterótrofos
Foto-heterótrofos
Quimio-autótrofos
Foto-autótrofos
Carbono
orgánico
Carbono
inorgánico
Diversidad metabólica
Modos de nutrición de los seres vivos
Carbono
orgánico
Energía Química
Energía Lumínica
Animales/Hongos/
Quimio-heterótrofos
Foto-heterótrofos
Quimio-autótrofos
Foto-autótrofos
Protozoa
Carbono
inorgánico
Diversidad metabólica
Modos de nutrición de los seres vivos
Carbono
orgánico
Energía Química
Energía Lumínica
Animales/Hongos/
Quimio-heterótrofos
Foto-heterótrofos
Quimio-autótrofos
Fotoautótrofos
Plantas/algas
Protozoa
Carbono
inorgánico
Diversidad metabólica
Modos de nutrición de los seres vivos
Carbono
orgánico
Energía Química
Energía Lumínica
Animales/Hongos/
Quimio-heterótrofos
Foto-heterótrofos
Quimio-autótrofos
Fotoautótrofos
Plantas/algas
Protozoa
Carbono
inorgánico
Diversidad metabólica
Modos de nutrición de los seres vivos
Energía Química
Energía Lumínica
Carbono
orgánico
Carbono
inorgánico
BACTERIAS
Agentes primarios de cambio biogeoquímico
Características
Consecuencias
-pequeño tamaño
Ciclado de los elementos
-distribución ubicua
Detoxificación de
contaminantes orgánicos e
inorgánicos
-gran superficie
-altas tasas metabólicas
-alta tasa de respuesta
fisiológica
-altas tasas de crecimiento
-elevada diversidad
nutricional y fisiológica
Mantenimiento de la
composición química del
suelo, sedimento, agua y
atmósfera, requerida por
otras formas de vida
Algunos procesos en los que se encuentran
involucrados
Elemento
Proceso
Descripción
Ambiente
Carbono
Fotosíntesis
Descomposición de
celulosa
Metanogénesis
Uso de luz como fuente de
energía para fijar CO2
Depolimerización,
respiración
Producción de metano
Agua dulce,
mar
Suelo
Fijación
El gas N2 pasa a amonio
Desnitrificación
El NO3 pasa a gas N2
Nitrógeno
Azufre
Mercurio
Oxidación de sulfuro Pasaje de sulfhídrico y
azufre a sulfato
Reducción de
Pasaje de sulfato a
sulfato
sulfhídrico y azufre
Metilación
Formación de mercurio
orgánico, altamente tóxico
Agua,
sedimentos
efluentes
Agua, suelo
Suelo,
efluentes
Sedimentos
marinos
Sedimentos
marinos
Sedimentos
Aplicaciones en actividades humanas
Microorganismos en las noticias
http://www.lr21.com.uy/tecnologia/1282169-cientificos-en-ee-uu-desarrollan-bacteria-sinteticacon-473-genes-el-genoma-mas-pequeno-capaz-de-sobrevivir-y-reproducirse
Si son tan importantes por qué
sabemos tan poco?
Nuestra comprensión del rol de los microorganismos
Von Leeuwenhoek siglo XVII:
1era observación de
microorganismos en agua de un
lago
3 siglos después empieza a existir la
ecología microbiana como
disciplina
A principios del siglo 20 se
reconoce su importancia pero
faltaban métodos adecuados.
Avances tecnológicos
• Microscopía de
epifluorescencia
• Desarrollo de nuevos
métodos de tinción
• Análisis de imágenes
Avances tecnológicos
• Métodos moleculares
Avances tecnológicos
• Uso de isótopos de los
elementos (estables y
radioactivos)
• Química ambiental
• Microsensores
Herramientas para el estudio de la identidad
Secuenciación del
primer genoma
bacteriano
Tinciones
filogenéticas
Microscopía de
epifluorescencia
Citometría de flujo
1975
Propuesta de
trama trófica
microbiana
1985
Cyanobacterias
marinas
Chimeneas termales
Librerias
metagenómicas
PCR + clonado
del 16S
1995
Virus marinos
Prochlorococcus
Pirosecuenciación
Arqueas
marinas
2005
Diferencias en la
composición de
comunidades de
distintos
ambientes
SAR11
Picoeucariotas
„rare
biosphere“
Herramientas para el estudio de las funciones
Combinación
autoradiografía +
tinciones
filogenéticas
Tinciones
filogenéticas y
vitales
Microscopía de
epifluorescencia
Análisis de
isótopos a escala
nanométrica
Librerias
metagenómicas
Tasas de producción y
respiración a nivel
comunitario
1975
Propuesta de
trama trófica
microbiana
1985
50% de la producción
primaria consumida por
las bacterias
95% respiración de los
óceanos es bacteriana
1995
Rodopsinas
Metabolismo heteótrofo de
arqueas marinas
Identificación de rol de
organismos en ciclo del S
Incorporación de
bicarbonato por bacterias
heterótrofas
Poblaciones específicas son
responsables de procesos
biogeoquímicos centrales (Ej.
