MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL COMUNIDADES MICROBIANAS

1 Q.F.B ROSALBINA DE LA CRUZ DAVILA

VIDEO

• http://www.youtube.com/watch?v=53SCMpbEwNc

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ECOLOGÍA MICROBIANA

Ciencia que explora las interrelaciones de los microorganismos con el ambiente en que se desarrollan.

Ambiente

Conjunto de factores tanto abióticos (físicos y químicos) como bióticos (biológicos) que actúan sobre un ser vivo

Ecosistema

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COMUNIDADES MICROBIANA

Comunidad

Gremio

Población

Individuo

COMUNIDADES MICROBIANA

• Ecosistema: Conjunto de comunidades y microorganismos que coexisten en un ambiente.

• Comunidad microbiana: conjunto integrado de poblaciones microbianas que están presentes e interactúan dentro de un determinado lugar llamado hábitat.

• Gremio: Agrupación de poblaciones que utilizan los mismos recursos ej. contribuyendo cada uno con sus enzimas para completar una vía metabólica.

• Población: Conjunto de individuos de una misma especie de microorganismo.

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P1 P2 P3 P4 P5 P6

Gremio 1 Gremio 2 Gremio 3

P7 P8

Gremio 4

Comunidad 1 Comunidad 2

Ecosistema 1

(en ambiente 1)

ROL DE LOS MICROORGANISMOS EN SU HÁBITAT NATURAL

SUELO • Producción de cambios en la materia orgánica,

originando compuestos nutritivos inorgánicos

para los vegetales.

• Son microorganismos desintegradores y transformadores (reciclan la materia en los ecosistemas).

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AGUA

-En este hábitat abundan los microorganismos fotosintéticos, que son los productores primarios de la cadenas trófica, y que constituyen el fitoplancton. -En determinados lugares, la población de microorganismos es tan extraordinaria que conduce al agotamiento del oxígeno del medio, entonces el medio está eutrofizado. -Tanto en el suelo como en el agua, los microorganismos intervienen de forma activa en los ciclos que experimenta la materia en los ecosistemas.

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• Las poblaciones dentro de una comunidad interactúan con cada una de las otras de un modo integrado, dentro del hábitat.

• Cada población como miembro de la comunidad cumple un rol específico denominado nicho (ocupación o función)

Dentro de una comunidad las poblaciones compiten para ocupar los

nichos disponibles, logrando su establecimiento.

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Los primeros en colonizar el área

Sucesión de poblaciones Las mejores adaptadas desplazan a las

que originalmente ocupan el nicho.

En los últimos tiempos, la preocupación por la calidad ambiental ha tenido como

efecto un mayor interés por la ecología microbiana

IMPORTANCIA DE LA ECOLOGÍA MICROBIANA

• Los microorganismos son capaces de reciclar muchos materiales (papel clave en la descomposición de muchos residuos humanos e industriales que se vierten a cuerpos de agua o al suelo).

• La calidad y la productividad de las aguas naturales están relacionadas, en gran medida, con su población microbiana.

• El aire limpio, sin polvo, tiene relativamente pocos microorganismos.

• La seguridad de la calidad ambiental está íntimamente relacionada con la flora bacteriana presente.

Los microorganismos también pueden utilizarse como indicadores de calidad ambiental. (contaminación fecal de los cuerpos de agua son la Escherichia coli)

El uso de microorganismos nos permite: - La restauración ambiental - La producción del alimento - La bioingeniería de productos útiles como: - antibióticos, - suplementos del alimento - productos químicos. - producción de hormonas

Sedimentos

ESTRUCTURA DE UNA COMUNIDAD MICROBIANA EN UN SISTEMA LACUSTRE

Gremio 1: Bacterias metanogénicas (CO2 CH4)

Bacterias homoacetógenas (CO2 acetato)

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

Bacterias reductoras de sulfuro (So H2S)

Gremio 3: Bacterias denitrificantes (NO3- N2)

Bacterias reductoras de hierro férrico (Fe3+ Fe2+)

Gremio 4: Bacterias fermentadoras (de azúcares, aminoácidos )

Comunidad 1 Zona fótica: cianobacteri

Fotótrofos oxigénicos

6CO2 + 6H2O

C6H12O6 + 6O2

Comunidad 2 Zona óxica:

Aerobios y facultativos

6CO2 + 6H2O

C6H12O6 + 6O2

Comunidad 3: zona anóxica (fermentadores y otros anaerobios) C O M U I D A D

ASOCIACIONES MICROBIANAS EN ECOSISTEMAS

Los microorganismos de un ecosistema presentan asociaciones e interacciones : (Acción, relación o influencia recíproca entre dos o más personas o cosas)

• Entre microorganismos

• Entre microorganismos y organismos superiores.

Principio de Allee: incluso en una misma población pueden tener lugar interacciones positivas y negativas.

• Estas interacciones dependen de la densidad de población.

• Las interacciones positivas (cooperación) aumentan la tasa de crecimiento de una población, predominan cuando la densidad de población es baja.

• Las interacciones negativas (competencia) disminuyen la velocidad de crecimiento de una población, predominan cuando la densidad de población es alta.

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ASOCIACIONES MICROBIANAS EN ECOSISTEMAS

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

Sp1/sp2 Relación Descripción

0/0

+/0

+/+

+/-

-/-

-/0

Neutralismo

Comensalismo

Mutualismo

Cooperación

Depredación

Parasitismo

Competencia

Amensalismo

Los miembros de la relación no se afectan por

crecer en el mismo ambiente.

Un miembro se beneficia, y el otro no se afecta

Ambos miembros de la asociación se

benefician

Uno de los miembros de la asociación es

inhibido o destruido con beneficio para el

otro

Ambos sufren estrés por competir por

recursos escasos ( nutrientes, espacio, luz).

Un miembro perjudica al otro, sin perjudicarse

ni beneficiarse

Entre microorganismos diferentes

Competencia:

Escherichia coli y Staphylococcus aureus crecen bien en cultivo puro pero cuando crecen juntas, S. aureus crece menos porque E. coli tiene un tiempo de generación más corto y agota rápidamente los nutrientes

Mutualismo: Interacciones del microorganismos - microorganismos :

líquenes.(el hongo depende del organismo fotosintético para su metabolismo, y el alga depende del agua y sustancias minerales que le proporciona el hongo además de estar protegido de la radiación solar por las hifas del hongo)

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COMPETENCIA

inhibición de Phytium por Pseudómonas fluorescens en un medio con falta de Fe. Esta Esta inhibición no ocurre cuando al medio se agrega Fe.

Q.F. MONICA GUADALPE RETUERTO FIGUEROA 19

PARASITISMO

Hifas de Trichoderma sp. envolviendo hifas

de Rizopus sp.

PARASITISMO

• Organismo que se nutre a partir de células, tejidos o fluídos de

otro organismo (hospedero) el que generalmente es injuriado en el proceso

• El cuerpo del hospedero se considera como un microambiente que protege y mantiene al parásito.

• Puede vivir en la superficie (ectoparásito) o internamente (endoparásito)

• Hospedero final: el parásito se puede reproducir en él

• intermediario: ambiente temporal

• de transferencia: sirve de vehículo para llegar al último

• reservorio: también puede afectar a humanos

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21

Bdellovibrio bacteriovorus Parasitando una célula de Pseudomonas phaseolicola

b) Ciclo vital de Bdellovibrio

PREDACION • Período de contacto generalmente corto y la presa es

muerta y digerida rápidamente.

• El predador vive, por lo general, libre y es de mayor

• tamaño que la presa

⇒ hongos - nemátodos

hongos - protozoos

protozoos - bacterias

hongos-hongos

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PREDACIÓN Y PARASITISMO

b.- Bacterias productoras de enzimas líticas (quitinasa, glucanasa) hidrolizan paredes fúngicas.

a.- Hongos predatores de hongos, de nematodos, Trichoderma sp.(hongo) produce antibióticos y enzimas que lisan pared de hongos y otros organismos

c.- Protozoarios predatores de bacterias patógenas

INTERACCIONES DE LOS MICROORGANISMOS CON PLANTAS Y ANIMALES:

Interacciones Planta-Microorganismos

Simbiosis Mutualista: Rhizobium: convierte el nitrógeno a una forma que puede ser utilizado por las plantas.

Parasitismo: enfermedad

Interacciones Animal-Microorganismos

Simbiosis Mutualista: Microflora benéfica del tracto intestinal.

Parasitismo: enfermedad

- En esta acción ninguna de las dos población se afecta, es decir, las dos especies son independiente.

- la relación es 0,0

- Modificación del hábitat - Producción de factores de crecimiento - Transformación de compuestos (insolubles en solubles, etc.) - Disponibilidad de compuestos - Conversión de moléculas orgánicas en sustratos - COMETABOLISMO: Eliminación o neutralización de un material tóxico. Ejem: n-alcanos – acetato - Candida cloacae

Comensalismo (0,+)

Neutralismo (0,0)

COMENSALISMO (0,+)

Energía + CO + H O 2 2

Ciclohexano Ciclohexanol

Ciclohexanona

Pseudomonas

Cometabolismo Metabolismo asimilatorio Energía + CO + H O 2 2

Mycobacterium vaccae

Propano

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COMETABOLISMO Los microorganismos son conocidos por tener la habilidad de transformar moléculas orgánicas en productos orgánicos.

3,4-Dicloropropionanilida (Propionil)

Ac. Propiónico + 3,4-Dicloroanilina

3-3,4-4’-Tetracloroazobenceno

(Acilamilasa)

(Peroxidasa)

(TÓXICO)

(NO TÓXICO)

(TÓXICO)

Penicillium piscarium

Geotrichum candidum

COMETABOLISMO

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Arthrobacter + Streptomyces

Diazinón Insecticida organofosforado

degradación

Mineralización del anillo pirimidínico

Energía y fuente de C

Pseudomonas stutzeri

Parathion Dietiltiofosfato + p-nitrofenol

Pseudomonas aeruginosa

Mineralización

Productos de excrección

COMETABOLISMO: Degradación de pesticidas con o sin producción de sustratos posteriormente utilizables:

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-Relación obligada en un determinado hábitat entre dos poblaciones en las que ambas se benefician - Los microorganismos actúan como si fueran un único organismo.

HONGOS (Ascomicetos, Basidiomicetos) +

ORGANISMOS FOTOSINTÉTICOS (Cianobacterias, Clorofitas, Xantofitas)

TIPOS DE RELACIONES MUTUALISTAS:

PROTOZOOS +

ORGANISMOS FOTOSINTÉTICOS (Clorofitas)

PROTOZOOS +

ORGANISMOS FOTOSINTÉTICOS (Pirrofitas, crisofitas)

PROTOZOOS +

ORGANISMOS FOTOSINTÉTICOS (Cianobacterias)

PROTOZOOS +

Eubacterias o Arqueas

MUTUALISMO (SIMBIOSIS) (+,+)

LÍQUENES MUTUALISMO

TIPOS MORFOLÓGICOS

CRECIMIENTO: Lento pero pueden colonizar ambientes hostiles

Líquenes en el desierto de Namib

Líquenes sobre piedras de la Antártida

Peltigera un liquen típico

de la TUNDRA (nieves perpetuas)

• Se establece cuando dos poblaciones utilizan los mismos recursos. • Densidades máximas más bajas. • Tasas de crecimiento menores. • Separación ecológica: PRINCIPIO DE EXCLUSIÓN COMPETITIVA - Mayor tasa de crecimiento - Tasa de crecimiento variable - Tolerancia al estrés ambiental

COMPETENCIA (-,-)

COMPETENCIA •NUTRICIONAL: por el C, N , P, Fe

•ESPACIO, OXIGENO, LUZ

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•Fusarium oxysporum solo (izq) •y con Agrobacterium radiobacter (der)

CARACTERÍSTICAS DE UN BUEN

COMPETIDOR

• Alta velocidad de crecimiento

• Adaptado a amplias condiciones ecológicas

• Tolerancia a fluctuaciones del ambiente

• Capacidad de multiplicarse a bajas concentraciones de factores limitantes

• Pocos requerimientos en factores de crecimiento

(protótrofos con ventaja frente a auxótrofo, en ambientes pobres)

• Movilidad

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EFECTO DE LAS CONDICIONES AMBIENTALES SOBRE EL CRECIMIENTO DE LOS MICROORGANISMOS

» Temperatura » Radiación

» Salinidad

» pH » Oxígeno

» Nutrientes

» Actividad de agua

TEMPERATURA

Ambientes:

- Bajas temperaturas: >90% océanos temperatura <5

C

- Temperatura ambiente o corporal: 20-45

C

- Altas temperaturas: Regiones volcánicas, procesos de compostaje

Psicrófilos temperaturas óptimas <15oC

(15-20

C)

Sintetizan enzimas que funcionan bien en frío y la membrana plasmática contiene

mas ácidos grasos insaturados

Mesófilas 20 a 45oC

Termófilas Óptima >55oC (Arqueas)

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

Sintetizan enzimas mas estables al calor, presentando cambios en sus aminoácidos que le dan una forma

diferente y la membrana plasmática contiene ácidos grasos saturados (proteínas del choque térmico)

Temperatura (

C)

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

Psicrófilo

Flavobacterium

sp

Mesófilo

Escherichia

coli

Termófilo

Bacillus

stearothermophilus

Hipertermólfilo

Termococcus

sp

Hipertermólfilo

Pyrodictium

sp

TEMPERATURAS OPTIMAS DE DIVERSOS ORGANISMOS

13 C

39 C

60 C

80 C

105 C

Radiación

• Intensidad y tiempo de exposición

• Rayos Gamma, rayos X, UV son dañinos

Radiación

Mutágeno: -Producción de daños menores al ADN que pueden repararse por mecanismos propensos a error.

-Afecta procesos de membrana y su estructura.

SALINIDAD

~ Ambientes acuáticos: 0.05% de sales

~ Marinos: 3.5% de sales

~ Hipersalinos: 25 a 30% de sales

- Halotolerantes

- Halofílicos moderados(5-20%SAL)

- Halofílicos extremos (15- 36% sal)

Acitividad de

agua, aw

Material Organismos que crece

1,00

0,95

0,980

0,950

0,900

0,850

0,800

0,750

0,700

Agua pura

Sangre humana

Agua marina

Pan

Jarabe de arce, jamón

Chorizo

Pasteles de frutas, mermeladas

Pescado salado

Cereales, caramelos

Caulobacter, Spirillum

Streptococcus, Escherichia

Pseudomonas, Vibrio

Bacilos Gram positivos

Cocos Gram positivos

Levaduras

Hongos filamentosos

Halobacterium, Halococcus

Hongos xerofílicos

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

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

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

ACTIVIDAD DE AGUA

ACTIVIDAD DEL AGUA

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Neutrófilos:

Acidófilos:

Alcalófilos:

6.0 a 8.0

3.0

10.5

pH

(7.5)

(6.5)

(9.5)

pH

interno límites

externos

1.0 a 5.0

5.5 a 8.5

9.0 a 11.0

suelos y aguas altamente carbonatadas producen proteasas para detergentes

pH

Aerobios obligados

Facultativos

Anaerobios obligados

Requieren específicamente oxígeno como aceptor de Electrones (H)

Requieren una sustancia diferente al oxígeno como aceptor de electrones

Capaces de vivir aerobia o anaeróbicamente

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

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

Oxígeno

Catalasa

H2O2 H2O2 + 2 H2O + O2

Peróxidasa

H2O2 + NADH + H+ 2H2O + NAD+

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

O2 + e- O2-

Superóxido O2 + e- + 2H H2O2

Peróxido de H H2O2 + e- + H+ H2O2 + OH

Radical hidroxilo OH + e- + H+ H2O

Productos

tóxicos

del

metabolismo

del oxígeno

Enzimas que descomponen los productos tóxicos del oxígeno:

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

* ENERGÍA

* CARBONO

* NITRÓGENO

* AZUFRE

* FÓSFORO

* IONES INORGÁNICOS

* FACTORES DE CRECIMIENTO

* AGUA

NUTRIENTES

Todos los microorganismos

requieren una fuente de

energía para:

• FOTOTROFOS Luz

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

1. Biosíntesis

2. Movilidad

3. Transporte de

nutrientes

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

- Quimioorganotrofos

- Quimiolitotrofos

* ENERGÍA

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

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

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

HETERÓTROFOS: Utilizan compuestos orgánicos como fuente de carbono (que se debe encontrar en forma asimilable)

CARBONO

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

Los microorganismos son muy versátiles en las fuentes de nitrógeno que utilizan:

• Nitrógeno atmosférico (fijadores)

• Compuestos inorgánicos de nitrógeno

• Compuestos orgánicos nitrogenados

NITRÓGENO

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

Diversidad en la utilización de las fuentes de azufre:

• Compuestos orgánicos de azufre: como aminoácidos azufrados

• Compuestos inorgánicos de azufre: sulfatos

• Azufre elemental

* AZUFRE

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

Fuentes de fósforo: en forma de fosfatos orgánicos o inorgánicos

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

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

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

* FÓSFORO * IONES INORGÁNICOS

Diversidad de especies microbianas

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

• 1 gramo de suelo contiene 1000.000.000 mil millones de microbios

Dinámica de poblaciones

• Un tipo de microorganismos prospera en su ambiente sólo mientras las condiciones son favorables para su crecimiento y supervivencia.

Un cambio físico o químico , como agotamiento de nutrientes o cambio en el pH o la temperatura

hace las condiciones de crecimiento más

favorables para otra especie

el organismo adaptado a las condiciones prevalecientes antes cede su lugar a un organismo mejor adaptado a las nuevas.

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CICLOS BIOGEOQUIMICOS

CH4

CO2 atmosférico

Metanógenos

Humus Cianobacterias y algas

Descomposición

CO2

Quimiorganótrofos Bacterias

metanotróficas

MICROORGANISMOS EN EL CICLO DEL CARBONO

SO2

SO2

Putrefacción

HS-R

CaSO4

FeS

SO24

O2

H2S (g)

HS

S 0

SO24

Reducción

desasimilatoria

Ambiente

óxico SO24

Ambiente

anóxico SO24

HS

Bacterias

quimiolitotróficas

oxigénicas

Bacterias

fototróficas

anoxigénicas

Reducción

asimilatoria

S 0

MICROORGANISMOS EN EL CICLO DEL AZUFRE

Nitrificación en 2 pasos:

- Nitrosomonas, que oxida el NH3 a nitritos (NO2

)

- Nitrobacter, que oxida el

NO2 a nitrato (NO3

)

Desnitrificación conversión desasimilatoria de NO3

a N2,

NO y N2O. Retorno del nitrógeno a la atmósfera y empobrecimiento del suelo

Reducción asimilatoria del nitrato por las plantas. Conversión de NO3 en forma orgánica

Nódulos leguminosos con

Rhizobium NO, N2, N2O

NH3

NO3

N2 atmosférico

Descomposición de compuestos

orgánicos de nitrógeno, por bacterias

amonificantes (a pH neutro se

encuentra como radical NH4+ )

Amonificación

MICROORGANISMOS EN EL CICLO DEL NITRÓGENO

AGRICULTURA Y

GANADERÍA

ASPECTOS

NEGATIVOS

ASPECTOS

POSITIVOS

LIXIVIACIÓN

MICROBIANA

FERMENTACIONES

FARMACIA

BIOTECNOLOGÍA

OBTENCIÓN

DE ENERGÍAS

LUCHA CONTRA LA

CONTAMINACIÓN

MICROBIOLOGÍA

CLÍNICA

CONSERVACÍÓN DEL

MEDIO AMBIENTE

SALUD

Tienen importancia para el hombre en

campos como

LOS MICROORGANISMOS

• Organismos patógenos

• Plantas leguminosas

• Animales rumiantes

con

INDUSTRIA

Con utilidades como Con utilidades como

Estudiando los

agentes infecciosos la

IMPORTANCIA PARA EL HOMBRE DE LOS MICROORGANISMOS

MECANISMOS QUE

CONTRIBUYEN

DEPENDE DE

NO

SIEMPRE

PRODUC

E UNA

• Infección que produce

daños en el huésped

• Invasión de un ser vivo por

microorganismos patógenos.

INFECCIÓN

ENFERMEDAD

Susceptibilidad del huesped.

Grado de patogenicidad o

virulencia del microorganismo.

Factores ambientales.

Equilibrios o desequilibrios en

la flora bacteriana normal.

Invasión y destrucción de tejidos.

Toxinas que inducen una pérdida

de funcionalidad.

Escape a la respuesta

inmunitaria.

ENFERMEDADES Y MICROORGANISMOS

BIBLIOGRAFIA.

• Robertis y Robertis. Biología Celular y Molecular.2004

• http://www.biol.unlp.edu.ar/ecologiamicrobiana/intpobmic.pdf.

• http://www.scielo.org.ar/scielo.php?pid=S0325-75412011000200011&script=sci_arttext.

• Clases de Mg. Q.F. Mirtha Roque Alcarraz.

• http://www.fagro.edu.uy/~microbiologia/docencia/materiales%20teoricos/genetica.pdf

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