Microbiología

Importancia de los microorganismos

1.- LOS MICROORGANISMOS EN LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS

Las bacterias y los hongos son los microorganismos que, junto a los productores, permiten la existencia del ciclo de la materia en la biosfera. Su función es descomponer la materia orgánica procedente de restos vegetales, cadáveres y excrementos, convirtiéndola en materia inorgánica que vuelve a ser utilizada por los productores

La actividad de los descomponedores en la biosfera permite que la materia se recicle y no se disperse en las sucesivas transferencias, como ocurre con la energía.

1.- EL CICLO DEL CARBONO

Las plantas constituyen el principal lugar de fijación del CO2 de los ambientes terrestres, mientras que los microorganismos fototróficos ( cianobacterias y algas) predominan en los acuáticos.

El carbono fijado en forma de materia orgánica es degradado por la acción de varios microorganismos (bacterias y hongos) que devuelven el CO2 al medio por fermentación o por respiración anaerobia

Las arqueobacterias metanogénicas utilizan el CO2 para producir metano que se reoxida de nuevo hasta CO2 atmosférico por las bacterias metanótrofas del metano

2.-EL CICLO DEL NITRÓGENO La fuente principal de nitrógeno es la atmósfera, de la que este gas constituye un 78%; sin embargo, este nitrógeno atmosférico sólo puede ser fijado por un grupo de bacterias fijadoras del nitrógeno que transforman este gas en compuestos nitrogenados utilizados directamente por las plantas. Entre el grupo de bacterias fijadoras del nitrógeno está el género Rhizobium que se encuentra en simbiosis con las raíces de las plantas leguminosas (guisantes, judías, tréboles, alfalfa, etc.), estas bacterias se introducen en los tejidos del vegetal, donde proliferan y desarrollan una especie de nódulos fijadores del nitrógeno.

El resto de las plantas depende del nitrógeno que se encuentra en el suelo, de donde lo toman en forma de nitratos. Cuando cualquier organismo muere, el nitrógeno de los restos orgánicos, como son las proteínas y los ácidos nucleicos, por acción de bacterias y hongos presentes en el suelo, se convierte en amoniaco o ión amonio (amonificación).

Otros grupos de bacterias del suelo oxidan los iones amonio a nitritos (nitrosomonas) y finalmente las bacterias nitrificantes( nitrobacter) oxidan los nitritos a nitratos. Los nitratos son ya fácilmente absorbidos por las raíces de las plantas

Existe un grupo de bacterias desnitrificantes (pseudomonas) que en condiciones anaerobias y de inundación convierten los nitratos del suelo en nitrógeno molecular que escapa a la atmósfera. Por eso los agricultores drenan las tierras para reducir la desnitrificación y añaden fertilizantes para incrementar los niveles de nitrato del suelo.

3.-CICLO DEL AZUFREEl ciclo comprende varios tipos de reacciones redox desarrolladas por microorganismos:

1.- Ciertos tipos de bacterias son capaces de extraer el azufre de compuestos orgánicos (proceso de desulfuración) que rinde SO4= en condiciones aerobias y H2S en condiciones anaerobias( areobacter)

2.- Bacterias anaerobias respiradoras de SO4= que producen la acumulación de H2S hasta alcanzar concentraciones tóxicas.(desulfovibrio)

3.- Bacterias fotosintéticas anaerobias pueden usar el H2S como donador de electrones en sus procesos metabólicos dando lugar a depósitos de azufre elemental (Sº).(thiobacterium)

4.- Bacterias quimiolitotrofas que utilizan el H2S como fuente de energía para la producción de ATP.

. En todos los casos, el Sº es la forma no asimilable y sólo puede entrar en el ciclo por la acción de algunas bacterias que son capaces de oxidarlo a SO4=.

4.- CICLO DEL FÓSFORO Y HIERRO

Las bacterias fosfatizantes aportan fosfatos al suelo a partir de la orina , heces y tejidos de animales y plantas

Algunas algas recogen esos fosfatos en el mar para hacer sus caparazones

la reducción del estado férrico a ferroso realizado por bacterias anaerobias como la Thiobacillus ferooxidans que moviliza los depósitos del fondo de los pantanos y los pone a disposición de los seres vivos

2.-LOS MICROORGANISMOS COMO AGENTES DE ENFERMEDADES INFECCIOSAS La mayoría de los microorganismos son inocuos para los demás seres vivos. Muchos de ellos incluso se han adaptado a las condiciones especiales que tienen los tejidos de los animales, viviendo en ellos, en su piel, en sus conductos digestivos o respiratorios; son la denominada flora normal (biota).

Sin embargo, los microbios más conocidos son aquellos que producen enfermedades infecciosas en las plantas, en los animales y en la especie humana; estos son los microorganismos patógenos.

El grado de patogenidad se denomina virulencia y se mide, generalmente, por el número de microorganismos necesarios para desarrollar la enfermedad. Hay microorganismos que normalmente no son patógenos pero pueden serlo cuando disminuyen los mecanismos defensivos de un animal: son los microorganismos oportunistas.

Los microorganismos patógenos causan infecciones. La infección es el ataque de los microorganismos a un ser vivo hospedador, independientemente de que esta sea dañado o no

Una enfermedad infecciosa implica necesariamente que se cause perjuicio al huésped

En toda sociedad es importante el control de las enfermedades infecciosas para prevenirlas o impedir su extensión. Para ello es necesario conocer el número de casos nuevos en un periodo de tiempo, la Incidencia y el número de casos en un momento dado, la Prevalencia ( cociente entre numero de personas enfermas y el numero de personas totales de una población)

Las enfermedades pueden ser clasificadas atendiendo a los casos producidos o al área de distribución en:Epidemia, cuando la enfermedad infecciosa afecta a un número elevado de la población en un tiempo corto. Suelen producir un gran número de muertes. Un ejemplo es la Viruela o la gripe. Endemia, si la enfermedad afecta a las personas de una determinada región, en una época dada. No suele producirse un gran número de casos. La malaria es un ejemplo de endemia, se produce un zonas tropicales y en épocas de lluvia. .

Pandemia, son epidemias que afectan a un gran número de individuos en poco tiempo y en una región muy grande. Por ejemplo en el año 2003 se produjeron un gran número de casos del SARS, o neumonía asiática atípica

Zoonosis como "aquellas enfermedades que se transmiten de los animales vertebrados al hombre y viceversa"

Las principales rutas de entrada de los patógenos son:1.- Vías respiratorias (inhalación): virus de la gripe, neumonía (Pneumocystis carinii)

2.-Vía digestiva ( ingestión): salmonelosis (Salmonella sp), cólera (Vibrio collerae) Por el agua y alimentos contaminados debido a la existencia de malas condiciones sanitarias o higiénicas en la manipulación

3-Vía sexual ( contacto sexual). Sida , sifilis (Treponema pallidum)

4-Vía cutánea (contacto) Lepra (mycobacterium leprae)Heridas en la piel, ej. Clostridium tetani. (tétanos)

5.-Via parental de madre a feto,ej. virus de la hepatitis

6.-Por animales, a los que se denomina vectores y son los reservorios de la infección

Las fases de una infección son las siguientes:B)Adherencia: Se produce en las mucosas respiratorias, digestivas o

genitourinarias. Se adhiere selectivamente a un grupo de células y logra penetrar en el hospedador

b) Penetración: Si no libera toxinas penetra en el tejido y se disemina por otras parte del cuerpo en las que prolifera. Debe competir con la flora microbiana normal

c) Crecimiento: para existir enfermedad infecciosa se debe producir el crecimiento en los tejidos del huésped

Toxinas: son sustancias producidas por el patógeno que tienen efecto tóxico como proteasas , nucleasas o lipasas que dañan y desorganizan los tejidos del huésped. Actúan sin que exista colonización por parte del patógeno. Se pueden determinar dos tipos de toxinas: •exotoxinas que son liberadas al exterior celular por bacterias gram positivas El botulismo es una grave intoxicación alimentaria producida por las endosporas de Clostridium botulinum que liberan la toxina botulínica

endotoxinas lipopolisacáridos que forman parte de la pared bacteriana •típicas de Gram -. (cólera)

Los agentes patógenos capaces de producir enfermedades infecciosas en los seres vivos son las bacterias, hongos, protozoos, virus, viroides y los priones

La relación entre enfermedad infecciosa y microorganismos la estableció R.Koch en los llamados postulados de Koch y que son los siguientes:

-El microorganismo debe encontrarse en los individuos que presenten la enfermedad y no en los sanos

- -Debe aislarse del huésped y poderse desarrollar en cultivo puro fuera de su cuerpo

-La enfermedad debe reproducirse cuando se inocula el cultivo en un huésped sano

-Debe ser aislado de nuevo a partir del huésped infectado experimentalmente, debe ser cultivado y debe ser idéntico al original

• Infecciones bacterianas: se deben generalmente a toxinas, existen vacunas para muchas de ellas. La mayoría de las bacterias patógenas son sensibles al tratamiento con antibióticos

Las más importantes son

-el cólera (Vibrio cholerae) anaerobia y se transmite a través del agua)

- Tuberculosis (Mycobacterium tuberculosis, se transmite por el aire y por contacto de objetos)

- Tétanos (Clostridium tetanii) anaerobia residente en el suelo y en excrementos de animales. Produce una exotoxina

- Salmonelosis (salmonella sp) Se transmite por agentes fecales o por alimentos contaminados y produce una endotoxina

b) Infecciones producidas por hongos: Micosis

Son infecciones superficiales producidas por hongos que se instalan sobre la piel, uñas o mucos y se alimentan de células muertas que se desprenden. Tienen un tratamiento largo basado en antimicóticos

Algunas son:

-Candidiasis: producida por la levadura Candida albicans que coloniza y se reproduce en las mucosas genital y digestiva: se contagia por contacto con objetos o por relaciones sexuales

La tiña: producida por microsporium, el pie de atleta, la pitiriasis versicolor son otros ejemplos

c) Infecciones producidas por protozoos

Algunos protozoos son parásitos del hombre y de otros animales .Se tratan con quimioterapia

Algunos ejemplos son

. Malaria o paludismo Provocada por un esporozoo del género plasmodium que es transmitida por la picadura del mosquito anopheles

. Toxoplasmosis: esporozoo Toxoplasma gondii: verduras lavadas con aguas contaminadas o carnes poco hechas

-Enfermedad del sueño: Por un flagelado Tripanosoma gambiense. Se transmite por la picadura de la mosca Tse-tse

Otras son la enfermedad de Chagas, tricomiasis o la disenterá amebiana

d) Infecciones víricas

Casi todos los grupos de virus animales tienen representantes patógenos de humanos.

Los virus son agentes patógenos cambiantes debido a la elevada tasa de mutación, que hace aparecer virus con distinta virulencia

Se tratan con quimioterapia antiviral, vacunas o interferón, nunca con antibióticos

Las enfermedades más comunes son: gripe, sarampión, poliomielitis, hepatitis, rabia, varicela o la viruela

.LA QUIMIOTERAPIA.Los agentes antimicrobianos son productos químicos que matan o inhiben el crecimiento de los microorganismos. Según el tipo de microorganismo contra el que actúen pueden ser: antibacterianos, antivíricos, antifúngicos, etc.Los desinfectantes son agentes antimicrobianos que se utilizan para eliminar los microorganismos de los objetos, mientras que los antisépticos (agua oxigenada, solución de yodo) se utilizan con el mismo fin sobre los tejidos de los seres vivos.Los agentes químicos que se utilizan en el tratamiento de enfermedades producidas por microorganismos se llaman agentes quimioterapéuticos, al tratamiento quimiterapia. Estos agentes deben tener toxicidad selectiva, es decir deben atacar a los agentes que causan la enfermedad y ser inocuos o tener baja toxicidad para las células de los tejidos.

Los agentes quimioterapéuticos son de dos tipos: las sulfamidas y los antibióticos.•Las sulfamidas. Son un conjunto de sustancias de origen sintético, que interfieren en algunas reacciones importantes de los gérmenes patógenos e inhiben su crecimiento. Hoy día se utilizan muy poco en infecciones bacterianas debido a los efectos secundarios.•Los antibióticos. Son sustancias químicas producidas de forma natural por la actividad de otros microorganismos, principalmente hongos y algunas bacterias del grupo de las actinomicetales. Químicamente son compuestos muy variados. Tienen efecto principalmente antibacteriano y algunos también antifúngico. Algunos tienen un amplio espectro es decir actúan sobre una gran variedad de gérmenes, otros por el contrario tienen un espectro reducido.

