Unidad 4. Ecología microbiana by Jazina Ruiz Hernández

Microbiología y taxonomía microbiana Ecología microbiana

Programa de la asignatura:

Microbiología y taxonomía microbiana

Ecología microbiana

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Índice Presentación de la Unidad.……………………………………………………..….……………..2 Propósitos…………………………………………………………………………...………………2 Competencia específica………………………………………………………………...…………3 4.1. Concepto de hábitat y biodiversidad………………………………………………………..3 4.1.1. Nicho ecológico desde el punto de vista bacteriano……………………………………7 4.1.2. Concepto de especie……………………………………………………………………...10 4.1.3. Concepto de población …………………………………………………………………..13 4.1.4. Concepto de comunidad………………………………………………………………….13 4.1.5. Concepto de ecosistema…………………………………………………………………13 4.2. Sucesión ecológica en comunidades bacterianas……………………………………….16 4.2.1. Fases………………………………………………………………………………………..22 4.2.2. Competencia y evolución…………………………………………………………………25 4.2.3. Comunidad clímax………………………………………………………………………...27 4.3. Biofilms……………………………………….……………………………………………….28 4.3.1. Propiedades………………………………………………………………………………..29 4.3.2. Desarrollo…………………………………………………………………………………..31 4.3.3. Dispersión…………………………………………………………………………………..33 4.3.4. Quorum-sensing…………………………………………………………………………...34 4.4. Biorremediación……………………………………………………………………………...34 4.4.1. Impacto……………………………………………………………………………………..34 4.4.2. Principales técnicas……………………………………………………………………….35 4.5. Biofouling……………………………………………………………………………………..36 4.5.1. Impacto……………………………………………………………………………………..37 4.5.2. Técnicas anti-fouling………………………………………………………………………39 Actividades…………………………………………………………………………………...……41 Autorreflexiones……………………………………………………………………………..........41 Cierre de la Unidad.………………………………………………………………………………41 Para saber más……………………………………………………………………………………42 Fuentes de consulta………………………………………………………………………………43

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Presentación de la Unidad La ecología microbiana es una ciencia que recientemente comenzó a tener importancia, pues está estrechamente relacionada con problemas de contaminación y la interacción que el hombre tiene con su ambiente, pero aborda su contenido temático mezclando temas de biología con las ciencias auxiliares ecología y microbiología que abordan el estudio fundamental de como los microorganismos juegan un papel importante en la biosfera. Es imposible concebir la vida en el planeta Tierra sin la gran diversidad de seres vivos y las actividades que estos llevan a cabo en conjunto. Por ejemplo te habrás dado cuenta que si no realizas la limpieza de una pecera se forma una película que recubre las paredes y obviamente los peces empiezan a presentar problemas puesto que el exceso de microorganismos hace que compitan por nutrientes básicos, otro muy común es la placa dental que se forma diariamente de manera normal ayudando a la protección del esmalte; mientras que si se presenta en forma excesiva esta puede provocar el deterioro del mismo. También habrás notado que en un rio las piedras tienen una textura resbaladiza que hace peligroso el cruce puesto que puedes caer y lastimarte, pues son los microorganismos que hacen posible esto al igual que recubren las superficies de las tuberías, los cascos de los barcos.

Propósitos

En esta Unidad comprenderás los conceptos importantes de cómo los microorganismos se relacionan con otros y el medio ambiente que le rodea para llevar a cabo actividades importantes, que variedad de especies intervienen en procesos de la industria alimenticia, farmacéutica, agropecuarios y en la medicina (salud); por ejemplo la importancia de la flora bacteriana de los organismos que ayuda a protegerlos contra agentes patógenos. Además analizaras por qué son importantes los biofilms en la vida cotidiana y de cómo se lleva a cabo el quórum sensing. Como es que la sucesión ecológica es la encargada de la

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formación paulatina de los hábitats o nichos ecológicos y dentro de ellos las funciones que tienen formando agrupaciones para diferentes aplicaciones que se pueden ocupar en la biotecnología.

Competencia específica

Relacionar los distintos conceptos de la ecología microbiana mediante el estudio de su fundamentación ecológica para comprender el comportamiento de diferentes microorganismos empleados en las técnicas y procesos biotecnológicos.

4.1. Concepto de hábitat y biodiversidad Actualmente el impacto de las actividades humanas (urbano-industrial-agropecuarias y recreacionales) en los componentes del Sistema Tierra ha generado una crisis ambiental, la cual ha despertado gran preocupación no sólo en la comunidad científica sino en la sociedad en general (González, G. M. y C. A. M., 2007 y Solomon, P. E., Berg, R. L. y Martin, W. D., 2008). En términos de la ecología microbiana el hablar de hábitat es pues el entorno natural en el que vive un organismo, población o especie. Los factores que lo componen son dos: 

De tipo biótico, es decir que tienen vida como las plantas, microorganismos, los animales, los hongos y

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

De tipo abiótico que son aquellos que no tienen vida pero son vitales como el agua, el aire, la luz solar, el suelo, la presión atmosférica.

Relacionemos el tema de hábitat con tu casa, que está conformada por varias habitaciones y en cada una de ellas se realizan diferentes actividades, ubicas entonces la cocina, la sala, el comedor, el baño y las recamaras como habitaciones primordiales. La función de cada una de las habitaciones es contribuir a la vida cotidiana, tenemos pues una habitación donde dormimos, descansamos, bañamos, comemos. Por otro lado la biodiversidad es la variedad de organismos vivos considerada a nivel de diversidad genética, diversidad de especie y diversidad de ecosistema. Estamos hablando de sumar la proporción de cada especie que existe y cuantas especies hay en número de cada una de ellas dentro del ecosistema; es decir riqueza más abundancia (González, G. M. y C. A. M., 2007 y Solomon et al; 2008).

Figura 1. Biodiversidad biológica de México Tomado de http://biodiversidad-mexico-fanny.blogspot.com/

Por ejemplo la diversidad humana (Homo sapiens) del planeta Tierra es muy variada, así sabes que existen razas humanas que se pueden distinguir genéticamente por el tono de piel, los rasgos físicos, y por el lugar donde habitan debido a sus costumbres, vestimenta, idioma. También en los animales podemos observar diferencias entre las especies de perros, gatos, mariposas, peces, bacterias, hongos y en las plantas se denominan variedad de especie como el maíz, frijol, chile, manzana, uva; y seguiríamos hablando de un sinfín de especies que tú ya conoces (González, G. M. y C. A. M., 2007 y Solomon, et al. 2008).

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Figura 2. Biodiversidad Biológica del planeta Tierra Tomado de http://recursosnaturalesdechiapas.blogspot.com/2011/05/dia-mundial-de-labiodiversidad.html

En el planeta Tierra la población de seres vivos que conviven se esquematiza en el siguiente gráfico, donde a pesar de que las bacterias ocupan un porcentaje menor comparado por ejemplo con los insectos son de gran utilidad a nivel industrial para la elaboración de productos alimenticios, farmacéuticos, para el tratamiento de aguas residuales, en el medio ambiente con la fijación del nitrógeno atmosférico, en medicina para creación de nuevos antibióticos, entre otras cosas (González, G. M. y C. A. M., 2007 y Solomon, et al. 2008).

Figura 3. Cantidad de especies en la Tierra Edición del experto basado en la IUCN, (2011)

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El grafico muestra la cantidad de especies que habitan en el Planeta Tierra basado en los boletines que publica la IUCN, la cantidad señalada contempla todos los integrantes de cada reino cabe señalar que el reino Animalia contiene la mayor cantidad debido a las 950, 000 especies aproximadas que hay de insectos y así sucesivamente en las plantas están aquellas acuáticas y terrestres. Sabes pues que la ecología microbiana va a estudiar las interacciones de los microorganismos con su entorno, los estudios han tomado su auge después de la mitad del siglo pasado (XX), pero desde el origen de la vida en la Tierra hace 3,600 millones de años en el Eón Arcaico, antes de la Era Paleozoica cuando aparecieron los primeros organismos procariotas; estas relaciones comenzaron a llevarse a cabo, pero no fue sino hasta que apareció el género Homo sapiens (humano) no se podía explicar científicamente en ese entonces como es que se llevaban a cabo dichas relaciones con los organismos y el medio ambiente (Solomon, et al. 2008). Como se observa en la figura siguiente en el Eón Arcaico fue donde empezó la vida, con los primeros microorganismos procariotas que eran bacterias termófilas puesto que había grandes erupciones volcánicas que dieron origen a la formación de los continentes.

Figura 4. Eras geológicas Tomado de http://historiageologicademexico.blogspot.com/2011/04/eras-geologicas.html

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El planeta Tierra en sus inicios no era como lo conocemos actualmente con 5 continentes (África, América, Asia, Europa, Oceanía) rodeados de grandes masas de agua (mares); sino que era solo una gran masa de tierra llamada Pangea, la cual se estableció durante la Era Paleozoica y con el paso de los años evoluciono hasta lo que hoy conocemos. Así como se fueron formando los continentes fue apareciendo la vida (Solomon et al; 2008). Cuesta trabajo entender el pasado evolutivo de la vida en la Tierra, ya que se requiere entender su naturaleza propia, los procesos que se han llevado a cabo y como es que evolucionaron dentro del ambiente utilizando tanto los componentes bióticos como abióticos.

4.1.1. Nicho ecológico desde el punto de vista bacteriano La incógnita que se plantean los microbiólogos respecto a las relaciones que existen entre las bacterias y su medio ambiente, es tratar de explicar por qué los microorganismos se encuentran en sitios específicos, con ciertos rasgos que los distinguen y en un cierto espacio temporal; por lo cual su tarea fundamental es la de evaluar la diversidad, abundancia y distribución de los microorganismos dentro de ambientes como los ecosistemas, comunidades, poblaciones y de manera individual para poder entender el papel fundamental que desempeñan en la biosfera (González, G. M. y C. A. M., 2007).

Figura 5. Diversidad de microorganismos. Tomado de http://www.encuentos.com/educacion-ambiental-2/dia-internacional-de-ladiversidad-biologica-22-de-mayo/ Madigan, et al. (2011)

Un nicho ecológico es básicamente un hábitat de uno o varios microorganismos en el que influyen los factores bióticos y abióticos. Estas relaciones que se forman pueden ser de manera positiva como la simbiosis que se define como la relación que existe entre dos

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o más microorganismos que comparten un ecosistema determinado, presenta variantes como (González, G. M. y C. A. M. 2007, Solomon, et al. 2008 y Madigan, et al. 2011): 

Parasitismo: una forma de simbiosis en la que un miembro (microorganismo) de la relación resulta perjudicado, ya que es un organismo que obtiene sus nutrientes de otro organismo, que se denomina hospedador. Algunos patógenos que causan enfermedades presentan este tipo de relación, entre ellas tenemos a la bacteria E. coli que causa infecciones intestinales si sobre pasa la forma normal de la flora bacteriana, la Chlamydia trachomatis que causa clamidiosis (provoca secreción y escozor al orinar, genera esterilidad en el varón), Neisseria gonorrhoeae bacteria que causa la gonorrea, la causante de la sífilis Treponema pallidum.

Figura 6. a) Chlamydia trachomatis y b) Neisseria gonorrhoeae. Tomado de http://www.urologosdemexico.com/transmision_sexual.html



Mutualismo: relación simbiótica en la que ambas especies resultan beneficiadas, como las que están asociadas a la flora bacteriana del tracto digestivo y convierten las proteínas que consumimos al ingerir leche en ácido láctico Lactobacillussp, otra relación es la que existe entre las bacterias fijadoras de nitrógeno (géneros Azotobacter, Nitrobacteres una bacteria gram negativa, Rhizobiumes de tipo gram negativa bacteria que origina los nódulos)y las leguminosaspresentan nódulos donde se alojan dichas bacterias, existen otras bacterias en los tanques donde se almacena el petróleo crudo y la gasolina se acumula humedad la cual hace posible un hábitat ideal para ellas que van a oxidar los hidrocarburos en condiciones anóxicasya que consumen sulfuro (H2S) que es muy corrosivo y puede agujerar los tanques con el constante goteo de agua y acidificación del combustible.

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Figura 7. Lactobacillus sake izq. y Rhizobium bacteria fijadora de nitrógeno der. Tomado de http://archive.microbelibrary.org/ASMOnly/Details.asp?ID=1471 y http://www.porquebiotecnologia.com.ar/educacion/cuaderno/ec_24.asp?cuaderno=24



Comensalismo: relación simbiótica donde una especie resulta beneficiada, mientras que la otra no sale ni beneficiada ni perjudicada. Son ejemplo las bacterias que habitan en el intestino animal,se desarrollan debido al consumo de los nutrientes que se librean después del metabolismo del animal, ejemplos típicos son Nitrosomonas(bacteria que se alimenta de compuestos inorgánicos, son autótrofas necesitan de oxígeno para vivir y de amoniaco como fuente de energía)y Bacillussp que se asocia con los hongos micorrízicos para obtener compuestos orgánicos que son secretados por las raíces de las plantas.

Figura 8. Nitrosomonasp y b) colonias de Bacillus cereus Tomada de http://www.teamaquafix.com/ammoniainwastewater.aspx y http://www.health-

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healths.com/wp-content/uploads/2011/07/Background2.jpg

4.1.2. Concepto de especie El término de especie de manera microbiológico es muy ambiguo, porque no existe un concepto aceptado universalmente para los organismos procariotas; pero puede definirse como la colección de cepas que comparten un gran número de características importantes, pero difieren en una o más propiedades significativas de otras colecciones de cepas (González, G. M. y C. A. M., 2007, Solomon, et al. 2008 y Madigan, et al. 2011). La especie es considerada como la Etapa fundamental de la diversidad biológica, tomando en cuenta datos fenotípicos, genotípicos y de filogenia. Las cepas (conjunto de microorganismos) presentan para clasificarlas en única especie, una hibridación de su ADN-ADNde un 70 %, y parecerse a la secuencia del gen 16S rARN en un 97 %. Basándose en estos criterio se han reconocido 7,00 especies de bacterias y arqueas.

La siguiente tabla muestra un ejemplo de cómo es que se llega a definir al microorganismo fototrófico Allochromatium warmingii tomando en cuenta los rasgos relevantes para su clasificación jerárquica. El género Allochromatium normalmente se localiza en lugares anóxicos iluminados de lagos, manantiales sulfurosos y otros hábitats acuáticos donde se acumula sulfuro de hidrógeno (H2S) el cual reduce el bióxido de carbono (CO2); la forma que presentan son ovaladas o como bacilos con flagelos y el azufre esta contenido dentro de las células tomada de Madigan, et al. (2009).

Figura 9. Bacterias rojas del azufre. Tomado de Madigan, et al. (2009)

Taxonomía Nombre

Tabla 1. Propiedades

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Método de

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Dominio

Bacteria

Filum

Proteobacteria

Clase

Orden

Células bacterianas; secuencias de RNA ribosómico típicas de bacterias

Secuencias de RNA ribosómico típicas de Proteobacterias Gammaproteobacteria Bacterias gram negativas; secuencias de ARN ribosómico típicas de Gammaproteobacteria Chromatiales Bacterias fotótrofas purpura

Género

Allochromatium

Especie

Warmingii

Bacterias púrpura del azufre con forma de bastón Células de 3,5-4,0 µm X 5-11 µm; almacenan azufre principalmente en los polos de la célula

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confirmación Microscopía; análisis de la secuencia de RNA ribosómico 16S; presencia de biomarcadores únicos, por ejemplo el peptidoglicano Análisis de la secuencia del RNA ribosómico 16S Tinción de Gram, microscopia

Pigmentos característicos bacterioclorofila a Microscopia

Medida de las células en el microscopio usando un micrómetro; determinando la posición de los glóbulos de S0 dentro de la célula

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Figura 10. Fotografía al microscopio óptico de células bacteria purpura del azufre Allochromatium warmingii Tomado de Madigan, et al. (2009)

El pigmento característico de las plantas superiores encargada de realizar la fotosíntesis en organismos fotótrofos oxigénicos es la molécula de clorofila a, a diferencia de las bacterias que presentan bacterioclorofila en organismos fotótrofos anoxigénicos (Madigan, et al. 2009).

Figura 11. Moléculas de a) clorofila y b) bacterioclorofila Tomada de Madigan, et al. (2009)

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Para entender mejor el concepto de especie piensa en tu persona, tú eres muy diferente a los demás ni siquiera te pareces a tus hermanos e inclusive aquellos que son gemelos tienen algún rasgo que los diferencia, entonces estarás de acuerdo que la especie es en esencia especial y única.

4.1.3. Concepto de población En microbiología la población se refiere al grupo de células microbianas de una misma especie (colonia o cepa) que conviven al mismo tiempo en un lugar específico. Las poblaciones presentan características diferentes a las que tienen los individuos que las componen. Comparten caracteres genéticos iguales. Las colonias son la forma en la que se representa el crecimiento en un medio de cultivo de poblaciones que se han originado a partir de una célula que es macroscópicamente visible. Al conjunto de poblaciones bacterianas también se le denomina gremios (González, G. M. y C. A. M., 2007 y Solomon, et al. 2008). Por ejemplo las personas que forman parte de tu familia son un grupo de individuos que comparten características genéticas que viven en cierto lugar, las cuales son muy diferentes con las otras familias que son sus vecinos y por lo tanto el conjunto total de diferentes familias forma entonces una población.

4.1.4. Concepto de comunidad Es una serie de organismos de diferentes especies que conviven agrupados. En un hábitat microbiano raramente las poblaciones de células viven aisladas, las cuales se van a relacionar con otras poblaciones en conjuntos que se denominan comunidad. Las comunidades están compuestas por todas las poblaciones de todas las especies diferentes que conviven juntas en un lugar determinado y por consiguiente tienen caracteres genotípicos distintos. Hablemos pues de ti que como individuo que perteneces a una familia, el conjunto de familias forma poblaciones y varias poblaciones van a formar una comunidad (González, G. M. y C. A. M., 2007 y Solomon, et al. 2008).

4.1.5. Concepto de ecosistema Dentro de una comunidad microbiana la diversidad y abundancia de microorganismos está controlada por los recursos (nutrimentos) y por las condiciones que presentan como temperatura, pH, concentración de oxígeno que existe en el medio. Las características que presentan los hábitats es muy diferente y pueden existir factores que favorezcan el crecimiento de un microorganismo en específico, pero que a su vez es dañino para otro.

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Básicamente el ecosistema incluye a los organismos vivos y las condiciones físicas y químicas de su entorno (González, G. M. y C. A. M., 2007 y Solomon, et al. 2008). Continuemos hablando de ti que como individuo perteneces a una familia, el conjunto de familias forma poblaciones, varias poblaciones forman una comunidad y todas las comunidades forman el ecosistema.

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Figura 12. Organización jerárquica de la vida

Tomado de Solomon, et al. (2008)

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Como se esquematiza en la figura de arriba el nivel de organización de la vida es como si estuviéramos hablando de la taxonomía de un organismo que de lo simple va a constituir algo más complejo. Tales comunidades microbianas van a interaccionar con macroorganismos y factores abióticos en donde el funcionamiento constituye el ecosistema. Estamos iniciando de lo particular a lo general de manera macroscópica porque tenemos entonces al organismo (especie única), varios organismos de la misma especie forman poblaciones, muchas poblaciones forman comunidades y todas las comunidades van a comprender el ecosistema. Si hablásemos de manera microscópica de lo particular a la general a un organismo (especie) lo componen partículas, las cuales forman átomos, estos constituyen moléculas que forman organelos, varios organelos constituyen la célula, varias células forma tejidos, el conjunto de tejidos forma órganos y la unión de varios órganos sistemas que van a constituir a un individuo como tal (González, G. M. y C. A. M., 2007 y Solomon, et al. 2008). Existen tanto ecosistemas terrestres como acuáticos, y estos a su vez se subdividen en naturales y artificiales. Los naturales son aquellos que se crean sin que el hombre intervenga por ejemplo los bosques, selvas, desiertos, tundra, praderas, mares y océanos; y los artificiales son aquellos creados por la mano del hombre como los campos de cultivo, jardines, zoológicos, acuarios, presas. En ambos casos se establecen condiciones óptimas para la formación de micro-hábitats o micro-ambientes en donde los microorganismos intervienen para regular procesos, llevara a cabo actividades importantes para la vida diaria (González, G. M. y C. A. M., 2007 y Solomon, et al. 2008).

4.2. Sucesión ecológica en comunidades bacterianas La sucesión de las colonias bacterianas viene marcada por el crecimiento de las colonias, poblaciones o gremios. El proceso de desarrollo secuencial de una comunidad respecto al tiempo implica la sustitución de especies de una etapa por diferentes especies en la etapa siguiente es a lo que se denomina sucesión de especies bacterianas donde influye el tiempo que puede ser desde segundos, minutos, horas hasta días; a diferencia de la sucesión que presentan los ecosistemas acuáticos (mar, río, lago) o terrestres (selva, bosque, desierto, pradera, tundra) en los que pueden pasar decenas, cientos o miles de años para que se establezcan las comunidades (González, G. M. y C. A. M., 2007, Solomon, et al. 2008 y Madigan, et al. 2009).

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Figura 13. Papel ecológico de los microorganismos Tomado de Prescott, et al. (2000)

Entre los ecosistemas microbianos destacan aquellos que se forman tanto en el suelo, agua dulce como los lagos, charcos, ríos y corrientes, agua salada como los mares; así como en los vegetales. Aunque también son importantes aquellos que se forman en el humano y otros animales. Estos ecosistemas pueden variar respecto a la estructura física, la composición de nutrientes y la temperatura que conjuntamente van a influir en la diversidad y abundancia de los microorganismos ahí presentes (Madigan, et al. 2009): 

Suelo: comúnmente denominamos tierra a la capa sobre la que nos paramos, pero ese término está mal dicho pues debe de llamarse suelo, se forma por la interacción de la roca, topografía, el clima y los seres vivos. Los suelos pueden ser de tipo mineral y orgánico del cual el mineral es que más abunda en ecosistemas terrestres, el cual está formado de minerales inorgánicos, materia orgánica, aire-agua y organismos vivos tanto microorganismos como macroorganismos (Madigan, et al. 2009).

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Figura 14. Hábitat microbiano del suelo Tomado de Madigan, et al. (2009)

En el suelo están presentes partículas (limo, arena y arcilla) en las cuales se van adherir las bacterias formando microcolonias y estas se van asociar con la rizosfera y dichos microorganismos se pueden analizar mediante microscopia de fluorescencia. La actividad de los microorganismos en el suelo viene regulada por la cantidad de agua disponible y los nutrientes presentes como el carbono, el fosforo y el nitrógeno que forman parte de las moléculas de la vida (Madigan, et al. 2009). 

Agua dulce: en el agua existen microorganismos productores y consumidores de oxígeno, los cuales llevan a cabo los procesos de fotosíntesis y respiración y son muy importantes en la naturaleza de los ciclos del oxígeno y del carbono. Los microorganismos que habitan en los lagos, ríos y agua encharcada están en forma suspendida y se denominan fotótrofos oxigénicos, conformados por cianobacterias y algas que reducen el CO2 a materia orgánica a partir de la luz solar. El oxígeno es hidrosoluble en los hábitats acuáticos; se va degradando lentamente por los microorganismos que habitan en la superficie y al disminuir se convierte en un ambiente anóxico, entrando a escena los microorganismos quimioorganótrofos anaerobios y aquellos que fermentan y respiran anaeróbicamente (Madigan et al; 2009).

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Figura 15. Bacteria Vibrio cholerae habita en el agua Tomado de http://todosloscaminoshaciati.blogspot.com/2010/11/mundo-vibrio-cholerae-javierflores.html y http://fundacionio.org/img/bacteriology/cont/vibrio_cholerae.html

Por ejemplo habrás visto que una pecera al contener mucha materia orgánica generada por el exceso de alimento para los peces, se va degradando lentamente y propicia el crecimiento de microorganismos que encuentran las condiciones óptimas colonizando las paredes de la pecera tornándose de color verde; esto también ocurre en los ríos y lagos limpios y cristalinos que reciben descargas de agua y desechos, después de un tiempo las características son diferentes y presentan olor desagradable (Madigan, et al. 2009). 

Plantas: estos organismos van a presentar características variadas durante su ciclo de vida que van a influir en la vida de los microorganismos, los vegetales son organismos fotosintéticos que convierten el CO2 a oxígeno. Los microorganismos que conviven en estos micro-hábitats están muy expuestos a los materiales que la planta produce (exudados, savia), así como a la radiación ultravioleta que les provoca alteraciones genéticas (Madigan, et al. 2009).

Figura 16. Fijación de nitrógeno mediante bacterias en la raíz Tomado de http://biologia.laguia2000.com/monera/relaciones-de-los-microorganismos-conotros-seres-vivos-simbiosis-y-de-comensalismo

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Tenemos pues bacterias que van a estar en diferentes órganos de la planta como la raíz (denominada rizosfera que es la región que rodea la raíz y el rizoplano que es la superficie real de la raíz), se van a excretar azucares, aminoácidos, hormonas y vitaminas; las bacterias y hongos forman microcolonias y se relacionan de manera simbiótica con las bacterias para llevar a cabo la fijación del nitrógeno (Madigan, et al. 2009). En la superficie de las hojas (filosfera) también se van a localizar bacterias encargadas de la fijación del nitrógeno. Algunas bacterias proporcionan beneficios a la planta, pero existen otras que van a resultar malignas como el caso de los patógenos (fitopatógenos) que causan enfermedades a las plantas, entre los géneros más comunes están Pseudomonas, Xanthomonas, Xylella y Erwinia. También existen bacterias que se alojan en los tallos, semillas, flores y frutos de la planta nitrógeno (Madigan, et al. 2009). Una planta que crece en buenas condiciones no va a experimentar estrés a diferencia de aquellas que experimentan periodos de sequias, temperaturas elevadas, la limitación de nutrientes, la alimentación de insectos u otros factores que intervienen para aumentar su estrés y provocarle susceptibilidad a infecciones bacterianas. 

Agua salada: a diferencia del agua dulce, los mares (océanos) presentan características diferentes que varían como la salinidad, temperatura media, profundidad y el estado nutricional. Se pueden encontrar dos tipos de microorganismos aquellos que se encuentran en la superficie del mar abierto y los de las grandes profundidades marinas nitrógeno (Madigan, et al. 2009).

Al igual que en el agua dulce, las zonas costeras están en contacto con descargas de desechos y por lo tanto van a presentar grandes cantidades de nutrientes que son óptimos para el crecimiento de microorganismos fotótrofos, y estos a su vez son de gran importancia en las cadenas tróficas para las bacterias heterótrofas y animales acuáticos (peces y crustáceos). Prochlorococcus es un organismo fotótrofo oxigénico abunda en los mares tropicales y subtropicales. En los océanos tropicales y subtropicales abundan las cianobacterias fotótroficas Trichodesmiumcuyas células fijan nitrógeno y se observan en forma de penachos filamentosos y constituyen la biomasa de los océanos como se observa en la figura siguiente el mar se torna verdoso por la presencia de esta bacteria.

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Figura 17. Trichodesmium spp habita en los mares y fija nitrógeno Tomado de http://archiv.ethlife.ethz.ch/images/trichodesmium-l.jpg http://www.coas.oregonstate.edu/index.cfm?fuseaction=content.display&pageID=589



El humano y los animales: en este tipo de micro-hábitats las bacterias encuentran condiciones óptimas para desarrollarse, la forma de expresar la sintomatología en el humano como en los animales en algunos casos es muy similar. En la mayoría de los casos para evitar contraer alguna enfermedad bacteriana se recomienda vacunarse para prevenir, pero cuando la enfermedad ataca lo que se debe realizar es aplicar antibióticos para contrarrestar la enfermedad (Brooks, et al. 2011).

La tabla que a continuación se presenta, enuncia algunas bacterias importantes que atacan tanto a humanos como a los animales tomada de Brooks, et al. (2011): Tabla 2. Nombre de la bacteria Bacillus anthracis Bordetella pertussis Brucella spp Chlamydia trachomatis Clostridium perfringens Clostridium tetani Clostridium botulinum Corynebacterium diphtheriae Coxiella burnetii Escherichia coli Legionella pneumophila Listeria monocytogenes Mycobacterium tuberculosis Mycobacterium leprae Neisseria gonorrhoeae Neisseria meningitidis

Enfermedad que causa Carbunco o ántrax Tos ferina Brucelosis Conjuntivitis Gangrena gaseosa Tétanos Botulismo Difteria Fiebre Q Diarrea Enfermedad del Legionario Encefalitis Tuberculosis Lepra Gonorrea Meningitis

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Salmonella spp Salmonella typhi, S. paratyphi Streptococcus pneumoniae, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Mycoplasma spp, Chlamydia spp. Streptococcus spp Streptococcus pyogenes Treponema pallidum Vibrio cholerae Yersinia enterocolitica Yersinia pestis

Salmonelosis Fiebre tifoidea Neumonía Erisipela Escarlatina Sífilis Cólera Gastroenteritis Peste

Algunas de las enfermedades bacterianas que se pueden prevenir mediante la aplicación de vacunas son: difteria, tétanos, tos ferina, neumonía, meningitis, otitis, septicemia, osteomielitis, faringitis, celulitis, epiglotitis, infecciones de la piel, oído, urinarias, entre otras.

4.2.1. Fases En ecología la sucesión implica la transformación de un ecosistema desde su origen hasta su establecimiento, la cual no se podría llevar sino es mediante una serie de fases intermedias. La sucesión entonces se suele describircomo los cambios en la composición de especies en un cierto tiempo. Se entiende por ejemplo cómo es que un campo con el paso del tiempo se convierte en un hermoso bosque (González, G. M. y C. A. M., 2007, Solomon, et al. 2008 y Madigan, et al. 2009).

En la sucesión hay dos fases: Primaria que se va a establecer en una zona que no presenta algún tipo de comunidad por ejemplo la que ocurre en las dunas, las nuevas islas (coralinas, deltas), es una zona virgen por ejemplo es lo que sucedió cuando aparecieron las primeras especies en el planeta Tierra a las cuales se les denomina pioneras o colonizadoras por ser las primeras en establecerse.

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Figura 18. Sucesión ecológica primaria establecimiento de un bosque Tomado de http://galerias.educ.ar/main.php?g2_view=keyalbum.KeywordAlbum&g2_keyword=esquema&g2_it emId=9528

Secundaria que es aquella que se establece sobre una zona donde anteriormente ya había vida, es lo que ocurre después de un incendio, inundación, derrumbe, deslave, plagas, enfermedades, tala de bosques, establecimiento de cultivos, lo que lleva a la perdida de la mayoría de las especies que habitaban anteriormente.

Figura 19. Sucesión ecológica secundaria después de un incendio Tomado de http://cbta85salvemoselplaneta.blogspot.com/2009/06/sucesion-ecologica.html

Sabes pues como se lleva a cabo la sucesión de manera macroscópica en los ecosistemas, pero en el micro-hábitat de las bacterias como se lleva a cabo este proceso (González, G. M. y C. A. M., 2007, Solomon, et al. 2008 y Madigan, et al. 2009).

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a. Primero debe de establecerse la colonización de una bacteria en un lugar adecuado del ambiente (agua, suelo, plantas, animales y el humano). b. Después se lleva a cabo el crecimiento de la o las bacterias como se sabe este presenta varias etapas o de adaptación o lag, exponencial, estacionaria y de declinación o muerte, van a formar micro-colonias individuales que se van a unir unas con otras formando una red en donde el poder activo ya sea benéfico o patógeno de la bacteria aún no tiene la capacidad para desarrollarse totalmente y c. Finalmente la sucesión bacteriana que se caracteriza por un aumento en la complejidad de la composición microbiana la cual va a tomar mayor fuerza respecto a su poder patógeno o en beneficio en algún proceso.

En una infección estomacal causada por consumir alimentos con la bacteria E. coli a pesar de que forma parte de la flora normal del cuerpo humano, al consumir alimentos mal cocidos, leche y jugos sin pasteurizar se desencadena la colonización de la bacteria en el intestino y causa la diarrea. No se percata uno de la enfermedad hasta que se presenta sintomatología característica y por consiguiente se tiene que suministrar un antibiótico para evitar la proliferación bacteriana y acabar con su población; esto dura aprox. de 5 a 10 días (González, G. M. y C. A. M., 2007 y Brooks, et al. 2011). Otro ejemplo muy común es la placa que se forma sobre los dientes llamada placa dental, consta de una masa de bacterias pudiéndose encontrar en 1mm de área que pesa 1 mg unos 250 millones de bacterias y en la cavidad bucal existen unas 350 Clases más de bacterias que pueden contribuir a la formación de la placa; por eso es recomendable lavarse los dientes después de cada alimento para evitar tener un exceso de material nutritivo que es ideal para el crecimiento de bacterias. Si no se llevase la limpieza dental y bucal adecuadamente puede contraerse inflamación de encías, periodontitis, caries. Por eso, si quieres tener una gran sonrisa lávate los dientes tres veces al día, o quieres verte como la imagen de abajo (González, G. M. y C. A. M., 2007 y Brooks, et al. 2011).

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Figura 20. Importancia de la limpieza dental Tomado de http://www.tenersalud.com/2010/07/30/la-placa-dental/ http://revista-tareaweb.blogspot.com/ http://ligasensalud.blogspot.com/2010/09/calculo-dental.html

4.2.2. Competencia y evolución En la vida cotidiana entre el hombre siempre ha existido competencia ya sea por trabajo, dinero, quien viste mejor, quien trae el mejor auto, el o la mejor pareja y con los animales y plantas es casi parecido ya que existe competencia por luz, nutrientes, para aparearse, quien es el que domina más. Entonces te imaginaras cómo será la competencia entre los microorganismos, ellos han tenido que desarrollar estrategias de adaptación que les permiten mejorar las oportunidades de sobrevivencia y su reproducción, así como sus características genéticas han ido cambiando de generación en generación, lo que les ha permitido presentar diferencias entre las poblaciones de bacterias y de esta manera poder explicar su origen y antepasado (González, G. M. y C. A. M., 2007, Solomon, et al. 2008 y Madigan, et al. 2009). Entonces, al ser organismos microscópicos tienen que desarrollar estrategias que les permitan prevalecer en el medio ambiente. Hay bacterias que compiten por un mismo sustrato, cantidad de luz, temperatura, humedad, pH, nutrientes (alimento), oxigeno, nitrógeno, azufre. Otros factores que influyen para que un microorganismos prevalezca es la dominancia que presenta respecto a otras especies, que tan longevo es (viejo), las interacciones que presenta con el medio que le rodea, entre más adaptado este más ventajas tendrá para seguir con vida (González, G. M. y C. A. M., 2007, Solomon, et al. 2008 y Madigan, et al. 2009).

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Figura 21. Competencia entre bacterias Tomado de http://graficas.explora.cl/otros/Xsemana/yogur.html y http://vancomicinaala.blogspot.com/

Por ejemplo la bacteria Vibrio cholerae compite con Escherichia coli, ambas son bacilos gram negativos E. coli forman parte de la flora normal y habita en el intestino del ser humano y de los animales, mientras que V. choleraese encuentra en aguas marinas y superficiales (Brooks, et al. 2011). E. coli es una bacteria aerobia o anaerobia facultativa, puede ser móvil por tener flagelos peritricos o no ser móvil, fermenta glucosa en lugar de oxidarla, produce un gas, catalasa positiva, oxidasa negativa, reduce nitrato a nitritos, positiva en indol, lisina descarboxilasa y fermentación de manitol. Produce diarrea frecuentemente en el mundo, por la ingesta de alimentos contaminados. Vibrio cholerae es una bacteria aerobia, presenta un flagelo polar, son oxidasa positiva, crecen a pH 8.5 a 9.5, fermenta sacarosa y manosa, produce la enterotoxina termolábil que causa el cólera, una diarrea liquida abundante que rápidamente puede desencadenar deshidratación y la muerte del paciente al ingerir agua contaminada. De la misma especie se derivan los siguientes serogrupos que se mencionan a continuación:  

Vibrio cholerae serogrupos O1 y O139: causa cólera epidémico y pandémico. Vibrio cholerae serogrupos no O1 y no O139: causa diarrea coleriforme, diarrea leve y raras veces infecciones extraintestinales.

Por lo tanto en el intestino donde al ingerir por descuido alimentos y agua contaminados con bacterias Vibrio cholerae y Escherichia coli provoca una competencia de ambas por sustrato (intestino), nutrientes, luz, humedad, temperatura; y lleva consiguientemente a desencadenar una lucha campal entre dichas bacterias, pero oh! sorpresa la que resiste mejor y como quien dice resulta vencedora es Vibrio choleraesobre E. coli (Brooks, et al. 2011).

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Figura 22. Vibrio cholerae combatiendo contra E. coli Tomado de http://microgaia.blogspot.com/2010/12/vibrio-cholerae-el-rambo-de-las.html

El que existan por ejemplo diferentes serogrupos de V. cholerae significa que se ha ido adaptando lentamente a los diferentes factores que la interfieren en su crecimiento desde que se originó, estos procesos han sido clave para determinar su historia de vida (como han ido evolucionando paulatinamente) y se han reforzado para responder a sus necesidades.

4.2.3. Comunidad clímax El conjunto de poblaciones conforma pues una comunidad, la cual alcanza su equilibrio (clímax) al finalizar el proceso de sucesión bacteriana. También se considera límite de madurez de un ecosistema donde no hay escases de nutrientes, temperatura, humedad, pH, es decir se concentran las condiciones óptimas para que el crecimiento se desarrolle adecuadamente (González, G. M. y C. A. M., 2007, Solomon, et al. 2008 y Madigan, et al. 2009). En un ecosistema terrestre por ejemplo conforme la biomasa aumenta, la respiración por igual y llega un momento en el que se equilibran (igualan) la respiración y la producción ocasionando que se detenga la sucesión; pero difícilmente se llega al clímax ya que intervienen procesos de retroceso que frenan el equilibrio ecológico como los incendios, un huracán, derrumbe, deslave, los cambios climáticos, las inundaciones, sequias, las glaciaciones, la formación o aparición de nuevos volcanes y la deriva de las placas tectónicas (González, G. M. y C. A. M., 2007, Solomon, et al. 2008 y Madigan, et al. 2009).

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4.3. Biofilms Las superficies son hábitats microbianos importantes por dos razones: 1.- Los nutrientes se adsorben a las superficies por lo que a menudo contienen más recursos que los que están disponibles para las células del plancton (células que llevan una existencia flotante). 2.- Las superficies son zonas a las que se adhieren las células microbianas. La adhesión es una manera de permanecer en un hábitat favorable y no ser arrastradas por el agua. Por lo tanto, en las superficies se suele detectar un número elevado de microorganismos y mucha actividad (Madigan, et al. 2009). Las diferencias en los niveles de nutrientes se acentúan a medida que se pasa de la columna de agua a las superficies donde los nutrientes y microorganismos tienden a acumularse. A medida que disminuyen los niveles de nutrientes, aumenta la ventaja de estar asociado a superficies. La importancia de las superficies para la colonización microbiana fue descubierta por muchos microbiólogos del pasado, entre ellos Söhngen, N. L (principios de 1900). Zobell, Y. C. E (1940-1950). Zobell estableció el papel de la adhesión macromolecular dependiendo de la concentración de los nutrientes, y observó también que la adhesión bacteriana es un proceso de dos pasos, que comprenden la adhesión reversible e irreversible (Prescott, et al. 2000). A medida que las células bacterianas que crecen sobre superficies, tienden a formar biopelículas: agrupamiento de células bacterianas adheridas a una superficie y encerradas en una matriz adhesiva excretada por las células. La matriz consiste en una mezcla de polisacáridos, pero pueden contener proteínas e incluso ácidos nucleicos. Las biopelículas atrapan nutrientes para el crecimiento microbiano y ayudan a evitar que se desprendan las células superficiales expuestas a corrientes de líquidos (Madigan, et al. 2009). Las biopelículas contienen regularmente varias capas porosas y las células de cada capa se pueden examinar mediante microscopia láser con focal de barrido. Dentro de estas biopelículas podemos encontrar desde una o dos especies hasta incluso una gran diversidad de bacterias. Un ejemplo de esta lo podemos ver en la superficie de los dientes donde podemos encontrar cientos de filotipos diferentes. Con esto podemos decir que las biopelículas son comunidades microbianas funcionales y que no solo se encargar de atrapar nutrientes en una matriz adhesiva.

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Figura 23. Ejemplos de biopelículas microbianas. Tomado de Madigan, et al. (2009)

En la figura de arriba se describe: a. Sección transversal de una biopelícula experimental de células de Pseudomonas aeruginosa. La capa amarilla (de unos 15 µm de profundidad) contiene células y se tiñe mediante una reacción que revela la actividad de la fosfatasa alcalina. b. Microscopía láser con focal de barrido de una biopelícula natural (vista superior) en una superficie de una hoja. El color de las células indica su profundidad en la biopelícula: rojo para las células sobre la superficie; verde, a 9 µm de profundidad; azul, a 18 µm de profundidad. c. Una biopelícula de procariotas oxidadores de hierro adheridas a rocas ricas en hierro de Río Tinto (España). Cuando el agua rica en Fe2+ pasa sobre y a través de la biopelícula, los microorganismos oxidadores de hierro lo oxidan.

4.3.1. Propiedades Como sabemos para poder identificar algo es necesario reconocer las características o propiedades que este presenta y las biopelículas no son la excepción por lo que a continuación se mencionarán y describirán las características físicas y químicas de estas, dentro de las propiedades físicas destacan (Prescott, et al. 2000 y Madigan, et al. 2009):     

Color y consistencia Biomasa Densidad Concentración de oxígeno disuelto Erosión

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

Espesor

Al utilizar como ejemplo un aparato de biodiscos utilizado en el tratamiento de efluentes domésticos en sus etapas iniciales el color de la biopelícula es generalmente gris o gris amarronado y filamentoso, mientras que en etapas posteriores es amarronado o rojizo amarronado, gelatinoso y menos filamentoso. Cuando la biomasa presenta un color gris indica que preferentemente va a remover materia orgánica carbonosa (con altas cantidades de carbono que los microorganismos utilizan para su alimentación), mientras que la que presenta una coloración amarronada rojiza es característica de la predominancia de microorganismos nitrificantes (son los microorganismos que se encargan de oxidar el amonio). La concentración de oxígeno disuelto en el afluente (lo que concurre en abundancia) tiene una influencia directa en la densidad de la biopelícula al igual que la fracciones de exopolímeros (polisacáridos), de materia orgánica, de protozoos, de gusanos e insectos. La erosión se define como el proceso de remoción de partículas dentro o fuera de la biopelícula, en el biodisco que es altamente dependiente de las condiciones dinámicas del sistema da origen al biosólido sedimentado (remoción masiva de porciones de biopelícula que caen por gravedad debido a la fuerza de corte) (Welter, 2006). El espesor se puede medir esto es: el tamaño de los flóculos o el espesor de la película en estos procesos se miden en milímetros, mientras que los microorganismos individuales se miden en micrones. Cuando el espesor de la biopelícula se incrementa, el oxígeno disuelto no es capaz de difundirse hasta el fondo del mismo, por lo tanto los microorganismos de la capa inferior, unidas al soporte, podrían cambiar alternativamente adaptándose a las nuevas condiciones ambientales (anaerobiosis, sin oxígeno). Por lo que el espesor de la biopelícula es inversamente proporcional a la velocidad de flujo del líquido, lo que va a disminuir exponencialmente con los aumentos de la velocidad de rotación de los discos (Welter, 2006). Como todo tiene un principio y un final las biopelículas no son la excepción por lo que el crecimiento de la biopelícula continua hasta que llega un momento en que no reciben más oxígeno las capas profundas lo que va a producir el desprendimiento de la capa bacteriana. Este desprendimiento, se ve influenciado por diferentes factores como: la velocidad de giro de los discos y el diámetro de los mismos, entre otros. Después de dicho acontecimiento comenzará la formación de una nueva película, y así indefinidamente.

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Ahora bien una vez descritas las propiedades físicas ahora describiremos las propiedades químicas dentro de estas destacan las siguientes: La biopelícula es generalmente viscosa e hidrofílica (a fin al agua) debido a la presencia de componentes poliméricos extracelulares que están constituidos por polisacáridos con residuos hidrofílicos y otros polímeros intracelulares. Por lo que la adsorción bacteriana al soporte ocurre de la siguiente manera: Al inicio la célula bacteriana se mantiene unida a la superficie gracias a enlaces débiles intermoleculares, que resultan de las fuerzas entre la célula y el soporte, incluyendo: fuerzas de London–Van der Waals, interacciones electrostáticas, interacciones estéricas y puentes poliméricos (Prescott, et al. 2000 y Madigan, et al. 2009).

4.3.2. Desarrollo La formación de las biopelículas comienza con la adhesión de una célula a una superficie es como una señal que desencadena la expresión de los genes específicos para la biopelícula. Los genes van a codificar proteínas que sintetizan las moléculas de señalización intercelulares e inician la formación de la matriz. Esto es el comienzo de una formación de la película por lo que la primer célula pierde su flagelo y se inmoviliza, aunque se desconoce el mecanismo, pero de alguna forma por decirlo así las bacterias “sienten” una superficie adecuada y realizan lo necesario para comenzar el crecimiento de la biopelícula (Prescott, et al. 2000 y Madigan, et al. 2009).:

Figura 24. Formación de biopelículas. Tomado de Madigan, et al. (2009).

La formación de biopelículas comienza con la adhesión de unas pocas células que luego crecen y se comunican con otras células. Se forma la matriz y se extiende a medida que crece la biopelícula, como se esquematiza en la imagen de arriba.

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Se está investigando activamente cómo se percibe la superficie, pero el cambio real del crecimiento de biopelícula lo desencadena la síntesis de guanosina-monofosfato dimérica cíclico (c-di-GMP), un derivado del nucleótido guanosina-trisfofato. El c-di-GMP lo sintetizan una serie de proteínas relacionadas con las proteínas perceptoras de membrana que, de algún modo, detectan la posibilidad de crecer adheridas a la superficie. Se piensa que el c-di-GMP funciona desencadenando la expresión de los genes específicos de la biopelícula y activando las enzimas celulares que sintetizan el material de la matriz (Madigan, et al. 2009). La comunicación intercelular es decisiva para el desarrollo y mantenimiento de una biopelícula. En Pseudomonas aeruginosa, un notable formador de biopelículas, las moléculas señalizadoras intercelulares principales son compuestos llamados de homoserina-lactonas acidas. A medida que se van acumulando, transmiten a otras células de P. aeruginosa adyacentes (un mecanismo llamado percepción quórum) que la población de esta especie está aumentando y entonces se desarrolla la biopelícula. Con el tiempo, se forman grandes “hongos” de P. aeruginosa que miden unos 100 µm de alto y que contienen miles de millones de células atrapadas en una matriz de polisacáridos pegajosa (Madigan, et al. 2009). En la siguiente figura se observa a la izquierda pequeñas células “botones” de P. aeruginosa adheridos a una superficie en las primeras etapas de la formación de la biopelícula. En la figura de al lado un “hongo” de biopelículas maduro. El hongo más grande mide unos 120 µm de altura (Madigan, et al. 2009).

Figura 25. Biopelícula Tomado de Madigan, et al. (2009)

Pueden aparecer biopelículas de P. aeruginosa en la fibrosis quística. Esta enfermedad genética está relacionada a menudo con la formación de una biopelícula tenaz de P. aeruginosa en los pulmones, que produce síntomas de neumonía. Además de la señalización intra-especie, en las biopelículas probablemente también se produzca la

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señalización inter-especies para coordinar las etapas necesarias para formar y mantener la estructura (Madigan, et al. 2009). La mayor parte del tracto digestivo humano está colonizado por grupos específicos de microorganismos que dan lugar a biofilms naturales. Estos biofilms naturales protegen frente a especies patógenas (Prescottet, et al. 000). La inserción de dispositivos protésicos (procedimiento médico utilizados para diagnósticos tales como: neuropatía hereditaria motora y sensorial 1-3, Síndrome de Mobius y atrofia hemifacial) en el cuerpo humano a menudo lleva a la formación de biofilms sobre la superficie del dispositivo (Madigan, et al. 2009). Fundamentalmente, los gérmenes implicados son Staphylococcus epidermis, otros estafilococos coagulasa negativos y bacterias gramnegativas. Estos habitantes de la piel poseen la capacidad de adherirse tenazmente a las superficies de los dispositivos protésicos inanimados. En el interior de los biofilms, las bacterias están protegidas de los mecanismos normales de defensa del cuerpo y también de los antibióticos; por lo tanto, el biofilm es una fuente de infección de otras partes del cuerpo cuando las bacterias se desprenden por la descamación del biofilm. Algunos ejemplos de la importancia médica de los biofilms son (Madigan, et al. 2009 y Brooks, et al. 2009):  

  

Las muertes que siguen a las infecciones masivas de pacientes receptores de corazones artificiales Jarvik 7. Pacientes con fibrosis quística que albergan gran cantidad de P. aeruginosa productoras de grandes cantidades de polímeros de alginato, que inhiben la difusión de antibióticos. Los dientes, donde los biofilms forman la placa dental que lleva a la caries. Los lentes de contacto, donde las bacterias pueden provocar intensa irritación, inflamación e infección ocular. Los sistemas de aire acondicionado y otros sistemas de retención de agua, donde bacterias como especies de Legionella spp (bacteria gran negativa con forma de bacilo que vive en aguas estancadas y que soporta un amplio rango de temperatura) pueden quedar protegidas por los biofilms de los efectos de la cloración.

4.3.3. Dispersión Durante su fase de dispersión las biopelículas liberan constantemente células planctónicas, las cuales pueden causar infección porque están a merced de agentes antibacterianos y del sistema inmunitario, el cual genera una respuesta inflamatoria que produce un exudado altamente nutritivo, que se percola a través de la biopelícula y

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proporciona nutrientes a la microbiota residente para abastecer las necesidades de ésta, lo que ayuda a la seguridad, sustentabilidad y estabilidad de la comunidad microbiana; de esta forma, el “sacrificio” de pocas bacterias promueve la supervivencia de la comunidad (Castrillón, et al. 2011).

4.3.4. Quorum-sensing Las bacterias liberan señales químicas que difunden entre las bacterias cercanas. Conforme aumenta la población de bacterias, aumenta la concentración de la señal química. A través del proceso conocido como quórum sensing, las bacterias detectan cuándo se alcanza una determinada concentración crítica de una molécula señal. La bacteria responde activando un proceso biológico específico y forma una biopelícula. Los biólogos han descubierto que la señalización defectuosa puede causar o contribuir al desarrollo de diversas enfermedades, incluso el cáncer y la diabetes (Solomon, et al. 2008).

4.4. Biorremediación El potencial biogeoquímico de los microorganismos parece ilimitado y a menudo se ha dicho que son los mejores químicos de la tierra. Y como tales se han utilizado para extraer metales valiosos de menas con poco mineral (lixiviado microbiano) y como agentes para adecentar el ambiente. El término biorremediación se refiere a la eliminación de aceites, sustancias químicas tóxicas u otros contaminantes de un ambiente mediante microorganismos. La biorremediación es una manera económica de limpiar los contaminantes y, en algunos casos, es la única manera práctica de hacerlo (Madigan, et al. 2009).

4.4.1. Impacto Para que la biorremediación se considere una tecnología aplicable para eliminar un contaminante específico, es necesario demostrar que dicha sustancia o una mezcla química que la contenga, es biodegradable y que el proceso de biorremediación no tendrá efectos colaterales adversos sobre el ecosistema. Los productos finales de la biorremediación como el agua y el dióxido de carbono, son inocuos y su presencia no presenta ningún peligro para el ambiente ni para los organismos vivos (Atlas y Bartha, 2006).

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La biorremediación es barata en comparación con los métodos físicos para descontaminar el medio ambiente, que pueden resultar extraordinariamente caros. Mientras que las tecnologías convencionales exigen el traslado de grandes cantidades de desechos tóxicos o suelo contaminado a incineradoras, una característica de la biorremediación es que puede efectuarse in situ y solo requiere un equipamiento sencillo. La biorremediación, empero, no es la solución para todos los problemas de contaminación ambiental. Como otras tecnologías está limitada por las condiciones locales y por el tiempo disponible para llevar a cabo el tratamiento, y la gama de materiales que puede tratar es restringida. Tiene un gran potencial destructor de contaminantes, especialmente en los casos de suelo contaminado por combustibles o creosota (biocida fabricado a base del fraccionamiento de alquitranes para la protección de la madera) (Atlas y Bartha, 2006).

4.4.2. Principales técnicas La biodegradación de contaminantes en el ambiente es un proceso complejo cuyos aspectos cuantitativos (los que se pueden contar, medir) y cualitativos (los que se observan como el color, sabor entre otros) dependen de la naturaleza y cantidad del contaminante, de las condiciones locales y estacionales, y de la composición de la comunidad microbiana autóctona (Atlas y Bartha, 2006). Las dos estrategias generales de la biorremediación son la modificación ambiental, como pueden ser la aplicación de nutrientes y la aireación, y la “siembra” de degradadores de xenobióticos apropiados. Para demostrar la utilidad potencial de una técnica de biorremediación es importante documentar la biodegradación aumentada del contaminante en condiciones controladas. Dado que esto suele ser imposible in situ, se requieren ensayos de laboratorio. Las variables que se miden habitualmente en los ensayos de biorremediación de laboratorio incluyen el recuento de poblaciones, la medida de respiración microbiana (consumo de oxígeno o producción de dióxido de carbono) y la determinación de la velocidad de degradación (desaparición de contaminantes individuales o totales) en comparación con los controles que no se utiliza la biorremediación (Atlas y Bartha, 2006). Las metodologías empleadas en estas medidas son fundamentales. Sin duda, la medida más directa de la eficacia de biorremediación es el registro de la desaparición del contaminante. Los tratamientos de biorremediación no deben tener efectos ecológicos adversos. Por ejemplo si utilizamos algún abono o un aditivo químico es necesario determinar la

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toxicidad inmediata por pruebas toxicológicas estandarizadas, así como la toxicidad crónica y los efectos sub-letales (Atlas y Bartha, 2006).

4.5. Biofouling El biofouling también conocido como bioincrustaciones se origina en las superficies metálicas como en las embarcaciones (pero también incluyen tomas de agua, anclas, entre otros) que se encuentran en contacto con aguas industriales o naturales, como una acumulación no uniforme que resulta de los procesos fisicoquímicos (pH, salinidad, entre otros) y biológicos (sustancias metabólicas de los microorganismos) causantes de la corrosión microbiológica. De manera más detallada el origen de estas bioincrustaciones comienza con un proceso de adhesión de una gran variedad de micro y macroorganismos, los cuales buscan generar un ambiente adecuado para su proliferación. Dentro de los organismos que podemos encontrar en las bioincrustaciones tenemos a moluscos, crustáceos, algas, diatomeas y, en menor proporción, a bacterias resistentes que hacen parte de la vida marina típica de las aguas tropicales.

Figura 26. Ejemplo de biofouling en un tripoide. Tomado de http://www.google.com.mx/imgres?imgurl=http://woodshole.er.usgs.gov/operations/stg/Gear/biof ouling.JPG&imgrefurl=http://woodshole.er.usgs.gov/operations/stg/Gear/tripod.htm&usg=__qxdx noX9gu0mg-Sr GivCvEqSxs=&h=1536&w=2048&sz=965&hl=es&start=1&zoom=1&tbnid=9xY4PbnmiiH97M:&tb nh=113&tbnw=150&ei=6ebfTubLNMqDsgKY49XmBg&prev=/search%3Fq%3Dbiofouling%26um %3D1%26hl%3Des%26sa%3DN%26gbv%3D2%26tbm%3Disch%26prmd%3Divnsb&um=1&itb s=1

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4.5.1. Impacto Las bioincrustaciones pueden alcanzar proporciones de hasta 150 Kg por metro cuadrado, lo que obliga a los buques, embarcaciones e incluso submarinos, entre otros a tener un mayor consumo de combustible, debido al incremento de la resistencia de la embarcación al agua. Aunado a esto se presenta un aumento de la turbulencia de las embarcaciones lo que hace que se alteren las propiedades de reflexión del sonido, comprometiendo las operaciones basadas en el sonar. Otro riesgo que existe es de los buques, yates y maquinaria mantenida en puertos por largos períodos, que posteriormente son transportados a nuevas sitios sin haber sido limpiados previamente lo que origina un vector de transferencia de especies, lo que hace que las especies se vuelvan exóticas y por lo tanto invasoras, a su vez estas especies pueden también ir acompañados de especies comensales, parasitas o patógenas. Algunos ejemplos son los siguientes:   



Las biopelículas desarrolladas por bacterias, cianobacterias y diatomeas. Filamentos de alga verde (a menudo Enteromorphaspp.) y poblaciones de alga roja y marrón. Organismos sésiles (organismos que no son capaces de moverse y permanecen adheridos), incluyendo esponjas, hidroides, corales, anémonas de mar, gusanos de tubo, percebes, moluscos bivalvos, briozoos y cordatos (todos los cuales se adhieren al sustrato adecuado y se propagan por desoves, con variaciones en la duración de la vida larvaria). Organismos bentónicos móviles y epibentónicos, incluyendo anélidos poliquetos errantes, esqueletos de camarones, anfípodos, isópodos, cangrejos, nudibranquios, whelks (caracoles depredadores), crinoideos y peces territoriales (Gobiidae spp y formas similares).

