curso de formación - repositorio digital senescyt...

UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOJA

Dr. Roldán Torres Gutiérrez [email protected]

Loja, 24 de abril 2013

Curso de Formación

MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL

mailto:[email protected]

UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOJA 2

Fecha Horarios Temas 24/04/2013

15:00 - 18:00 Introducción a la Microbiología Ambiental.

Generalidades 25/04/2013

15:00 - 18:00 Contaminación e impacto de la

Microbiológica Ambiental 26/04/2013

15:00 - 18:00 La biorremediación como respuesta

ambientalista. Técnicas de biorremediación.

29/04/2013

08:00 - 11:00 Presentación de trabajos por equipos.

15:00 - 18:00

• Total de horas: 40 (9 lectivas, 6 evaluativas y 25 independientes)

Programación académica


Equipos Horario Temas Equipo 1 08:00-08:20 Microorganismos y los ecosistemas. Suelo y

agua. Equipo 2 08:20-08:40 Microorganismos y los ecosistemas. Aire,

espacio y ambientes extremos. Equipo 3 08:40-09:00 Interacciones microbianas

Equipo 4 09:00-09:20 Interacciones microbianas con organismos superiores.

Equipo 5 09:20-09:40 Factores ambientales y los microorganismos.

Equipo 6 09:40-10:00 Información genética y adaptación al ambiente.

COFFEE BREAK

Equipos de trabajo


Equipos Horario Temas Equipo 7 15:00-15:20 Contaminación en las aguas. Medidas

atenuantes Equipo 8 15:20-15:40 Contaminación de los suelos. Medidas

atenuantes Equipo 9 15:40-16:00 Contaminación de la atmosférica. Medidas

atenuantes. Equipo 10 16:00-16:20 Biorremediación “in situ”

Equipo 11 16:20-16:40 Biorremediación “ex situ”

Equipo 12 16:40-17:00 Fitorremediación

Equipos de trabajo


• Conocer acerca de las potencialidades de los microorganismos como entes reguladores de ecosistemas a nivel global.

• Lograr la aprehensión de conocimientos básicos y aplicados

en temas de biorremediación como alternativa acuciante para manejo de ambientes contaminados.

• Motivar las investigaciones sobre Microbiología Ambiental en el Sur del Ecuador.

5

Objetivos


Cuba: UCLV. Ing. Agrónomo. 2001. Maestría Agr. Sostenible. 2003

Alemania: Univ. Rostock. Especialización en interacción planta-microorganismos. 2004-2006

Bélgica: KUL. Ph.D en Biociencias Ingenieriles. 2006-2008 Ecuador: UNL.

Proyecto Prometeo. 2013

Ambientes motivantes


Desarrollo histórico de la Microbiología Ambiental.

Microorganismos y ecosistemas.

Interacciones microbianas y con organismos superiores.

Factores ambientales y la vida microbiana.

La adaptación al ambiente e información genética. Intercambio genético en procariotas. Clasificación de la adaptación según la interacción genoma-

ambiente. Importancia de la ecología microbiana.

SUMARIO

Tema 1. Introducción a la Microb. Ambiental

8

Si yo pudiese hacer todo nuevamente, y renovar mi visión frente al siglo XXI, sería un ecologista microbiano. Diez billones de bacterias viven en un gramo de tierra ordinaria, no más que lo que se puede ajustar apretando índice con pulgar. Ellas representan miles de especies, la mayoría de las cuales son desconocidas para la ciencia. Me gustaría andar dentro de ese mundo con la ayuda de la microscopía moderna y el análisis molecular. Atravesaría forestas, clonares, zigzagueando entre g ranos de arena, viajando en un submarino imaginario, atravesando gotas de agua del tamaño de lagos, descubriendo nuevas formas de vida entre víctimas y predadores con sus desconocidas telarañas de alimentación. Todo ésto, con solo aventurarme a salir no más de diez pasos fuera de mi laboratorio. Edward O. Wilson. Naturalis (1994).

Island press, Washington, p. 364.


Ciencia que estudia los microorganismos, un amplio y diverso grupo de organismos microscópicos unicelulares o pluricelulares, que incluye también a los virus, viroides y priones.

Microbiología

Complejo de factores externos que actúan sobre un sistema y determinan su curso y su forma de existencia, el cual debe interactuar necesariamente con seres vivos.

Ambiente

Microbiología Ambiental


Estudio de las interacciones entre microorganismos y los componentes bióticos y abióticos de su medioambiente para mantener una actividad

continua imprescindible para la vida en la biosfera. Incluye estudios de ecología microbiana, geo-microbiología, diversidad

microbiana y biorremediación.


