ECOLOGÍA ECOLOGÍA MICROBIANAMICROBIANAECOLOGÍA ECOLOGÍA

MICROBIANAMICROBIANA

María Cecilia Escobar Restrepo

ECOLOGÍA MICROBIANA

Ciencia que explora las interrelacionesde los microorganismos con el ambienteen que se desarrollan

AMBIENTE

Conjunto de factores tanto abióticos (físicosy químicos) como bióticos (biológicos) queactúan sobre un ser vivo

• Los microbios son las criaturas más minúsculas en la tierra, pero tienen un impacto enorme en nosotros y en nuestro ambiente:– Están en cualquier lugarcualquier lugar de nuestro

entorno: suelo, agua y aire. – En cualquier ecosistema, son los que

están en mayor númeromayor número y poseen la mayor capacidad para efectuar cambiosmayor capacidad para efectuar cambios

Importancia de la Importancia de la ecología ecología

microbianamicrobiana

Importancia de la Importancia de la ecología ecología

microbianamicrobiana

En los últimos tiempos, En los últimos tiempos, la preocupación por la la preocupación por la calidad ambiental ha calidad ambiental ha tenido como efecto un tenido como efecto un mayor interés por la mayor interés por la ecología microbianaecología microbiana

• Los microorganismos son capaces de reciclar muchos materiales

Juegan un 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 estudio de la ecología microbiana puede ayudarnos a mejorar nuestras vidas vía el uso de microbios en:

• La restauración ambiental• La producción del alimento• La bioingeniería de productos útiles

tales como antibióticos, suplementos del alimento, y productos químicos.

Población: Conjunto de individuos de una mismaespecie de microorganismo

Gremio: Agrupación de poblaciones que utilizanlos mismos recursos

Comunidad: Conjunto integrado de poblacionesmicrobianas que interaccionan entre ellas y coexisten en un espacio determinado (hábitat)

Ecosistema: Conjunto de comunidades de micro ymacroorganismos que coexisten en un ambiente

P1 P2 P3 P4 P5 P6

Gremio 1 Gremio 2 Gremio 3

P7 P8

Gremio 4

Comunidad 1 Comunidad 2

Ecosistema 1(en ambiente 1)

Sedimentos

Estructura de una comunidad microbiana en un sistema lacustre

Gremio 1: Bacterias metanogénicas (CO2 CH4)

Bacterias homoacetógenas (CO2acetato)

Gremio 2: Bacterias reductoras de sulfato (SO42- H2S)

Bacterias reductoras de sulfuro (So H2S)

Gremio 3: Bacterias denitrificantes (NO3- N2)

Bacterias reductoras de hierro férrico (Fe3+ Fe2+)

Gremio 4: Bacterias fermentadoras (de azúcares, aminoácidos etc)

Comunidad 1Zona fótica:

Fotótrofos oxigénicos

6CO2 + 6H2O

C6H12O6 + 6O2

Comunidad 2Zona óxica:

Aerobios y facultativos

6CO2 + 6H2O

C6H12O6 + 6O2

Comunidad 3: zona anóxica (fermentadores y otros anaerobios)

EFECTO DE LAS CONDICIONES AMBIENTALES SOBRE EL

CRECIMIENTO DE LOS MICROORGANISMOS

» Temperatura» Radiación

» Salinidad

» pH» Oxígeno

» Nutrientes

» Actividad de agua

» Temperatura

Ambientes:

- Bajas temperaturas: >90% océanos temperatura <5°C

- Temperatura ambiente o corporal: 20-45°C

- Altas temperaturas: Regiones volcánicas, procesos de compostaje

… Temperatura

Psicrófilos temperaturas óptimas <15oC

(15-20°C)

Sintetizan enzimas que funcionan bien en frío y la membrana plasmática contiene mas ácidos grasos insaturados

Mesófilas 20 a 45oC

Termófilas Óptima >55oC (Arqueas)

La temperatura óptima de crecimiento para la mayoría de las formas de vida libre es de 30oC

… Temperatura

Sintetizan enzimas mas estables al calor, presentando cambios en sus aminoácidos que le dan una forma diferente y la membrana plasmática contiene ácidos grasos saturados (proteínas del choque térmico)

Temperatura (°C)

Cre

cim

ien

to

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

PsicrófiloFlavobacterium sp

MesófiloEscherichiacoli

TermófiloBacillusstearothermophilus

HipertermólfiloTermococcussp

HipertermólfiloPyrodictiumsp

TEMPERATURAS OPTIMAS DE DIVERSOS ORGANISMOS

13°C

39°C

60°C

80°C

105°C

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» Radiación

~ Espectro electromagnético

~ Intensidad y tiempo de exposición

~ Rayos Gamma, rayos X, UV son dañinos

… Radiación

~ Mutágeno

- Se afecta la estructura de ácidos nucleicos- Afecta procesos de membrana y su estructura

~ Estrategias

- Fotoreactivación- Pigmentos protectores (carotenoides)

» Salinidad

~ Ambientes acuáticos: 0.05% de sales

~ Marinos: 3.5% de sales

~ Hipersalinos: 25 a 30% de sales

- Halotolerantes

- Halofílicos moderados

- Halofílicos extremos

Acitividad de agua, aw

Material Organismos que crece

1,000,950,9800,9500,9000,8500,8000,7500,700

Agua puraSangre humanaAgua marinaPanJarabe de arce, jamónChorizoPasteles de frutas, mermeladasPescado saladoCereales, caramelos

Caulobacter, SpirillumStreptococcus, EscherichiaPseudomonas, VibrioBacilos Gram positivosCocos Gram positivosLevadurasHongos filamentososHalobacterium, HalococcusHongos xerofílicos

• La concentración de solutos presentes en el agua, hacen que esta esté más o menos disponible para ser utilizada por los microorganismos

• La disponibilidad de agua se expresa en términos de la actividad de agua, cuyo valor oscila entre 0 y 1

• Todos los microorganismos requieren agua y la disponibilidad de ella es un factor importante para el crecimiento microbiano

» Actividad de agua

Organismo Soluto acumulado

Bacterias no fototróficasCianobacterias de agua dulceCianobacterias marinasAlgas marinasCianobacterias halófilasBacterias halofílicas, fototróficas no oxigénicasArqueas halófilas extremasDunnaliellaLevaduras xerofílicasHongos filamentosos xerofílicos

Solutos compatibles en microorganismos

Betaína, prolina, glutamatoSacarosa, trehalosaGlucosilglicerolManitol, prolina, propionatoBetaínaBetaína, ectoína, trehalosaKCLGlicerolGlicerolGlicerol

Como crecen los microorganismos en condiciones de baja actividad de agua?

• Aumentan la concentración interna de solutos: bombeando iones hacia el interior o sintetizando o concentrando un soluto orgánico; estos compuestos se llaman solutos compatibles

• La cantidad máxima de soluto sintetizada o acumulada está determinada genéticamente

… Actividad de agua

Neutrófilos:

Acidófilos:Alcalófilos:

6.0 a 8.0

3.010.5

pH

(7.5)(6.5)(9.5)

pHinterno

límitesexternos

1.0 a 5.0

5.5 a 8.5

9.0 a 11.0

suelos y aguas altamente carbonatadas producen proteasas para detergentes

» pH

Aerobios obligados

Facultativos

Anaerobios obligados

Requieren específicamenteoxígeno como aceptor de Electrones (H)

Requieren una sustanciadiferente al oxígeno como aceptor de electrones

Capaces de vivir aerobia oanaeróbicamente

Los microorganismos aerobios poseen enzimas que descomponen los productos tóxicos del oxígeno (H2O2, O-

2)como: catalasas, peroxidasas etc, mientras que los anaerobios no poseen estas enzimas

» Oxígeno

Catalasa

H2O2H2O2 + 2 H2O + O2

Peróxidasa

H2O2 + NADH + H+ 2H2O + NAD+

Superóxido dismutasa/catalasa 4O2- + 4H+ 2 H2O + 3O2

O2 + e- O2-

SuperóxidoO2 + e- + 2H H2O2

Peróxido de HH2O2 + e- + H+ H2O2 + OH

Radical hidroxiloOH + e- + H+ H2O

Productos tóxicos

del metabolismodel oxígeno

Enzimas que descomponen los productos tóxicos del oxígeno:

Todas las formas de vida comparten ciertos requerimientos nutricionales para su normal funcionamiento y crecimiento:

* ENERGÍA

* CARBONO

* NITRÓGENO

* AZUFRE

* FÓSFORO

* IONES INORGÁNICOS

* FACTORES DE CRECIMIENTO

* AGUA

» Nutrientes

Todos los microorganismos requieren una fuente de

energía para:

• FOTOTROFOS Luz

• QUIMIOTROFOS Oxidación (pérdida deelectrones de un átomo)de un compuesto químico

1. Biosíntesis2. Movilidad3. Transporte de nutrientes

De acuerdo a la forma de obtener energía se clasifican en:

- Quimioorganotrofos- Quimiolitotrofos

* ENERGÍA

• Utilizado por los microorganismos para sintetizar los compuestos orgánicos requeridos para las estructuras y funciones de la célula

• Según la fuente principal de carbono utilizada, los microorganismos se clasifican como:

AUTOTROFOS: Utilizan como fuente de carbono al CO2, a partir del cual sintetizan los esqueletos carbonados de los metabolitos orgánicos

HETERÓTROFOS: Utilizan compuestos orgánicoscomo fuente de carbono (que se debe encontraren forma asimilable)

* CARBONO

El nitrógeno es utilizado por las bacterias paraformar aminoácidos, pirimidinas, purinas etc.

