Microbiología AmbientalTEORIA 4 - 2015 II

Comunidades microbianas

Blga. Alicia R. Cañari Miranda

alicia_canari@hotmail.com

Sólo para los que saben salir adelante….

4ta unidad

Comunidades microbianas e Interacciones. Ecofisiología y Hábitat

Ciclos Biogeoquímicos

Capacidad

Identificar las características e interacciones de las comunidades microbianas

Representar, reconocer e identificar los Ciclos Biogeoquímicos

INTRODUCCION

EcologíaDeriva del griego “oikos” que significa hogar

Krebs (uno de los más eminentes ecólogos modernos) definió a la Ecología como: “…scientific study of the interactions that determine the distribution and abundance of organisms”

El estudio científico de las interacciones entre los organismos y su ambiente

Organización de la materia

Universo

Galaxias

Sistemas solares

Planetas

Tierra

Biósfera

Ecosistemas

Comunidades

Poblaciones

Organismos

Sistemas de órganos

Órganos

Tejidos

Células

Protoplásma

Moléculas

Átomos

Partículas subatómicas

Poblaciones: conjunto de organismos de la misma especie que conviven en tiempo y espacio.

Organismo: unidad funcional, con un genotipo distinto que le da propiedades y características distintas.

Biósfera: Es el conjunto de organismos del planeta. El ecosistema gigante.

Comunidades: grupos de poblaciones de distintas especies que coexisten o cohabitan en tiempo y espacio. .

Ecosistemas: sistema funcional formado por una comunidad integrada en su medio.

Ámbito de la ECOLOGÍA

Ecología microbiana

Ciencia que estudia las interrelaciones de los microorganismos con el ambiente en que se desarrollan

Ambiente

Conjunto de factores tanto abióticos (físicos y químicos) como bióticos (biológicos) que actúan sobre un ser vivoEcosistemas: comunidades de organismos que

transforman y modifican el ambiente

ECOLOGIA: INTERRELACIÓN DE LOS M.O. CON SU MEDIO.

temperatura

humedad

alimentos

refugiosluz

microorganismos

Otros microorganismos

Ecología Microbiana

• Ecosistema: Conjunto de comunidades de micro y macroorganismos que coexisten en un ambiente

• Comunidad microbiana: conjunto integrado de poblaciones microbianas que están presentes e interactúan dentro de un determinado lugar llamado hábitat.

• Gremio: Agrupación de poblaciones que utilizan los mismos recursos ej: contribuyendo cada uno con sus enzimas para completar una vía metabólica

• Población: Conjunto de individuos de una misma especie de microorganismo.

OBJETIVOS DE LA ECOLOGÍA MICROBIANA

 La Ecología microbiana tiene 2 grandes

objetivos:

- Apreciar la biodiversidad de los M.O. y entender la interacción entre los diferentes grupos que componen la comunidad.

- Medir la actividad de los M.O. en la naturaleza y controlar sus efectos en el ecosistema.

 

METODOS DE LA ECOLOGIA MICROBIANA

La biodiversidad incluye el aislamiento, identificación y cuantificación de los M.O. en sus diferentes hábitats.

Medición de la actividad microbiana; lo que los M.O. hacen en su hábitat.

Rol de los microorganismos en su hábitat natural

Definir la dinámica de las poblaciones en la comunidad. Definir las características fisicoquímicas del medio

ambiente. Entender los procesos metabólicos llevados a cabo por

los microorganismos en sus hábitats específico.Es esencial determinar el papel de los organismos individuales en el contexto de las comunidades.

Las poblaciones dentro de una comunidad interactúan con cada una de las otras de un modo integrado, dentro del hábitat.

Cada población como miembro de la comunidad cumple un rol específico denominado nicho.

Dentro de una comunidad las poblaciones compiten para ocupar los nichos disponibles, logrando su establecimiento.

Los primeros encolonizar el área

Sucesión de poblacionesLas mejores adaptadas desplazan a lasque originalmente ocupan el nicho.

