U NI VE RS ID AD AL AS P ER UAN AS Dirección Universitaria de Educación a Distancia 2403-Escuela Académico Profesional de Ingeniería Ambiental 2403-24301 | MICROBIOLOGÍA MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL Docente:
2012-2
Ciclo:
Datos del alumno:
Fernando Merino Rafael
2012-2
Código de matricula: 2011203350 2011203350
DOMINGO 01 DE JULIO 2012 HASTA LAS 23:59
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Estimado alumno:
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Presentación adecuada del trabajo
Considera la evaluación de la redacción, ortografía, y presentación del trabajo en este formato. Valor: 2 ptos
2
Investigación bibliográfica:
Considera la consulta de libros virtuales, a través de la Biblioteca virtual DUED UAP, entre otras fuentes. Valor: 3 ptos
3
Situación problemática o caso práctico:
Considera el análisis de casos o la solución de situaciones problematizadoras por parte del alumno. Valor: 5 ptos
4
Otros contenidos considerando los niveles cognitivos de orden superior:
Valor: 10 ptos
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INTRODUCCIÓN
El estudio de los microorganismos ha impulsado el desarrollo de otras ramas de la Biología como la Bioquímica, Genética, Fisiología, pero especialmente la Genética molecular (numerosos procesos como la síntesis de proteínas o la regulación génica han sido investigados y conocidos gracias a los microorganismos). A su vez, la biotecnología biotecnología tiene en la microbiología uno de sus principales soportes. La Microbiología se puede definir, como la ciencia que trata de los seres vivos muy pequeños, de aquellos cuyo tamaño se encuentra por debajo del poder resolutivo del ojo humano. Esto hace que el objeto de esta disciplina venga determinado por la metodología apropiada para poner en evidencia, y poder estudiar, a los microorganismos. La Microbiología, considerada como una ciencia especializada, no aparece hasta finales del siglo XIX, debido al lento desarrollo de una serie de progresos tecnológicos y metodológicos realizados en los siglos anteriores, que obligaron a una revisión de ideas y al reconocimiento de las múltiples actividades desarrolladas por los microorganismos. Así, con la invención del microscopio en el siglo XVII comienza el lento despegue de una nueva rama del conocimiento, inexistente hasta entonces. Durante el siglo siguiente, su progreso se limitó prácticamente a una descripción de tipos morfológicos microbianos, y a los primeros intentos de clasificación dentro de los Reinos Animal y Vegetal. Para el desarrollo del presente trabajo es necesario tener en cuenta algunas definiciones definiciones básicas: -
Infección Infecci ón implica acción competitiva y antagonista antagonist a entre dos seres vivos, el huésped y el parásito. Patogeneidad se refiere refiere a la capacidad de los los microorganismos microorganismos para penetrar en el huésped y producirle cambios fisiológicos y anatómicos, la enfermedad. Virulencia es el grado de patogeneidad de un microorganismo microorga nismo para producir una determinada enfermedad La virulencia depende de las propiedades de los microorganismos y de la capacidad del huésped para repeler la invasión y prevenir la enfermedad. Toxinas sustancias que determinan la patogeneidad de muchos microorganismos. Vectores de enfermedad: enfermedad: Seres vivos vivos que son imprescindibles imprescindibles para la transmisión de los microorganismos patógenos hasta el hospedador definitivo.
Aunque normalmente se estudian los virus dentro de los microorganismos, microorganismos, has de saber que hay un profundo debate en la comunidad científica sobre su inclusión entre los seres vivos. No cumplen las características básicas de los seres vivos: -
Obtención de energía y materias primas del medio ambiente. Realización de reacciones orgánicas consecutivas. La utilización de la energía y de la materia para autoperpetuar sus estructuras biológicas a lo largo de generaciones.
Lo único que realizan es la reproducción, y aún para ello han de utilizar toda la maquinaria de la célula huésped. Los científicos no se ponen de acuerdo en si no han llegado a desarrollar estas características o si las han perdido a lo largo de la evolución (en este último caso, sí podrían considerarse seres vivos). 2TA240320122DUED
1. La relación entre el metabolismo microbiano con la actividad que desarrollan los microorganismos en el medio ambiente. (5 puntos)
MICROBIOLOGIA. METABOLISMO BACTERIANO Ahora que conocemos la estructura de las células bacterianas, podemos estudiar las actividades que permiten la proliferación de estos microorganismos. Hasta los procesos vitales de los organismos muy simples incluyen una gran cantidad de reacciones bioquímicas complejas. Aunque no la totalidad, la mayoría de los procesos bioquímicos de las bacterias se observan en los eucariotas y en las células de los organismos pluricelulares, incluido el hombre. Sin embargo las reacciones específicas de las células bacterianas les permiten hacer cosas que el ser humano no puede hacer. Por ejemplo, algunas bacterias pueden vivir de la celulosa y otras del petróleo, los procesos metabólicos bacterianos permiten que las bacterias reciclen elementos previamente utilizados por otros organismos. Las bacterias quimioautótrofas pueden vivir de sustancias inorgánicas como el dióxido de carbono, el hierro, el azufre, el hidrógeno o el amoníaco. Se define al metabolismo microbiano como el conjunto de procesos por los cuales un microorganismo obtiene la energía y los nutrientes (carbono, por ejemplo) que necesita para vivir y reproducirse. Los microorganismos utilizan numerosos tipos de estrategias metabólicas distintas y las especies pueden a menudo distinguirse en base a estas estrategias. Las características metabólicas específicas de un microorganismo constituyen el principal criterio para determinar su papel ecológico, su responsabilidad en los ciclos biogeoquímicos y su utilidad en los procesos industriales. A través del metabolismo, se transforman en el interior de la célula, distintas sustancias nutritivas que el organismo obtiene del medio. Estas transformaciones se llevan a cabo por distintas reacciones enzimáticas. Las principales funciones del metabolismo son:
formar las subunidades que luego serán utilizadas en la síntesis de macromoléculas Proporcionar la energía necesaria para todos aquellos procesos que la requieran como transporte activo, movilidad, biosíntesis, etc.
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El metabolismo de las bacterias tiene muchos procesos en común con el metabolismo de las células eucariotas, pero algunos procesos son exclusivos del metabolismo bacteriano Algunas particularidades del metabolismo bacteriano son:
el metabolismo de la bacteria está adaptado para el crecimiento veloz y transcurre entre 10 y 100 veces más rápido que en las células humanas la bacteria tiene mayor versatilidad en cuanto al tipo de nutrientes que puede utilizar para obtener energía la bacteria tiene una mayor versatilidad en la utilización de oxidantes y no están limitadas al sólo uso del O2 existe una gran diversidad de requerimientos nutricionales entre las bacterias debido a que ellas no poseen todos los caminos biosintéticos el cuerpo de los procariotas es muy sencillo, lo que le permite sintetizar macromoléculas por mecanismos menos engorrosos que los que utilizan las células eucariotas algunos procesos biosintéticos son únicos de las bacterias, como los que conducen a la síntesis de mureína, ácidos teicoicos y lipopolisacárido
El metabolismo de las bacterias es bastante complejo. Mediante unas dos mil reacciones metabólicas diferentes la bacteria puede sintetizarse a sí misma y puede generar energía para procesos como transporte activo, motilidad y otros procesos.
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Tipos de metabolismo Los distintos tipos de metabolismo microbiano se pueden clasificar según tres criterios distintos: 1. según la forma en la que el organismo obtiene el carbono para la construcción de la masa celular: Autótrofo. El carbono se obtiene del dióxido de carbono (CO2). Heterótrofo. El carbono se obtiene de compuestos orgánicos (glucosa, por ejemplo). 2. según la forma en la que el organismo obtiene los equivalentes reductores para la conservación de la energía o en las reacciones biosintéticas:
Litotrofo. Los equivalentes reductores se obtienen de compuestos inorgánicos. Organotrofo. Los equivalentes reductores se obtienen de compuestos orgánicos. 3. según la forma en la que el organismo obtiene la energía para vivir y crecer:
Quimiotrofo. La energía se obtiene de compuestos químicos externos. Fototrofo. La energía se obtiene de la luz.
Por lo tanto existen distintos tipos de organismos según como aprovechan el carbono y el tipo de energía que utilizan: Los quimiolitoautótrofos obtienen energía de la oxidación de compuestos inorgánicos y el carbono de la fijación del dióxido de carbono. Ejemplos: bacterias nitrificantes, bacterias oxidantes del azufre, bacterias oxidantes del hierro, bacterias oxidantes del hidrógeno. Los fotolitoautótrofos obtienen energía de la luz y el carbono de la fijación del dióxido de carbono, usando compuestos inorgánicos como equivalentes reductores. Ejemplos: Cyanobacteria Los quimiolitoheterótrofos obtienen energía de la oxidación de compuestos inorgánicos, pero no pueden fijar el dióxido de carbono. Ejemplos: algunas bacterias oxidantes del hidrógeno. Los quimioorganoheterótrofos obtienen energía, carbono y equivalentes reductores para las reacciones biosintéticas de compuestos orgánicos. Ejemplos: la mayoría de las bacterias, como Escherichia coli, Bacillus spp., Los fotoorganotrofos obtienen energía de la luz y el carbono y los equivalentes reductores para las reacciones biosintéticas de compuestos orgánicos.
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La mayoría de las bacterias patógenas son parásitos heterótrofos de seres humanos o de otras especies eucariontes. Los microorganismos heterótrofos son extremadamente abundantes en naturaleza y responsables de la degradación de los polímeros orgánicos tales como celulosa, quitina o lignina que son generalmente indigeribles para los animales más grandes. Esta degradación, generalmente, requiere la colaboración de varios organismos distintos, cada uno de los cuales realiza uno de los pasos de la degradación hasta obtener dióxido de carbono Bioquímicamente, el metabolismo heterótrofo procariota es mucho más versátil que el de los organismos eucariotas, aunque muchos procariotas comparten los modelos metabólicos más básicos con los eucariotas, por ejemplo, usando la glicolisis para el metabolismo del azúcar y el ciclo del ácido cítrico o Ciclo de Krebs en la degradación del acetato, produciendo energía bajo la forma de ATP y reduciendo energía bajo la forma de NADH . Estas rutas metabólicas básicas están muy extendidas porque también están implicadas en la biosíntesis de muchos componentes necesarios para el crecimiento de la célula (a veces en la dirección contraria). Sin embargo, muchas bacterias utilizan rutas metabólicas alternativas
Catabolismo y Anabolismo Dado que las reacciones químicas que ocurren en la célula liberan o consumen energía, el metabolismo se puede dividir en dos clases de reacciones: catabólicas y anabólicas Catabolismo: consiste en la degradación enzimática de macromoléculas como lípidos, hidratos de carbono y proteínas que el organismo obtiene del entorno en el 6TA240320122DUED
que vive o de sus propias sustancias de reserva. Esta degradación se acompaña de la liberación de una gran cantidad de energía, ya que a partir de estas macromolléculas de gran complejidad estructural y alto contenido energético se obtienen moléculas sencillas estructuralmente y de bajo contenido energético. La energía que se libera durante el catabolismo es captada por la célula en forma de ATP que tiene enlaces fosfatos ricos en energía.
Anabolismo: es el proceso inverso, es la síntiesis enzimática de macromoléculas a partir de compuestos sencillos, con consumo de energía. Es decir que a partir de moléculas sencillas de escasa complejidad estructural y bajo contenido energético se sintetizan macromoléculas complejas, ricas en energía. Las reacciones catabólicas aportan las materias primas y la energía necesaria para las reacciones anabólicas. Este acoplamiento de reacciones que liberan energía y otras que requieren energía es posible gracias al ATP (adenosintrifosfato). Las moléculas de ATP almacenan la energía proveniente de las reacciones catabólicas y la liberan en una fase ulterior para impulsar las reacciones anabólicas y el cumplimiento de otras tareas celulares. Mucha de la energía producida en el catabolismo se disipa en forma de calor. Ambos procesos, anabólicos y catabólicos, se dan en la célula en forma simultánea e interdependiente. Los intermediarios químicos de ambos procesos reciben el nombre de metabolitos. Algunas vías metabólicas comunes a procariotas y eucariotas: En el catabolismo se distinguen tres fases, en la primera, las macromoléculas se degradan hasta sus unidades constitutivas, en la segunda fase, estas son transformadas por una serie de reacciones enzimáticas en Acetil Coenzima A (Acetil CoA), y en la tercera fase, la Acetil CoA ingresa al Ciclo de Krebs, donde se libera CO2 y H2O. este proceso catabólico va acoplado a un proceso de liberación de energía. Respiración celular Es un proceso generador de ATP en el cual las moléculas experimentan oxidación y el aceptor final de electrones es, casi siempre, una molécula inorgánica. Un rasgo esencial de la respiración es la presencia de una cadena transportadora de electrones. Existen dos tipos de respiración que dependen de si el organismo es aerobio, es decir que utiliza O2, o si es anaerobio, es decir que no necesita O2, e incluso el O2 puede destruirlo. En la respiración aerobia el aceptor final de electrones es el O2, en la respiración anaerobia el aceptor de electrones es una molécula inorgánica distinta al O2, y muy raramente una molécula orgánica. La respiración consiste en una primera fase donde se obtiene Acetil CoA por oxidación de piruvato, que proviene de la degradación de la glucosa por la vía glicolítica, o por la oxidación de ácidos grasos o aminoácidos. En la segunda fase la acetil CoA se degrada en el Ciclo de Krebs con producción de CO2, H2O y H+. En la tercera fase se produce un transporte electrónico hasta el O2, este proceso llamado cadena de transporte electrónico o cadena respiratoria va acoplado a un proceso de producción 7TA240320122DUED
de ATP llamado fosforilación oxidativa. En las células procariotas, la respiración aerobia puede generar hasta 38 moléculas de ATP a partir de cada molécula de glucosa. En la respiración anaerobia el aceptor final de electrones es otra sustancia inorgánica distinta del O2. Algunas bacterias como Pseudomonas y Bacillus, pueden utilizar el ión nitrato, otras bacterias pueden usar el ion carbonato o el sulfato. La respiración anaerobia de las bacterias que utilizan nitrato y sulfato como aceptores finales es un proceso esencial en los ciclos naturales del nitrógeno y del azufre. La cantidad de ATP generada durante la respiración anaerobia, varía de un organismo a otro pero siempre es menor que la cantidad producida por respiración aerobia. En consecuencia los microorganismos anaerobios se desarrollan mas lentamente que los aerobios.
Fermentación Una vez que la glucosa ha sido degradada a ácido pirúvico, éste compuesto puede experimentar una degradación completa durante la respiración, como ya vimos, o se puede convertir en un producto orgánico durante la fermentación. La fermentación se puede definir como un proceso que: 1- Libera energía a partir de azúcares u otras moléculas orgánicas como aminoácidos, ácidos orgánicos, purinas, pirimidinas. 8TA240320122DUED
2- No necesita oxígeno pero a veces puede ocurrir en su presencia 3- No necesita recurrir al Ciclo de Krebs ni a una cadena de transporte electrónico 4- Utiliza una molécula orgánica como aceptor final de los electrones 5- Sólo produce pequeñas cantidades de ATP, una o dos moléculas por cada molécula de material inicial, debido a que una gran parte de la energía inicial almacenada en la glucosa (o cualquier otro sustrato fermentable) permanece en los enlaces químicos de los productos finales orgánicos, como el ácido láctico o el etanol. Los microorganismos poseen la capacidad de fermentar diversos sustratos, los productos finales dependen del tipo de microorganismo, del tipo de sustrato y del tipo de enzimas que se encuentren presentes. El análisis químico de estos productos finales ayuda a identificar los microorganismos.
Tipos de fermentación
Fotosíntesis En los procesos metabólicos vistos anteriormente, los organismos obtienen energía para el trabajo celular mediante la oxidación de compuestos orgánicos. ¿de dónde provienen los compuestos orgánicos utilizados? Algunos organismos incluidos los animales y muchos microbios, se alimentan de sustancias producidas por otros organismos. Por ejemplo las bacterias pueden catabolizar compuestos derivados de plantas y animales muertos o alimentarse de un huésped vivo. Otros organismos sintetizan compuestos orgánicos complejos a partir de sustancias inorgánicas simples. El principal mecanismo responsable de esta síntesis es el proceso de Fotosíntesis. La fotosíntesis es la transformación de energía luminosa en energía química. 9TA240320122DUED
Posteriormente la energía química, en forma de ATP, se utiliza para convertir el CO2 proveniente de la atmósfera en compuestos orgánicos como la glucosa y otros azúcares. La preservación de la vida en la tierra depende del reciclado del carbono mediante este proceso. Las cianobacterias, las algas y las plantas verdes contribuyen a este reciclado vital con la fotosíntesis. La fotosíntesis se lleva a cabo en dos fases: 1-fase luminosa: en la que la energía luminosa es absorbida por los pigmentos fotosintéticos y convertida en energía química del ATP, con desprendimiento de O2. el pgmento fotosintético principal es la clorofila (verde), y hay pigmentos accesorios como los carotenoides( amarillo, anaranjado y rojo) y las ficobilinas (azules o rojas) 2- fase oscura: el ATP producido en la fase luminosa es usado para reducir el CO2 y formar glucosa. La fotosíntesis se lleva a cabo en los cloroplastos de las células eucariotas y en los cromatóforos o laminillas fotosintéticas de las procariotas Ecuación general de la fotosíntesis
2. La relación entre el crecimiento microbiano y su repercusión en el medio ambiente. (5 puntos) Cuando los seres humanos se encuentran en un Medio Ambiente apropiado, estos comienzan a dividirse activamente empleando los recursos naturales que les aporta el Medio Ambiente para "generar" nuevos humanos. Este proceso continúa hasta que algunos recursos naturales del Medio Ambiente se agotan y el crecimiento se detiene. También puede detenerse el crecimiento por acumulación de alguna sustancia inhibidora (contaminación) formada por los mismos seres humanos. Si analizamos el crecimiento humano en el tiempo, éste describe una típica curva de crecimiento que puede ser dividida en fases distinguibles. La curva de crecimiento puede dividirse en diversas fases.
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A) Fase latencia Cuando una población humana lleva a un medio ambiente sin alteración, el crecimiento generalmente no comienza de inmediato sino después de un cierto tiempo, el que puede ser breve o largo, dependiendo de las condiciones, ya que los seres humanos necesitan adaptarse al nuevo medio. B) Fase exponencial Es una consecuencia del hecho de que cada ser humano da vida a más seres humanos, cada uno de las cuales también da vida a más y más seres humanos y así sucesivamente. La velocidad de crecimiento exponencial varía mucho de un humano a otro. C) Fase estacionaria El crecimiento exponencial se detiene, los recursos naturales indispensables disminuyen, no hay incremento o decremento en el número de humanos, hay limitación de recursos naturales y acumulación de sustancias tóxicas.
d) Fase de muerte. Si el crecimiento poblacional continúa después que una población alcanza la fase estacionaria, los humanos pueden seguir viviendo y continuar su desarrollo, pero lo más probable es que mueran. Si esto último sucede, la población se encuentra en la fase extinción. Se ha puesto de manifiesto, en los últimos años, la necesidad de integrar a los microorganismos como un componente esencial en los estudios ecológicos para la comprensión del funcionamiento de la biosfera. La ecología microbiana se desarrolla como disciplina independiente durante la segunda mitad del siglo XX. Sus inicios se encuentran con Martinus Beijerinck (18511931), Sergei Winogradsky (1856-1952) y otros microbiólogos. Martinus Beijerinck Investigó sobre bacterias que tuvieran desarrolladas características químicas especiales, como fijadoras de nitrógeno o quimioautótrofas Los procariotas son miembros esenciales de la biosfera, componentes indispensables de los ecosistemas, que hacen posible el funcionamiento de todos los ciclos biogeoquimicos. Todos los seres de la tierra dependen de la vida procariota. COMPONENTES BIOTICOS DEL SUELO Son toda la vida existente en un ambiente. Los individuos deben tener comportamiento y características fisiológicas específicos que permitan su supervivencia y su reproducción en un ambiente definido.
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Las bacterias son organismos unicelulares de un tamaño del orden de la micra. Su número, en los diversos suelos, es muy variable pero en los suelos cultivados supera con mucho al de los otros seres vivos. Se pueden clasificar en dos: Productores o Autótrofos Consumidores o Heterótrofos La gran riqueza de formas que presentan las bacterias, les permite participar en toda una serie de transformaciones que son indispensables para mantener el suelo en unas condiciones físico-químicas idóneas para el desarrollo de una vegetación superior. Factores que afectan su existencia Humedad Temperatura Acidez Materia orgánica Sustancias minerales Las bacterias más abundantes en el suelo son pequeños bacilos cocoides de morfología variable. La microflora del suelo actúa sobre la vegetación de dos formas principales: Directa e Indirecta.
3. La aplicación de la ecología microbiana en el estudio de la microbiología ambiental. (4 puntos) La 'ecología microbiana' es la rama de la ecología que estudia a los microorganismos en su ambiente natural, los cuales mantienen una actividad continua imprescindible para la vida en la Tierra. La ecología microbiana emerge como disciplina a principios de la década de 1960. A finales de los años setenta ya está firmemente establecida como área especializada, en una sociedad donde la preocupación y el interés por el medio ambiente han ido en aumento. La ecología microbiana es una ciencia interdisciplinar. Los estudiantes de esta materia y en general de las ciencias ambientales tienen previa preparación de diversos objetivos de estudio. Los mecanismos que mantienen la diversidad microbiana de la biosfera son la base de la dinámica de los ecosistemas terrestres, acuáticos y aéreos. Es decir, la base de la existencia de las selvas y de los sistemas agrícolas, entre otros. Por otra parte, la diversidad microbiana del suelo es la causa de la fertilidad del mismo. Esto va más allá del papel que se les adjudicaba tradicionalmente, el cual se restringía a la degradación y reciclaje de la materia orgánica y al mantenimiento de los principales ciclos de fijación, captación y liberación de algunos elementos químicos y sus principales compuestos. Comúnmente no se concibe la extinción de las comunidades microbianas; sin embargo, el impacto de esta posibilidad será evidente cuando decaigan las funciones ecosistémicas reguladas por los microorganismos.
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La incorporación de la biología molecular al campo de la ecología microbiana, y el desarrollo de nuevas técnicas moleculares para su aplicación a los estudios ambientales, ha sido constante a lo largo de toda la década de 1990 Los problemas ambientales que padecen actualmente todas las sociedades, así como las posibles soluciones, forman una trama que se entremezcla con el componente microbiano del ecosistema global. Las consecuencias prácticas que se pueden derivar suponen auténticos desafíos, a la vez que aumentan la complejidad del tema; el volumen y calidad de este libro aumenta progresivamente. Entonces, si estudiar la ecología es tan importante ¿por qué hay tan poca información para los microorganismos? La principal razón es que ver, caracterizar y contar bacterias no es tan fácil como estudiar plantas o mamíferos. Sin embargo, gracias al descubrimiento de diferentes estrategias moleculares que permiten identificar a los microorganismos a partir de su DNA ahora podemos caracterizar y contar bacterias casi tan fácilmente como lo hace un ecólogo de plantas o animales. Adicionalmente, los métodos moleculares han abierto nuevas posibilidades de análisis de la función bacteriana. A continuación le presento, estimado profesor, como se ha avanzado en algunos de los aspectos que se considera más interesantes de la ecología microbiana en los albores del siglo XXI.
1. Diversidad y coexistencia La biomasa de microorganismos terrestres en la superficie de nuestro planeta ha sido estimada como igual a la de todas las plantas marinas y terrestres y tal vez sea el constituyente principal de la biomasa de la Tierra, 1, 2. A pesar de que la diversidad genómica de los microorganismos en el agua y en el suelo puede ser distinta, el número máximo de individuos que integran el taxón dominante es similar: 104-105 individuos por gramo o mililitro. Este hallazgo sugiere que debe existir algún mecanismo o mecanismos que controlen la densidad de los taxa y que estos deben funcionar de manera más o menos similar en todos los ambientes, mientras que los mecanismos que controlan la diversidad total de la comunidad bacteriana funcionan de modos distintos en agua y suelo. Existen algunas ideas sobre los mecanismos que controlan la diversidad procarionte y ambas tienen que ver con la ecología: a. Interacciones tróficas Hutchinson, se preguntaba por qué hay tantas especies de fitoplancton en un medio aparentemente homogéneo, en donde todas las especies presentes parecen competir por el mismo tipo de nutrimentos. Dentro de los procariontes los competidores pueden coexistir si existe algún mecanismo de pérdida selectiva de especies que evite que los competidores más exitosos secuestren todos los recursos. Por ejemplo, existe depredación selectiva en tamaño, llevada a cabo por protozoarios, lo que permite la coexistencia de bacterias y fitoplancton de diferentes tallas, esta interacción determina cómo se distribuye la biomasa en grupos funcionales. Otra interacción frecuente en el mundo de las comunidades microscópicas es la que existe entre virus y bacterias, este 13TA240320122DUED
parasitismo es generalmente específico y ello permite la coexistencia de varios taxa de bacterias en una comunidad. Este tipo de interacción ha sido asociada con la especiación dentro de grupos funcionales, pues la transferencia horizontal mediada por fagos favorece la diversificación. b. Heterogeneidad ambiental. Por otra parte, la complejidad estructural del suelo y los sedimentos es importante para la diversificación a nivel de poblaciones porque esta complejidad permite que los recursos sean fraccionados y de esta manera se creen nuevos nichos con los que se incrementa la especialización y división en especies ecológicas nuevas. La mayoría de las comunidades terrestres sufren perturbaciones intermitentemente como: escasez de alimento, sequía, congelamiento/descongelamiento o la actividad humana. Estas condiciones ambientales alteradas y los recursos que se liberan crean oportunidades para que nuevas especies se establezcan. Así, la perturbación asegurará que las comunidades incluyan una mezcla de los diferentes estadios de sucesión. Sin embargo, una perturbación fuerte y frecuente causará la desintegración de los microhabitats y la disrupción de los límites entre poblaciones, lo que permitirá que los recursos locales estén disponibles para una mayor proporción de la masa microbiana total, es decir más individuos pero menos especies.
2. Una solución molecular para deshacer el nudo de la ecología microbiana. Sin embargo, si queremos hacer ecología microbiana tenemos que identificar y contar a los microbios ¿Cómo podemos “ver” lo invisible y contar lo que no podemos cultivar? Este es el problema fundamental de la ecología microbiana. A continuación presentamos diversas técnicas para resolver estos problemas. a. Cultivar o no cultivar El número de especies microbianas existentes ha sido estimado entre 105 y 106. Sin embargo, sólo se han aislado, descrito y/o caracterizado algunos miles. Esto se debe, en parte, a que sólo unos cuantos organismos de las muestras ambientales crecen en medios nutritivos en cajas de petri. Se han hecho muchos intentos para mejorar la recuperación en cultivo. Los cuales han consistido, de manera general, en manipular cuidadosamente los medios de cultivo y aumentar el número de interacciones entre especies dentro de una misma caja, pero se ha tenido éxito moderado y el problema del mundo no cultivable sigue siendo un reto importante de la microbiología. Kaeberlein, probaron si los organismos no cultivables crecerían si se les proveía con los componentes químicos de su ambiente natural. Para permitir el acceso a estos componentes, colocaron a los microorganismos en cámaras de difusión, mismas que se incubaron en un acuario que simulaba el lugar nativo de estos organismos. Con este método lograron recuperar en cultivo alrededor del 40% del inóculo original (se contó el número de colonias formadas en relación al número de células inoculadas), lo cual representa una recuperación órdenes de magnitud mayor que en los intentos tradicionales de cultivo. 14TA240320122DUED
3. ¿Cómo hacemos ecología de comunidades sin obtener cultivos puros de la mayoría de los microorganismos? (Métodos moleculares para el análisis de lo no cultivable) a. PFLA (Phospholipid Fatty Acid Analysis) En todos los microorganismos encontramos fosfolípidos exclusivamente en las membranas celulares. Las cuales pueden ser degradadas fácilmente dejando libre el componente fosfolipídico. Los fosfolípidos de las membranas son indicadores importantes de la biomasa microbiana activa y además se ha encontrado que existen lípidos únicos en grupos específicos de organismos, por lo que este análisis ha sido usado para determinar la diversidad y abundancia microbianas. El PFLA requiere que la muestra ambiental de estudio sea analizada cuantitativamente por cromatografía de gases (GC) y espectrometría de masas (MS), lo que genera datos sobre la presencia y abundancia de diferentes fosfolípidos. Los datos obtenidos sobre los ácidos grasos de las muestras pueden ser comparados con bases de datos públicas, lo que permite la asociación de ciertos PFLA´s con organismos o grupos específicos. Diferencias en los patrones de PFLA pueden ser interpretadas en relación a cambios en la composición de las comunidades. Este método ha sido utilizado con éxito en estudios que demuestran cambios grandes en comunidades microbianas asociadas a prácticas de manejo de suelos. b. Técnicas basadas en ácidos nucléicos De entre todas las moléculas probadas hasta ahora, los ácidos nucléicos han demostrado ser las moléculas más útiles, pues han contribuido con una nueva perspectiva y entendimiento sobre la estructura de las comunidades. Una de las principales ventajas asociadas a los métodos moleculares con ácidos nucléicos es que puede analizarse a la comunidad microbiana en su totalidad, incluyendo a aquellos organismos que no han podido ser cultivados en el laboratorio. Es por ello que estos métodos se han vuelto cada vez más importantes en la ecología microbiana. Aún los análisis de baja resolución y amplia escala, como la reasociación de DNA, permiten la determinación una aproximación de la diversidad genética total de la comunidad bacteriana. La electroforesis de productos de PCR de genes de rRNA en geles desnaturalizantes de gradiente (DGGE) permite tener mayor resolución y provee información sobre cambios en el grueso de la estructura de la comunidad. Cuando se combinan análisis de genes de rRNA en DGGE con hibridación, usando sondas filogenéticas o secuenciando, se logra obtener la afiliación filogenética de los miembros dominantes en número que se encuentran en la comunidad. La hibridación fluorescente in situ (FISH) de células microbianas con sondas filogenéticas provee información acerca de la composición taxonómica de la comunidad. Finalmente, la clonación de productos de PCR de genes de rRNA de la comunidad arroja información específica de la comunidad microbiana no cultivable. Esta estrategia también permite la comparación de la estructura de la fracción cultivable con respecto a la no cultivable, 30. De esta manera, los ácidos nucléicos se han utilizado de diferentes maneras para caracterizar a las comunidades. A continuación ampliaremos la descripción sobre las estrategias mencionadas. 15TA240320122DUED
4. ¿Y ahora que podemos contar, qué contamos? Ya que podemos estimar indirecta y directamente la diversidad y abundancia de las especies de los microbios en las comunidades llegamos a un problema difícil de resolver ¿qué es una especie bacteriana? Esto no es trivial y adquiere rápidamente tintes filosóficos que revisaremos más adelante. En términos más prácticos, recientemente Hughes, 71, publicaron una revisión sobre el problema que implica determinar el número de especies en una comunidad, y evaluaron el tamaño de muestra que en general se requiere para tener un estimado útil sobre la diversidad de las comunidades. Además de esto, analizaron la utilidad de varios estimadores de diversidad para el caso de comunidades bacterianas. La relación entre el número de tipos (OTU = Operational Taxonomic Unit, un eufemismo para no explicar si lo que se analizan son especies, clonas, filotipos u otra categoría taxonómica jerárquica) observados y el esfuerzo del muestreo nos da información sobre el total de la diversidad de la comunidad que ha sido muestreada. Este patrón puede visualizarse graficando una “curva de acumulación” que consiste en relacionar el número acumulativo de OTUs observados contra el esfuerzo de muestreo. Este tipo de curvas revelan la calidad del muestreo, pues ya que todas las comunidades por definición deben de tener un número finito de especies, si se continúan muestreando individuos, las curvas eventualmente tenderán a esta valor máximo, o sea alcanzarán una asíntota en el valor real del número total de OTUs en la comunidad. En la gran mayoría de las comunidades microbianas revisadas en el estudio de Hughes, no se alcanza la asíntota de las curvas debido a la gran diversidad que existe. Sin embargo, aunque sería útil conocer la diversidad total real de las comunidades microbianas, la mayor parte de las preguntas relacionadas con diversidad se refieren a cambios en la diversidad que suceden por cambios ambientales bióticos o abióticos, por lo que las respuestas a estas preguntas requieren únicamente estimados de diversidades relativas. De esta manera, encontraron que aunque los valores dependen del tamaño de la muestra, la mayoría de los estimadores de riqueza se estabilizan con los tamaños de muestra que, en general, tienen estos estudios, o sea con muestras de 200 a 1000 clonas, que sugieren comunidades con sólo cientos a pocos miles de especies importantes (no miles o millones, como se había sugerido previamente) Es importante señalar que todas las estimaciones estadísticas tienen sus limitaciones y una de las más importantes y frecuentes es que no existe rigor en la definición de los OTUs que se analizan ni de su relación con las especies reales, por lo que diferentes estudios que calculan los mismos estimadores en general no son del todo comparables. De igual manera, la mayoría de estas aproximaciones requieren datos sobre frecuencias relativas de los diferentes OTUs y muchos estudios han revelado que los análisis genéticos de diversidad microbiana van acompañados de sesgos de muestreo. Sin embargo, el hecho de que la mayoría de las preguntas sobre estructura y función de las comunidades requieran comparaciones relativas sobrepasa muchos de los problemas sobre definición de especies y sesgos de muestreo. Mientras que la unidad de medida sea definida y constante, la diversidad entre sitios o tratamientos puede ser comparada. De igual manera, para minimizar el efecto del sesgo de muestreo se pueden usar varias técnicas o genes que robustezcan las comparaciones. 16TA240320122DUED
