COMPLEMENTO TEÓRICO DE MICROBIOLOGÍA...

COMPLEMENTO TEÓRICO DE

MICROBIOLOGÍA AGRÍCOLA

FACULTAD DE CIENCIAS AGROPECUARIAS

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CÓRDOBA

ÍNDICE

UNIDAD TEMA Página

I Grupos microbianos 1

II Metabolismo microbiano 41

III Taxonomía y crecimiento bacteriano 67

IV Ecología microbiana 79

V Degradación de compuestos orgánicos en el suelo 93

VI Disponibilidad de nutrientes para las plantas 113

VII Fijación biológica de N2 129

VIII Fertilizantes biológicos 143

IX Degradación de residuos orgánicos 155

X Microbiología del agua 163

XI Procesos microbianos de la conservación y producción de alimentos 179

XII Microbiología ruminal 203

Personal de la Asignatura que participó en la elaboración y corrección de este

Complemento Teórico

Ing. Agr. Dr. Enrique Iván Lucini

Dra. Carolina Merlo

Dra. Laura Belén Noé

Dra. Marina Bruno

Biol. Carolina Vázquez

Ing. Agr. Lucas Dubini

Ing. Agr. Aylen Ocampo

Ing. Agr. Boris Camiletti

Bioq. María Paula Martín

Ing. Agr. Soraya Salloum

Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 1

UNIDAD I: GRUPOS MICROBIANOS

Importancia del estudio de la microbiología

La microbiología es una ciencia que trata el estudio de los microorganismos,

un extenso y variado grupo de organismos microscópicos que existen como

células aisladas o que viven formando agrupaciones celulares que se pueden

observar a simple vista. La microbiología también incluye el estudio de los

virus, ya que son organismos microscópicos, pero que no son considerados

células. Por lo tanto, la microbiología como ciencia se centra en dos temas

principales: a) la comprensión de los procesos vitales básicos que ocurren en

los microorganismos (metabolismos) y b) la aplicación de ese conocimiento

para beneficio de la humanidad.

El estudio de la microbiología es importante debido a que los

microorganismos están implicados en numerosos procesos y conflictos que

son importantes en la industria, la medicina y la agricultura. Los

microorganismos constituyen en conjunto la biomasa mayor del planeta y

realizan numerosos procesos que son necesarios para el desarrollo de otros

organismos. En ausencia de microorganismos nunca podrían haber surgido

otras formas de vida ni podrían mantenerse en la actualidad. Incluso el

oxígeno que respiramos actualmente es consecuencia de la actividad

microbiana del pasado.

Los microorganismos pueden ser benéficos o perjudiciales para el

hombre. Es importante destacar, que algunas de las enfermedades más

importantes de humanos, animales y plantas son causadas por

microorganismos, pero por otro lado, los microorganismos desempeñan

importantes funciones en la fertilidad de los suelos y en la producción animal.

Además, muchos procesos industriales a gran escala se basan en el uso de

microorganismos.

Como el estudio de los microorganismos abarca una gran cantidad de

tipos, morfologías, usos y características, la microbiología se encuentra

dividida en numerosas subdisciplinas. Particularmente, la Microbiología

Agrícola es una subdisciplina de la Microbiología que tiene como objetivo el

estudio de los procesos microbiológicos que se producen en el suelo, agua,

alimentos, etc. y que involucran a la producción agropecuaria.


Los microorganismos contribuyen de manera global al funcionamiento

de los ecosistemas del planeta y ayudan al desarrollo sostenible de la biósfera.

En este sentido, desde un punto de vista ecológico, los microorganismos que

habitan el suelo (microorganismos edáficos) constituyen el estamento de los

descomponedores, que junto a los productores (plantas) y consumidores

(herbívoros y carnívoros) son la base del funcionamiento de los ecosistemas.

Los organismos descomponedores son los responsables de la degradación de

los restos orgánicos muertos y la liberación de nutrientes que servirán de base

para la productividad primaria del sistema, cerrando el ciclo de los elementos

(Figura 1).

Fig. 1: Cadena trófica en ecosistemas naturales

La actividad de los microorganismos edáficos es de suma importancia

en los sistemas agropecuarios, debido a que existe una elevada extracción de

nutrientes provocada por las cosechas y el pastoreo (Figura 2). En la

actualidad, el estudio de los microorganismos edáficos cobra especial

relevancia teniendo en cuenta que se persigue una productividad agrícola

sustentable, la preservación del ambiente y la producción de alimentos

orgánicos.


Fig. 2: Cadena trófica en agroecosistemas

Desde el punto de vista industrial, los microorganismos son cultivados

a gran escala, para obtener productos comerciales o realizar importantes

transformaciones químicas. La industria pretende potenciar las reacciones

metabólicas que pueden realizar los microorganismos para producir en mayor

cantidad (alto rendimiento) el producto de interés. De esta forma, se pueden

producir biofertilizantes (inoculantes), productos farmacéuticos (antibióticos),

aditivos alimenticios (aminoácidos y vinagre), enzimas, productos químicos

(alcohol o ácido cítrico), y bebidas como el vino y la cerveza entre otras.

Características de los microorganismos

Se denomina microorganismo a la forma de vida que se desarrolla en una sola

célula. Aunque el organismo esté compuesto por más de una célula

(pluricelular), cada célula es funcionalmente autónoma en sí misma. Los

microorganismos no poseen tejidos ni órganos, es decir que no presentan

células especializadas en cumplir una única función como sucede en los

organismos superiores, por ejemplo células especializadas en el transporte

(xilema de las plantas), células especializadas en la absorción de nutrientes en

animales (células intestinales), etc.


Hay una serie de características propias de los microorganismos que

les confieren particularidades de carácter funcional muy importantes:

Tamaño reducido: en general, las células microbianas son muy pequeñas

particularmente las procariotas. Cada célula microbiana varía en general entre

1 y 15 m (entre 10 y 100 veces menor que una célula vegetal).

Superficie de intercambio muy grande: tener mucha superficie en relación al

volumen corporal le otorga a las células alta capacidad de intercambio con el

medio. Esto significa que los organismos tienen una alta tasa de absorción (de

agua, gases, alimentos) y de excreción. Ser una célula de tamaño pequeño

tiene sus ventajas. Las células pequeñas poseen más área superficial en

relación al volumen celular que las células más grandes; es decir, tienen una

relación superficie/volumen mayor. Además, el hecho que muchos

microorganismos presentan células de formas esféricas o cilíndricas les

confieren mayor superficie en relación al volumen del cuerpo.

Alto metabolismo: es conocido que todos los organismos vivos muestran

alguna forma de metabolismo. Dentro del entramado del compartimiento físico

que define a una célula, se toman nutrientes del medio externo y se los

transforma químicamente. Durante este proceso se produce energía y se

eliminan productos de desecho. Una alta tasa de absorción determina una alta

disponibilidad de nutrientes, lo que favorece un metabolismo muy activo. Por

esta causa, se sabe que los organismos de tamaño reducido tienen una tasa

metabólica más elevada que los de mayor tamaño.

Reducido tiempo de generación: todo organismo con alta tasa metabólica

tiende a tener también una alta tasa reproductiva. Este hecho, sumado a que

los microorganismos se reproducen generalmente de manera asexual (por

fisión binaria), hace que las divisiones celulares sean muy frecuentes (algunos

se dividen cada 15 minutos) y que el aumento de la población sea exponencial.

Esto se aprecia muy bien en la aparición y rápida difusión de enfermedades

provocadas por los agentes microbianos.

Alta diversidad genética: cuando el ADN se duplica frecuentemente, tiene

altas probabilidades de sufrir mutaciones. Los microorganismos presentan altas

tasas de mutaciones lo cual provoca que la variabilidad genética sea muy alta y


que la variación genotípica en bacterias sea evidente en cortos períodos de

tiempo.

Distribución muy amplia: el hecho de tener alta variabilidad genética confiere

a los microorganismos la posibilidad de adaptarse a ambientes muy diferentes

(ubicuidad). Prácticamente no existe ningún lugar en el planeta que no esté

habitado por microorganismos (salvo la sangre y órganos de animales sanos).

Variabilidad metabólica: esta alta capacidad de adaptación lleva implícito

que los microorganismos puedan tener una enorme variedad de metabolismos

totalmente diferentes del resto de los organismos vivos. Esa particularidad hace

que sean los únicos responsables de procesos clave en los ecosistemas como:

la liberación y disponibilidad nutrientes para las plantas, la descomposición y

detoxificación de elementos contaminantes, etc. Además, esta amplia

variabilidad metabólica permite la utilización de muchos procesos metabólicos

microbianos en la industria.

Microorganismos: grupos microbianos

Desde el punto de vista morfológico-funcional se pueden diferenciar tres

grandes grupos de microorganismos: procariotas, eucariotas y virus.

Microorganismos procariotas

Son microorganismos que poseen células procarióticas. Dentro de este gran

grupo se encuentran las eubacterias (bacterias verdaderas), los actinomycetes,

las cianobacterias, y otros grupos de menor importancia para la microbiología

agrícola (por ejemplo: arqueas, rickettsias, mixobacterias, etc.).

Eubacterias

Las eubacterias pertenecen al dominio Bacteria y constituyen más del 90% de

la biomasa activa del suelo. Las eubacterias son microorganismos unicelulares,

Gram positivos o Gram negativos, aeróbicos o anaeróbicos, que pueden

presentar forma de cocos, bacilos o espirilos. El grupo de las eubacterias

contiene una enorme variedad de procariotas, algunos patógenos y otros no.

Muchos son descomponedores de la materia orgánica y responsables de la

liberación de nutrientes. Además, muchas especies de eubacterias son

patógenas de gran importancia en sanidad animal, humana y vegetal.


Actinomycetes

Los actinomycetes forman un grupo de bacterias Gram positivas filamentosas

aeróbicas o anaeróbicas. Estas bacterias al crecer y ramificarse forman

estructuras en forma de redes semejantes a las de los micelios de los hongos

filamentosos pero mucho más pequeños (Figura 3). Son bacterias que forman

esporas asexuadas que suelen denominarse conidios y que no son análogas a

las de las endosporas (estructuras reproductivas de resistencia) de las

bacterias Gram positivas. Si bien pueden existir algunos actinomycetes

acuáticos, la mayoría son terrestres y tienen enorme importancia en los suelos,

ya que algunos pueden producir enzimas hidrolíticas extracelulares lo cual les

permite utilizar grandes moléculas orgánicas como polisacáridos (almidón,

celulosa y hemicelulosa), proteínas y lípidos. Algunos pueden descomponer

hidrocarburos, lignina y taninos. Causan habitualmente un olor semejante a

tierra mojada debido a un compuesto que presentan: la geosmina. Algunas

especies de actinomycetes son parásitos de plantas, como el agente de la

sarna de la papa (Streptomyces spp.) o de animales, por ej., el causante de la

tuberculosis y la lepra (Mycobacterium spp.). Además, pueden producir más de

60 tipos de antibióticos que son habitualmente utilizados en la medicina

humana y veterinaria.

Fig.3: Actinomycetes.


Cianobacterias

Las cianobacterias son microorganismos fotosintéticos uni o pluricelulares

(filamentosos) que viven en ambientes terrestres y acuáticos (agua dulce o

marinos). La estructura de la pared bacteriana de cianobacterias es similar a la

de bacterias Gram negativas. Muchas cianobacterias producen cubiertas

mucilaginosas denominadas vainas, que unen entre sí grupos de células o de

filamentos (Figura 4). Filogenéticamente, las cianobacterias representan la

transición entre las bacterias y las plantas superiores, ya que los orgánulos

fotosintéticos de los eucariotas (cloroplastos), están relacionados con las

cianobacterias. Las cianobacterias han sido muy importantes para el desarrollo

de la vida en la tierra ya que fueron los primeros organismos con fotosíntesis

oxigénica (con producción de oxígeno) que aparecieron en la tierra. La

producción de oxígeno en la tierra primitiva permitió el posterior desarrollo de

organismos superiores como las plantas, animales y el hombre.

Las cianobacterias tienen pigmentos fotosintéticos como la clorofila a,

ficocianinas y ficobilinas que les otorgan un típico color azul-verdoso. La

importancia de las cianobacterias radica en que constituyen un componente

muy importante de la productividad primaria en ambientes acuáticos. En la

actualidad, estas bacterias tienen relevancia por su desarrollo masivo (sufren

explosiones poblacionales de gran magnitud) en ambientes lacustres ricos en

nutrientes (eutroficados), como es el caso del Lago San Roque (Córdoba). Las

cianobacterias pueden producir toxinas en estos sistemas que afecten al

hombre o animales, pero además, generan mal olor en el agua y su desarrollo

masivo muchas veces dificulta los procesos de potabilización.

Fig. 4: Cianobacterias

Heterocisto


Arqueas

Son microorganismos extremófilos, siendo capaces de crecer a valores

extremos de pH, mayores temperaturas y salinidades que cualquier otro

organismo conocido (Figura 5). Las arqueas son microorganismos constituidos

por células procarióticas que presentan varias modificaciones morfológicas,

principalmente la membrana celular, lo cual les otorgar mayor resistencia para

tolerar las condiciones ambientales extremas. Son organismos dominantes en

lugares de alta salinidad (salares), alta temperaturas (cráteres de volcanes),

baja cantidad de oxígeno (fondos marinos), etc. Algunas arqueas son muy

relevantes porque son metanógenas (producen metano) como parte integral de

su metabolismo.

Fig. 5: Arqueas

Microorganismos eucariotas

Son microorganismos constituidos por células eucariotas e incluyen a grupos

como las algas, protozoos y hongos.

Algas

Las algas son los típicos organismos eucariotas que realizan fotosíntesis

oxigénica y que habitan generalmente en ambientes acuáticos (de agua dulce y

marinos). Las algas pueden ser unicelulares microscópicas (constituyendo el

fitoplancton) o pluricelulares (filamentosas) y de gran tamaño viviendo fijas o

flotantes en el agua (Figura 6). Existen varios tipos y morfologías de algas, sin

embargo, las más conocidas son las algas verdes y las rojas. Las algas verdes

(clorófitas) crecen principalmente en agua dulce y tienen clorofila a y b pero

carecen de ficobilinas. Otras como las algas rojas (rodófitas) tienen clorofila a y


un pigmento llamado ficoeritrina que les otorga el color rojo característico.

Estas algas viven predominantemente en hábitats marinos. La importancia de

las algas radica en que son productores primarios en ecosistemas acuáticos.

Fig. 6: Fotomicrografía de algas verdes unicelulares típicas.

Protozoos

Los protozoos son microorganismos unicelulares que no presentan pared

celular. Pueden ser ameboidales, móviles (ciliados o flagelados) o inmóviles.

Pueden ser acuáticos (marinos o de agua dulce) y terrestres (Figura 7).

Muchos pueden ser predadores de bacterias, otros son saprofitos y también

pueden ser parásitos. Muchos juegan un importante rol en la salud humana ya

que son los responsables de importantes enfermedades como la enfermedad

de Chagas, donde el protozoo (Trypanosoma cruzi) es transmitido a través de

la vinchuca; o la malaria, donde el protozoo (Plasmodium spp.) es transmitido

por los mosquitos.

Volvox Scenedesmus

Micrasterias Rodophyta: Gracilaria


Fig. 7: Protozoos más comunes en suelo y agua

Hongos

Los hongos constituyen un gran grupo de organismos, diversos y muy

extendido que incluye a los mohos, setas y levaduras. La mayoría de los

hongos son pluricelulares y forman un entramado de filamentos denominados

hifas. Las hifas a menudo crecen juntas formando unos ovillos compactos

denominados colectivamente micelios. Las hifas pueden ser septadas (con

paredes que la dividen en células separadas) o cenocíticas (muchos núcleos

sin formación de septos) (Figura 8). Los hongos forman esporas asexuadas

(conidios) a partir de hifas que se extienden desde el micelio. No obstante,

algunos hongos pueden formar estructuras reproductivas macroscópicas

denominadas setas (cuerpos de fructificación) que también producen esporas.

Sin embargo, hay hongos como las levaduras que son unicelulares y

microscópicos (Figura 9).

Los hongos tienen hábitats muy diversos, sin embargo la mayoría son

terrestres. Estos organismos habitan el suelo o sobre la materia vegetal muerta

y cumplen una importante función en la degradación de la materia orgánica.

Una función ecológica importante de los hongos es la descomposición de la

Stentor Vorticella Paramecium

Ameba Didinium

Sin pared celular

Móviles o inmóviles

Predadores Saprófitos Parásitos


lignina (constituyente importante de plantas leñosas) y de la celulosa. Algunas

especies de hongos establecen simbiosis con algas superiores o con

cianobacterias, formando los organismos llamados líquenes.

Fig. 8: Tipos de hifas de hongos

Fig. 9: Hongos uni y pluricelulares. Levaduras y Aspergillus (derecha)

Muchos hongos son responsables de enfermedades con relevancia

económica de plantas cultivadas. Otros pueden causar enfermedades en

animales o en el hombre (micosis). Pero también algunos son importantes para

el hombre ya que son utilizados para la síntesis de antibióticos y para algunos

procesos fermentativos.

Hifas: a) cenocítica, b) tabicada mononucleada, c) tabicada binucleada


Virus

Los virus representan una clase importante de microorganismos, sin embargo,

no son considerados células, debido a que carecen de muchos atributos

presentes en ellas. Por ejemplo, un virus sólo adquiere el atributo clave de

todos los sistemas vivos (reproducción), cuando infecta a una célula. Además,

a diferencia de las células, los virus no tienen capacidad metabólica propia. Por

lo tanto son considerados parásitos intracelulares obligados de células vivas.

Esta característica provoca que sean causantes de importantes enfermedades

en plantas, animales y el hombre. Sin embargo, también pueden infectar

bacterias (bacteriófagos) (Figura 9) y arqueas.

Los virus presentan una amplia diversidad de formas y tamaños y son

unas 100 veces más pequeños que las bacterias. Una partícula vírica

completa, conocida como virión, consiste en un ácido nucleico rodeado por una

capa proteica protectora llamada cápside. Las cápsides pueden tener forma

helicoidal o icosaédrica. Además, los virus pueden estar rodeados de una

envoltura que es una capa lipídica externa que rodea al virus (Figura 10).

Fig. 10: Estructura de bacteriófago

http://es.wikipedia.org/wiki/Viri%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A1pside_v%C3%ADrica


Fig. 10: Diferentes tipos de virus

Células microbianas

Un análisis detallado de la estructura celular interna de las células microbianas

y de otras propiedades permite diferenciar dos tipos de células: las procariotas

y las eucariotas.

Las células procariotas son las más simples estructuralmente (no

presentan orgánulos celulares) y también en general son las más pequeñas.

Como toda célula, están delimitadas por una membrana plasmática que

contiene pliegues hacia el interior (invaginaciones) que están relacionados con

diversas funciones. La célula procariota por fuera de la membrana plasmática

está rodeada por una pared celular. En el interior de la célula es posible hallar

una región más densa, llamada nucleoide, donde se encuentra el material

genético (ADN). Es decir que el ADN no está separado del resto del citoplasma

por una membrana nuclear como ocurre en eucariotas. Las células procariotas

pueden tener distintas estructuras que le permiten la locomoción y el

movimiento (Figura 11).

En cambio, las células eucariotas tienen un modelo de organización

mucho más complejo que las procariotas (Tabla 1). Su tamaño es mucho

mayor y en el citoplasma es posible encontrar un conjunto de estructuras

celulares rodeadas por membranas que cumplen diversas funciones y que en

conjunto se denominan organelas u orgánulos celulares. Entre las células

eucariotas podemos distinguir dos tipos de células que presentan algunas

diferencias: células animales y vegetales. Las células animales (Figura 13) no

poseen pared celular y las células vegetales presentan por fuera de la

membrana plasmática, una pared celular que les brinda protección y que tiene


una composición distinta (celulosa) (Figura 12) a las paredes que se

encuentran en las células procariotas (peptidoglicano).

Fig. 11: Estructura de una célula procariota típica

Fig. 12: Estructura de una célula eucariota vegetal


Fig. 13: Estructura de una célula eucariota animal

Tabla 1. Principales diferencias entre células procariotas y eucariotas

Relaciones evolutivas entre los microorganismos

Aunque las células se puedan diferenciar entre procariotas y eucariotas, la

estructura celular no implica necesariamente una relación evolutiva. Sin

embargo, en la actualidad se pueden determinar relaciones filogenéticas

(evolutivas) entre los microorganismos a través de técnicas de la biología

molecular. Estos métodos se basan en comparaciones de la secuencia de

ácidos nucleicos, particularmente la secuencia del ARN ribosomal. Por lo tanto,

los cambios en la secuencia del ARN ribosomal pueden ser usados como una

CELULA PROCARIOTA CÉLULA EUCARIOTA

Núcleo no envuelto por membrana envuelto por membrana

Cromosomas un cromosoma circular varios cromosomas

División celular fisión binaria mitosis

Aparato fotosintético en membranas (tilacoides) en cloroplastos

Aparato respiratorio en membranas en mitocondrias

Tipo de ribosomas 70s 80s

Pared celular peptidoglicanosin pared o con pared de

celulosa

Tamaño <1 y 15 m 10-100 µm

Orgánulos no posee si posee


medida para establecer relaciones evolutivas entre los organismos. En el caso

de los microorganismos, a partir de los estudios hechos sobre las secuencias

del ARN ribosomal 16S (para células procariotas) y 18S (para células

eucariotas), se pueden definir tres dominios o linajes celulares evolutivamente

diferentes. Dos de estos linajes presentan células procariotas y uno de ellos

presenta células eucariotas (Figura 14). Los grupos o linajes son:

- Dominio Bacteria: comprende a organismos unicelulares con células

procariotas y pared celular compuesta por peptidoglicano.

- Dominio Archaea: organismos procariotas unicelulares y cuya pared

celular no presenta peptidoglicano.

- Dominio Eukarya: comprende todos los organismos que presentan

células eucariotas (entre los Eukarya que son microorganismos encontramos a

los hongos, protozoos y algas).

Se piensa que estos tres linajes evolutivos se originaron muy pronto en

la historia de la vida sobre la tierra por divergencias a través un organismo

ancestral en común.

Fig. 14: Árbol filogenético de los seres vivos deducido a través de la secuenciación comparativa del gen del ARN ribosomal. El árbol está formado por los tres dominios: Bacteria y Archaea (organismos procariotas) y Eukarya (organismos eucariotas). Solamente se muestran algunos organismos representativos dentro de cada dominio.


Morfología de los procariotas

En microbiología, el término morfología hace referencia a la forma de las

células. Las células procariotas presentan morfologías variadas. La mayor

parte de las bacterias tienen una forma característica, que permanece más o

menos constante, aunque puede estar influenciada por las condiciones

ambientales. Dentro de las morfologías más comunes encontramos bacterias

con formas esféricas u ovoides que se denominan cocos. Cuando las bacterias

presentan una forma cilíndrica se denominan bacilos. Algunos bacilos se

curvan en forma espiral y entonces se denominan espirilos (Figura 15). Sin

embargo, muchas veces, las células de los procariotas se mantienen juntas

después de la división celular formando grupos, y estas asociaciones

frecuentemente son características de los diversos géneros. En algunos casos,

los cocos forman cadenas como resultado de haberse dividido siempre en el

mismo plano. La longitud de tales cadenas puede ser corta (2 células) y en ese

caso se llaman diplococos o largas (estreptococos). Además, algunos cocos

pueden formar conjuntos parecidos a racimos de uva (estafilococos) y otros se

disponen en agrupaciones cúbicas tridimensionales llamadas sarcinas (Figura

15).

Fig. 15: Morfología Bacteriana

Cocos

Bacilos

Apendices bacterianos

Otros


Estructuras celulares de las células procarióticas

Los componentes estructurales de las células procariotas pueden dividirse en

dos grupos: elementos comunes (invariables), es decir, que se encuentran en

todos los procariotas y que son absolutamente esenciales para la vida, y

elementos no comunes (variables), que se encuentran en algunas células (no

en todas) y que están asociadas a funciones específicas (Tabla 2).

Tabla 2: Estructuras celulares de las células procariotas.

Elementos comunes: Estructuras invariables

Pared celular: Mureína (Peptidoglicano)

Dada la gran concentración de solutos que se alcanza en el interior de la célula

bacteriana (gran presión de turgencia), las células bacterianas desarrollan

paredes celulares. Las paredes celulares de procariotas presentan una capa

rígida que es la que le otorga resistencia a la pared celular. La pared celular es

químicamente diferente a la de células eucariotas, siendo uno de los caracteres

distintivos entre los organismos procariotas y eucariotas.

La función de la pared, aparte de dar rigidez a la célula, también es

brindar protección ya que protege a las membranas de los detergentes y

tóxicos que pueden dañar a la células, es sitio diana (donde actúan) además de

los antibióticos. La capa que le confiere rigidez a la pared celular se denomina

peptidoglicano o mureína. La mureína es un heteropolímero que está formado

por dos derivados de azúcares: la N-acetilglucosamina (G) y el ácido N-

ELEMENTOS COMUNES ELEMENTOS NO COMUNES

Pared celular Plásmidos

Membranas Flagelos

Mesosomas Pilis

Tilacoides Cápsulas

Vesículas Pedúnculos

Zona nuclear Vainas

Cromosoma Sustancias de reserva

Ribosomas Vacuolas

Pigmentos

Endosporas


acetilmurámico (M) y un pequeño grupo de aminoácidos. La N-

acetilglucosamina y el ácido N-acetilmurámico están conectados por uniones

glicosídicas β-1,4; pero además el ácido N-acetilmurámico se une mediante

uniones peptídicas a una cadena de 4 aminoácidos llamada tetrapéptido del

glicano: L-alanina, D-alanina, D-glutámico y lisina o ácido diaminopimélico

(DAP) (Figura 16).

Durante la síntesis de peptidoglicano se generan largas cadenas que

forman una lámina que rodea a la célula. Las cadenas se conectan entre sí por

enlaces peptídicos que se establecen entre los aminoácidos del tetrapéptido. El

tetrapéptido puede variar en un aminoácido (varía en lisina o alternativamente

en DAP).

La mureína (peptidoglicano) es un compuesto que solo se encuentra en

procariotas pertenecientes al dominio Bacteria. Sin embargo, no todos los

organismos procariotas tienen DAP en su tetrapéptido. Otro rasgo peculiar es

la presencia de dos aminoácidos de configuración D (D-alanina y D-glutámico)

ya que en las proteínas los mismos aminoácidos presentan siempre

configuración L.

Fig. 16: Estructura de la mureína


Pared celular de Gram positivas y Gram negativas

Las bacterias suelen dividirse en dos grandes grupos en relación a la estructura

y composición química de sus paredes celulares: las bacterias Gram positivas y

las bacterias Gram negativas. Es importante destacar que la distinción inicial

entre estos dos tipos se basa en una tinción diferencial: la tinción de Gram.

Gram positivas

La pared de las bacterias Gram positivas es estructuralmente más gruesa y

químicamente menos compleja que en Gram negativas. En las bacterias Gram

positivas hasta un 90% de la pared celular está constituida por mureina. Estas

bacterias pueden tener hasta 25 capas de mureina apiladas unas sobre otras.

Muchas bacterias Gram positivas presentan embebidos en su pared celular,

polisacáridos ácidos denominados ácidos teicoicos (Figura 17). El término

ácido teicoico hace referencia a toda la pared, membrana o polímeros

capsulares que contienen glicerolfosfato o residuos de fosfato de ribitol. Estos

polialcoholes están unidos por ésteres de fosfato y generalmente se les unen

otros azúcares. Algunos ácidos que contienen glicerol están unidos a los lípidos

de la membrana de bacterias Gram positivas: la íntima asociación de los ácidos

teicoicos con los lípidos justifica la denominación de ácidos lipoteicoicos. Los

ácidos teicoicos están cargados negativamente y por lo tanto contribuyen a la

carga negativa de la pared celular de las bacterias Gram positivas. También

pueden proporcionar soporte estructural a la pared celular.

Fig. 17: Diagrama global de la pared celular Gram positiva


Gram negativas

En las bacterias Gram negativas la pared celular está compuesta por mureína y

una membrana externa. Sólo cerca del 10 % de la pared celular está

constituida por mureína y el resto consiste en lípidos, polisacáridos y proteínas

que forman una capa exterior que se denomina membrana externa. La

membrana externa es una segunda bicapa lipídica pero que además de

fosfolípidos y proteínas presenta polisacáridos en su constitución química.

Debido a que los lípidos y los polisacáridos se unen formando un complejo se

conoce también como capa de lipopolisacárido (LPS) (Figura 18). En la

membrana externa la capa de lipopolisacárido se asocia a varias proteínas

para formar la hemicapa externa de la misma, mientras que en la hemicapa

interna se encuentra el complejo de lipoproteína. Este complejo, son pequeñas

proteínas asociadas a lípidos, cuya función es la de anclaje entre la membrana

externa y la mureína. En la hemicapa externa de la membrana externa, el LPS

sustituye a los fosfolípidos, los que predominan en la hemicapa interna.

Fig. 18: Diagrama global de la pared celular Gram negativa

Aunque la función de la membrana externa es estructural, una

importante propiedad biológica es que resulta tóxica para animales y el hombre

debido a que en ella se localizan endotoxinas (toxina no liberada por la célula:

puede estar unida a la superficie celular o ser intracelular). Algunos de los

efectos tóxicos que provocan algunas de las bacterias patógenas Gram

negativas más conocidas (especies de los géneros Escherichia, Salmonella y

Shigella) se deben a las toxinas presentes en las membranas externas.


Tinción de Gram: Es un tipo de tinción o coloración diferencial

empleada comúnmente en la microbiología para la visualización microscópica

de bacterias. Debe su nombre al microbiólogo Danés Christian Gram, que

desarrolló la técnica en 1884. Básicamente, la tinción de Gram (se desarrollará

completamente en los trabajos prácticos) es una tinción doble ya que se utilizan

dos colorantes (cristal violeta y fucsina). El fundamento de la tinción se basa en

las diferencias existentes en las paredes celulares de las bacterias Gram

positivas y Gram negativas. Las bacterias Gram positivas tienen pared celular

muy gruesa con muchas capas de peptidoglicano y las Gram negativas poseen

paredes delgadas con menos capas de peptidoglicano.

Durante la coloración, primero se agrega el colorante cristal violeta que

penetra en todas las células tiñendo a todas las células bacterianas (tanto

Gram positivas como Gram negativas) de color azul/violáceo. Luego se agrega

lugol que actúa como un mordiente haciendo que el cristal violeta se fije con

mayor intensidad a la pared de la célula bacteriana. El yodo penetra dentro de

las células y forma un complejo insoluble en solución acuosa con el cristal

violeta. Posteriormente el alcohol que se agrega sirve para realizar una

decoloración, ya que el complejo cristal violeta/lugol es soluble en alcohol. Los

organismos Gram positivos no se decoloran, pero sí los Gram negativos. Para

poner de manifiesto las células Gram negativas (ya que quedaron decoloradas)

se utiliza la fucsina como colorante de contraste. Después de esta decoloración

de contraste las células Gram positivas siguen de color azul/violáceo y las

Gram negativas adquieren un color rosado.

La diferencia en la tinción se observa en la resistencia a la

decoloración, esto se debe a que la membrana externa de las Gram negativas

es soluble en solventes orgánicos, como por ejemplo alcohol. La capa de

peptidoglicano que posee es demasiado delgada como para poder retener el

complejo cristal violeta/lugol que se formó previamente, y por lo tanto el

complejo se escapa de la célula, perdiéndose la coloración azul/violácea. Pero

por el contrario, en las Gram positivas, al poseer una pared celular más

resistente y con mayor proporción de peptidoglicanos, la célula no es

susceptible a la acción del solvente orgánico (alcohol), sino que este actúa

deshidratando los poros cerrándolos, lo que impide que pueda escaparse el

complejo cristal violeta/lugol y mantener de esta forma la coloración

azul/violácea.


Células bacterianas que no presentan paredes celulares

Si bien la mayoría de las bacterias no pueden sobrevivir sin sus paredes

celulares, unos pocos organismos pueden hacerlo: son los micoplasmas. Los

micoplasmas constituyen un grupo de bacterias patógenas que causan

diversas enfermedades infecciosas en el hombre y otros animales. Estos

microorganismos son capaces de vivir sin paredes celulares porque viven como

parásitos en hábitats osmóticamente protegidos como el cuerpo humano.

Membranas bacterianas

La membrana celular o plasmática es una estructura delgada que rodea por

completo a la célula. Esta estructura vital es la barrera que separa el interior

celular (citoplasma) del exterior y actúa como una barrera selectiva que

capacita a la célula para concentrar metabolitos específicos en el citoplasma y

para poder excretar sus productos de desecho. Si se destruye la membrana se

rompe la integridad de la célula lo cual provoca su muerte. La membrana

celular tiene capacidad para sintetizar la pared celular y las cápsulas.

La estructura general de las membranas biológicas es la de una bicapa

lipídica. La bicapa está compuesta por fosfolípidos y proteínas embutidas

dentro de la bicapa. Los fosfolípidos están compuestos por componentes

hidrofóbicos (ácidos grasos) e hidrofílicos (glicerol-fosfato). Los fosfolípidos se

agregan en bicapas con los ácidos grasos orientados hacia el interior

(formando un ambiente hidrofóbico) y las porciones hidrofílicas expuestas a la

fase acuosa exterior o al citoplasma. La estructura de la membrana queda

estabilizada mediante enlaces puentes de hidrógeno e interacciones

hidrofóbicas (Figura 19).

Las proteínas de la membrana plasmática presentan zonas

hidrofóbicas en regiones que se incluyen en la membrana y zonas hidrofílicas

en las regiones que toman contacto con el medio exterior o con el citoplasma.

Las proteínas que se encuentran firmemente asociadas y embutidas a la

membrana se denominan proteínas integrales de membrana, mientras que las

que se asocian a ella en su superficie se denominan proteínas periféricas de

membrana (Figura 19). Por lo general, estas proteínas interaccionan con

proteínas integrales de membrana que son importantes en procesos

relacionados con el metabolismo energético y el transporte.


Fig. 19: Membrana plasmática

Membranas de arqueas

Los lípidos de las membranas de los dominios Bacteria y Eukarya son

diferentes a los de Archaea. En Bacteria y Eukarya los lípidos presentan

enlaces de tipo éster entre el glicerol y los ácidos grasos mientras que los

lípidos de Archaea poseen enlaces éter entre el glicerol y las cadenas laterales

hidrofóbicas. Además, carecen de ácidos grasos y en su lugar tienen cadenas

laterales compuestas de unidades repetidas de isopreno. Pese a estas

diferencias en la composición química, las membranas de estos grupos tienen

regiones hidrofóbicas internas y regiones hidrofílicas externas. Sin embargo,

debido a diferencias químicas en los lípidos que forman las membranas de

arqueas, en este grupo las membranas forman una monocapa en vez de una

bicapa lipídica (Figura 20). Estas monocapas son muy resistentes a la

disgregación razón por la cual por ejemplo las arqueas hipertermófilas pueden

soportar elevadas temperaturas.


Fig. 20: Diferencias entre las membranas celulares de los dominios Bacteria y

Archaea.

Membranas internas

Además de la membrana situada en la periferia de la célula, la mayoría de los

procariotas poseen membranas internas. Estas membranas internas pueden

ser simplemente extensiones o invaginaciones de la membrana celular, o

pueden ser estructuras más complejas como por ejemplo:

Mesosomas: los mesosomas son invaginaciones de la membrana

plasmática asociadas con la replicación del ADN. Los mesosomas son los sitios

de anclaje del nucleoide bacteriano para empezar la duplicación del ADN y la

formación de del septo bacteriano (tabique que separa a las células que se

dividieron) en el proceso de fisión binaria o división celular.

Vesículas: son estructuras donde se localizan enzimas y pigmentos para la

realización de diferentes procesos metabólicos como respiración, fotosíntesis y

oxidaciones especiales.

Tilacoides: son estructuras en forma de sacos aplanados o vesículas donde

se asientan los pigmentos fotosintéticos. Se considera que los tilacoides

bacterianos fueron los precursores de los cloroplastos de las células

eucarióticas (Figura 21).


Fig. 21: Microscopía electrónica de una cianobacteria. Se destacan las

membranas tilacoidales dispuestas en forma concéntrica alrededor del

citoplasma celular.

Citoplasma bacteriano

El citoplasma bacteriano es un sistema coloidal formado por un 85% de agua

que además contiene minerales y enzimas. En el citoplasma se pueden

observar inclusiones, gránulos, vacuolas, etc.

Zona nuclear

Los genomas (conjuntos de genes de un organismo) presentan una

organización diferente en organismos procariotas que en eucariotas. En las

células procariotas no hay un núcleo definido (no hay membrana nuclear) por lo

cual el ADN de doble cadena se presenta como una larga molécula llamada

cromosoma. Los procariotas presentan un único cromosoma circular que se

encuentra altamente plegado (superenrollado) conformando una estructura que

se denomina nucleoide (Figura 11). La composición química del ADN

bacteriano es la misma de las células eucarióticas, salvo que la carga negativa

de los grupos fosfatos es neutralizada por magnesio, mientras que en los

eucariotas es neutralizada por proteínas básicas llamadas histonas. El ADN

posee la información genética de la célula, es sitio diana para la acción de

antibióticos, permite establecer relaciones taxonómicas y permite el diagnostico

directo a través de técnicas moleculares.

Tilacoides

Membrana plasmática


La replicación del ADN en las bacterias también es básicamente muy

parecida a la que sucede en células eucariotas. Debido a que el cromosoma es

circular, el proceso se inicia en un punto donde se localiza el mesosoma y se

desplaza alrededor del anillo. Después de replicado el ADN, el nuevo anillo se

traslada hacia una de las células en desarrollo y comienza la formación del

septo trasversal que separa las células. La división celular de las bacterias se

denomina fisión binaria porque da como resultado dos células hijas idénticas

entre sí e idénticas a la célula que les dio origen (Figura 22). En algunos casos

la velocidad de duplicación es muy alta y no se completa la separación de las

células por lo que se forman cadenas de células y otros agrupamientos

celulares.

Fig. 22: División celular en bacterias: fisión binaria

ADN

replicación ADN

Elongación celular

Formación del septo

Terminación del septo y formación de paredes

Separación celular


Ribosomas

Los ribosomas están constituidos aproximadamente por un 60% de ARN y un

40% de proteínas. A diferencia de la célula eucariota, los ribosomas no se

asientan sobre un retículo endoplásmico sino que están libres en el

citoplasma. La función de los ribosomas es la misma que en las células de

organismos superiores, es decir la síntesis de proteínas funcionales (enzimas)

y proteínas estructurales.

Cada ribosoma está formado por dos subunidades de diferente

tamaño. Los procariotas poseen subunidades ribosómicas 30S y 50S, que al

unirse forman ribosomas 70S, mientras que los eucariotas tienen ribosomas

80S. Los valores “S” se refieren a las constantes de sedimentación de las

subunidades ribosómicas (30S y 50S) o del ribosoma completo (70S) cuando

se someten a una gran fuerza de centrifugación en una ultracentrífuga. Cada

subunidad ribosómica es un complejo ribonucleoproteico formado por ARN

ribosómico de distinto tipo y proteínas específicas. La subunidad más

pequeña (30S) está compuesta por una molécula de ARNr 16S a la que están

unidas más de 20 proteínas. En cambio, la subunidad mayor (50S) se

compone de ARNr 23S, 5S y más de 30 proteínas específicas. Se cree que

las proteínas de cada partícula están unidas al ARN y que la unidad entera

está envuelta dentro de una estructura globular (Figura 23).

Figura 23. Diferencias entre las constantes de sedimentación de los

ribosomas de células procariotas y eucariotas

ARN r ProteínasSubunidades ribosomales Ribosomas

Ribosoma

Procariota

Ribosoma

Eucariota


Elementos no comunes: Estructuras variables

Plásmidos

Muchos procariotas contienen pequeños trozos de ADN extracromosómico

dispuestos en forma circular conocidos con el nombre de plásmidos. El número

de plásmidos puede variar, desde una sola copia hasta algunos cientos por

célula. Los plásmidos son ADN de doble cadena (igual al ADN del cromosoma)

que se replican independientemente del cromosoma bacteriano (Figura 24).

Los genes contenidos en los plásmidos codifican para funciones no vitales

(propiedades especiales) para la bacteria, como por ejemplo la fijación de

nitrógeno atmosférico, la resistencia a antibióticos, etc. Otra característica de

los plásmidos es que pueden transmitirse de una bacteria a la otra, esta

particularidad hace que sirvan como una importante herramienta en

laboratorios de genética e ingeniería genética, donde son comúnmente usados

para multiplicar (hacer muchas copias) un gen en particular. Además, pueden

ser utilizados para generar organismos resistentes o con alguna función

metabólica especial. Muchos plásmidos ya están disponibles comercialmente

para dichos usos.

Fig. 24: Bacteria con ADN extracromosómico (plásmidos) en su citoplasma

Flagelos

Los flagelos bacterianos son apéndices largos y finos que se encuentran fijos a

la célula por uno de sus extremos y libres por el otro extremo. Los flagelos

(flagellum= látigo) permiten la movilidad de las células en medio acuoso. Son

tan finos que no es posible visualizarlos con el microscopio óptico y es

necesario recurrir a tinciones o microscopios especiales para su visualización.

La disposición de los flagelos varía según las bacterias. En la distribución polar,

ADN bacteriano Plásmidos


los flagelos se localizan en un extremo (disposición monotrica) o en ambos

extremos de la célula (anfitrica). En ocasiones, de un extremo de la célula

puede surgir un penacho de flagelos, disposición que se denomina lofotrica

(lofos=penacho, tricos=pelo). En cambio, en la distribución peritrica, los flagelos

se insertan en varios lugares alrededor de la superficie celular (peri=alrededor)

(Figura 25 y 26).

Fig. 25: Disposición de los flagelos en células bacterianas

Fig. 26: a) Disposición monótrica en Vibrio cholerae. b) Disposición perítrica en

Escherichia coli

El crecimiento de los flagelos no se produce a partir de la base, sino a

partir de la punta. Los flagelos bacterianos están constituidos por una proteína

denominada flagelina. Cada flagelo es una estructura semirrígida incapaz de

flexionarse que se mueve mediante rotación de su base, como lo hace una

hélice. Los organismos de flagelación peritrica se mueven en línea recta y de

manera lenta, mientras que los organismos con flagelos polares, se mueven

dando giros periódicos (giran sobre sí mismos) y de una manera más rápida e

impetuosa.

a b


Como muchos procariotas son móviles aquellas células que puedan

desplazarse tienen una ventaja adaptativa en ciertas condiciones ambientales

frente a aquellas que no puedan hacerlo. Los procariotas entran en contacto en

la naturaleza con numerosos gradientes físico-químicos. El objetivo de las

células que presentan movilidad es responder a estos estímulos (en forma

positiva o negativa), es decir, dirigiendo el movimiento de la célula alejándose o

acercándose a estos gradientes.

Los movimientos dirigidos de las células se denominan taxias: la

quimiotaxia es la respuesta de los organismos frente a estímulos químicos y la

fototaxia es la respuesta de los organismos frente a la luz. En este sentido,

muchas bacterias presentan respuestas a diferencias en concentraciones de

diferentes sustancias químicas, otras bacterias fotosintéticas responden a la

diferencia de intensidad lumínica, pudiendo llegar a distinguir entre dos fuentes

de luz que difieran en solo un 5% de intensidad. Algunas veces la respuesta es

positiva (hacia las sustancia química o la fuente de luz) y otras veces es

negativa (alejamiento o repulsión). Asimismo, existen otras taxias como la

aerotaxia donde los organismos se mueven en relación a las diferentes

concentraciones de O2 en el medio (acercándose o alejándose).

Fimbrias

Las fimbrias presentan una estructura similar a los flagelos y son de naturaleza

proteica, pero no participan en la movilidad. Las fimbrias son bastante más

cortas que los flagelos y son mucho más numerosas (Figura 27). Su función es

favorecer la fijación a superficies (tejidos animales en el caso de algunas

bacterias patógenas), la formación de biopelículas (biofilms) o fijación a

superficies.

Pilis

Son estructuralmente similares a fimbrias, pero por lo general son más largos y

solamente existen unos o pocos pilis sobre la superficie (Figura 27). Los pilis

también participan en la adhesión a superficies y tienen una función muy

importante en el proceso de conjugación en procariotas (intercambio genético

entre bacterias).


Fig 27: Fimbrias y pilis. Se observan dos bacterias intercambiando material

genético mediante un pili

Cápsulas, vainas y pedúnculos

Algunas bacterias y cianobacterias segregan materiales mucosos o gomosos

que les sirven para la adhesión y protección celular. Estas capas mucosas

están compuestas por polisacáridos, polipéptidos, o complejos de polisacáridos

y proteínas. Se denominan cápsulas (Figura 28) cuando la capa mucosa rodea

totalmente la célula de un modo compacto. En cambio, se llama vaina cuando

la capa mucosa engloba a varias células y se denomina pedúnculos cuando el

mucus se localiza en un extremo de la célula, lo que le permite adherirse a las

superficies como si tuviera un pie.

