Los microbios y la biotecnologíaOpción F

5ª Parte: Metabolismo de los microbiosTema 9 de Biología NS

Diploma BI

Curso 2012-2014

MetabolismoBE

� Concepto: Conjunto dereacciones químicas quetienen lugar en las célulaspara la obtención de energía,utilizada en el mantenimientode sus concentraciones iónicasy regenerar continuamente lasmoléculas y las estructurasque se degradan.

� A su vez, dentro de unacélula, tienen lugar dos tiposde metabolismo, catabolismoy anabolismo, los cuales noocurren ni de formasimultánea, ni en el mismolugar de la célula, pero queestán acoplados.

Tipos de nutrición bacteriana� Las bacterias, grupo muy heterogéneo, pueden colonizar todos los

ambientes, ya que presentan todos los tipos de metabolismoconocido, y algunas son capaces de cambiar de metabolismo en funcióndel tipo de nutrientes que encuentran en el medio.

� La bacterias se pueden clasificar en función de:

- Si la fuente de energía es la de la luz (fotótrofas) o la de compuestosquímicos (quimiótrofas).

- Si la fuente de carbono es el CO2 (autótrofas) o moléculas orgánicassencillas (heterótrofas).

- Si la fuente de protones y electrones son moléculas inorgánicassimples (litótrofos) o moléculas complejas (organótrofos).

Tipos de nutrición bacteriana

Bacterias púrpuras no sulfurosas

Cianobacterias (fotosintéticas)Bacterias verdes y púrpuras sulfurosas

Bacterias quimiosintéticas(descomponedores)

Bacterias saprófitas(descomponedores)

FOTOAUTÓTROFOSO

QUIMIOAUTÓTROFOSO

FOTOHETERÓTROFOSO

QUIMIOHETERÓTROFOSO

Tipos de nutrición� En función de la naturaleza de la energía que incorporan, los

microorganismos autótrofos (que utilizan el CO2 atmosférico parasintetizar moléculas orgánicas) se dividen en:

- Fotoautótrofo: organismo que usa la luzcomo fuente de energía para generar ATP yel CO2 atmosférico como fuente de carbonopara producir compuestos orgánicos. Unejemplo es la cianobacteria Anabaena.

- Quimioautótrofo: organismo que usaenergía de reacciones químicas como fuentede energía para generar ATP y el CO2

atmosférico como fuente de carbono paraproducir compuestos orgánicos. Un ejemploes la bacteria nitrificante Nitrosomonas.

Tipos de nutrición� En función de la naturaleza de la energía que incorporan, los

microorganismos heterótrofos (que utilizan materia orgánica parasintetizar moléculas orgánicas) se dividen en:

- Fotoheterótrofo: organismo que usa laluz como fuente de energía para generarATP y obtiene compuestos orgánicos deotros organismos como fuente de carbono.Un ejemplo es la bacteria púrpura nosulfurosa Rhodobacter.

- Quimioheterótrofo: organismo que usaenergía de reacciones químicas como fuentede energía para generar ATP y obtienecompuestos orgánicos de otros organismoscomo fuente de carbono. Un ejemplo es labacteria Lactobacillus.

Comparación tipos de nutrición

Fuente de carbono

CO2 inorgánico Compuestos orgánicos

Fuente de energía

Luz Fotoautótrofo

(bacterias verdes sulfurosas: Chlorobium)

Fotoheterótrofo

(bacterias púrpuras no sulfurosas: Rhodospirillum)

Química Quimioautótrofo

(bacterias oxidantes del hierro: Thiobacillusferrooxidans )

Quimioheterótrofo

(La mayoría de bacterias:E. coli)

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Estructura deAnabaena� Anabaena es una cianobacteria

filamentosa que vive en charcas deagua dulce y sobre la hierba.

� Posee clorofila para la fotosíntesisoxigénica, es decir, utiliza el aguacomo donador de electrones.

� Es única, al poseer dos tipos decélulas distintas e independientes.

� Anabaena es útil para losagricultores al incrementarla fertilidad del suelogracias a la fijación denitrógeno.

Estructura deAnabaena� Las células vegetativas fijan el CO2 atmosférico

por fotosíntesis para la fabricación decarbohidratos. Al ser un procariota carece decloroplastos, pero posee tilacoides, que soninvajinaciones de la membrana.

� Los heterocistos fijan el N2 atmosférico enamoniaco, mediante la enzima nitrogenasa, para lafabricación de proteínas. La enzima nitrogenasa seinhibe por O2, por lo que en ellos su concentraciónes menor y poseen una gruesa pared.

� Ambos tipos celulares intercambian sus productosfijados a través de pequeños poros en sus paredescelulares.