AOM, ANAMMOX)
CH4 + SO42- → HCO3- + HS- + H2O
2005
Bomba de
carbono
Cálculo de tasas a
nivel de organismos y
poblaciones
Complejidad ambiental
entradas
salidas
Complejidad ambiental
entradas
Procesos???
salidas
Complejidad ambiental: Procesos biogeoquímicos
Tipo
Procesos
Físicos
Irradiación, precipitación atmósferica, infiltración de
agua, evaporación de agua, transporte, erosión,
escorrentía, dilución, dispersión, volatilización,
Disolución de minerales y comp.orgánicos,
precipitación, fotólisis, reacciones ácido-base,
reacciones de óxido-reducción
Crecimiento, muerte, excreción, predación, migración,
competencia, parasitismo, simbiosis, respiración,
fotosíntesis, descomposición de materia orgánica
compleja, fijación de N, nitrificación, desnitrificación,
amonificación, reducción de sulfato, oxidación de
azufre, oxido-reducción de hierro, oxidación anaerobia
de metano, oxidación anaerobia de amonio,
acetogénesis, metanogénesis
Químicos
Biológicos
Complejidad ambiental: Procesos biogeoquímicos
Tipo
Procesos
Físicos
Irradiación, precipitación atmósferica, infiltración de
agua, evaporación de agua, transporte, erosión,
escorrentía, dilución, dispersión, volatilización,
Disolución de minerales y comp.orgánicos,
precipitación, fotólisis, reacciones ácido-base,
reacciones de óxido-reducción
Crecimiento, muerte, excreción, predación, migración,
competencia, parasitismo, simbiosis, respiración,
fotosíntesis, descomposición de materia orgánica
compleja, fijación de N, nitrificación, desnitrificación,
amonificación, reducción de sulfato, oxidación de
azufre, oxido-reducción de hierro, oxidación anaerobia
de metano, oxidación anaerobia de amonio,
acetogénesis, metanogénesis
Químicos
Biológicos
Complejidad ambiental
Complejidad ambiental
Disciplinas que contribuyen a la comprensión de fenómenos
abordados por la microbiología ambiental:
Microbiología de diferentes ambientes, Fisiología, Ecología,
Bioquímica, Geoquímica, Genética, Química, Limnología,
Oceanografía, Edafología, Geología, Microscopía, Ingeniería civil y
ambiental
Abordaje multidisciplinario
Ejemplos de impacto de los
microorganismos para la vida en la tierra
Ejemplos de impacto de los microorganismos para la
vida en la tierra: Fotosíntesis
Fotosíntesis
Ejemplos de impacto de los microorganismos para la
vida en la tierra: Fotosíntesis
Foto-síntesis
luz
biomasa
CO2 + 4e- ⇔ CH2O
Ejemplos de impacto de los microorganismos para la
vida en la tierra: Fotosíntesis
Fotosíntesis oxigénica:
6CO2 + 6H2O ⇔ C6H12O6 + 6O2
Cyanobacteria (algas verde-azuladas):
fósiles bacterianos
Las bacterias constituyen las
primeras formas de vida en la
Tierra, generaron las
condiciones para permitir
formas de vida posteriores.
Cyanobacteria fósil en ámbar: unos
3.500 millones de años atrás…
Cyanobacterias
actuales
Ejemplos de impacto de los microorganismos para la
vida en la tierra: Fotosíntesis
Fotosíntesis oxigénica
CO2 reducido, pasa a formar
biomasa
Fuente de
energía para
procariotas y
eucariotas
Fuente de
carbono para
procariotas y
eucariotas
O2 molecular en la atmósfera
Metabolismo
aeróbico para
procariotas y
eucariotas
Capa de ozono
Protección de UV
Gran
rendimiento
energético
Diversidad y
complejidad
Expansión nichos
ecológicos
Oxidante en
procesos
geoquímicos
Ejemplos de impacto de los microorganismos para
la vida en la tierra: Teoría endosimbiótica
Células procariotas y eucariotas
Célula procariota
Célula eucariota
Teoría endosimbiótica (Margulis 1967)
Bacteria
Mitocondria
Cloroplasto
Teoría endosimbiótica (Margulis 1967)
-Tamaño y morfología
-Las mitocondria y los cloroplastos contienen ADN bicatenario circular cerrado
-Doble membrana, lo que concuerda con la idea de la fagocitosis.
-Las mitocondrias y los cloroplastos se dividen por fisión binaria
-En mitocondrias y cloroplastos los centros de obtención de energía se sitúan
en las membranas, al igual que ocurre en las bacterias.
-La síntesis proteica en mitocondrias y cloroplastos es autónoma.
-En mitocondrias y cloroplastos encontramos ribosomas 70s, característicos de
procariotas, mientras que en el resto de la célula eucariota los ribosomas son
80s.
-El análisis del RNAr 16s de la subunidad pequeña del ribosoma de
mitocondrias y plastos revela escasas diferencias evolutivas con algunos
procariotas.
las células eucariotas se desarrollaron a partir de una asociación bacteriana
Teoría endosimbiótica (Margulis 1967)
resumen
l 
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l 
Los microorganismos tienen importancia clave
para los ecosistemas y las actividades humanas
La microbiología ambiental es una rama de la
microbiología, que interacciona con diferentes
disciplinas para la comprensión de fenómenos
complejos
Existen microorganismos procariotas y eucariotas
(además de los virus)
l 
Presentan importantes diferencias a nivel
estructural
Siguiente clase
Los diferentes microorganismos y su importancia
para los ecosistemas