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SESIÓN 6 Ecología microbiana. Determinantes ambientales, medición, hábitats microbianos. Desarrollo de Ciclo de Aprendizaje microorganismos en comunidades y ecosistemas Guía Teóri...

SESIÓN 6 Ecología microbiana. Determinantes ambientales, medición, hábitats microbianos. Desarrollo de Ciclo de Aprendizaje microorganismos en comunidades y ecosistemas Guía Teórica - GT CURSO: NOMBRE DEL CURSO Docente: Quispe Arpasi, Diana Material del curso de Microbiología Ambiental Ciclo de Aprendizaje Restaurador: Explica y Explora Conceptos: Los microorganismos no viven solos en la naturales, en cambio interactúan con otros organismos y con su ambiente. Población: Es un grupo de células microbianas derivadas de una célula madre por división celular sucesiva. Hábitat: Es el ambiente inmediato en el que una población microbiana vive. Los hábitats pueden ser muy diferentes en sus características, por lo que, los que pueden favorecer al crecimiento de un tipo de microorganismos, puede ser perjudicial a otro. Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador Conceptos: Comunidad microbiana: Poblaciones de células de microorganismos que interactúan con poblaciones de células de otras especies. La diversidad y abundancia de los microorganismos dependen de las fuentes (energía y alimento) y condiciones (pH, temperatura, etc.) para prevalecer en determinado hábitat. Ecosistema: Conjuntos de organismos vivos, con los compuestos físico o químicos (compuestos abióticos) del ambiente en el que interactúan. Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador Conceptos: Microorganismos planctónicos La diversidad de las especies microbianas en comunidades puede ser expresada de dos Alta riqueza: Cianobacterias formas: Diatomeas Riqueza: el número total de diferentes Algas especies presentes en un comunidad. Flagelados Puede ser expresada en términos moleculares por diversidad de filotipos observados en una determinada comunidad. Baja riqueza Alta abundancia: Abundancia: La proporción de cada Cianobacterias especie en la comunidad. Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador Conceptos: La riqueza y la abundancia dependen de las condiciones y nutrientes disponibles: Recursos Condiciones Carbono (orgánico, CO2) Temperatura Nitrógeno (orgánico, Disponibilidad de agua inorgánico) pH: 0-7-14 Otros macronutrientes O2: ambiente óxico, microóxico Micronutrientes y anóxico. O2 y otros aceptores de Luz: alta, media, oscura electrones Condiciones osmóticas: agua Donadores de electrones fresca, agua marina, hipersalina inorgánicos: Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador El ambiente microbiano Debido a que los microorganismos son muy Microambientes de oxígeno en pequeños, ellos se desarrollan en su entorno una partícula de suelo inmediato llamado: microambiente. De acuerdo a al teoría ecológica, por cada organismos existe al menos un nicho, nicho primario, en el que se desarrolla exitosamente (aunque también pueda habitar otros nichos). El ambiente completo en el que un microorganismos se puede desarrollar es llamado nicho fundamental. El hábitat en el que un microorganismo reside está gobernado por condiciones físico-químicas que son determinadas por las actividades metabólicas de la comunidad (en la Figura cada color puede ser considerado un microambiente diferente debido a la concentración de oxígeno). Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador Niveles de nutrientes y velocidad de crecimiento Periodos extensos de crecimiento exponencial son raros en la naturaleza. Los microorganismos suelen crecer por pulsos, esto relacionado directamente a la disponibilidad de los nutrientes y a la naturaleza de los nutrientes. Debido a que cumplir todas las condiciones relevantes para los microorganismos en la naturaleza al mismo tiempo es raro, las velocidades de crecimiento son más bajas cuando comparadas con las registradas en los laboratorios. Por ejemplo, el tiempo de generación de E. coli en el tracto intestinal de un adulto sano que come en intervalos regulares es aprox. 