En los últimos tiempos, la preocupación por la calidad ambiental ha

tenido como efecto un mayor interés por la ecología microbiana

Importancia de la ecología microbiana

• Los microorganismos son capaces de reciclar muchos materiales (papel clave en la descomposición de muchos residuos humanos e industriales que se vierten a cuerpos de agua o al suelo).

• La calidad y la productividad de las aguas naturales están relacionadas, en gran medida, con su población microbiana. El aire limpio, sin polvo, tiene relativamente pocos microorganismos.

• La seguridad de la calidad ambiental está íntimamente relacionada con la flora bacteriana presente.

Los microorganismos también pueden utilizarse como indicadores de calidad ambiental.

El uso de microorganismos nos permite:La restauración ambientalLa producción del alimentoLa bioingeniería de productos útiles tales como antibióticos, suplementos del alimento, y productos químicos.

*El crecimiento de los M.O. en la naturaleza depende de los recursos disponibles (nutrientes) y de las condiciones de crecimiento (pH, T, humedad, luz, O2, etc.

*Los M.O. son muy pequeños por lo que sus hábitats también lo son.

*La teoría ecológica dice que para cada organismo existe al menos un nicho, que es el principal, aquel en el que crece mejor, pero también puede crecer en otros con menos éxito.

ECOLOGÍA ES EL ESTUDIO DE LOS ORGANISMOS EN SUS AMBIENTES

En ecología microbiana se usa el término de microambiente para definir el hábitat donde el MO vive y lleva a cabo su metabolismo, son heterogéneos y sus condiciones pueden cambiar muy de prisa

Los hábitats naturales de los M.O. son diversos: habitan superficies de organismos superiores y algunos pueden vivir incluso en el interior de plantas y animales

En varios ambientes el rol de los M.O. es mucho más definitorio por las transformaciones que se dan en el mismo

La producción de células en el ambiente es mucho menor que en el laboratorio, debido a algunas características del medio natural:

Disponibilidad de nutrientes, suele ser baja. La distribución de dichos nutrientes a lo largo

del hábitat microbiano no suele ser uniforme. Salvo raras excepciones los microorganismos no

se encuentran en cultivos axénicos en los medios naturales, por lo que deben competir por los nutrientes.

MICROAMBIENTE NATURAL

SUPERFICIES Y BIOFILMES Las superficies son importantes como hábitats

debido a que adsorben nutrientes Los M.O. que crecen en una superficie suelen ser

mayores que los que viven en el agua debido a fenómenos de adsorción

Estudios sobre colonización microbiana demuestran que los M.O. sobre las superficies crecen envueltos en biofilmes

Son microcolonias revestidas de células bacterianas adheridas a una superficie por medio de polisacáridos adhesivos excretados por la propia célula

Los biofilmes atrapan nutrientes para el crecimiento de las poblaciones microbianas que contiene y en medios fluidos impiden el desprendimiento de las células que crecen sobre la superficie

Asociaciones microbianas en ecosistemas

Los microorganismos de un ecosistema presentan asociaciones e interacciones :

• Entre microorganismos• Entre microorganismos y organismos

superiores.

Principio de Allee: incluso en una misma población puedentener lugar interacciones (+) y (-)

Estas interacciones dependen de la densidad de población.

Las interacciones positivas (cooperación) aumentan la tasa de crecimiento de una población, predominan cuando la densidad de población es baja.

Las interacciones negativas (competencia) disminuyen la velocidad de crecimiento de una población predominan cuando la densidad de población es alta.