11

Los mecanismos que mantienen la diversidad microbiana de la biosfera son la base de la dinámica de los ecosistemas terrestres, acuáticos y aéreos.

La diversidad microbiana del suelo es la causa de la fertilidad del mismo.

Juegan un papel fundamental en los ciclos biogeoquímicos de la naturaleza.

Constituye el principal componente de biodiversidad, pero se requiere de herramientas (avances tecnológicos e intelectuales) apropiadas para cuantificar esta diversidad, tanto en “modelos” como en las comunidades naturales.


Diversidad microbiana


• Creación del microscopio compuesto (1665). • Todos los organismos están compuestos por células. • Describe hongos filamentosos.

Robert Hooke Inglaterra, 1635-1703

Antonij van Leeuwenhoek Holanda, 1632-1723

• Creación del microscopio simple (1675).

• Descubrimiento de bacterias y protozoos (1684), denominados animáculos.

Desarrollo histórico de la Microb. Ambiental


Microscopio compuesto Robert Hooke, 1665

Microscopio simple Antonij van Leeuwenhoek, 1675



Carl Nilsson Linæus Suecia, 1707-1778

Nomenclatura binomial de microorganismos (1735). Fundador de la taxonomía moderna. Uno de los padres de la ecología.

Loius Pasteur Francia, 1822-1895

Pasteurización (1864). Refutación de la generación

espontánea (1864). Creación de vacunas (1880-

1885) y propagación de enfermedades.

Creación del autoclave (1879). Descubrimiento de bacterias

anaeróbicas.



• Fundador de la bacteriología. • Descubre la tuberculosis (Mycobacterium

tuberculosis) 1882 y el cólera (Vibrio cholreae) 1883. • Importantes avances en microscopia. • Postulados de Koch (1905).

Heinrich Herman Robert Koch.

Alemania, 1843-1910

1. El microorganismo debe estar presente en todos los casos de la enfermedad.

2. El microorganismo debe ser aislado del hospedador enfermo y obtenerse en cultivo puro en el laboratorio.

3. La enfermedad específica debe reproducirse cuando un cultivo puro del microorganismo se inocula a un hospedador susceptible sano.

4. El microorganismo debe ser recuperable de nuevo a partir del hospedador inyectado experimentalmente.



Martinus W. Beijerinck Holanda, 1851-1931

Sergei N. Winogradsky Rusia, 1856-1952

Padres de la Microbiología Ambiental



Martinus Willem Beijerinck. Holanda,

1851-1931

• Aísla bacterias del género Rhizobium y establece el principio de la fijación biológica del nitrógeno por leguminosas (1888).

• Fundador de la virología (1892). • Iniciador de estudios de microbiología

aplicada a industrias y a la agricultura (1895).

• Aísla y describe bacterias del género Azotobacter (1901).

• Aísla y describe Spirillum desulfuricans, primera bacteria reductora de sulfatos.

• Inventa los medios enriquecidos para aislar microorganismos del ambiente.



Sergei Nikolaievich Winogradky Rusia, 1856-1952

• Pionero en estudiar a los microorganismos fuera del contexto médico. Ciclos biogeoquímicos

• Identifica bacterias en el proceso de nitrificación (1888) y fijación de nitrógeno anaeróbica (1891).

• Descubre el proceso de quimioautrofía. • Primer estudioso de la ecología

microbiana y la microbiología ambiental. • Creo la llamada Columna de

Winogradsky. la cual es una demostración clásica de la ocupación de diferentes ambientes por los microorganismos.



MICROORGANISMOS Y ECOSISTEMAS

20

Microorganismos y ecosistemas


21


Thiomargarita namibiensis 0.75 mm

Picrophilus oshimae pH: -0.06 Óptimo 0.7

Nanoorganismo acidofílico ARqueal (ARMAN) 200nm

Archaea Pyrolobus fumarii 90-113°C < 90°C no crece

Psychromonas ingrahamii -12 a -20 °C

Salinibacter ruber

EXTREMÓFILOS

22


Deinococcus radiodurans Radiacione Sultravioleta y ganma emitidas por el sol.

Materian a cualquier humano

Shewanella Profundidad de 11000 m.

¿Que peso soportan?