De aquí deriva el problema de fondo en la Ecología Bacteriana. Un OTU analizado ¿es una especie o parte de una especie o varias especies relacionadas? ¿Qué es una especie bacteriana y cuáles son sus límites? Resolver este problema es fundamental para estimar la diversidad y sus patrones geográficos. Históricamente, el concepto de especie que se aplica en microbiología es más práctico que natural. La práctica ha llevado a considerar especies estáticas, en donde las características de estas son atributos típicos o esenciales y por tanto, supone que el fenotipo y genotipo son iguales para todos los organismos pertenecientes a la especie. En este caso, las características que se toman pueden ser morfológicas, fisiológicas, bioquímicas e incluso genéticas. Por otro lado, el concepto natural de especie pretende ser reflejo de una población en donde hay dinamismo y en donde existe cohesión debido a una organización interna. El concepto natural de especie más usado en sistemática es el biológico, este asume la existencia de entrecruzamiento entre los miembros de una misma especie, de tal manera que al existir tal entrecruzamiento se asegura de manera indirecta que entre ese conjunto de organismos haya cohesión y por tanto se asume que estamos ante una especie natural. La desventaja que tiene este concepto es que no es aplicable para todos los organismos, principalmente para aquellos que tienen reproducción asexual (Fungi, Protoctista, Archaea, Bacteria). Desarrollar un “concepto natural” de especie para organismos con reproducción asexual es uno de los mayores retos en sistemática microbiana. En la actualidad se reconocen dos tipos de especie natural, la especie genética o genoespecie y la especie evolutiva o filoespecie. La especie genética usa como carácter único a los índices de hibridación. El establecimiento de similitud en la secuencia del DNA de dos organismos se logra mediante análisis de reasociación de DNA y de secuencias del gen 16SrRNA. En el caso de reasociación de DNA, si las secuencias de las dos muestras de DNA son homólogas, se formarán hélices dobles híbridas. Únicamente las muestras que resulten con un 70% de reasociación bajo condiciones moderadamente restrictivas se les puede considerar como una especie genética. Si hablamos de secuencias de 16SrDNA el porcentaje de similitud de organismos de una misma especie es mayor a 97%.
5. Patrones en comunidades bacterias: ¿excepcionales o comunes? Dejando a un lado los problemas taxonómicos en bacterias, los datos ecológicos sobre microorganismos aún son escasos y esto ha generado especulaciones diversas sobre la posibilidad de que los microorganismos sean organismos de excepción. En otras palabras, los pocos datos han generado un fuerte debate en cuanto a la universalidad de las reglas ecológicas, esto es, si los microorganismos se distribuyen y organizan de manera similar o al menos siguen las mismas “reglas” o principios ecológicos que los organismos grandes como plantas y animales. Esta discusión es extraordinariamente relevante pues, como hemos mencionado, hoy en día los principios y reglas ecológicas se han fundado en observaciones hechas en macroorganismos y el hecho de que los microorganismos pudieran ser distintos implicaría que más de dos terceras partes de la vida en la Tierra se rigen por “otros principios ecológicos”. Nosotros creemos que, los microorganismos deben regirse básicamente por los mismos principios ecológicos 17TA240320122DUED
que los macroorganismos, dado que siguen los mismos principios evolutivos y biológicos. De cualquier manera, los resultados que se obtengan con las herramientas moleculares actuales nos permitirán comparar la ecología del mundo macroscópico y microscópico y evaluar la universalidad de las reglas ecológicas. Algunos autores defienden que todos los organismos pequeños son muy abundantes y se distribuyen por todo el mundo, sin barreras ecológicas. Esto puede ser cierto para algunos microorganismos, como aquéllos con adaptaciones extraordinarias para la dispersión y gran resistencia a cambios de ambiente (protozoarios, diatomeas, bacterias formadoras de esporas, hongos, bacterias marinas). También aquéllos parásitos humanos que pueden generar epidemias mundiales pueden encontrase casi en todas partes (Escherichia coli, Vibrio cholerae). Sin embargo, existen otras observaciones que apuntan a la existencia de fuertes barreras ecológicas que limitan la dispersión de los microorganismos, generando divergencias genéticas entre poblaciones de las mismas especies debido al aislamiento, lo cual se ajusta más a los principios ecológicos y evolutivos observados en macroorganismos. La aparición de las herramientas moleculares ha dejado abierta la puerta a estudios ecológicos como los que se han realizado por décadas con macroorganismos. Recientemente, han surgido varios trabajos en donde se evalúa la diversidad y distribución de microorganismos usando modelos desarrollados para macroorganismos. Los resultados de estos estudios han conducido al debate sobre la posibilidad de distribuciones biogeográficas en microorganismos (distribución geográfica asociada a ciertas condiciones ecológicas) y sobre las barreras reales a la dispersión de microorganismos. Mientras que algunos autores presentan resultados en donde no hay asociación obvia entre la distribución de los microorganismos y la geografía, otros presentan estudios que parecen demostrar lo contrario. Estos estudios contradictorios plantean la pregunta de si existen realmente patrones de distribución en microorganismos.
6. Ecología extrema: ciclos biogeoquímicos y ecología funcional bacteriana. El hecho de que los procariontes hayan sido de los primeros pobladores terrestres y que hayan vivido en un inicio en condiciones extremas (luz ultravioleta, temperaturas extremas, condiciones anóxicas y en un ambiente químico cambiante), les confirió una serie de estrategias metabólicas que les ha permitido vivir en muy diversas condiciones ambientales. Estas estrategias los mantienen íntimamente involucrados en el movimiento y transformación (Ciclos biogeoquímicos) de las diferentes formas químicas de muchos elementos, pero sobretodo de aquellos esenciales para la vida como: oxígeno (O), carbono (C), nitrógeno (N), azufre (S) y fósforo (P). A continuación explicaremos algunos de ellos. Desde el inicio de la vida en la Tierra, los procariontes (Bacteria y Archaea) han jugado un papel preponderante moldeando las características físico-químicas del ambiente que nos rodea. La formación de la atmósfera en la Tierra fue un proceso que duró varios millones de años y se cree que las cianobacterias (únicos organismos capaces de tomar la energía del sol y el bióxido de carbono para transformarla en azúcares 18TA240320122DUED
liberando oxígeno: la fotosíntesis aerobia) fueron las responsables, en un inicio, de la producción del oxígeno atmosférico hace aproximadamente 2.3 millones de años. Debido a su capacidad para vivir tanto en condiciones anaeróbicas como aeróbicas y de fijar el nitrógeno insoluble del aire a nitrógeno soluble como amonio, las cianobacterias fueron los organismos predominantes del mar Precámbrico durante miles de millones de años, creando a su paso gran cantidad de fósiles conocidos como estromatolitos. Con el paso del tiempo la atmósfera se fue enriqueciendo con el oxígeno de la fotosíntesis, dando paso a un cambio en su composición química y en las condiciones climatológicas prevalecientes, es decir pasar de ser un planeta anaranjado cálido con una atmósfera de metano y bióxido de carbono a un planeta azul donde el oxígeno predomina y donde la capa de ozono protege al planeta de los rayos ultravioleta. Aún en la actualidad la fotosíntesis y en consecuencia de la producción de oxígeno en los sistemas terrestres que se lleva a cabo por las plantas superiores es realizada exclusivamente por los cloroplastos los cuales son producto de la endosimbiosis con cianobacterias. Sin embargo, este oxígeno liberado a la atmósfera por los sistemas terrestres es consumido nuevamente