Las capas mucosas no son esenciales para la vida de los

microorganismos (cepas mutantes sin cápsula son capaces de crecer

normalmente), sin embargo les otorga gran poder adaptativo en el ambiente.

Las bacterias capsuladas tienen varias ventajas: son más difíciles de fagocitar

por los protozoos del suelo o por los leucocitos (glóbulos blancos) de un

huésped, tienen mayor resistencia a la desecación, mayor contacto con algún

sustrato específico (por ej. las bacterias que producen las caries en los

dientes), etc. Además, las cápsulas de las bacterias patógenas son asiento de

las toxinas que provocan la enfermedad en el huésped.

Pili

Fimbrias


Fig. 28: Cápsula viscosa de sustancias glucídicas que rodea a una bacteria

Sustancias de reserva

Muchos procariotas almacenan habitualmente diferentes sustancias en su

citoplasma (como gránulos o inclusiones) como mecanismo de reserva

energética o como reservorio para la construcción de macromoléculas. En

organismos procariotas, una de las sustancias de reserva (cuerpo de inclusión)

más frecuentes está compuesto por ácido poli-β-hidroxibutírico (PHB). El PHB

es un compuesto lipídico formado por monómeros de ácido β-hidroxibutírico

unidos por enlaces éster. La longitud de los monómeros varía entre 4 a 18 C.

Los polímeros de PHB se agrupan dentro del citoplasma celular formando

gránulos.

En menor medida las bacterias pueden acumular glucógeno. El

glucógeno es un polímero de subunidades de glucosa. Los gránulos de

glucógeno en general son más pequeños que los de PHB. Otras bacterias con

metabolismos especiales que utilizan otras fuentes de energía, pueden

acumular otras sustancias de reserva, como por ejemplo fósforo y azufre. En

este sentido, muchos organismos acumulan grandes reservas de fosfato

inorgánico en forma de gránulos de polifosfato. Por otra parte, algunos

procariotas son capaces de oxidar los compuestos de azufre reducido. En este

caso, estos microorganismos acumulan azufre elemental en el interior de la

célula en forma de gránulos.

La presencia de gránulos con sustancias de reserva tiene estrecha

relación con el estado nutricional de la célula. Cuando la bacteria absorbe más

Cápsula


Vesículas de gas

de lo que metaboliza acumula compuestos químicos como reserva. Este

mecanismo es muy útil en condiciones naturales particularmente en el suelo,

donde la disponibilidad de recursos no es constante a lo largo del año.

Vesículas de gas

Las vesículas de gas son estructuras fusiformes, huecas pero rígidas. La

membrana de la vesícula gaseosa está compuesta exclusivamente de

proteínas que forman una estructura impermeable al agua y a los solutos, pero

permeable a los gases (Figura 29). La rigidez de la membrana es esencial para

que la estructura resista las presiones ejercidas desde el exterior. Una presión

hidrostática elevada puede hacer colapsar la membrana perdiendo la

capacidad de flotar.

Numerosos microorganismos que flotan en lagos y en el mar presentan

vesículas de gas que son responsables de la flotabilidad de las células en el

medio. Las vesículas de gas representan una forma de movilidad que permite

que las células floten a diferentes alturas en respuesta a diferentes condiciones

microambientales.

Fig. 29: Fotomicrografía electrónica de una cianobacteria Microcystis sp. en

sección transversal mostrando las vesículas gaseosas en el interior celular.


Particularmente, las cianobacterias, que son bacterias fotosintéticas

que viven en ambientes acuáticos presentan vesículas gaseosas que le

permiten ascender al a superficie de los lagos y con la ayuda del viento se

convierten en grandes acúmulos masivos (florescencias). En el caso de

organismos que realizan fotosíntesis, la presencia de vesículas es esencial ya

que les permite ajustar rápidamente su posición en el agua, hacia regiones

donde la intensidad de la luz es óptima.

Pigmentos

En general las bacterias carecen de pigmentos y son transparentes. Las

excepciones son las bacterias fotosintéticas que poseen diferentes tipos de

pigmentos para la realización de la fotosíntesis (carotenos, bacterioclorofila,

ficocianina, ficobilinas, etc.) y algunas bacterias que viven sobre la superficie de

las plantas expuestas a la radiación ultravioleta que tienen pigmentos

especiales que utilizan como mecanismo protector contra la radiación

(melaninas).

Endosporas

Ciertas bacterias pueden producir en su interior estructuras de resistencia

especiales llamadas endosporas o esporas bacterianas. Las endosporas son

células diferenciadas (formadas dentro de una célula bacteriana)

extraordinariamente resistentes al calor y difíciles de destruir con productos

químicos incluso con aquellos extremadamente agresivos. Las endosporas

bacterianas son diferentes en su estructura y formación a las esporas

producidas por los hongos.

El descubrimiento de las endosporas fue trascendental para la

microbiología ya que el conocimiento de estas formas bacterianas de alta

resistencia al calor fue decisivo para el desarrollo de los métodos de

esterilización (eliminación total de los microorganismos). Las bacterias que

forman esporas se encuentran habitualmente en el suelo y se puede decir que

cualquier muestra de suelo seguramente contiene endosporas.

La estructura de la endospora es mucho más compleja que la de una

célula vegetativa porque posee varias capas. La capa más externa llamada

exosporium, es una cubierta fina y delicada de naturaleza proteica. Por debajo

se encuentra la cúticula formada por proteínas específicas. Por debajo de esta


se encuentra el cortex (corteza), que es una capa compuesta por

peptidoglicano con uniones laxas y hacia el interior del cortex está el núcleo

que contiene la pared celular, membrana celular, el citoplasma, nucleoide, etc.

Una de las sustancias químicas que es característica de las

endosporas y que no se encuentran en las células vegetativas es el ácido

dipicolínico que se localiza en el núcleo de la espora. Las esporas son ricas en

iones de calcio que en su mayoría se combinan con el ácido dipicolínico

formando complejos calcio-ácido dipicolínico (llamados dipicolinatos de calcio).

Los complejos de dipicolinato de calcio reducen la disponibilidad de agua

dentro de las endosporas, favoreciendo su deshidratación. Además, los

complejos se intercalan en el ADN, insertándose en las bases, y de esta

manera estabilizan el ADN frente a la desnaturalización por el calor.

El citoplasma de una endospora madura difiere mucho del de una

célula vegetativa de la cual se ha originado. La deshidratación incrementa

ampliamente la termoresistencia de la endospora y al mismo tiempo le confiere

resistencia a algunas sustancias químicas como el peróxido de hidrógeno

(agua oxigenada). Además, el citoplasma contiene gran cantidad de proteínas

pequeñas que se forman durante el proceso de esporulación (formación de la

espora) y que le otorgan a la espora resistencia al calor seco, radiación

ultravioleta y a la desecación. Sin embargo, otras de las funciones de estas

pequeñas proteínas es servir como fuente de C y energía para el desarrollo de

una célula a partir de la endospora, un proceso que se denomina germinación.

Para que ocurra la germinación de una endospora, primero debe ocurrir la

activación de la misma. La activación se acciona por calor y luego se produce

la germinación la cual implica una reactivación del metabolismo que rompe la

hibernación. Generalmente, un agente ambiental es el que actúa como

disparador de la germinación. Por ejemplo, temperaturas de 60-70°C durante

unos pocos minutos en presencia de nutrientes adecuados puede inducir la

germinación de la espora. La espora absorbe agua, se hincha y su cutícula se

rompe. La nueva célula vegetativa empuja hacia fuera de la cutícula y empieza

a dividirse.

No todas las bacterias tienen capacidad de formar endosporas. Los dos

géneros de bacterias más conocidos que producen esporas son: Bacillus y

Clostridium ambos Gram positivos y de amplia distribución en el suelo. Hasta la

actualidad no se ha encontrado ninguna arquea formadora de endosporas.


Los factores que intervienen en la formación de las endosporas son

complejos, pero se conoce que la falta de alimento es un factor clave para

iniciar el proceso de esporulación. El primer paso para la formación de una

endospora consiste en que la célula vegetativa madre gasta toda la energía en

dividirse y formar las capas externas. El citoplasma queda reducido a un gel de

proteínas con escasa cantidad de agua. Aunque son resistentes al calor y a la

radiación extremos, las endosporas pueden ser destruidas mediante estos

tratamientos. Así, la exposición al calor extremo por periodos largos de tiempo,

así como la exposición prolongada a la radiación, (rayos gamma por ejemplo),

matan a las endosporas.

Las endosporas son difíciles de observar al microscopio debido a la

impermeabilidad de su pared que evita la entrada de los colorantes empleados

en las tinciones ordinarias. Mientras que el resto de la bacteria puede teñirse, la

endospora permanece no coloreada. Debido a esto surgieron varias técnicas

de tinción para poder teñir selectivamente las endosporas.

Proceso de formación de las endosporas: Esporulación

Etapas de la esporulación

El proceso de esporulación en bacterias sigue una serie de etapas

(Figura 30):

1. Duplicación del material genético (ADN) y división celular asimétrica.

2. Formación del septo de la endospora (se va aislando el ADN recién

replicado junto a una pequeña porción de citoplasma).

3. Formación de la pre-espora (el septo de la endospora rodea la porción

aislada).

4. Síntesis del exosporio, formación de una capa de peptidoglicano entre las

membranas (cortex) y deshidratación.

5. Incorporación de calcio y producción de ácido dipicolínico.

6. La espora se recubre de una cubierta (cutícula).

7. Maduración de la endospora.

8. Lisis de la célula vegetativa y liberación de la endospora.


Fig. 30:Etapas de la esporulación en el género Bacillus

Durante el proceso de esporulación, la posición de la espora dentro de

la célula vegetativa varía según la especie de bacteria. En algunas, la

endospora es central y en otras es terminal (en los extremos). A veces la

espora tiene mayor diámetro que la célula madre por lo que se observa como

hinchada (Figura 31).

célula vegetativapared celular

membrana plasmática

ADN

Condensación del ADN

División celular asimétrica

Endospora en formación

Invaginación del septo

Formación de la pre-espora

Síntesis de exosporio; formación del cortex entre las

dos membranas

exosporio

cortexIncorporación de dipicolinatode calcio, deshidratación y

formación de cutícula

Maduración: desarrollo de resistencia al calor

Lisis de la célula y liberación de la endospora

cortex

endospora libre

exosporio

Condensación del

ADN

División celular

asimétrica

Formación del

septo

Formación de la

pre-espora

Síntesis de exosporio; formación

del cortex entre las dos

membranas

Incorporación de dipicolinato de

calcio, deshidratación y

formación de cutícula

Maduración: desarrollo de

resistencia al calor

Lisis de la célula y

liberación de la endóspora


Fig. 31: Posición de la endospora dentro de la célula bacteriana

El conocimiento de las características de las esporas es de gran

importancia práctica, puesto que muchas de las bacterias que forman esporas

causan enfermedades muy graves en el hombre y animales (tétano, botulismo,

etc.).

0Endospora

central

Endospora

subterminal

Endospora

terminal

Central

Subterminal

Terminal


UNIDAD II: METABOLISMO MICROBIANO

Se denomina “metabolismo” al conjunto de reacciones químicas que se

producen en las células para obtener energía y sintetizar los compuestos

vitales para los organismos.

Las sustancias nutritivas que las células toman del medio son

transformadas mediante una serie de reacciones enzimáticas consecutivas

llamadas vías metabólicas. Las vías metabólicas incluyen: a) la hidrólisis y

oxidación de sustancias nutritivas que se transforman en compuestos simples,

produciendo energía (catabolismo) y b) la utilización de sustancias simples y

energía, para sintetizar macromoléculas (ácidos nucleicos, proteínas, lípidos e

hidratos de carbono) que constituyen la estructura celular (anabolismo).

Los mecanismos de obtención de energía han ido evolucionando desde

el comienzo de la vida sobre el planeta. Toda liberación de energía implica una

reacción de óxido-reducción entre dos pares redox. La eficiencia metabólica

depende de dos aspectos claves: a) de la diferencia de potencial entre los

compuestos que se oxidan y los que se reducen y b) de la cantidad de

reacciones intermedias entre los pares redox. A mayor cantidad de reacciones

intermedias, la liberación de energía se hace más lenta y permite mayor

almacenamiento de energía química y menor pérdida de energía calórica.

Los hidratos de carbono (CH2O)n constituyen las sustancias nutritivas

más utilizadas por los organismos vivos para obtención de energía. Los

organismos superiores tienen el metabolismo más eficiente que se ha

desarrollado hasta el momento: la respiración aeróbica, que consiste en la

reacción de óxido-reducción entre los pares (CH2O)n-CO2 y O2-H2O, con una

serie de pasos intermedios (glucólisis, ciclo de Krebs y cadena respiratoria) que

permite almacenar gran cantidad de ATP.

Las primeras formas de vida en el planeta fueron microorganismos que

crecieron en ambientes con una atmósfera sin O2 y con elevada cantidad de

otros gases (NO2, H2S, SO y CO2) provenientes de las erupciones volcánicas

que originaron la corteza terrestre. Por tal motivo, los microorganismos poseen

además de la respiración aeróbica otros metabolismos con pares redox

diferentes (por ej., (CH2O)n-CO2 y H2S-SO4-2), con un salto de potencial menor.

Otros microorganismos poseen metabolismos con pocos pasos intermedios,


por lo que tienen escasa capacidad de almacenar energía (por ej. las

fermentaciones que sólo poseen glucólisis).

Para poder analizar los diferentes metabolismos microbianos se recurre

a una clasificación nutricional que consiste en agrupar los metabolismos según

3 características básicas:

Origen de la energía: luz solar (foto) o reacciones químicas (quimio).

Tipo de compuesto que provee el poder reductor: orgánico (órgano)

o inorgánico (lito).

Tipo de compuesto que provee el C para la biomasa celular:

orgánico (heterótrofo) o inorgánico, CO2 (autótrofo).

La combinación de estas tres características permite clasificar a los

organismos como: foto-órgano-heterótrofos, quimio-órgano-heterótrofos,

quimio-lito-autótrofos, etc. Así las plantas son organismos foto-lito-autótrofos

(FLA), es decir, obtienen energía de la luz solar, el poder reductor del agua

(lito) y la fuente de C celular del CO2. Contrariamente los animales son quimio-

órgano-heterótrofos (QOH), obtienen energía de reacciones químicas y el

poder reductor y el C celular de compuestos orgánicos, (CH2O)n. Los

microorganismos tienen numerosas variaciones metabólicas, combinando

estos tres aspectos, por ejemplo quimio-lito-autótrofos (QLA), foto-órgano-

heterótrofos (FOH), etc.

Metabolismos quimio órgano heterótrofos (QOH)

Los microorganismos QOH, obtienen la energía de reacciones químicas, y el

poder reductor y la fuente de carbono a partir de compuestos orgánicos, por

ejemplo la glucosa.

Dentro de los metabolismos QOH existe 4 tipos fundamentales

teniendo en cuenta cuál es el compuesto que establece el par redox con el par

(CH2O)n-CO2, es decir, el compuesto aceptor de los electrones liberados en la

oxidación. Todos estos metabolismos parten de la oxidación de una molécula

de hexosa. En general, las hexosas provienen de la hidrólisis externa de

macromoléculas de (CH2O)n mediante la acción de enzimas segregadas por los

microorganismos, que posteriormente absorben los monómeros. Los 4 tipos

metabólicos QOH fundamentales son:


Respiración aeróbica cuando el aceptor de e- es el O2.

Fermentación cuando el aceptor de e- es un compuesto orgánico (ácidos

orgánicos, alcoholes, etc.).

Respiración anaeróbica: cuando el aceptor de e- es un compuesto

inorgánico diferente al O2.

Oxidación incompleta: cuando los aceptores de e- son compuestos

orgánicos.

Respiración aeróbica

La respiración metabólica se define como la oxidación completa de una

molécula orgánica a CO2 y H2O, con la consecuente formación de energía

química en forma de ATP. En el caso en que el sustrato oxidable sea la

glucosa, la respiración consiste en la oxidación de una glucosa a través de la

vía de la glucólisis, originando dos piruvatos (3 átomos de C cada uno). Estos

piruvatos sufren decarboxilación oxidativa y forman 2 acetil-CoA (2 átomos de

C) que se unen al oxalacetato y a través de una serie de reacciones del ciclo

de Krebs, se oxidan completamente dando como resultado 2 CO2 , coenzimas

reducidas (NADH y FADH2) y GTP . Las coenzimas reducidas que se liberan

en los diferentes procesos oxidativos, van a cadena respiratoria donde se

reoxidan, dando lugar a la formación de ATP.

Vías oxidativas de las hexosas

Glucólisis: Es la vía metabólica por la cual la glucosa se oxida a compuestos

de menor número de C, originando la formación de 2 moléculas de piruvato (3

C), dando lugar a la formación de 2 NADH y 2 ATP. Esta vía metabólica ocurre

cuando la carga energética celular es baja (Fig. 1).

Fig. 1: Vía de la Glucólisis

Glucosa G6P F6P FDP

ATP ATP

2 G3P 2 DPG 2 PG 2 PEP 2 Piruvato

2 ATP2 ATP2 NADH


Vía de las pentosas fosfato A(PP)

La vía de las pentosas fosfato presenta 2 fases, la fase oxidativa donde la

glucosa-6-fosfato se oxida formando fosfogluconato que por decarboxilación

oxidativa origina una ribulosa-5-fosfato (Ru-5-P), en ambos pasos ocurre la

formación de NADPH. A continuación ocurre la fase no oxidativa que consiste

en reacciones de interconversiones entre moléculas de 3, 4, 5, 6 y 7 átomos de

C, generando intermediarios utilizados para procesos de biosíntesis, tales

como la Ribosa5P y la Eritrosa4P. Los productos finales de la vía de las

pentosas se conectan finalmente a la glucólisis. (Fig. 2)

Fig. 2: Vía de las Pentosas Fosfato

Vía Entner-Doudoroff:

Esta vía metabólica es de importancia principalmente en los géneros

Zymomonas (bacterias fermentadoras de alcoholes) y Pseudomonas. La

glucosa-6-fosfato sufre en primer lugar una oxidación, similar a la vía PP, y se

convierte en 6-fosfogluconato. Posteriormente pierde una molécula de agua y

forma 2-ceto-3-desoxi-6-fosfogluconato, que se divide y origina piruvato y

gliceraldehido3P (G3P), el G3P continúa su metabolismo por la vía de la

glucólisis (Fig. 3).

Glucosa-6P

Fosfogluconato

Ribulosa-5P

Sedoheptulosa-7P Gliceraldehido-3P

Eritrosa-4P Fructosa-6P

Fructosa-6PGliceraldehido-3P

Ribulosa-5P Xilulosa-5P

Xilulosa-5P

Fase Oxidativa

Fase No Oxidativa

NADP+

NADP+ NADPH

NADPH


Fig. 3: Vía de Entner Doudoroff

La producción de ATP, NADH y NADPH es muy diferente entre las 3

vías de degradación. Por cada mol de glucosa oxidado hasta piruvato se

forman: a) 2 moles de ATP y 2 moles de NADH por la glucólisis; b) 2 mol de

NADPH y ningún ATP por la vía PP y c) 1 mol de ATP, 1 mol de NADH y 1

mol de NADPH por la vía Entner-Doudoroff.

Ciclo de Krebs o de los ácidos tricarboxílicos

Llamado así porque se ciclan compuestos de 4C con 3 radicales ácidos cada

uno. En su función catabólica estos ácidos se combinan con el ácido acético

activado (acetil-CoA) originado por decarboxilación del piruvato. El acetil-CoA

se oxida completamente a CO2, con la generación de poder reductor (NADH y

FADH2), este poder reductor va a ser transferido a cadena respiratoria para la

generación de ATP. La oxidación de un mol de acetil-CoA da lugar a 2 CO2, 3

NADH, 1 FADH2 y 1 GTP (Fig. 4)

G6P

Fosfogluconato

NADPH

H2O

2 ceto 3 desoxi 6 gluconato

Piruvato G3P

Piruvato

Glucólisis

NADH

ATP

ATP

Glucosa

ATP


Fig. 4: Ciclo de Krebs, función catabólica

En su función anabólica el Ciclo de Krebs se alimenta por medio de

una vía anaplerótica, la que consiste en la síntesis de algún intermediario del

ciclo con la finalidad de poder utilizar alguno de los intermediarios del mismo

como precursores de procesos anabólicos para la síntesis de esqueletos

carbonados (Fig. 5).

Fig. 5: Ciclo de Krebs, función anabólica

Piruvato

AcetilCoA

NADHCO2

CoA

OAACitrato

Isocitrato

α-cetoglutarato

NADH

CO2

Succinil-CoA

NADH

CO2

Succinato

GTP

Fumarato

FADH2

Malato

NADH

Piruvato

Oxalacetato AcetilCoA

NADH

NAD+

CO2

CO2

ATP

ADP

Citrato

Isocitrato

α-cetoglutarato

CO2

NAD+

NADH

Glutamato

NADPH

Función anabólica de Ciclo de Krebs

NH4+


Cadena respiratoria

La cadena transportadora de e- o cadena respiratoria (CR), tiene la función de

reoxidar las coenzimas reducidas generadas en los distintos metabolismos,

dando lugar a la formación de energía en forma de ATP. La CR está

constituida por una serie de transportadores de e-, dentro de los cuales se

encuentran algunos de naturaleza proteica (NADH deshidrogenasa,

Citocromo reductasa, Citocromo c y Citocromo oxidasa) y uno no proteico,

una quinona (ubiquinona) que es altamente hidrofóbica y conjuntamente con

el citocromo c actúan como transportadores móviles de electrones (Fig. 6).

Los electrones del NADH son cedidos a la NADH

deshidrogenasa y se mueven a favor de un gradiente de óxido-reducción a

través de los diferentes transportadores hasta el aceptor final de e- que es el

oxígeno, el que se reduce para formar H2O. De la misma manera se comporta

el FADH2 quien cede los e- a nivel de la ubiquinona. Esta secuencia permite

que una parte considerable de la energía se convierta en ATP (energía

utilizable bioquímicamente) y sólo se pierda una cantidad mínima en forma de

calor.

Fig. 6: Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa

Conjuntamente con ese transporte de e- se produce un bombeo de H+

a través de los transportadores fijos de la CR (NADH deshidrogenasa,

citocromo reductasa y citocromo oxidasa), dando lugar a la generación de un

gradiente de H+ a través de la membrana (fuerza protomotriz).

NADH

deshidrogenasa

Succinato

deshidrogenasaUbiquinona

Citocromo

reductasaCitocromo c

Citocromo

oxidasaATP sintasa


La fuerza protomotriz al disiparse a través de la única parte permeable

de la membrana que es la subunidad F0 (canal de protones) de la ATP sintasa

permite la fosforilación del ADP dando lugar a la síntesis de ATP, proceso que

se conoce como fosforilación oxidativa.

La oxidación completa en condiciones aeróbicas de un mol de glucosa

degradada por la vía de la glucólisis genera 38 ATP.

Balance energético de la oxidación de un mol de glucosa

Fermentación

La fermentación es un proceso catabólico que se da en ausencia de oxígeno

(anaerobiosis) y el producto final es un compuesto orgánico. Estos productos

finales son los que caracterizan los distintos tipos de fermentaciones. La

fermentación es un proceso de óxido-reducción, equilibrado internamente

donde el sustrato fermentable se oxida y reduce a la vez.

En la fermentación la síntesis de ATP se realiza mediante la

fosforilación a nivel de sustrato, en donde los enlaces fosfato ricos en energía

de un intermediario orgánico fosforilado se trasfieren directamente al ADP para

sintetizar ATP. El primer paso de toda fermentación es la glucólisis, en donde la

glucosa es oxidada hasta formar 2 piruvatos.

En condiciones anaeróbicas, el NADH producido por la glucólisis es

transferido a productos intermedios o a aceptores especialmente sintetizados

para regenerar el NAD+. Estos compuestos orgánicos reducidos son

segregados por las células y constituyen el producto de la fermentación. El tipo

de producto de secreción predominante define el nombre de las

Glucosa 2 Piruvato 2 NADH 2 ATP

2 Piruvato 2 AcetilCoA 2 NADH 2 CO2

2 AcetilCoA Ciclo de Krebs6 NADH

2 FADH2

2 ATP 4 CO2

CR y fosforilación oxidativa10 NADH

2 FADH2

30 ATP

4 ATP

38 ATP


fermentaciones: a) alcohólica (etílica), b) láctica, c) propiónica, d) ácido mixta,

d) butírica, e) acética, etc.

Fermentación alcohólica

La fermentación alcohólica es una de las más comunes entre los

microorganismos y consiste en la fermentación de azúcares simples

produciendo etanol, CO2 y ATP (que es consumido por los mismos

microorganismos en su metabolismo). Luego de la glucólisis, la transformación

del piruvato a etanol abarca dos procesos: a) la decarboxilación del piruvato

dando acetaldehído y CO2, y b) la reducción del acetaldehído, que acepta los e-

del NADH producidos en la glucólisis, y se transforma en etanol. El balance

energético es sólo de 2 ATP generados durante la glucólisis (Fig. 7).

Fig. 7: Fermentación alcohólica

Los principales productores del etanol son las levaduras (hongos

ascomycotas unicelulares) y algunas bacterias.

Fermentación alcohólica por levaduras

Las levaduras, como la mayoría de los hongos, son organismos de

respiración aeróbica pero que en ausencia de O2 presentan fermentación

alcohólica (por la vía de la glucólisis). Debido a que la fermentación es un

proceso de escaso rendimiento energético, las levaduras en condiciones

anaeróbicas tienen una alta tasa de fermentación pero casi no se reproducen.

Contrariamente, en condiciones aeróbicas la fermentación disminuye hasta

reprimirse totalmente y aumenta la respiración aeróbica con alta tasa de

reproducción celular. La fermentación en las levaduras constituye un

mecanismo de sobrevivencia en condiciones anaeróbicas.

Glucosa 2 Piruvato

2 Acetaldehido2 Etanol

CO22 NAD+ 2 NADH


La inhibición de la fermentación por la presencia de O2 se denomina

“efecto Pasteur”, porque fue descubierto empíricamente por Luis Pasteur al

trabajar con cultivos de levaduras para producir vino. Este efecto tiene

enorme implicación práctica debido a que el hombre utiliza levaduras desde

tiempos históricos para la producción de alimentos y bebidas. Entre los

principales procesos industriales en que participan las levaduras se pueden

encontrar: panificación, producción de cerveza, producción de vino y de otras

bebidas alcohólicas como ser la aloja (chauchas de algarrobo), chicha (maíz),

vodka (papa) y el ron (bagazo de la caña de azúcar).

Fermentación alcohólica por bacterias

En general, las bacterias con fermentación alcohólica utilizan la vía Entner-

Doudoroff para el metabolismo de la glucosa (a diferencia de lo que vimos

anteriormente que las levaduras lo hacen por la vía de la glucólisis).

Fermentación láctica

La fermentación láctica consiste en la producción de ácido láctico por

reducción del piruvato que acepta los e- del NADH generado en la glucólisis

(Fig. 8).

Fig. 8: Fermentación Láctica

Los microorganismos que tienen fermentación láctica son bacterias de

la familia lactobaciláceas. Si bien morfológicamente el grupo no es

homogéneo (presenta bacilos largos, cortos y cocos), todas las especies son

Gram positivas, no forman esporas, son inmóviles y anaeróbicas (o

microaerófilas).

Glucosa

Piruvato

Lactato

2 NADH2 NAD+


Hay dos vías metabólicas dentro de la fermentación láctica: a) la

homofermentativa que produce un único producto fermentativo, el ácido

láctico o lactato (Fig. 9) y b) la heterofermentativa donde además de láctico se

produce etanol, CO2 y en algunos casos acético (Fig. 10).

Las bacterias lácticas homofermentativas degradan la glucosa por la

vía de la glucólisis dando lugar a la formación de 2 lactatos, con la síntesis de

2 ATP.

Mientras que las bacterias lácticas heterofermentativas no tienen

capacidad de descomponer la fructosa1-6 difosfato (FDP) en triosas-P y

oxidan la glucosa por la vía de las pentosas fosfato, generando una pentosa

fosfato (xilulosa5P), que se convierte en G3P y acetil fosfato. El G3P se

convierte en lactato con la producción de ATP y el acetil fosfato se reduce

originando etanol sin producción de ATP. Además, cuando las

heterofermentativas decarboxilan el 6-fosfogluconato para formar ribulosa5P

dan lugar a la formación de CO2 (lo que constituye un método sencillo para

detectar una heterofermentativa en cultivos de laboratorio).

Fig. 9: Fermentación Láctica homofermentativa

Glucosa 2 Piruvato

2 NAD+2 NADH2 ADP 2 ATP

2 Lactato

2 NADH 2 NAD+

Ganancia neta: 2 lactatos y 2 ATP por glucosa

fermentada


Fig. 10: Fermentación Láctica heterofermentativa

Las lactobacterias poseen altas exigencias nutritivas en cuanto a

vitaminas y otros factores de crecimiento, por lo tanto en la naturaleza nunca

se las encuentra en el suelo o el agua. Están presentes en sustratos

altamente nutritivos como: a) leche, b) intestino y mucosas animales, c)

superficie de las hojas verdes por la presencia de exudados, y d) en hojas en

descomposición.

Las bacterias lácticas producen gran cantidad de ácido láctico y

poseen alta tolerancia a la acidez. Esta particularidad hace que desde

tiempos antiguos la fermentación láctica haya sido utilizada por el hombre

como proceso para la conservación de alimentos, como leche, vegetales y

forrajes, debido a que la acidez impide el desarrollo de otros organismos

degradadores.

Glucosa

G6P

ADP

ATP

Ribulosa5P

Fase oxidativa de las PP

CO2

2 NADP+

2 NADPH

Xilulosa5P

G3P Acetil P

NADH

NAD+

ATP

ADP

Piruvato

NADH

NAD+

Lactato

NADH

NAD+

Acetaldehido

NADH

NAD+

Etanol

Ganancia

neta: 1 ATP, 1 lactato,

1 etanol, 1 CO2 y 2

NADPH por molécula

de glucosa fermentada


Fermentación propiónica

La fermentación propiónica consiste en la producción de ácido propiónico o

propionato a partir del piruvato. La reducción del piruvato se lleva a cabo por un

camino poco común. El piruvato es carboxilado hasta oxalacetato que acepta

los e- del NADH producidos en la glucólisis y se reduce a succinato, que es

decarboxilado generando propionato (Fig. 11).

Fig. 11: Fermentación Propiónica

A las bacterias que poseen fermentación propiónica se las agrupa

dentro de la familia de las propionibacterias. Son Gram positivas, no poseen

esporas y son anaeróbicas, aunque pueden soportar bajas presiones de O2.

Las propionibacterias viven en el rumen de los rumiantes (vacas, ovejas, etc.) y

participan en la formación de los llamados ácidos grasos volátiles (AGV).

También pueden encontrarse en la leche, el suelo y el agua.

Fermentación ácido mixta

Se llama fermentación ácido mixta al proceso metabólico que incluye la

producción de diferentes ácidos con la formación de un compuesto metabólico

intermediario: el ácido fórmico. Por tal motivo también se la conoce como

fermentación fórmica, aunque este ácido no sea el producto final (Fig. 12).

La reducción del piruvato comienza con una hidrólisis originando ácido

fórmico y acetato. El ácido fórmico se hidroliza en CO2 y H2 y el acetil-CoA se

reduce utilizando el NADH generado en la glucólisis y pasa a etanol. Otra vía

alternativa que la realiza el género Aerobacter consiste en que además de

ácido fórmico como producto intermediario, se forma acetoína por la unión de 2


moles de piruvato y una doble decarboxilación. La acetoína (4 C) se reduce

aceptando los e- del NADH y forma butirato o butilenglicol. Durante esta vía

alternativa se produce gran cantidad de CO2, (lo que justifica el nombre de la

bacteria: Aerobacter aerogenes), debido a la hidrólisis del ácido fórmico y a la

doble decarboxilación después de la unión de los 2 piruvatos.

Fig. 12: Fermentación ácido-mixta

A las bacterias que poseen fermentación ácido mixta se las reúne en la

familia de las enterobacterias debido a que las especies más representativas

viven en el tracto intestinal (enterón) de los animales de sangre caliente. Son

bacterias Gram negativas, con forma de bacilo, móviles por flagelación perítrica

y sin esporas. Las enterobacterias son aeróbicas facultativas, es decir, pueden

obtener energía tanto por respiración aeróbica como por fermentación.

Géneros y especies de importancia dentro de la familia de las

Enterobacterias son:

- Erwinia: incluye especies patógenas de vegetales que producen

podredumbre blanca en tallos, hojas y raíces.

- Klebsiella pneumoniae: responsable de infecciones del aparato -

respiratorio (neumonía).

- Salmonella typhimurium: causante de gastroenteritis.

- Salmonella typhi: agente del tifus.

- Shigella dysenteriae: causante de la disentería.

- Escherichia coli: indicadora de contaminación fecal. E. coli O157:H7 es

causante del Síndrome Urémico Hemolítico (SUH).

Glucosa Piruvato

2 ATP

2 NADH

Acetoina Butanodiol

CO2NADH

AcetilCoA

Ácido

Fórmico

CO2H2Acetato Etanol

NADH

ATP

(Aerobacter)


Fermentación butírica

La fermentación butírica consiste en la producción de cantidades variables de

ácidos (butírico, acético y láctico), de alcoholes (butanol, etanol e isopropanol)

y gases (H2 y CO2). En general, las vías metabólicas son muy semejantes a la

fermentación ácido mixta, excepto en que: a) se produce CO2 y H2 sin formar

ácido fórmico como compuesto metabólico intermediario y b) se forma ácido

butírico por condensación de 2 acetil-CoA y no de 2 piruvatos (Fig. 13).

Fig. 13: Fermentación Butírica

Las bacterias con fermentación butírica se engloban dentro del género

Clostridium. Son bacterias con forma de bacilo, Gram positivas, esporuladas y

móviles por flagelación perítrica. Son estrictamente anaeróbicas, ya que el O2

tiene un efecto tóxico: como no poseen cadena respiratoria, en presencia de O2

los H+ del NADH son aceptados directamente por el O2 formando peróxido de

H (H2O2) cuya acumulación provoca la muerte celular. Crecen a temperaturas

cercanas a 37 °C y a un pH entre 7 y 7,4. Fisiológicamente, los clostridios se

diferencian de otras bacterias en que no sólo pueden utilizar azúcares simples,

sino que también hidrolizan compuestos polimerizados como almidón,

Glucosa

Piruvato

ATP

NADH

AcetilCoA

NADH

CO2

Acetato

Acetaldehido

Etanol

2 H+

2 H+

H2

ATPADP

AcetoacetilCoAAcetoacetato

Acetona

CO2

Isopropanol

2 H+ButirilCoA

2 H+

2 H+

ATPADP

Butirato

2 H+

2 H+

Butanol


proteínas, etc. Por ese motivo suelen agruparse en clostridios sacarolíticos,

proteolíticos, amilolíticos, etc. La degradación de proteínas animales en

ambiente anaeróbico produce mercaptanos responsables del olor a “huevo

podrido” por actividad de los clostridios.

Muchas especies de clostridios provocan serias enfermedades en

animales y en el hombre porque sintetizan toxinas letales. Debido a que estas

bacterias viven en el suelo y que son estrictamente anaeróbicas, estas

enfermedades prosperan cuando se conjugan condiciones muy particulares.

Las clostridiosis se clasifican en 3 grandes grupos:

- Gangrena gaseosa

- Enterotoxemias

- Enfermedades neurotópicas

Gangrena gaseosa:

Carbunclo sintomático producido por Clostridium chauvoei, es una bacteria

Gram positiva y sus esporas pueden permanecer vivas durante años en las

pasturas. El animal al alimentarse ingiere los clostridios que llegan al intestino y

al hígado, diseminándose rápidamente por sangre al tejido muscular, donde

produce lesiones traumáticas, con una deficiente circulación de sangre (falta de

oxígeno), lo que produce una rápida multiplicación de C. chauvoei, produciendo

la lesión característica.

Edema maligno producido por Clostridium septicum, la puerta de

entrada de la bacterias son diferentes tipos de heridas (descole, castración,

inyecciones de productos veterinarios, etc.), en esos lugares se crea una

condición de anaerobiosis permitiendo la multiplicación bacteriana y liberación

de las toxinas.

Enterotoxemias:

Riñón pulposo en ovinos, causada por C. perfringes (tipos A, B, C, D,

y E), el tipo D está presente en baja cantidad en el intestino de animales

sanos.

Cuando se generan determinados cambios en el intestino la bacteria

prolifera en grandes cantidades produciendo elevados niveles de toxinas, que

terminan generando la enfermedad.


Hepatitis necrótica infecciosa, producida por C. novyi, las bacterias se

encuentran en el suelo y en el tubo digestivo de los animales, van a hígado

donde permanecen latentes durante largos periodos de tiempo. La muerte de

los animales se produce por la proliferación de las bacterias en el hígado, para

que esta proliferación ocurra es necesario que el hígado este afectado

previamente, por eso esta enfermedad es común en zonas donde prolifera

Fasciola hepática (parásito) o donde abundan plantas tóxicas que producen

lesiones hepáticas.

Enfermedades neurotópicas:

Tétanos, producidos por toxinas de C. tetani, la espora es introducida a

través de heridas, cuando se cierra la herida se crea una condición de

anaerobiosis que produce la proliferación bacteriana y generación de toxinas

que son transportadas al sistema nervioso central.

Botulismo, producida por C. botulinum, bacilo Gram positivo,

esporulado y anaerobio estricto. En condiciones ambientales favorables

(humedad, temperatura, pH y concentración de sales) se produce la toxina,

esta toxina es relativamente estable y altamente letal. En bovinos la infección

se produce por ingestión de huesos, pastos o suplementos contaminados por la

toxina.

Respiración anaeróbica

La respiración anaeróbica consiste en un metabolismo con todas las vías

semejantes a la respiración aeróbica (glucólisis, ciclo de Krebs y cadena

respiratoria) pero que se desarrolla en ambientes sin O2. Por tal motivo, al final

de la cadena respiratoria los aceptores de e- son compuestos inorgánicos con

O combinado (SO4-2 y NO3

-) que se reducen cuando aceptan los e- del NADH.

Este metabolismo constituye un gran avance evolutivo respecto a la

fermentación, debido a la alta eficiencia en la obtención de energía en

ambientes anaeróbicos. La cantidad de ATP generados depende del

compuesto aceptor pero varía entre 15 y 34. Los productos de la respiración

anaeróbica son: CO2 y N2, NO2- o H2S, según el aceptor.

Respiración anaeróbica con aceptor NO3- (denitrificación)

La energía que se obtiene utilizando NO3- como aceptor de e- es tan sólo un

10% inferior a la que se obtendría utilizando O2. Las bacterias que tienen


respiración anaeróbica con aceptor NO3-, son anaeróbicas facultativas, que

sólo utilizan NO3- o NO2

- cuando no hay O2, produciendo N2 y óxidos de N

(N2O, NO, etc.). Como todos estos productos de la reducción del nitrato son

gaseosos, se pueden perder con facilidad al ambiente, a través de un proceso

conocido como denitrificación. Estas bacterias son muy comunes en suelos

anegados, donde existe alta cantidad de restos orgánicos en descomposición,

abundancia de NO3- y escasez de O2. Las bacterias denitrificantes también se

encuentran en ambientes pantanosos, cultivos de arroz y aguas servidas con

las mismas características. Los géneros más comunes de bacterias

denitrificantes son: Pseudomonas (bacilos Gram negativos con flagelación

polar) y Bacillus (bacilos Gram positivos, esporulados y con flagelación

perítrica).

La volatilización del N por reducción de NO3- es un proceso muy útil en

la naturaleza porque permite el retorno de N a la atmósfera, cerrando el ciclo

del N. En la actualidad, el hombre ha modificado en gran medida el ciclo del N,

especialmente por la incorporación de grandes cantidades de fertilizantes en

los cultivos. Por tal motivo, el proceso de denitrificación no debe analizarse sólo

como pérdidas de N sino también como un mecanismo de descontaminación

de suelos y agua. El proceso de denitrificación es beneficioso para el

tratamiento de aguas residuales, porque convierte el NO3- en N2 y se disminuye

de esta manera la carga de nitrógeno en los vertidos de las aguas residuales

tratadas, que de otra forma estimularían el desarrollo de algas.

Respiración anaeróbica con aceptor SO4-2 (desulfatación)

La eficiencia energética de la respiración anaeróbica con aceptor SO4-2 es

menor que la del aceptor NO3- debido al menor salto de potencial redox. Los

microorganismos que poseen este tipo de metabolismo constituyen un grupo

muy reducido de bacterias anaeróbicas estrictas que producen H2S en

ambientes ricos en materia orgánica en descomposición y permanentemente

inundados como son los sedimentos de lagos y pantanos. Los géneros más

comunes de bacterias desulfatizantes son: Desulfovibrio (de forma espiralada)

y Desulfotomaculum (bacilo Gram positivo, esporulado y flagelado).

Oxidaciones incompletas (función anabólica del Ciclo de Krebs)

La oxidación incompleta es el proceso metabólico que presenta diferentes

aceptores de e-. Los aceptores de e- son diferentes compuestos orgánicos,


muchos de ellos intermediarios de Ciclo de Krebs. Por lo tanto, los productos

de este metabolismo son ácidos orgánicos (oxalacetato, fumarato, malato,

lactato, acetato, citrato, etc.) y CO2.

La oxidación incompleta es un metabolismo adaptado a las condiciones

nutritivas del medio. Generalmente, los microorganismos con capacidad de

realizar respiración incompleta, poseen respiración aeróbica completa pero

que, frente a una alta disponibilidad de alimentos, especialmente (CH2O)n,

aumentan la velocidad de degradación y eliminan el excedente desde el ciclo

Krebs. Debido a esto, algunos autores lo llaman “metabolismo de superávit” y

lo consideran un mecanismo de reserva para cuando haya escasez de

nutrientes en el medio. Además, muchos de los ácidos producidos son

derivados a vías anabólicas para formar material celular debido a la alta tasa

de crecimiento microbiano cuando las condiciones nutritivas son óptimas. El

caso típico de esta adaptación metabólica lo constituyen los hongos del suelo,

que cuando caen restos vegetales de manera concentrada (por ej. una cosecha

o las hojas de los árboles en otoño), producen gran cantidad de ácidos

orgánicos que pasan al suelo y son utilizados por otros microorganismos.

La oxidación incompleta es un metabolismo muy utilizado en la

industria para la fabricación de ácidos orgánicos. Esto se fundamenta en que el

proceso industrial es más simple en comparación a la fermentación, que

requiere condiciones de anaerobiosis. Mediante el manejo de las variables

ambientales (cantidad de (CH2O)n, pH, temperatura, etc.) se pueden obtener

industrialmente los diferentes ácidos.

Generalmente, en la industria se utilizan diferentes especies de hongos

pertenecientes a los Mucorales, Zigomicetes y Ficomycetes (géneros Rhizopus

spp, Mucor, Aspergillus, etc). Sin embargo, para la producción de ácido acético

para vinagre comercial se utilizan Acetobacterias (Acetomonas y Acetobacter),

que son bacilos Gram positivos flagelados. Estas bacterias oxidan el alcohol

producido en anaerobiosis por las levaduras y lo transforman en ácido acético

cuando las condiciones son aeróbicas. El proceso industrial consiste en utilizar

un medio con alto contenido de alcohol (generalmente vino) y someterlo a una

fuerte aireación, provocando un metabolismo de superávit que elimina el ácido

acético antes de entrar al ciclo de Krebs.


Metabolismos quimio lito autótrofos (QLA)

Los microorganismos QLA, obtienen la energía de reacciones químicas, y el

poder reductor y la fuente de carbono a partir de compuestos inorgánicos.

El metabolismo QLA también es conocido con el nombre de

oxidaciones inorgánicas, debido a que la energía se obtiene por oxidación de

un compuesto inorgánico. Las vías metabólicas consisten en la liberación de H+

de diferentes compuestos inorgánicos (NH4+, H2S, H2, Fe+2, etc.), que son

transportados por el NADH hasta la cadena respiratoria, formando ATP. Los

aceptores de e- son: en aerobiosis el O2 produciendo H2O y en anaerobiosis el

NO3- y el CO2, produciendo N2 y metano (CH4), respectivamente.

Los organismos que poseen metabolismo QLA aeróbico son de mucha

importancia en los ecosistemas y particularmente en los agroecosistemas

debido a que muchos de sus productos constituyen la base de la nutrición

vegetal (NO3- y SO4

-2).

Todos los organismos QLA utilizan el CO2 como fuente de C para la

síntesis celular. La vía metabólica utilizada para la reducción del CO2 es la

misma de las plantas, es decir el ciclo de Calvin-Bassham.

Oxidación del NH4+ y NO2

- (nitrificación)

La oxidación del NH4+ y el NO2

- produce NO3- por lo que se denomina

nitrificación. Generalmente son dos reacciones en cadena realizadas por

bacterias diferentes (nitrificantes o nitrificadoras) en estrictas condiciones de

aerobiosis (Fig. 14)

Nitrosomonas:

Nitrobacter:

Fig. 14: Proceso de Nitrificación.

NH4+ O2+ NO2

- H2O+

NO2- O2+ NO3

- H2O+


Las bacterias nitrificadoras pertenecen a la familia de las

Nitrobacterias, son Gram positivas y crecen muy lentamente debido a la escasa

eficiencia metabólica en la obtención de energía (reducido salto de potencial

entre los pares redox y escasos pasos metabólicos intermedios).

Los organismos nitrificadores al realizar el paso de un catión a un anión

acidifican el suelo, lo cual incrementa la solubilidad de otros nutrientes

inorgánicos (K, Mg, Ca y P).

Oxidación del H2S (sulfatación)

La oxidación del S reducido (H2S, S0 o tiosulfato), se conoce como sulfatación

porque produce SO4-2 (Fig. 15). Las bacterias que realizan oxidación del S son

conocidas como tiobacterias (tio=S), y son Gram negativas, de flagelación

polar. El género más conocido es Thiobacillus, que oxida diversos compuestos

de S produciendo SO4-2. Otras bacterias sulfatadoras son las “incoloras y

filamentosas del S” de los géneros Beggiatoa y Thiothrix. Estas bacterias

oxidan el H2S sólo hasta S0 que se deposita en las células como partículas de

reserva. Similarmente a la nitrobacterias, la producción de SO4-2 acidifica el

suelo favoreciendo la solubilidad de los nutrientes para las plantas y el lavado

de sales calcáreas.

Fig. 15: Proceso de sulfatación

A diferencia de la nitrificación, la oxidación del S puede realizarse en

condiciones aeróbicas o anaeróbicas. Por ej., T. dentrificans puede vivir en

anaerobiosis, siempre que exista NO3- en el medio que es utilizado como

aceptor de e- de manera similar a la respiración anaeróbica (Fig. 16).

a)

b)

Fig. 16: Sulfatación en condiciones aeróbicas (a) y anaeróbicas (b)

H2S So S2O3 SO4-2

H2S O2+ SO4

-2 H2O+

H2S NO3+ SO4

-2 N2+


Esta alternativa metabólica generalmente crea confusión en el

entendimiento de los procesos microbianos, debido a que un mismo

metabolismo (QLA) puede producir NO3- (nitrificación) y consumir NO3

-

(denitrifricación) según las condiciones ambientales. En los ecosistemas, los

procesos no deben sólo analizarse desde un punto de vista químico

estequiométrico debido a que los organismos vivos están influenciados por

factores adaptativos y de costo-beneficio.

Oxidación del H2

El H2 producido en numerosos procesos fermentativos en ambientes

anaeróbicos, puede ser oxidado por las bacterias QLA hasta H2O en

condiciones aeróbicas o hasta metano (CH4) en anaerobiosis, utilizando al CO2

como aceptor de e- (Fig. 17). Las bacterias oxidadoras de H2 pertenecen a los

géneros Hidrogenomonas (aeróbicas) y Metanomonas (anaeróbicas).

a)

b)

Fig. 17: Oxidación del H2 en condiciones aeróbicas (a) y anaeróbicas (b)

En la actualidad, las bacterias del CH4 son utilizadas para la producción

de biogás, que consiste en la fermentación de desechos orgánicos (industriales

o agrícolas) en estrictas condiciones de anaerobiosis para que el H2 y el CO2

producidos sean transformados en CH4.

En algunas Hidrogenomonas existe una alternativa metabólica que

consiste en la obtención del C celular a partir de compuestos orgánicos simples

y no a partir del CO2. Estas bacterias se las considera que poseen metabolismo

quimio lito heterótrofas (QLH).

H2 O2+ H2O

H2 CO2+ CH4


Metabolismos foto lito autótrofos (FLA)

Este metabolismo llamado comúnmente fotosíntesis, consiste en que los

organismos obtienen energía a partir de la luz, el poder reductor de un

compuesto inorgánico y el C celular del CO2.

Existen dos vías metabólicas muy diferentes dentro de la fotosíntesis

de los microorganismos dependiendo de: a) cuál es el compuesto inorgánico

que da el poder reductor y b) la cantidad de pasos metabólicos intermedios

para el almacenamiento de energía. Debido a que en una de ellas no se

produce O2 y en la otra sí, se las denomina: fotosíntesis cíclica o anoxigénica y

acíclica u oxigénica, respectivamente.

Fotosíntesis cíclica o anoxigénica

Es uno de los primeros mecanismos de obtención de energía desarrollado por

la vida en el planeta. Consiste en la utilización de la energía solar, mediante la

captación en un compuesto sensible a la luz (pigmento) y un sistema proteico

muy simple para transformarla en energía química. Como es un sistema poco

eficiente produce 1 ATP, y no produce NADPH, por lo que el H para la síntesis

de C celular, lo obtienen por oxidación de compuestos inorgánicos de S (H2S y

S0) (Fig. 18). La síntesis de C celular se lleva a cabo por reducción del CO2

mediante el ciclo de Calvin. La fotosíntesis cíclica sólo produce un salto de e-

por activación del pigmento, ese e- una vez que trasladó la energía al ATP,

vuelve desactivado al pigmento cerrando el ciclo.

Los compuestos de S eran muy abundantes durante el desarrollo de la

corteza terrestre a causa de que la atmósfera era rica en gases de origen

volcánico y no tenía O2. En la actualidad este tipo de fotosíntesis se sigue

produciendo en ambientes con alto contenido de H2S, originado por la

descomposición de restos orgánicos en condiciones anaeróbicas como son los

pantanos y fondos de lagos.

La fotosíntesis cíclica la realizan arqueas fotótrofas que son Gram

negativas y móviles por flagelación polar. Se diferencian dos familias

dependiendo del tipo de pigmento que poseen: las Tiorrodáceas o bacterias

púrpuras del S (poseen carotenos) y las Clorobiáceas o verdes del S (poseen


bacterioclorofila).

Fig. 18: Fotosíntesis cíclica u anoxigénica

Dentro de las tiorrodáceas se encuentran bacterias de gran tamaño

como Chromatium okenii (5 μm de ancho y 20 μm de largo) y Thiospirillum

jenense (3.5 μm de ancho y 50 μm de largo) que se caracterizan por depositar

el S0 producido como gránulos de reserva en su citoplasma. En las bacterias,

los pigmentos fotosintéticos se hallan ligados a las membranas

intracitoplasmáticas que surgen como invaginaciones vesiculares o

tubuliformes de la membrana citoplasmática.

Fotosíntesis acíclica u oxigénica

Esta vía fotosintética también es conocida como “sistema II” o fotosíntesis

acíclica porque la luz del sol activa dos núcleos de pigmentos produciendo dos

saltos de potencial redox que generan 2 ATP y 1 NADPH. Los e- necesarios

para la síntesis de NADPH provienen de la fotólisis del agua (hidrolisis del agua

estimulada por la luz) proceso que además libera los H+ (utilizados para la

síntesis de ATP) y el O2 (Fig 19).

Los microorganismos que realizan fotosíntesis acíclica son: a) las

cianobacterias (procariotas) y b) las algas (eucariotas). Esta fotosíntesis es la

más evolucionada y eficiente, siendo el proceso ampliamente utilizado por las

plantas superiores. Si bien el proceso metabólico es igual, entre cianobacterias

Citosol

Membrana

plasmática

2 H+

Espacio

periplasmático

Centro de reacción P870Citocromo bc1

ATP sintasa

H+2 H+

4 H+

4 H+

Citocromo


y algas, las cianobacterias no poseen cloroplastos, por lo que las reacciones se

realizan sobre las membranas internas.

Fig. 19: Fotosíntesis acíclica u oxigénica

Metabolismo foto órgano autótrofo (FOA)

Este metabolismo fotosintético consiste en que los organismos obtienen

energía a partir de la luz y el C celular del CO2 mediante el ciclo de Calvin, pero

a diferencia de los FLA, el poder reductor proviene de compuestos orgánicos.

Las bacterias que poseen metabolismo FOA son conocidas como

bacterias purpúreas sin S o Atiorrodáceas, debido a que poseen carotenos

(púrpura) pero no utilizan compuestos de S como dadores de H.

Distribución de microorganismos fotótrofos

Todas las bacterias fotosintéticas (FLA, FOA y FOH) se encuentran en

ambientes acuáticos. Las bacterias purpúreas del azufre (tiorrodáceas) forman

a menudo una capa de color rojo oscuro que recubre los sedimentos del fondo,

mientras que las bacterias púrpuras sin S (atiorrodáceas) no son visibles como

una capa pero también están presentes en los sedimentos. La localización en

los sedimentos proviene de tres factores clave: a) que en los sedimentos existe

gran cantidad de restos orgánicos en descomposición que les provee H2S y

compuestos orgánicos como poder reductor para ambos grupos (FLA y FOA

respectivamente), b) que en el fondo hay condiciones anaeróbicas y c) que los

carotenos absorben luz con longitudes de onda larga (800-1100 nm) que no

Estroma

Membrana

tilacoide

2 H+

LumenClorofila

P680

Fotosistema II o

P680

Citocromo bf

Plastocianina

Fotosistema I o

P700

Clorofila

P700

ATP sintasa

2 H+

2 H+ H+Plastoquinona


son utilizadas por los organismos fotosintéticos superficiales como algas y

cianobacterias. A estas capas de bacterias sobre el fondo se las conoce como

epibentos o “mat”.

Las bacterias verdes del S (clorobiáceas) debido a que poseen bacterioclorofila

no se localizan en el fondo, sino que flotan en una zona donde se integran

condiciones anaeróbicas, H2S disuelto y penetración de longitudes de onda de

alrededor de 700-900 nm.

Las cianobacterias generalmente son flotantes o pueden estar depositadas en

el fondo de zonas poco profundas debido a que poseen ficocianinas además de

clorofila a. La ficocianina que otorga el color azulado a estos microorganismos

posee un pico de absorción alrededor de los 450 y 500 nm, situado entre los

dos picos de absorción de la clorofila a. Por eso a las cianobacterias también

se las denomina algas verde-azules. Cuando el “mat” tiene cianobacterias que

producen O2 toda la capa de bacterias comienza a flotar (por las burbujas del

O2) desprendiéndose del fondo.

Las cianobacterias son más tolerantes que las algas superiores a

condiciones extremas. Por ej. pueden vivir en aguas termales con alto

contenido de sales, etc. Esta capacidad adaptativa se debe a que están

recubiertas por vainas mucosas que les permiten regular los factores

ambientales externos. Muchas cianobacterias viven en ambientes terrestres

que se inundan periódicamente formando una capa superficial sobre el suelo

conocida como “crust”.


UNIDAD III: TAXONOMÍA Y CRECIMIENTO BACTERIANO

TAXONOMÍA MICROBIANA

La taxonomía es la ciencia de la clasificación y está constituida por dos

subdisciplinas: la identificación y la nomenclatura.

Siguiendo el sistema binomial de nomenclatura, a todos los organismos

(incluidas las bacterias) se les asigna un nombre de género y otro de especie.

Los nombres de especies y géneros son derivados griegos o latinos de alguna

propiedad descriptiva apropiada a la especie en cuestión, y se escriben en

cursiva. Una particularidad en taxonomía microbiana es el concepto de cepa

que, en general, no se utiliza en organismos superiores. Debido a que los

microorganismos se dividen por fusión binaria, una cepa es una población

genéticamente idéntica obtenida a partir de una sola célula.

Cuando se aísla un nuevo organismo debe publicarse la descripción y

el nombre propuesto en la publicación oficial de registro para la taxonomía y

clasificación de los microorganismos: International Journal of Systematic

Bacteriology (IJSB), y depositarse en una colección de cultivos aprobada por la

World Intellectual Property Organization (WIPO). Los microorganismos

depositados se conservan congelados o liofilizados y constituyen la “cepa tipo”

de la nueva especie. El IJSB publica periódicamente la lista de nuevos

nombres aprobados en el “Manual Bergey´s”, uno de los principales tratados de

taxonomía de los procariotas que está permanentemente actualizado (on line).

Este manual es un componente de información clásica y molecular sobre todas

las especies reconocidas de procariotas y contiene claves dicotómicas que son

útiles para la identificación.

Taxonomía bacteriana convencional

La taxonomía bacteriana convencional consiste en clasificar las bacterias

mediante: a) características morfológicas (carácter Gram, esporas, flagelos,

etc.), b) tipo de metabolismo (QOH, QLA, FLA, etc.), c) características

bioquímicas (sustratos y productos metabólicos), d) tolerancia a condiciones

ambientales (diferentes gases, temperatura, pH, etc.), e) sensibilidad a los

antibióticos, f) patogeneidad, g) relaciones simbióticas, h) características

inmunológicas, e i) hábitat de origen.


Para identificar un organismo se sigue una secuencia, desde las

características más generales a las más específicas, mediante claves

dicotómicas hasta llegar a definir la especie. Esta metodología de identificación

se emplea de rutina en microbiología clínica, pero a causa de la gran

variabilidad y adaptación de los microorganismos en ambientes naturales

resulta incompleta cuando se trabaja en condiciones de campo.

Ejemplo de una clave dicotómica utilizada en taxonomía bacteriana

convencional

Eubacterias: Unicelulares, pared rígida, no fotótrofas. o Cocos

(Gram+): Lactobaciláceas (bacterias del ácido láctico). Streptococcus, Leuconostoc, Micrococcus.

Micrococáceas Aerobios: Sarcina, Micrococcus. Anaerobios: Sarcina, Methanosarcina, Thiosarcina.

(Gram-): Neisserláceas. Aerobios: Neisseria Anaerobios:Veillonella

o Bacilos • No formadores de esporas (Gram+)

Aerobios----------------------Corynebacterium, Arthrobacter. Anaerobios-------------------Propionibacteriáceas, Lactobaciláceas.

(Gram-) Flagelación polar-----------Pseudomonas, Acetomonas, Acetobacter, Nitrobacteriáceas, Tiobacteriáceas. Flagelación peritrica-------Enterobacteriáceas, Azotobacteriáceas, Rizobiáceas. Inmóviles---------------------Parvobacteriáceas, Bacteroidáceas.

• Formadores de esporas (Baciláceas) Aerobios----------------------Bacillus Anaerobios-------------------Clostridium, Desulfomaculum.

o Espirilos (Espiriláceas)-------------Spirillum, Vibrio, Desulfovibrio.

Bacterias próximas a las Eubacterias: o Bacterias fotótrofas: con pigmentos fotosintéticos, luz como fuente de energía.

Bacterias purpúreas del azufre (Tiorrodáceas). Bacterias purpúreas (Atiorrodáceas). Bacterias verdes del azufre (Clorobiáceas).

o Bacterias pedunculadas: con pedunculos. o Bacterias con vaina: vainas tubulares (Clamidobacterias). o Actinomicetes: con micelios. o Rickettsias: parasitismo obligado.

Bacterias que se diferencian de las Eubacterias por características importantes: o Espiroquetas: pared celular delgada y flexible, movilidad por contracción de

filamento axial. o Bacterias reptantes: móviles pero nunca por flagelos. o Mixobacterias: pared celular delgada y flexible. o Micoplasmas: sin pared celular.


Taxonomía molecular

La taxonomía molecular consiste en clasificar a los organismos mediante las

características de las principales biomoléculas orgánicas, particularmente los

ácidos nucleicos. Tiene la ventaja de ser muy específica y sensible, por lo que

en la actualidad es una metodología excluyente para la identificación

taxonómica.

Los métodos biomoleculares más utilizados son: a) composición de

bases del ADN, b) secuenciación de nucleótidos, y c) hibridación del ADN.

Composición de bases del ADN

Consiste en establecer la proporción de las bases del ADN, expresadas en

porcentajes moleculares (mol%) de Guanina+Citosina (G+C). Este método se

fundamenta en que la cantidad relativa de G+C es característica para cada

especie y que existe escasa variación en la cantidad de G+C dentro de un

mismo grupo taxonómico (entre 3-5%). Además, existe una cierta correlación

entre la composición de bases y el tipo fisiológico, por ej. los organismos de

respiración aeróbica tienen una proporción de G+C entre 60-75% mientras que

los organismos fermentadores poseen valores muy inferiores.

Sin embargo, este método tiene algunas limitaciones porque lo que

define las características de un organismo no es la cantidad de algunas bases

sino la secuencia de las bases dentro del ADN. La determinación del

porcentaje de G+C aporta información sobre la proporción de cada nucleótido

del ADN de un organismo, pero no revela ningún dato sobre la secuencia de

esos nucleótidos. Dos organismos pueden tener idéntica proporción de bases y

sin embargo no estar relacionados entre sí (ni taxonómicamente ni

filogenéticamente), ya que es posible tener secuencias diferentes con una

misma composición global de bases del ADN. Por ejemplo, las especies del

genero Bacillus presentan un amplio rango de porcentaje de G+C, mientras

que bacterias de diferentes géneros dentro de las Enterobacterias tienen

proporciones de G+C prácticamente idénticas.


Secuenciación de nucleótidos

El método consiste en establecer el orden en que están colocados los

nucleótidos dentro de las moléculas de ácidos nucleicos, basándose en el

proceso biológico de replicación del ADN, donde se utiliza un cebador o

“primer” para comenzar la amplificación. Luego de la amplificación se realiza

una electroforesis (técnica utilizada para la separación de moléculas cargadas

según la movilidad de éstas en un campo eléctrico) para obtener un patrón de

bandas del que se deduce la secuencia del ADN introducido. Esta información

es clave para la diferencia entre organismos.

Metodológicamente se trabaja con trozos cortos (pocos nucleótidos)

tanto de ADN como ARN. Para la taxonomía de bacterias las moléculas más

utilizadas son la fracción de 16S del ARN ribosómico (1500 nucleótidos) y el

ADN de los plásmidos. Este último es muy importante para organismos de

interés funcional como los fijadores de N2, cuya enzima nitrogenasa se informa

en el ADN de los plásmidos.

Para establecer la identificación de los microorganismos se aplica un

programa de similitud genética entre las secuencias de los nucleótidos

analizados y los de otras especies conocidas. En la actualidad, toda la

información sobre las secuencias de nucleótidos en especies identificadas está

disponible en la Web en lo que se conoce como “banco de genes”.

Fig. 1: Pasos de la secuenciación de nucleóticos

Hibridación de ADN

La hibridación es la construcción artificial de ADN bicatenario a partir de dos

monocatenarios y por complementariedad de bases. El método consiste en

Células

ADN

PCRADN aislado

Secuencia de

ADN

Análisis de

las

secuencias Árbol

filogenético


poner en contacto moléculas monocatenarias de ADN de organismos

diferentes para establecer su similitud a través del porcentaje de hibridación

que se produce. Generalmente, el ADN de una cepa desconocida se pone en

contacto con trozos de moléculas de una secuencia de nucleótidos conocida

denominados “primers”.

Este es un método muy versátil que permite estudiar el grado de

relación genética entre dos ADN. La proporción de similitud genética que se

acepta para asignar el nivel taxonómico a dos organismos es: a) 99% o 100%

pertenecen a la misma cepa (clon), b) mayor de 60% pertenecen a la misma

especie; c) mayor de 20% pertenecen al mismo género, d) entre 1 y el 5%

pertenecen a géneros no relacionados (Fig. 2).

Fig. 2: Esquema del método de hibridación del ADN

Organismos a

comparar

Organismo 1 Organismo 2 Organismo 3 Organismo 4

Preparación

del ADN

Cortar y marcar

radiactivamente

ADN cortado ADN cortado ADN cortadoCortar y marcar

Desnaturaliza

ción por calor

Experimento

de hibridaciónMezclar ADN de dos organismos y añadir un exceso de ADN no marcado:

ADN hibridado

ADN hibridado

ADN hibridado

ADN hibridado

ADN no hibridado

ADN no hibridado

ADN no hibridado

Porcentaje de hibridación

Resultados e

interpretación:

ADN control

(misma cepa)

1 y 2 son de la

misma especie

1 y 3 son del mismo

género

1 y son de distintos

géneros


Crecimiento bacteriano

El crecimiento bacteriano se establece a través del incremento en el número de

células de una población y por el consiguiente aumento de la biomasa

microbiana.

La velocidad de crecimiento es el cambio en el número de células o

masa celular por unidad de tiempo. El tiempo requerido para que, a partir de

una célula se formen dos células, se denomina tiempo de generación. El

tiempo de generación varía ampliamente entre los microorganismos. Muchas

bacterias tienen tiempos de generación de 1-3 horas, pero las de crecimiento

rápido pueden hacerlo en 10 minutos, mientras que otras pueden tardar días.

Las bacterias tienen crecimiento exponencial debido a que el número

de células se duplica cada cierto período de tiempo. Si el crecimiento

exponencial se grafica en ejes de escala aritmética, se obtiene una curva en la

cual se va incrementando progresivamente la pendiente, lo que dificulta el

análisis sobre la velocidad de crecimiento. Generalmente, el crecimiento

bacteriano se grafica en escala logarítmica (base 10), que permite visualizar

directamente el tiempo de generación (Fig. 3).

Una característica del crecimiento exponencial es que la velocidad de

incremento en el número de células es lenta inicialmente, para después

incrementarse constantemente en una auténtica explosión del número de

células

Fig. 3: Crecimiento bacteriano en función del tiempo.

Tiempo en horas

Loga

ritm

o d

el n

úm

ero

de

célu

las

Nú

mer

o d

e cé

lula

s

Log N bacterias

------ N bacterias


Cálculo de tiempos de generación

El incremento de número de células que tiene lugar en un cultivo creciendo

exponencialmente es una progresión geométrica del número 2. Al dividirse dos

células (para dar cuatro) podemos expresar esto como 21 22. Al dividirse 4

para dar 8 se puede poner como 22 23 y así sucesivamente. Debido a la

progresión geométrica, hay una relación directa entre el número de células

iniciales y las finales a un tiempo determinado:

N = N0 2n

Donde N = número final de células, N0 = número inicial de células y n = número

de generaciones que han ocurrido durante el período de fase exponencial.

El tiempo de generación g de la población celular se calcula como t/n,

donde t son las horas o minutos de crecimiento exponencial. Conociendo las

poblaciones final e inicial es posible calcular el número de generaciones y a su

vez el tiempo de generación.

Para expresar la ecuación N= N0 2n en términos de n son necesarias

las siguientes transformaciones:

Se aplica logaritmo

log N = log N0 + n log 2

y se despeja el número de duplicaciones

También se puede calcular la velocidad de duplicación (v), o sea, el

número de duplicaciones en el tiempo, que es la inversa al tiempo de

generación: n/t ó 1/g.

Los tiempos de generación son a menudo indicadores del estado

fisiológico de una población microbiana y es muy utilizado en microbiología

industrial para el monitoreo del proceso de obtención de diferentes productos.

2log

loglog NoNn

-=


Curvas de crecimiento

El crecimiento de una población no presenta un crecimiento constante en el

tiempo. Generalmente la velocidad de duplicación del número de células es

muy lenta inicialmente, después se incrementa constantemente y

posteriormente disminuye. Por tal motivo la gráfica de la curva de crecimiento

presenta diferentes fases (Fig. 4):

1. fase de latencia.

2. fase exponencial.

3. fase estacionaria.

4. fase de muerte.

Fig. 4: Fases del crecimiento bacteriano

1- Fase de latencia

Cuando se traslada una alícuota de una población microbiana a un medio de

cultivo nuevo, no ocurre crecimiento inmediatamente, sino después de cierto

tiempo que se llama fase de latencia. Esta fase puede ser más larga o más

corta dependiendo de muchos factores. Por ej., será larga si el cultivo iniciador

es viejo, si la composición del medio fresco es diferente al original, etc. La fase

de latencia se produce porque los organismos deben adaptarse a las nuevas

condiciones antes de reproducirse. Generalmente si el cultivo es viejo o en

latencia, las células deben comenzar a sintetizar enzimas o factores de

crecimiento que ya no poseen. Similarmente, si el medio tiene una composición

Tiempo

Lo

ga

ritm

o d

el

nú

me

ro d

e c

élu

las

Latencia Exponencial Estacionaria MuerteLatencia Exponencial Estacionaria Muerte

Tiempo

Lo

gari

tmo

del n

úm

ero

de c

élu

las


diferente la célula debe sintetizar las enzimas necesarias para degradar los

nuevos compuestos. Con fines prácticos industriales, se persigue que esta fase

sea lo más corta posible para tener mayor eficiencia y productividad del cultivo.

2- Fase exponencial

Es la verdadera fase de duplicación celular. La pendiente de la fase exponencial

depende de las características genéticas de los microorganismos y de las

condiciones del cultivo. En general, los procariotas crecen más rápidamente que

los eucariotas y los eucariotas pequeños lo hacen más rápidamente que los

grandes. Si en la industria se persigue la obtención de gran cantidad de células

(por ej., producción de inoculantes), se manejan las condiciones de producción

tendiendo a que la fase exponencial sea larga y de mucha pendiente (medio

altamente nutritivo, control del pH, temperatura y aireación, etc.).

3- Fase estacionaria

Se denomina fase estacionaria al periodo de tiempo donde no se detecta

aumento o disminución en el número de células. Generalmente esta fase se

produce por agotamiento de los compuestos nutritivos del medio de cultivo o

por la producción de sustancias metabólicas que inhiben el crecimiento celular

(por ej., producción de ácido láctico que baja el pH). Que no se detecte

crecimiento no quiere decir que las células no se dividan, sino que la tasa de

muerte y la de división celular están balanceadas. Cuando se pretende obtener

un producto metabólico, se manejan las condiciones para que la fase

exponencial sea corta y de mucha pendiente y que el cultivo entre en fase

estacionaria rápidamente, donde se registra la mayor concentración del

producto buscado.

4- Fase de muerte

Cuando se desestabiliza el balance entre muerte y duplicación y se

producen más muertes que divisiones, comienza la fase de muerte del cultivo.

Esta fase tiene una pendiente exponencial negativa, que puede ser de la

misma magnitud que la fase de crecimiento exponencial. En la práctica

industrial esta fase es importante para evaluar el desarrollo de productos

desinfectantes y esterilizantes, que pueden ser: a) bacteriostáticos, b)

bactericidas o c) bacteriolíticos (Fig. 5). El efecto bacteriostático es el que

detiene el crecimiento pero no mata a la célula. Los agentes bactericidas matan

a la célula pero no se produce la lisis o ruptura de la célula, mientras que los


bacteriolíticos matan a la célula mediante la lisis lo que se observa como una

disminución en el número de células o de la turbidez después de añadir el

agente.

Fig. 5: Efecto de productos desinfectantes y esterilizantes

Tres tipos de acción de agentes antimicrobianos. La flecha indica el tiempo

en el que se añadió una sustancia inhibidora del crecimiento a un cultivo en

fase exponencial de crecimiento.

Productos microbiológicos de carácter industrial

Los productos industriales obtenidos por procesos del metabolismo bacteriano

son de dos grandes grupos: alimenticios y farmacéuticos. En la actualidad

también existe un amplio desarrollo para la obtención de productos para la

agricultura como son los inoculantes y los bioinsecticidas como el Bacillus

turigiensis. Dentro de los productos alimenticios se incluyen los de consumo

directo como pan, cerveza, vino, etc. y los insumos para la industria alimenticia

(enzimas, alcoholes, ácidos, etc.).

Los productos farmacéuticos más importantes son los antibióticos. El

descubrimiento y producción de los antibióticos fue un hito en la lucha por la

salubridad humana. Los antibióticos son productos secundarios del

metabolismo de algunos microorganismos, sintetizados para poder competir en

el suelo frente a las bacterias. Por tal motivo no afectan a las células

eucarióticas y pueden ser utilizados en organismos superiores sin dañar las

células del enfermo. Los antibióticos típicos son: la penicilina (inhibe la síntesis

de la pared celular de las bacterias) producida por el hongo Penicillium y la

estreptomicina (inhibe la síntesis de proteínas en bacterias) producida por el

Tiempo Tiempo Tiempo

Bacteriostático Bactericida Bacteriolítico

Contaje de células totales

Contaje de células viables

Logaritm

odel

núm

ero

de c

élu

las

Logaritm

odel

núm

ero

de c

élu

las

Logaritm

odel

núm

ero

de c

élu

las


actinomycete Streptomyces. En la actualidad muchos antibióticos son

sintetizados artificialmente y no a través de cultivos microbianos.

La producción de inoculantes es uno de los objetivos de la Microbiología

Agrícola y será extensamente desarrollado en otras unidades.

Todos estos procesos microbiológicos industriales se basan en la

potenciación de reacciones metabólicas que los microorganismos ya son

capaces de llevar a cabo, con el fin de aumentar la producción del compuesto

de interés.

Cultivos continuos

Para la producción industrial de cualquiera de los productos biológicos se han

desarrollado tecnologías de alta precisión para evitar contaminaciones y

optimizar el rendimiento. Los cultivos son realizados en equipos de

fermentación especiales con condiciones controladas estrictamente.

Un cultivo continuo es esencialmente un cultivo de volumen constante, y

para mantener los cultivos de manera continua en fase exponencial se han

desarrollado equipos denominados quimiostatos (Fig. 6), que consiste en evitar

la fase estacionaria y de muerte mediante la incorporación de medio de cultivo

fresco a medida que se va utilizando el sustrato original. Simultáneamente con

la incorporación de medio fresco se retira el cultivo bacteriano ya crecido. Se

denomina turbidostato cuando la incorporación de nuevo medio de cultivo se

realiza según la tasa de crecimiento, evaluada por densidad óptica.

Fig. 6: Métodos de cultivo continuo. Quimiostato

Medio fresco del

reservorio Regulador del flujo

Espacio con aire (gas)

Recipiente de cultivo

Cultivo

Rebosadero

Efluente con células

microbianas

Aire estéril u otro gas


Fig 7: Métodos de cultivo continuo. Turbidostato


Materia viva

1%

Materia

orgánica

4%

UNIDAD IV: ECOLOGIA MICROBIANA

La ecología microbiana trata sobre la relación de los microorganismos con el

ambiente donde habitan. El suelo superficial (0-20cm) es el ambiente donde

ocurren la mayoría de los procesos microbianos que influyen sobre la nutrición

de los cultivos, de los cuales se ocupa la Microbiología Agrícola. Desde un

punto de vista ecológico, un ambiente está constituido por: 1) una fracción

abiótica (el hábitat), y 2) una fracción biótica (los componentes vivos). La

fracción abiótica del suelo incluye: a) partículas minerales de diferente tamaño

y composición química, b) agua y solutos, c) gases y d) compuestos orgánicos;

mientras que la fracción biótica incluye: a) raíces vivas de plantas, b) fauna

(detritívoros) y c) microorganismos (descomponedores) (Fig. 1).

Fig. 1: Constituyentes de la fracción abiótica del suelo

Los diferentes componentes del suelo no forman una masa homogénea

sino que están asociados otorgando una estructura particular. La base de la

estructura del suelo la constituyen los llamados agregados. Un agregado es

un conjunto de partículas minerales ligadas por compuestos orgánicos y

organismos vivos. El tamaño de cada agregado es de aproximadamente 2

mm. El espacio que queda entre los agregados son los poros del suelo, donde

circulan el aire y la solución del suelo (Fig. 2).


Fig. 2: Estructura de un agregado

Componentes vivos del suelo

a- Raíces de las plantas: es un componente muy importante en los suelos

agrícolas y constituyen el nexo entre el suelo y la planta. Las raíces vivas

modifican el ambiente edáfico porque absorben nutrientes y agua de la solución

del suelo, respiran e incorporan CO2 a la atmósfera del suelo, aportan restos

orgánicos por exudación y descamación de células epidérmicas, contribuyen a

la agregación de partículas minerales, etc.

b- Fauna: se considera fauna del suelo a aquellos animales que se alimentan

de los restos orgánicos existentes en el suelo. La fauna suele conformar cerca

del 15% de la biomasa total del suelo, pero es muy variable dependiendo de las

condiciones climáticas y de manejo de cada suelo. La fauna es considerada

detritívora, ya que consume restos orgánicos y los metaboliza mediante

respiración aeróbica (producen CO2 y H2O). Por lo tanto, a diferencia de los

microorganismos, la fauna no posee metabolismos especiales que les permitan

liberar nutrientes inorgánicos, vivir en anaerobiosis, degradar moléculas

recalcitrantes, etc. La fauna del suelo suele clasificarse según el tamaño de los

organismos en: micro, meso y macro fauna (Fig. 3).


Fig. 3: Componentes de la micro, meso y macrofauna del suelo

c- Microorganismos: son los verdaderos descomponedores de restos

orgánicos transformándolos en compuestos inorgánicos, cerrando el ciclo de

los elementos. Constituyen cerca del 85% de la fracción viva del suelo. Debido

a que son microscópicos muchas veces es difícil de estimar la significancia del

peso absoluto de microorganismos en un suelo. A modo de ejemplo, se puede

hacer un cálculo muy general que ayuda a visualizar que, si bien la biomasa

individual es muy pequeña, la gran cantidad de individuos hace que la biomasa

absoluta sea muy grande.

Biomasa microbiana del suelo

Biomasa de bacterias

Peso de una bacteria = Volumen x Densidad = 10-12 cm3 x 1.5g/cm3 = 1.5 x 10-12 g

Bacterias/g suelo = 109

Biomasa de bacterias/g suelo = 109 x 1.5 x 10-12 g = 1.5 x 10-3 g

Biomasa por ha

Peso de 1 ha = Volumen x Densidad


Volumen = 10.000 m2 x 0.2m = 2.000 m3

Densidad del suelo = 1 g/cm3

P = 2.000 m3 x 1.000 kg/m3 = 2 x 106 kg

Biomasa de bacterias por ha = 2 x 106 kg x 1.5 x 10-3 kg = 3.000 kg/ha

Este ejemplo sólo se refiere a la biomasa de bacterias, sin considerar el

resto de los microorganismos de importancia en el suelo como los hongos y

actinomycetes.

Distribución de los microorganismos en el suelo

De manera general se puede afirmar que los microorganismos se distribuyen

según las condiciones ambientales y la disponibilidad de alimento. Por ej., en

los primeros centímetros del suelo existe mayor cantidad de restos orgánicos y

O2, por lo que allí se dispone la mayor cantidad de organismos con

metabolismos aeróbicos. A mayor profundidad los microorganismos aeróbicos

se localizan donde se conjugan condiciones óptimas de humedad y aireación.

Exceso de humedad satura los poros y se crean condiciones de falta de O2. En

las capas más profundas del suelo superficial existe mayor cantidad de

microorganismos tolerantes a la falta de O2 y/o anaeróbicos que degradan

compuestos derivados de la actividad de los microorganismos más

superficiales (Tablas 1, 2 y 3).

Tabla 1: Distribución de grupos microbianos en el perfil del suelo

Abundancia de microorganismos

Horizonte

Prof. (cm)

Bacterias aeróbicas

Bacterias anaeróbicas

Actinomycetes

Hongos

Algas Protozoos

A0 0-10 1.116.915 1.000 11.335 303.000

500 640

A1 10-12

1.111.000 70.000 16.000 165.000

5.000 320

A2 12-20

317.640 181.000 11.950 77.500 100 40

B 20-40

19.750 700.000 7.250 14.740 100 10

C 50-100

463 10.000 197 1.850 0 0


Tabla 2: Abundancia de microorganismos en relación a la humedad del suelo

Tabla 3: Abundancia de microorganismos en relación a la materia orgánica

del suelo

Hay otros factores de importancia que definen la distribución y

presencia de microorganismos en el suelo. Uno de ellos es el pH. Es bien

conocido que en ambientes ácidos predominan los hongos sobre las bacterias

y contrariamente en ambientes alcalinos predominan los actinomycetes. Las

bacterias en general están asociadas a suelos neutros (Tabla 4).

Tabla 4: Abundancia de microorganismos en relación al tipo de suelo y pH del mismo

Humedad (%)

% de la capacidad de campo

Bacterias totales (miles/g)

% relativo a la microflora total

6.5 30 9.980 33

10.0 50 11.890 40

16.1 65 16.140 55

17.4 70 29.960 100

21.7 100 25.280 84

Horizonte cm Materia orgánica

(%)

Bacterias

aeróbicas

(106/g)

Bacterias

anaeróbicas

(106/g)

A0 0-6 8.00 149.2 1.0

A1 6-12 3.11 131.8 1.8

B1 12-24 2.41 108.3 10.0

B2 28-48 1.70 45.3 1.0

C 48-80 0.80 6.0 0.01

Suelo pH Bacterias Actinomycetes Hongos

Gris margoso 7.8 18.209 2.230.250 36.000

Pardo arcilloso 7.6 2.230.000 1.700.000 59.000

Arcilloso rojo 6.4 1.650.000 245.000 74.500

Suelo tropical 4.4 127.000 75.000 245.000

Podzol arenoso 3.8 16.000 22.000 125.000


Sin embargo, todos estos patrones generales de distribución son muy

rígidos porque en el suelo la distribución de los microorganismos es muy

heterogénea debido a la interacción de un sinnúmero de factores bióticos y

abióticos y a las prácticas de manejo. Las principales situaciones que definen la

distribución de microorganismos son:

1. Presencia de raíces: es bien conocido que la cantidad de bacterias

aumenta exponencialmente en las cercanías de las raíces vivas de las

plantas. Este efecto denominado "rizosférico" se debe a que las condiciones

edáficas creadas por las raíces favorecen la disponibilidad de alimentos para

las bacterias (exudados, descamaciones, etc.) y condiciones ambientales más

adecuadas (protección, retención de agua, etc.) (Tabla 5).

Tabla 5: Abundancia de microorganismos en relación a la proximidad de las

raices

2. Estructura de agregación: la agregación de partículas define diversos

microambientes internos y externos al agregado que poseen características

muy diferentes para el desarrollo de los microorganismos. Si un agregado es

totalmente cerrado, en su interior se crean condiciones de anoxia, por lo que

allí se localizan bacterias anaerobias inmóviles que se fijan sobre la materia

orgánica que liga las partículas inorgánicas. Contrariamente, en la superficie

exterior de los agregados se asientan organismos aeróbicos móviles en

contacto con la solución y la atmósfera del suelo.

3. Prácticas de manejo agrícola: toda práctica agrícola conlleva grandes

cambios en las condiciones del suelo que afectan la vida y distribución de los

microorganismos. Por ej., el laboreo del suelo favorece la trituración, mezcla e

incorporación de los rastrojos superficiales a la vez que aumenta la aireación

del suelo. Estos factores determinan un crecimiento exponencial de los

microorganismos, especialmente de los aeróbicos. En los últimos años la

Descripción de la muestra Bacterias (millones/g)

Suelo distante 15 cm 14.2

Suelo distante 0-15 cm 25.4

Suelo junto a raíces 122.0

Material superficial de la raíz 1315.6


adopción de la siembra directa (SD) modificó sustancialmente el

funcionamiento del suelo agrícola, acercándolo más a las condiciones no

disturbadas. Bajo SD los restos vegetales están localizados superficialmente y

van siendo degradados gradualmente por los microorganismos que no sufren

un aumento exponencial de su población (Tabla 6).

Tabla 6: Abundancia de microorganismos en relación a las prácticas de

manejo

Una relación siembra directa/laboreo convencional mayor a uno estaría

indicando una mayor abundancia de esos grupos funcionales en la siembra

directa, mientras que una relación menor a uno indicaría mayor abundancia en

laboreo convencional.

Asimismo, debe tenerse en cuenta que el suelo está fuertemente

afectado por la heterogeneidad de la vegetación que soporta y por las

variaciones estacionales. Ambas situaciones modifican las características del

suelo espacial y temporalmente, afectando la distribución de microorganismos.

Interacciones biológicas de los microorganismos

Los microorganismos del suelo no actúan de manera aislada, sino que

establecen relaciones tróficas y ambientales con el resto de la vida del suelo.

Desde un punto de vista ecológico, las interacciones pueden ser de carácter

positivo (sinergismos) o negativo (antagonismos), según si los componentes de

la relación se benefician o perjudican mutuamente.

Microorganismo

Relación siembra directa/laboreo convencional

Prof. 0-7.5 Prof. 7.5-15

Aeróbicos 1.41 0.68

Anaeróbicos facultativos 1.57 1.23

Actinomycetes 1.14 0.98

Nitritadores 1.25 0.55

Nitratadores 1.58 0.75

Hongos 1.57 1.23


Interacciones entre microorganismos

Sinergismos

1. Comensalismo: se denomina comensalismo a la interacción en la

cual un individuo se beneficia mientras que el otro no es afectado por la

relación, por ej. bacterias que utilizan como alimento compuestos producidos

mediante el metabolismo de otras. También se considera comensalismo

cuando la actividad metabólica de un individuo elimina sustancias inhibitorias

(remoción de sustratos), produce factores de crecimiento específicos o cambia

las condiciones ambientales, favoreciendo el crecimiento de otros

microorganismos.

Un ejemplo de comensalismo es la relación entre los grupos de

bacterias Nitrosomonas y Nitrobacter en medio rico en amonio. Dentro del ciclo

biogeoquímico del nitrógeno, el proceso de nitrificación es la transformación del

amonio en nitratos. Estas oxidaciones se dan por la actividad conjunta de

bacterias autótrofas comunes en el suelo (Nitrosomas y Nitrobacter).En una

primer etapa, Nitrosomas toma el amonio (NH4+) presente en el suelo

oxidándolo a nitrito (NO2-). En una segunda etapa, Nitrobacter toma el nitrito

(producto del metabolismo de Nitrosomas) para oxidarlo a nitrato (NO3-).

Nitrobacter es comensal de Nitrosomas, ya que se beneficia del producto de su

metabolismo.

Actinomycetes - hongos micorrícicos: existen microorganismos

rizosféricos que promueven la formación de micorrizas. Ciertos acminomycetes

(Rhodococcus, Streptomyces, Arthrobacter) han sido identificados como

bacterias que se asocian al micelio de hongos ectomicorrícicos (comensal) y

mejoran la formación de la micorriza. Estos microorganismos presentan una

alta especificidad, dado que una misma bacteria puede ser benéfica para un

hongo y negativa para otros. Algunos de los mecanismos por lo que benefician

la micorrización son: promoción del establecimiento de la simbiosis por

estimulación de la extensión micelial; incremento del contacto y colonización

raíz – hongo; reducción del impacto de factores ambientales adversos sobre el

micelio del hongo.

2. Mutualismo: es la interacción entre individuos en la cual ambos

aportan un factor que beneficia al otro. Se establece una relación de costo-

beneficio que perdura mientras sea conveniente para ambos. Hay muchos


ejemplos de relaciones mutualistas entre microorganismos, el más notable es

la degradación de la pared celular de los restos vegetales donde actúan

simultáneamente microorganismos que rompen enlaces químicos diferentes de

las grandes moléculas y ambos se benefician con la liberación de los

monómeros.

En biodigestores anaerobios, la asociación de microorganismos

asegura la degradación de la materia orgánica y la liberación final de metano.

Un grupo de organismos (Syntrobacter) libera hidrógeno, necesario para el

accionar del otro grupo que lo consume (Methanospirillum). A su vez, el

segundo grupo mantiene concentración baja de H2 y promueve la fermentación

de los ácidos grasos y la producción de H2 que regula el funcionamiento del

biodigestor.

Syntrobacter ác. Propiónico acetato + CO2 + H2

Methanospirillum 4 H2 + CO2 CH4 + 2 H2O

Otro ejemplo común de mutualismo son Streptococcus faecalis y

Lactobacillus arabinosus (organismos aislados de la leche). Cada una produce

el factor esencial / factor de crecimiento requerido por el otro. Así, en un medio

exento de ácido fólico y fenilalanina L. arabinosus produce el ácido fólico

requerido por S. faecalis, y L. arabinosus utiliza fenilalanina, que es producida

por S. faecalis.


3. Simbiosis: a diferencia del mutualismo, esta interacción no es casual

sino que perdura en el tiempo y generalmente posee especificidad entre los

miembros.