12 h. En cambio, en un cultivo puro, el tiempo de generación llega a 20 minutos bajo condiciones óptimas. Estas bajas velocidades de crecimiento reflejan que: Generalmente, las condiciones de crecimiento no son óptimas. La distribución de nutrientes no es uniforme Microorganismos en la naturaleza crecen en comunidades en vez de cultivos puros Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador Competición y cooperación microbiana LUZ La competición de los microorganismos por Fotosíntesis Respiración fuentes en un hábitat es intensa y depende de muchos factores incluyendo, las Rendimiento velocidades de consumo de nutrientes, las energético velocidades metabólica inherente, y las velocidades de crecimiento. Con la densidad de cada población dependiendo de cuanto se parece el hábitat al nicho primario. Algunos microorganismos pueden trabajar juntos, llevado a cabo transformaciones que no podrían por sí solos (Ej. Ciclo del nitrógeno). Fermentación Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador Superficies y biofilmes Las superficies son hábitats microbianos importantes, pues típicamente ofrecen un gran acceso a nutrientes (superficie de la raíz de una planta, o sedimentos en el lecho de un río). La colonización microbiana puede ser escaza, consistiendo de microcolonias y no ser visible al ojo humano, o también puede consistir de varias células, que se vuelven visibles. Microorganismos en superficies Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador Superficies y biofilmes Microorganismos en biofilmes Las bacterias que crecen en las superificies, generalmente forman biofilmes. Matriz adhesiva secretada por las células, generalmente mezcla de polisacáridos, pero pueden incluir proteínas y hasta ácidos nucleicos. Los biofilmes mantienen los nutrientes y previenen la pérdida de células en superficies dinámicas (sistemas fluidos) Formación de biofilmes - Fijación - Colonización - Desarrollo Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador Superficies y biofilmes Las esteras microbianas se considerar biofilmes extremadamente densos. Construidos por bacterias fototróficas como quimiolitótróficas, puede llegar a medir varios centímetros. Las capas están gobernadas por la disponibilidad de la luz y otras fuentes. Los más abundantes microorganismos constructores de estos biofilmes son cianobacterias filamentos (fotótrofos oxigénicos). Esteras de cianobacterias Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador  Acuáticos Terrestres Organismos Océanos Suelo Plantas Lagos Subsuelo Animales Ríos Mayores ecosistemas microbianos Ambientes acuáticos Los ambientes marinos y de agua dulce difieren en muchos aspectos, como la salinidad, la temperatura promedio, la salinidad, la profundidad y el contenido de nutrientes, pero ambos proporcionan muchos hábitats excelentes para los microorganismos. Crecimiento desproporcionado de algas en un lago por la disponibilidad de nutrientes Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador Aguas dulces LUZ Fotosíntesis Respiración Este tipo de ambientes son altamente variables en cuanto a Rendimiento recursos y condiciones. Ambos tipos energético de microorganismos productores de oxígeno y consumidores de oxígeno están presentes en ambientes acuáticos, gobernando el balance entre la fotosíntesis y la respiración. En la Figura observamos tipos de comunidades microbianas divididas de acuerdo a su metabolismo en un lago. Fermentación Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador Metabolismo microbiano Fotosíntesis: Proceso de obtención de energía que usa la energía de la luz y un donante de electrones inorgánico (H2O, H2, H2S) y CO2 como fuente de carbono. Respiración: Proceso de obtención de energía en el que los compuestos inorgánicos (O2, NO3, CO2, SO4, PO4) sirven como donadores y receptores de electrones. Cuando se utilizan NO3, CO2, SO4, PO4 el proceso se llama respiración anaeróbica. Fermentación: Proceso de obtención de energía a través de la descomposición microbiana de los CARBOHIDRATOS, o sea metabolismo en el cual los compuestos orgánicos sirven como donadores y receptores de electrones. Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador Microorganismos en aguas dulces Fotótrofos (autótrofos): Incluyen algas y cianobacterias. Pudiendo ser planctónicos o distribuidos a lo largo del lago, o unidos a los lados o al fondo del lago. Debido a que obtienen energía de la luz y usan agua como donador de electrones para reducir CO2 a materia orgánica. Son conocidos como productores primarios. La actividad y diversidad heterotrófica de las comunidades microbianas en ambientes acuáticos dependen principalmente de la producción primaria, en cuanto a la velocidad y distribución temporal y espacial. Si las velocidades de producción de los fotótrofos son elevadas, esto puede llevar al agotamiento del oxígeno en las profundidades del cuerpo hídrico, por la excesiva producción de materia orgánica. Esto puede terminar estimulando el metabolismo anaerobio (fermentación y respiración anaerobia). Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador Relación con el oxígeno El nivel de oxígeno en ríos y fuentes es también importante evaluar porque está influenciado por la materia orgánica que recibe de la contaminación industrial, urbana y agrícola. La presencia de estos contaminantes lleva al déficit de oxígeno por la respiración bacteriana. A medida que el agua se aleja del punto de contaminación, la materia orgánica es consumida y el nivel de oxígeno regresa a la normalidad. En lagos, los nutrientes que provienen de los ríos o fuentes derivados de contaminación industrial, urbana y agrícola puede resultar en el crecimiento desmesurado de cianobacterias, algas y plantas acuáticas, incluyendo finalmente en la calidad del agua y condiciones de crecimiento de animales acuáticos. Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador Demanda bioquímica de oxígeno Determinar la capacidad de consumir oxígeno por una población microbiana en un cuerpo hídrico. El BOD estima la cantidad de materia orgánica en una muestra de agua que puede ser oxidada por microorganismos. Otra medida que se usa para determinar la materia orgánica en una muestra de agua es la demanda química de oxígeno, en la que se usa un oxidante químico fuerte para oxidar la materia orgánica a CO2. Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador Aguas marinas Los niveles de nutrientes en el océano abierto suelen ser muy bajos en comparación con muchos ambientes de agua dulce. Esto es especialmente cierto en el caso de los nutrientes inorgánicos claves para los organismos fototrófos, como el nitrógeno, el fósforo y el hierro. Las temperaturas del agua en los océanos son más frías y más constantes estacionalmente que las de la mayoría de los lagos de agua dulce. La actividad de los fotótrofos marinos está limitada por estos factores y, por lo tanto, la actividad microbiana general presenta números de células más bajos en los océanos (106 /ml), que en aguas dulces ( >107 /ml ). Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador Microorganismos en aguas marinas Los procariotas que habitan aguas marinas son en general muy pequeños, debido a que viven en ambientes pobres en nutrientes. En este tipo de ambiente acuáticos los principales productores primarios son Prochlorococcus (cianobacterias). Los principales productores de oxígeno en el mundo. Pueden llevar a alcanzar densidades celulares de: 105 /ml en regiones tropicales y subtropicales. Otros fotótrofos incluyen a Ostreococcus, Trichodesmium, Erythobacter, Roseobacter y Citromicrobium. Prochlorococcus Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador Microorganismos en aguas marinas En el caso de bacterias y arqueas. La abundancia de estas disminuye con la profundidad. En aguas superficiales, las células pueden llega a 106 /ml. Debajo de 1000 m, en cambio, las densidad celular se encuentra entre a 103 -105 /ml. Las arqueas abundantes en el mar profundo son casi exclusivamente Crenarchaeota. La bacteria heterotrófica más abundante en Pelagibacter (0.2 μm de diámetro) aguas marinas es Pelagibacter. Un oligrotrófico, que puede convertir tanto compuestos orgánicos y luz en energía. Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador Microorganismos en aguas marinas Densidad celular en el Océano Nor-Pacífico Tanto las arqueas como las bacterias son muy importantes ecológicamente porque consumen el carbono orgánico disuelto en los océanos (producido por fotosíntesis) y luego sirven de alimento para organismos marinos más grandes (incluyendo protistas). Este carbono orgánico disuelto no habría podido ser aprovechado de otra manera por su diminuto tamaño. Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador Diversidad procariota en el océano Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador Fuentes hidrotermales Las bacterias que poseen metabolismos quimiolitótrofos dominan las fuentes hidrotermales. Las fuentes sulfídicas sostienen el crecimiento de bacterias sulfuradas. En otros casos bacterias nitrificantes, bacterias oxidadoras de hierro y manganeso también podrían crecer. Bacterias metilotróficas predominan en fuentes que emiten CH4 y CO2. Arqueas termófilas que oxidan H2 y producen CH4 también han sido detectadas. Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador Diversidad procariota en las fuentes hidrotermales Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador