LOS MICROORGANISMOS EN LA BIOSFERA

Tema 19

Importancia de los microorganismos

1. Viven en todos los ecosistemas2. Gran diversidad metabólica3. Tamaño pequeño que confiere ventajas

fisiológicas4. Relación con el medio en el que viven5. Son una fuente de alimento para

organismos superiores6. Importante papel en los procesos de

descomposición de rocas7. Participación en la formación de

combustibles fósiles8. Descomponedores de materia orgánica9. Establecen relaciones con otros seres

vivos (tanto beneficiosas como nocivas)

Beneficios de los microorganismos

1. Protozoos flagelados: Degradación de celulosa y lignina en el intestino de insectos xilófagos.

2. Bacterias del intestino de rumiantes. Degradación de la celulosa por fermentación.

3. Asociación de algas y hongos: Líquenes4. Transformaciones en el ciclo de la materia5. Fuente de alimentos, bebidas, antibióticos y enzimas6. Ayudan al control de la contaminación7. Fabricación de sustancias médicas de interés mediante

ingeniería genética

Ciclos de la materia: el carbono

Ciclos de la materia: el azufre

Ciclos de la materia: el nitrógeno

Ciclos de la materia: el fósforo

Ciclos de la materia: el hierro

El ciclo de este elemento está asociado a la conversión entre sus formas Fe2+ más solubles que las Fe3+. Los microorganismos que oxidan hierro (quimiolitotrofos) producen cambios en la accesibilización del elemento a otros miembros del ecosistema.

Microorganismos y salud

Muchos microorganismos son comensales o simbiontes de otros seres vivos. En ocasiones pueden pasar a ser predadores o parásitos.

Cuando infectan a otros organismos causándoles problemas se les llama microorganismos patógenos. Los microorganismos inocuos pero que pueden convertirse en patógenos cuando cambian las condiciones del medio se llaman oportunistas:

Los patógenos pueden ser:

Generalistas: Son microbios normalmente saprófitos que infectan a otros organismos debilitados o si penetran en grandes cantidades

EspecialistasSon microbios que viven generalmente a cuenta de un hospedador. Suelen ser específicos de una especie o de especies próximas. Algunos tienen ciclos en especies diferentes que mantienen entre ellas relaciones tróficas lo que facilita su propagación.

INFECCIÓN Invasión de un ser vivo por microorganismos patógenos

Puede producir una enfermedad (no

siempre)

Depende de:

Patogenicidad o virulencia del microorganismo

Susceptibilidad del huésped

Factores ambientales

Equilibrio con la flora bacteriana autoctona

• Adherencia específica a tejidos del huésped o entrada en células específicas pasivamente o activamente.

• Penetración Una vez adherido, el microorganismo puede liberar toxinas o penetrar en el tejido y diseminarse por distintas zonas.

• Reproducción. Una vez ha entrado el microorganismo se multiplica. En general todas las infecciones pasan por tres etapas:

1. Periodo de incubación. Tiempo comprendido entre la entrada del agente hasta la aparición de sus primeros síntomas. Aquí el patógeno se puede multiplicar y repartirse por sus zonas de ataque. Varia el tiempo dependiendo de la enfermedad.

2. Periodo de desarrollo. Aparecen los síntomas característicos.

3. Convalecencia. Se vence a la enfermedad y el organismo se recupera.

Fases de la infección

Sustancias venenosas de bajo peso molecular producidas generalmente por bacterias, que causan daño en el organismo en el que se encuentran.

Toxinas

1. Exotoxinas: proteínas liberadas al medio extracelular. Entre estas destacan las enterotoxinas que producen infecciones alimentarias. Ej. Toxina botulínica.

2. Endotoxinas: lipopolisacáridos que forman parte de la pared bacteriana y por tanto permanecen unidas al microorganismo.

Exotoxinas EndotoxinasExcretadas por células vivas.Concentración grande en el medio líquido.

Parte integral de la pared celular de bacterias gram(-) . Se liberan al morir la bacteria, y durante el crecimiento. No necesitan liberarse para mostrar su actividad biológica.