El mecanismo de actuación de los antibióticos es variado, algunos inhiben la síntesis de las paredes celulares bacterianas como la penicilina; otros inhiben la síntesis de proteínas como la tetraciclina; otros inhiben la síntesis de ácidos nucleicos, etc.El primer antibiótico, la penicilina fue descubierto por Fleming en 1928 en unos cultivos de estafilococos que se habían contaminado con Penicillium notatum.

3.- MICROORGANISMOS EN LA INDUSTRIA: BIOTECNOLOGÍA

Biotecnología : toda aplicación tecnológica que utilice sistemas biológicos y organismos vivos o sus derivados para la creación o modificación de productos o procesos para usos específicos

a.- INDUSTRIA ALIMENTARIA Generalmente los microorganismos utilizados por la industria son las bacterias, aunque también existen procesos en los que actúan hongos y algas.

El proceso industrial más extendido y conocido desde antiguo es la fermentación. En este proceso se oxida una molécula glucídica, en ausencia de oxígeno y se obtiene una molécula pequeña y algo de energía que el individuo utiliza para su supervivencia.

1.- fermentación alcohólica: Vino: Se lleva a cabo por levaduras del género Sacharomyces cerevisae sobre los azúcares de las uvasEl zumo de la uva (mosto) sirve para obtener vino blanco: los vinos tintos se elaboran fermentando también los pellejos de las uvas negrasDurante el primer año los vinos tintos sufren una segunda fermentación espontánea a cargo de bacterias del ácido láctico que reduce la acidezTambién en le proceso de formación del cava se producen 2 fermentaciones , en esta caso en la segunda intervienen levaduras, tras la adición de azúcares. El dióxido de carbono formado carbonata el vino y es el origen de las burbujas

A diferencia de las bebidas obtenidas a partir de zumos de frutas fermentados (como los vinos), en la cerveza, el cereal no contiene ni agua ni azúcar, caracterizando ambas circunstancias el proceso de elaboración. Para conseguir azúcar a partir del almidón, es necesario modificarlo mediante el malteado y sumergirlo en agua a la temperatura adecuada a fin de completar la conversión. El líquido resultante, compuesto de azucares, proteínas y residuos procedentes del cereal, se prepara en un proceso denominado amasado, en el cual los cereales se cuecen y dejan macerar a temperatura templada. Dependiendo de los cereales utilizados, la temperatura y el tiempo de amasado, se obtendrán productos finales con distintas características (Ejemplo; las cervezas claras se obtienen a una temperatura entre 60 y 90 º, mientras que las negras requieren temperaturas más altas, entre 90 y 105º).

A los cereales se le agrega también lúpulo, que da el aroma y el sabor amargo, y actúa como antiséptico impidiendo su alteración. A continuación se enfría hasta una temperatura que permita el desarrollo de las levaduras, se añaden éstas y se inicia la fermentación que producirá el alcohol y el CO2. Las levaduras que se utilizan habitualmente en la producción de cerveza se denominan Saccharomyces carlsbergensis y Saccharomyces cerevisia

La cerveza se obtiene a partir de cebada, arroz o maíz. Estos cereales contienen almidón que debe ser hidrolizado para obtener maltosa y glucosa, para ello los granos son malteados es decir humedecidos y se dejan germinar para que se produzcan amilasas que hidrolicen el almidón. La fermentación se produce por las levaduras Saccharomyces cerevisae

Del arroz también se obtiene el sake , licor oriental en el que la fermentación está a cargo del hongo AspergillusLa masa del pan es una mezcla de agua , harina de trigo, centeno, cebada arroz o maíz; sal y levaduras. La harina tiene poco azúcar fermentable, pero si contiene enzimas capaces de degradar el almidón. El CO2 resultante de la fermentación queda atrapado en la masa y es lo que produce la miga del pan, el alcohol que se produce se volatiliza en la cocción

2.- fermentación láctica:: la lactosa de la leche se convierten en ácido láctico. Las bacterias son del género Streptococcus, Leuconostoc y LactobacillusLa presencia de ácido en la leche coagula las proteínas que se separan del suero y que constituyen la cuajadaEl yogur se produce por fermentación láctica a cargo de Lactobacillus bulgaricus y Streptococcus termophilusEl kefir se fabrica mediante procesos simultáneos de fermentación láctica y alcohólica

La elaboración del queso consta de varias etapas, que comienza con la pasteurización de la leche. Luego se agrega el fermento que contiene las bacterias lácticas, y se deja madurar la leche. Como consecuencia de la fermentación, las bacterias degradan el azúcar de la leche (lactosa), obteniéndose ácido láctico. Éste desnaturaliza las proteínas de la leche (fundamentalmente caseína) que precipitan arrastrando con ellas la grasa (coagulación.)

Además, produce acidez que inhibe el desarrollo de gérmenes indeseables, incluyendo los potencialmente patógenos. Una vez que las proteínas de la leche han coagulado, el cuajo obtenido se calienta y se exprime para eliminar la porción acuosa de la leche (suero), se sala y se somete a un proceso de maduración (salvo en el caso de los quesos blandos no madurados).

La producción de cuajo se puede realizar también añadiendo un enzima (quimosina) que se extrae del estómago de los terneros, pero que en la actualidad es producida por microorganismos modificados genéticamente. Cada tipo de queso es elaborado por distintas cepas de bacterias. El fermento utilizado tiene una importante función en el desarrollo de sabor, aroma y textura de los quesos. Algunas bacterias lácticas generan como producto de la fermentación de la lactosa dióxido de carbono (además de ácido láctico). Ese gas es el responsable de los “ojos” de los quesos de pasta semidura como el Gruyere, y también facilita la abertura de la masa en quesos como el Roquefort o el Camambert, lo cual es necesario para permitir el crecimiento del hongo Penicilium (P. rocheforti y P. Camamberti, respectivamente) que le otorga las características peculiares a estos queso

3.- Fermentación ácido acética: obtención de vinagre por bacterias del género Gluconobacter y Acetobacter que transforman mediante oxidación incompleta el alcohol en ácido acético

b.- INDUSTRIA FARMACEÚTICAlos microorganismos se utilizan para producir

1.- antibióticos

•. Penicilina (hongo, penicillum) para infecciones con bacterias Gram+

• Cefalosporinas ( hongo cefalospirum sp)

• Estreptomicinas de amplio espectro ( bacterias gram +, gram- y la Mycobacterium tuberculosis

• cloranfenicol, tetraciclinas ( bacterias Streptomyces)

2.- producción de enzimas

-Proteasas que se utilizan en detergentes bioactivos

-Amilasas y glucoamilasas: fabricación de edulcorantes y fármacos

-3.- fabricación de fármacos, vacunas y hormonas (esteroides-levaduras, cortisonas- .bacterias y hongos)

c.- OTRAS INDUSTRIAS- alimentación: suplementos proteicos, vitaminasSe utilizan los microorganismos para producir proteína microbiana para suplemento de piensos ( levaduras como la Sacharomyces, algas como la Spirulina y hongos como el Fusarium sp)

-plaguicidas: mediante bacilos se produce una proteína insoluble muy eficaz en la lucha contra distintas plagasTambién se utilizan para producir insecticidas biológicos ( esporas de la bacteria (Bacillus turigiensis)

3.-MICROORGANISMOS Y MEDIO AMBIENTELa biotecnología ambiental es el conjunto de procesos mediados por microorganismos cuya finalidad es la conservación y preservación del medio ambientea) biorremediación: utilizar microorganismos para eliminar sustancias contaminantes como el petróleo, en vertidos, con Pseudomonas modificados genéticamente para degradar el mayor número de hidrocarburos posible o las aguas residuales en las EDAR (Estaciones depuradoras de aguas residuales)

.

B) biodegradación: degradación de materiales como papel, pintura, fibras textiles, hormigón mediante microorganismos

c) Minería: Algunos microorganismos pueden servir para la extracción de ciertos metales, uranio o pteróleo

d) Obtención de biocarburantes como el biodiesel ( a partir de aceites) o el bioetanol ( fermentación de azúcares procedentes de cereales( como maíz, trigoo cebada)