El ejemplo más claro de simbiosis entre microorganismos lo

constituyen los líquenes, que es una simbiosis entre un hongo y un alga (o

cianobacteria) en un grado de estrechez tan estricto que suele considerárselos

como un solo organismo. Los líquenes son simbiosis microbianas entre un

hongo y un alga (o cianobacteria). El alga es el asociado fotótrofo y produce la

materia orgánica de la que se alimenta el hongo. El hongo, incapaz de

fotosintetizar, proporciona anclaje al alga protegiéndola de la desecación; y

además excreta ácidos y compuestos orgánicos que estimulan la disolución y

quelación de nutrientes inorgánicos que el alga necesita. Es por ello, que los

líquenes se establecen comúnmente en hábitats secos como rocas desnudas o

troncos de árboles, superficies donde otros organismos no crecen, y ellos son

capaces de colonizar gracias a su asociación.

Antagonismos

1. Competencia: es la interacción mediante la cual un individuo se

beneficia en desmedro de otro. En esta interacción se engloban muchos

mecanismos que utilizan los microorganismos para acceder al alimento y a

mejores condiciones de vida. Se considera que los microorganismos mejor

adaptados para competir son aquellos que presentan alta tasa reproductiva,

mayor tolerancia a factores abióticos, bajos requerimientos nutritivos,

capacidad de almacenar reservas y capacidad de movilizarse.

Competencia por nutrientes

El hongo, Fusarium oxysporum y la bacteria Agrobacterium radiobacter, son

microorganismos del suelo que compiten naturalmente por carbono, uno de los

principales factores limitantes en el suelo. Cuando los requerimientos de

carbono son cubiertos por el agregado de sustancias carbonadas fácilmente

degradables, se manifiesta competencia por otro factor esencial limitante, el

nitrógeno.


Botrytis cinerea y Penicillium expansum son dos hongos de

poscosecha dependientes de los nutrientes de origen orgánico. Como hongos

necrotróficos colonizan la superficie de frutas heridas, ya que sus esporas

requieren de estas sustancias para germinar y comenzar el crecimiento de las

hifas antes de penetrar al sustrato. Aquí, la competencia microbiana puede

resultar en la inhibición del desarrollo de estos patógenos.

Competencia por espacio

Las levaduras son eficaces colonizadoras de la superficie de plantas,

produciendo materiales extracelulares (especialmente polisacáridos) que

restringen el espacio para la colonización por otros microorganismos.

2. Amensalismo: muchos lo consideran un tipo especial de

comensalismo debido a que un organismos perjudica a otro mediante la

producción de sustancias tóxicas biocidas. Las sustancias biocidas más

comunes sintetizadas por los microorganismos son tanto inorgánicas (H2O2,

NH4+, NO2

-, etc.) como orgánicas. Dentro de estas últimas se incluyen los

ácidos y alcoholes producidos en las fermentaciones (biocidas débiles) y los

antibióticos de alta toxicidad. Muchos hongos y actinomycetes producen

antibióticos que controlan las poblaciones bacterianas, lo cual favorece el

avance de otros organismos de menor tasa reproductiva y escasa eficiencia

metabólica.

Bacterias y hongos de la rizósfera pueden producir sustancias

aleloquímicas o antibióticos que impiden el desarrollo de enfermedades

causadas por patógenos edáficos en las plantas. Las bacterias producen

quitinasas principalmente para degradar quitina y usarla como fuente de

energía. Así, algunas bacterias quitinolíticas, son agentes potenciales para el


control biológico de enfermedades causadas por hongos fitopatógenos, ya que

degradan la quitina presente en la pared celular del hongo. En algunos casos,

también las bacterias fitopatógenas pueden ser controladas por estas enzimas

quitinasas, pudiendo degradar la pared bacteriana.

Bacteria productora de toxinas: Agrobacterium radiobacter K84 produce

la toxina Agrocina 84, efectiva en el control de Agrobacterium tumefaciens

(agente causal de la agalla de corona). Se trata de una bacteriocina, sustancia

que las propias bacterias elaboran para el control de las poblaciones, y por lo

tanto, inhibe el crecimiento de las cepas patógenas.

Bacteria productora de antibióticos: La bacteria Pseudomonas cepacia

es colonizadora de las raíces de muchos cultivos. Ésta produce antibióticos,

que son efectivos contra un diverso rango de hongos patógenos de las plantas.

Cuando se aplica a semillas, la bacteria coloniza el sistema de raíces en

desarrollo y por la producción de antibióticos protege las semillas de hongos y

nematodos patógenos para la planta.

3. Parasitismo: es la interacción entre dos organismos en los cuales

uno utiliza el material vivo del otro por largos periodos de tiempo, llevándolo en

algunos casos a la muerte. El ejemplo más significativo de parasitismo entre

microorganismos lo constituyen los virus, que necesitan bacterias vivas para

reproducirse (bacteriófagos).

Bacteria – bacteria: es el caso de Bdellovibrio bacteriovorus, una

bacteria gram negativa que habita en los suelos, especialmente en la zona

rizosférica de plantas y parasita otras bacterias. B. bacteriovorus forma un poro

en la pared celular de su huésped, penetra en ella y se desarrolla hasta

colapsarla; provoca desorganización de la zona nuclear y de la pared de

mureína de la célula huésped, digiriendo su contenido celular. Es por ello que

B. Bacteriovorus es utilizada para control biológico de enfermedades

provocadas por agentes bacterianos.

4. Predación: consiste en que un organismo se alimenta de otro

organismo vivo. En el ecosistema suelo, la predación más importante es la de

los protozoarios sobre las bacterias. Esta interacción está regulada por el

número de presas (bacterias) y el costo de energía para su captura. Es decir

que la predación cesa cuando el predador gasta más energía en buscar y

capturar una presa que la que gana por ingerirla.


Dentro del ecosistema ruminal, se establecen numerosas relaciones

entre los microorganismos involucrados en el proceso metabólico. Una de ellas

es la predación de los protozoos sobre bacterias y hongos.

Interacciones microorganismo-planta (efecto rizosférico)

Las plantas y los microorganismos del suelo establecen casi las

mismas interacciones ecológicas que los microorganismos entre sí.

Sinergismos:

1. Comensalismo: es la interacción más conocida en la cual los

microorganismos se benefician con: a) los productos de exudación y

descamación de las raíces (aminoácidos, polisacáridos, etc.) y b) la regulación

de las condiciones ambientales alrededor de la raíz (pH, humedad, relación

CO2/O2, etc.).

2. Mutualismo: es la situación más común en la zona rizosférica, debido

a que si bien los microorganismos se benefician con la presencia de la raíz, las

plantas se benefician con la actividad microbiana de la rizosfera. Muchos

microorganismos rizosféricos fijan N2, producen fitohormonas que favorecen el

crecimiento vegetal, producen antibióticos que controlan organismos

fitopatógenos, degradan fitotoxinas, solubilizan nutrientes, etc.

3. Simbiosis: es una interacción muy estrecha en la cual los

microorganismos viven dentro de la raíz a expensas del aporte de fotosintatos

de la planta, produciendo un beneficio que justifica la relación costo-beneficio.

Los ejemplos más conocidos son: a) las micorrizas, donde el hongo que vive

dentro de la raíz contribuye al crecimiento vegetal mediante la solubilización,

absorción y concentración de nutrientes (particularmente P), y b) la simbiosis

rizobium-leguminosa, donde la bacteria alojada en un nódulo radicular aporta N

atmosférico en forma utilizable por la planta.

Antagonismos:

Muchas de las relaciones sinérgicas de la rizósfera pueden

transformarse en antagónicas cuando las condiciones ambientales se vuelven

limitantes. Bajo condiciones de estrés, la planta compite con los

microorganismos por agua y nutrientes y en algunos casos los microorganismos

producen fitotoxinas (amensalismo) para disminuir el crecimiento vegetal.


UNIDAD V: DEGRADACION DE COMPUESTOS ORGANICOS EN EL SUELO

La actividad de los microorganismos del suelo depende de los restos orgánicos

que ingresan al suelo que son la fuente de energía y C para la mayoría de los

organismos edáficos. Los restos orgánicos en los ecosistemas terrestres y,

más particularmente en los agroecosistemas, son mayoritariamente (95%) de

origen vegetal (hojas, tallos, frutos, raíces, etc.) y en menor medida de origen

animal (cuerpos de organismos muertos y excrementos).

Tipos de materia orgánica del suelo (MO)

No existe un acuerdo general sobre la denominación de los diferentes tipos de

materia orgánica que se encuentra en el suelo y que pueden ser sustrato para

los microorganismos. La forma de denominación más difundida es la siguiente:

1- MO fresca: son los restos orgánicos en lo cuales, por su tamaño y

estado de conservación, es posible identificar su estructura y origen (por

ej. si es una hoja, un tallo, excrementos, etc.). En general la mayoría de

la MO fresca se localiza de manera superficial en el suelo, pero además

existe un aporte de MO fresca a partir de raíces, los cuerpos de los

microorganismos y los compuestos orgánicos exudados por las raíces

vivas.

2- MO en descomposición o no humificada: también llamada biodisponible

(se denomina así por el hecho de ser soluble y de bajo peso molecular).

En este tipo de MO se incluyen los compuestos orgánicos solubles de

bajo peso molecular originados de la degradación de la MO fresca

superficial y que se incorporan al suelo con el agua de lluvia o riego. Es la

fracción más fácilmente degradable por los microorganismos y por lo tanto

de poca persistencia en el suelo, por lo que se encuentra en la porción del

perfil con actividad biótica, principalmente en la superficie. La MO no

humificada por su característica de solubilidad se encuentra asociada a la

fracción líquida del suelo (en solución) en permanente circulación entre

los poros, principalmente desde la superficie hacia abajo.

3- MO nativa o humus: es la materia orgánica que se sintetiza en el suelo a

partir de los productos resistentes a la degradación de la MO fresca, por lo

que constituye una fracción muy estable. Es la fracción responsable de las


características de fertilidad del suelo. Debido a que la MO nativa esta

asociada a la fracción inorgánica (arcillas), formando los agregados, se

localiza en todo el perfil del suelo, generalmente con un gradiente de

concentración desde la superficie (mayor concentración) hacia la

profundidad (menor concentración).

Composición química de la MO fresca

Los compuestos orgánicos más abundantes en la MO fresca son:

1- Compuestos simples: sustancias solubles que provienen del citoplasma

de las células vivas. Por ej. aminoácidos, péptidos, azúcares, fenoles, etc.

2- Compuestos polimerizados, pueden provenir de :

el citoplasma: proteínas, ácidos nucleicos, almidón, enzimas,

etc.

la pared celular: celulosa, hemicelulosas, pectina, lignina,

quitina, mureína, etc.

3- Compuestos hidrófobos: provienen de los tejidos de reserva de las células

y de la cutícula de las hojas (ceras, grasas, aceites, etc.)

La proporción de los distintos compuestos depende del origen (animal

o vegetal), de la especie, edad y estado fenológico de planta, de las

condiciones climáticas del lugar, etc. Por ej., hay mayor cantidad de

compuestos simples cuando en los restos orgánicos hay alta proporción de

células vivas (abonos verdes), contrariamente hay mayor cantidad de

compuestos de la pared celular en rastrojos y ramas de leñosas, en rastrojos

de maíz más que en los de soja, etc. (Fig. 1 y Tabla 1).


Tabla 1: Composición química de distintos vegetales

Fig. 1: Composición química de la cebada en diferentes estados fenológicos

Descomposición de la MO fresca

Los compuestos orgánicos solubles de bajo peso molecular son fácilmente

utilizados por los microorganismos que los incorporan directamente en la

célula, entrando en las vías catabólicas. Contrariamente, los compuestos

polimerizados, deben ser hidrolizados previamente fuera de la célula para

poder ser incorporados como monómeros (Fig 2).

Constituyentes

% de materia seca

Centeno joven

Alfalfa Acículas de pino

Grasas y ceras 2.35 10.41 23.92

Solubles en agua 29.54 17.24 7.29

Hemicelulosas 12.67 13.14 19.98

Celulosa 17.84 23.65 16.43

Lignina 10.61 8.95 22.68

Proteínas 12.26 12.81 2.19

Cenizas 12.55 10.30 2.51


Fig 2: Velocidad de degradación de diferentes compuestos orgániccos

de la materia orgánica fresca

Muchos microorganismos producen exoenzimas o enzimas

extracelulares, que son excretadas sobre las grandes moléculas para producir

su ruptura. Las exoenzimas tiene cargas eléctricas positivas por lo que pueden

quedar retenidas en las arcillas o ácidos húmicos con lo cual pierden su

funcionalidad. Asimismo las exoenzimas pueden sufrir degradación por otros

microorganismos. Por tal motivo muchas bacterias localizan las exoenzimas en

las cápsulas mucosas con las que además se adhieren a las grandes

moléculas a degradar. Existen enzimas específicas para cada tipo de polímero.

En general no todos los microorganismos segregan todas las enzimas, sino

que es un carácter funcional que los diferencia. Los microorganismos suelen

denominarse según la capacidad de hidrolizar compuestos polimerizados (por

ej. amilolíticos, proteolíticos, celulolíticos, etc.)

Hidrólisis de polímeros

Proteínas: son compuestos esenciales para la vida celular, tanto de

carácter estructural como funcional (enzimas). Son polímeros de aminoácidos

ligados por uniones peptídicas (OC-NH). Las enzimas proteolíticas (proteasas)

son muy comunes entre los microorganismos, sin embargo algunas proteínas

son difíciles de degradar debido a que poseen estructuras muy complejas, por

A: Fenoles

B: Ceras

C: Lignina

D: Celulosa

E: Hemicelulosas

F: Azúcares


Amilopectina

Amilosa

ej., la queratina (pelos y uñas) presenta su estructura cuaternaria ligada por

puentes disulfuro de difícil ruptura.

Almidón: es un polímero muy común en la naturaleza. Constituye la

sustancia de reserva de las plantas y muchos microorganismos. Es un

homopolímero de glucosas ligadas por uniones glicosídicas α 1-4 (lineal) y α 1-

6 (ramificación) (Fig. 3). Las enzimas amilolíticas (amilasas) son muy comunes

en los organismos vivos, por lo que los microorganismos amilolíticos (bacterias,

hongos y actinomicetes) son muy diversos y abundantes en todos los rastrojos

y suelos.

Fig. 3: Estructura del almidón

Celulosa: es el polímero esencial de la pared celular de las plantas y

algunos hongos y algas. Es un homopolímero de glucosas que, a diferencia del

almidón, están ligadas por uniones glicosídicas β 1-4 (Fig. 4). La enzima que

puede provocar la hidrólisis de las uniones β, es muy poco frecuente en la

naturaleza. Solamente algunos microorganismos tienen la posibilidad de

sintetizar celulasas. Los más comunes son algunos hongos superiores, los

actinomycetes y algunas bacterias deslizantes (mixobacterias) cuyas vainas les

permiten adherirse a las moléculas de celulosa para su degradación. Antes se

afirmaba que algunos protozoarios que habitan el rúmen eran celulolíticos, sin

embargo ha sido demostrado que la degradación de la celulosa por algunos

protozoarios se debe a que poseen bacterias celulolíticas endosimbióticas.


Célula vegetal

Pared celular

Fibrillas de

celulosa

Fibrilla de

celulosa

Microfibrilla de

celulosa

Molécula de celulosa

Fig. 4: Estructura de la celulosa

Microorganismos celulolíticos

Tabla 2: Especies de microorganismos celulolíticos

Entre los hongos celulolíticos podemos encontrar:

Trichoderma reesei: hongo filamentoso y mesófilo. Utilizado industrialmente

por su capacidad de secretar gran cantidad de enzimas celulolíticas.

Fusarium solani: comúnmente aislado del suelo y detritos vegetales.

Penicillium funiculosum: hongo tolerante a la acidez, que crece en suelos

con pH ácido (pH 2), temperatura óptima de crecimiento 25 – 28 °C (rango de

crecimiento 8 – 45 °C).

Clasificación Características

EubacteriasVibrio spp. Aerobios, mesófilos, espiraladosCellvibrio spp. Aerobias Gram -, bacilos, pigmentadosPseudomonas spp. Aerobias Gram +, bacilos

Anaerobias Gram +, suelos inundados, turbasMixobacteriasCytophaga spp. Aerobias, bacilos, suelos con abonos orgánicosSporocytophaga spp. Aerobias, cocos

Actinomycetes

Micromonospora spp.Crecen en agar mineral y celulosa, con pigmentos, halo alrededor de la colonia

Phanerochaete spp.Nocardia spp.

Streptomycesspp.


Hemicelulosas: son polímeros que forman una matriz entre las fibras de

celulosa de la pared celular. Existen varios compuestos diferentes englobados

dentro de las hemicelulosas, pero todos son heteropolímeros de diferentes

azucares ligadas por uniones glicosídicas α 1-4. Los azucares más comunes

son xilosa y arabinosa (dentro de las pentosas) y manosa, galactosa y ácidos

urónicos (dentro de las hexosas) (Fig. 5). Según su composición, las

hemicelulosas se suelen denominar: xilanos, galactanos, mananos, etc. Los

organismos hemicelulolíticos son muy comunes y abundantes en todos los

suelos.

Fig. 5: Azúcares que forman parte de las hemicelulosas

Tabla 3. Especies de microorganismos hemicelulolíticos

Clasificación Hemicelulosas

MananoGalacto-manano

Xilano Galactano Arabano

Eubacterias

Bacillusspp. + + +Cytophagaspp. +Erwiniaspp. +

Actinomycetes

Streptomyces spp. + +

Hongos

Alternaria spp. +Penicilium spp. + +Glomerella spp. +Polyporus spp. + + +Aspergillus spp. + +Fusarium spp.Trichoderma spp.. + + +


Pectina: es el polímero que une las paredes celulares de una célula

vegetal con otra (laminilla media). Químicamente la pectina es un

homopolímero de ácido galacturónico con uniones glicosídicas α 1-4. La

enzima pectinolítica (pectinasa) es sintetizada por los organismos no solamente

para utilizar los ácidos urónicos, sino también como mecanismo para acceder a

las células vivas de las plantas, principalmente en los microorganismos

parásitos y simbiontes. Dentro de los microorganismos pectinolíticos se pueden

Figura 6. Estructura de la pectina

Quitina: es un compuesto polimerizado que se encuentra en la pared

celular de los insectos y de algunos hongos superiores. Es un homopolímero

de n-acetilglucosamina ligadas por uniones glicosídicas β 1-4 (Fig. 7). La

enzima responsable de degradar la quitina (quitinasa) es poco común en la

naturaleza y es secretada exclusivamente por algunos microorganismos

específicos. Por esta causa los exoesqueletos de insectos persisten por largos

períodos de tiempo en el suelo.

Fig. 7: Estructura de la quitina

n-acetilglucosamina


Mureína: es el compuesto característico de la pared celular de las

bacterias. Es un heteropolímero de n-acetilglucosamina y ácido murámico

ligados mediante uniones glicosídicas β 1-4, más un tetrapéptido (ver pared

celular capítulo 1). Al igual que la quitina es un compuesto de lenta

degradación. Generalmente la cadena de aminoácidos es degradada

rápidamente (uniones peptídicas) mientras que las uniones β 1-4 son más

persistentes.

Lignina: es el compuesto típico de las paredes secundarias de los

vegetales y de gran importancia en la constitución de leño (15-30%). La lignina

es una molécula muy compleja formada por diferentes monómeros de

estructura aromática (sustancias fenólicas: coniferol, sanapinol, cumarol)

unidos por varios tipos de enlaces y gran cantidad de cadenas laterales de 3 a

5 C. En los vegetales los anillos aromáticos constituyen la base química de

muchas hormonas, vitaminas, antibióticos y compuestos antiherbívoros

(fenoles, taninos). La lignina otorga rigidez a los tallos de las plantas

permitiéndoles elevarse sobre el suelo y constituye una adaptación evolutiva al

pasar del ambiente acuático al terrestre (las plantas acuáticas no poseen

lignina). Los microorganismos son los únicos seres vivos que sintetizan

enzimas capaces de degradar totalmente la lignina. Debido a la complejidad

química de la molécula, existen al menos tres procesos de degradación de la

lignina: a) la hidrólisis de anillos aromáticos b) degradación de cadenas

laterales y c) ruptura de los anillos aromáticos. Los dos primeros procesos

liberan sustancias fenólicas solubles y son procesos rápidos que lo realizan

numerosos microorganismos del suelo. Contrariamente, la ruptura de los anillos

aromáticos es un proceso lento, específico de un grupo reducido de

microorganismos, incluyendo algunos hongos superiores y actinomycetes. Por

esta causa los anillos perduran largo tiempo en el suelo (Tabla 4).


Tabla 4: Especies de microorganismos ligninolíticos

Sustancias grasas: forman el tejido de reserva en la mayoría de los

organismos vivos, incluyendo bacterias y hongos. Son sustancias de alto poder

energético por el elevado contenido de C y escaso O. Están formadas por un

alcohol y cadenas de ácidos grasos de diferente cantidad de C y tipos de

uniones. En los microorganismos la composición química de los ácidos grasos

es muy variable por lo que actualmente se la utiliza como un carácter

taxonómico molecular. En general las sustancias grasas simples son muy

fáciles de degradar por los microorganismos, sin embargo algunas ceras

poseen moléculas de hidrocarburos saturados que hacen que sean de lenta

descomposición en el suelo.

Sucesiones microbianas de la descomposición de la MO fresca

La degradación de los residuos orgánicos es un proceso gradual donde

intervienen numerosas especies de organismos de alta diversidad funcional,

que actúan interrelacionados, extrayendo el máximo rendimiento energético

posible. En el suelo se establece una cadena trófica en base a la sucesión de

poblaciones microbianas con características metabólicas propias, de tal

manera que los productos metabólicos de un grupo de organismos son

utilizados sucesivamente por otros. En base a estas sucesiones se observan

diferentes etapas en la descomposición de la MO fresca del suelo.

Clasificación Efecto sobre la lignina

Hidrólisis de

anillos aromáticos

Degradación de

radicales libres

Ruptura de anillo

aromático

EubacteriasBacillus spp. + +Azotobacterspp. + +Pseudomonasspp. + +

ActinomycetesStreptomycesspp. + + +Nocardia spp. + + +

Hongos BasidiomycetesPleurotus spp. + + +Phanerochaetespp. + + +Coriolus spp. + + +Polyporus spp. + + +

Hongos AscomycetesXylaria spp. + + +Libertella spp. + + +Hypoxylon spp. + + +


1. Utilización de compuestos solubles de la MO fresca: las primeras

poblaciones que actúan sobre la MO fresca son las que habitan la superficie de

las hojas vivas (filosfera), que comienzan utilizando los compuestos solubles

del citoplasma celular. La presencia de paredes celulares con elevado

contenido de fibras insolubles (celulosa y lignina) y cutículas gruesas

(sustancias hidrófobas), dificulta la accesibilidad de los microorganismos a los

compuestos solubles. Por esta causa, en una primera etapa de

descomposición, la fauna edáfica detritívora cumple un rol muy importante

fragmentado los restos lo que posibilita una mayor superficie para la acción

microbiana.

El acceso microbiano a las paredes celulares se logra principalmente por

la acción de hongos pectinolíticos que disuelven las laminillas medias. Una vez

logrado el contacto con las paredes celulares los microorganismos obtienen los

compuestos solubles del citoplasma que difunden desde las células muertas.

La mayoría de los organismos metabolizan los compuestos solubles mediante

respiración aeróbica hasta CO2 y H2O. Sin embargo, y debido a que en esta

etapa existe gran cantidad de alimento disponible, muchos hongos sacarolíticos

(generalmente Zigomycetes) metabolizan los azúcares solubles mediante

oxidaciones incompletas produciendo gran cantidad de ácidos orgánicos (Fig.

8).

2. Degradación de polímeros: en general la degradación de las paredes

celulares es un proceso lento donde actúan varios grupos microbianos de

manera sinérgica trozando los polímeros y utilizando los monómeros liberados.

Como las paredes celulares son muy complejas se establecen las siguientes

sucesiones: a) degradación de las hemicelulosas (proceso rápido), b) ruptura

de los puentes de H que soportan la estructura de la fibra de celulosa, c)

ruptura de los enlaces β1-4 (enzimas celulolíticas) con liberación de glucosas

(proceso lento), d) ruptura de las uniones y consumo de radicales de la lignina

con liberación de anillos aromáticos. Los microorganismos que hidrolizan los

polímeros no consumen todos los monómeros liberados sino que la mayor

parte pasa al medio donde son metabolizados por un gran número de

organismos. Simultáneamente a la ruptura de la pared celular, otros grupos de

microorganismos acceden al citoplasma hidrolizando los compuesto insolubles

(almidón, ácidos nucleicos, proteínas, etc.) y liberando gran cantidad de

monómeros (glucosas, aminoácidos, etc.) (Fig. 8).


3. Degradación de monómeros en el suelo: Una importante proporción

de los compuestos solubles liberados de la MO fresca (ácidos orgánicos,

glucosas, fenoles, aminoácidos, etc.), percolan y se incorporan a la solución

que circula en los poros del suelo constituyendo la MO no humificada. En el

suelo, los monómeros son metabolizados por los microorganismos localizados

en la zona externa de los agregados. En esta situación, predominan

organismos de respiración aeróbica, muy activos y de rápido crecimiento que

acumulan gran cantidad de C en su biomasa. A medida que la disponibilidad de

O2 del suelo disminuye, a causa de la actividad respiratoria, estas poblaciones

son reemplazadas por organismos fermentadores que producen ácidos

orgánicos y alcoholes. Cuando en los poros del suelo se restituye la

disponibilidad de O2, los productos de la fermentación son oxidados hasta CO2

y H2O. Ambos mecanismos, respiración y fermentación, se dan de manera

sucesiva o simultánea en el suelo, dependiendo de las condiciones

ambientales.

Los cambios en la concentración de O2 provocan gran mortandad de

individuos, cuya biomasa se transforma en una importante fuente de MO

fresca que es degradada internamente en el suelo mediante procesos

similares a la MO superficial (primero los compuestos solubles, después los

polímeros más simples y luego la mureína, quitina, etc.). Si la disponibilidad de

O2 no se restituye en el suelo (por ej. en suelos anegados), pero persiste gran

cantidad de MO no humificada o biodisponible, actúan microorganismos con

respiración anaeróbica, que utilizan NO3- y SO4

-2 como aceptores de H,

produciendo CO2 y N2, N2O y H2S que se volatilizan (denitrificación y

desulfatación) (Fig. 8).

4. Degradación de compuestos recalcitrantes (resistentes al ataque

microbiano): cuando disminuye la cantidad de C fácilmente degradable (MO no

humificada), las poblaciones microbianas declinan en mayor o menor grado

dependiendo de la capacidad de adaptación y resistencia. Muchas bacterias

esporulan, pero otras sobreviven mediante estados de latencia y cambios en la

estructura de la pared celular. Bajo estas condiciones, organismos poco

competitivos que se han visto relegados frente al alto crecimiento de otros

microorganismos, tienen posibilidad de acceder a las fuentes de energía

remanentes. Estas fuentes son compuestos de difícil descomposición (anillos

aromáticos, grasas, ceras, quitina, mureína, etc.), que son metabolizados

lentamente. Por este motivo, los microorganismos que actúan en esta etapa


son de crecimiento lento, poco numerosos y son responsables de la síntesis y

condensación de las grandes moléculas orgánicas que constituyen la MO

nativa o humus del suelo (Fig. 8).

Fig. 8: Proceso de descomposición de la materia orgánica

Materia orgánica nativa o humus

El humus del suelo está formado por polímeros muy complejos originados por

condensación y polimerización de moléculas orgánicas recalcitrantes (fenoles)

unidas por productos del metabolismo microbiano. Además de los anillos

aromáticos provenientes de la degradación de la lignina, muchos

microorganismos sintetizan sustancias fenólicas. Por ej., las melaninas

(producidas por los hongos) otorgan la típica coloración oscura al humus

(tierra negra). Muchos elementos minerales forman parte de las moléculas de

humus. El más importante es el N que puede presentarse dentro de grupos

aromáticos (pirroles) y como grupos amina en las cadenas laterales.

Debido a la presencia de radicales de carácter ácido, el humus se

encuentra estrechamente asociado a la fracción inorgánica del suelo,

formando los agregados. Entre ambas fracciones se establecen uniones

respiración

aeróbica

Descomposición

de MO fresca

COMPUESTOS

SOLUBLES

POLÍMEROS

MONÓMEROS

CO2 + H2O

SO4-2 NO3

-

SH2 N2O/ N2

HUMUS

respiración anaeróbica

humificación

volatilización

Procesos bióticos (microbianos)

Procesos abióticos

oxidación

incompleta

ácidos orgánicos

+ H2O+ CO2

(almidón, celulosa, lignina)

(glucosa, aminoacido, fenol)deshumificación

percolación

amilolisis

celulolisis

ligninolisis, etc

SO4-2

Fermentacion

ácidos orgánicos

+ alcoholes +

gases


catiónicas (unión de un catión entre las cargas negativas de las arcillas y los

radicales ácidos del humus) y otras ligaduras más débiles como los puentes

H, interacciones de Van der Vaals, enlaces polivalentes (Fig. 9).

Fig. 9: Estructura de un ácido húmico mostrando las interacciones físico-

químicas con una partícula de arcilla

La formación de agregados beneficia la fertilidad edáfica ya que otorga

mayor porosidad, aumenta la capacidad de retención de agua y favorece el

intercambio calórico y la circulación del aire en el suelo. Asimismo, los

radicales ácidos de las moléculas de humus contribuyen a la capacidad de

intercambio catiónico, la regulación del pH, y actúan como reserva de

nutrientes (NH4+, Ca+2, Mg+2, etc.).

Las sustancias húmicas son insolubles, con alta proporción de C y baja

cantidad de O. Son escasamente biodegradadas por los microorganismos, lo

que hace que sean muy estables en el suelo. La estabilidad de las sustancias

húmicas varía según el tamaño de la molécula y el tipo de uniones químicas.

Generalmente estas características están asociadas al grado de madurez del

humus. Normalmente se distinguen dos tipos de sustancias húmicas: ácidos

húmicos (Fig. 10) y ácidos fúlvicos (Fig. 11).

Los ácidos húmicos poseen moléculas de elevado peso molecular

(10.000 a 100.000) y uniones de alta complejidad resultado de largos

procesos de maduración. Contrariamente, los ácidos fúlvicos son de menor

peso molecular (1000 a 30.000), mayor proporción de cadenas laterales y con

M Catión

Fenol

Arcilla

Ácido húmico

Pirrol con N


uniones químicas menos estables, lo que los hace más susceptibles a la

degradación microbiana. Cuando en el suelo existe déficit de MO no

humificada o biodisponible, los microorganismos recurren a las sustancias

húmicas como fuente de C y energía. Bajo esas condiciones los

microorganismos utilizan los ácidos fúlvicos y solo degradan los ácidos

húmicos en situaciones de alto impacto productivo.

Fig. 10: Composición elemental de los ácidos húmicos

Fig. 11: Composición elemental de los ácidos fúlvicos

Tabla 5: Composición química de los ácidos fúlvicos y húmicos

Constituyentes Ácidos fúlvicos Ácidos húmicos

C (%) 49.5 56.4

H (%) 4.5 5.5

N (%) 0.8 4.1

S (%) 0.3 1.1

O (%) 44.9 32.9

Cenizas (%) 2.4 0.9

OCH3 (%) 0.5 10

COOH (%) 9.1 4.5

Fenoles (%) 3.3 2.1

Acidez total (%) 12.4 6.6


Balance humificación–deshumificación

La cantidad de humus de un suelo es resultado del balance que se establece

entre la síntesis y la degradación de las moléculas complejas. Estos procesos

pueden ser sucesivos o simultáneos y son afectados por numerosos factores

ambientales. Entre los más importantes se incluyen:

a) Cantidad de MO fresca aportada: el ingreso de MO al sistema suelo es

muy variable dependiendo de tipo y estructura de la vegetación. Por ej. las

leñosas caducas aportan mayor cantidad de residuos que las perennes, el

cultivo de maíz mas que el de soja, etc. Generalmente el aporte de MO

fresca se produce a manera de pulsos debido a que existen épocas del año

con mayor aporte (cosecha, defoliación, etc.). Por tal motivo, hay mayor

humificación cuando existe MO no humificada o biodisponible y mayor

deshumificación en las épocas de escasez de MO fresca.

b) Composición química de la MO fresca: es un factor de suma importancia

debido a las grandes diferencias en los procesos de degradación de los

compuestos de la MO fresca. Restos orgánicos con alta concentración de

lignina y celulosa tienen alto potencial de humificación (por ej. tallos

secundarios de leñosas, cañas de gramíneas, etc.). Contrariamente, hojas

frescas de plantas jóvenes aportan gran cantidad de compuestos solubles

de fácil degradación y bajo potencial de humificación.

Se suele utilizar un índice de calidad para establecer el potencial de

humificación de la MO fresca, el cual se calcula relacionando la cantidad de

compuestos fácilmente descomponibles con los más recalcitrantes:

compuestos solubles + hemicelulosas + proteínas

celulosa + lignina + ceras

a) Condiciones climáticas: en ambientes cálidos y húmedos (selvas

tropicales) se favorece la actividad microbiana, por lo que se consume toda

la MO fresca y no se produce humificación. Contrariamente, en ambientes

fríos o muy secos (tundras y desiertos), con escasa o reducida actividad

microbiana, los restos vegetales se acumulan sin degradar favoreciendo la

humificación.


b) Prácticas de manejo: toda práctica de manejo que modifique la cantidad

y calidad de MO fresca que ingresa al suelo, altera los procesos de

humificación - deshumificación (por ej. talas, sobrepastoreo, monocultivos,

etc.). Algunas prácticas de manejo son de muy alto impacto y colocan al

suelo en situaciones de extremo estrés, lo cual desencadena procesos de

deshumificación irreversibles. La labranza continua en suelos agrícolas

ocasiona grandes pérdidas de humus debido a que el laboreo incorpora,

mezcla y tritura la MO fresca (rastrojo), activa la primera etapa de la

degradación de los residuos, destruye los agregados e impide la

descomposición gradual y la condensación de moléculas recalcitrantes

formadoras de humus. Otra de las prácticas de alto impacto es la quema de

la vegetación: el fuego elimina toda la MO superficial y, dependiendo de la

intensidad y duración, provoca la combustión de la MO nativa.

Para poder estimar la tendencia de un suelo a humificar o perder MO,

se suele utilizar un índice, denominado Índice de mineralización, que

relaciona la producción de CO2 (indicador de actividad microbiana) y la cantidad

de MO del suelo (MO fresca, en descomposición y nativa): C-CO2/C-MO. Los

valores de este índice varían entre 0.5 y 3.5. Valores = 1 indican un suelo con

un equilibrado balance humificación-deshumificación, valores inferiores a 1,

indican procesos de humificación, mientras que valores superiores a 1 indican

pérdidas de C por deshumificación.

CO2: dióxido de carbono liberado por respiración microbiana

MO: materia orgánica fresca, no humificada y humificada.

Tasa de descomposición de la MO fresca

El proceso de descomposición representa el principal flujo de C y nutrientes

en muchos ecosistemas terrestres, por lo que cuantificar la tasa de pérdida de

la MO fresca y los cambios en los nutrientes asociados a la MO fresca es un

aspecto importante para evaluar el funcionamiento del ecosistema. La

descomposición de la MO fresca juega un rol importante en la acumulación de

C y nutrientes, como así también en la tasa y sincronización de la liberación

de nutrientes en forma disponible para ser utilizado por las plantas y la biota

Índice de mineralización = CO2 / MO


del suelo. La descomposición de la MO fresca es controlada por la cantidad

de MO fresca (morfología y química de los restos vegetales principalmente),

condiciones abióticas (temperatura, humedad, textura del suelo, etc.) y la

actividad biótica (microbiana y fauna). Los procesos de descomposición

pueden servir como una “variable integradora” para la evaluación del

funcionamiento del ecosistema, para la comparación de diferentes

ecosistemas y para evaluar las prácticas de manejo u otras influencias

antrópicas.

La descomposición involucra no sólo la pérdida de biomasa, sino

también involucra el lixiviado o lavado de compuestos orgánicos solubles e

inorgánicos, la degradación de la MO y la trituración o fragmentación física de

la MO fresca. Teniendo en cuenta la gran cantidad de factores que inciden

sobre la degradación de los residuos orgánicos, la tasa de descomposición no

es un valor constante a lo largo del año. Generalmente la curva de

descomposición tiene una fase corta de máxima pendiente cuando la MO

fresca ingresa al suelo (cosecha, defoliación), y luego una fase larga de

menor pendiente. Estas fases se corresponden con las etapas de

degradación de compuestos fácilmente descomponibles y de compuestos

recalcitrantes respectivamente (Fig.12).

Fig. 12: Curva de descomposición teórica o convencional

Este patrón de curva convencional puede diferir sustancialmente

dependiendo del clima y las condiciones de manejo. Por ejemplo en zonas

áridas con inviernos secos y con caída de MO fresca durante el otoño, la

curva presenta dos fases de pendiente pronunciada: una correspondiente al

0

20

40

60

80

100

120

0 3 6 9 12

pes

o r

eman

ente

(%

)

meses


ingreso de MO y la otra mayor cuando las condiciones de humedad y

temperatura activan los procesos de degradación microbiana (primavera-

verano)(Fig. 13).

Fig. 13: Curva de descomposición en ambiente zona árida

La velocidad de descomposición anual de denomina tasa de

descomposición (k), y generalmente es un valor constante en ecosistemas no

modificados por el hombre. Se calcula mediante la siguiente ecuación:

Xt

Xo e - k . t

Xt = peso remanente al tiempo t

Xo = peso inicial.

k= pendiente.

En base a la constante k se puede calcular la tasa de retorno de C al

suelo:

tr = 1

k

0

20

40

60

80

100

120

inicila invierno primavera verano otoño

pe

rdid

a d

e p

eso

(%

)

0

100

200

300

400

500

llu

via

(m

m)

Activación de procesos microbianos por

temperatura y humedad

i


Generalmente los ecosistemas de climas tropicales y los altamente

estacionales poseen tasas de descomposición altas, mientras que los de climas

fríos y/o desérticos tienen tasas muy bajas, lo que implica tasas de retorno de

C muy altas y muy bajas respectivamente.

Tabla 6. Tasas de descomposición de distintos ecosistemas:

Ecosistema k tr (años)

Chaco Árido (Argentina) 0.95 1.05

Sabana seca (Sudáfrica) 0.10/ 0.35

Bosque subtropical seco (India) 0.43/ 0.61 2.33 / 1.64

Bosque tropical seco (Costa Rica) 0.43 / 1.02

Bosque deciduo tropical (México) 0.73 1.37

Bosque seco tropical (Belize) 1.76 0.57

Bosque seco subtropical (Puerto Rico) 0.35 2.87

Bosque subtropical húmedo (Argentina) 0.47/ 0.79

Desierto Chihuahuan (México) 0.48 / 0.64

Chaparral arbustivo (USA) 0.20/ 0.23 4.88 / 4.55


UNIDAD VI: DISPONIBILIDAD DE NUTRIENTES PARA LAS PLANTAS

El término nutriente disponible se aplica a los minerales que están solubles en

la solución del suelo y que pueden ser absorbidos por las plantas. Los

nutrientes solubles en el suelo se originan de reacciones químicas inorgánicas

a partir de la roca madre o mediante procesos biológicos (reacciones

bioquímicas).

La mayoría de los procesos microbianos involucrados en la

disponibilidad de nutrientes están relacionados con la liberación de los

elementos minerales durante el proceso de descomposición de los restos

orgánicos que se depositan en el suelo. Muchas moléculas orgánicas poseen

elementos minerales mayoritariamente N, P y S, por ej. proteínas, ácidos

nucleicos, vitaminas, etc.

Durante el proceso de descomposición las cadenas carbonadas de

dichas moléculas orgánicas son utilizadas como fuente de energía y C,

mientras que los componentes minerales son liberados siguiendo diferentes

vías según el mineral de que se trate. El proceso de liberación de minerales de

las moléculas orgánicas se denomina mineralización (Fig. 1).

Fig. 1: Procesos microbianos de la liberación de nutrientes (N, F y S)

asociados a la degradación de materia orgánica fresca.

respiración

aeróbica

Descomposición

de MO fresca

COMPUESTOS

SOLUBLESPOLÍMEROS

MONÓMEROSHUMUS

respiración anaeróbica

volatilizaciónProcesos bióticos (microbianos)

Procesos abióticos

oxidación

incompleta

percolación

amilolisis

celulolisis

ligninolisis, etc

Fermentacion

N2

Fijación Biológica

mineralización

NH4+

NO3-

SH2 PO4-3

SO4-2

sulfoxidación

NH3 SH2

volatilización

lixiviación y/o

escorrentía

asimilación(microorganismos y plantas)

nitrificación

adsorción

(arcillas)

asimilación

(microorganismos y plantas)

denitrificación

N2 - N2O

Precipitación

sedimentación

Precipitación

SO4-2 / SO2

solubilización

desulfatación

H2S


Disponibilidad de Nitrógeno

El N es el elemento mineral más importante en la constitución de las

moléculas orgánicas. El N presente en el suelo proviene mayoritariamente de

la materia orgánica de los restos incorporados al suelo ya que el N no es un

componente geoestructural del suelo (no hay minerales con N en la roca

madre). La atmósfera constituye el mayor depósito de N en la naturaleza, el

aire tiene un 78% de N gaseoso en forma de N2, NO y N2O. El N atmosférico

puede ingresar al suelo por precipitación atmosférica y fijación biológica.

Debido a la gran versatilidad química del N (actúa con valencias desde

-3 a +5) los procesos biológicos que involucran al N son muy variados

permitiendo la oxidación y reducción de varios compuestos.

Los estados de oxidación más comunes del N son: -3 en el amoníaco

(o su ion amonio) y en las aminas de las moléculas orgánicas; 0 en el gas

biatómico en la atmósfera; +3 en el nitrito; y +5 en el nitrato. En menor

cantidad está como +1 y +4 en los óxidos de N gaseoso proveniente de la

quema de combustibles fósiles.

Degradación de compuestos nitrogenados

La mineralización del N de los restos orgánicos en descomposición incluye

varios pasos:

Amonificación

La amonificación consiste en la ruptura del enlace amina y la

consecuente liberación de amonio. Los microorganismos amonificadores no

-3

NH3

-2

N2H4

-1

N2H2

0

N2

+1

N2O

+2

NO

+3

NO2-

+4

NO2

+5

NO3-

(OXIDACIÓN) NITRIFICACIÓN

(REDUCCIÓN) ASIMILACIÓN (vegetales y m.o.)

DENITRIFICACIÓNFIJACIÓN


obtienen energía por la ruptura del enlace sino que la obtienen de la oxidación

de las cadenas carbonadas (metabolismos quimio-órgano-heterótrofos). Mucho

del amonio liberado es reutilizado por los microorganismos para sintetizar sus

proteínas estructurales y funcionales y el excedente es liberado al medio.

Los microorganismos que realizan amonificación son muy numerosos y

diversos: hongos, actinomycetes y bacterias aeróbicas y anaeróbicas,

esporuladas o no, etc. Dependiendo del tipo de microorganismo varía la

relación entre el N incorporado al citoplasma y el N liberado al medio. Por ej.

los hongos tienen menor proporción de N citoplasmático (C/N=10) por lo que

requieren proporcionalmente menor cantidad de N y liberan más N al medio

que las bacterias (C/N=5).

Los compuestos orgánicos con N más abundantes en el suelo son:

proteínas, urea, ácidos nucleicos, aminoácidos, quitina (pared celular de

hongos y exoesqueletos de insectos), mureína (pared celular de bacterias)

ácidos húmicos (en grupos pirroles y cadenas aminadas), etc.

El amonio liberado por los microorganismos en la solución del suelo

puede ser (Fig. 3):

Asimilado por las plantas y otros microorganismos

Fijado a la superficie de las arcillas (las arcillas poseen cargas

negativas)

Incorporado a los ácidos húmicos (ver composición de los ácidos

húmicos en la Unidad V).

Oxidado por algunos microorganismos para obtener energía

(metabolismo quimio-lito-autótrofos)

Volatilizado como amoníaco en condiciones de sequía en el suelo

Si bien a la planta le significa menor gasto energético utilizar amonio en

vez de nitrato (no necesita ser reducido para incorporarlo a los aminoácidos), la

gran capacidad de las arcillas para fijar amonio a sus cargas negativas hace

que en la solución del suelo haya escasa cantidad de amonio disponible para

las plantas.

Debido a la gran diversidad de organismos amonificadores, la

amonificación es un proceso que no tiene factores limitantes en el suelo.


Siempre habrá algún microorganismo capaz de amonificar en las condiciones

ambientales o de manejo que se presenten (Fig 1).

Nitrificación

La nitrificación consiste en la oxidación del amonio produciendo nitrito y

nitrato. Esta oxidación la realizan organismos de metabolismo quimio-lito-

autótrofo, es decir obtienen energía de la oxidación de un compuesto

inorgánico y sintetizan C orgánico a partir del CO2 del aire (por el ciclo de

Calvin).