Producidas por bacterias gram(-) y gram (+). Sólo se encuentran en bacterias gram(-) . Polipéptidos de alto peso molecular. Lipopolisacáridos complejos.

Relativamente inestables; Se destruyen por calentamiento a temperatura mayores de 60ºC.

Relativamente estable; resiste el calor a temperaturas mayores de 60ºC durante horas sin perder su toxicidad. Pueden resistir al autoclave.

Altamente antígena. Débilmente inmunógena.Altamente tóxica; mortal para animales en cantidades de µg o menores. Dosis letal pequeña.

Moderadamente tóxica; mortal para animales en cantidades de 10 a 100 µg. Dosis letal muy grande.

Suele unirse a receptores específicos de la célula. No hay receptores específicos en las células.

Por lo general no produce fiebre en el huésped. En general produce fiebre en el huésped.

Con frecuencia se controla por genes extracromosómicos (por ejemplo, plásmido).

Síntesis dirigida por genes cromosómicos.

Específicos para ciertos tipos de función celular.

Varios efectos pero principalmente síntomas de choque generalizado o hipersensibilidad.

Muerte bacteriana y liberación de endotoxinasliberación de

exotoxinas

endotoxinasexotoxinas

Lipido A

Robert Koch (1843-1910) fue uno de los más importantes bacteriólogos de todos los tiemposDescubrio el bacilo de la tuberculosis y el bacilo del cólera y es considerado el fundador de la bacteriología. Trabajó en el aislamiento de agentes infecciosos y reinfecciones a partir de cultivos puros, experiencias a partir de las cuales estableció los “Postulados de Koch”.

Agentes patógenos

1- El agente debe estar presente en cada caso de la enfermedad y ausente en los sanos.2- El agente no debe aparecer en otras enfermedades.3- El agente ha de ser aislado en un cultivo puro a partir de las lesiones de la enfermedad.4- El agente ha de provocar la enfermedad en un animal susceptible de ser inoculado.5- El agente ha de ser aislado de nuevo en las lesiones de los animales en experimentación.

Bacilo de koch

Términos de epidemiología

Infecciones bacterianas

Enfermedad Agente Principales síntomas

Brucelosis Brucella spp.Fiebre ondulante, adenopatía, endocarditis, neumonía

Cólera Vibrio cholerae Fiebre, diarrea, vómitos, deshidratación.

Difteria Corynebacterium diphtheriae

Fiebre, amigdalitis, membrana en la garganta: lesiones en la piel

Escarlatina Streptococcus pyogenes Fiebre, amigdalitis, eritema

Fiebre Q Coxiella burnetiiFiebre alta, cefalea intensa, mialgia, confusión, vómitos, diarrea

Fiebre tifoidea Salmonella typhi, S. paratyphi

Fiebre alta, bacteriemia, cefalalgia, estupor, tumefacción de la mucosa nasal, lengua tostada, úlceras en el paladar; hepatoesplenomegalia, diarrea, perforación intestinal

Legionelosis Legionella pneumophila Fiebre, neumonía

Tuberculosis Mycobacterium tuberculosisFiebre, cansancio, sudor nocturno; necrosis pulmonar

Tétanos Clostridium tetani Fiebre, parálisis

Infecciones por protozoos y por hongos: micosis

Infecciones por hongos

• Aspergilosis • Candidiasis • Cromomicosis • Dermatofitosis • Esporotricosis • Histoplasmosis • Otomicosis • Pitiriasis versicolor • Queratomicosis • Cigomicosis

Enfermedades infecciosas por protozoos • Leishmaniosis • Malaria • Criptosporidiosis • Toxoplasmosis • Amebiasis, etc.

ALGUNAS ENFERMEDADES PRODUCIDAS POR PROTOZOOSGrupo Especie Enfermedad Principal vía de transmisión

Flagelados Trichomonas vaginalis Infecciones del tracto genitourinario

Contacto sexual (enfermedad venérea).

Trypanosma gambiense, T.rhodesiense,

Enfermedad del sueño (africana)

Mosca tsé-tsé (Glossina palpalis).