Asociaciones microbianas en Ecosistemas

Los microorganismos de un ecosistema presentan asociaciones e interacciones con otros microorganismos y organismos superioresSp1/sp2 Relación Descripción

0/0

+/0

+/+

+/-

-/-

-/0

Neutralismo

ComensalismoMutualismo

CooperaciónDepredaciónParasitismo

Antagonismo

Competencia

Amensalismo

Los miembros de la relación no se afectan por crecer en el mismo ambiente

Un miembro se beneficia, el otro no se afecta

Ambos miembros de la asociación se benefician

Uno de los miembros de la asociación es inhibido o destruido con beneficio para elotro

Ambos sufren estrés por competir por recursos escasos

Un miembro perjudica al otro, sin perjudicarseni beneficiarse

La velocidad de crecimiento disminuye en el ambiente natural debido a algunas características del medio:

La disponibilidad de nutrientes suele ser bajaLa distribución de dichos nutrientes en el hábitat

no es uniformeLos M.O. no se encuentran en cultivo axénico en

los medios naturales y se enfrentan a efectos competitivos

En algunos casos de competición microbiana un M.O. puede inhibir el crecimiento o el metabolismo de otros mediante excreción de inhibidores específicos (ATB) o a la actividad fisiológica (ácido de los azúcares). El parasitismo implica que uno de los M.O. vive a expensas del otro (huésped)

NUTRICION-COOPERACION-COMPETICION

Otra asociación es el comensalismo donde un M.O. se beneficia (comensal) y el otro ni se beneficia ni se daña

Algunos M.O. colaboran para llevar a cabo una trasformación determinada y se llama sintrofia como se ve en algunas bacterias anaeróbicas

También se ve sintrofia en algunos M.O. con metabolismos complementarios como las bacterias nitrificantes y nitrosificantes que oxidan NH3 a NO3

Entre microorganismos diferentes:

Competencia: Antibiosis: Una mixobacteria aislada de un

estanque de peces lisa muchas especies de algas verdeazules unicelulares o filamentosas y otras bacterias.

Escherichia coli y Staphylococcus aureus crecen bien en cultivo puro pero cuando crecen juntas, S. aureus crece menos porque E. coli tiene un tiempo de generación más corto y agota rápidamente los nutrientes

Mutualismo: Interacciones de microorganismos -

microorganismos: líquenes

Interacciones de los microorganismos con plantas y animales:

Interacciones Planta-Microorganismos Simbiosis Mutualista: Rhizobium: convierte el

nitrógeno a una forma que puede ser utilizado por las plantas.

Parasitismo: enfermedad Interacciones Animal-Microorganismos Simbiosis Mutualista: Microflora benéfica del

tracto intestinal Parasitismo: enfermedad

Fitoplancton (algas flotantes) Algas bénticas (unidas al fondo)

Serían los productores primarios (fototróficos)luz (superficie)  

Actividad biológica en zonas mas cercanas a la costa:

algas y cianobacterias, bacterias heterótrofas con metabolismo

fermentativo y metabolismo anaeróbico

AMBIENTES ACUÁTICOS

Ambiente de Agua Dulce

Zonas óxicas: dominan las cianobacterias y algas.Zonas anóxicas: dominan bacterias fototróficas anoxigénicas.Plancton: organismos que flotan o se mantienen en suspensión.Bentos: organismos adheridos a un sustrato.

- La actividad metabólica depende de la tasa de producción primaria.- Gran actividad fotosintética, la materia orgánica lleva al agotamiento de O2.- En condiciones anóxicas se estimula la fermentación, respiración anaeróbica y fotosíntesis anoxigénica.

Nutrientes limitantes: P y N.

Ecosistema lacustre

pH: 4-9

Comunidad 3Zona anóxica: fermentadores y otros anaerobios

• La solubilidad del O2 en agua es limitada y la producción primaria ocurre en capas superficiales.

• La materia orgánica que no se consume baja al fondo.

• Es descompuesta por respiración aeróbica hasta que se consume el O2 .

• Capas profundas son anóxicas y viven bacterias anaeróbicas: metabolismo fermentativo.

Lagos estratificados

- densa

+ densa

• Lago eutrófico (rico en nutrientes)

Ríos

• El O2 está presente en ríos turbulentos.• Algunos ríos reciben materia orgánica de aguas residuales y puede haber deficit de O2 temporalmente.

Ambientes marinos

• A mar abierto, menores niveles de nutrientes.• Nutrientes limitantes: P, N y Fe.• Producción primaria: cianobacterias, proclorófitos, algas.• Zonas costeras más productivas que mar abierto.

