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MICROBIOLOGÍA
AMBIENTAL
Introducción a la
Ecología Microbiana
Hot spring, Yellowstone
National Park, Utah
La ecología microbiana es el estudio de las relaciones de los microbios con otros
organismos y también con sus entornos no vivos. Estas relaciones, basadas en usos
interactivos de recursos, tienen efectos que se extienden a la escala mundial.
Prescott, 2004
Hebras de Ferroplasma sp.
creciendo en una mina
abandonada de California, a
pH 0. Sólo una membrana
celular separa a esta bacteria
ferrooxidante de su ambiente
extremo.
Ferroplasma es un género de microorganismos del dominio Archaea.
Comprende solamente una especie, F. acidophilum, un acidófilo oxidante del hierro.
Ferroplasma
acidophilum
es
una
especie
de
arqueobacteria
de
la clase Thermoplasmata. Es un microorganismo descubierto en Rusia que sobrevive
en ácido sulfúrico (lo más parecido a las condiciones extremas que existían en la Tierra
hace 4.600 millones de años) y se puede alimentar de alguna forma de pirita (FeS).
Todo parece indicar que es el primer poblador de la Tierra, el ancestro común a partir del
cual se originaron el resto de organismos.
Al contrario que otros miembros de Thermoplasmata, F.acidophilum es un mesófilo que
crece óptimamente a una temperatura óptima de aproximadamente 35 ºC y a un pH de
1,7.
Se encuentra generalmente en minas ácidas, principalmente en aquellas que
contienen pirita.
Es especialmente abundante en el caso de que se usen drenajes ácidos, donde otros
organismos tales como Acidithiobacillus y Leptospirillum han bajado el pH del ambiente
y el acidófilo obligado F. acidophilum puede prosperar.
Fisiológicamente, F. acidophilum es un autótrofo y obtiene energía por la
oxidación ferrosa del hierro de la pirita usando oxígeno como receptor final de
electrones.
Este proceso produce ácido sulfúrico como residuo, lo que conduce a la acificación del
ambiente.
F. acidophilum, al igual que Thermoplasma, no tiene pared celular.
Las bacterias
colonizan gran
cantidad de
ambientes, en los
que pueden
establecer
Biofilmes o
biopelículas.
La Ecología Microbiana es el estudio de
los ecosistemas que:
A. Están constituidos en su totalidad
por microorganismos, o,
B. Son influenciados profundamente por
estos microorganismos.
Es el estudio de la estructura,
composición y fisiología de las
comunidades
microbianas
en
el
ambiente (suelo, aire, agua u otros
organismos).
‘La Ecología Microbiana es el estudio
de las actividades y conductas de los
microorganismos en sus ambientes
naturales’.
-Thomas D. Brock, descubridor del
Thermus aquaticus
El epitelio intestinal es
un microambiente
Bacteriano.
• El concepto de Ecología
Microbiana
se
englobaba
anteriormente dentro del más
amplio
concepto
de
Microbiología Ambiental.
• Actualmente refleja más el
hecho
de
que
los
microorganismos
afectan
profundamente a su entorno
con sus actividades, localmente
y a nivel planetario.
•El
ambiente,
más
correctamente
definido
a
escala
microbiana,
es el
microambiente donde crece el
microorganismo.
•La Microbiología Ambiental se
ocupa más de los procesos a
escala macro, sin considerar en
detalle los microambientes.
Thermus aquaticus, denominada también Thermophilus aquaticus, es
una bacteria termófila que vive en la proximidad de manantiales de agua
caliente.
La describió por primera vez Thomas Brock en 1969, en un manantial
del Parque Nacional de Yellowstone. Es una bacteria gram-negativa, aerobia y
heterótrofa.
