DISTRIBUCIÓN DE LOS MICROORGANISMOS EN LA NATURALEZA

ECOLOGÍA MICROBIANA: CONCEPTOS GENERALES

Microambientes-Los hábitats naturales de los microorganismos son muy diversos.

-La ecología microbiana se encarga del estudio de los microorganismos en sus hábitats, de las relaciones con otros organismos y con sus ambientes. Por tanto tiene dos objetivos:j

El estudio de los microorganismos presentes en los nichos ecológicos

El estudio de sus actividades metabólicas

-Es una ciencia básica y de importancia practica la resolución de problemas medioambientales

Hábitat: es la localización física de un organismo.

Nicho: es un término más amplio que hábitat ya que incluye a los microorganismos, su hábitat físico y las condiciones de crecimiento físicas y químicas.

-El nicho de cada organismo esta definido por las diferencias en el tipo y cantidad de los diferentes recursos o nutrientes y por las condiciones del hábitat.ecu sos o ut e tes y po as co d c o es de áb tat

-Para cada organismo existe al menos un nicho siendo el principal aquel en el que crece mejor.

-De la gran variedad de nichos que existen depende en la tierra la gran diversidad metabólica de los microorganismos y la biodiversidad microbiana.

Microambiente :lugar del hábitat en el que un microorganismo vive y lleva a cabo su metabolismo.- Por ejemplo en una partícula de suelo de 3mm pueden existir diversos tipos de microambientes con características químicas y físicas muy diferentes, que no se parezcan

d t í

Mayor concentración de O2

nada entre sí.

Anaerobios facultativos

Menor concentración de O2

Microaerófilos

Mapa de contorno de [O2] en una partícula de suelo

-En un microambiente las condiciones fisicoquímicas pueden cambiar rápidamente en cuanto al tiempo y al espacio. Por tanto hay que decir que los microambientes son heterogéneos y que las condiciones en un determinado microambiente pueden cambiar muy deprisa. De esta forma los microambientes contribuyen al aumento de la di id d i bi i fí i l ti tdiversidad microbiana en un espacio físico y relativamente pequeño.

Ecosistemas microbianos

● Están formados por una comunidad natural que se estructura:

componentes bióticos del ecosistemacomponentes abióticos

● tiene en cuenta las complejas interacciones entre:

los microorganismos que forman la comunidad

los flujos de energía y materiales que la atraviesan alimentos….

Tienen tres elementos básicos:

● Autótrofos (transformar los compuestos inorgánicos en orgánicos)Heterótrofos(utilizan los c orgánicos de● Heterótrofos(utilizan los c. orgánicos de los autótrofos)

● Elemento abiótico suelos(crítico para el reciclado de los nutrientes)

Para desarrollarlo los microorganismos necesitan:

Un área grande de contacto● Un área grande de contacto ● Un rápido desarrollo● Gran capacidad para degradar

Funciones de los microorganismos en el ecosistema:

● Formación de materia orgánica (fotosintesis y procesos quimiosinteticos)

● Descomponen la materia orgánica Fuente de nutrientes● Fuente de nutrientes

● Modifican sustratos y nutrientes ● Cambian las proporciones de materiales

solubles y gaseosos● Producen compuestos inhibitorios

Biofilms o biopelículas: concepto, composición, formación y propiedades.

Concepto- Son comunidades de microorganismos que crecen embebidos en una matriz de exopolisacáridos y adheridos a una superficie inerte o u tejido vivo.-Constituyen una modalidad de crecimiento protegido que permite a las bacterias sobrevivir en ambientes hostiles.-El sistema quorun sensing es un mecanismos de regulación dependiente de la acumulación en el medio de una molécula señal autoinductor que permite a la bacteria sentir la densidad de población existente.

“Quorum sensing”

-Las bacterias en la biopeliculas pueden llevar a la destrucción tanto de superficies inertes como vivas, a partir de los productos excretados de las células bacterianas.

-Atrapan nutrientes para el crecimiento de las poblaciones microbianas y ayudan a impedir el desprendimiento de las células que crecen sobre las superficies expuestas a corrientes d lí idde líquido.

- Presentan normalmente numerosas capas de microorganismos, cada una de las cuales pueden unirse a una superficie.

- Las bacterias en la biopeliculas pueden llevar a la destrucción tanto de superficies inertes como vivas, a partir de los productos excretados de las células bacterianas.- Atrapan nutrientes para el crecimiento de las poblaciones microbianas y ayudan a impedir el p y y pdesprendimiento de las células que crecen sobre las superficies expuestas a corrientes de líquido.- Presentan normalmente numerosas capas de microorganismos, cada una de las cuales pueden unirse a una superficie.

ComposiciónAunque la composición del biofilm varía en función del sistema en estudio, el componente mayoritario es, el agua, que puede representar hasta un 97% del

t id t t l Ad á d d lcontenido total. Además de agua y de las células bacterianas, la matriz del biofilm está formada principalmente por exopolisacáridos secretados por las propias células que forman parte del mismo. En menor cantidad se encuentran otras macromoléculas como proteínas, DNA y productos diversos procedentes de lisis de las bacterias.

Formación-Comienza a formarse cuando una bacteria acuática libre o plactónica se adhiere una superficie.

Etapas de formación:

-Unión inicial de las células plactónicas al sustrato por atracción electrostática y fuerzas físicas no químicas-Comunicación célula-célula y formación de microcolonias-Formación de la comunidad de estructura compleja y composición multiespecies-Regreso de algunas células al estado planctónico y reinicio del ciclo.

Células planctónicas

Liberación de células

Biopelícula madura

Producción EPS

Formación de las biopelículas

adhesión

Formación de microcolonias

Ventajas de la vida en lasbiopelículas

-Protección frente a sustancias antimicrobianasa través de la capa de EPS-Mejor captación de nutrientes con lo que el

t b li á ti hmetabolismo es más activo y hay mayor crecimiento. Las trazas de los nutrientes se concentran sobre las superficies. -Mayor interacción entre los microorganismoscon la posibilidad de intercambio de material genético y de metabolitos

Propiedades

- En la salud humana: en el cuerpo, las células bacterianas de un biofilm se encuentran protegidas ante ataques del sistema inmunitario y los antibióticos ysistema inmunitario y los antibióticos, y otros agentes antimicrobianos suelen fracasar en su intento de penetrar en el biofilm.

Enfermedades en las que las biopelículas son importantes:-Biopelículas en dientes, caries, enfermedades periodentales-Infecciones asociadas a catéteres, tubos endotraqueales y otros materiales..Infecciones pulmonares relacionados con-Infecciones pulmonares relacionados con

fibrosis quística y Pseudomonas aeruginosa-Colonización de implantes y materiales protésicos: válvulas cardiacas, osteoarticulares…-Lentes de contacto.

-En la industria son beneficiosos en el tratamientode las aguas residuales y perjudiciales en la colonización de materiales.-El control de los biofilms requiere un granesfuerzo y hasta ahora solo se dispone de un repertorio limitado de instrumentos paracombatirlos.-En la estrategia de lucha contra estos invasoresEn la estrategia de lucha contra estos invasores, se incluye el descubrimiento de nuevosantibióticos capaces de penetrar en ellos y fármacos que interfieran en la comunicaciónintracelular y la consecuente formación de biofilms. Por ejemplo uno de los productosquímicos que se usan son las furanonas.

Hasta hace relativamente poco creíamos que la vida era sóloposible bajo condiciones normales: pH neutro, temperaturapróxima a 37 grados, fuerza iónica parecida a la de la sangre,presión atmosférica, en presencia de oxígeno y ausencia dela radiación.Sin embargo, existen microorganismos capaces de vivir en

AMBIENTES EXTREMOS.

Sin embargo, existen microorganismos capaces de vivir enotras condiciones, los microorganismos extremófilos. Estosviven en ambientes muy hostiles y se clasifican de la siguienteforma:

Los microorganismos hipertemófilos, los cuales se desarrollan enmedios con temperaturas superiores a los 100 grados, junto afumarolas submarinas o junto a los géiseres.Los microorganismos psicrófilos evolucionan en mediosextremadamente fríos, como son los hielos del océano Antártico, con temperaturas de 20 grados bajo cero.Un ejemplo de ellos son los organismos que se encuentran en el lagoVostok.Los microorganismos acidófilos son aquellos que como su nombreindica viven en ambientes ácidos como pueden ser las fuenteshidrotermales y los depósitos mineros.

Un claro exponente de este tipo de microorganismos seencuentra en el río Tinto(Huelva), cuyo estudio ha supuesto unagran trascendencia en el descubrimiento de la vida en Marte.Su elevada acidez, con un pH próximo a 2,2 y su alto contenidoen hierro además de su contaminación hacen a este ríoaparentemente inviable para mantener en su seno cualquieratisbo de sistema biológico.Sin embargo, alberga una colonia formada por más de 1300 especies distintas de microorganismos que se alimentan de sulfuros polimetálicos.La importancia de este hallazgo ha sido tal que la NASA hainiciado un proyecto para analizar pormenorizadamente esteinsólito ecosistema, único en el mundo.

Otro grupo de microorganismos son los alcalófilos, los cualesviven en ambientes alcalinos.Ejemplos de ellos son los suelos con carbonatos y los lagoscársticos.Los microorganismos halófilos viven en ambientes muy salinoscomo son los lagos salinos y salinas de evaporación. Estosmicroorganismos tienen especial interés en la exploración de laLuna de Júpiter conocida como Europa puesto que bajo sussuperficies parece que existe un gran océano de agua en el quesuperficies parece que existe un gran océano de agua en el quepodrían habitar.Los organismos sometidos a grandes presiones se adaptan amedios radioactivos e incluso alcanzan períodos de letargo de 20o 30 millones de años.

Algunos ambientes extremos en los cuales se desarrollan losmicroorganismos son:

- Los respiraderos hidrotermales, con sus negras fumarolas, losgusanos tubulares, extraños cangrejos y almejas albinas se hanconvertido en habituales de los libros de texto, revistas... Así, hemosentendido que estas comunidades no dependen de organismosverdes que utilicen la luz del sol , sino de bacterias y arqueas queextraen la energía de los elementos químicos arrojados al suelog q joceánico por los respiraderos.- Las fuentes termales de Yellowstone y lugares como son las grietas hidrotermales en el fondo del océano, que ha sido estudiado por el astrobiólogo Jack Farmer.- Por último se ha comprobado la existencia de microorganismos que viven y sobreviven en medios tan hostiles como es el volcán inactivo de los Andes chilenos.

PAPEL DE LOS MICROORGANISMOS EN LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS:

Los microorganismos en el curso de su crecimiento y metabolismo interactúan enlos ciclos de los elementos en la biosfera. Estos ciclos se denominanbiogeoquímicos pues en ellos ocurren tanto procesos biológicos como químicos.

Podemos definir ciclo biogeoquímico como el circuito en el cual un elementoquímico se mueve a través de componentes bióticos y abióticos del ecosistema.

En todo ecosistema existe una entrada de materia y energía. Pero mientras laenegía sigue un flujo lineal, es decir termina siendo disipada, la materia tiene queser reciclada es decir sigue un comportamiento cíclico. Los ntrientes sontransformados y reciclados generalmente mediante reacciones redox. Todos losciclos de la materia están conectados. La energía se obtiene de la luz y dereacciones redox.

Ciclo del Carbono: reservorios● El ciclo del Carbono depende de la actividad de los microorganismos y de

los macroorganismos.● Está ligado al ciclo del oxígeno.● Principales reservorios:

El CO2 atmosférico y también disuelto en agua.Las rocas y sedimentos de la corteza terrestre.Los bosques y praderas , que constituyen el principal lugar de fijación fotosintética de CO2.La materia orgánica muerta, el humus.

Principales procesos de reciclado:

● La producción primaria o síntesis de materia orgánica a partir de CO2.

● La descomposición de materia orgánica en productos gaseosos (producción de metano en anaerobiosis )

● La producción de CO2 (fermentación anaeróbica o respiración aerobica)

I. Importancia de la fotosíntesis:● Constituye la única vía importante de producción de carbono orgánico

nuevo.● Los organismos fototróficos oxigénicos pueden dividirse en 2 grandes

grupos:Plantas superiores ( en ambientes terrestres)p ( )Microorganismos (en ambientes acuáticos)

● La ecuación global de la fotosíntesis oxigénica es:CO2 + H2O → ( CH2O ) + 02

● Los organismos fototróficos también llevan a cabo la respiración:( CH2O ) + O2 → CO2+H2O

II. Descomposición:● Principales estados de oxidación del CO2:

Metano: se produce por la actividad de los metanógenos .CO2: se produce por la actividad de quimioorganotrofos.

● En hábitat anóxicos, el CH4 resulta de la reducción de CO2 con H2 y de algunos compuestos como el acetato.

● El metano producido en hábitat anóxicos es muy insoluble, por lo que es fácilmente transportado a ambientes óxicos, donde es oxidado a CO2 por los metanotrofos.

● Todo el carbono orgánico revierte posteriormente a CO2, a partir del cual el metabolismo autotrófico empieza una vez más el ciclo del carbono.

•Reservorios: En la atmósferaEn el agua

Biomasa vivaMateria orgánica muerta

Materia orgánica

Quimiolitótrofos

Fotosintéticos oxigénicosFotosintéticos anoxigénicos

Respiradoresaerobios

Respiradores anaerobios. Fermentadores

Metanogénicos

Metanotrofos

Rojo: anaerobiosisAzul: aerobiosis

CICLO DEL NITRÓGENO.

El mayor reservorio de nitrógeno es el nitrógeno gas dela atmósfera. El nitrógeno no es utilizado por los seresvivos a excepción de los microorganismos fijadores denitrógeno. El suelo y el agua actúan también comoreservorios de nitrógeno aunque mas limitado, lasreservorios de nitrógeno aunque mas limitado, lasformas mas abundantes son el nitrógeno orgánico, elión amonio y los nitratos como formas solubles enagua.El nitrógeno es el constituyente básico del protoplasmay se encuentra en varios estados de oxidación. Losprincipales procesos de transformación microbiana delnitrógeno son la nitrificación y desnitrificación.

Fijación del nitrógenoEn el ciclo oxido-reducción del nitrógeno, el nitrógeno gas puede ser fijadotanto en aerobiosis como en anaerobiosis por diferentes tipos de bacteriasoriginando amonio.Varias de las reacciones de oxido-reducción del nitrógeno la llevan a cabo casi exclusivamente microorganismos, por lo que su participación es importante. El nitrógeno gaseoso o N2 es la forma más estable del elemento y laatmosfera es el reservorio más importante de nitrógeno en la tierra.La gran cantidad de energía necesaria para romper el enlace nitrógeno-nitrógeno significa que la reducción del nitrógeno es un proceso que requiere gran cantidad de energía. Solo un número reducido de microorganismos puede utilizar el N2 en el proceso de la fijación del nitrógeno; por tanto el reciclado de nitrógeno en la tierra tiene lugar gracias al amoniaco y al nitrato. En muchos ambientes la productividad está limitada por el pequeño aportede compuestos de nitrógeno combinados, lo que hace muy ventajosa lafijación biológica del nitrógeno.

DesnitrificaciónSe conoce como desnitrificación la conversión de nitrato anitrógeno gaseoso. Este es el principal proceso de formación denitrógeno gaseoso.La desnitrificación presenta una serie de inconvenientes y de ventajas:Como inconveniente, dado que el N2 es mucho menos utilizablepor los organismos que el nitrato, este proceso es perjudicial.p g q , p p jAdemás, puede ser un problema si los campos abonados connitratos se inundan después de las lluvias primaverales. Seestablecen rápidamente condiciones anóxicas y la desnitrificaciónpuede ser un proceso importante.Como ventaja, la desnitrificación resulta beneficiosa en eltratamiento de las aguas residuales donde puede eliminarse elnitrato, reduciendo el desarrollo de algas cuando el agua sedescarga en lagos.

Flujo de amoniaco y nitrificaciónSe llama amonificación a la producción de amoniaco durante ladescomposición de los compuestos orgánicos tales comoaminoácidos y nucleótidos; a pH neutro se encuentra en formade amonio. En condiciones anóxicas, el amoniaco esrelativamente estable y es en esa forma en la que predomina elnitrógeno en la mayoría de los sedimentos anóxicos. En los

l t d l i lib d d i ió óbisuelos parte del amoniaco liberado por descomposición aeróbicaes reciclado y convertido en aminoácidos por las plantas ymicroorganismos.El amoniaco al ser volátil se puede perder por el suelo o por vaporización, pero las principales perdidas de amoniaco se dan en lugares con gran población animal como los corrales.

El amoniaco constituye solo el 15% del nitrógeno liberado a laatmósfera, puesto que la mayor parte restante se libera en formade N2 o N2O.Llamamos nitrificación a la oxidación de amoniaco a nitrato; ocurrefácilmente en suelos bien drenados a pH neutro por la acción debacterias nitrificantes.Aunque el nitrato es fácilmente asimilable pos las plantas, es muy soluble en agua y se lava rápidamente en los suelos que reciben mucha agua Por lo que la nitrificación no es beneficiosa en lamucha agua. Por lo que la nitrificación no es beneficiosa en la agricultura. El amoniaco anhidro se utiliza como abono nitrogenado. Normalmente se añaden al abono productos químicos para inhibir la nitrificación. Uno de los inhibidores más corrientes es la nitrapirina, compuesto análogo a la piridina, que interrumpe específicamente en primer paso de la nitrificación que es la oxidación de amoniaco a nitrito. Al añadir inhibidores de la nitrificación aumenta la eficacia de los abonos y se evita la contaminación acuosa.

Ciclo del azufre

•El reservorio principal es el sulfhídrico.•Los microorganismos fotosintéticos transforman el azufre mediantereacciones químicas empleando los sulfuros como fuentes de electrones:• En ausencia de luz, los sulfuros pueden pasar a ambientes oxidados.•Cuando el sulfato difunde a ambientes reducidos, permite llevar a cabo lareducción de sulfato:1.Reducción desasimilatoria: sulfato como aceptor externo de electrones paraformar sulfuros, que se acumulan en el ambiente.2.Reducción asimilatoria: reducción de sulfato para utilizarlo en la biosíntesisde aminoácidos y de proteínas.

•Otros organismos llevan a cabo la reducción desasimilatoria del azufre elemental (Desulforomonas) o también la reducción de sulfitos en sulfuros (Alteromonas y Clostridium).

CICLO DEL FÓSFORO:

Diferencias con el ciclo de carbono y nitrógeno

-No existen componentes gasesos-No se puede obtener en la atmósfera,el fósforo deriva únicamente de la meteorización de las rocas que contienen fósforo (tanto orgánico como inorgánico)

-Es importante por :*Todas las células vivas requieren fósforo para los ácidos

nucleicos,lípidos y algunos polisacáridos

la mayoria del fósforo ambiental está presente en bajasconcentraciones ,encerrado en la litosfera de la Tierra

El fósforo en estos materiales orgánicos se reciclagracias a la actividad microbiana.

El fósforo inorgánico está cargado negativamente,deforma que se acompleja rápidamente en el ambientecon cationes como el hierro, el aluminio y el calcio. Estoscompuestos son relativamente insolules,y su disolucióndepende del pHdepende del pH.

La transformación microbiana del fósforopone de relieve la transformación del simple ortofosfato (PO4 ) ̄, que presenta fósforo con valencia +5 a formas más complejas.Esto incluyen los polifosfatos que se encuentran en los gránulos metacromáticos así como en macromoléculas

El fósforo entra en el suelo y en el agua a través de lameteorización de las rocas, de los fertizantes defosfatos,y de residuos superficiales de la degradación delas plantas .Las plantas y los microorganismosrápidamente convierten el fósforo inorgánico a su fromaorgánica,provocando una imovilización.Sinembargo,mucho del fósforo del suelo puede filtrarsegrandes distacinas o acomplejarse con cationes queforman compuestos relativamente insolubles.

BIORREMEDIACIÓNSe conoce como la utilización de microorganismos paratransformar productos contaminantes en productos dedegradación no tóxicos

Las aplicaciones más importantes de labiorremediación han sido aquellas quemodifican el ambiente para estimular laactividad de los organismos que alli seencuentran.

EJEMPLOS:

Eficaces contra mareas negras :

el petróleo es unafuente de carbono,un nutriente paralas bacterias.

Muy eficaz para depurar aguaresiduales: Biorremediación de

aguas contaminadaspor metales pesados

Muchos metales desempeñan unpapel específico comomicroelementos para el desarrollode determinadas funciones vitalesde determinadas funciones vitalesen los seres vivos.

Altas concentraciones de metalespesados suponen un riesgo y unaamenaza para la vida. Lacontaminación del agua, del suelo ydel aire por metales pesados es unproblema ambiental muyimportante debidofundamentalmente a su toxicidad,persistencia, bioacumulación, yefectos sinérgicos en la biota

CICLO DEL HIERROEl hierro:

-Es uno de los elementos más abundantes de la corteza terrestre-Se presenta en dos estados de

oxidación, ferroso y férrico

● El ciclo del hierro se da entre ambasformas:

● - La reducción de hierro férrico se da tantoquímicamente como a consecuencia de la respiración anaerobia.

● - La oxidación de hierro ferroso se produce tanto químicamente como a resultas de unaqforma de metabolismo quimiolitotrófico.

● El único aceptor de electrones capaz de oxidarespontáneamente Fe2+ es el O2

REDUCCION BACTERIANA DEL HIERRO

● Algunos microorganismos utilizan el hierro férrico como aceptor de electrones.

● La reduccion bacteriana del hierro:● Ambientes anoxicos● Ocasiona la movilización del hierro, desde los

pantanos, turberas y otros habitat acuáticos ricos en hierro. Cuando esta agua cargadas de hierro alcanzan zonas óxicas, el hierro ferroso se oxida químicamente o por las bacterias del hierro y se producen compuestos férricos, que precipitan formando un depósito marrón.

REDUCCION BACTERIANA DEL HIERRO

• Oxidación del hierro ferroso:

OXIDACION BACTERIANA DE HIERRO

• En medios no ácidos el Fe2+ es oxidado por las bacterias del hierro como Gallionella y Leptothrix, en interfases entre las aguas subterraneas anoxicas ricas en hierro y el airesubterraneas anoxicas ricas en hierro y el aire

• En medios ácidos es cuando la oxidación bacteriana de hierro es más importante

● Una de las formas más corrientes de hierro y azufre en la naturaleza es la pirita (FeS2).

• La oxidación bacteriana de la pirita tiene gran importancia para la aparición de las condiciones de acidez en las actividades mineras.

● Thiobacillus ferroxidans y L.ferroxidans catalizan la oxidación de iones ferrosos a férricos, estos iones reaccionan espontáneamente con mas pirita para oxidarla, produciendose iones ferrosos e iones sulfato:

● Los iones ferrosos formados son oxidados de nuevo a iones férricos por las bacterias y reaccionan con mas pirita.

● La tasa de oxidación de la pirita aumenta progresiva y rápidamente en un proceso que se conoce como ciclo de propagación.

● Algunos de los iones ferrosos generados por las bacterias se escapan y son transportados por las p y p paguas subterraneas hasta cursos de agua cercanos.

● Las bacterias oxidan el hierro ferroso y se forma un precipitado de hierro férrico insoluble.

● La oxidación bacteriana de los minerales de azufre es el principal factor en el drenaje ácido de las minas, un problema ambiental frecuente en las zonas donde hay minas de carbón.