23

Microorganismos y ecosistemas Fl

ujo

de E

nerg

ía

MICROORGANISMOS Y EL FUNCIONAMIENTO DE COSISTEMAS

PRODUCTORES PRIMARIOS

COMSUMIDORES

DESCOMPONEDORES


RECICLADO DE

NUTRIENTES

Algas eucariotas Cianobacterias Anoxifotobacterias

Bacterias quimiolitotrofas

Proltozoos, algas mixotrofas, bacterias

Hongos y bacterias

24



Alternaria solani

Phytphthora infestans

Xanthomonas axonopodis pv. citri

25



Enfermedad de las Vacas Locas (encefalopatía espongiforme bovina).

Priones

Colera aviar. Pasteurella multocida

26



Staphylococcus aureus

Virus de inmunodeficiencia humana (VIH)

Trichophyton rubrum


INTERACCIONES MICROBIANAS Y CON

ORGANISMOS SUPERIORES

28

Los organismos que se establecen el mismo nicho ecológico. Necesitan los mismos alimentos y condiciones ambientales. Tienen gran influencia entre sí.

Competencia -/-

El mejor adaptado predomina o elimina completamente a los otros.


Interacciones Microbianas

29

• En cuis Entamoeba histolytica es incapaz de producir amebiasis clínica cuando Escherichia coli está presente.



• En las fermentaciones lácticas al principio hay muchos tipos de bacterias pero al final predominan una Lactobacillus lactis

30

Antagonismo +/-

Pseudomonas aeruginosa produce pigmentos que inhiben la germinación de Aspergillus terreus.

Staphylococcus aureus produce

sustancias antifúngicas que causan alteraciones e hinchazón en las hifas de Aspergillus terreus.



31

Mutualismo +/+

• Simbiosis en que ambos organismos resulta benefiados.

• Cuando la relación no es obligatoria se le llama cooperación.

• Streptococcus cremoris y Streptococcus lactis, creciendo juntas producen mayor cantidad de ácido láctico que cuando crecen separadas.



32

• Producción de metabolitos diferentes. Thiobacillus ferroxidans y Beijerinkia lactocogenes en la descomposición de triturado de metales sin fuente de nitrógeno y carbono. Aire

O2 CO2 N2

Bacterias fijadoras de N2 Beijerinkia lactocogenes

Bacterias fijadoras de CO2, Thiobacillus ferroxidans

S, P y huellas de metales Triturado, mezcla y filtrado

Carbono orgánico

Compuestos nitrogenados



33

La Influenza Porcina sólo se produce si están presentes simultáneamente: • Tarpeia suis (virus) • Haemophilus suis (bacteria)

Líquen: • El hongo obtiene del alga productos

metabólicos como glucosa y alcoholes. • El alga se beneficia de la capacidad que

tienen las paredes del hongo para retener agua.



34

Comensalismo +/0

Levaduras/bacterias • Cuando el medio tiene alta concentración de azúcar las

levaduras crecen pero no las bacterias.

• Las asociaciones comensales permiten el desarrollo de especies anaerobias y facultativas en medios aeróbicos.



35

El parásito depende del huésped y vive en contacto físico y metabólico con él. Eventualmente el huésped muere.

Parasitismo +/-

• Hongos que parasitan hongos • Hongos que parasitan algas • Los virus son parásitos de hongos, algas y

bacterias



36

Depredación +/- Muerte e ingestión de microorganismos de una especie por los de otra especie

• Los protozoos se alimentan de: – Hongos – Algas – Bacterias

• Los hongos mucilaginosos de bacterias.



37

Interacciones Planta-Microbio Simbiosis mutualista: Rhizobium-leguminosas:

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

Simbiosis mutualista: Hongos Micorrizógenos-Poaceae. Realiza economía del agua y nutrientes a las plantas.

Simbiosis +/+

Interacciones Animal-Microbio Simbiosis Mutualista: Microflora

benéfica del tracto intestinal de las termitas (protozoos).





FACTORES AMBIENTALES Y LA VIDA MICROBIANA

39

Factores ambientales

FÍSICOS

BIOLÓGICOS

QUÍMICOS Luz, temperatura,

gases, presión osmótica, pH

nutrientes, sustancias antimicrobianas

otros organismos (microorganismos, plantas, animales)


Factores ambientales y la vida microbiana

40

Clasificación Rango Temperatura óptima

Psicrófilos

0-20ºC 15ºC

Mesófilos

15-45ºC 35ºC

Termófilos

40-70ºC 55ºC

-Las altas temperaturas se usan para esterilizar

-Las bajas temperaturas se emplean para conservar microorganismos.