Esta bacteria vive a temperaturas comprendidas entre 50 y 80 °C, gracias a que
sus enzimas resisten tales condiciones. Normalmente, a esas temperaturas
las proteínas constitutivas de la mayoría de los seres vivos se desnaturalizan y
no vuelven a ser funcionales. Debido a esa termorresistencia, la enzima
que Thermus aquaticus emplea para replicar su ADN, llamada ADN
polimerasa Taq, se utiliza con frecuencia en las reacciones de PCR (Reacción
en Cadena de la Polimerasa). En la PCR se separan las cadenas de la doble
hélice del ADN mediante desnaturalización térmica a temperaturas en torno
a los 95°C, lo que conduciría a la inactivación de las DNA polimerasas
ordinarias. La polimerasa Taq, en contraste, tiene su máxima actividad a 72 °C
y su termoestabilidad es tal que su vida media a 95°C es de 40 minutos, lo que
la hace idónea para este tipo de procesos.
Los ecosistemas y comunidades microbianas
pueden ser muy estables: poblaciones de
cianobacterias han formado mats (tapetes
microbianos)
que
constituyen
el
microambiente de los estromatolitos, que se
consideran entre las formaciones vivas más
antiguas. Son un buen ejemplo de las
interacciones entre MOs y las propiedades
químico-físicas del medio.
•Los
microorganismos
se
agrupan
en
asambleas
funcionales
llamadas
en
ecología poblaciones.
•Las poblaciones de diferentes
MOs que interactúan entre sí en
un (micro)ambiente, forman
comunidades microbianas.
•Las interacciones de los MOs
con
otros
MOs,
macroorganismos y el ambiente
han permitido la evolución y el
surgimiento
de
actividades
microbiológicas que influencian
el ambiente.
•La mayoría de las interacciones
son beneficiosas desde el punto
de vista biológico: sólo un
reducido número de MOs
causan patogenia y ese grupo
reducido es el foco de estudio de
la Microbiología Clínica.
El problema del cultivo
•La imposibilidad de cultivar a la
mayoría de las especies microbianas,
en especial bacterias y arqueas
extremófilas, es un desafío mayor en
el área de la ecología microbiana.
•El desarrollo de herramientas
moleculares como la secuenciación
de rDNA de 16S y los enfoques de la
metagenómica y la metaproteómica
están
revolucionando
el
entendimiento
del
mundo
microbiano, la Ecología y la
Biología.
Focos de interés
•El foco de interés de la Ecología Microbiana es el
análisis de comunidades de microorganismos
(MOs) que intervienen en, o, regulan procesos
naturales que afectan la vida y sobrevivencia del
ser humano y otros organismos en la Tierra.
•Este enfoque la diferencia de la microbiología
médica, que se centra en las especies patógenas o
de importancia clínica que son agentes
etiológicos de la enfermedad.
• Los MOs objetos de su estudio pertenecen a los
tres Dominia biológicos: Archaea, Bacteria y
Eukarya.
Impacto microbiano sobre la Biosfera
Los MOs constituyen la mayoría de la
biomasa de la Biosfera (5 x 10 30 células,
ocho órdenes de magnitud superior que
las estrellas observables en el universo,
Whitman et al, 1998).
La mayor parte de la biodiversidad
microbiana permanece desconocida para
el ser humano.
Son el mayor sumidero biológico de C.
Controlan la fijación de N2 y el
metabolismo del metano y participan en
alguna
parte
de
los
ciclos
biogeoquímicos de los demás elementos.
Realizan la mayoría de la fotosíntesis
(marina).
Son parte integral de la mayoría de las
simbiosis.
Participan
en
procesos
de
biodegradación y bio-remediación.
Los procesos ecológicos planetarios
seguirían desarrollándose aunque no
estuvieran presentes los eucariontes.
Todo lo que está en todas partes, es lo que el
medio ambiente selecciona.
Nicotiana tabacum
con la enfermedad
del mosaico y TMV.
Martinus Beijerinck (1851-1931).
Microbiólogo holandés fundador de la
Escuela Delft de Microbiología de la
Universidad de Wageningen.
Uno de los padres de la Virología
(demostró que la enfermedad del
mosaico del tabaco es causada por un
agente más pequeño que una bacteria,
al cual bautizó virus- hoy el TMV).