Los microorganismos son muy versátiles en lasfuentes de nitrógeno que utilizan:

• Nitrógeno atmosférico (fijadores)

• Compuestos inorgánicos de nitrógeno

• Compuestos orgánicos nitrogenados

* NITRÓGENO

Utilizado para la síntesis de aminoácidos azufrados que tienen un papel muy importante en la estructura terciaria de las proteínas y en el sitio catalítico de enzimas

Diversidad en la utilización de las fuentes de azufre:

• Compuestos orgánicos de azufre: como aminoácidos azufrados

• Compuestos inorgánicos de azufre: sulfatos

• Azufre elemental

* AZUFRE

• Indispensable para las transferencias de energía y la síntesis de ácidos nucléicos y fosfolípidos

Fuentes de fósforo: en formade fosfatos orgánicos o inorgánicos

• Estabilizan o activan los compuestos biológicos como enzimas, ribosomas, membranas etc.

• Estan en el mediocomo sales que contienen: K+, Mg2+, Mn2+, Ca2+, Na+, PO43-, Fe2+, Fe3+

y trazas de Cu2+, Co2+ y Zn2+, se requieren solo trazas

* FÓSFORO * IONES INORGÁNICOS

Compuestos orgánicos fundamentales parala maquinaria metabólica de la célula, la mayoría de losmicroorganismos pueden sintetizarlos pero otrosrequieren tomar uno o más preformados del medioambiente.Son vitaminas, aminoácidos, purinas, pirimidinas etcen muy pequeñas cantidades

Proteínas (enzimas) Intervienen en la síntesis de comp.esenciales (vitaminas)

Gen

* FACTORES DE CRECIMIENTO

En los ambientes naturales a diferencia de losmedios de cultivo de laboratorio, la concentraciónde nutrientes fluctúa

Por lo que los organismos utilizan diferentesestrategias para sobrevivir:

☼ Uso eficiente de recursos disponibles

☼ Metabolismo endógeno

☼ Miniaturización

☼ Acumulación de polímeros

☼ Diferenciación a formas de resistencia: esporas, quistes

CARACTERÍSTICAS DE CARACTERÍSTICAS DE LOS ECOSISTEMAS LOS ECOSISTEMAS

MICROBIANOSMICROBIANOS

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

ecosistemasecosistemas• Adaptación y mutaciónAdaptación y mutación

Diversidad de especies Diversidad de especies microbianasmicrobianas

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

• 1 gramo de suelo contiene 1.000.000.000 de microbios

• La mayoría de los tipos de microbios 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 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 poblacionesDinámica 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 mutaciónAdaptación 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 adaptación fenotípicafenotípica:

Respuesta del microorganismo a cambios

temporales

Está limitada por el genotipo.

• Muchos microorganismos pueden crecer a lo largo de una amplia gama de temperaturas.

• Su efectividad metabólica no es la misma a las temperaturas extremas.

• La capacidad adaptativa está entre los límites del genotipo.

Temperatura

Nú

mer

o d

e in

div

idu

os

Óptima

• Hay oportunidades para un cambio en el genotipo como resultado de una mutación.

• El mutante es un organismo cambiado permanentemente.

• Si es capaz de prosperar en el ambiente, el mutante se perpeturará de lo contrario perecerá.

• Un caso de cambios genéticos entre microorganismos es el intercambio de genes bacterianos en la naturaleza

• Los genes pasan de unas bacterias a otras con mayor frecuencia de lo que pensábamos.

• A menudo una bacteria transfiere sus características de resistencia a otras mediante la donación de un plásmido.

• Los virus movilizan, genes de resistencia cuando extraen un gen de una bacteria y lo inyectan en otra.

• Cuando una bacteria muere, lihera su contenido al medio externo y otra bacteria cualquiera puede apropiarse de algún gen liberado.

Transferencia génica Transferencia génica mediante transducción.mediante transducción.

• La transducción acontece cuando un bacteriófago (virus que infecta a bacterias) se adhiere a una bacteria y le inyecta su ADN

Transferencia de plásmidos Transferencia de plásmidos por conjugaciónpor conjugación

• En las bacterias gram-negativas, una célula

donadora produce estructuras protuberantes

(pili) que establecen contacto con una célula

receptora, facilitando así el acercamiento de las dos

bacterias

• a. Se forma el puente • b. Por el poro pasa a la bacteria receptora

una de las cadenas del ADN del plásmido• c. Se regenera una molécula de cadena

doble a partir de cada una de las cadenas simples

• d. Concluida la transferencia, las bacterias se separan

Transferencia de genes por Transferencia de genes por transformacióntransformación

ASOCIACIONES MICROBIANAS ENECOSISTEMAS

Los microorganismos de un ecosistema presentan asociaciones e interacciones con otros microorganismos y organismos superiores

Sp1/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

Asociaciones microbianas en Asociaciones microbianas en ecosistemasecosistemas

• Los microorganismos de un ecosistema presentan asociaciones e interacciones :

• Entre microorganismos• Entre microorganismos y organismos superiores.

• Entre microorganismos diferentes:

Competencia: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:Mutualismo: Interacciones del Microbio-microbio: líquenes

Interacciones de los microbios con plantas y animales:

Interacciones Planta-MicrobioInteracciones Planta-Microbio Simbiosis Mutualista: Rhizobium: convierte el

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

Parasitismo: enfermedad

Interacciones Animal-MicrobioInteracciones Animal-Microbio Simbiosis Mutualista: Microflora benéfica del

tracto intestinal Parasitismo: enfermedad