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MICROBIOLOGÍA
AMBIENTAL
Introducción a la
Ecología Microbiana
Hot spring, Yellowstone
National Park, Utah
‘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.
Las bacterias colonizan gran cantidad de
ambientes, en los que pueden establecer
biofilmes.
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).
‘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 epitelio intestinal es
un microambiente
Bacteriano.
• 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.
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.
•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.
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.
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.
Impacto microbiano sobre la Biosfera
Los MOs constituyen la mayoría de la
biomasa de la Biosfera (5 x 10 30 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 bioremediación.
Los procesos ecológicos planetarios
seguirían desarrollándose aunque no
estuvieran presentes los eucariontes.
Martinus Beijerinck (1851-1931).
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.
Rhizobium leguminosarumm
colonizando una célula radical
de leguminosa.
Nicotiana tabacum
con la enfermedad
del mosaico y TMV.
Nitrosomonas sp. (Fuente: the microbe
zoo).
•Sergei
Winogradsky
(18531953), 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.
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).
• 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)
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.
El microambiente
Nivel de oxígeno: 21%
(bacterias aerobias)
Nivel de oxígeno: 10-15%
(bacterias microaeróbilas)
•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).
DEFINICIONES
Organización de los microorganismos en
la naturaleza
Estructuración ecológica de los microorganismos
Desafíos a escala microbiana
Impacto del estudio de las interacciones
microbianas en distintas áreas de la Biología
ECOLOGÍA
BIOTECNOLOGÍA
SALUD HUMANA
INTERACCIONES
MICROBIANAS
ECOLOGÍA Y
BIODIVERSIDAD
AGRICULTURA
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
Atta cephalotes y su jardín
fúngico y microbioma
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.
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).
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.
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).
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.
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.
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.
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).
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 ).
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).
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.
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.
CICLO DEL NITRÓGENO
Compuestos inorgánicos de N
•Amonio (NH4+)
•Hidroxilamina (NH2OH)
en la oxidación de NH3
•Di - nitrógeno (N2)
•Oxido Nitroso (N2O)
•Oxido Nítrico (NO)
•Nitrito (NO2-)
•Nitrato (NO3-)
Nro. De oxidación
-3
-1 Intermediario
0
+1
+2
+3
+5
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
El ciclo del nitrógeno puede ser
dividido en tres subciclos:
Elemental: enfatiza las reacciones biológicas de oxidaciónreducción. 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.
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).
por
MEDIO TERRESTRE
MEDIO MARINO
ANIMALES
MINERÍA
ALIMENTACIÓN
FERTILIZACIÓN
DEPOSICIONES DE LAS AVES
EXCRECIÓN
PLANTAS Y CULTIVOS
YACIMIENTOS
MINERALES DE
FÓSFORO
EROSIÓN
DESCOMPONEDORES
AFLORAMIENTOS
DE AGUAS
PROFUNDAS
FONDO MARINO
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.
 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.