Este grupo evita la remoción a través de cualquiera de las siguientes formas: - -adherirse y agarrarse a otras especies incrustantes o a las partes del casco que pueden servirle de refugio - -acomodarse en espacios muy pequeños entre especies incrustadas establecidas o muertas - -refugiarse en aberturas del casco y de tuberías (incluye peces pequeños).

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Figura 27. Ejemplo del impacto del biofouling en una embarcación Tomado de http://www.google.com.mx/imgres?imgurl=http://www.drillingcontractor.org/dcpi/2009/julyaug/ahead/biofouling4.jpg&imgrefurl=http://www.drillingcontractor.org/biofouling-is-tip-of-greeniceberg-1995&usg=__w eFjB_fukw8JGPX_BRIogQFlik=&h=534&w=550&sz=64&hl=es&start=4&zoom=1&tbnid=jhFECsQT hRKFM:&tbnh=129&tbnw=133&ei=6ebfTubLNMqDsgKY49XmBg&prev=/search%3Fq%3Dbiofouling% 26um%3D1%26hl%3Des%26sa%3DN%26gbv%3D2%26tbm%3Disch%26prmd%3Divnsb&um=1&i tbs=1

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4.5.2. Técnicas anti-fouling Debido a esta problemática varias asociaciones han realizado un programa anti-fouling que se ha emprendido en los recientes años por medio de grandes investigaciones para la búsqueda de alternativas sostenibles a las actuales estrategias de anti-fouling más tóxicas. Estas estrategias incluyen, control biológico (usando pastoreadores naturales); nuevos materiales tales como revestimientos no-tóxicos de anti-fouling; métodos eléctricos (generando biocidas (CI-) o cambios de pH), nuevas técnicas de manejo de moluscos y técnicas de inmersión. Existen tres principios fundamentales para el anti-fouling: Combatir asentamiento inicial, repeler o matar. Prevenir el desarrollo de fouling, inhibidores de crecimiento y Remover el biofouling, limpiar, reducir las fuerzas de adhesión o superficies liberadoras de fouling

Figura 28. Anti-fouling, a) larva de cirrípedo, b) cirrípedo inmaduro y c) grupo de cirrípedos maduros. Tomado de http://www.crabproject.com/client/files/CRAB_Best_Practice_GuidelinesSpanish.pdf

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Figura 29. Las tecnologías y las estrategias para combatir biofouling en superficies sumergidas Tomado de http://www.crabproject.com/client/files/CRAB_Best_Practice_Guidelines-Spanish.pdf

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Actividades La elaboración de las actividades estará guiada por tu docente en línea, mismo que te indicará, a través de la Planeación didáctica del docente en línea, la dinámica que tú y tus compañeros (as) llevarán a cabo, así como los envíos que tendrán que realizar. Para el envío de tus trabajos usarás la siguiente nomenclatura: BMTM_U4_A1_XXYZ, donde BMTM corresponde a las siglas de la asignatura, U4 es la unidad de conocimiento, A1 es el número de actividad, el cual debes sustituir considerando la actividad que se realices, XX son las primeras letras de tu nombre, Y la primera letra de tu apellido paterno y Z la primera letra de tu apellido materno.

Autorreflexiones Para la parte de autorreflexiones debes responder las Preguntas de Autorreflexión indicadas por tu docente en línea y enviar tu archivo. Cabe recordar que esta actividad tiene una ponderación del 10% de tu evaluación. Para el envío de tu autorreflexión utiliza la siguiente nomenclatura: BMTM_E4_ATR _XXYZ, donde BMTM corresponde a las siglas de la asignatura, U4 es la unidad de conocimiento, XX son las primeras letras de tu nombre, y la primera letra de tu apellido paterno y Z la primera letra de tu apellido materno

Cierre de la Unidad Como te habrás dado cuenta los microorganismos juegan un papel ecológico muy importante dentro de los diferentes hábitats y esto te podrá dar una idea de cómo es que se pueden comportar si se presenta alguna problemática. A su vez tu tendrás la capacidad de poderlos resolver y sobre todo poder controlar cuando estos se vuelvan una plaga, siempre y cuando utilices criterios ecológicos cuidando el ambiente. Con lo visto en esta Unidad te das una idea de cómo los microorganismos forman un factor importante dentro de las cadenas tróficas de los ecosistemas, la función que desempeñan en los ciclos biogeoquímicos (oxígeno, carbono, nitrógeno, agua), las interacciones con el resto

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Microbiología y taxonomía microbiana

Ecología microbiana

de los organismos vivos; las cuales llevan a definir su papel importante para mantener la salud de los ecosistemas. Con todos estos temas vistos en las cuatro unidades correspondientes al temario de Microbiología y taxonomía microbiana te habrás podido dar cuenta que tan importante son los microorganismos para que se puedan llevar a cabo una serie de procesos donde intervienen gran variedad de bacterias que son en algunos casos benéficas o en otros actúan como agentes patógenos dañinos y como es que su compleja maquinaria les permite sobrevivir en diferentes tipos de hábitats, con lo cual tu podrás aplicar estos conocimientos en procesos biotecnológicos.

Para saber más

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Para entender mejor el tema del origen de la vida en la Tierra ver el siguiente video http://www.youtube.com/watch?v=wIZCM7tqwwU Hemos estudiado todo lo relacionado con los microorganismos en especial las bacterias, pero existen otros microorganismos como los virus que no se consideran dentro de los tres Dominios (Bacteria, Archaea y Eukarya), por lo que se te recomienda ver el siguiente video para ver saber que es el VIH y sus características http://lacienciaysusdemonios.com/category/medicina/page/2/. Para comprender como es que se lleva a cabo la sucesión en ecosistemas terrestres ver el video http://www.youtube.com/watch?v=M1J1U3Hd7nA Para comprender como intervienen los bifilm en la industria alimenticia se te recomienda leer el siguiente articulo

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Fuentes de consulta http://www.vigilanciasanitaria.es/es/articulos/biofilmsrepercusion-industria-alimenta

Bibliografía básica  González, G. M. y C. A. M. (2007). Microbiología ambiental. Corpus.  Pidello, A. (2011). Ecología microbiana. Corpus.  Willey, J., Sherwood, L. M. y Woolverton, C. J. (2009). Microbiología. (7ª ed). Mc Graw Hill-Interamericana. Bibliografía complementaria  Atlas, M. R. y Bartha, R. (2002). Ecología microbiana y Microbiología ambiental. (4ª ed). Madrid, España. Pearson Addison Wesley.  Brooks, G. F., Carroll, C. K., Mietzner, a. T., Butel, J. S. y Morse, S. A. (2011). Jawetz, Melnick y Adelberg. Microbiología Médica. (25ª ed). D.F., México. Mc Graw Hill.  Castrillón, R. L. E., Palma, R. A. y Padilla, D. M. del C. (2011). Interferencia de las biopelículas en el proceso de curación de heridas. Dermatología RevMex. 55(3):127-139. Consultado en línea el 23 de noviembre del 2011. http://www.medigraphic.com/pdfs/derrevmex/rmd-2011/rmd113e.pdf  IUCN. (2011). Recuperado de http://www.iucn.org/es/  Madigan, M. T., Martinko, J. M. y Parker, J. (2009). Brock. Biología de los microorganismos. (12ª ed). Madrid, España. Pearson Adison-Wesley.  Prescott, L. M., Harley, J. P. y Klein, D. A. (2000). Microbiología. (4ª ed). Madrid, España. McGraw-Hill Interamericana.  Solomon, P. E., Berg, R. L. y Martin, W. D. (2008). Biología. (8ª ed). D.F., México. Mc Graw Hill.  WALEED, M. K. ZAID. (1993).Tesis doctoral: Physical Properties of Rotating Biological Contactor Biofilms. Copyright byWaleed M. K. Zahid. http://www.crabproject.com/client/files/CRAB_Best_Practice_Guidelines-Spanish.pdf

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