Descubrió la fijación de N2 por
simbiosis
entre
bacterias
y
leguminosas.
Descubridor de la reducción de
sulfato y aislamiento de Spirillum
desulfuricans.
Se le acredita ser uno de los pioneros
en el uso de cultivos enriquecidos para Rhizobium
leguminosarum
bacterias.
colonizando una célula radical
de leguminosa.
Nitrosomonas sp. (Fuente: the microbe
zoo).
•Sergei
Winogradsky
(18531953), microbiólogo ucraniano.
•Descubridor de la litotrofia
usando Beggiatoa sp.
•Describió el
proceso
de
nitrificación por Nitrosomonas,
Nitrosococcus y Nitrobacter.
•Realizó
estudios
sobre
bacterias descomponedoras de
celulosa, fijación de nitrógeno
por Azotobacter y elaboración
de medios de cultivo para MOs
edáficos.
Beggiatoa, bacteria filamentosa que
oxida sulfuro de hidrógeno.
Desarrollo moderno
•La Ecología Microbiana comenzó su desarrollo
actual en la segunda mitad del siglo XX.
•El primer texto titulado como Ecología
Microbiana apareció en 1966 (Brock).
•Siguieron: Experimental Microbial Ecology
(Aaronson,
1970)
y
Microbial
Ecology
(Alexander, 1971).
•Revista Microbial Ecology (Springer Verlag,
desde 1974).
• El campo actual es amplio:
•Autoecología: (ecología de las
poblaciones
relacionadas
genéticamente).
•Ecología de ecosistemas específicos
(lagos, biofilmes, mats (tapices,
tapetes),
microbiomas,
fuentes
volcánicas, océanos profundos, etc.)
•Asociaciones especiales: rizósfera y
micorrizas.
•Ecología
microbiana
aplicada:
biorremediación, biotecnología.
•Ecología biogeoquímica (biología
de los ciclos a nivel local y global).
Comunidades microbianas
• Una comunidad es un ensamblaje de
múltiples especies que viven en un
ambiente contiguo y que interactúan entre
sí.
•La biología de las comunidades analiza
cómo éstas están estructuradas, cuáles son
sus interacciones funcionales y cómo
cambia la estructura de la comunidad en el
espacio y en el tiempo.
El microambiente
Nivel de oxígeno: 21%
(bacterias aerobias)
Nivel de oxígeno: 10-15%
(bacterias microaeróbilas)
•Para un MO, el hábitat se
constituye en un microambiente
dentro del cual puede ocupar su
nicho.
•Las
condiciones
en
el
microambiente pueden variar
rápidamente, de forma que sólo
los organismos mejor adaptados
pueden establecer poblaciones
resistentes en el tiempo.
• Muchas poblaciones establecen
cooperación con otras especies
en el ecosistema (sintrofia).
Nivel de
oxígeno: 0%
(bacterias
anóxicas).
Bacterias
anaerobias
facultativas
A escala microbiana, una partícula de suelo consiste
de múltiples microambientes en los cuales se
distribuyen gradientes de nutrientes o gases
esenciales (fuente: Brock, 12th edition).
Desafíos a escala microbiana
Estructuración ecológica de los microorganismos
DEFINICIONES
Organización de los microorganismos en la naturaleza
Impacto del estudio de las interacciones
microbianas en distintas áreas de la Biología
ECOLOGÍA
BIOTECNOLOGÍA
SALUD HUMANA
INTERACCIONES
MICROBIANAS
ECOLOGÍA Y
BIODIVERSIDAD
AGRICULTURA
Interacciones biológicas
Simbiosis
1. Mutualismo: una simbiosis en la
cual ambas especies incrementan su
grado de fitness (aptitud biológica).
2. Comensalismo: una simbiosis en
la cual uno de los socios incrementa
su fitness sin afectar al otro.
3. Patogénesis: una simbiosis en la
que una especie incrementa su
fitness a expensas de la otra.
Otras interacciones:
4. Depredación
5. Competencia
Atta cephalotes y su jardín
fúngico y microbioma