Distribución de arqueas y bacterias:

- Número de procariotas disminuye con la profundidad. 105 vs 103 cél/ml.

Por qué menos Fe en el mar?Muy insoluble en agua de mar

Profundidades marinas• Luz solar penetra 300 mts. (zona fótica).• Hasta los 1000 mts alta actividad quimioorganótrofica.• Profundidades marinas (1000-6000 mts):

- bajas temperaturas (2-30C)- altas presiones- bajas concentraciones de nutrientes

• Bacterias barotolerantes: a 3000 mts. (óptimo 1 atm)• Bacterias barofílicas: a 4000-6000 mts. (óptimo 400 atm)• Baja velocidad de crecimiento.

Adaptaciones moleculares:

- Distinto plegamiento de enzimas.- Más ácidos grasos insaturados en la membrana (si no gelifica a altas presiones).

AMBIENTES TERRESTRES

Algas – líquenes – hongos muchos microambientes

  El factor mas importante que influye en la

actividad microbiana en la tierra superficial es la disponibilidad de agua.

AGREGADO DE SUELO, INTEGRADO POR MINERALES Y COMPONENTES

ORGÁNICOS

AMBIENTES TERRESTRES

En la tierra profunda la disponibilidad de nutrientes es la que tiene mayor influencia.

 En algunos suelos los nutrientes inorgánicos son los mayores limitantes.

Las algas y líquenes producen materia orgánica, lo que lleva al desarrollo de bacterias quimioorganotróficas y hongos. Estos pueden generar CO2 por respiración de la materia orgánica, según:

C6H12O6 + 6O2 6 CO2 +6 H2O

VIDA MICROBIANA EN PROFUNDIDADES DE LA TIERRA

Bacterias quimioorganotróficas viables en varios miles de metros por debajo del suelo (superficie)

Basaltos: rocas volcánicas ricas en Fe (1.500m) Bacterias quimiolitotróficas anaeróbicas: 

Metanogénicas:4 H2 + CO2 CH4 + 2 H2OHomoacetogénicas4 H2 + 2HCO3

- + H+ CH3- COO- + H2O

Sulfato reductoras4 H2 + SO4

= + H+ HS- + 4 H2O 

RESPIRADEROS HIDROTERMICOS

Zonas de excepción a los psicrófilos, son zonas con manantiales termales de aguas profundas.

Se encuentran animales invertebrados (gusanos, almejas, etc.)

¿Como viven sin materia orgánica? Bacterias litótrofas oxidantes de compuestos de S

reducido, viven en simbiosis con animales, entregándoles materia orgánica para su desarrollo. 

CHIMENEAS NEGRAS

Fluido hidrotérmico contiene sulfuros de hierro  Se ha aislado litótrofos y organótrofos desde

T° de 120 – 150 °C o superiores  Bacterias quimiolitótrofas para productividad

primaria 

CARACTERÍSTICAS DE LOS ECOSISTEMAS MICROBIANOS

• Diversidad de especies microbianas• Dinámica de poblaciones• Asociaciones microbianas en

ecosistemas• Adaptación y mutación

Diversidad de especies microbianas

Los microorganismos nos rodean por todas partes - aire, agua, suelo.

1 gramo de suelo contiene 1.000.000.000 de microorganismos

La mayoría de los tipos de microorganismos siguen siendo desconocidos.

Se estima que conocemos menos del 1% de las especie microbianas en la tierra.

De más de un millón especies de bacterias que se sospecha que existen solo cerca de 4200 están descritas.

Las transformaciones químicas realizadas por consorcios de microorganismos no pueden determinarse recopilando las

propiedades bioquímicas de cada especie en cultivo puro

Esto se debe a que ocurren varios tipos de

interacción entre especies, que no se dan en cultivo puro.

Microorganismos en ambiente natural raramente se encuentran en cultivos puros

Dinámica de poblaciones

Un tipo de microorganismos prospera en su ambiente sólo mientras las condiciones son favorables para su crecimiento y supervivencia.

