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Interacciones entre poblacionesmicrobianas

Cátedra de Ecología Microbiana.Facultad de Ciencias Exactas. UNLP

Acetate

CO2

Sufur reducerGreen phototroph

CO2

hv

e-

biomass

H2S

S0

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Principio de Allee: incluso en una misma poblaciónuna misma población pueden tener lugar interacciones positivas y negativas.

Estas interacciones dependen de la densidad de población.

Las interacciones positivaspositivas (cooperación) aumentan la tasa de crecimiento de una población predominan cuando la densidad de población es bajabaja.Las interacciones negativas negativas (competencia) disminuyen la velocidad de crecimiento de una población predominan cuando la densidad de población es altaalta.

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Densidad de población optima

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Interacciones positivas

Prolongado período de latencia o falta de crecimiento cuando sembramos con un inóculo muy pequeño (problema en generar colonias a partir de una sola célula).Dosis mínima infecciosa de poblaciones patógenas.En la naturaleza es más frecuente observar microorganismos adheridos a partículas que microorganismos individuales. Formación de colonias aún de bacterias móviles.

LA UNION HALA UNION HACCE LA FUERE LA FUERZZAA

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Quorum Sensing

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La bacterias en comunidad “comunican” su presencia a otras bacterias liberando y respondiendo a la

acumulación de “señales”: compuestos químicos llamados autoinductores.

Quorum sensing fue originariamente estudiado en

la bacteria bioluminiscenteVibrio fischeri que vive como

simbionte en algunas especies animales marinas.

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HSL = N-(3-oxooctanoyl)-homoserine lactone

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• Las bacteria Gram-negativas usan homoserin lactonas como “palabras”.

• La comunicacion via LuxI/LuxR (HSL/ activator transcriptional)se ha encontrado como sistema estándar.

• Se ha encontrado en más de 25 especies Gram-negativas.

Muchos procesos fisiológicos son regulados por este sistema de comunicación célula-célula

• Virulencia

• Formación de biopelículas

• Producción de antibióticos

• Conjugación

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Transporte de azúcares con alta afinidad

Escherichia colicAMP

Acortamiento de la fase lag Bioluminiscencia

Nitrosomonas europaeaVibrio fischeri

N-(3-oxohexanoyl)homo-serin lactona

SwarmingProtease extracelular

Serratia liquefaciensAeromonas hydrophile

N-Butanol homoserin lactona(BHL)

Efecto postuladoOrganismosSustancia

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Quorum sensing en bacterias Gram-positivas

• La señales son oligopéptidos modificados que son secretados almedio vía un sistema de transporte ABC (ATP-Binding-Cassette).

• Los detectores son proteínas de dos-componentes que detectan y comparan la concentración de la señal fuera y dentro de la célula.

• La señal se traduce vía un mecanismo de fosforilación/defosforilación

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Myxococcus xanthus: bacterias Gram (-) móviles que colonizan hojas secas madera y otros ambientes.

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Otras interacciones positivas

Utilización de sustratos insolubles (lignina, celulosa), para lo cual producen enzimas extracelulares: solubilización corporativa de sustratos.Mecanismo protector frente a factores ambientales hostiles. Intercambio de material genético.

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Los miembros de una población usan el mismo sustrato y compiten por el mismo nicho ecológico.La acumulación de productos metabólicos puede actuar como un mecanismos de retroalimentación negativo.Existencia de genes suicidas.

Interacciones negativas

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Interacciones entre poblaciones microbianas diferentes

Las interacciones entre microorganismos son la Las interacciones entre microorganismos son la fuerza motriz en la evolución de la estructura de la fuerza motriz en la evolución de la estructura de la

comunidadcomunidad

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Neutralismo

Poblaciones microbianas con capacidades metabólicas muy distintas.Distantes entre sí (ej. suelo en distintos microhábitat).Poblaciones con baja densidad (ej. hábitat marinos donde la densidad de población es extremadamente baja).Condiciones ambientales que no permitan el crecimiento microbiano.Poblaciones que están fuera de su hábitat natural (atmósfera).Estructuras de latencia o reposo: esporas, cistes, etc.

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Una población modifica el hábitat adecuándolo a las necesidades de otras poblaciones.Producción de factores de crecimiento.Transformación de productos insolubles en solubles, o los cambios de estado.Conversión de moléculas orgánicas en otras más simples, sustratos de otras poblaciones.Cometabolismo.Eliminación o neutralización de compuestos tóxicos.Un microorganismo puede ser el hábitat de otros.

Comensalismo

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Ácido TricloroacéticoSegunda fuente

de carbono y energía

Streptomyces sp.

Vitamin B12Bacterium 3-CL

Factor de crecimientovitamina B12

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Mycobacterium

vaccae

Pseudomonas

Ciclohexanona

Energía + CO2 + H2O

Pseudomonas

Cometabolismo

Metabolismo productor de energía

Energía + CO2 + H2OPropano

CiclohexanolCiclohexanona

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Sintrófica: dos o más poblaciones se aporta mutuamente nutrientes que les son necesarios.

Sinergismo

Requiere biotinaLactobacillus plantarum

BiotinaAcido Fólico

Requiere ácido fólico Streptococcuc faecalis

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Síntesis de un factor de crecimiento en común

Mucor sp. Rhodotorula sp.

Pyridine Thiazole

Thiamine

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Fuente de carbono primaria metano

Metano-oxidadoras

Pseudomonas

metanol Fuente de carbono secundaria.