Los microorganismos capaces de oxidar el amonio (Nitrobacterias) son

estrictamente aeróbicos muy poco abundantes y de escasa diversidad. Las

Nitrobacterias tienen forma de bacilos, cocos o espirilos, son Gram positivas,

flageladas, no forman esporas y presentan gran cantidad de membranas

intracitoplasmáticas. Debido a que la oxidación del amonio genera escasa

cantidad de energía, los microorganismos nitrificadores se reproducen muy

lentamente (tiempos de generación de 40 hs.), lo que hace que sea un grupo

funcional muy sensible a las variaciones ambientales y de manejo y que

cualquier cambio en el suelo afecte su abundancia y actividad.

La nitrificación la realizan dos grupos de microorganismos: los

nitritadores (gen. Nitrosomonas) que oxidan amonio a nitrito y los nitratadores

(gen. Nitrobacter) que oxidan nitrito a nitrato. Debido a las diferencias en el

salto de potencial redox, el primer grupo obtiene mayor cantidad de energía

que el segundo. Se estima que para fijar un mol de CO2 por el ciclo de Calvin

los nitritadores requieren 35 moles de N, mientras que los nitratadores

requieren 100 moles de N.

Los microorganismos nitritadores soportan amplios rangos de pH (entre

5 y 9) debido a que transforman un catión en anión, mientras que los

nitratadores tienen rangos muy estrechos y son afectados por el pH alto. Este

aspecto es de suma importancia debido a que la alcalinización del suelo (por ej.

inmediatamente después de aplicar urea) puede hacer que el proceso de

nitrificación se interrumpa en su última etapa y se acumulen nitritos en el suelo

que son compuestos tóxicos para la mayoría de los organismos.

El nitrato originado por nitrificación es altamente soluble en la solución

del suelo y puede ser (Fig. 3):


Asimilado por las plantas y microorganismos

Utilizado como aceptor de protones por microorganismos de

respiración anaeróbica y transformado a gases de N (denitrificación)

Lixiviado hacia horizontes profundos del suelo y napas de agua.

Lavado por escorrentía

Acumulado en el suelo cuando hay escasa humedad y falta de

consumo por las plantas

Contrariamente a lo que sucede con el amonio, el nitrato debido a su

alta solubilidad, es la fuente nitrogenada más accesible para la planta aunque

su asimilación requiera un gasto energético (enzima nitrato reductasa).

La disponibilidad de nitrato en el suelo es muy variable y heterogénea

debido a su alta movilidad y es muy dinámica en el tiempo porque puede

transformarse rápidamente (lixiviarse, denitrificarse, ser asimilado, etc.). Por

tales motivos, cuando se requiere evaluar el contenido de nitratos en el suelo

se deben hacer muestreos periódicos y tomar gran cantidad de muestras.

Asimismo cuando se fertiliza con compuestos amoniacales debe tenerse muy

en cuenta la sincronización entre el momento de producción de nitrato y los

requerimientos del cultivo

Los factores clave para la disponibilidad de nitratos en el suelo son: a)

abundancia de amonio, b) presencia de O2 (los nitrificadores son estrictamente

aeróbicos) y c) humedad (60% de capacidad de campo). Debido a que la

cantidad de amonio disponible depende de los procesos de amonificación, un

factor de suma importancia es la presencia de restos orgánicos nitrogenados

en descomposición (Fig. 1).

Pérdidas de nitrógeno del suelo

El N disponible puede ciclarse dentro del suelo pero también puede

perderse. Los mecanismos más comunes de pérdida de N del suelo son: a)

volatilización del amoníaco (ver amonificación); b) lixiviación de nitrato (ver

nitrificación) y c) denitrificación de nitrato (Fig.3).

Denitrificación

Se llama denitrificación al proceso biológico de reducción de nitrato con

producción de N2 y óxidos de N gaseosos. Este proceso lo realizan

microorganismos con metabolismo quimio-órgano-heterótrofo de respiración


anaeróbica, es decir el nitrato (o nitrito) actúa como aceptor de e- al final de la

cadena respiratoria. Este metabolismo es típico de ambientes con escasez de

oxígeno como son los suelos anegados y los ecosistemas acuáticos. Los

microorganismos denitrificantes son muy eficientes en la obtención de energía

(aproximadamente 34 ATP/ glucosa), se reproducen rápidamente y son muy

competitivos.

Las bacterias que poseen la enzima para reducir el nitrato a N2 u óxidos

de N son muy variadas y pertenecen a diversas familias taxonómicas. Se

pueden diferenciar las bacterias denitrificantes estrictas que viven

generalmente en ambientes acuáticos (Pseudomonas denitrificans,

Microccocus denitrificans y Thiobacillus denitrificans) y de las que denitrifican

de manera alternativa cuando falta oxígeno en el suelo (especies de los

géneros Bacillus, Azospirillum y Rhizobium). Estas últimas son muy

abundantes y si hay oxígeno en el suelo tienen metabolismo de respiración

aeróbica.

El factor clave para que se produzca pérdida de N por denitrificación es

la falta de oxígeno. Esta situación se produce cuando la humedad del suelo

supera el límite de saturación y en micrositios donde existen transitoriamente

condiciones de anoxia. Estos sitios son: el interior de los agregados del suelo y

la zona que rodea las raíces de las plantas (las raíces respiran y diminuye el O2

para la actividad microbiana).

Otros factores muy importantes para la denitrificación son: la presencia

de restos orgánicos en descomposición (que proveen energía) y la abundancia

de nitratos. Si un suelo está permanentemente anegado la denitrificación se

detiene cuando todo el nitrato se ha transformado en gases de nitrógeno. Por

tal motivo, la situación en la que se produce mayor pérdida de N por

denitrificación es la que se conoce como “ciclo de inundación y sequía”. En

condiciones de sequía hay oxígeno en los poros del suelo y se produce

nitrificación y cuando hay exceso de humedad, falta oxígeno y se denitrifica el

nitrato formado (Fig. 2).


Fig. 2: Relación entre los procesos de amonificación, nitrificación y

denitrificación según el grado de saturación de agua de los poros del suelo

Si bien desde un punto de vista agronómico, la denitrificación puede

ser negativa, desde la perspectiva ambiental es un proceso imprescindible

para el ciclado de N en la naturaleza. Debido a que el mayor depósito de N es

el aire, el N que ingresa al suelo (por fijación y deposición) debe retornar en la

misma medida. En la actualidad se ha producido un desbalance en el retorno

de N a la atmósfera: ingresa mucho N por la aplicación de fertilizantes y

retorna muy poco debido a que se han eliminado muchas áreas inundadas

(humedales) donde naturalmente se produce la denitrificación. Además, el

conocimiento de los mecanismos de denitrificación es de suma utilidad para el

tratamiento de efluentes y residuos orgánicos. La eliminación de los

compuestos nitrogenados se realiza mediante tratamientos anaeróbicos para

favorecer la denitrificación. Sin embargo hay que considerar que, previo al

tratamiento anaeróbico debe necesariamente haber un proceso aeróbico para

que exista abundancia de nitratos en el agua de los efluentes.

En síntesis, en el caso del N, debido a su origen atmosférico

predominan los procesos de intercambio con la atmósfera: volatilización,

precipitación y fijación. Además a causa de la alta solubilidad del nitrato, es

muy importante la lixiviación (Fig. 3).

Denitrificación

Nitrificación

Amonificación

Espacio de poro ocupado por agua (%)

H2O limitante O2 limitante


Fig. 3: Procesos bióticos (microbianos) y abióticos involucrados en la

disponibilidad de nitrógeno

Disponibilidad de Fósforo

A diferencia del N, el P disponible para las plantas proviene mayoritariamente

de reacciones químicas inorgánicas y en menor medida de la actividad de los

microorganismos (procesos biológicos) del suelo. Esto se debe a que el mayor

depósito de P en la naturaleza lo constituyen los minerales que componen la

roca madre (apatitas) que liberan P durante los procesos de meteorización y

formación del suelo. Por tales motivos, la cantidad de P disponible depende en

gran medida de la geomorfología de cada suelo.

Si bien el P tiene los mismos estados de oxidación que el N (-3 a +5), en

el suelo se encuentra mayoritariamente como +5 (PO4-3): en las moléculas

orgánicas, en la solución del suelo y en la mayoría de los componentes sólidos

COMPUESTOS ORGANICOS

NITROGENADOS

N2

Fijación Biológica

Mineralización = Amonificación

NH4+

NO3-

NH3

Lixiviación y

escorrentía

Nitrificación

Adsorción

(arcillas)

Denitrificación

N2 - N2O

COMPUESTOS INORGANICO

Asimilación

(plantas/microorganismos)

Precipitación


Procesos abióticos

Volatilización

HUMUS

Escorrentía

Incorporación

ATMOSFERA

SUELO

Mineralización: liberación de nutrientes de las moléculas orgánicas (proceso biótico: microorganismos).

Asimilación: incorporación de minerales en las moléculas orgánicas (proceso biótico: plantas y microorganismos).

Volatilización: transformación de compuestos solubles en gases (proceso biótico y abiótico).

Precipitación atmosférica: transformación de gases en compuestos solubles (proceso abiótico).

Fijación: transformación de gases en compuestos orgánicos (proceso biótico).

Lixiviación: movimiento de compuestos solubles hacia horizontes profundos del suelo y acuíferos (proceso abiótico).

Escorrentía: movimiento de compuestos solubles y sedimentos por corrientes de agua superficial (proceso abiótico).


inorgánicos. El PO4-3 es poco soluble por lo que una gran proporción se

encuentra precipitado en los sedimentos o ligado a las partículas del suelo. Por

tal motivo, la cantidad de P disponible depende fuertemente del pH del suelo

que regula su solubilidad: pH menores de 6.5 favorecen que el P se ligue al Al

y al Fe, mientras que mayores de 8 provoca la precipitación como Ca3(PO4)2

Degradación de compuestos orgánicos fosforados

Durante el proceso de descomposición de restos orgánicos que se depositan

en el suelo, los microorganismos liberan P al consumir las cadenas carbonadas

de las moléculas que poseen P en su composición química (ATP, ácidos

nucleicos, fosfolípidos, etc.). Debido a que el P siempre tiene el mismo estado

de oxidación, ningún microorganismo oxida P para obtener energía. Esto hace

que el proceso de mineralización del P sea muy simple y lo realizan numerosos

microorganismos quimio-órgano-heterótrofos que poseen la enzima fosfatasa

(ruptura de la unión PO4-3).

El PO4-3 liberado de las moléculas orgánicas puede ser (Fig. 4):

Asimilado por las plantas y microorganismos

Incorporado al humus del suelo como fitatos

Precipitado en los sedimentos como Ca3(PO4)2 (pH > 8)

Ligado con Al o Fe (pH < 6.5)

El PO4-3 es muy poco móvil en la solución del suelo a causa de su

escasa solubilidad y por lo tanto es poco afectado por los procesos de

lixiviación, aunque puede ser arrastrado por escorrentías.

Además de la mineralización del PO4-3 los microorganismos juegan un

importante rol en la disponibilidad de P a través de procesos de solubilización.

Los microorganismos pueden producir ácidos orgánicos (mediante procesos

fermentativos y oxidaciones incompletas) y ácidos inorgánicos (quimio-lito

autótrofos) que bajan el pH del suelo favoreciendo la solubilización del

Ca3(PO4)2 precipitado.

Esta disminución del pH se localiza en microambientes con alta

actividad microbiana, por lo que la mayor dinámica en la disponibilidad de P

se produce en la zona rizosférica en estrecho contacto entre los

microorganismos y las raíces. Los hongos son los principales


microorganismos que participan de la dinámica del P en interacción con las

raíces de las plantas.

En síntesis y contrariamente al N, el P no tiene participación con la

atmósfera y los procesos más importantes son los relacionados con los

sedimentos y rocas del suelo: solubilización y sedimentación (Fig. 4).

Fig. 4: Procesos bióticos y abióticos involucrados en la disponibilidad de P

Micorrizas

Se conoce como micorriza a la estrecha relación simbiótica que se

establece entre algunos hongos y las raíces de las plantas (mico = hongo; riza

= raíz). Como toda interacción positiva, las micorrizas se mantienen mientras

existe un costo beneficio equivalente para ambos integrantes de la simbiosis. El

hongo se localiza dentro y fuera de la raíz lo cual facilita el intercambio de

fotosintatos (de la planta al hongo) y nutrientes (del hongo a la planta).

El P es el nutriente más involucrado en la relación micorrítica debido a

su escasa solubilidad y movilidad. Los mecanismos por los cuales los hongos

favorecen la nutrición fosfatada de las plantas hospedadoras son:


FOSFORADOS

Mineralización de P

PO4 -3

Ca3 (PO4)2


Asimilación



Procesos abióticos

HUMUS

Incorporación

ATMOSFERA

SUELO

Sedimentación

Ligado Al o Fe

Escorrentía

Solubilización




Sedimentación: precipitación de compuestos solubles (proceso abiótico).

Solubilización: liberación de nutrientes disponibles desde los sedimentos y roca madre (proceso biótico y abiótico)


Exploración del suelo: las hifas cubren una área mucho más extensa

que los pelos radicales llegando a los lugares donde está el PO4-3 (Fig.

4).

Solubilización: los hongos micorríticos poseen metabolismo de

oxidación incompleta, debido a la alta disponibilidad de C, por lo que

producen ácidos orgánicos que solubilizan el P precipitado

Mineralización: los hongos micorríticos poseen enzimas fosfatasas

Concentración: los hongos pueden polimerizar los PO4-3 dentro del

citoplasma (ácidos pirofosfóricos) constituyendo una reserva para la

planta

Fig. 5: Raíces con y sin micorrizas

Se pueden diferenciar varios tipos de micorrizas según el grado de

interacción simbiótica y las especies de hongos y plantas involucradas. Los

tipos de micorrizas más conocidos son:

a) Ectomicorrizas: las hifas se localizan de manera externa modificando la

morfología de la raíz (raíces blancas, cortas y bifurcadas) y penetran

solo en los espacios intercelulares de la corteza radicular.

Generalmente este tipo de micorriza es la interacción entre hongos

superiores (basidiomicotas) y árboles de bosques templados (pinos,

robles, etc.). Debido a que las condiciones climáticas de los bosques

templados hacen que los procesos de descomposición sean lentos, la

función principal de las hifas de las ectomicorrizas es mineralizar y

transportar los nutrientes desde la hojarasca (restos vegetales que

forman parte de la materia orgánica fresca) hasta las raíces de las


planta. Las ectomicorrizas se reproducen mediante cuerpos de

fructificación que emergen en la base de los árboles hospedadores

(hongos de sombrero) (Fig. 6)

b) Endomicorrizas: las hifas no forman una capa externa ni modifican la

raíz pero penetran en las células corticales formando estructuras

llamadas arbúsculos (formas dendroides que facilitan el intercambio

con el hospedador) y vesículas donde se almacenan sustancias de

reserva (pirofosfato). Por tal motivo, también se las conoce con el

nombre de micorrizas vesículo-arbusculares (MVA). Este tipo de

micorriza es muy común entre los vegetales y participan especies de

hongos inferiores (zygomycotas) y se establecen principalmente en

suelos alcalinos o con bajo contenido de fósforo disponible. Las

endomicorrizas se reproducen mediante esporas localizadas en el

suelo sobre las hifas externas (no forman cuerpos de fructificación) (Fig

7).

Fig. 6: Corte de una raíz con Ectomicorrizas.

Fig. 7: Corte de una raíz con Endomicorrizas.

ECTOMICORRIZAS

manto

hifas

Apresorio (punto

de entrada)

Hifa intracelular

Vesícula

Hifa intercelular

ArbúsculosHifas externas

Esporas de paredes

gruesas

Arbúsculos

Pérdida de pelos radiculares

Presencia de arbúsculos

No forman manto

Presencia de hifas externas

Pueden haber vesículas

Apresorio (punto

de entrada)

Hifa intracelular

Vesícula

Hifa intercelular

ArbúsculosHifas externas

Esporas de paredes

gruesas

Arbúsculos

Pérdida de pelos radiculares

Presencia de arbúsculos

No forman manto

Presencia de hifas externas

Pueden haber vesículas


Tabla 1: Diferencias entre ectomicorrizas y endomicorrizas

ECTOMICORRIZAS ENDOMICORRIZAS

Presencia de manto

Presente Ausente

Modificación de la raíz

Se acorta y ensancha No se modifica

Invasión de la raíz

Penetra en los espacios intercelulares

Penetra dentro de la célula

Formación de vesículas y arbúsculos

Ausente Presente

Crecimiento en cultivo puro

Crece pero no fructifica No crece

Disponibilidad de Azufre

El S es el tercer elemento de importancia en la nutrición de las plantas. Los

procesos de disponibilidad de S presentan semejanzas tanto con los del N

como con los del P. Los estados de oxidación del S son muchos (-2 a +6) pero

solo tres tienen importancia en la naturaleza: -2 (sulfidrilo: SH-), 0 (S elemental)

y +6 (sulfato: SO4-2).

El mayor depósito de S está en los minerales de la roca madre como

sulfatos (yeso: CaSO4) y sulfuros (pirita: FeS2), pero también el S forma parte

de los gases de la atmósfera como H2S y SO2, producto de las erupciones

volcánicas y la quema de combustibles fósiles. Por tales motivos, el S

disponible para las plantas proviene en igual medida de reacciones químicas

inorgánicas y de la actividad de los microorganismos. El S puede ingresar al

suelo por precipitación atmosférica, por meteorización de la roca madre y por

descomposición de los restos orgánicos.

Degradación de compuestos orgánicos azufrados

Las principales moléculas orgánicas que poseen S en su composición química

son los aminoácidos (metionina y cisteina), las vitaminas (biotina, tiamina) y las

proteínas en los puentes disulfuro (queratina). Debido a los diferentes estados

de oxidación del S, la mineralización a partir de los restos orgánicos en

descomposición incluye varios pasos:


Sulfidrilación

La sulfidrilación consiste en la ruptura del enlace sulfridilo y la

consecuente liberación de H2S. Los microorganismos que realizan la

sulfidrilación no obtienen energía por la ruptura del enlace sino que la obtienen

de la oxidación de las cadenas carbonadas (metabolismos quimio-órgano-

heterótrofos). A semejanza de los microorganismos amonificadores, los

microorganismos que realizan sulfidrilación son muy numerosos y diversos:

hongos, actinomycetes y bacterias, aeróbicas y anaeróbicas, esporuladas o no,

etc.

El H2S liberado de las moléculas orgánicas puede ser:

volatilizado a la atmósfera (es un gas)

precipitado en los sedimentos como FeS2 (pH < 7)

oxidado por algunos microorganismos para obtener energía

(metabolismo quimio-lito-autótrofo)

Sulfoxidación

La sulfoxidación consiste en la oxidación del H2S produciendo S

elemental y sulfato. Esta oxidación la realizan microorganismos quimio-lito-

autótrofos (obtienen energía de la oxidación de un compuesto inorgánico y

sintetizan C orgánico a partir del CO2) y foto-lito-autótrofos (obtienen energía

de la luz, el poder reductor es un compuesto inorgánico y sintetizan el C celular

del CO2).

Los microorganismos capaces de oxidar el H2S son muy diversos y

abundantes e incluyen tres grupos muy diferentes:

Thiobacterias: son bacilos Gram positivos, no esporulados y móviles

por flagelación polar. Presentan metabolismo quimio-lito-autótrofo

tanto aeróbico como anaeróbico y son muy comunes en el suelo.

Sulfobacterias: son bacterias deslizantes filamentosas. Poseen

metabolismo quimio-lito-autótrofo estrictamente anaeróbico y habitan

ambientes acuáticos.

Thiorrodaceas y Chlorobiaceas: bacterias fotótrofas púrpuras y

verdes con metabolismo foto-lito autótrofo que viven en ambientes

acuáticos anaeróbios. Este grupo oxida el H2S hasta S elemental


(sólido), el cual es almacenado fuera o dentro del citoplasma como

gránulos. Los gránulos de S constituyen la sustancia de reserva de

las bacterias ya que cuando hay déficit de H2S completan la

oxidación pasando el S a sulfato.

Debido a la gran versatilidad de los microorganismos sulfoxidantes, el

proceso de liberación de sulfato casi no tiene condiciones limitantes. Se realiza

con muy variados valores de pH, de disponibilidad de oxígeno, de humedad,

etc. Por lo que es improbable que en un suelo no se realice sulfoxidacion y

exista deficit de sulfato disponible para las plantas.

El sulfato producido por oxidación del H2S puede ser:

asimilado por las plantas y microorganismos

precipitado en los sedimentos como CaSO4

utilizado como aceptor de protones por microorganismos de

respiración anaeróbica y transformado a gases de S (desulfatación)

lixiviado hacia horizontes profundos del suelo y napas de agua

lavado por escorrentía

acumulado en el suelo cuando hay escasa humedad y falta de

consumo por las plantas

Desulfatación

Se llama desulfatación al proceso biológico de reducción de sulfato con

producción de H2S gaseoso. Este proceso lo realizan microorganismos con

metabolismo quimio-órgano-heterótrofo de respiración anaeróbica, es decir el

sulfato actúa como aceptor de e- al final de la cadena respiratoria.

Las bacterias que poseen la enzima para reducir el sulfato a H2S son

muy escasas y pertenecen a especies de los géneros Desulfovibrio y

Desulfomaculum. Ambos géneros son anaeróbicos estrictos y viven tanto en

ambientes acuáticos como en suelos anegados. Los factores condicionantes

para que se produzca desulfatación son: escasez de oxígeno, alta

concentración de sulfatos y presencia de compuestos orgánicos en

descomposición.

Como la liberación de sulfatos es el suelo puede realizarse con o sin

oxígeno, la desulfatación en suelos anegados es un proceso continuo y no

necesita pulsos de humedad y sequia como la denitrificación. En ambientes


acuáticos salinos con alto contenido de sales de S, como es la Laguna Mar

Chiquita de Córdoba, existe una elevada actividad desultatadora, que también

se ve favorecida por la presencia de gran cantidad de restos orgánicos

depositados en el fondo de la laguna donde existen fuertes condiciones de

anoxia (el agua salada es más densa y posee muy poco oxígeno disuelto).

En síntesis, el S es uno de los nutrientes más complejos, porque

participa de la atmósfera y la roca madre, por lo que presenta casi todos los

procesos mencionados excepto la fijación biológica a partir de la atmósfera

(Fig. 8).

Fig. 8: Procesos bióticos (microbianos) y abióticos involucrados en la

disponibilidad de S.


con AZUFRE

Mineralización = sulfidrilación

H2S

SO4 ( o S0)

H2S

Lixiviación y

escorrentía

Sulfoxidaciónsedimentación

Desulfatación

H2S


Asimilación


Precipitación


Procesos abióticos

Volatilización

ATMOSFERA

SUELO

FeS2

sedimentación

CaSO4

SO4-2 / SO2

Solubilización



Volatilización: transformación de compuestos solubles en gases (proceso biótico y abiótico).

Precipitación atmosférica: transformación de gases en compuestos solubles (proceso abiótico).

Lixiviación: movimiento de compuestos solubles hacia horizontes profundos del suelo y acuíferos (proceso abiótico).


Sedimentación: precipitación de compuestos solubles (proceso abiótico).

Solubilización: liberación de nutrientes disponibles desde los sedimentos y roca madre (proceso biótico y abiótico)


UNIDAD VII: FIJACIÓN BIOLÓGICA DE N2

La fijación biológica de N2 (FBN) consiste en la transformación del N2 en NH4+,

el cual se incorpora inmediatamente a compuestos orgánicos (aminoácidos).

Es un proceso exclusivamente biológico realizado solo por algunos organismos

procarióticos que poseen la enzima Nitrogenasa (Nasa) conocidos como

diazótrofos, es decir consumidores de N2 (di=dos; azoto=N; trofo=comer). La

mayoría de los organismos diazótrofos tienen metabolismo quimio-órgano-

heterótrofo (aeróbicos y anaeróbicos), aunque también hay organismos foto-

lito-autótrofos (oxigénicos y anoxigénicos).

La FBN es un proceso reductor que consume gran cantidad de energía

(se estima entre 12 a 24 ATP por mol de N2 fijado) por lo que constituye una

vía metabólica alternativa para los microorganismos: solo la realizan si no

tienen otras fuentes de N que requieran menor costo energético, por ej. NH4+.

La FBN es la forma más importante de incorporación del N a la

superficie de la tierra. Se estima que del total de N ingresado solo el 10%

proviene de precipitación atmosférica (tormentas eléctricas) y el resto es por

proceso biológico. Sin embargo, en la actualidad mucho N atmosférico es

incorporado al suelo a través de los fertilizantes químicos. El mecanismo de

producción de fertilizantes se basa en una reacción química similar a la FBN

pero que en vez de utilizar la Nasa, se cataliza mediante altas temperatura

(1000°C) y presión (250 atmósferas). Este proceso industrial se conoce con el

nombre de Haber-Bosch y requiere un enorme gasto energético.

Enzima nitrogenasa

La enzima Nasa está integrada por dos sulfo-ferro-proteínas:

Unidad I (KP I): llamada dinitrogenasa o molibdo-ferro-proteína está

formada por 4 subunidades peptídicas con 24 átomos de Fe, 28 de S y 2 de

Mo. Tiene un peso molecular aproximadamente de 300 kDa. Esta unidad

constituye el sitio catalítico del N2 (ruptura del triple enlace N≡N) (Fig. 1).

Unidad II (KP II): llamada nitrogenasa reductasa es una ferro-proteína

posee dos subunidades peptídicas con 4 átomos de Fe y 4 de S. Tiene un peso

molecular de 60 kDa y participa en el transporte de e- desde las ferredoxinas a

la unidad I, donde se acoplan al N formando NH3 (Fig. 1)


Ambas unidades de la Nasa están codificadas en un gen llamado nif

que se localiza en un plásmido de las bacterias diazótrofas. El gen nif es un

complejo de varios genes que codifican la síntesis de ambas unidades de la

Nasa (nifD y nifK para la unidad I y nifH para la unidad II) y otros genes que

tienen funciones de regulación y control de la expresión de los genes fijadores.

El hecho de que los genes que codifican la FBN estén dentro de un plásmido

ha facilitado su manipulación genética lo que ha permitido grandes avances en

el conocimiento de las bases bioquímicas de la FBN y la generación de

organismos diazótrofos transgénicos.

Fig. 1: Estructura de la nitrogenasa

La presencia de O2 es el principal factor que regula la actividad de la

Nasa debido a que los e- transferidos desde la ferredoxina pueden ser

captados por el O2 (Fig. 3) y no llegar a la unidad II de la Nasa. Además, una

característica constante de la FBN es que cierta cantidad de los H+ transferidos

son reducidos por la Nasa antes de llegar al N y se transforman en H2 (gas). La

proporción de H2 formado varía según la cantidad de ATP y poder reductor que

tenga disponible la célula. Se menciona que con baja disponibilidad es mayor la

proporción de H2 y que, contrariamente, con alta disponibilidad predomina la

formación de NH4+.

Unidad IUnidad II

Transporte de e-

ATP N2

NH3

MoFe


Mecanismo de acción de la nitrogenasa

Fig. 2: Mecanismo de acción de la enzima Nitrogenasa.

La subunidad KP II (ferro-proteína), es la responsable de captar el poder

reductor a partir de la ferredoxina reducida, en este caso la ferro-proteína se

reduce y eso produce una disminución de su potencial redox que le permite

captar el complejo ATP-Mg+2, quien le permitirá acoplarse con la subunidad KP

I (molibdo-ferro-proteína). La molibdo-ferro-proteína, tiene un grupo prostético

molibdeno a quien se une el N2, al tomar los electrones provenientes de la

ferro-proteína, los transfiere al N2 que se reduce para formar NH4+, que queda

disponible para la planta.

La ecuación general más aceptada es:

N2 + 16 ATP + 8e- + 10 H+ 2 NH4+ + H2 + 16 ADP + 16 Pi

El NH4+ formado por fijación inmediatamente se incorpora a cadenas

carbonadas, generalmente provenientes del ciclo de Krebs, formando

aminoácidos. Los procesos más comunes son:

α-cetoglutarato + NH4+ + NADPH Glutamato + NADP+

Esta reacción se encuentra altamente restringida porque la enzima

responsable del proceso (Glutamato dehidrogenasa), tiene un Km para el

amonio muy elevado, necesitando concentraciones muy elevadas del mismo

para poder actuar y en esas concentraciones el amonio es tóxico para la

mayoría de los organismos.

Ferredoxina reducida

(Poder reductor)

Ferredoxina

oxidada

KP II KP II

KP II * KP II *

e-

Mg+2

ADP + Pi

ATP-Mg

ATPMg+2

ATP-Mg

KP II *N

N

KP I *

Mo

Mo

KP I *

Mo

Mo

N

N

KP I *

MoMo

2 NH4+

N2

Mecanismo de acción de la nitrogenasa

ATP-Mg


Esta reacción de fijación de NH4+ es sustituida por el proceso de

amidación o síntesis de Glutamina

Glutamato + NH4+ + ATP Glutamina

Glutamina + α-cetoglutarato 2 Glutamato

Por tal motivo la presencia de NH4+ actúa como un fuerte inhibidor de

la fijación ya que provee los grupos amino para la formación de los

aminoácidos sin el gasto energético de la fijación. Este aspecto es de sumo

interés práctico debido al efecto de los fertilizantes químicos amoniacales sobre

la FBN (Fig. 3).

Fig. 3: Factores reguladores de la fijación biológica de N2. Signo positivo (+)

indica que activa o favorece la FBN y signo negativo (-) la inhibe o retarda.

Km (Constante de Michaelis-Menten), es la concentración de sustrato necesaria para alcanzar la

mitad de la velocidad máxima de la reacción. Es una medida de la afinidad de una enzima por un

sustrato y a menor Km mayor afinidad por el sustrato.

N2

NH4+

O2

NH4+

humedad

mineralización

asimilación

intercambio

catiónico

textura de

suelo

respiración

aeróbica

vegetación

precipitación

calidad/cantidad

de MO

humedad

textura de

suelo

mineralogía

(+)

(-)

pH

MO

(-)

calidad/cantidad

de MO fresca

calidad/cantidad

de MO nativa

humificación/

deshumificación

Disturbio

antrópico

Ecosistema

Tipo de

sustrato

Estacionalidad

Factores distales

o secundarios

Factores proximales

o principales


Organismos fijadores de N2

Como ya ha sido mencionado, los organismos diazótrofos pertenecen a grupos

bacterianos muy variados. En general la FBN es un carácter muy primitivo y

altamente adaptativo. Los primeros organismos vivos sobre la superficie del

planeta, sólo disponían del N atmosférico para sus funciones metabólicas, por

lo que la fijación era una condición imprescindible para la vida. Por tal motivo,

lo genes nif están presenten en muchas Archaeas y en otras bacterias que

evolucionaron a partir de ellas. Sin embargo, dadas las condiciones actuales, la

FBN pasó a ser un carácter alternativo que generalmente se expresa cuando

existe déficit de NH4+ en el ambiente. Además, teniendo en cuenta que en la

atmósfera primitiva del planeta no existía O2, las bacterias diazótrofas actuales

tuvieron que desarrollar muy variados mecanismos de regulación de la tensión

de O2 para permitir el funcionamiento de la Nasa.

Los principales grupos que presentan bacterias diazótrofas son:

Bacterias fotótrofas

Son organismos con metabolismo foto-lito-autótrofo, con fotosíntesis

anoxigénica. Es decir, utilizan la energía de la luz, el poder reductor del SH2 y

fijan el CO2 del aire sin producir O2. Se considera que estas bacterias fueron

los primeros habitantes de la tierra debido a su capacidad de vivir solo a partir

de los gases atmosféricos producto de las erupciones volcánicas: CO2, N2 y

SH2. Este grupo de diazótrofos no posee ningún mecanismo adaptativo de

protección de la Nasa porque viven en ambientes totalmente anaeróbicos con

alto contenido de SH2, como son los sedimentos y aguas profundas de lagos y

mares. En estos ambientes, las bacterias fotótrofas son los principales

organismos productores ya que realizan fotosíntesis y FBN.

Cianobacterias

Las cianobacterias también tienen metabolismo foto-lito-autótrofo pero con

fotosíntesis oxigénica (producen O2 a partir del poder reductor del agua).

Debido a la producción de O2, la fotosíntesis es totalmente incompatible con la

FBN, por lo que algunas cianobacterias filamentosas han desarrollado células

especiales para contener la Nasa en condiciones de baja tensión de O2. Estas

células especiales se denominan heterocistos y consisten en células más

grandes que las vegetativas, rodeadas por una pared celular multicapa. La


composición química de esta pared es muy variada: capas muy gruesas de

glicolípidos, mureína y polisacáridos que impiden la difusión del O2. Los

heterocistos se conectan mediante poros con el resto de las células del

filamento para el intercambio de fotosintatos y compuestos nitrogenados (Fig. 4).

Fig. 4: Cianobacteria filamentosa

Las cianobacterias viven superficialmente en ambientes acuáticos o

inundados periódicamente (como por ej. en cultivos de arroz y costras de suelo

arcilloso). Generalmente son de vida libre aunque algunas especies establecen

simbiosis con plantas inferiores (helechos y gimnospermas) y con otros

microorganismos (hongos).

Es bien conocida la asociación de la cianobacteria Anabaena con el

helecho acuático del género Azolla. La cianobacteria se aloja dentro de las

hojas del helecho en cámaras que contienen aire para flotación. El helecho le

provee de fotosintatos y la cianobacteria libera los compuestos nitrogenados

que absorben las hojas del helecho.

La asociación con hongos (líquenes) es muy común en ambientes con

condiciones extremas y con déficit de N disponible para el hongo, por ej. rocas

y arenales. El hongo provee las condiciones de humedad y protección y la

cianobacteria aporta fotosintatos y compuestos nitrogenados.

La simbiosis con las Cycadaceas (gimnosperma primitiva) es muy visible

ya que la cianobacteria forma estructuras semejantes a nódulos en el cuello de

la planta. Las cianobacterias pierden su capacidad de fotosintetizar, utilizan los

fotosintatos de la planta y a cambio le proveen compuestos nitrogenados.


Actinomycetes

Las bacterias de este grupo son Gram positivas, tienen forma de hifa y poseen

metabolismo quimio-órgano-heterótrofo de respiración aeróbica, por lo que las

especies fijadoras de N2 han desarrollado estructuras especiales para aislar a

la enzima Nasa del O2. A semejanza con las cianobacterias, las especies

diazótrofas poseen células de paredes engrosadas llamadas vesículas donde

se realiza la FBN.

Todos los actinomycetes fijadores de N2 viven en simbiosis con plantas

leñosas no leguminosas y se los agrupa dentro del género Frankia. Las

bacterias se alojan en grandes nódulos leñosos en estrecho contacto con el

sistema vascular de la raíz a través del cual se realiza el intercambio: la planta

provee fotosintatos y Frankia los compuestos nitrogenados. En un corte de

nódulo se puede ver claramente la presencia del micelio y las vesículas que

contienen la Nasa (Fig. 5).

La simbiosis es muy importante en ambientes de desierto, dunas y

suelos muy rocosos donde las plantas con actinomycetes (actinorrizas) son

pioneras en las sucesiones vegetales ya que pueden soportar condiciones

extremas de sequía, elevado pH y escasez de N en el suelo. Las plantas con

actinorrizas más conocidas son árboles de los géneros Casuarina y Alnus y

arbustos de los géneros Colletia, Ceanothus y Discaria.

Fig. 5: A) el árbol Casuarina glauca, B) aspecto morfológico de la bacteria

Frankia en cultivo puro, C) actinorrizas de C. glauca

A: el árbol Casuarina glauca; B: aspecto morfológico de la bacteria Frankia en cultivo puro;

C: actinorrizas de C. glauca.


Eubacterias

Hay muchas especies de bacterias verdaderas capaces de fijar N2, todas son

quimio-órgano-heterótrofas (respiración aeróbica y fermentación) y viven tanto

libres como en simbiosis. Dentro de las bacterias de vida libre que viven en el

suelo es importante diferenciar las condiciones ambientales en que se

desarrollan por su relación con los mecanismos de protección de la Nasa.

1) Bacterias diazótrofas aeróbicas de vida libre: son muy comunes y están

ampliamente distribuidas en el suelo. Generalmente se las agrupa dentro del

género Azotobacter y se caracterizan por ser bacterias Gram negativas,

móviles y de respiración aeróbica, por lo que para poder realizar FBN poseen

adaptaciones morfológicas y fisiológicas muy importantes.

En general son bacterias de gran tamaño con gran cantidad de

membranas intracelulares y capas mucosas externas. Se cree que estas

características ayudan a regular el paso del O2 desde el exterior y crear

condiciones de baja tensión en el centro de las células donde se localiza la

Nasa. La mayor adaptación fisiológica de Azotobacter es la presencia de ciclos

de respiración-fijación. Se conoce que la bacteria cuando tiene O2 disponible

respira muy activamente lo cual baja la tensión del O2 y puede actuar la Nasa.

Por tal motivo, la FBN en Azotobacter es muy variable y depende de la

disponibilidad de compuestos orgánicos fácilmente degradables que le

permitan tener una alta tasa de respiración. Además, teniendo en cuenta el alto

costo energético de la FBN, es muy común detectar gran cantidad de bacterias

fijadoras pero escasa actividad Nasa, lo cual indica que no existen las

condiciones adecuadas para la fijación (baja disponibilidad de NH4+ y alta

cantidad de compuestos carbonados lábiles).

A causa de la gran variabilidad en la actividad fijadora, es muy difícil

de estimar la importancia de la FBN por diazótrofos de vida libre en el suelo. En

general se acepta que la cantidad de N fijado es de escasa magnitud pero se

ha podido detectar fijación de N2 en las hojas de las plantas y en los restos

vegetales en descomposición donde sería de mayor importancia debido a la

menor cantidad de N disponible.

2) Bacterias diazótrofas micro-aeróbicas de vida libre: también son muy

comunes en el suelo pero se localizan exclusivamente en zonas donde existe


baja tensión de O2, particularmente la rizósfera de las plantas. El género más

conocido es Azospirillum que como su nombre lo indica, es una bacteria

espiralada curva, muy móvil y Gram negativa. Su alta movilidad le permite

localizarse en los lugares con la tensión de O2 más adecuada para la fijación.

Debido a ello, Azospirillum no posee mecanismos adaptativos para la

regulación de la tensión de O2, por lo que en condiciones aeróbicas no fija y

consume N orgánico (aminoácidos) o inorgánico (NH4+).

Azospirillum es considerado un organismo mutualista a causa de que

depende de los exudados de la raíz para su nutrición carbonada y porque el N

fijado puede quedar disponible para la planta. Aunque hay que destacar que

Azospirillum fija N para su célula y el N solo puede pasar a la planta cuando

muere la bacteria y es mineralizado por otros organismos rizosféricos. Por esta

causa, la cantidad de N que puede aprovechar la planta es muy relativa debido

a que el N mineralizado queda libre en el suelo y la planta debe competir con

otros microorganismos para poder asimilarlo.

3) Bacterias diazótrofas anaeróbicas de vida libre: son poco abundantes en el

suelo porque se localizan dentro de los agregados bajo estrictas condiciones

de anaerobiosis. Por tal motivo, no necesitan mecanismos de regulación de la

tensión de O2. Las especies más comunes pertenecen al género Clostridium:

bacilos Gram positivos, esporulados y con metabolismo fermentativo (butírico).

Debido a su capacidad de esporular, son muy abundantes en los compost (con

proceso termófilo) y son colonizadores en suelos recientemente quemados.

4) Bacterias diazótrofas simbióticas: son los organismos fijadores de N2 más

conocidos por su importancia en cuanto a la cantidad de N fijado. Salvo

escasas excepciones, estas bacterias establecen simbiosis sólo con plantas

leguminosas (fabáceas y mimosáceas) y se las agrupa con el nombre general

de rizobios que engloba a muchos géneros taxonómicos.

Los rizobios son bacterias Gram negativas que viven en el suelo,

flageladas, no esporuladas, con gran cantidad de sustancias de reserva

(ácido polihidroxibutírico) y capas mucosas. Como no poseen mecanismos

para regular la tensión de O2, solo fijan N2 cuando están en simbiosis con las

plantas.


Interacción simbiótica rizobio-leguminosa

La interacción simbiótica rizobio-leguminosa es una de las más completas y

eficientes que se conoce, ya que no solo se produce un intercambio nutritivo

sino que también existe un estrecho acoplamiento genético entre ambos

organismos para la codificación de los procesos de infección, formación de

nódulos y protección de la Nasa. Por tal motivo la mayoría de estas simbiosis

son altamente específicas (una especie de rizobio para una especie de

leguminosa).

Infección

El proceso de infección comienza con la síntesis y excreción de una serie de

productos por parte del rizobio (exopolisacáridos y fitohormonas). Estos

productos están codificados en los llamados genes nod que solo se expresan

en presencia de lectinas específicas sintetizadas por la leguminosa. La función

de estos productos es hacer que se debilite la epidermis del pelo radicular

(curvatura) y pueda penetrar la bacteria. Una vez dentro de la corteza de la

raíz, las bacterias forman el conocido “cordón de infección” que consiste en la

formación de un canal por disolución de la laminilla media (pectina) debido al

avance de los rizobios.

Cuando los rizobios llegan a las células cercanas a la endodermis,

comienza una activa división de las células radicales y se diferencia un primordio

de nódulo. Este proceso es codificado por genes de la planta que controlan la

cantidad, tamaño y tipo de nódulo según la posición del meristema radical (Fig. 6).

Fig. 6: Proceso de formación del nódulo

Proceso de formación del nódulo


Estructura del nódulo

Los nódulos maduros están compuestos por células radicales infectadas por

rizobios, rodeadas por el tejido vascular y el meristema de la raíz. Dentro de las

células corticales los rizobios sufren fuertes modificaciones morfológicas y

fisiológicas y se transforman en morfotipos llamados “bacteriodes”. Estas

modificaciones se producen debido a que la bacteria se especializa sólo en fijar

N perdiendo todas las otras funciones vitales como son la reproducción (no

sintetizan pared celular por eso se deforman) y la nutrición (pasa a depender

de los fotosintatos de la planta). Sin embargo, los bacteroides mantienen las

enzimas del ciclo de Krebs y la cadena respiratoria para obtener el poder

reductor y los ATP necesarios para la FBN (Fig. 7).

Fig. 7: Estructura de un bacteroide


Los bacteriodes se encuentran rodeados por una membrana

proveniente de la célula vegetal, donde se asienta una enzima reguladora de la

tensión de O2: la leghemoglobina. Esta enzima es sintetizada en parte por la

bacteria y en parte por la planta. La planta forma los grupos prostéticos hemo

(con Fe) y la bacteria sintetiza los 4 componentes peptídicos codificados por los

genes fix. La leghemoglobina transporta el O2 desde el citoplasma de la célula

vegetal hasta la cadena respiratoria del bacteroide, impidiendo que llegue a la

Nasa.

La forma de los bacteroides y la cantidad de bacteroides envueltos por

la membrana es muy variable entre las especies. Por ej. en alfalfa hay muchos

bacteroides envueltos por una sola membrana y los bacteroides son

ramificados y hasta 50 veces más grandes que las bacterias libres.

Contrariamente en soja solo hay un bacteroide por membrana y de tamaño y

forma muy semejantes a las bacterias libres.

Funcionamiento del nódulo

Desde la célula entran al bacteroide: a) fotosintatos de la planta que van al ciclo

de Krebs y cadena respiratoria del bacteroide para producir el poder reductor y

los ATP necesarios para la FBN, b) N2 y c) O2 regulado por la leghemoglobina.

Del bacteroide salen: a) CO2 producido en el ciclo de Krebs, b) H2 formado por

reducción de H+, y c) NH4+ formado por actividad de la Nasa (Fig. 7).

El NH4+ que pasa a través de la membrana se une a cadenas

carbonadas existentes en el citoplasma de la célula vegetal y forma

aminoácidos. Estos compuestos nitrogenados pasan al sistema vascular de la

raíz y se distribuyen por toda la planta a través del xilema. Algunas especies

como la soja pueden sintetizar compuestos nitrogenados con más de dos

grupos aminas (ureidos) para facilitar el transporte de N a la parte aérea de la

planta (Fig. 7).

Como toda simbiosis, esta interacción se mantiene siempre que haya

un costo-beneficio compartido entre las partes. Por lo tanto el hospedador tiene

mecanismos de control muy estrictos para que se mantenga un balance entre

costo (fotosintatos) y beneficio (compuestos nitrogenados). Los mecanismos de

regulación y control determinan el número de nódulos que depende de: a) la

eficiencia de fijación de las bacterias, b) la disponibilidad de N en el suelo y c)

los requerimientos nitrogenados de la planta. De tal manera, si las bacterias


son poco eficientes para fijar N la planta tendrá elevado número de nódulos

pequeños y si existe N disponible en el suelo o la planta no requiere más N

para su desarrollo, no enviará fotosintatos a los nódulos provocando su

senescencia y desprendimiento.