Trypanosma cruzi Enfermedad de Chagas (americana)

Hemípteros triatómidos (chinches).

Leishmania donovani Kala-azar (americana) Mosca de los arenales (Phlebotomus)

Leishmania tropica Lesiones cutáneas, leismaniosis

(americana) Amebas Entamoeba histolytica Disentería amebiana Ingestión de cistos

(contaminación fecal).Ciliados Balantidium coli Disentería balantidiana Ingestión de cistos

(contaminación fecal).Esporozoos Plasmodium

falciparum, P.vivax, P.malariae, P.ovale

Malaria Mosquito Anopheles (hembra).

Isospora belli, I.huminis Infecciones intestinales Ingestión de cistos (contaminación fecal).

Infecciones víricasEnfermedad Agente Principales síntomas

Dengue Flavivirus Fiebre, dolor intenso en las articulaciones y músculos, inflamación de los ganglios linfáticos y erupción ocasional de la piel

Fiebre amarilla Flavivirus Fiebre alta, ictericia, sangrado de nariz y boca, vómito negro, bradicardia a pesar

de la fiebre, deshidratación

Fiebre de Ébola Filovirus Fiebre alta, postración, mialgia, artralgias, dolor abdominal, cefalea, erupciones

hemorrágicas en todo el cuerpo.

Gripe Influenzavirus Fiebre, astenia, anorexia, cefalea, malestar general, tos seca, dolor de garganta, gastroenteritis, vómitos, diarrea.

Herpes Herpesvirus Ampollas cutáneas en la boca (herpes labial), en los genitales (herpes genital) o en la piel (herpes zóster)

Poliomielitis Enterovirus Inflamación en las neuronas motoras de la columna vertebral y del cerebro que ocasiona parálisis y atrofia muscular

Rabia Rhabdovirus Fiebre, vómitos, confusión, agresividad, alucinaciones, convulsiones, parálisis, diplopía, hidrofobia, coma y muerte

Rubéola Rubivirus Fiebre, cefalea, erupciones en la piel, malestar general, enrojecimiento de los ojos, faringitis, inflamación dolorosa de ganglios alrededor de la nuca

Sarampión Morbillivirus Fiebre, erupciones en la piel, tos, rinitis, diarrea, neumonía, encefalitis

Varicela Varicela-zoster Fiebre, cefalea, malestar general, adelgazamiento, erupción cutánea en forma de ampollas

Viruela Orthopoxvirus Fiebre alta, malestar, cefalea, fuerte erupción cutánea en forma de pústulas, que dejan graves cicatrices en la piel

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 comoCon utilidades como

Estudiando los agentes infecciosos la

Microorganismos y biotecnología

Un microorganismo para ser útil en procesos biotecnológicos debe tener las siguientes características:

1. Crecer rápidamente2. Poder ser cultivado a gran escala3. Producir sustancias útiles 4. Hacerlo en poco tiempo

PRODUCTOS DE LAS CÉLULAS

Enzimas

Antibióticos

Aditivos alimenticios

Alcohol

Productos químicos

Industria alimentaria

Son procesos de fermentación, que pueden ser:

• Fermentación anoxidativa.- Sin aireación • Fermentación oxidativa.- Se inyecta aire, es una oxidación incompleta

Fermentación acética

Fermentación alcohólica

Fermentación láctica

Principales procesos de

fermentación

La fermentación acética es la fermentación bacteriana por Acetobacter, un género de bacterias aeróbicas, que transforma el alcohol en ácido acético.

La fermentación acética del vino proporciona el vinagre debido a un exceso de oxígeno y es considerado uno de los fallos del vino.

La fermentación acética

La fermentación alcohólica

Mediante este tipo de proceso se forman productos como vino, pan o cerveza.

Producción de vino

Saccharomyces Cerevisiae

Producción de cava y champan

Se sigue el llamado méthode champenoise, en el que se hace una primera fermentación alcohólica igual que en el vino, y una segunda fermentación en botella tras la adición de azucares. El CO2 generado en esta segunda fermentación es el origen de las burbujas del cava

Producción de cerveza

Se obtiene a partir de la fermentación de granos germinados de cereales (cebada, arroz o maíz. Esto es lo que se llama malteado (se generan amilasas que convierten el almidón en glucosa).