Un cambio físico o químico , como agotamiento de nutrientes o cambio en el pH o la temperatura

hace las condiciones de crecimiento más favorables

para otra especie

el organismo adaptado a las condiciones prevalecientes antes cede su lugar a un organismo

mejor adaptado a las nuevas.

Las condiciones ambientales tienen un efecto selectivo sobre las poblaciones

microbianas.

Adaptación y mutación

La supervivencia y el crecimiento de una especie dentro de una comunidad biológica requieren capacidad para ajustarse a las condiciones ambientales cambiantes.

Genotipo: La información genética de cada individuo

Fenotipo: La expresión del genoma afectada por el medio ambiente

Los microorganismos se acomodan a los cambios

temporales del ambiente

Mediante la adaptación fenotípica:

Respuesta del microorganismo a

cambios temporales

Está limitada por el genotipo.

CICLOS BIOGEOQUÍMICOS

Un ciclo es un conjunto de fenómenos o eventos que se repiten en forma regular

El comportamiento cíclico es muy común en la naturaleza y aún en el cosmos

En la naturaleza todos los elementos son permanentemente reutilizados a través de los ciclos de nutrientes, en este continuo ciclo está la elevada eficiencia que presentan los ecosistemas naturales ya que en ellos nada se desperdicia

BIO: Seres vivos, animales y vegetales GEO: El ambiente geológico, agua, aire,

suelo, depósitos minerales QUIMICOS: Reacciones químicas

TIPOS BASICOS DE CICLOS

1.- Ciclos de nutrientes gaseosos: Oxígeno, Nitrógeno y Carbono2.- Ciclo de nutrientes sedimentarios: Fósforo y Azufre

CICLOS BIOGEOQUÍMICOS

Los diferentes elementos químicos pasan del suelo, el agua o el aire a los organismos y de unos seres vivos a otros, hasta que vuelven,

cerrándose el ciclo, al suelo o al agua o al aire. 

GASEOSOS

SEDIMENTARIOS

atmósfera – océanos

suelo-rocas-minerales

EL CICLO DEL AGUA

Ciclo del Oxígeno

Ciclo del Nitrógeno Nitrógen

o

Componente esencial de las proteínas y de

la atmósfera

Estado gaseoso(N2)

Debe fijarse para su utilización

Acción química de alta energía

Biológico

Bacterias

fijadoras de

nitrógeno

Radiación cósmica

Relámpagos y rayos

CICLO DEL NITRÓGENO

Nitrógeno es uno de los componentes principales de las biomoléculas, siempre en la forma de –NH2.

Varias de las reacciones clave de óxidoreducción del nitrógeno que tienen lugar en la naturaleza las llevan a cabo casi exclusivamente los microorganismos, por lo que su participación en el ciclo del nitrógeno es de gran importancia.

N2 es la forma más estable y su reservorio se encuentra en la atmósfera (78%).

CICLO DEL NITRÓGENO

Las principales reacciones del ciclo del nitrógeno tienen relación con los compuestos más importantes de éste en la naturaleza:

Fijación del Nitrógeno Nitrificación y Desnitrificación Amonificación

Ciclo del Carbono

Detritos/materia orgánica del suelo

Biomasa vegetal y

animal

Atmósfera

Ciclo del fósforo

Completamente sedimentario

Reservorios en rocas y depósitos

naturales de fosfatos

Desconocido en la

atmósfera

CICLO DEL AZUFRE

La mayor parte del azufre se encuentra en forma de sulfatos en rocas (yesos) o sulfuros (pirita).

Azufre presenta una gran variedad de estados de oxidación, por lo que existe una gran variedad de reacciones de transformación, tanto químicas como biológicas.

Las reacciones biológicas más importantes sonOxidación de S y de sulfuros por bacterias.Reducción anaeróbica de sulfato.

Tarea N° 4

1.-Investigue sobre asociaciones microbianas existentes en la naturaleza2.-Desarrolle los ciclos biogeoquímicos desarrollados en clase