mediante la respiración. De tal forma que las cianobacterias fotosintéticas marinas son las responsables en gran medida del mantenimiento del oxígeno atmosférico. Este cambio atmosférico realizado por las bacterias a través de la escala geológica tal vez es el más evidente. Pero los cambios físicos y químicos han sido muchos y de diferentes magnitudes. Estos cambios son esenciales para la vida, ya que procesos como la fijación de nitrógeno, y el ciclo de carbono son parte esencial del reciclamiento de nutrientes y sólo son realizados por procariontes. Asimismo, los cambios en las condiciones químicas de los cuerpos de agua, la intemperización y precipitación de minerales, remineralización del carbono orgánico también son responsabilidad de las bacterias. El carbono es un elemento esencial para la formación de compuestos orgánicos y la obtención de energía, la concentración más grande de este elemento se encuentra en la corteza terrestre en forma de carbonato de calcio y de magnesio. La tasa de cambio de este almacén es extremadamente lenta, por lo que es el C orgánico (proveniente de los restos de vegetales, animales, microorganismos y la respiración) el que tiene importancia dentro de nuestra escala temporal. Los productores primarios, es decir, plantas superiores, cianobacterias fotosintéticas y procariontes quimioautótrofos son las encargadas de transformar el CO2 existente en la atmósfera en materia orgánica (polisacáridos principalmente). El C incorporado puede regresar nuevamente a la atmósfera como CO2 o CH4 (metano), formar parte de la biomasa microbiana del suelo o ser mineralizado por los microorganismos. Adicionalmente los polisacáridos producidos por los microorganismos son un elemento de cohesión muy importante de las partículas del suelo, mismas que le dan estructura, resistencia y capacidad de almacenamiento de nutrientes, necesarios para el crecimiento de las plantas. El nitrógeno es un elemento clave en las células ya que forma parte de los aminoácidos, ciertas vitaminas, enzimas, proteínas y del DNA. El nitrógeno constituye aproximadamente el 79% de nuestra atmósfera y se encuentra en una forma muy 19TA240320122DUED
estable (N2). Esto implica que molecularmente, se requiere de mucha energía para su rompimiento y aprovechamiento. Sin embargo, la capacidad de fijar nitrógeno atmosférico es exclusiva de algunas bacterias. Especies como Azotobacter, Azomonas, Klebsiela, Citrobacter, Thiobacillus son capaces de fijar N atmosférico en forma aeróbica; Clostridium, Desulfovibrio, Chromatium, Thiocapsa, Heliobacillus y Heliobacterium, entre otras, lo hacen en forma anaeróbica. Existen también algunas especies de bacterias (Rhizobium, Bradyrhizobium, Sinorhizobium, Azorhizobium) que fijan N y viven en forma simbiótica con algunas plantas, muchas de ellas leguminosas. Una vez fijado, el N es transformado en amonio (NH4), forma química que puede ser aprovechada por las plantas y otras bacterias. El amonio también es transformado por bacterias del género Nitrosomonas, en nitritos (NO2-) y posteriormente en nitratos (NO3-), proceso a cargo de las bacterias del género Nitrobacter. El nitrato formado puede ser lavado a capas inferiores del suelo y alcanzar el manto freático y eventualmente el mar o utilizado por Pseudomonas y Achromobacter (bacterias denitrificantes). Durante el proceso de denitrificación se produce óxido nitroso (N2O) que puede ser liberado a la atmósfera o ser reducido nuevamente a N2. Las emisiones volcánicas, la lluvia y los desechos gaseosos producidos por la industria, son fuente de diferentes compuestos del azufre (H2S, SO4, SO2). Este elemento forma parte de aminoácidos y vitaminas como la cisteína, metionina, biotina y tiamina, como grupo sulfhidrilo (-SH). Sin embargo, para su absorción debe encontrarse en forma de sulfato (SO42-) o tiosulfato (S2O32-). Tal vez el azufre (S) es el elemento con uno de los ciclos biogeoquímicos más complicado debido al gran número de pasos en su oxidación y reducción, todos realizados por bacterias, que pueden ser aerobias (Thiobacillus, Beggiatoa) o anaerobias (Desulfovibrio, Desulfobacter, Desulfomonas). El fósforo, es un elemento primordial para los seres vivos, pues a diferencia del O, N, S y N carece de fase gaseosa. Gran parte del P que es utilizado por las plantas proviene de la mineralización de rocas sedimentarias. El ciclo del fósforo es muy parecido al ciclo del N y del S, en el que los microorganismos, junto con los agentes ambientales físicos y químicos, realizan la mayor parte de la mineralización de este elemento. Como ya mencionamos al principio, las bacterias fueron los primeros productores de materia orgánica, por lo que forman la base original de la cadena alimenticia, permitiendo la evolución de nuevas especies que utilizaban esta materia como fuente de energía, creando así las primeras redes tróficas. En todos los ecosistemas existentes en la actualidad la cadena trófica varía en su longitud y complejidad, pero en todos empieza por los productores primarios que capturan la energía del sol (fotosíntesis aeróbica o anaeróbica) o la energía química de los compuestos orgánicos o inorgánicos de los minerales y termina con los degradadores de los detritus y de la materia muerta. En ambos extremos de la cadena las bacterias son predominantes, inclusive es tal el acoplamiento existente entre las diferentes comunidades bacterianas que los productos de desecho de algunos microorganismos constituyen la fuente nutrimental de otros. Estos productos de desecho también pueden acumularse en los ecosistemas produciendo cambios físicos y químicos graduales.
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7. Aplicaciónes prácticas de la ecología microbiana Pero el papel de las bacterias no termina aquí, la disciplina de la biorremediación está basada en la diversidad de especies y metabolismos microbianos. La capacidad que tienen las bacterias para “alimentarse” de los compuestos químicos más recalcitrantes las ha convertido en los candidatos perfectos para resolver desde problemas de contaminación (derrames petroleros) hasta de purificación de ciertos metales de importancia minera. La concentración de uranio, cobre y oro en yacimientos mineros con bajos contenidos, se puede llevar a cabo utilizando bacterias acidófilas. Algunas otras especies bacterianas logran separar de los minerales, los metales pesados que contienen, como el mercurio, cobalto, zinc, níquel y molibdeno. Con el advenimiento de la revolución verde el uso de pesticidas se convirtió rápidamente en un problema, ya que su permanencia en los suelos puede ser de varias semanas a varios años. Aunque parte de los compuestos de estos pesticidas se pierden en forma volátil o lixiviados, existen microorganismos que los pueden degradar fácilmente. Por otra parte, con el estudio de bacterias marinas es posible descubrir nuevas moléculas o procesos que tienen aplicaciones útiles para la medicina o la industria. Por ejemplo de las bacterias que viven a muy bajas temperaturas el objetivo es encontrar moléculas con propiedades anticongelantes o biocatalizadores activos a bajas temperaturas. Como son bacterias que viven en concentraciones de sal en ocasiones muy altas (por ejemplo en el mar muerto) una meta posible es aislar metabolitos halotolerantes. También ha sido posible aislar de bacterias marinas nuevos compuestos con propiedades de antibióticos, antivirales, anticancerígenos y farmacológicos. Muchos de estos compuestos están acumulados en invertebrados como esponjas o moluscos, y tienen gran similitud con metabolitos de bacterias, por lo que se cree que sean compuestos producidos por simbiontes bacterianos de estos organismos. Recientemente se ha reportado que además de existir actinomicetos terrestres (el 70% de los antibióticos en el mundo se originan de estas bacterias), existen otro tipo de actinomicetos adaptados específicamente al mar. Trabajando con los actinomicetos terrestres, la industria farmacéutica ha estado reaislando el mismo tipo de compuestos, sin poder encontrar distintos, y el descubrimiento de los actinomicetos marinos ha abierto un nuevo campo de estudio para el descubrimiento de otro tipo de drogas, distintas a las que hoy se conocen, por ejemplo, compuestos anticancerígenos.