Temperatura



41

Temperatura

Psicrófilo Flavobacterium

Temperatura (°C) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

13 °C

39 °C

60 °C

80 °C

105 °C

Mesófilo Escherichia coli

Termófilo Bacillus

stearothermophilus Hipertermólfilo

Termococcus Hipertermólfilo

Pyrodictium



42

• El pH interno de las células microbianas es neutro

• Los microorganismos poseen mecanismos que les permiten desarrollarse en un amplio rango de pH

Clasificación Rango pH óptimo

Acidófilos

0-7 5

Neutrófilos

5-12 7

Basófilos

9-14 10

pH

Regulador de: Procesos biológicos mediados por acidos nucleicos, enzimas, proteinas. Disponibilidad de nutrientes esenciales que limitan el crecimiento microbiano (NH4

+, PO4, Mg2

+



43

FUENTES DE ENERGÍA

FUENTE DE CARBONO

FUENTE DE PODER REDUCTOR

ORGANOTROFOS

FOTOTROFOS LUZ

C. INORGÁNICOS C. ORGÁNICOS QUIMIOTROFOS

CO2

AUTOTROFOS C. ORGÁNICOS HETEROTROFOS

C. INORGÁNICOS

LITOTROFOS

C. ORGÁNICOS

Nutrientes



44

Nutrición de bacterias Autótrofa y heterótrofa



Los requerimientos nutricionales incluyen: • Fuente de energía: luz, compuestos inorgánicos u orgánicos. • Fuente de nitrógeno: nitrógeno atmosférico, nitratos, nitritos, etc. • Fuente de carbono: dióxido de carbono, metano, compuestos

orgánicos. • Fuente de oxígeno: oxígeno atmosférico

45

Nutrición de hongos filamentosos

Hongos Saprófitos (o saprobios): viven sobre materia orgánica en descomposición.

Hongos Parásitos: se alojan sobre algún ser vivo que los hospede, viviendo a expensas de éste sin ofrecerle ningún beneficio a cambio.

Hongos Micorrízicos: viven en simbiosis con alguna especie vegetal obteniendo ambos un beneficio mutuo.



46

Aerobio Anaerobio Anaerobio Facultativo

Requerimientos de oxìgeno



47

Factores biológicos • Plantas • Animales • Hombre • Otros

microorganismos

• Microorganismos





LA ADAPTACIÓN AL AMBIENTE Y LA

INFORMACIÓN GENÉTICA

49

Los microorganismos se adaptan a los cambios temporales del ambiente

ADAPTACIÓN FENOTÍPICA

Determinada por el genotipo

Genotipo La información genética de

cada individuo

Fenotipo La expresión del genoma afectada

por el medio ambiente


Adaptación al ambiente e información genética

50

Las condiciones ambientales determinan que diferentes tipos genéticos de microorganismos puedan competir

con otros.

SOLO LOS MEJORES ADAPTADOS LOGRAN SOBREVIVIR

¿POR QUE?

UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOJA UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOJA


51

La capacidad adaptativa está entre los límites del genotipo.

Temperatura

Núm

ero

de in

divi

duos

Óptima

La capacidad de un microorganismo de adaptarse al ambiente es hereditaria, pero el estado fenotípico que resulta de la adaptación, puede no ser heredado.



52

Tipos de adaptación

Evolutiva Cambios del genotipo por

selección

Fenotípica o fisiológica Respuesta a cambios

temporales

Se lleva a cabo entre los límites del genotipo

Se lleva a cabo por: • mutaciones espontáneas

o inducidas • Intercambio genético



53

Adaptación evolutiva

A A T G C A T T G C T A

A A T G C A T T G C T A

A A T G G A T T G C T A

• 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.

Mutación espontánea o inducida



http://images.google.com.ar/imgres?imgurl=http://webs.wichita.edu/mschneegurt/biol103/lecture21/Penicillium.gif&imgrefurl=http://webs.wichita.edu/mschneegurt/biol103/lecture21/lecture21.html&h=480&w=655&sz=172&tbnid=WiMUl2oE4HIJ:&tbnh=99&tbnw=136&hl=es&start=6&prev=/images?q=penicillium&svnum=10&hl=es&lr=

54

Intercambio genético bacteriano

Transducción En este caso la transferencia de ADN de una bacteria a otra , se realiza a través de un virus bacteriófago, que se comporta como un vector intermediario entre las dos bacterias.

Adaptación evolutiva



55

Robert V. Miller, Scientifican american,1998 Epiliton de las rocas en los ríos



56

Conjugación En este proceso, una bacteria donadora F+ transmite a través de un puente o pili, un fragmento de ADN, a otra bacteria receptora F-. La bacteria F+ posee un plásmido, además del cromosoma bacteriano.




57

Transformación Consiste en el intercambio genético producido cuando una bacteria es capaz de captar fragmentos de ADN, de otra bacteria que se encuentran dispersos en el medio donde vive.




58

Robert V. Miller, Scientifican amarican,1998



59

http://193.146.205.151/web/articulos/articulos.htm



http://193.146.205.151/web/articulos/articulos.htm

60

Adaptación fenotípica o fisiológica

• Ocurren en todos los individuos de una población expuestos al cambio. • En altas temperaturas todos los microorganismos pierden sus flagelos y esta condición permanece por varias generaciones.

• Cuando son incubados a temperatura normal, recuperan los flagelos.



61

Clasificación de la adaptación. Interacción genoma-ambiente

• Genoma fijo – ambiente variable: FENÓTIPICA O FISIOLÓGICA Los microorganismos deben adaptarse a la variabilidad de las condiciones para sobrevivir.

• Genoma variable– ambiente fijo: EVOLUTIVA por mutación espontánea o inducida o intercambio genético horizontal

• Genoma variable– ambiente variable: EVOLUTIVA La supervivencia de los microorganismos mejor adaptados a los cambios permite la selección de un genoma más que otro. La naturaleza selecciona los mejores adaptados.



62

• Los microbios son el fundamento del sistema Tierra, porque son responsables de la mayoría de los ciclos de elementos. • Proporcionan un modelo simple para la comprensión de la evolución de la vida, ya que fueron los primeros en llegar a este planeta. • Las algas y cianobacterias contribuyen a la base energética de los ciclos mediante la fotosíntesis. • Los microorganismos reciclan la mayoría de los desechos orgánicos en recursos reutilizables. • Utilización de microorganismos en el tratamiento de las aguas residuales para reciclar nutrientes, recuperación del metano y el control de enfermedades. • Los microbios limpian los desechos producidos por los animales domésticos y de cría (Biogás).


Importancia de la Microbiología Ambiental

63

• La degradación ambiental es una de las peores amenazas a la que debe hacer frente la humanidad. Mediante la biorremediación muchos problemas ambientales pueden tener cura con el uso de microorganismos. • Utilización de microorganismos para la microbiología de la

digestión como prebióticos. • Utilización en procesos biotecnológicos como obreros en la

producción de: •Combustible: etanol, metano. •Biocontroles y biofertilizantes para la salud publica y la agricultura. •Productos farmacéuticos.



64

•Productos químicos. •Ingeniería genética. •Producción de biochips para PC (microprocesadores proteicos). •Explotación de la minería (lixiviación de Cobre y minería de Uranio)

• Descubrimiento de vida en otros planetas (Martes desde 1996).



65 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOJA

Bibliografía

Head I.M., Saunders J.R and Pickup R.W. 1998. Microbial evolution, diversity and ecology: a decade of ribosomal RNA analysis of uncultivated microorganisms. Microb Ecol 35: 1-21.

Atlas R.M and Bertha R. 1986. Microbial Ecology: fundamentals and applications. Ed. Benjamin-Cummungs. United States. 533 pp.

Cooper J.E and Rao J.R. 2006. Molecular approaches to soil, rhizosphere and plant microorganism analysis. Ed. CABI International. UK. ISBN-10: 1 84593 062 2. 176 pp.

Maier R.M, Pepper I.L and Gerba C.P. 2009. Environmental microbiology. Second Edition. Ed. Elseiver. UK. ISBN: 978-0-12-370519-8. 527 pp.


Bibliografía

Ahmad I, Ahmad F and Pichtel J. 2011. Microbes and microbial technology. Ed. Springr New York. United State. ISBN: 978-1-4419-7930-8. 516 pp. Kavanagh K. 2011. Fungi. Biololgy and applications. Second Edition Ed. Jhon Wiley & Sons. UK. 366pp.

Bouarab K, Brisson n and Daayf F. 2009. Molecular plant-microbe interaction. Ed. CABI International. UK. ISBN-13: 978-1-84593-574-0. 340 pp.

Maeschwary R. 2005. Fungi. Experimental methods in biology Second Edition. Ed. Taylor & Francis Group. United State. ISBN-10: 1-57444-468-9. 240 pp.


Próxima actividad

CONTAMINACION E IMPACTO DE LA MICROBIOLOGIA AMBIENTAL


Muchas Gracias

curso de formación - repositorio digital senescyt...

Documents