Taxonomía de los rizobios

En los últimos años y debido al avance de las técnicas biomoleculares,

la taxonomía de los rizobios ha sufrido grandes modificaciones, proceso que

sigue en permanente avance y revisión. La clasificación mas aceptada en la

actualidad comprende 4 familias y 6 géneros.

1. Fam: Rhizobiaceae

- gen: Rhizobium. R. leguminosarum (simbionte de poroto, vicia, arveja)

- gen: Sinorhizobium. S. meliloti (melilotus) y S. medicae (alfalfa)

2. Fam: Bradyrhizobiaceae

- gen: Bradyrhizobium. B. japonicum (soja)

3. Fam: Phyllobacteriaceae

- gen: Mesorhizobium. M. ciceri (garbanzo) y M. chacoense (algarrobo)

- gen: Allorhizobium. A. undicola (Neptunia sp.)

4. Fam: Hyphomicrobiaceae

- gen: Azorhizobium. A. caulinodans (Sesbania sp.)

En general las especies de la fam. Rhizobiaceae agrupa a rizobios que

viven en zonas templadas, que poseen alta tasa de crecimiento (tiempo de

generación entre 3-4 hs) y que realizan oxidación incompleta cuando hay

exceso de fuente carbonada en el medio. Esto hace que produzcan ácidos

orgánicos y bajen el pH del medio. Contrariamente la fam. Bradyrhizobiaceae

agrupa a especies de rizobios de zonas tropicales, de crecimiento lento

(tiempos de generación entre 6 y 8 hs) y que no acidifican el medio. Las

especies de la fam. Phyllobacteriaceae presentan características intermedias,

se encuentran en muy variados lugares y presentan tiempos de generación

entre 4-5 hs. Por último la fam. Hyphomicrobiaceae agrupa a las escasas

especies de rizobios que forman nódulos en tallos de plantas tropicales.


UNIDAD VIII: FERTILIZANTES BIOLÓGICOS

Se denomina fertilizante biológico a aquellos productos formulados con

organismos vivos que se utilizan para favorecer la nutrición de las plantas. Se

consideran fertilizantes no biológicos a los formulados con compuestos

químicos orgánicos (por ej. urea, compost, lombricompuesto, estiércol, abonos

verdes, etc.) o inorgánicos (por ej. fosfato de amonio, nitrato de amonio, etc.).

El término inoculante se utiliza en la práctica para referirse a un

fertilizante biológico que se aplica a la semilla en el momento de la siembra.

Esta es la forma más común de aplicar un fertilizante biológico porque las

bacterias adheridas al tegumento de la semilla infectan la radícula

inmediatamente a su emergencia, por lo que se favorece la nutrición de la

planta desde etapas fenológicas muy tempranas.

El uso de fertilizantes biológicos tiene muchas ventajas respecto a los

químicos debido a que no poseen riesgo de contaminación ambiental, su efecto

está fuertemente sincronizado con los requerimientos de la planta y

generalmente son de menor costo. Si bien los fertilizantes biológicos son

conocidos desde hace mucho tiempo, en la actualidad se han difundido en

mayor medida debido a la aplicación de nuevos criterios productivos como son

la agricultura sustentable y los cultivos orgánicos (sin uso de agroquímicos).

Microorganismos utilizados comof ertilizantes biológicos

Los microorganismos que se utilizan para la fabricación de fertilizantes

biológicos son aquellos que establecen interacciones positivas con las plantas

y que son de fácil manejo en condiciones industriales (medios de cultivo

baratos, crecimiento rápido, etc.). Dentro de los fertilizantes biológicos se

diferencian aquellos producidos con microorganismos que fijan N2 y los

conocidos como PGPR (promotores del crecimiento) que favorecen la nutrición

vegetal por otras vías, por ej. solubilización y traslado de P, producción de

hormonas de enraizamiento para mayor absorción de nutrientes, control de

patógenos, etc.


Fertilizantes biológicos en base a microorganismos fijadores de N2

Los microorganismos de mayor uso son:

a) Rizobios: este grupo incluye a los microorganismos más utilizados para

la fabricación de inoculantes. En Argentina, los rizobios más comercializados

son los que se aplican en cultivos de soja (Bradyrhizobium japonicum), y en

mucha menor escala en alfalfa y otras leguminosas forrajeras. Es muy difícil de

estimar cuanto puede aumentar el rendimiento de un cultivo por efecto de la

aplicación de un inoculante a base de rizobios. Generalmente se estima que

una soja bien nodulada puede fijar entre 100 y 150 kg de N ha, sin embargo

esto es ampliamente variable debido a las condiciones ambientales, las

técnicas de manejo del cultivo, la calidad del inoculante, la forma de

comercialización y aplicación del producto, etc. De cualquier manera, los

fertilizantes biológicos a base de rizobios son los de efecto más contundente e

indiscutido para los cultivos, debido a la alta eficiencia de la simbiosis.

b) Azospirillum spp: en Argentina, la comercialización de fertilizantes

biológicos formulados con bacterias del género Azospirillum sigue en orden de

importancia después de los rizobios, principalmente para cultivos de trigo y

maíz. En los últimos años aumentó considerablemente la demanda de este tipo

de inoculantes debido a que se difundió que los Azospirillum en cultivos de

gramíneas provocan un efecto similar a los rizobios en leguminosas. Sin

embargo, no hay que olvidar que la interacción de las bacterias diazótrofas

rizósfericas con las plantas, es totalmente diferente a las simbióticas, por lo que

no es esperable obtener resultados equivalentes.

Es prácticamente imposible estimar la ganancia de N en los cultivos por

efecto de la aplicación de Azospirillum, debido a que el N fijado no se trasloca

directamente a la planta. La bacteria incorpora el N a su citoplasma por lo que

primeramente tiene que morir, dejar disponible el N a los organismos

mineralizadores para que recién pueda ser tomado por la planta. Estos pasos

implican riesgos de pérdidas de nitratos por lixiviación y fuerte competencia por

el N con el resto de los microorganismos del suelo. Por tales motivos, no puede

esperarse un mayor rinde de los cultivos de manera directa como en el caso de

los rizobios con las leguminosas. La principal ventaja de usar Azospirillum en

gramíneas radica en el aporte extra de N al suelo que puede ser utilizado por

un cultivo posterior y en una mayor expansión radicular debido a la producción

de hormonas vegetales por parte del microorganismo.


c) Anabaena: los fertilizantes biológicos en base a esta cianobacteria

simbiótica tienen una difusión muy regional y específica para cultivos de arroz.

Los inoculantes consisten en un cultivo de los microorganismos al cual se le

agregan las esporas del helecho acuático (Azolla) con el que establece la

simbiosis. Cuando el cultivo de arroz está inundado, el helecho se desarrolla

sobre la superficie del agua y la cianobacteria fija N para el helecho. Cuando se

seca el cultivo, el helecho muere y sus compuestos nitrogenados son

mineralizados y el N puede ser utilizado por el cultivo de arroz. Mundialmente la

“azolización” es una práctica muy común y en nuestro país se realiza con

bastante frecuencia en la zona arrocera de la mesopotamia.

Fertilizantes biológicos en base a microorganismos PGPR

Los microorganismos PGPR son bacterias de vida libre de gran importancia

agrícola, muestran un amplio rango de beneficios relacionados con el

crecimiento y la sanidad vegetal. El mecanismo de acción de estos

microorganismos es suprimiendo enfermedades causadas por patógenos,

acelerando la asimilación y disponibilidad de nutrientes o actuando sobre las

hormonas vegetales (responsables del crecimiento de las plantas). Además

pueden ayudar a compensar la presencia de malezas, el estrés hídrico, estrés

salino y otras situaciones desfavorables.

Entre los mecanismos de acción de los microorganismos PGPR

podemos mencionar: acción antagónica con hongos, producción de

sideróforos, fijación de nitrógeno, solubilización de fosfatos, producción de AIA

(ácido indol acético, hormona vegetal del grupo de las auxinas) y giberelinas,

activación del sistema inmunitario de la planta y producción de enzimas (Fig.

1).


Fig. 1: Actividad de microorganismos PGPR en la rizósfera.

Funciones de los microorganismos PGPR

Biofertilizantes: los microorganismos PGPR colonizan la zona de la

rizósfera (zona de influencia de la raíz, rica en microorganismos y nutrientes),

incrementando la superficie de la rizósfera, mejorando la disponibilidad de

nutrientes al alcance de las plantas.

Productores de vitaminas: una gran proporción de las bacterias

(benéficas) del suelo requieren de la presencia de vitaminas del grupo B,

algunas PGPR son capaces de sintetizar tiamina y/o biotina (vitaminas del

complejo B), permitiendo o facilitando la colonización de numerosas bacterias.

Productores de fitohormonas: los microorganismos PGPR, producen

fitohormonas responsables entre otros de inducir el enraizamiento, tasa

respiratoria de la raíz, metabolismo y crecimiento de la misma, aumentando

con ello la captación de agua y nutrientes; además pueden promover el

crecimiento vegetativo. Entre esas fitohormonas tenemos auxinas, giberelinas

y el etileno.

Microorganismos

fitopatógenos

Microorganismos

fitopatógenos

Referencias

IR: sistema inmunitario de la planta

Microorganismos

benéficos

Activacion de

M.O. benéficos

Producción de

componentes

inhibidores de

patógenos


Las auxinas (principalmente el AIA: ácido indolacético) influyen en el

crecimiento radical, elongación celular y en el crecimiento de la planta en

respuesta de la luz y la gravedad. Ejemplo de PGPR productores de auxinas

Bacillus megaterium, Azospirillum spp y Pseudomonas spp.

Las giberelinas son un tipo de fitohormonas capaces de influir en la

germinación de las semillas, la elongación del tallo y en procesos tales como la

floración y el desarrollo de los frutos. Por ejemplo Azotobacter produce ácido

giberélico.

El etileno, es un gas regulador del crecimiento, responsable entre

otras cosas de la absición (caída) de hojas y frutos.

Producción de sideróforos: estos compuestos, de bajo peso molecular,

son capaces de capturar y secuestrar el hierro del suelo. El hierro es

indispensable para la síntesis de numerosas enzimas necesarias tanto para la

planta como para el microorganismo. Cada bacteria genera una clase distinta

de sideróforo y cuando este secuestra el hierro, tan solo la bacteria que

genero el sideróforo podrá recuperarlo, de esta manera, los microorganismos

PGPR retiran el hierro impidiendo que los patógenos y oportunistas puedan

desarrollarse en la rizósfera y en algunas ocasiones colocan el hierro

disponible para la planta.

Fijadores de nitrógeno: existen microorganismos fijadores de nitrógeno

que no son endosimbiontes como Rizobium, como por ejemplo Azotobacter y

Azospirillum.

Solubilización de fósforo inorgánico: el fosfato (fósforo inorgánico) está

poco disponible para las plantas, los microorganismos PGPR son capaces de

solubilizar el fósforo dejándolo disponible para el cultivo.

Biocontrol: el potencial de los microorganismos PGPR como

biocontroladores deriva de varios mecanismos, desde el control antagónico de

microorganismos hasta la producción de antibióticos, sideróforos o mejorando

la sanidad de la planta por medio de hormonas vegetales. Por ejemplo

bacterias metanógenas que actúan como nematicidas, mediante la

producción de compuestos volátiles biocidas, como por ejemplo la acetoína.

Un ejemplo es la producción de un antibiótico 2,4-diacetilfloroglucinol (DAPG)


producido por algunas Pseudomonas (PGPR). En la Fig. 2 se puede observar

que cuando los microorganismos PGPR se establecen en el cultivo de trigo,

aunque el patógeno (Gaeumannomyces graminis) está en todo el campo, en

la zona derecha se ha realizado monocultivo que ha permitido la permanencia

de la Pseudomona evitando que el patógeno ataque, mientras que en la zona

izquierda la rotación de cultivos ha variado el equilibrio, permitiendo que el

patógeno ataque a la planta.

Fig. 2: Efecto de Pseudomona para el control de patógenos en cultivo de trigo

En Argentina, la oferta comercial de estos fertilizantes es muy variada y

cambiante, aunque en los últimos años muestra una tendencia a un mayor uso.

Los microorganismos PGPR más utilizados en la producción de

inoculantes son:

Hongos micorríticos: son los inoculantes con microorganismos

PGPR de efecto más comprobado y reconocido. Sin embargo hay que

hacer una clara distinción si están formulados con hongos ectomicorríticos

o endomicorríticos, debido a las particularidades de cada uno de ellos.

Los inoculantes con ectomicorrizas son relativamente fáciles de

producir porque los hongos crecen muy rápidamente en medios de cultivos

simples y baratos y porque las esporas son muy fáciles de conservar en

cualquier sustrato y envase. Su uso está restringido a la producción de

plantines en viveros forestales, aunque muchos productores no compran

estos productos debido a que pueden obtener inóculos muy fácilmente

Años de monocultivo de trigo

Severidad d

e la e

nfe

rmedad


(esporas y restos de tejidos de los cuerpos de fructificación, micelio en el

suelo y mantillo de especies micorrizadas, etc.). La eficiencia de la

inoculación con ectomicorrizas es fácilmente comprobable por observación

de las raíces (blancas, cortas y gruesas con crecimiento dicotómico) (Ver

Unidad VI: Micorrizas).

Los inoculantes con endomicorrizas son muy difíciles de producir

comercialmente. En la actualidad todavía no se ha conseguido cultivar

endomicorrizas en medios artificiales de manera industrial. Además la

obtención de inóculos en gran escala es prácticamente imposible debido a

que las esporas están distribuidas en el suelo y no en cuerpos de

fructificación. Debido a ello en algunos países se comercializan inoculantes

con endomicorrizas en base a trozos de raíces infectadas con el hongo,

solo utilizables en cultivos de huertas hortícolas en pequeña escala. Sin

embargo en nuestro país, suelen aparecen en el mercado inoculantes para

cultivos extensivos (trigo) en cuyos marbetes se menciona que poseen

hongos endomicorríticos (a veces combinados con Azospirillum). La

eficiencia de la inoculación es muy difícil de comprobar porque no existen

cambios morfológicos visibles en las raíces.

Microorganismos solubilizadores de P de vida libre: en algunos

lugares del mundo (Canadá y Francia) se están comercializando

fertilizantes biológicos formulados con bacterias y hongos solubilizadoras

de P de vida libre. En nuestro país es una tecnología todavía muy

incipiente y solo algunas fábricas de inoculantes están tratando de incluirlos

dentro de sus productos.

Mezcla de microorganismos no definidos: son productos conocidos

vulgarmente como biofertilizantes y que se fabrican por enriquecimiento y/o

percolado de compost o vermicompost. Por tal motivo, poseen una enorme

cantidad y tipos de microorganismos no identificados en un medio con alta

proporción de compuestos orgánicos. A este tipo de fertilizante se les

adjudica una serie de beneficios para las plantas, como control de

patógenos, activación del crecimiento radicular, etc. Muchos de estos

productos son recomendados para aplicación foliar y en el suelo.


Normas de calidad para los fertilizantes biológicos

Debido a que los fertilizantes biológicos están formulados con organismos

vivos, la calidad del producto cobra muy especial relevancia. No es lo mismo

producir, conservar, comercializar y aplicar un compuesto químico que

organismos vivos, de cuya sobrevivencia depende el éxito del producto.

Además, tampoco es posible que el comprador pueda comprobar la calidad del

inoculante a simple vista. Por tales motivos, el control de calidad por parte de

organismos estatales es imprescindible para evitar la comercialización de

productos engañosos o de calidad dudosa.

En nuestro país la ley de fertilizantes y enmiendas (N° 20.466)

normatiza sobre la calidad y comercialización de inoculantes. Esta ley ha sido

reglamentada por última vez en el año 1980 por lo que una gran cantidad de

diferentes productos más modernos no están considerados dentro de las

normativas. En la actualidad, solo se exige a las fábricas de inoculantes que se

registren (artículo 1) y que, para autorizar el producto, envíen una muestra a

analizar a Senasa para constatar la cantidad de bacterias del inoculante

(artículo 4). Sin embargo, no existen controles ni en las fábricas, ni en los

negocios que comercializan los inoculantes, para verificar si se cumplen las

normas de calidad del producto y del envase (artículo 6). Asimismo, no hay

instrumentado un servicio de policía para decomisar los inoculantes vencidos

que están a la venta (artículo 7).

MINISTERIO DE ECONOMÍA

Secretaría de Estado de Agricultura y Ganadería

LEY N°: 20.466 (fertilizantes y enmiendas)

DECRETO N°: 4830/73 (reglamentación de la ley 20.466)

DECRETO N° 1624/80 (modifica el 4830/73)

Resolución sobre Fertilizantes Biológicos:

Artículo 1°: inscripción en la Dirección Nacional de Fiscalización comercialización

Agrícola, para importar, exportar, elaborar, fraccionar y/o distribuir inoculantes.

Artículo 4°: prohíbe la comercialización de inoculantes que no tengan 10 x 106

bacterias por gramo de inoculantes sólido a la fecha del vencimiento de 180 días y

que no sean efectivas y específicas para la especie vegetal del envase.

Artículo 5°: para otros soportes deben garantizar, a la fecha del vencimiento

establecido 1000 bacterias por semilla.

Artículo 6°: la fecha de vencimiento debe estar visible y resaltada en el envase

Artículo 7°: Se deben retirar de la comercialización los inoculantes vencidos o serán

decomisados.


Por tales motivos, es imprescindible que los Ingenieros Agrónomos

posean criterios claros no solo para asesorar sobre el uso de los inoculantes

sino también sobre aspectos prácticos que ayuden a elegir un producto de

buena calidad.

Características de un buen inoculante

Los inoculantes están compuestos por las bacterias y el soporte en el que

vienen incluidas.

Las bacterias: deben ser específicas para el cultivo donde se va a

utilizar. Este aspecto es de suma importancia en el caso de los rizobios

(especificidad rizobio-leguminosa) y es el de mayor dificultad de comprobar.

Solo se puede determinar si la bacteria es específica mediante un ensayo en

planta que demanda al menos 45 días.

Otro aspecto de calidad muy importante es que las bacterias a utilizar

como inoculante hayan sido previamente seleccionadas por su capacidad de

fijar N o su potencial PGPR. Generalmente los cultivos industriales se inician a

partir de cepas provistas por el Banco de Cepas de Microorganismos del INTA

Castelar, que vende las cepas ya seleccionadas. Si por ej. se necesita controlar

su capacidad fijadora de N de la cepa de un inoculante, deben realizarse

ensayos en planta donde se evalúa la cantidad, tipo, color y peso de los

nódulos, la actividad de la enzima Nasa y la cantidad de N fijado.

También es muy importante conocer si las cepas de los inoculantes

están adaptadas a las condiciones ambientales del lugar del cultivo. Es muy

común que las fábricas trabajen con cepas seleccionadas bajo las condiciones

de la pampa húmeda y los productores apliquen ese producto en suelos del

norte argentino. En la actualidad algunas fábricas producen inoculantes con

cepas de soja seleccionadas por INTA Castelar para zonas subtropicales.

El factor más importante para el éxito de la inoculación es que el

inoculante posea un número adecuado de bacterias que garanticen una buena

nodulación. Este factor es relativamente fácil de controlar (recuento en medio

sólido) y se recomienda hacer analizar una muestra antes de comprar una gran

cantidad de inoculante. Un problema muy común es que desde la fábrica salga

un producto con el número correcto de bacterias pero que en la cadena de

comercialización no se tengan los cuidados necesarios y que haya gran


mortandad de bacterias. De esta manera cuando llega al productor el

inoculante ha perdido su calidad original. Una práctica muy recomendable es

que los inoculantes se comercialicen con cadena de frío (como las vacunas y

productos lácteos), por lo que es importante ver si el proveedor almacena los

inoculante en heladera antes de su despacho.

Cuando se realiza el análisis de inoculantes para establecer la

abundancia de bacterias es muy importante que se solicite el informe sobre la

presencia y cantidad de bacterias contaminantes. Es común que las fábricas

tengan problemas de asepsia y que, sumados a la mala conservación en la

cadena de comercialización, hacen que al momento de aplicación el producto

pueda estar altamente contaminado.

El soporte: es el sustrato que provee los elementos imprescindibles

para la vida de las bacterias (alimento, oxígeno y humedad). Por tal motivo

debe tener compuestos orgánicos simples, alta difusión de O2 y capacidad de

retener humedad. Los soportes más adecuados son aquellos a base de turba

(suelo orgánico) que cumplen con todas estas características. Sin embargo,

debido a las dificultad que implica en una fábrica el manipuleo de la turba

(esterilización, molido, corrección de pH, etc.), en la actualidad la mayor

cantidad de los inoculantes que se comercializa son en base líquida. El

problema del soporte líquido es la escasa difusión del O2, por lo que deben

elegirse envases con volumen reducido y con cámara de aire que facilitan la

mezcla y aireación del producto. Son totalmente contraindicados soportes de

material inorgánico (por ej. dolomita) porque no poseen alimento y son

altamente desecantes, ni soportes orgánicos como por ej. cáscaras de arroz,

debido a que la celulosa no puede ser utilizada como alimento por los rizobios.

Frecuentemente, se encuentran en el mercado inoculantes mezclados

con fungicidas y/o insecticidas. Esto se debe a que a los productores les resulta

muy práctico aplicar el inoculante y el curasemillas en una sola operación, sin

embargo está totalmente comprobado que los agroquímicos utilizados

provocan alta mortandad de bacterias a partir de las 48 hs. de haber sido

realizada la mezcla.

Otro aspecto muy difundido en la actualidad es la incorporación de

sustancias conservantes en el soporte con la finalidad de preservar la

sobrevivencia de las bacterias por largos periodos de tiempo. Si bien se

garantiza el número de bacterias, los conservantes suelen retrazar la liberación


de los rizobios en el suelo y por ende demorar la infección. Esto provoca que

en los estadios tempranos no haya FBN y la planta deba proveerse de N del

suelo.

El envase: no es un aspecto menor para la calidad de un inoculante.

Un producto puede ser muy bueno pero su envase no ser lo suficientemente

adecuado para permitir la vida de las bacterias. La condición imprescindible es

que el envase permita el paso del O2, pero que impida la entrada de

contaminantes y la pérdida de humedad. Además, es recomendable que

posean filtros para los rayos UV. Debido a todo esto, los envases no pueden

ser de materiales plásticos comunes sino de algunos especiales que posean la

porosidad adecuada para cumplir con estos requisitos (polipropileno biorentado

mas polietileno blanco con aditivos para oxigenación).

Verificación a campo de la eficiencia de la inoculación

Es muy importante evaluar a campo el resultado de la aplicación de un

inoculante. Para ello deben tomarse muestras en el momento que la planta

tiene mayores requerimientos de N (al 50% de floración del lote). Si los

muestreos son tempranos, habrá escaso desarrollo nodular y si son tardíos

(por ej. a cosecha) los nódulos estarán muertos o se habrán desprendido. Debe

tenerse especial cuidado en no arrancar la planta sino extraerla con todo el pan

de tierra y luego lavarla suavemente para que no se desprendan los nódulos.

Los aspectos a observar son: a) lugar de formación de los nódulos (los

nódulos provenientes del inoculante se localizan en el cuello y raíz principal), b)

número de nódulos en raíz principal y raíces secundarias (provenientes del

suelo), c) color de los nódulos (el color rojo indica actividad de la

leghemoglobina), y d) relación entre peso de raíz y parte aérea de la planta. Si

es una leguminosa forrajera se recomienda realizar un análisis de contenido de

N en las hojas.

Cuando existen dudas acerca de la cantidad de nódulos originados por

el inoculante se pueden realizar pruebas serológicas con antígenos

específicos. Esta prueba da una certeza muy alta sobre el grado de

competitividad de la cepa del inoculante frente a los rizobios nativos del suelo.


Cuando se evalúa la nodulación a campo debe tenerse muy en cuenta

la historia del lote y la forma de aplicación del inoculante. Por ej. lotes recién

desmontados o que hayan tenido un cultivo de leguminosa incorporado (vicia,

alfalfa, etc.) tendrán alta disponibilidad de N en el suelo y la planta presentará

escasa nodulación, aunque el inoculante y las técnicas de inoculación hayan

sido los adecuados.


UNIDAD IX: DEGRADACIÓN DE RESIDUOS ORGÁNICOS

La acumulación de residuos de origen doméstico, agrícola e industrial es uno

de los más graves problemas ambientales de la actualidad debido a que la tasa

de degradación natural siempre es inferior a la tasa de generación de residuos.

Además, esta acumulación se ve agravada en mayor medida por el hecho de

que una gran proporción de residuos son productos sintéticos (plásticos y otros

polímeros) que no se degradan naturalmente.

Los tratamientos de residuos persiguen la aceleración de los procesos

de degradación natural con la finalidad de reducir la masa de residuo, eliminar

contaminantes y alternativamente producir energía (biogás) y otros compuestos

de interés (por ej. abonos orgánicos). Los tratamientos de residuos involucran

procesos físicos, químicos y/o biológicos. Estos últimos se utilizan en la

degradación de residuos orgánicos y consisten en la aplicación controlada de

procesos microbianos. Los residuos generados en establecimientos agrícolas

(tambos, criaderos de cerdos, aves, etc.) y en industrias agroalimentarias

tienen alto contenido de restos orgánicos lo que favorece la utilización de

mecanismos de degradación microbiana.

Tratamiento de residuos sólidos

Hay dos tipos de tratamientos biológicos de residuos sólidos según se utilicen

procesos aeróbicos o anaeróbicos:

Tratamientos aeróbicos de residuos sólidos

Compostaje: consiste en manejar un proceso aeróbico-termófilo de

degradación microbiana con la finalidad de:

Reducir el residuo en un 50-80% del material original

Degradar sin producir olor ni gases de fermentación

Obtener un abono estable, con alto contenido de materia

Orgánica humificada y nutrientes disponibles

Eliminar los microorganismos patógenos que pudiera tener el

material de origen


Generalmente el compostaje se realiza en pilas al aire libre manejadas

con riego y ventilación. Las pilas deben tener dimensiones aproximadas de 30

m de largo x 1.5m de alto y 2m de ancho (no pueden ser más grandes para no

generar condiciones anaeróbicas que provoquen fermentaciones, olores y

gases). El proceso puede requerir entre 3 a 6 meses de tiempo. Menos común

es la obtención de compost dentro de reactores cerrados con un control estricto

de aireación, humedad y temperatura. En estos sistemas el proceso demora

solo 5 a 7 días.

Durante el compostaje se produce una sucesión microbiana en la cual

actúan hongos, bacterias y actinomycetes de metabolismo respiratorio que

degradan los compuestos lábiles del residuo. En la práctica se establecen dos

fases en la sucesión microbiana:

a. Fase hidrolítica: en la cual hay alta actividad microbiana (metabolismo de

respiración aeróbica) que provoca aumento de temperatura (puede llegar

hasta 75°C). Esta elevación de la temperatura hace que la degradación

continúe solo mediante organismos termófilos provocando la muerte de

los organismos patógenos propios de los residuos. La fase finaliza

cuando se agotan los compuestos lábiles y solo sobreviven bacterias

esporuladas.

b. Fase de maduración: consiste en la recolonización del compost por

organismos mesófilos del ambiente que degradan muy lentamente la

materia orgánica recalcitrante lo que favorece la formación de humus.

En la actualidad, existen inoculantes formulados con bacterias termófilas

que se incorporan a los compost para acelerar y controlar el proceso. Sin

embargo se menciona que los resultados son poco evidentes. El control más

eficiente de la producción de compost se logra mediante la regulación de las

condiciones ambientales.

Manejo de la pila de compostaje

Al hacer la pila, generalmente se realizan mezclas de diferentes tipos de

residuos, con la finalidad de obtener un proceso más uniforme. En las mezclas

se busca que exista un balance entre compuestos lábiles y recalcitrantes y

suficiente cantidad de N (C/N = 30). Las mezclas más comunes incluyen

residuos de cosecha (paja), virutas de aserraderos, estiércol y orín de

diferentes animales, orujos de industrias frutícolas, etc. También se suele


mezclar tierra arcillosa cuando la C/N es muy baja para que el exceso de NH4+

sea retenido en las arcillas y no se volatilice como NH3.

Otros factores que se controlan en el proceso de compostaje son: a)

tamaño del material (las mezclas se muelen), b) pH, c) humedad y d)

temperatura. Si el pH es muy bajo (menor a 6) suele agregarse cal pero

cuidando que no supere pH 8. Mientras que la humedad óptima debe estar

entre 50% y 60 % del peso del material al iniciar el compostaje y el 30% en la

etapa de maduración. Para lograr estos valores la pila se riega si falta humedad

y se remueve para que evapore si tiene humedad en exceso. Además, al

remover la pila se incorpora O2 que favorece la respiración microbiana en la

primera fase del compostaje. El control de temperatura es muy importante

porque indica la eficiencia del proceso: si las temperaturas son bajas indica que

hay poca actividad microbiana y si se eleva mucho hay riesgo que se arruine el

compost debido a la coagulación de proteínas. En esos casos hay que ventilar

la pila.

Utilización de los compost

Los compost se utilizan mayoritariamente como abono en cultivos intensivos

(hortícolas) porque deben colocarse altas dosis por ha para obtener resultados

evidentes, lo cual hace que sea muy dificultoso la movilización del material en

cultivos extensivos. También es muy utilizado en suelos pobres con la finalidad

de aumentar el contenido de materia orgánica y en cultivos orgánicos en

reemplazo de los fertilizantes químicos.

Debido a las normativas que se aplican para cultivos orgánicos, existen

normas de calidad de compost que incluyen mayoritariamente aspectos

químicos (contenido de nutrientes, humedad, pH, presencia de metales

pesados, etc.). Los requisitos de calidad microbiológica se refieren

exclusivamente a aspectos de carácter sanitario (presencia de coliformes y

salmonelas), sin especificar las características y abundancia de los

microorganismos responsables de la fertilidad y estabilidad del compost.

Vermicompostaje: es una variación de la tecnología de compostaje donde se

utilizan lombrices para acelerar la degradación de los residuos en condiciones

mesófilas. La lombriz realiza importantes procesos físicos sobre los residuos

(tritura, mezcla, humedece, lubrica con mucus, incorpora sus excreciones


urinarias e intestinales formando agregados de partículas: coprolitos, etc.) que

favorecen la actividad microbiana y la retención de la humedad en el abono.

En general el vermicompost es un abono de mejor calidad que el

compost y se obtiene en menor tiempo, sin embargo requiere mayor cantidad

de mano de obra debido a que se debe controlar permanentemente que no

aumente la temperatura para evitar la muerte de las lombrices.

En contraposición a los fertilizantes químicos, el compost y el

vermicompost actúan como fertilizantes de liberación lenta y de acción

prolongada, lo cual favorece la sincronización con los requerimientos de los

cultivos.

Tratamientos anaeróbicos de residuos sólidos

Producción de biogás: consiste en la degradación de los compuestos orgánicos

en digestores herméticos sin aire y sin luz con la finalidad de obtener

metano.Los biodigestores poseen un conducto para la entrada de material

fresco y otro para la salida del residuo digerido con dispositivos de

hermeticidad para impedir la entrada de aire y una campana captadora del gas

para facilitar la salida del metano producido.

El biogás se produce por la actividad de microorganismos QOH y QLA

en dos etapas. En la primera etapa actúan QOH de fermentación butírica y

ácido mixta. En la segunda etapa los productos de dichas fermentaciones (CO2

y H2) son utilizados por bacterias QLA oxidadoras de H2 (metanogénicas)

produciendo metano (gas).

El metano es una alternativa energética útil y barata particularmente en

establecimientos rurales donde se produce gran cantidad de estiércol (por ej.

tambos, feedlots, etc.) y que no disponen de fuentes de combustibles

accesibles. De esta manera se soluciona la eliminación de los residuos y a la

vez se utiliza la energía del biogás para calefaccionar y calentar el agua de

lavado del tambo. Además, en la mayoría de los casos el material digerido

(barros) es utilizado como abono en las pasturas del ganado.


Fig. 1: Biodigestor

Tratamientos de efluentes líquidos

Los residuos líquidos con alta carga de compuestos orgánicos provienen

del uso domiciliario (efluentes cloacales) y agroindustrias. Los tratamientos

aplicados a este tipo de efluentes persiguen la eliminación de riesgos sanitarios

y la recuperación de la calidad original del agua para que pueda ser reutilizada

o vertida a causes superficiales o subterráneos. Para ello los tratamientos

deben reducir el contenido de materia orgánica y nutrientes a un nivel tal que

impida el crecimiento bacteriano.

Se utilizan diferentes tipos de sistemas de tratamiento que suelen

llamarse primario, secundario y terciario. Un tratamiento altamente eficiente

debe tener los tres tipos de sistemas:

Sistema primario: consiste solo en un tratamiento físico del efluente

ya que mediante filtración y decantación se elimina el material

grueso y pesado (lagunas de estabilización). No se produce

reducción del contenido de nutrientes ni de materia orgánica en

solución, ni disminuye la carga de microorganismos de riesgo

sanitario. El volcamiento a diferentes cursos de agua de este tipo de

tratamiento no está permitido en las normativas ambientales.


Sistema secundario: consiste en la degradación aeróbica de la

materia orgánica del efluente mediante mecanismos de aireación

forzada para favorecer la respiración microbiana. No elimina los

nutrientes minerales. Después de la aireación, el efluente se decanta

para depositar el material en suspensión (barros) que contiene alta

cantidad de bacterias floculadas. Una cierta proporción de estos

barros se reincorpora a la pileta de aireación (como inóculo) para

acelerar el proceso, mientras que el resto se lo trata como residuo

sólido para la obtención de biogás y/o compost o se coloca a secar

en piletas con fondo de grava y arena.

El volcamiento del agua de salida del sistema secundario solo se

autoriza si recibe un tratamiento de Cl para eliminar todos los

microorganismos y oxidar los restos de materia orgánica soluble que pudieran

haber persistido. En las normas de calidad de efluentes suele controlarse la

cantidad de Cl residual que indica si se ha realizado la cloración. Como el Cl

se consume según la cantidad de compuestos orgánicos oxidados, en el

volcamiento siempre debe quedar un excedente para garantizar la eliminación

total de los microorganismos.


Sistema terciario: es el proceso menos difundido en nuestro país

porque son sistemas caros y complejos. Sin embargo solo mediante

este sistema se logra eliminar los nutrientes del agua y se evita el

crecimiento de organismos vivos. Básicamente hay dos mecanismos

dentro del sistema terciario: el que somete al agua a condiciones

estrictamente anaeróbicas para favorecer la volatilización de los

nutrientes (denitrificación y desulfatación) y el que utiliza los

llamados biofilms. Los biofilms son partículas (plásticas o grava)

recubiertas por microorganismos autótrofos (cianobacterias

unicelulares) por donde se hace pasar el efluente. Las

cianobacterias producen gran cantidad de biomasa (debido a la alta

carga de nutrientes) y cuando todas las partículas están cubiertas

por biomasa se retiran, se lavan y las bacterias son secadas y

utilizadas como abono orgánico.

Biorremediación

Los sistemas convencionales de tratamiento de efluentes implican

infraestructura, procesos costosos y descarga a acuíferos o cursos de agua

superficial. En los últimos años se han desarrollado tecnologías alternativas

para el tratamiento de efluentes, conocidas como biorremediación. Mediante

este tipo de tratamientos no quedan barros ni agua residual que requieran ser

retratados o volcados en cursos superficiales o subterráneos. Asimismo, se

mejora considerablemente el valor paisajístico del lugar debido a que no hay

ningún signo visible de que sea una planta depuradora de efluentes.

La biorremediación es el uso deliberado de la capacidad de organismos

vivos para eliminar contaminantes. Las prácticas de biorremediación más

difundidas son la incorporación de bacterias degradadoras y la

fitorremediación. Con la incorporación de bacterias altamente seleccionadas

y/o mejoradas genéticamente se pretende aumentar la velocidad de

degradación del contaminante. Mientras que la fitorremediación consiste en

utilizar vegetales como filtros depuradores teniendo en cuenta la capacidad de

las plantas para remover nutrientes.


El fundamento de la biorremediación es utilizar la actividad de bacterias

aeróbicas y anaeróbicas del agua, el suelo y la rizósfera de las plantas, para

eliminar la materia orgánica y los nutrientes del efluente. Además, se

aprovecha la capacidad del humus y las arcillas para neutralizar compuestos

tóxicos como los metales pesados. El éxito de los tratamientos de

biorremediación depende no solo de la introducción de especies (bacterias o

plantas) sino también del manejo integrado del ecosistema. Por tal motivo las

metodologías deben adaptarse a las condiciones ecológicas de cada ambiente

en particular manejando las especies, el nicho ecológico y el estado fenológico

de las plantas.

Generalmente los sistemas de biorremediación incluyen lagunas y

canteros de inundación rodeados de vegetación palustre y ribereña por donde

circula el agua del efluente. Por tales motivos se adapta muy bien para al

tratamiento de efluentes de establecimientos rurales debido a que utiliza

prácticas agrícolas para la instalación del sistema (siembras, borduras, etc.) y

el manejo de las condiciones de aireación del suelo (laboreos).

Los sistemas de biorremediación tienen las siguientes limitaciones: a)

se requiere una amplia superficie de terreno, b) se debe esperar un cierto

tiempo para que funcionen a pleno, c) son poco adecuados para tratar grandes

volúmenes de efluentes y d) no pueden ser utilizado en lugares con

condiciones climáticas adversas (particularmente bajas temperaturas).

Sistema de biorremediación de efluentes en una fábrica de

electrodomésticos en Luque Provincia de Córdoba.


UNIDAD X: MICROBIOLOGÍA DEL AGUA

El agua en nuestro planeta se encuentra en una variedad de ambientes, en

diferente estado, cantidad y calidad. La mayor parte del planeta está cubierta

por agua, sin embargo la mayor parte de la misma se encuentra en formas no

disponibles para los ecosistemas terrestres o dulceacuícolas. Menos de un 3%

es agua dulce para beber o regar cultivos y, de ese total, más de dos tercios

esta retenida en glaciares y cascos polares. Por lo tanto, a escala global el

agua de lagos y ríos es de un diez milésimo de toda el agua del planeta (Fig 1).

Fig 1: Distribución del agua en el planeta

Ciclo hidrológico

La distribución del agua sobre el continente depende del ciclo hidrológico, en el

cual la evaporación oceánica es contrarrestada por las precipitaciones sobre la

tierra. La energía solar conduce el ciclo hidrológico, evaporando el agua de la

superficie de los océanos, lagos y ríos, así como de los suelos y las plantas

(evapotranspiración). El vapor de agua se eleva hacia la atmósfera donde se

enfría, se condensa y eventualmente cae de nuevo como lluvia, nieve o

granizo. Las precipitaciones pueden ser interceptadas o transpiradas por las

plantas, pueden ser transportadas por escorrentía hacia lagos o ríos, o pueden


infiltrarse en el suelo. El agua infiltrada se puede almacenar temporariamente

como humedad del suelo antes de ser evaporada y una parte del agua puede

infiltrarse hacia zonas más profundas para ser almacenada en las napas

(tiempo medio de renovación 300 años). La mayor parte del agua que se

evapora en los océanos retorna como precipitaciones a los océanos y el resto

cae sobre los continentes. Debido a que la cantidad de lluvia que cae sobre la

tierra es mayor que la cantidad que se evapora de ella, el agua extra retorna a

los océanos a través de los ríos y acuíferos subterráneos (Figura 2).

La renovabilidad del agua es diferente en los distintos ambientes

hidrológicos debido a los diferentes tiempos de residencia, por lo que la

sustentabilidad en el uso del agua está basada en respetar las tasas de

renovación. El agua subterránea se recambia más lentamente que otras

reservas de agua, frecuentemente en cientos o decenas de miles de años,

aunque la variación en las tasas de recambio es grande. Ciertamente, la

mayoría del agua subterránea no se recambia o recarga del todo desde la

superficie de la tierra. En vez de esto, el agua subterránea existente es “agua

fósil” un relicto de las condiciones climáticas más húmedas de la antigüedad y

de la fundición de las láminas de hielo del Pleistoceno que se acumularon

durante decenas de miles de años. Una vez usadas, no pueden ser fácilmente

reabastecidas.

Fig. 2: Ciclo hidrológico


Microorganismos en los ecosistemas acuáticos

Entre los ecosistemas microbianos de agua se encuentran los océanos, aguas

subterráneas, lagos, ríos, etc. Estos ecosistemas pueden variar enormemente

en la estructura física, los recursos y las condiciones (Tabla 1), y todos estos

factores pueden influir en la diversidad y la abundancia de los microorganismos

presentes.

Tabla 1: Principales recursos y condiciones que gobiernan el crecimiento

microbiano en la naturaleza.

Recursos Condiciones

Carbono (orgánico, CO2)

Nitrógeno (orgánico, inorgánico)

Otros macronutrientes (S, P, K, Mg)

Micronutrientes (Fe, Mn, Co, Cu, Zn,

Mn, Ni)

O2 y otros aceptores de electrones

(NO3-, SO4

2-, Fe3+, etc.)

Donadores de electrones inorgánicos

(H2, H2O, Fe2+, NH4+, NO2

-, etc.)

Temperatura: frío – templado –

caliente

pH: 0 – 7 – 14

O2: óxico – microóxico – anóxico

Luz: brillante – atenuada –

oscuridad

Condiciones osmóticas: agua

dulce – agua marina -

hipersalinidad

En los ecosistemas acuáticos superficiales la energía entra en el

ecosistema en forma de luz solar, carbono orgánico y sustancias inorgánicas

reducidas. Los fotótrofos utilizan la luz para fabricar ATP y sintetizar nueva

materia orgánica que además de carbono contiene N, azufre, fósforo, hierro y

otros bioelementos. Los fotótrofos oxigénicos en suspensión libre en el agua se

llaman fitoplancton e incluyen algas y cianobacterias que viven en la columna

de agua (Figura 3). Los fotótrofos adheridos al fondo o a los lados de un lago o

corriente son especies bentónicas. Los procariotas fotosintéticos anoxigénicos

pueden también fijar el CO2 y formar materia orgánica pero no forman O2.

Este material orgánico recién sintetizado por los fotótrofos, junto con la

materia orgánica que penetra en el ecosistema desde el exterior (materia

orgánica alóctona) impulsa las actividades catabólicas de los organismos

heterótrofos. A continuación la materia orgánica se oxida a CO2 mediante la

respiración o se fermenta en diferentes sustancias reducidas. Si están

presentes y metabólicamente activas en el ecosistema, los organismos QLA


obtienen energía de los donadores de electrones inorgánicos como H, Fe, S o

NH4+

y contribuyen a la síntesis de nueva materia orgánica a través de sus

actividades autótrofas (Figura 3).

Aunque el O2 es uno de los gases más abundantes en la atmósfera es

poco hidrosoluble y el intercambio con la atmósfera es lento. La producción

fotosintética significativa del O2 se produce solo en las capas superficiales

donde llega la luz. La materia orgánica que no se consume en las capas

superficiales va a parar al fondo, donde se descompone por la acción de los

organismos QOH anaerobios (Figura 3). Tanto los organismos productores de

O2 como los consumidores están presentes en los ambientes acuáticos, y el

equilibrio entre la fotosíntesis y la respiración controla el O2 y el ciclo del C en

la naturaleza.

Fig. 3: Comunidades microbianas de los ecosistemas acuáticos naturales


Contaminación de los ecosistemas acuáticos

Los ecosistemas acuáticos son particularmente vulnerables a la contaminación

antrópica y actualmente muchos están severamente degradados. Las

actividades humanas pueden alterar el balance de C, el ingreso de nutrientes y

los procesos microbianos, afectando al ecosistema de manera global. Las

fuentes de contaminación pueden ser naturales (generadas por el ambiente) o

artificiales (crecimiento demográfico, desarrollo industrial, urbanización) y los

compuestos contaminantes que ingresan a los ecosistemas lóticos provienen

de fuentes no puntuales (actividades agrícolas, urbanas e industriales) y

puntuales (descargas de efluentes industriales, pluviales y domésticos). Los

ingresos no puntuales de contaminantes son en general intermitentes y difíciles

de medir. Contrariamente, las fuentes puntuales de contaminación incluyen

descarga de efluentes que suelen ser continuas.

Es ampliamente conocido que la contaminación produce grandes

cambios en las condiciones biológicas alterando la estabilidad de los

ecosistemas. Una de las principales causas es el ingreso de altas cantidades

de materia orgánica y nutrientes por actividades agrícolas y urbanas. Los

desechos orgánicos que ingresan a los ríos se dispersan en el agua y/o

depositan en los sedimentos. En el agua los compuestos orgánicos son

metabolizados por microorganismos heterótrofos aeróbicos que aumentan su

biomasa y consumen el O2 disuelto liberando CO2 y nutrientes. El aumento de

nutrientes (alóctonos o provenientes de la degradación microbiana) en los

cursos de agua provoca eutrofización y consecuente proliferación de algas que

cuando mueren son degradadas por microorganismos aeróbicos. El resultado

de estos procesos es una marcada disminución de O2 disuelto en la columna

de agua.

La descarga de efluentes domésticos es una de las principales fuentes

puntuales de contaminación de los ecosistemas acuáticos ya que presenta

gran cantidad de materia orgánica lábil, nutrientes y microorganismos

patógenos. La contaminación de origen cloacal implica alto riesgo para la salud

humana, no obstante la mayoría de los ríos presentan elevada cantidad de

indicadores de contaminación cloacal en los sedimentos y el agua.

Sin embargo, los ecosistemas acuáticos pueden autodepurarse de

manera natural mediante la descomposición de materia orgánica y la remoción

de contaminantes por actividad microbiana. El tiempo requerido para depurar el


agua depende del grado de contaminación y de las características del

ecosistema. Los ríos de aguas rápidas y turbulentas pueden autodepurarse en

menor tiempo que los de aguas lentas a causa del mayor ingreso de O2

disuelto. No obstante, incluso aunque en un río se mezcle profusamente el O2

debido al flujo rápido y las turbulencias, los aportes orgánicos elevados pueden

conducir a un notable déficit de O2 debido a la respiración bacteriana. A medida

que el agua se aleja del lugar donde se produce la descarga la materia

orgánica se consume gradualmente y la concentración de O2 regresa a la

normalidad. Si a medida que un río empieza a recuperarse existen nuevas

entradas de contaminación, se supera la capacidad de autodepuración y se

revierten las condiciones aeróbicas. El agotamiento del oxígeno en los

ecosistemas acuáticos es indeseable porque muchos animales acuáticos

mueren incluso en intervalos breves de anoxia. Además la anoxia provoca el

crecimiento de bacterias anaerobias que producen compuestos odoríferos

(aminas, H2S, mercaptanos, ácidos) algunos de los cuales también son tóxicos

para los organismos superiores.

Las aguas subterráneas suelen ser más difíciles de contaminar que las

superficiales, pero cuando esta contaminación se produce es más difícil de

eliminar. Sucede esto porque las aguas del subsuelo tienen un ritmo de

renovación muy lento. Se calcula que mientras el tiempo de permanencia

medio del agua en los ríos es de días, en un acuífero es de cientos de años, lo

que hace muy difícil su purificación.

Cada ecosistema lótico no disturbado posee una determinada cantidad

de materia orgánica resultado del balance entre los procesos de incorporación

y descomposición microbiana. Por lo tanto el ingreso de mayor cantidad de

materia orgánica (y/o diferente calidad) y nutrientes por contaminación

antrópica puede hacer variar drásticamente la abundancia, actividad y

estructura de la comunidad microbiana y como consecuencia alterar los ciclos

biogeoquímicos a nivel global y particular.

La urgente necesidad humana de agua de razonable calidad requiere

del análisis y manejo de los recursos hídricos maximizando la eficiencia del

uso. Para lograr un uso eficiente se debe interpretar el funcionamiento de los

ecosistemas acuáticos ya que la calidad del agua depende fuertemente de

procesos biológicos.


Carga microbiana del agua según su origen

Los microorganismos del agua pueden ser característicos de la masa de agua

natural, o transitorios cuando entran al agua en forma intermitente procedentes

del suelo, aire, procesos industriales, agrícolas o domésticos. En general los

ecosistemas naturales de agua dulce (ríos, lagos y aguas subterráneas) sin

contaminar presentan escaso contenido de carbono orgánico y nutrientes por lo

que la abundancia de los microorganismos es baja. Por otro lado los efluentes

domésticos, de origen pecuario y en algunos casos industriales, presentan una

elevada abundancia de microorganismos. Es por esto que los microorganismos

son ampliamente utilizados como indicadores de contaminación biológica.

Sanidad y calidad de agua

La calidad del agua no es una característica absoluta, sino que es más un

atributo definido socialmente en función del uso que se le piense dar; cada uso

requiere un determinado estándar de calidad. Por esta razón, para evaluar la

calidad del agua es necesario considerar el contexto del uso probable que

tendrá.

Las estimaciones de disponibilidad del agua no reflejan por completo el

problema de las necesidades de este recurso, ya que en la mayor parte del

mundo la calidad del agua está lejos de ser la adecuada. De acuerdo con la

Organización Mundial de la Salud (OMS), 1100 millones de personas no tienen

acceso a una fuente de agua potable, particularmente en áreas rurales donde

no existe posibilidad de que el agua tenga un tratamiento previo que mejore su

calidad y posibilite su uso general.

El agua libre de contaminantes biológicos y químicos es esencial para

la salud pública y, por lo tanto resultan necesarios procedimientos para

controlar y comprobar la calidad del agua. El agua es con frecuencia una fuente

potencial de enfermedades infecciosas y también de intoxicaciones químicas.

Esto se debe a que a menudo una única fuente de agua sirve para un gran

número de personas, como ocurre por ejemplo en las grandes ciudades. La

pureza del agua es, por consiguiente, el factor individual más importante para

asegurar la salud pública. Los métodos que normalmente se emplean para

determinar la calidad de agua dependen de técnicas microbiológicas y

químicas estandarizadas.


Bacterias indicadoras de contaminación

Incluso cuando el agua parece totalmente limpia y transparente puede estar

contaminada con microorganismos patógenos y constituir un serio problema

para la salud. No resulta práctico analizar el agua para cada organismo

patógeno que pueda estar presente en un determinado abastecimiento de

agua, por lo tanto se utilizan microorganismos indicadores cuya existencia

señala una posible contaminación con patógenos.

Los microorganismos indicadores de contaminación deben cumplir los

siguientes requisitos: a) fáciles de aislar y crecer en el laboratorio, b) ser

relativamente inocuos para el hombre y animales y c) presencia en agua

relacionada (cuali y cuantitativamente) con la de otros microorganismos

patógenos de aislamiento más difícil. Tres tipos de bacterias califican a tal fin:

• Coliformes fecales: indican contaminación fecal.

• Aerobias mesófilas: determinan efectividad del tratamiento de aguas.

• Pseudomonas: señalan deterioro en la calidad del agua o una

recontaminación.

Desde el punto de vista bacteriológico, para definir la potabilidad del

agua, es preciso investigar bacterias aerobias mesófilas, coliformes totales y

fecales. La gran sensibilidad de las bacterias aerobias mesófilas a los agentes

de cloración, las ubica como indicadoras de la eficacia del tratamiento de

potabilización del agua. Las bacterias coliformes habitan el tracto intestinal de

mamíferos y aves, y se caracterizan por su capacidad de fermentar lactosa a

35-37 °C. Los géneros que componen este grupo son Escherichia, Klebsiella,

Enterobacter, Serratia, Citrobacter y Edwardsiella. Todas pueden existir como

saprofitas independientemente, o como microorganismos intestinales, excepto

el género Escherichia cuyo origen es sólo fecal. Esto ha llevado a distinguir

entre coliformes totales (grupo que incluye a todos los coliformes de cualquier

origen) y coliformes fecales (término que designa a los coliformes de origen

exclusivamente intestinal) con capacidad de fermentar lactosa también a

44,5°C. La existencia de una contaminación microbiológica de origen fecal se

restringe a la presencia de coliformes fecales, mientras que la presencia de

coliformes totales que desarrollan a 35°C, sólo indica existencia de

contaminación, sin asegurar su origen. El agua no constituye un buen medio de


cultivo por lo que la supervivencia y multiplicación de los microorganismos

patógenos es escasa, es por eso que la presencia en una muestra de agua de

coliformes fecales y especialmente de Escherichia coli indica contaminación

fecal que hace el agua no apta para consumo humano.

Código alimentario argentino

El Código Alimentario Argentino regula en todo el territorio de Argentina a todos

los alimentos, condimentos, bebidas o sus materias primas y los aditivos

alimentarios que se elaboren, fraccionen, conserven, transporten, expendan o

expongan, así como a toda persona, firma comercial o establecimiento que lo

haga. Tiene una serie de leyes que se deben cumplir para que un producto

elaborado se comercialice, de lo contrario el producto no puede ser consumido

ya que podría ser un elemento adulterado además de ser ilegal.

El Código Alimentario Argentino fue puesto en vigencia por la Ley

18.284, reglamentada por el Decreto 2126/71, y cuyo Anexo I es el texto del

Código. Se trata de un reglamento técnico en permanente actualización que

establece las normas higiénico-sanitarias, bromatológicas, de calidad y

genuinidad que deben cumplir las personas físicas o jurídicas, los

establecimientos, y los productos que caen en su órbita. Esta normativa tiene

como objetivo primordial la protección de la salud de la población y la buena fe

en las transacciones comerciales.

Definición de agua potable según CAA (Código Alimentario

Argentino)

AGUA POTABLE: Artículo 982 - (Resolución Conjunta SPRyRS y

SAGPyA N° 68/2007 y N° 196/2007) “Con las denominaciones de Agua potable

de suministro público y Agua potable de uso domiciliario, se entiende la que es

apta para la alimentación y uso doméstico: no deberá contener substancias o

cuerpos extraños de origen biológico, orgánico, inorgánico o radiactivo en

tenores tales que la hagan peligrosa para la salud. Deberá presentar sabor

agradable y ser prácticamente incolora, inodora, límpida y transparente. El

agua potable de uso domiciliario es el agua proveniente de un suministro

público, de un pozo o de otra fuente, ubicada en los reservorios o depósitos

domiciliarios. Ambas deberán cumplir con las características físicas, químicas y

microbiológicas siguientes:


Características físicas:

Turbiedad: máx. 3 N T U

Color: máx. 5 escala Pt-Co

Olor: sin olores extraños

Características químicas:

pH: 6,5 - 8,5

pH sat.: pH ± 0,2.

Sustancias inorgánicas:

Amoníaco (NH4+) máx.: 0,20 mg/l

Antimonio máx.: 0,02 mg/l

Aluminio residual (Al) máx.: 0,20 mg/l

Arsénico (As) máx.: 0,01 mg/l

Boro (B) máx.: 0,5 mg/l

Bromato máx.: 0,01 mg/l

Cadmio (Cd) máx.: 0,005 mg/l

Cianuro (CN-) máx.: 0,10 mg/l

Cinc (Zn) máx.: 5,0 mg/l

Cloruro (Cl-) máx.: 350 mg/l

Cobre (Cu) máx.: 1,00 mg/l

Cromo (Cr) máx.: 0,05 mg/l

Dureza total (CaCO3) máx.: 400 mg/l

Fluoruro (F-): para los fluoruros la cantidad máxima se da en función de la

temperatura promedio de la zona, teniendo en cuenta el consumo diario

del agua de bebida:

- Temperatura media y máxima del año (°C) 10,0 - 12,0, contenido

límite recomendado de Flúor (mg/l), límite inferior: 0,9: límite

superior: 1, 7.



superior: 1,5.

- Temperatura media y máxima del año (°C) 14,7 - 17,6. contenido


superior: 1,3.



límite recomendado de Flúor (mg/l), Límite inferior: 0,7: límite

superior: 1,2.



superior: 1,0.


límite recomendado de Flúor (mg/l), límite inferior: 0,6; límite

superior: 0,8.

Hierro total (Fe) máx.: 0,30 mg/l

Manganeso (Mn) máx.: 0,10 mg/l

Mercurio (Hg) máx.: 0,001 mg/l

Níquel (Ni) máx.: 0,02 mg/l

Nitrato (NO3-,) máx.: 45 mg/l

Nitrito (NO2-) máx.: 0,10 mg/l

Plata (Ag) máx.: 0,05 mg/l

Plomo (Pb) máx.: 0,05 mg/l

Selenio (Se) máx.: 0,01 mg/l

Sólidos disueltos totales, máx.: 1500 mg/l

Sulfatos (SO4=) máx.: 400 mg/l

Cloro activo residual mín.: 0,2 mg/l.

La autoridad sanitaria competente podrá admitir valores distintos si la

composición normal del agua de la zona y la imposibilidad de aplicar

tecnologías de corrección lo hicieran necesario. Para aquellas regiones del país

con suelos de alto contenido de arsénico, se establece un plazo de hasta 5

años para adecuarse al valor de 0,01 mg/l.

(Modificado por Resolución Conjunta SPReI N° 34/2012 y SAGyP N°

50/2012): Prorrogase el plazo de cinco (5) años previsto para alcanzar el valor

de 0,01 mg/l de arsénico hasta contar con los resultados del estudio

“Hidroarsenicismo y Saneamiento Básico en la República Argentina – Estudios

básicos para el establecimiento de criterios y prioridades sanitarias en

cobertura y calidad de aguas” cuyos términos fueron elaborados por la

Subsecretaría de Recursos Hídricos del Ministerio de Planificación Federal.


Contaminantes orgánicos:

THM, máx.: 100 ug/l

Aldrin + Dieldrin, máx.: 0,03 ug/l

Clordano, máx.: 0,30 ug/l

DDT (Total + Isómeros), máx.: 1,00 ug/l

Detergentes, máx.: 0,50 mg/l

Heptacloro + Heptacloroepóxido, máx.: 0,10 ug/l

Lindano, máx.: 3,00 ug/l

Metoxicloro, máx.: 30,0 ug/l

2,4 D, máx.: 100 ug/l

Benceno, máx.: 10 ug/l

Hexacloro benceno, máx: 0,01 ug/l

Monocloro benceno, máx.: 3,0 ug/l

1,2 Dicloro benceno, máx.: 0,5 ug/l

1,4 Dicloro benceno, máx.: 0,4 ug/l

Pentaclorofenol, máx.: 10 ug/l

2, 4, 6 Triclorofenol, máx.: 10 ug/l

Tetracloruro de carbono, máx.: 3,00 ug/l

1,1 Dicloroeteno, máx.: 0,30 ug/l

Tricloro etileno, máx.: 30,0 ug/l

1,2 Dicloro etano, máx.: 10 ug/l

Cloruro de vinilo, máx.: 2,00 ug/l

Benzopireno, máx.: 0,01 ug/l

Tetra cloro eteno, máx.: 10 ug/l

Metil Paratión, máx.: 7 ug/l

Paratión, máx.: 35 ug/l

Malatión, máx.: 35 ug/l.

Características Microbiológicas:

Bacterias coliformes: NMP a 37 °C- 48 hs. (Caldo Mc Conkey o Lauril

Sulfato), en 100 ml igual o menor de 3.

Escherichia coli: ausencia en 100 ml.

Pseudomonas aeruginosa: ausencia en 100 ml.


En la evaluación de la potabilidad del agua ubicada en reservorios de

almacenamiento domiciliario deberá incluirse entre los parámetros

microbiológicos a controlar el recuento de bacterias mesófilas en agar (APC -

24 hs. a 37 °C): en el caso de que el recuento supere las 500 UFC/ml y se

cumplan el resto de los parámetros indicados, sólo se deberá exigir la

higienización del reservorio y un nuevo recuento. En las aguas ubicadas en los

reservorios domiciliarios no es obligatoria la presencia de cloro activo.

“Los tratamientos de potabilización que sea necesario realizar deberán

ser puestos en conocimiento de la autoridad sanitaria competente”.

Calidad de agua para riego

La calidad del agua para riego afecta tanto a los rendimientos de los cultivos

como a las condiciones físicas del suelo, incluso si todas las demás

condiciones y prácticas de producción son favorables/óptimas. Además, los

distintos cultivos requieren distintas calidades de agua para riego. Los

parámetros que determinan la calidad del agua para riego se dividen en tres

categorías: químicos, físicos y biológicos.

El principal problema relacionado con la calidad del agua para riego es

la salinidad del agua. La salinidad del agua se refiere a la cantidad total de

sales disueltas en el agua, pero no indica que sales están presentes, y se

originan por disolución y erosión de las rocas y minerales. El nivel alto de sales

en el agua de riego reduce la disponibilidad del agua para el cultivo (debido a la

presión osmótica), aunque el suelo puede parecer mojado, y causa la

reducción del rendimiento.

El contenido de sodio es la variable más negativa para los suelos

seguida de la alcalinidad. El parámetro utilizado para determinar el riesgo de

sodio es el RAS (Relación de Adsorción de Sodio). Este parámetro indica la

cantidad de sodio en el agua de riego, en relación con el calcio y el magnesio.

El calcio y el magnesio tienden a contrarrestar el efecto negativo de sodio.

Valores elevados de RAS (sodicidad) y pH (alcalinidad) conducen a la pérdida

de estabilidad estructural de los suelos que se produce fundamentalmente por

la dispersión y/o hinchamiento de las arcillas sensibles a estos procesos. Esta

pérdida de estabilidad de los suelos reduce su capacidad para transmitir agua,

se deterioran las condiciones físicas del suelo, ya que estas partículas son

arrastradas a pocos centímetros de profundidad, acumulándose y formando


una capa pesada u horizonte de acumulación, de estructura prismática o

columnar, poco permeable. La calidad del agua de riego también puede ser

determinada por la toxicidad de iones específicos para la planta como el boro,

cloro y sodio.

En cuanto a los parámetros biológicos se utilizan a las coliformes

fecales como indicadoras, particularmente cuando el agua para riego proviene

de aguas residuales las cuales contienen una gran cantidad de patógenos si no

son previamente tratadas adecuadamente.

Tratamiento de efluentes de origen pecuario

La intensificación de la producción animal se inició durante la década del

cincuenta y, en esencia, implica la concentración de animales por unidad de

superficie y el aumento en el uso de insumos. En Argentina la producción

lechera desde 1990 mostró una tendencia de reducción del número de tambos,

con un aumento en el tamaño del rodeo y producción por vaca. Asimismo, la

producción intensiva de ganado como los “feedlots”, generalmente consiste en

alimentar un gran número de animales en pequeñas áreas. Esta gran

concentración de animales genera una enorme cantidad de residuos. Los

residuos originados en las áreas de ordeñe y en los “feedlots” contienen

excretas, orina (materia orgánica y nutrientes), microorganismos patógenos,

agua de lavado de las instalaciones, además de restos de leche, detergentes y

otros productos químicos utilizados en la limpieza e higiene. Debido a ello, la

composición de los residuos es elevada en sólidos, nutrientes, materia orgánica

y microorganismos. Además, los residuos pueden ser colonizados con

microorganismos mesófilos provenientes del ambiente. Por lo tanto si los

residuos no son manejados correctamente afectan la calidad de aguas

superficiales y subterráneas, de los suelos, y la salud humana y animal.

El manejo de las excretas es un aspecto fundamental en la

sustentabilidad ambiental de los sistemas de producción animal intensivos o en

proceso de intensificación. El diseño de cualquier sistema de tratamiento debe

considerar la cantidad de estiércol producido y recolectable, su concentración

final en el efluente (incluyendo el agua de lavado) y las precipitaciones locales,

dado que por lluvias pueden colapsar las lagunas. Para comprender esta

situación, basta decir que un tambo de 400 vacas en ordeño genera una

contaminación localizada equivalente a 500 seres humanos. El tratamiento de

las excretas, en general, consiste en disminuir la carga orgánica que contienen.


El tratamiento de estos residuos se puede realizar bajo condiciones

aeróbicas o anaeróbicas. Cuando se realiza en condiciones aeróbicas y se

separan los sólidos de la fase líquida, el estiércol resultante puede ser

estacionado en pilas o compostado, lo cual permite aumentar la proporción de

materia seca y la disponibilidad de nutrientes, y remover organismos

patógenos. Los líquidos pueden ser sometidos a tratamiento en lagunas

aeróbicas (con aireación forzada), donde los microorganismos aeróbicos

oxidan la materia orgánica. Si el tratamiento resulta exitoso, estos líquidos

pueden ser utilizados para su aplicación en cultivos y pasturas o vertirse a

cuerpos de agua. En el caso que aún fuese necesaria su depuración, se

debería continuar con un tratamiento terciario como filtros biológicos

organizados en franjas implantadas con especies forrajeras, plantas acuáticas

o árboles. Cuando se realiza tratamiento anaeróbico se produce biogás

(metano) que puede colectarse y utilizarse. Además, disminuyen la materia

orgánica, los nutrientes (remoción de N entre 62 y 72% y de P entre 50 y 75%)

y los patógenos.

Los nutrientes de los estiércoles también pueden ser reciclados

aplicando el estiércol en las tierras agrícolas. Sin embargo, la cantidad de

estiércol generado en los sistemas de ganadería concentrada a menudo

excede la capacidad de usar y retener estos nutrientes de las tierras agrícolas

cercanas. Por ej. se requiere un área agrícola cerca de 1.000 veces más

grande que el área de feedlot en sí misma para distribuir los nutrientes del

estiércol a un nivel igual al que puedan ser utilizados por los cultivos. Muchos

cultivos pueden no estar disponibles y el exceso de estiércol termina siendo

aplicado en áreas agrícolas pequeñas. Entonces el exceso de nutrientes se

incorpora al suelo, se va por escorrentía o se infiltra en las napas de agua o, en

el caso del N, puede entrar a la atmósfera.


UNIDAD XI: MICROBIOLOGÍA DE ALIMENTOS: PROCESOS MICROBIANOS DE LA CONSERVACIÓN Y PRODUCCIÓN DE ALIMENTOS

Los microorganismos pueden utilizar nuestros alimentos como fuente de

nutrientes para su propio crecimiento, lo que puede ocasionar una alteración de

los mismos. La alteración del alimento puede ocurrir porque los

microorganismos se multiplican en él, porque utilizan sus nutrientes, porque

producen modificaciones enzimáticas o porque le producen sabores

desagradables mediante el desdoblamiento de determinadas sustancias o

mediante la síntesis de nuevos compuestos.

Los principales factores de la composición de los alimentos que

influyen en la actividad microbiana son: a) pH, b) humedad, c) potencial de

óxido-reducción, d) nutrientes y e) presencia de sustancias inhibidoras o

barreras.

pH (concentración de iones hidrógeno)

Cada microorganismo tiene un pH mínimo, un pH óptimo y un pH máximo de

crecimiento. Las células microbianas son muy afectadas por el pH, debido a

que al parecer, carecen de mecanismos que les permita regular su pH interno.

En general, los hongos y las levaduras toleran mejor la acidez que las

bacterias, quienes se desarrollan mejor a pH cercanos a la neutralidad. Sin

embargo, algunas bacterias como las lactobacterias crecen bien a pH entre 4 y

4,5 o las bacterias con actividad proteolítica que se pueden desarrollar a pH

básico. Todo alimento que tenga un pH intrínsecamente bajo, tendería a ser

más estable desde el punto de vista microbiológico, que un alimento neutro.

Humedad (actividad agua)

Los microorganismos se caracterizan por la necesidad de agua para su

crecimiento, sin embargo la cantidad de agua que necesitan es variable. Esta

demanda de agua se expresa como agua disponible o actividad agua (aw). El

aw se define como la presión de vapor de la solución (sustancias disueltas en

agua en la mayoría de los alimentos) dividida por la presión de vapor del

disolvente (generalmente agua).

El agua pasa a quedar no disponible por: los solutos e iones que fijan el

agua de la solución, los coloides hidrófilos (agar) y la cristalización del agua.

Cada microorganismo tiene una aw mínima, una aw óptima y una aw máxima.


Los factores que influyen sobre la aw de los microorganismos son los

siguientes:

Tipo de soluto utilizado para reducir la aw

Valor nutritivo del medio de cultivo: cuanto más apropiado es el medio

para el crecimiento del microorganismo menor es la aw limitante del

crecimiento.

Temperatura: cuando la temperatura esta próxima a la temperatura

óptima de crecimiento los microorganismos son más resistentes a valores bajos

de aw.

Aporte de oxígeno: en condiciones aeróbicas la multiplicación de los

microorganismos aeróbicos ocurre a valores de aw menores que cuando lo

hacen en un medio anaeróbico.

pH: a valores próximos a la neutralidad la mayoría de los

microorganismos son más tolerantes a una escasa aw.

Potencial de óxido-reducción

El potencial redox es una medida de la actividad de los electrones. El poder

oxidante o reductor de un alimento influye en el tipo de microorganismo que

crece sobre él y por lo tanto en las modificaciones que tendrán lugar en el

alimento. El potencial redox de un alimento está definido por: el potencial redox

del alimento originario y por la capacidad de compensación del alimento, es

decir, su resistencia a modificar su potencial, por la presión de oxígeno de la

atmósfera existente en torno al alimento y por el contacto que la atmósfera

tiene con el alimento.

Un potencial redox elevado (oxidante) favorece el crecimiento de los

microorganismos aerobios, aunque permitirá el crecimiento de los facultativos,

mientras que un potencial redox bajo (reductor) favorece el crecimiento tanto

de los microorganismos anaerobios como facultativos. El crecimiento de un

determinado microorganismo sobre el alimento puede modificar el potencial

redox del mismo impidiendo el desarrollo de otros microorganismos, así por

ejemplo, el desarrollo de microorganismos anaerobios puede reducir el

potencial redox que impediría el crecimiento de los aerobios.


Por lo general, la mayoría de los alimentos frescos, ya sean de origen

vegetal o animal, tienen en su interior un potencial redox bajo y bien

equilibrado. Así los vegetales poseen sustancias reductoras como por ejemplo

el ácido ascórbico y azúcares reductores, y mientras que los animales poseen

radicales sulfhidrilo y otros grupos reductores. Esto conjuntamente con la

presión de oxígeno existente en torno al alimento, crea condiciones aerobias en

la superficie y sus proximidades, pudiendo permitir el crecimiento de bacterias

aerobias productoras de viscosidad o bacterias acidificantes, mientras que en

el interior se llevan a cabo procesos de putrefacción anaeróbica.

Nutrientes

Para determinar qué tipo de microorganismo puede crecer sobre un alimento

es necesario tener en cuenta la clase y la cantidad de nutrientes presentes en

el alimento. En base a ello tenemos que distinguir: a) alimentos energéticos, b)

alimentos plásticos y c) sustancias accesorias de los alimentos o vitaminas.

Alimentos energéticos: los hidratos de carbono normalmente

representan la fuente más comúnmente utilizada como energía por los

microorganismos. Un reducido número de microorganismos pueden utilizar

lípidos (grasas) como fuente de energía, siempre que no dispongan de un

alimento energético más fácilmente utilizable. En general, en la

descomposición de las grasas intervienen principalmente microorganismos

aeróbicos, al igual que para la descomposición de las proteínas.

Alimentos plásticos: también conocidos como formadores, son aquellos

que tienen altos contenidos proteicos. Los microorganismos se diferencian por

su capacidad de utilizar los diferentes compuestos nitrogenados como fuente

de nitrógeno para satisfacer sus necesidades de crecimiento. Algunos

microorganismos son incapaces de utilizar las proteínas, por ello necesitan que

previamente estas sean hidrolizadas por microorganismos proteolíticos (por

ejemplo algunos mohos). Otros microorganismos utilizan como fuente de

nitrógeno los péptidos, los aminoácidos, la urea, el amoníaco u otros

compuestos nitrogenados más sencillos.

Sustancias accesorias de los alimentos o vitaminas: algunos

microorganismos son incapaces de sintetizar algunas o todas las vitaminas que

necesitan, por eso se las deben suministrar los alimentos. Los distintos

tratamientos a los que se somete el alimento pueden reducir su contenido


vitamínico e incluso el almacenamiento por periodos prolongados (sobre todo a

temperaturas relativamente altas) puede disminuir la concentración de

vitaminas en el mismo. Cada una de las especies de microorganismos tiene

una escala definida de necesidades nutritivas. Para algunas especies la escala

es amplia y pueden crecer sobre una cantidad de sustratos muy diferentes,

como por ejemplo las bacterias coliformes y los clostridios, mientras que para

otras como por ejemplo las bacterias patógenas (Pseudomonas) ese rango es

bastante estrecho y estos microorganismos solo son capaces de crecer en un

escaso número de tipos de sustratos.

Sustancias inhibidoras:

Las sustancias inhibidoras existentes en el alimento original añadidas a él o

producidas en él, ya sea debidas al crecimiento de microorganismos o a los

distintos sistemas de tratamiento, pueden impedir el crecimiento de todos los

microorganismos o como ocurre más frecuentemente pueden impedir el

crecimiento de determinadas especies de microorganismos. Ejemplos de

inhibidores naturales son las lacteninas y el factor anticoliforme de la leche

recién ordeñada, la lisozima de la clara de huevo y el ácido propiónico

producido por las bacterias propiónicas en la elaboración del queso suizo que

inhibe el crecimiento de los mohos sobre la superficie del mismo.

Grupos de bacterias importantes en microbiología los alimentos

Las bacterias que tienen importancia en los alimentos se suelen agrupar en

base a alguna propiedad común, sin tener en cuenta su clasificación

sistemática.

Bacterias que producen ácido láctico o bacterias lácticas

La propiedad más importante de estos microorganismos es la capacidad para

fermentar los azúcares con producción de ácido láctico. Esta propiedad puede

ser beneficiosa para la elaboración de alimentos como conservas y quesos, en

el proceso de ensilado, pero puede ser perjudicial cuando produce alteraciones

en los vinos. Estas bacterias al producir cantidades importantes de ácido láctico

provocan una significativa disminución del pH, impidiendo el desarrollo de otros

microorganismos competitivos. Dentro de este grupo encontramos géneros

como Leuconostoc, Lactobacillus, Streptococcus y Pediococcus.


Bacterias que producen ácido acético o bacterias acéticas

Dentro de este grupo encontramos principalmente dos géneros: Acetobacter y

Gluconobacter que oxidan el alcohol etílico a ácido acético, posteriormente las

bacterias del género Acetobacter oxidan el ácido acético a CO2. Este grupo de

microorganismos es muy importante por su capacidad de oxidar el etanol a

ácido acético, importante en la fabricación de vinagres y bebidas alcohólicas.

Bacterias que producen ácido butírico o bacterias butíricas

La mayoría de las bacterias de este grupo son anaeróbias esporógenas y

pertenecen al género Clostridium. Estas bacterias son responsables de los

olores desagradables que suelen aparecer en los silos de forrajes, cuando

durante el proceso de ensilado el contenido de azúcares en el forraje no es lo

suficientemente grande como para producir una cantidad de ácido láctico como

para garantizar un pH de 5 o menos.

Bacterias que producen ácido propiónico o bacterias propiónicas

La mayoría de las bacterias de este grupo pertenecen al género

Propionibacterium. Son Gram positivas, anaeróbicas, fermentan el ácido

láctico, carbohidratos y otros alcoholes, produciendo principalmente ácido

propiónico, pero también CO2 y ácido acético. Fueron descubiertas en los

quesos suizos, en los que produce, debido al CO2, los típicos agujeros, siendo

la presencia de estas bacterias la responsable del sabor de estos quesos.

Bacterias proteolíticas

Son un grupo heterogéneo de bacterias que producen proteasas

extracelulares (enzimas que difunden al exterior de la célula). Se las divide en

aquellas que son aerobias o facultativas, pudiendo ser esporógenas (Bacillus

cereus) o asporógenas (no producen esporas) (Pseudomonas fluorescens), y

en aquellas que son anaeróbicas y esporógenas (Clostridium sporogenes).

Bacterias lipolíticas

Es un grupo heterogéneo de bacterias que generan lipasas que catalizan la

hidrólisis de los triglicéridos en glicerol y ácidos grasos. Muchas de las

bacterias proteolíticas son también lipolíticas como por ejemplo Pseudomonas

fluorescens. Las lipasas producidas por estas bacterias son responsables de la


rancidez y consiguiente deterioro de alimentos lipídicos. Estas bacterias

también son importantes en la elaboración de quesos, como por ejemplo el

queso Cotija (de origen mejicano), en el cuál estas bacterias son responsables

en gran parte del olor y sabor característico del mismo.

Bacterias sacarolíticas

Estas bacterias son responsables de la hidrólisis de polisacáridos o disacáridos

a azúcares más sencillos. Algunas especies como Bacillus subtilis y Clostridium

butyricum son amilolíticas, dado que producen una amilasa que puede producir

la hidrólisis extracelular del almidón.

Bacterias pectinolíticas

Las pectinas son carbohidratos complejos, responsables de la rigidez de la

pared celular de frutas y hortalizas, algunas pectinas se pueden utilizar como

gelificantes de diferentes productos. Estas bacterias producen enzimas

pectinolíticas o pectinasas que son responsables del ablandamiento o pérdida

de consistencia de los tejidos vegetales, como así también de la pérdida del

poder gelificante.

Bacterias termófilas

Estas bacterias cuya temperatura óptima de crecimiento es 55 °C o más

(mínimo45 °C) tienen importancia en aquellos alimentos que se mantienen a

temperaturas elevadas. Entre las bacterias termófilas se encuentran Bacillus

stearothermophilus y Clostridium thermosaccharolyticum.

Bacterias termodúricas

Son aquellas que son capaces de resistir el proceso de pasteurización. Algunas

especies de Bacillus son capaces de sobrevivir en los huevos líquidos

sometidos a pasteurización.

Bacterias psicotróficas

Estas bacterias pueden crecer a temperaturas normales de refrigeración. A

diferencia de las psicrófilas, la temperatura óptima de las bacterias psicotróficas

no coincide con las temperaturas de refrigeración. Normalmente la temperatura

óptima está entre los 25 y 30 °C. La mayoría de las bacterias causantes de la


pérdida de calidad de los alimentos refrigerados no estériles, excepto pescados

y mariscos, son psicotróficas. Dentro de este grupo se encuentran bacterias

pertenecientes a los géneros Pseudomonas, Flavobacterium, Achromobacter, y

Alcaligenes.

Bacterias halófilas

Estas bacterias para poder crecer necesitan concentraciones mínimas de NaCl

disuelto. Las bacterias halófilas pueden ser (1) débilmente halófilas: que

crecen en medios con concentraciones salinas entre 0,5 y 3 %, y se aíslan a

partir de pescados y mariscos (Pseudomonas, Moraxella, Flavobacterium,

Acinetobacter y Vibrio), (2) medianamente halófilas: se aislan en carnes y

hortalizas en salmuera y crecen mejor en medios con concentraciones salinas

entre 3,0 y 15 % (Bacillus, Micrococcus, Vibrio, Acinetobacter y Moraxella). (3)

extraordinariamente halófilas: crecen en alimentos conservados en

salmueras de elevada concentración salina (entre 15 y 30 %) (Halobacterium y

Halococcus) y (4) halotolerantes: crecen en medios con o sin sal, (Bacillus,

Micrococcus, Corynebacterium, Streptococcus y Clostridium).

Bacterias osmófilas o sacarófilas

Son aquellas que crecen en concentraciones elevadas de azúcar, sin embargo

la mayoría de las bacterias denominadas osmófilas son simplemente tolerantes

al azúcar, como es el caso de las especies de Leuconostoc.

Bacterias productoras de pigmentos

El color de los pigmentos producidos por bacterias que crecen en la superficie

o dentro del alimento abarca todo el espectro visible e incluye el blanco y el

negro. En algunos géneros, todas las especies producen pigmento, como es el

caso de los géneros Flavobacterium (pigmento de un color que varía de

amarillo a naranja) y Serratia (pigmento rojo).

Bacterias coliformes y grupo de coliformes fecales

Son bacterias aerobias o anaerobias facultativas que fermentan la lactosa con

producción de gas. Las principales especies de bacterias coliformes son

Escherichia coli y Enterobacter aerogenes. El grupo de coliformes fecales

incluye a los coliformes capaces de crecer a temperatura elevada (44.5 o 45

°C). Algunas de las características que determinan que las bacterias coliformes


sean importantes en las alteraciones que experimentan los alimentos son: (1)

su capacidad de crecer en sustratos muy distintos y utilizar como fuente de

energía algunos hidratos de carbono y otros compuestos orgánicos y como

fuente de nitrógeno algunos compuestos nitrogenados muy sencillos, (2) su

capacidad para sintetizar la mayoría de las vitaminas que necesitan, (3) la

capacidad de crecer dentro de un intervalo de temperaturas bastante amplio,

desde temperaturas inferiores a 10 °C hasta una temperatura próxima a los 46

°C, (4) su capacidad para producir cantidades importantes de ácido y gas a

partir de azúcares, y (5) su capacidad para producir sabores desagradables.

Aplicaciones biotecnológicas de las fermentaciones

La elaboración de productos fermentados se cree que se inició en pueblos

nómades de Turquía, Asia Central y Bulgaria que transportaban leche fresca

dentro del estómago de cabras. Por la acción de enzimas y bacterias presentes

en la leche se obtenía una masa coagulada que facilitaba el transporte y la

conservación de la misma. Con el transcurso de los años, el hombre intentó

conservar de alguna forma los alimentos que eran obtenidos en gran cantidad

en las épocas de abundancia, para poder ser consumidos en las épocas de

escasez. La fermentación de la leche y otros alimentos contribuyó a satisfacer

estos requerimientos. Luego, con la modernidad se realizaron numerosas

investigaciones de los microorganismos que intervienen en estos procesos y se

fueron desarrollando técnicas cada vez más complejas para la elaboración de

diferentes tipos de leche y sus derivados (leches ácidas, diferentes tipos de

yogur, quesos, etc.), la conservación de frutas y hortalizas, granos, forrajes,

etc.

Leche y sus derivados

Leche

La leche es el producto fresco del ordeñe completo e ininterrumpido, en

condiciones de higiene, de animales sanos, descansados y bien alimentados,

recogida higiénicamente y sin calostro. La leche es un líquido blanco, opaco,

más viscoso que el agua y de sabor ligeramente azucarado. Químicamente, se

puede considerar a la leche como una emulsión de materia grasa en solución

acuosa que contiene numerosos elementos, algunos en disolución y otros en

estado coloidal.


La leche está compuesta principalmente por: materia grasa, lactosa,

proteínas (caseína y otras), minerales, sales, agua, vitaminas, enzimas y otros

componentes. La leche para ser comercializada debe cumplir con todas las

características físicas y bacteriológicas que se establecen en la legislación.

Caseína

Las caseínas son complejos proteicos fosforados de gran tamaño y que

constituyen la parte nitrogenada más característica de la leche. No existe

ninguna sustancia parecida en la sangre ni en los tejidos de mamíferos. La

caseína precipita solo cuando se acidifica la leche a pH 4,5; razón por la cual

se la ha llamado proteína insoluble de la leche.

Lactosa

La lactosa es el único glúcido libre que existe en cantidad importante en todas

las leches. La lactosa se sintetiza en la mama a partir de glucosa sanguínea y

es el componente de la leche más lábil frente a la acción microbiana.

Numerosas bacterias realizan la transformación por fermentación de la lactosa

a ácido láctico, proceso que provoca la acidificación de la leche.

Bacterias ácido- lácticas

Son un grupo de bacterias Gram positivas, comúnmente no móviles, capaces

de crecer en un rango de pH de entre 4 y 4,5; no esporuladas y que producen

ácido láctico como producto principal o único del metabolismo fermentativo.

Todas las bacterias del grupo son anaeróbicas facultativas o microaerófilas

(Tabla 1).

Las bacterias ácido lácticas son microorganismos auxótrofos, es decir

que requieren una serie de componentes (aminoácidos, purinas, pirimidinas,

vitaminas y péptidos) que no pueden ser sintetizados por ellos mismos, por lo

cual estos compuestos deben encontrarse en el medio en el cual están

creciendo. El elevado requerimiento nutritivo de estos microorganismos, los

condicionan a poder vivir solo en hábitats que le sean propicios: como la leche,

el intestino de animales (incluso el hombre), mucosas de animales o sobre

plantas intactas o en descomposición. Con respecto a las temperaturas a las

cuales se desarrollan estos microorganismos, los hay mesófilos y termófilos.


Las bacterias ácido lácticas son fermentadoras y dependiendo de si el

producto de su metabolismo es solamente ácido láctico, o si el ácido láctico

está acompañado por otros productos se las denominan homofermentativas o

heterofermentativas, respectivamente. Las bacterias lácticas

homofermentativas generan como producto principal de su fermentación el

ácido láctico. Con respecto a las bacterias heterofermentativas, durante la

fermentación, además de ácido láctico producen: CO2, etanol y algunas acetato

(VER unidad metabolismo).

Tabla 1: Principales géneros de bacterias lácticas.

Carga microbiana de la leche

La calidad de la leche para producción de alimentos es muy importante desde

el punto de vista técnico y depende del número y naturaleza de los

microorganismos que contiene. Los microorganismos presentes en la leche

pueden provenir:

Del interior de la ubre: si la ubre está sana la leche obtenida es

prácticamente estéril. En cambio, si la ubre presenta mastitis (infección

bacteriana) se incrementa en gran cantidad el número de microorganismos

presentes en ella.

De los pezones: esta contaminación es peligrosa porque en la piel de

los pezones se encuentra un alto número de microorganismos esporulados.

Género Morfología Temperatura

de crecimiento Tipo de

fermentación

Streptococcus cocos mesófilos homofermentativa

Leuconostoc spp cocos mesófilos heterofermentativa

Lactobacillus spp bacilos largos y delgados o

cortos y curvos

mesófilos o termófilos

homofermentativa

o heterofermentativa

Lactococcus spp cocos mesófilos homofermentativa

Pediococcus spp cocos mesófilos

homofermentativa

o heterofermentativa


Cuando el sistema de producción es a campo, la carga microbiana total suele

ser baja.

De equipos y elementos de ordeñe: contaminación producida por

limpieza deficiente de los mismos.

De la conservación o el transporte: por conservación o transporte de la

leche a temperaturas inadecuadas.

Pasteurización

La pasteurización es un proceso térmico que recibe su nombre gracias a Louis

Pasteur, quien al desarrollar este proceso permitió mejorar la calidad de vida al

hacer posible que productos alimenticios básicos, como la leche, se pudieran

transportar largas distancias sin ser afectados por la descomposición

microbiana.

La pasteurización es un proceso realizado a líquidos (generalmente

alimentos), que se utilizó por primera vez para controlar la contaminación por

microorganismos en el vino. Uno de los objetivos de la pasteurización es la

eliminación de los microorganismos patógenos (especialmente los organismos

causantes de la Brucelosis, Tuberculosis, entre otros) y otro de los objetivos es

disminuir la carga microbiana presente en la leche cruda (disminuye

aproximadamente el 95%). Además, la pasteurización retrasa el crecimiento de

organismos alterantes, lo cual incrementa la vida útil de los líquidos

perecederos y no altera las características nutricionales del producto. Sin

embargo, la pasteurización no es sinónimo de esterilización, puesto que en ella

no se destruyen todos los microorganismos (excepto en el caso de la

ultrapasteurización).

Los dos objetivos principales de la pasteurización, se consiguen a

través de procesos industriales de distinta complejidad, en los cuales las

temperaturas de calentamiento son inferiores a 100°C. Una vez realizados

estos procesos no es necesario hervir la leche, aunque debe conservarse

siempre en un lugar frío y consumirse antes de la fecha de vencimiento

indicada. La pasteurización de la leche se realiza habitualmente pasando la

leche a través de un intercambiador de calor: la leche se bombea a través de

un tubo que está en contacto con una fuente de calor.


Existen varios tipos de pasteurización según el tipo de tratamiento

empleado:

La pasteurización baja fue el primer método empleado, aunque la

industria alimentaria lo ha ido renovando por otros sistemas más eficaces. La

pasteurización alta es el método actualmente utilizado en la industria.

Además, también en la actualidad se utiliza mucho el método de

ultrapasteurización que comprende la esterilización de la leche. En general,

cuando la leche es calentada a más de 100°C se producen reacciones

indeseables, sin embargo la ultrapasteurización al exponer a la leche a tan

cortos tiempos de calentamiento, produce una mínima degradación del

alimento.

La leche según el Código Alimentario Argentino

Las empresas productoras que se encargan de la elaboración y

envasado de leche y sus derivados para consumo realizan, además del

proceso de pasteurización, controles sanitarios que garantizan que el producto

final cumpla con reglamentaciones correspondientes establecidas por el Código

Alimentario Argentino (CAA).

Para cada tipo de leche o alimento lácteo, el CAA indica diferentes

normas específicas en cuanto a las características físicas, químicas y

microbiológicas del producto. En este punto es importante destacar que para

cada producto existen límites y parámetros microbiológicos que nos indicarán si

la leche o alguno de sus derivados es apto para el consumo humano. Según el

CAA está prohibido comercializar leche cruda y numerosos organismos

oficiales (Ministerio de Salud y otros) recomiendan no consumir la leche sin

pasteurizar. La leche cruda sin control sanitario puede ser perjudicial para la

salud (en especial por la presencia de microorganismos patógenos) y también

cuando la misma es recogida en envases que no son aptos para contener

alimentos.

Derivados de la leche

La fermentación láctica acidifica el medio a valores de pH menores que 5, lo

cual elimina la posibilidad de crecimiento de los microorganismos que alteran

los alimentos. Esta práctica se emplea para la conservación y producción de

alimentos, y a estos alimentos se los denomina en conjunto “derivados de la


leche”. Si bien, existen numerosos derivados de la industria láctea a

continuación se desarrollan los más relevantes:

Yogur

De los derivados lácteos fermentados el yogur es el que presenta mayor

consumo a nivel mundial. El yogur es el producto obtenido por fermentación de

la leche pasteurizada, a través de la acción de los microorganismos

Lactobacillus delbrueckii subespecie bulgaricus y Streptococcus salivarius

subespecie thermophillus. Estos dos microorganismos homofermentativos

constituyen el cultivo iniciador del yogur (los que se presentan en más alta

proporción). S. salivarius se desarrolla acidificando fuertemente el medio y se

utiliza para la producción de ácido láctico y L. delbrueckii es mucho menos

acidificante que el anterior. Este último contribuye fundamentalmente al sabor y

al aroma del producto. Ambos microorganismos son microaerófilos y soportan

muy bien los pH ácidos.

En el yogur estas bacterias conviven en estrecha simbiosis. Cuando se

cultivan conjuntamente aumenta más rápido el número de células viables y el

contenido de ácido láctico. Para la fabricación del yogur el objetivo principal es

mantener un equilibrio adecuado entre el desarrollo de ambos microorganismos

con el objeto de obtener un producto final suficientemente ácido y aromático.

Al comienzo de la preparación el pH de la leche es favorable a S.

salivarius, razón por la cual inicialmente la acidificación es llevada a cabo

principalmente por estos microorganismos poniendo en marcha la fermentación

láctica. Además, L. delbrueckii también favorece el desarrollo de este

microorganismo ya que obtiene un aminoácido (valina) a partir de la caseína el

cual estimula el desarrollo de S. salivarius.

Luego del aumento de la acidez por acumulación de ácido láctico el pH

se vuelve poco favorable para S. salivarius, la relación se invierte y

progresivamente pasan a ser más dominantes L. delbrueckii. Cuando el pH se

acerca a 4,6 las caseínas se aglomeran formando la red tridimensional

responsable de la textura del producto y se obtiene un coágulo que retiene el

suero.

Los yogures firmes (consistencia semisólida) se preparan con leches

concentradas y se fermentan directamente en los recipientes de envasado. El


yogur líquido se incuba a una temperatura más baja y por un tiempo mayor,

luego se mezcla y se enfría antes del envasado. Los yogures batidos (menor

consistencia que los firmes) se obtienen al romper el coágulo antes del

envasado. Los yogures con frutas son preparados, batidos en frío a los cuales

se les agrega pulpa de diversas frutas previamente pasteurizadas.

Quesos

Los quesos son concentrados de proteínas especialmente caseínas, que se

obtienen por un proceso de coagulación de estas a pH ácido y un posterior

proceso de deshidratación. La coagulación de las caseínas resulta en la

generación de un gel en el que quedan retenidos la materia grasa, vitaminas y

minerales.

En general, el proceso ocurre por la acción del cuajo. El cuajo consiste

en un extracto enzimático de proteinasas ácidas como la renina que hidrolizan

la caseína. La acción enzimática, en conjunto con la acidificación desarrollada

por los microorganismos de la flora nativa de la leche o de cultivos iniciadores,

se denomina coagulación mixta. El producto resultante es la concentración de

la materia seca de la leche por coagulación a través de la acción microbiana.

Luego de la coagulación, se produce el proceso de deshidratación o

desuerado del queso que se inicia con el corte del gel formado por coagulación.

En este momento ocurre la liberación de lactosuero. Luego del desuerado, se

procede a moldear y prensar el queso. El moldeado le da forma a los quesos y

el prensado ayuda a eliminar el lactosuero remanente. El proceso de

elaboración se detiene en este punto en el caso de los quesos frescos,

mientras que en el caso de los demás quesos el proceso sigue mediante dos

partes: el salado y la maduración.

El salado favorece la disminución de la actividad del agua y actúa

controlando el crecimiento microbiano y la actividad enzimática. Además,

favorece la formación de la corteza del queso al seguir deshidratando.

La maduración se realiza en cámaras con temperatura y humedad

relativa controladas. En esta etapa ocurren procesos de lipólisis, proteólisis y

glucolisis que generan compuestos que otorgan sabor y aroma a los quesos y

también hay evaporación de agua, por lo cual se termina de formar la corteza

del queso. En esta etapa intervienen en forma más relevante los


microorganismos no iniciadores (aquellos que no intervienen en forma directa

en la acidificación).

En el caso de los quesos frescos estos no presentan una coagulación

mixta, sino que tienen una coagulación de tipo láctica. En estos quesos se

utilizan pequeñas cantidades de cuajo y se opera a bajas temperaturas para

evitar las condiciones óptimas de acción de la enzima. Estos quesos son

siempre muy húmedos (60-80% de agua). A causa de su gran contenido de

agua son muy poco conservables. Estos quesos precisan de una previa

pasteurización de la leche, ya que si existen microorganismos patógenos en la

leche, estos quedan intactos ya que no tienen un proceso madurativo.

En el caso de los quesos con “ojos”, estos se deben o bien al dióxido

de carbono que se genera al fermentar la lactosa o en algunos tipos especiales

de quesos al empleo de cultivos especiales del género Propionibacterium que

producen dióxido de carbono a partir de lactato. Estas bacterias también

producen ácido propiónico y acético a los cuales se les adjudica el sabor dulce

y picante de estos quesos.

Existen, además, innumerables variedades de queso que se

clasificación por su textura, contenido de humedad, de materia grasa, etc.

Otras variedades de queso son los que tienen hongos en su superficie como

los quesos azules que presentan vetas azuladas debido al crecimiento de

hongos del género Penicilium. Las vetas azul-verdosas observadas

corresponden a las hifas del hongo en crecimiento sobre el queso.

Manteca

Es el producto graso obtenido de la leche o nata de vaca pasteurizada. La

manteca se considera una emulsión de agua en aceite. Su preparación es en

parte microbiológica ya que es necesario un agriado inicial (acidificación) de la

leche por microorganismos del género Streptococcus. Luego, para la

producción del aroma se utilizan otros microorganismos que producen

pequeñas cantidades de acetoína (compuesto inodoro y sin sabor) que es

oxidada a diacetilo, compuesto responsable del aroma. Estos microorganismos

solo producen acetoína en medios ácidos por lo cual es necesaria la

acidificación previa.


Conservación de frutas y hortalizas por fermentación láctica

Encurtidos

A través de la fermentación ácida se pueden conservar hortalizas de hoja,

hortalizas subterráneas y frutas. Los productos más utilizados son: pepinos,

zanahorias, repollos, cebollas y tomates verdes. El producto final se denomina

pickle o encurtido.

La fermentación es llevada a cabo por bacterias lácticas que se

encuentran sobre la superficie de los vegetales. Durante el proceso se procura

favorecer el desarrollo de las bacterias lácticas e impedir el desarrollo de otros

microorganismos que puedan alterar la calidad del alimento. Las condiciones

que favorecen el desarrollo de la flora láctica son: anaerobiosis y una

concentración de sal del 5%. En estas condiciones el proceso es el siguiente:

primero se realiza un proceso heterofermentativo a través del cual se produce

CO2, que desaloja el oxígeno del medio y se consigue de esta forma la

anaerobiosis. El ácido láctico generado baja el pH del medio, lo cual inhibe la

actividad de los demás microorganismos presentes en los vegetales.

Leuconostoc mesenteroides, Pediococcus cereviseae, Lactobacilllus

plantarum y Lactobacillus brevis son algunos de los microorganismos que

realizan este proceso.

Ensilados

Las explotaciones ganaderas pueden conservar los forrajes mediante técnicas

conocidas como heno y ensilado. El principio de cualquier conservación de

forraje está basada en tratar de obtener un producto lo más semejante posible

al material original a procesar en cuanto a cantidad (volumen) y calidad

nutricional.

Heno: consiste en la deshidratación del forraje hasta niveles de 14-15%

de humedad para inhibir el crecimiento microbiano. Un heno puede

confeccionarse de diferentes maneras y dependiendo de ello se los denomina

fardos, rollos o megafardos.

Silo: El ensilado es una técnica de conservación de forraje en estado

húmedo, sin luz ni oxígeno. El ensilado está basado en la inhibición de

procesos enzimáticos y microbianos no deseados a través de la disminución

del pH del medio. Dicha disminución es producida por la fermentación láctica


de los azúcares que presenta el material original o forraje (maíz, sorgo, alfalfa,

caña de azúcar, etc.), en condiciones de anaerobiosis. Existen múltiples

factores a tener en cuenta para lograr un silo de buena calidad.

Dependiendo la especie forrajera (material original), se determina el

momento fenológico óptimo para realizar la confección, en este punto se busca

el mayor volumen posible por hectárea, sin dejar de tener en cuenta la calidad

nutricional. En general, los mejores resultados se observan cuando los

vegetales tienen 30-35 % de materia seca y un contenido mínimo de 6 a 12%

de hidratos de carbono solubles para garantizar la fermentación láctica. Luego,

se procede al corte y picado del material original, procesos que normalmente

son simultáneos. Es importante el tamaño del picado ya que interviene en la

compactación del silo. Tamaños de picado muy grandes son difíciles de

compactar dejando “cámaras de aire”, lo que provoca un mayor tiempo de

respiración aeróbica (pérdida de valor nutritivo) e impide inicialmente los

procesos de fermentación deseados y en casos extremos la pérdida del

material ensilado. Por otra parte, debe haber una proporción mínima de trozos

de vegetal (no menor a 2 cm) para estimular la motilidad ruminal. En caso que

esto no suceda, se pueden ocasionar trastornos a nivel de rumen en el animal.

Esto puede suceder en aquellas dietas donde el silaje es el principal

componente y no intervienen otras fuentes de forrajes fibrosos como por

ejemplo heno de alfalfa.

En aquellos forrajes que al momento de ensilar poseen granos (maíz o

sorgo), es importante lograr una ruptura de esos granos (craker). Esto se logra


con maquinaria que posee rolos que ejercen el partido de los granos, dejando

expuesto el contenido de los mismos a los microorganismos para facilitar los

procesos fermentativos, como así también mejorar la disponibilidad de

nutrientes en el rumen del animal. El próximo paso es la compactación que

busca eliminar la mayor cantidad de oxígeno posible con el objetivo de

disminuir la respiración aeróbica y facilitar la posterior fermentación en el silo.

Acción de los microorganismos en el proceso de ensilado.

Al mismo tiempo que actúan las enzimas de la planta, se produce un desarrollo

de los microorganismos presentes en la superficie del forraje en el momento de

recolección. Estos microorganismos se desarrollan más o menos intensamente

en función de las circunstancias predominantes en el ensilaje. Algunos de estos

microorganismos que se desarrollan en ausencia de oxígeno (anaerobiosis)

son benéficos ya que acidifican la masa del forraje (disminuyen el pH). Otros

son perjudiciales, creciendo y multiplicándose en presencia de oxígeno

compitiendo con las bacterias lácticas por los azúcares.

En una primera fase del ensilaje se desarrollan bacterias aerobias

(Klebsiella y Acetobacter) que son más activas cuanto mayor es la cantidad de

oxígeno aprisionado en el forraje. Estas bacterias emplean como sustrato los

hidratos de carbono que pueden transformar en CO2 o ácido acético, cuya

eficacia en la conservación del silo no es muy notable debido a su escasa

capacidad acidificante. En esta primera fase, y en condiciones normales, ocurre

un incremento de la temperatura en la masa del silo que puede oscilar entre 4 a

6°C por encima de la temperatura media del ambiente debido a la respiración

aeróbica (temperaturas superiores podrían estar indicando que el proceso de

respiración es excesivo).

En condiciones ideales de confección del silo (cultivo y

almacenamiento), el oxígeno debería ser eliminado de la masa en no más de 2

horas. En ausencia de oxígeno comienza una fase anaeróbica donde las

bacterias fermentan azúcares dando como resultado principalmente ácido

láctico, y en menor medida ácido acético, etanol, CO2, etc. Cuando el pH del

silo baja por debajo de 5 se inhibe el crecimiento de las bacterias acéticas,

proliferando las bacterias productoras de ácido láctico. Tras 24 y 48 horas se

desarrollan bacterias (Leuconostoc y Streptococcus) que transforman los

azúcares en ácido láctico ayudando a bajar el pH rápidamente. A medida que

las concentraciones de este ácido son más abundantes, estas bacterias


disminuyen, desarrollándose otras (Lactobacilus y Pediococcus) que forman

ácido láctico en grandes cantidades (3° y 5° día). Desde el 5º día hasta el día

17 a 21 el ácido se va acumulando en cantidades crecientes inhibiendo el

crecimiento de otras bacterias. Si durante este período se ha producido

suficiente cantidad de ácido como para llevar el pH a valores de 4,2 o

inferiores, existe la garantía de que el forraje se conservará perfectamente por

un período indefinido de tiempo, con un valor nutritivo semejante al que poseía

al ser puesto en el silo.

Es importante destacar que la fermentación láctica no solo estabiliza el

silo con la baja de pH, sino que consume menos azucares para lograr la

fermentación, alrededor de 3,8 a 4%, mientras que otras fermentaciones

demandan mayor porcentaje de azucares (acética 38%, butírica 24%). Por el

contrario, si el forraje es pobre en azúcares (leguminosas, plantas jóvenes) o

se ha empobrecido antes de ensilarlo (respiración aeróbica, fertilización

nitrogenada, etc.) o simplemente las bacterias aeróbicas de la primera fase los

han agotado, las bacterias lácticas no tendrán suficiente cantidad de azúcares

a su disposición para conseguir bajar el pH a 4,2. Esto permitirá el desarrollo

de otros microorganismos que pueden degradar el forraje. En este caso, en

primer lugar actúan los clostridios sacarolíticos que degradan los hidratos de

carbono formando ácido butírico (de olor desagradable) con escaso poder

acidificante. Estos microorganismos dificultan la actividad de las bacterias

lácticas, por lo cual la acidez de la masa disminuye permitiendo la proliferación

de otros grupos bacterianos (clostridios proteolíticos). Los clostridios

proteolíticos degradan las proteínas originando amoníaco como producto final,

el cual termina por neutralizar la acidez residual. La masa sin mucho valor

alimenticio y posiblemente con sustancias de carácter tóxico, queda reducida a

un producto putrefacto que ha perdido su aspecto original, presentando un olor

desagradable y característico. A esto, debe sumarse el efecto destructor de los

hongos que se reproducen intensamente, en especial donde han quedado

bolsas de aire, completando la destrucción del producto que queda

prácticamente inservible.

Es necesario considerar las fermentaciones debidas a mohos y

levaduras, que tienen lugar por la presencia de oxígeno en el interior del

ensilado, ya sea por la falta de estanqueidad del silo o por que hayan quedado

bolsas de aire. Sin embargo, el oxígeno ingresará en el momento de la apertura

del silo provocando el deterioro del material ensilado (hongos y levaduras no


deseados). Este deterioro puede ser disminuido por pH de 4 o menores, y

algunos ácidos producidos en la fermentación que son tóxicos para hongos y

levaduras (butírico, acético y propiónico). Otros factores que ayudan es

extremar medidas de manejo y condiciones ambientales favorables como por

ejemplo bajas temperaturas.

Valor nutritivo

En cuanto al valor nutritivo, el ensilado no puede superar el valor del material

original, pues seguramente habrá pérdidas tanto en cantidad como en calidad.

Son inevitables las pérdidas en la formación de gases y drenaje; aunque

pueden aminorarse teniendo en cuenta una serie de puntos como por ejemplo:

estado fenológico del vegetal al momento del ensilado, especie a ensilar,

condiciones ambientales, tiempo en la confección del ensilado, etc. Para que

un silo sea estable y palatable para el ganado debe tener un nivel de acidez

que varíe entre 4,2 y 5. El rango de pH depende de varios factores: especie a

ensilar, estado fenológico del forraje al momento del corte y picado,

compactación, tiempo de confección, tiempos de fermentación, condiciones

climáticas en el momento de la operación del ensilado, etc.

Cuando se realice la apertura de un silo se puede evaluar su

confección a partir de indicadores organolépticos como aroma, color, grado de

humedad y textura. Esto nos informa sobre la confección del silo y por ende

una aproximación cualitativa en cuanto a su nivel nutricional. Los rangos son

los siguientes:


Característica Organoléptica

CALIDAD

Excelente Buena Regular Mala

Color Verde

aceituna

Verde amarillento, tallos más

pálidos que las hojas

Verde oscuro, tallos y hojas

con igual tonalidad

Casi negro o negro

Aroma Agradable a

fruta madura

Agradable, ligero olor a

vinagre

Ácido, con fuerte olor a vinagre.

Deja en las manos un

permanente olor a manteca

(ácido butírico)

Desagradable, con olor

putrefacto y a humedad.

Deja un olor a manteca

rancia en las manos por

horas

Textura

El forraje conserva

sus contornos definidos, hoja unida

al tallo

El forraje conserva sus

contornos definidos,

hojas unida al tallo

Las hojas se separan

fácilmente de los tallos, bordes del

forraje mal definidos, hojas transparentes, vasos leñosos

amarillos

No se aprecia diferencia

entre hojas y tallos, los

cuales forman una masa amorfa y

jabonosa al tacto

Humedad

No humedece la mano a cierre de puño y se mantiene suelto el ensilado

No humedece la

mano a cierre de puño y se mantiene suelto el ensilado

Al ser comprimido en el puño gotea líquido, con

tendencia a ser compactado y

formar una masa

Destila líquido, se

compacta con facilidad y

llega a tomar la forma deseada

Vinificación y elaboración de cerveza

Vinificación

La producción de vino es una industria muy importante en nuestro país y en el

mundo. El vino es una bebida obtenida de la uva mediante la fermentación

alcohólica. La fermentación se produce por la acción metabólica de levaduras

que transforman los azúcares del fruto en etanol y CO2.

La producción del vino comienza con la vendimia o la recolección de la

uva, que resulta ser un proceso delicado ya que tiene que pasar el menor

tiempo posible desde su recolección hasta su elaboración. A continuación las

http://es.wikipedia.org/wiki/Bebida_alcoh%C3%B3lica

http://es.wikipedia.org/wiki/Uva

http://es.wikipedia.org/wiki/Fermentaci%C3%B3n_alcoh%C3%B3lica


http://es.wikipedia.org/wiki/Levadura

http://es.wikipedia.org/wiki/Az%C3%BAcares

http://es.wikipedia.org/wiki/Alcohol_et%C3%ADlico


uvas se prensan y se extrae el zumo resultante llamado mosto. Según el tipo

de uvas que se utilice y la manera de preparar el mosto, se producirá vino

blanco o vino tinto. El vino blanco se obtiene de uvas blancas o negras a la

cuales se les ha quitado la piel, ya que es la piel la que tiene la sustancia

colorante. En cambio, en la fabricación del vino tinto, pieles y semillas (lo que

se conoce como orujo) se deja dentro del tanque de fermentación. Esto hace

que el vino tinto presente mayor cantidad de taninos (sustancias químicas

presentes en la piel de la uva) por lo cual suele presentar aromas más fuertes.

Las levaduras utilizadas en la producción de vino pueden ser de dos

clases: a) levaduras silvestres presentes en las uvas cuando se recogen del

viñedo y que se transfieren al mosto y b) levaduras cultivadas del género

Saccharomyces las cuales se añaden al mosto para iniciar la fermentación. Las

levaduras silvestres presentan una menor tolerancia al alcohol que las

cultivadas y además las levaduras silvestres suelen producir compuestos no

deseados que afectan la calidad del producto final. Por ello, en muchas

bodegas se suelen destruir estas levaduras.

La fermentación del vino se puede realizar en fermentadores (tanques)

de 200 a 200.000 litros de capacidad según la bodega y que pueden estar

hechos de madera de roble, cemento, piedra o metal revestido de vidrio. El

fermentador está construido de tal manera que el dióxido de carbono pueda

escapar pero que no pueda ingresar aire dentro del recipiente.

Luego de la fermentación, los vinos se dejan envejecer

almacenándolos por algunos meses o varios años. Durante el envejecimiento

se suceden numerosos y complejos cambios químicos. El contenido final de

alcohol del vino oscila entre un 6 y 15% en función del contenido de azúcar de

las uvas, la duración de la fermentación y la cepa de levadura cultivada

utilizada. Finalizada la fermentación es necesario realizar el descube (paso del

vino a otro envase), para separarlo cuanto antes de levaduras y otras materias

depositadas en el fondo del recipiente de fermentación y cuyo contacto

prolongado produciría a la larga, olores e incluso sabores desagradables.

En el caso de los vinos espumantes, estos vinos tienen una segunda

fermentación en la botella y se caracterizan por presentar dióxido de carbono

de forma apreciable. Este gas presente en el vino es de origen endógeno,

producido en el seno del propio vino mediante una segunda fermentación de

azúcares añadidos.

http://es.wikipedia.org/wiki/Saccharomyces


Elaboración de cerveza

Si bien, la elaboración de la cerveza tiene una muy larga historia, y las

evidencias históricas coinciden en que ya era empleada por los antiguos

egipcios, hoy en día la cerveza es una popular bebida alcohólica producida en

todo el mundo a partir de la fermentación alcohólica de distintos tipos de

cereales. En la actualidad el cereal más utilizado es la cebada, pero se pueden

llegar a ser utilizados otros granos como materia prima: arroz, trigo y maíz.

La elaboración de cerveza se divide en dos procesos principales: el

primero corresponde a la conversión del almidón del cereal en azúcares

fermentables por acción de las enzimas que se encuentran en la malta y la

posterior fermentación alcohólica de los mismos por la acción de las levaduras.

El primer paso que es la conversión de los granos de cebada en malta

se denomina malteado. La malta constituye uno de los elementos iniciales y

más importantes para la elaboración de la cerveza. En el proceso de malteado

los granos de cereales se dejan germinar y luego son secados y molidos. La

malta contiene enzimas naturales que degradan el almidón (amilasas). El

proceso de malteado es fundamental para la generación de sustancias

fermentables (azúcares simples) por las levaduras. Luego del proceso de

malteado se agrega lúpulo (inflorescencia femenina de una planta) que le da el

sabor amargo característico y que además actúa previniendo el desarrollo de

microorganismos no deseados (por la acción de una resina). Posteriormente,

se produce la fermentación de los azúcares por cepas seleccionadas de

levaduras del género Saccharomyces. En este momento se producen el etanol

y el CO2. Luego, la cerveza es almacenada a 0° C, momento en el cual

precipitan las proteínas y resinas y el líquido se aclara y luego se produce el

envasado.

Bebidas alcohólicas destiladas

Estas bebidas se fabrican a partir de la destilación de diversos líquidos

previamente fermentados. Esta destilación incrementa en gran medida el

contenido de alcohol de las bebidas. Así, la destilación de las bebidas de malta

da lugar a la fabricación del Whisky, la del vino al Brandy, la destilación de la

melaza fermentada produce Ron y la de papa o cereales produce Vodka, entre

otros.

http://es.wikipedia.org/wiki/Historia_de_Egipto

http://es.wikipedia.org/wiki/Historia_de_Egipto

http://es.wikipedia.org/wiki/Almid%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Cereal


http://es.wikipedia.org/wiki/Saccharomyces


La bacteria Zymomonas mobilis es responsable de la fermentación del

jugo del agave (Agave atrovirens) para producir el “pulque”, bebida que por

destilación origina el tequila. Normalmente esta bacteria no se utiliza para la

fermentación de la cerveza o de la sidra por producir sabores u olores

desagradables, pero su capacidad para sobrevivir a elevadas concentraciones

de etanol la convierte en la bacteria ideal para la generación de etanol para

usos no comestibles (biocombustibles).

Factores que limitan la fermentación alcohólica

Acidez del sustrato: el pH es un factor limitante en la fermentación,

debido a que las levaduras crecen en un rango de pH óptimo entre 3,5 – 5,5. A

nivel industrial para mantener los niveles óptimos de acidez durante la

fermentación se utilizan soluciones buffers. Los ácidos de algunas frutas

(málico, tartárico) pueden limitar este proceso.

Concentración de azúcares: concentraciones demasiado bajas o

excesivas de monosacáridos o disacáridos pueden frenar el proceso. Los

valores límites dependen del tipo de hidrato de carbono y de la levadura

responsable de la fermentación. La concentración de azúcar afecta los

procesos de ósmosis dentro de la membrana celular.

Contacto con el aire: el contacto con el oxígeno (por mínimo que sea)

durante el proceso lo detiene por completo (efecto Pasteur). Por eso los

fermentadores se cierran herméticamente.

Temperatura: la fermentación es un proceso exotérmico. Las levaduras

son organismos mesófilos, con un régimen de funcionamiento dentro de rangos

de temperaturas óptimos. Temperaturas superiores a 55 °C producen la muerte

de las levaduras, la mayoría trabajan a temperaturas próximas a 30 °C.

Panificación

Se utiliza la levadura Saccharomyces cerevisiae con el objeto de airear la masa

mediante la producción de CO2. Los escasos azúcares simples que contiene la

masa son fermentados produciendo CO2, (que queda retenido debido a la

estructura fibrilar del gluten de la harina), y alcohol que se elimina en el proceso

de cocción del pan. El almidón de la harina de trigo no es utilizado por las

levaduras, ya que no tienen capacidad de hidrolizar moléculas complejas.


UNIDAD XII: MICROBIOLOGÍA RUMINAL

El estómago de los rumiantes se caracteriza por encontrarse dividido en cuatro

cavidades diferentes: retículo, rumen, omaso y abomaso. El abomaso es el

único que se caracteriza por ser glandular y es análogo al estómago de los no

rumiantes.

La degradación del alimento en los rumiantes se realiza principalmente

por digestión fermentativa y no por digestión enzimática. Este proceso de

digestión fermentativa (realizada por microorganismos que se ubican en los

divertículos estomacales) le permite al rumiante la degradación de los hidratos

de carbono estructurales, como así también de los demás componentes de la

dieta.

El ternero nace con el aparato digestivo adaptado a una dieta láctea,

en ese momento la gotera esofágica se cierra y conecta el esófago con el

abomaso, evitando de esa manera el efecto desfavorable que generaría el

paso del alimento por el rumen. La etapa de transición entre el lactante y el

rumiante, implica en el ternero una serie de cambios en la morfología, función

del aparato digestivo, desarrollo de microorganismos y procesos metabólicos.

Al nacimiento el ternero nace con una flora bacteriana que se

desarrolla a medida que se van desarrollando los divertículos estomacales, la

primer semana se encuentran bacterias celulolíticas, durante las primeras tres

semanas aumenta la flora productora de lactato (debido al escape esporádico

de leche desde la gotera esofágica que produce un descenso de pH en el

rumen) y recién a la sexta semana se encuentran presentes todas las especies

propias del animal adulto.

Fig. 1: Estomago de los rumiantes (1) retículo, (2) rumen, (3) omaso, (4)

abomaso

12 3

4


Ecosistema microbiano responsable de la digestión fermentativa

Dentro de los microorganismos responsables de la digestión fermentativa se

encuentran bacterias, protozoos y hongos.

Las bacterias son adquiridas por el animal por contacto directo con

otros bovinos o por contacto indirecto con elementos contaminados, como ser

el alimento o el agua de consumo.

Las bacterias se pueden clasificar en función de los sustratos que

utilizan y a los productos finales de su fermentación (se debe tener en cuenta

que una misma bacteria puede cumplir más de una función metabólica):

a) Bacterias celulolíticas: fermentan hidratos de carbono estructurales de la

pared celular (celulosa, hemicelulosa y sustancias pécticas), siendo el

producto de la fermentación ácidos grasos volátiles (AGV) (principalmente

acetato).

b) Bacterias amilolíticas: fermentan hidratos de carbono de reserva de

granos (almidón), generando principalmente propionato (AGV).

c) Bacterias sacarolíticas: fermentan hidratos de carbono simples y el

producto de la fermentación es butirato (AGV).

d) Bacterias lactolíticas: metabolizan el lactato y producen AGV,

especialmente propionato.

e) Bacterias lipolíticas: metabolizan las grasas y producen ácidos grasos

libres y AGV principalmente propionato.

f) Bacterias proteolíticas: degradan proteínas, resultando de la misma la

liberación de AGV y amoníaco.

g) Bacterias metanógenas: producen metano.

h) Bacterias ureolíticas: hidrolizan la urea produciendo CO2 y amoníaco.

Los microorganismos ruminales actúan en sistemas cooperativos

dentro de un ecosistema muy complejo, donde simplemente sobresale la

actividad de alguna especie, pero la misma depende de las condiciones que

establecen en conjunto toda la biomasa.

Un factor muy importante que regula el desarrollo bacteriano es el pH

ruminal, dentro del rango fisiológico, las bacterias celulolíticas se desarrollan

mejor a pH entre 6,0 y 6,9 mientras que las amilolíticas lo hace a valores de

pH más ácidos (5,5 a 6,0).


La gran importancia que presenta la actividad bacteriana en el rumen

es que son responsables de la mayor parte de la actividad celulolítica y

además son capaces de sintetizar sus proteínas a partir de compuesto

nitrogenados no proteicos, principalmente amoníaco.

Además de las bacterias en el rumen encontramos los protozoos que

constituyen la microfauna ruminal, se desarrollan preferentemente a pH

superior a 6 y si bien están siempre presentes no son indispensables para la

función ruminal, ni para la supervivencia del animal. Se adquieren por

contacto directo con otros rumiantes y metabólicamente se diferencian de las

bacterias en que poseen menor actividad celulolítica y son incapaces de

sintetizar proteínas a partir de nitrógeno no proteico (NNP). Una función

importante de los protozoos es la de moderar la fermentación amilolítica,

debido a que consumen preferentemente bacterias amilolíticas y además

engloban trozos de almidón, que pasan con el protozoo al intestino, evitando

la fermentación ruminal.

Fig. 2: Interacción entre los factores que afectan el pH ruminal

Interacción entre los factores que afectan el pH ruminal

Ración rica en forraje

grosero (alto contenido de

hidratos de carbono

estructurales

Ración rica en concentrado

(alto contenido de almidón)

Largo tiempo de rumia Corto tiempo de rumia

Alta producción de saliva Baja producción de saliva

pH ruminal elevado (6 – 6.8) pH ruminal bajo (5.5 - 6)

Concentración y velocidad

de absorción de AGV bajasConcentración y velocidad

de absorción de AGV altas


Metabolismo ruminal de los hidratos de carbono

Los hidratos de carbono representan el componente más abundante en la

dieta de los rumiantes. Los principales hidratos de carbono presentes en la

dieta se pueden clasificar en polisacáridos de reserva como el almidón o

estructurales como la celulosa, hemicelulosa y pectinas. El tipo de

carbohidrato predominante va a determinar el desarrollo de los

microorganismos adecuados para su fermentación y el ajuste del pH a su

rango ideal.

Los factores que participan en la modificación del pH ruminal son:

a) la saliva (posee un pH de 8,1 a 8,3 que tiende a elevar el pH

ruminal), por eso ante dietas ricas en hidratos de carbono estructurales,

aumenta el tiempo de rumia, con ello aumenta la producción de saliva y por

ende el pH ruminal, alcanzando el valor óptimo para el desarrollo de las

bacterias celulolíticas.

b) producción de AGV, cuanto mayor es la producción de AGV más

bajo es el pH ruminal, cuanto más rica es la dieta en concentrados

energéticos mayor es la producción de AGV.

c) absorción de los AGV, la velocidad de absorción de la AGV tiene

una relación directa con su producción y una relación inversa con el pH, con

la finalidad de evitar su acumulación en el rumen.

El pH ruminal está relacionado al tipo de dieta y al tipo de

microorganismos que se desarrollen, estando también asociado al tipo de

AGV producido, aumentando la proporción de acetato cuando el pH se

aproxima a 6,9 y de propionato cuando se acerca a 5,5. Cuando el pH se

aleja de valores fisiológicos se desarrollan especies bacterianas anormales

que alteran el patrón fermentativo, cuando el pH baja de 5,5 se desarrolla

bacterias lactogénicas (generadoras de lactato) y se produce una acidosis

ruminal y por encima de pH 7 el rumen es colonizado por la flora de

putrefacción como Escherichia coli y Proteus spp.

El almidón, presente principalmente en los granos, que son

considerados un alimento concentrado energético debido a que poseen baja

concentración de agua, aportan mucha energía en poco volumen. Al ingresar

el almidón con la dieta es atacado principalmente por bacterias amilolíticas


que lo desdoblan para producir glucosa y AGV (principalmente propionato). La

digestibilidad del almidón en el rumen es elevada y la fracción que pasa al

intestino es atacada por la amilasa pancreática y se absorbe como glucosa.

La digestibilidad del almidón depende de la facilidad con que pueden

acceder a él las bacterias amilolíticas. El almidón se ubica en el grano en el

endosperma y está protegido por dos barreras, por un lado el pericarpo

(cubierta que recubre al grano y prácticamente indigestible para los

microorganismos ruminales) y por una capa proteica gruesa y dura que rodea

y aísla completamente al almidón en el endosperma corneo y es laxa e

incompleta en el endosperma harinoso. Por ello para aumentar la

digestibilidad del almidón se utiliza en la dieta granos partidos, molidos o bien

se eligen aquellos granos con mayor proporción de endosperma harinoso.

Entre los hidratos de carbono estructurales tenemos la celulosa,

hemicelulosa y pectinas. Las uniones glicosídicas de tipo beta no pueden ser

atacadas por las enzimas digestivas, solo pueden ser degradadas por las

enzimas microbianas liberadas por los microorganismos ruminales, lo que

representa la base de la simbiosis entre las bacterias y el rumiante en los

procesos fermentativos.

Los pasos a seguir para la degradación de los hidratos de carbono

estructurales son: a) los microorganismos celulolíticos se adhieren a la

superficie de los fragmentos de fibra vegetal, que ha sido cortada durante la

masticación, mezclado y rumia, con la finalidad de exponer la pared celular, b)

los microorganismos liberan al medio las celulasas que realizan la digestión

extracelular de la celulosa, produciendo residuos más pequeños,

principalmentecelobiosa (glucosa-glucosa con enlacesglicosídicos beta 1-4),

Almidón G1P G6P Glucólisis Piruvato

OxalacetatoMalatoFumaratoSuccinato

PropionatoSuccinil CoA MetilmalonilCoA PropionilCoA


c) la celobiosa es incorporada por la bacteria y atacada por la celobiasa que la

desdobla en dos glucosas, d) la glucosa es utilizada por la bacteria para la

producción de energía y AGV (principalmente acetato) que se libera de la

bacteria.

La variabilidad en la digestibilidad de la celulosa y de la hemicelulosa

depende de la cantidad de lignina (estructura muy compleja y de alto peso

molecular). La lignina representa menos del 3% de materia seca en un forraje

tierno y alcanza valores superiores al 15 % en el forraje y no es degradada ni

por las enzimas digestivas del animal ni por las microbianas del rumen,

bloqueando de esa manera el acceso de los microorganismos a los hidratos

de carbono de la pared. Aquí se manifiesta la importancia de los hongos

presentes en el rumen, quienes son capaces de degradar celulosa unida a

lignina, debido a la invasión de las hifas en el interior la cutícula y paredes

celulares lignificadas, rompen las paredes celulares exponiendo los hidratos

de carbono estructurales.

Cuando un animal consume forrajes tiernos (por ejemplo un rebrote de

primavera), la relación contenido celular:pared celular es suficientemente alta,

se crean condiciones de fermentación muy diferentes a cuando un animal

consume forrajes maduros con alto contenido de pared celular. En este último

caso, el predominio de hidratos de carbono no solubles (celulosa y

hemicelulosa), conduce al desarrollo de un ambiente celulolítico (pH mayor a

6 y baja producción y absorción de AGV, con predominio en la formación de

acetato). Por el contrario, cuando el contenido celular es de alta

disponibilidad, aun en el caso en que el animal se alimente de forraje, el

aporte de fibra es bajo y las condiciones ruminales serán semejantes a

Celulosa Celobiosa Glucosa Glucolisis

PiruvatoAcetaldehidoAcetato

CO2

NAD+NADH


aquellas de dietas suplementadas con almidón (pH menor a 6, mayor

producción de AGV, con predominio de propionato).

Al ser el ambiente ruminal fuertemente anaeróbico, los

microorganismos para la producción de energía disponen solamente de la

glucólisis, produciendo AGV, ATP y NADH. Los microorganismos utilizan el

ATP como fuente de energía y eliminan los AGV como productos de

deshecho. Con la finalidad de oxidar la segunda glucosa a través de la

glucólisis necesitan que el NADH sea nuevamente oxidado a NAD+. Debido

como se dijo anteriormente que el metabolismo microbiano es anaerobio y por

ende no existe una cadena respiratoria como aceptora de H+, los

microorganismos los transfieren a distintos aceptores de H+, uno delos

aceptores más importantes es el C, dando lugar a la formación de metano

(CH4). Si bien este compuesto es rico en energía, esta no puede ser utilizada

por el rumiante, dado que no poseen una ruta metabólica para su degradación

y se pierde por la vía del eructo, lo que reduce la eficiencia en la utilización de

los hidratos de carbono (la pérdida puede llegar a ser del 18% de la energía

aportada por la dieta).

Las ecuaciones para la producción de los diferentes AGV a partir de la

glucosa son:

Por cada 8 H+ generados por la oxidación de 4 NADH + H+ o 4 FADH2,

se forma 1 metano. Por lo que podemos observar que la formación de metano

será mayor con la producción de acetato, menor con la producción de butirato

y la formación de propionato consume hidrogeniones. Esto demuestra que

Glucosa 2 acetatos + 2 CO2 + 8 H+

Glucosa butirato + 2 CO2 + 4 H+

Glucosa + 4 H+ 2 propionato + 2H2O


una dieta suplementada con almidón es más eficiente desde el punto de vista

energético.

Metabolismo de compuestos nitrogenados

La degradación de proteínas a nivel intestinal no presenta diferencias entre

rumiantes y no rumiantes, las proteínas son hidrolizadas por enzimas

proteolíticas dando oligopéptidos, los que son atacados por oligopeptidasas

que liberan aminoácidos, di y tripéptidos, los que son absorbidos.

La gran diferencia se encuentra en que la proteína que llega al intestino

del rumiante es diferente a la ingerida por la dieta, dado que los

microorganismos ruminales degradan más del 50% de la proteína consumida.

Debido a la presencia de proteasas en la membrana de las bacterias, las

proteínas son degradadas a aminoácidos y pequeños péptidos que son

absorbidos por el microorganismo. Una vez absorbidos los péptidos son

hidrolizados a aminoácidos y pueden ser empleados para la síntesis de

proteína microbiana, o bien pueden ser utilizados como fuente de energía. En

este caso se separa el grupo amino del aminoácido y se libera al medio

ruminal como producto de desecho y conel α-cetoácido resultante lo utilizan

para la producción de energía. El grupo NH2 liberado en el ambiente reductor

del rumen se convierte en NH4+, por lo que la concentración de NH4

+, puede

ser utilizada como un indicador de la actividad proteolítica. Los protozoarios

tienen mayor actividad proteolítica que las bacterias, pero debido a que se

encuentran en menos cantidad son responsables solamente del 10 al 20 % de

la actividad proteolítica dentro del rumen.

Los protozoos no tienen capacidad de sintetizar proteínas a partir de

NH4+ y dependen de una fuente externa de aminoácidos, como ser la dieta u

otros microorganismos de los que se alimentan. Cuando los protozoos

consumen proteína bacteriana para sintetizar su propia proteína, elevan su

valor biológico, es decir que sintetizan una proteína con cantidad y tipo de

aminoácidos más próxima a la requerida por el rumiante (este proceso se

denomina animalización de las proteínas). Esto es beneficioso para el

rumiante, quien finalmente degradará al protozoario a nivel intestinal y

aprovechará sus proteínas. Sin embargo, los protozoos representan un

pequeño porcentaje (alrededor del 10%) de la biomasa microbiana ruminal y

aportan un porcentaje menor de la proteína microbiana que llega al intestino,

dado que utilizan su motilidad para alejarse de la zona de escape. Además,


los protozoos consumen microorganismos que ya son fuente de proteínas

para el rumiante, lo que hace que entre el 30 y 50% del nitrógeno proteico

microbiano se recicle en el rumen.

Los factores que afectan la cantidad de proteína que llega al rumen

son: a) tipo de dieta, una dieta balanceada aporta mayor cantidad de energía

lo que estimula la multiplicación microbiana, aumentando su concentración en

el rumen y por ende su llegada al intestino, b) balance entre cadenas

carbonadas y la fuente de N. Si existe un exceso de nitrógeno, como por

ejemplo en los forrajes durante el otoño (mantienen la concentración de

proteínas, pero disminuye significativamente la de hidratos de carbono

solubles) se produce una acumulación ruminal de amonio (faltan cadenas

carbonadas para la síntesis de proteínas) y ese exceso de amonio produce un

aumento de pH ruminal y por ende una alteración en el funcionamiento del

mismo.Además, el exceso de amonio es absorbido por el rumen y

detoxificado en hígado mediante la formación de urea, con el correspondiente

gasto energético para el rumiante.

En la mayoría de las especies la urea se elimina del organismo a través

de la orina (producto de desecho del metabolismo proteico). Los rumiantes,

en cambio, aprovechan la urea como fuente de nitrógeno para los

microorganismos ruminales. La urea llega al rumen secretada con la saliva o

directamente a través de la pared ruminal (difusión simple). Una vez en el

rumen es desdoblada por los microorganismos ureolíticos en CO2 y amoniaco,

cerrando el ciclo rumino-hepático de la urea.

Esto es importante, cuando la proteína es un elemento costoso de

suplementar, en estos casos el metabolismo ruminal permite reemplazar parte

de las proteínas de la dieta por alguna fuente de nitrógeno no proteico (NNP),

como puede ser la urea. Sin embargo esta alternativa va perdiendo

importancia a medida que el animal aumenta su nivel de producción y por lo

tanto aumentan también sus requerimientos proteicos.

Metabolismo de lípidos

En alimentos de origen vegetal, se encuentran bajas cantidades de lípidos, en

forrajes frescos se pueden encontrar lípidos celulares (fosfolípidos y

glicolípidos) y de superficie (ceras y cutina que carecen de valor nutritivo)

alcanzando un valor que varía entre 0,5 y 10 % de materia seca (MS). En el


caso de granos de oleaginosas (20 a 40 % de MS), tienen un elevado

contenido de triacilglicéridos. Tanto los forrajes como los granos tienen un

elevado porcentaje de ácidos grasos insaturados, de los cuáles es mínima la

cantidad que llega al intestino delgado, debido a la biohidrogenación que

ocurre a nivel ruminal.

Los 4 procesos que ocurren a nivel ruminal con los lípidos son:

hidrólisis, biohidrogenación, saponificación (ocurren siempre y en forma

sucesiva) y síntesis de grasas a nivel ruminal (depende de la cantidad de

ácidos grasos consumidos).

a. Hidrólisis: los microorganismos para la hidrólisis de las grasas tienen

en la superficie lipasas bacterianas, por lo cual las bacterias deben adherirse

a la superficie del alimento. Los principales productos liberados de la hidrólisis

son ácidos grasos y glicerol, además de alcoholes aminados (fosfolípidos) y

galactosa (galactolípidos), estos productos son convertidos en AGV que son

absorbidos por la pared ruminal.

b. Biohidrogenación: luego de la hidrólisis, los ácidos grasos insaturados

sufren una hidrogenación microbiana (por bacterias adheridas al alimento),

esto es importante porque los ácidos grasos insaturados alteran la tensión

superficial y la permeabilidad de las membranas bacterianas, perjudicando

principalmente a los microorganismos celulolíticos. Esta biohidrogenación

afecta entre el 70 y 90 % de los ácidos grasos quedando una pequeña

proporción que pasa a formar parte del soma bacteriano, esto constituye una

fuente de ácidos grasos esenciales e insaturados para el rumiante al ser

absorbidos por el intestino.

c. Saponificación: debido al pH ácido del rumen los lípidos se saponifican

formando jabones insolubles de Ca++ y Mg++, esto representa la forma en que

los lípidos abandonan el rumen.

d. Síntesis de lípidos: los microorganismos no almacenan lípidos como

triglicéridos, pero si necesitan lípidos para sintetizar sus membranas

plasmáticas, para ello utilizan ácidos grasos que toman del rumen o bien que

sintetizan en su soma, generando una gran variedad de ácidos grasos,

algunos de ellos de cadenas impares y ramificadas, los que al reciclarse en el

rumen por muerte bacteriana, representar un factor de crecimiento importante

para otros microorganismos y una vez absorbidos pueden seguir alguna de

las vías comunes a los demás ácidos grasos (incluso contribuyen a

determinar las características organolépticas de la leche).

COMPLEMENTO TEÓRICO DE MICROBIOLOGÍA...

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