8. Perspectivas La microbiología ha tenido un pasado tortuoso, hubo años donde no se abrió la materia de microbiología en varias universidades de USA y no se impartía en la Facultad de Ciencias de la UNAM; pero ahora tiene un futuro prometedor y es especialmente luminoso para la ecología microbiana. Las aplicaciones biomédicas y biotecnológicas en donde las bacterias son las pequeñas industrias del futuro, productoras de medicinas y de procesos industriales en condiciones extremas, están a la vuelta de la esquina. Las bacterias también son un especie de vórtice de conocimiento donde a través de su estudio podemos saber más acerca de ellas 21TA240320122DUED
mismas; la biotecnología nos da productos que nos ayudan a entenderlas mejor y por lo tanto producir nuevos productos que cada vez hacen el conocimiento más fácil y rápido de adquirir. Un claro ejemplo de esto fue el descubrimiento de la Taq polimerasa en una poza termal en Yellowstone, sin la cual la biología molecular asociada al DNA sería imposible. Más aun son los consorcios bacterianos los que nos permiten revertir la contaminación producida por las industrias. Por otro lado, las bacterias son los enemigos acérrimos de la humanidad y cada vez hay bacterias resistentes a nuevos antibióticos y hay cada vez más posibilidades de una guerra bacteriológica... Podemos pensar que ninguna de esas maravillas o pesadillas implica saber de ecología microbiana. Estamos equivocados, ya que cada vez más investigadores están convencidos de que las bacterias interaccionan entre ellas y con el ambiente y esa es la razón de las enfermedades o de que funcione un proceso industrial. Son consorcios de micorrhizas y bacterias las que pueden ayudar a mejorar un suelo erosionado y son los productos de la competencia natural entre patógenos (colicinas) los que nos pueden librar de enfermedades crónicas como la cistitis causada por Escherichia coli. Asimismo, desde el punto de vista teórico, la incorporación gradual de las bacterias al paradigma de la ecología a todos los niveles: evolutivo, eco-fisiológico, funcional y de poblaciones, comunidades y ecosistemas, lo que nos permitirá entender de manera jerárquica el papel de la diversidad microbiana en la diversidad de macro organismos. También nos ayudará a resolver, a través del uso de modelos más sencillos, cómo se arma la enorme complejidad del mundo en que vivimos. Todo esto gracias a que las herramientas moleculares hacen posible “ver” a las bacterias. 4. La aplicación de los conceptos de la microbiología ambiental para el desarrollo de procesos biotecnológicos de aplicación ambiental. (4 puntos) La biotecnología tiene aplicaciones en importantes áreas industriales como lo son la atención de la salud, con el desarrollo de nuevos enfoques para el tratamiento de enfermedades; la agricultura con el desarrollo de cultivos y alimentos mejorados; usos no alimentarios de los cultivos, como por ejemplo plásticos biodegradables, aceites vegetales y biocombustibles; y cuidado medioambiental a través de la biorremediación, como el reciclaje, el tratamiento de residuos y la limpieza de sitios contaminados por actividades industriales. A este uso específico de plantas en la biotecnología se llama biotecnología vegetal. Además se aplica en la genética para modificar ciertos organismos. Las aplicaciones de la biotecnología son numerosas y suelen clasificarse en:
Biotecnología roja: se aplica a la utilización de biotecnología en procesos médicos. Algunos ejemplos son la obtención de organismos para producir antibióticos, el desarrollo de vacunas más seguras y nuevos fármacos, los diagnósticos moleculares, las terapias regenerativas y el desarrollo de la ingeniería genética para curar enfermedades a través de la manipulación génica. 22TA240320122DUED
Biotecnología blanca: también conocida como biotecnología industrial, es aquella aplicada a procesos industriales. Un ejemplo de ello es la obtención de microorganismos para producir un producto químico o el uso de enzimas como catalizadores industriales, ya sea para producir productos químicos valiosos o destruir contaminantes químicos peligrosos (por ejemplo utilizando oxidorreductasas). También se aplica a los usos de la biotecnología en la industria textil, en la creación de nuevos materiales, como plásticos biodegradables y en la producción de biocombustibles. Su principal objetivo es la creación de productos fácilmente degradables, que consuman menos energía y generen menos desechos durante su producción. La biotecnología blanca tiende a consumir menos recursos que los procesos tradicionales utilizados para producir bienes industriales. Biotecnología verde: es la biotecnología aplicada a procesos agrícolas. Un ejemplo de ello es la obtención de plantas transgénicas capaces de crecer en condiciones ambientales desfavorables o plantas resistentes a plagas y enfermedades. Se espera que la biotecnología verde produzca soluciones más amigables con el medio ambiente que los métodos tradicionales de la agricultura industrial. Un ejemplo de esto es la ingeniería genética en plantas para expresar plaguicidas, con lo que se elimina la necesidad de la aplicación externa de los mismos, como es el caso del maíz Bt. Biotecnología azul: también llamada biotecnología marina, es un término utilizado para describir las aplicaciones de la biotecnología en ambientes marinos y acuáticos. Aún en una fase temprana de desarrollo sus aplicaciones son prometedoras para la acuicultura, cuidados sanitarios, cosmética y productos alimentarios.
Biorremediación y biodegradación La biorremediación es el proceso por el cual son utilizados microorganismos para limpiar un sitio contaminado. Los procesos biológicos desempeñan un papel importante en la eliminación de contaminantes y la biotecnología aprovecha la versatilidad catabólica de los microorganismos para degradar y convertir dichos compuestos. En el ámbito de la microbiología ambiental, los estudios basados en el genoma abren nuevos campos de investigación in silico ampliando el panorama de las redes metabólicas y su regulación, así como pistas sobre las vías moleculares de los procesos de degradación y las estrategias de adaptación a las cambiantes condiciones ambientales. Los enfoques de genómica funcional y metagenómica aumentan la comprensión de las distintas vías de regulación y de las redes de flujo del carbono en ambientes no habituales y para compuestos particulares, que sin duda aceleraran el desarrollo de tecnologías de biorremediación y los procesos de biotransformación. Los entornos marítimos son especialmente vulnerables ya que los derrames de petróleo en regiones costeras y en mar abierto son difíciles de contener y sus daños difíciles de mitigar. Además de la contaminación a través de las actividades humanas, millones de toneladas de petróleo entran en el medio ambiente marino a través de filtraciones naturales. A pesar de su toxicidad, una considerable fracción del petróleo que entra en los sistemas marinos se elimina por la actividad de degradación de hidrocarburos llevada a cabo por comunidades microbianas, en particular, por las 23TA240320122DUED
llamadas bacterias hidrocarbonoclásticas (HCB). Además varios microorganismos como Pseudomonas, Flavobacterium, Arthrobacter y Azotobacter pueden ser utilizados para degradar petróleo. El derrame del barco petrolero Exxon Valdez en Alaska en 1989 fue el primer caso en el que se utilizó biorremediación a gran escala de manera exitosa, estimulando la población bacteriana suplementándole nitrógeno y fósforo que eran los limitantes del medio.
Bioinformática La bioinformática es un campo interdisciplinario que se ocupa de los problemas biológicos usando técnicas computacionales y hace que sea posible la rápida organización y análisis de los datos biológicos. Este campo también puede ser denominado biología computacional, y puede definirse como, "la conceptualización de la biología en término de moléculas y, a continuación, la aplicación de técnicas informáticas para comprender y organizar la información asociada a estas moléculas, a gran escala." La bioinformática desempeña un papel clave en diversas áreas, tales como la genómica funcional, la genómica estructural y la proteómica, y forma un componente clave en el sector de la biotecnología y la farmacéutica. Bioingeniería La ingeniería biológica o bioingeniería es una rama de ingeniería que se centra en la biotecnología y en las ciencias biológicas. Incluye diferentes disciplinas, como la ingeniería bioquímica, la ingeniería biomédica, la ingeniería de procesos biológicos, la ingeniería de biosistemas, etc. Se trata de un enfoque integrado de los fundamentos de las ciencias biológicas y los principios tradicionales de la ingeniería. Los bioingenieros con frecuencia trabajan escalando procesos biológicos de laboratorio a escalas de producción industrial. Por otra parte, a menudo atienden problemas de gestión, económicos y jurídicos. Debido a que las patentes y los sistemas de regulación (por ejemplo, la FDA en EE.UU.) son cuestiones de vital importancia para las empresas de biotecnología, los bioingenieros a menudo deben tener los conocimientos relacionados con estos temas. Existe un creciente número de empresas de biotecnología y muchas universidades de todo el mundo proporcionan programas en bioingeniería y biotecnología de forma independiente. Riesgos para el medio ambiente Entre los riesgos para el medio ambiente cabe señalar la posibilidad de polinización cruzada, por medio de la cual el polen de los cultivos genéticamente modificados (GM) se difunde a cultivos no GM en campos cercanos, por lo que pueden dispersarse ciertas características como resistencia a los herbicidas de plantas GM a aquellas que no son GM. Esto que podría dar lugar, por ejemplo, al desarrollo de maleza más agresiva o de parientes silvestres con mayor resistencia a las enfermedades o a los estreses abióticos, trastornando el equilibrio del ecosistema. Otros riesgos ecológicos surgen del gran uso de cultivos modificados genéticamente con genes que producen toxinas insecticidas, como el gen del Bacillus thuringiensis. Esto puede hacer que se desarrolle una resistencia al gen en poblaciones de insectos expuestas a cultivos GM. También puede haber riesgo para especies que no son el objetivo, como aves y mariposas, por plantas con genes insecticidas.