Video2

Relaciones entre los microorganismosy la especie humana

� Al clasificar las relaciones que los microorganismos establecen con laespecie humana en concreto, podemos encontrar tres posibilidades:

- Inocuas: Podemos encontrar muchas especies de microroganismosque directamente no se relacionan con la humana, por lo que no lecausan ni beneficio ni perjuicio. Sin embargo, como componentesimportantísimos de todos los ecosistemas, siempre hay relaciones,aunque indirectas o más difícles de de delimitar. Un ejemplo de ello sonlos ciclos biogeoquímicos, como el del nitrógeno.

- Beneficiosas: El hombre obtiene gran cantidad de beneficios demuchos microorganismos, utilizándolos para la depuración de aguasresiduales, producción de combustibles, técnicas biotecnológicas oproducción de alimentos, entre otros.

- Perjudiciales: Hay muchos microorganismos causantes deenfermedades infecciosas y reciben el nombre de patógenos.

Biorremediación� Concepto: Utilización de organismos vivos con el fin de remediar un

problema ambiental eliminado el contaminante.

� Entre los agentes contaminantes se encuentranel selenio, los disolventes y los pesticidas en elsuelo, y los vertidos de petróleo en el agua.

� Estos microorganismos obtienenenergía para crecer a partir de ladegradación de estos compuestosquímicos tóxicos. Es decir, sonquimioheterótrofos cuya actividadmetabólica convierte dichasmoléculas tóxicas contaminantespara el medioambiente, en otrasmenos tóxicas.

� Normalmente se utilizan bacteriasy hongos, aunque también puedenusarse plantas (fitorremediación) uotros, y siempre después de haberusado otros sistemas de limpiado.

Video3

Biorremedicación� La biorremediación puede ser in situ (tratamiento del material

contaminado en el mismo lugar) o ex situ (cuando se transporta a otrositio para ser tratadado). A su vez, la biorremediación puede ser:

- Biomagnificación cuando una bacteria se añade para suplementar lapoblación microbiana existente, porque parece que esta bacteria añadidano compite con la población autóctona.

� Actualmente existen cepas bacterianas obtenidas mediante modificacióngenética y que son muy útiles para la biorremediación de distintoscontaminantes.

- Bioestimulación cuando se añadennutrientes para estimular el crecimientode la población microbiana autóctona en elmedio contaminado. Las concentracionesde nutrientes deben ser lo suficientementegrandes como para soportar la máximatasa de crecimiento de la bacteria a lolargo del proceso de limpiado. Bacteriasdel género Pseudomonas se usaron en lalimpieza del vertido del Exxon Valdéz.

Biorremedicación de vertidos de petróleo� Uno de los primeros exitos de la biorremediación fue el tratamiento del

vertido de 37 mil toneladas por el petrolero Exxon Valdez en la costa deAlaska en 1989.

Video4

� Con objeto de eliminar la capa de petróleo que cubríalas rocas y arena de la costa, los investigadoresrealizaron gran cantidad de muestreos y experimentosde laboratorio que demostraron que la población demicroorganismos autóctonos tenía capacidadesdegradativas de hidrocarburos alifáticos y aromáticos yque la cinética de la degradación podía ser mejoradacon la adición de nutrientes.

� Con objeto de incrementar sunúmero, añadieron nitrógeno y fosfatoal agua. Varios meses más tarde, yase observaba una visible reducción delpetróleo sobre las rocas y arena. Conesto se acortó el tiempo debiorremedicación natural en 5 años.

Biorremediación de suelos� Los compuestos tóxicos más usados son los plaguicidas, los cuales en

muchos casos resultan ser muy tóxicos. Estos compuestos químicosconstituyen una adecuada fuente de carbono y donadores de electronespara ciertos microorganismos del suelo. En la literatura existen ejemplosde degradación de plaguicidas por microorganismos:

- En 2001 se aislaron varias especies dehongos en suelos de Argelia contaminadoscon pesticidas. Las especies más frecuentespertenecían al género Aspergillus ydestacaron por su habilidad para ladegradación del herbicida.

- Las Pseudomonas son las bacterias máseficientes en la degradación de compuestostóxicos. La capacidad de estas bacteriaspara degradar estos compuestos dependedel tiempo de contacto con el compuesto, lascondiciones ambientales en las que sedesarrollen y su versatilidad fisiológica.

Biorremedicación de suelos� Los disolventes industriales son compuestos orgánicos, tales como el

dicloroetileno, tricloroetileno, cloroformo y algunos compuestos fluorados,que son tóxicos (carcinógenos) y que frecuentemente se detectan comocontaminantes persistentes en los suelos.

Una amplia variedad de bacterias son capaces de romper estas moléculas.Por ejemplo, Dehalobacterium usa el compuesto diclorometano en sumetabolismo, produciendo sustratos respiratorios, formato y acetato.

� Geobacter sulfurreducens seusa para eliminar el uranio,ya que lo transforma en unaforma insoluble que puedeser recolectada.