Hyphomicrobiumsp. Flavobacterium sp Acinetobacter sp.

Inhibition del crecimiento

95% de lapoblación

Función desconocida< 5% de lapoblación

Remoción de productos metabólicos inhibidores del crecimiento

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Flujo de carbono y energía

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Es una relación obligada entre dos poblaciones, de la que ambas se benefician.

LíquenesFicobionte: alga (Trebouxia) o cianobacteria (Nostoc)

Produce los compuestos orgánicos que utiliza el micobionte.Micobionte: hongo (ascomicete o basidiomicete)

Protección, transporte de nutrientes minerales y factores de crecimiento.

Capaces de crecer en ambientes hostiles, resisten temperaturas extremas y desecación.

Particularmente sensible a contaminantes atmosféricos de origen industrial.

Mutualismo

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Endosimbiontes de los protozoosAlgas (Chlorella) y protozoos (Paramecium)

Alga suministra carbono orgánico y oxígenoProtozoario proporciona protección, motilidad, CO2 y factores de

crecimiento.El simbionte puede vivir en ambientes anaerobios mientras

haya luz.

Fagos atemperados

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En el espesor del biofilmbiofilm los microorganismos forman consorcios microbianosconsorcios microbianos que producen

efectos sinérgicos incapaces de ser originados por las especies en forma aislada.

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Propiedades características de las biopelículas

• Biodispobilidad de sustratos (por adhesión a la superficie)• Largo tiempo de contacto entre células• Microconsorcios espacialmente fijos• Espacial heterogenicidad (vertical y horizontal)

Gradientes de: pH, sustrato disuelto, oxigeno, temperatura, productos metabólicos

• Dinámica tiempo dependiente (sucesión de diferentes microorganismos de acuerdo con las variaciones del hábitat)

• Procesos metabólicos limitados especialmente por los procesos de trasporte de sustratos

• Las poblaciones tienen mayor número de células que cuado se encuentran e suspensión

• Acumulación de nutrientes en la matriz del gel• Mayor resistencia a contaminantes y a cambios en el medio• Protección a la desecación por la mayor capacidad de

retención de agua del exopolímero.

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Abb.: Stoodley et al., 1999

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Estructura espacial de las biopelículas

Basic-Biofilm

Surface Zone

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0

200

400

600

800

1000

0 1 2 3 4 5

Oxygen [mg/l]

d [µ

m]

Current

Water

Biofilm

Gradiente de oxígeno

Zona Anóxica

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CompartimentalizaciónCompartimentalización verticalvertical

sulfato reducción

desnitrificación

aeróbico

procesosoxidativos

Superficie

Biofilm

Profundidad

Límite

Fase líquidaconcentración

O2 NO

3-

CorgSO42-

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CompartimentalizaciónCompartimentalización horizontalhorizontal

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Dos poblaciones que usa el mismo recurso (espacio, nutriente).

Principio de exclusión competitiva: la competencia tiende a producir separaciones ecológicas de poblaciones

estrechamente relacionadas, ya que dos poblaciones no puede ocupar exactamente el mismo nicho.

Competencia

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Cuando existe fluctuaciones en las condiciones ambientales (estacionales, diarias, etc.) y la competencia no eliminó una de las dos poblaciones, las poblaciones muestran oscilaciones continuas.

La competencia en ambientes naturales es compleja ya que los microorganismos compiten por diferentes recursos, algunos

esenciales y otros que puede aumentar la velocidad de crecimiento o disminuir la tasa de muerte.

Diferentes especies o cepas difieren en su capacidad de captar y utilizar los potenciales recursos limitantes.

R*= R.Ks/(µmax–m)

Competencia por sobrevida durante condiciones de latencia y dormancia: resistencia al stress.

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Cuando una población produce una sustancia que inhibe el crecimiento de otra población.

Altas concentraciones de ácido láctico, producción de ácidos grasos, amonio, alcoholes

AntibióticosMetabolitos secundarios (quorum sesig)No es un mecanismo de selección predominante en la naturaleza (los microorganismos productores no son predominantes en los ecosistemas, no hay selección de mutantes resistentes).Podrían ser una ventaja selectiva en determinados microhábitat y en determinadas condiciones ambientales.

BacteriocinasActúan sobre microorganismos estrechamente relacionados con el productorPodrían tener una mayor relevancia ecológica que los antibióticos.

Amensalismo

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La población beneficiada (parásito) depende nutricionalmente del huésped (población perjudicada).

Largos tiempos de contacto (físico o metabólico)Generalmente el parásito es más chico que el huésped.Ectoparásito o endoparásitoEspecificidad Parásitos obligados: su distribución en el ambiente depende de la distribución del huésped.Hiperparasitismo

Parasitismo

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Snellen, J.S., and M. P. Starr. 1976. Alterations in the cell wall of Spirillum serpensVHL early in its association with Bdellovibrio bacteriovorus 109D. Archives of Microbiology 108:55-64

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http://lsvl.la.asu.edu/mic494/old/html/bdellovibrio.html

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Un organismo engulle y digiere a otro organismo.

En el mundo microbiano es difícil de distinguir del parasitismo. Normalmente la interacción predador-presa es de corta duración y el predador es más grade que la presa.

Predación

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dN1 /dt = r1 N1 – PN1 N2 dN2 /dt = PN1 N2 dN1 – m2 N2

N1, densidad de la presar, velocidad intrínseca de crecimientoN2 densidad del depredadorP, coeficiente nacimiento depredador por presa consum, tasa de mortalidad