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También se puede perder biodiversidad, por ejemplo, como consecuencia del desplazamiento de cultivos tradicionales por un pequeño número de cultivos modificados genéticamente".
Riesgos para la salud Existen riesgos de transferir toxinas de una forma de vida a otra, de crear nuevas toxinas o de transferir compuestos alergénicos de una especie a otra, lo que podría dar lugar a reacciones alérgicas imprevistas. Existe el riesgo de que bacterias y virus modificados escapen de los laboratorios de alta seguridad e infecten a la población humana o animal. Los agentes biológicos se clasifican, en función del riesgo de infección, en cuatro grupos:
Agente biológico del grupo 1: aquel que resulta poco probable que cause una enfermedad en el hombre. Agente biológico del grupo 2: aquel que puede causar una enfermedad en el hombre y puede suponer un peligro para los trabajadores, siendo poco probable que se propague a la colectividad y existiendo generalmente profilaxis o tratamiento eficaz. Agente biológico del grupo 3: aquel que puede causar una enfermedad grave en el hombre y presenta un serio peligro para los trabajadores, con riesgo de que se propague a la colectividad y existiendo generalmente una profilaxis o tratamiento eficaz. Agente biológico del grupo 4: aquel que causando una enfermedad grave en el hombre supone un serio peligro para los trabajadores, con muchas probabilidades de que se propague a la colectividad y sin que exista generalmente una profilaxis o un tratamiento eficaz.
BIORREMEDIACION. APLICACIÓN AL CASO DE VERTIDOS PETROLÍFEROS. Introducción y presentación del problema. Estrategias: bioestimulación y bioaumentación. Biorremediación: recuperación de un ambiente natural contaminado por actividades humanas. Los compuestos contaminantes son biodegradados, detoxificados o inmovilizados por acción de seres vivos (normalmente microorganismos). El término biorremediación debe restringirse a la contaminación por compuestos xenobióticos, metales pesados, etc., no residuos urbanos. El proceso debe realizarse in situ. El mayor número de casos a los que se han aplicado técnicas de biorremediación se encuentran relacionados con contaminación por petróleo y sus derivados. Tanto el crudo como sus derivados de refino son inherentemente biodegradables, pues se trata de productos orgánicos en el pleno sentido de la palabra. El problema principal es su biodisponibilidad (el petróleo es insoluble). La biodegradación del petróleo es un proceso principalmente aerobio, pero también tiene lugar biodegradación anaerobia (condiciones sulfato-reductoras). Se pueden considerar dos estrategias básicas para abordar los procesos de biorremediación: 25TA240320122DUED
A. Bioestimulación: favorecer la microbiota nativa para degradar más rápidamente el contaminante. Lo normal es la adición de nutrientes para estimular la biodegradación. Esta aproximación es la lógica en el caso de que la microbiota normal esté adaptada a la presencia de bajos niveles del tóxico o contaminante en cuestión, bien por padecer una contaminación baja pero crónica o bien porque crece en condiciones naturales similares. En estas condiciones puede esperarse que su crecimiento sea limitado por el aporte de algunos otros nutrientes, tales como N, P, Fe u O2. B. Bioaugmentación (aumentar, acrecentar): añadir microorganismos para estimular la biodegradación en aquellos lugares donde la microbiota indígena no es efectiva. La idea es que si la flora microbiana normal no ha estado en contacto con el contaminante en cuestión probablemente habrá pocos organismos capaces de degradarlo. Mientras que la microbiota local podría ir incrementando lentamente su consumo, la adición de otros organismos adaptados podría disminuir o eliminar la fase de latencia. La adición de nutrientes podría también ser necesaria. En teoría podría construirse mediante ingeniería genética un microorganismo a la medida de las necesidades (de momento la legislación impide su liberación al medioambiente). Las dos alternativas descritas no son mutuamente excluyentes, y una o ambas en su conjunto deberían ser consideradas para resolver cada problema específico, tanto in situ como mediante biorreactores donde la biorremediación pueda llevarse a cabo en un entorno más cerrado y controlado.
CONCLUSIÓN La Microbiología se puede definir, sobre la base de su etimología, como la ciencia que trata de los seres vivos muy pequeños, concretamente de aquellos cuyo tamaño se encuentra por debajo del poder resolutivo del ojo humano. Esto hace que el objeto de esta disciplina venga determinado por la metodología apropiada para poner en evidencia, y poder estudiar, a los microorganismos. Precisamente, el origen tardío de la Microbiología con relación a otras ciencias biológicas, y el reconocimiento de las múltiples actividades desplegadas por los microorganismos, hay que atribuirlos a la carencia, durante mucho tiempo, de los instrumentos y técnicas pertinentes. El objeto material de la Microbiología viene delimitado por el tamaño de los seres que investiga, lo que supone que abarca una enorme heterogeneidad de tipos estructurales, funcionales y taxonómicos: desde partículas no celulares como los virus, viroides y priones, hasta organismos celulares tan diferentes como las bacterias, los protozoos y parte de las algas y de los hongos. De esta manera la Microbiología se distingue de otras disciplinas organísmicas (como la Zoología y la Botánica) que se centran en grupos de seres vivos definidos por conceptos biológicos homogéneos, ya que su objeto de indagación se asienta sobre un criterio artificial que obliga a incluir entidades sin más relación en común que su pequeño tamaño, y a excluir a diversos organismos macroscópicos muy emparentados con otros microscópicos. Por otro lado, la Microbiología también se ocupa de las distintas actividades microbianas en relación con los intereses humanos, tanto las que pueden acarrear consecuencias perjudiciales (y en este caso estudia los nichos ecológicos de los correspondientes agentes, sus modos de transmisión, los diversos aspectos de la
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microbiota patógena en sus interacciones con el hospedador, los mecanismos de defensa de éste, así como los métodos desarrollados para combatirlos y controlarlos), como de las que reportan beneficios (ocupándose del estudio de los procesos microbianos que suponen la obtención de materias primas o elaboradas, y de su modificación y mejora racional con vistas a su imbricación en los flujos productivos de las sociedades). La contaminación de los suelos por la presencia de agentes tóxicos como hidrocarburos, plaguicidas y otras sustancias constituye un problema ambiental de primer orden. El panorama actual no es tan desalentador ya que se cuenta con novedosas técnicas para la recuperación de suelos degradados por contaminación química. El uso de los microorganismos constituye una estrategia potencialmente viable. Hasta hace algunos años las investigaciones se habían limitado a la identificación de aquellos microorganismos capaces de aislar compuestos tóxicos. Hoy día las investigaciones están dirigidas a incrementar la tasa de degradación de compuestos tóxicos, mejoramiento genético de microorganismos para que se adapten a ambientes extremos y desarrollo de diferentes técnicas biocorrectivas alternativas para la recuperación de suelos degradados.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS: 4ta. ATLAS, R y R. Bartha. 2002. Ecología microbiana y Microbiología ambiental. Edición. Pearson Educación, S.A. Madrid. España. BALDRY, P. (1981): “La batalla contra las bacterias”. Reverté, Barcelona. BROCK, T.D. (1961): “Milestones in Microbiology” (reedición de 1975). American Society for Microbiology, Washington, D.C. COLLARD, P. (1976): “The development of Microbiology”. Cambridge University Press, Cambridge. Existe versión española: “El desarrollo de la Microbiología”, Ed. Reverté. de KRUIJF, P. : “Cazadores de microbios”. Biblioteca Científica Salvat. DEBRÉ, P. (1995): “Louis Pasteur”. Barcelona, Círculo de Lectores. DUBOS, R. “Louis Pasteur”. Biblioteca Salvat de Grandes Biografías. DOW, C.S., R. WHITTENBURY (1980): Prokaryotic form and function. En: "Contemporary microbial ecology" (ed. D.C. Ellwood y otros), Academic Press, Londres, págs. 391-417. DWORKIN, M. (1991): Prokaryotic diversity. En: "The Prokaryotes" (2nd. edition). Springer Verlag, vol I., págs. 48-74. NEIDHART, F.C. (1987): Chemical composition of Escherichia coli . En: "Escherichia coli and Salmonella typhimurium . Cellular and molecular biology". (F.C. Neidhart, ed.). American Society for Microbiology. Washington, D.C. (1987), págs. 3-6. SHAPIRO, J.A. (1988): Las bacterias, organismos pluricelulares. Inv. y Ciencia, 143 (agosto): 56-64.
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