Producción de pan

Se obtiene de la fermentación de una masa formada por harina de cereales, agua, sal y levaduras.

Una vez fermentada, la masa se mete en un horno

El CO2 queda atrapado en la masa cocida, formando las burbujas que se ven en la miga del pan.

El etanol formado, se volatiliza en la cocción.

La fermentación láctica

La leche se convierte en ácido láctico por la acción de bacterias de los géneros Lactobacillus, Streptococcus o Leuconostoc.

Como resultado de la formación del ácido, baja el pH, y las proteínas se desnaturalizan y precipitan formando la cuajada, a partir de la que se elaboran los diferentes productos lácteos: queso, yogur, kefir…

La cuajada sufre una nueva fermentación a cargo de bacterias y hongos que hidrolizan las proteínas hasta dar primero aminoácidos y luego aminas, ácidos grasos y amoniaco.

Producción de queso

Los Streptococcus de la leche la agrian, generando la nata, a partir de la cual se genera la mantequilla

Producción de mantequilla

Producción de yogur

La fermentación de la lactosa (el azúcar de la leche) en ácido láctico mediante bacterias. El incremento de ácidez evita la proliferación de bacterias patógenas

Industria farmacéutica

El producto más importante que generan los microorganismos en relación a la industria farmacéutica son los antibióticos.

En biología, un antibiótico es una sustancia química que a bajas concentraciones mata o impide el crecimiento de ciertas clases de microorganismos sensibles.

Normalmente un antibiótico es inofensivo para el huésped, aunque puede producirse una reacción adversa al medicamento o afectar a la flora bacteriana normal del organismo.

Se espera que la toxicidad de los antibióticos sea superior para los organismos invasores que para los animales o los seres humanos que los hospedan

Otros productos interesantes en la industria farmacéutica son las enzimas:

• Pueden ser aplicados en industrias farmacéuticas, textiles, alimentarias, químicas…

• Su producción ha aumentado mucho con los métodos de ingeniería genética.

• Se generan en medios baratos y en condiciones aerobias.

Tipos de enzimas:

Proteasas: Industria limpieza (detergentes)Amilasas y glucoamilasas: Fabricación de edulcorantes para la industria alimentaria y tratamientos anticancerosos (dihidrofolato reductasa).

Ingeniería genética microbiana

Consiste en introducir genes de interés en bacterias, cultivarlas a gran escala, obtener la proteína correspondiente y purificarla. También se pueden obtener de esta forma organismos transgénicos.

Extración del ARNm

Traducción y obtención de la proteína

Estudio de la posible solución terapéutica

implica

Identificación y aislamiento de GENES TERAPÉUTICOS

Producción de medicamentos

Obtención de ORGANISMOS

TRANSGÉNICOS

para

Conseguir órganos para trasplante

Ingeniería genética

Sustancias obtenidas por ingeniería genética

Fármacos

Vacunas

Hormonas

Esteroides

Otros usos

Proteínas

Vitaminas

Plaguicidas

Como fuente de alimentos

No son tóxicos para el ser humano o los

animales

Microorganismos y medio ambiente

Biotecnología ambiental

Biorremediación

Biodegradación

Proceso que utiliza microorganismos, hongos, plantas o las enzimas derivadas de ellos para retornar un medio ambiente alterado por contaminantes a su condición natural.

Es el resultado de los procesos de digestión, asimilación y metabolización de un compuesto orgánico llevado a cabo por bacterias, hongos, protozoos y otros organismos

Pseudomonas

Biodegradación del petróleo

La biodegradación microbiana del petróleo es un proceso complejo que consiste en transformarlo en otros compuestos más solubles e inestables.

Esta se lleva a cabo por acción de monooxigenasas y dioxigenasas, enzimas que oxidan a los hidrocarburos con incorporación directa de oxígeno molecular.

Cada una de estas enzimas controla un paso de las vías metabólicas, por las cuales las sustancias tóxicas son transformadas en productos no tóxicos.

La inoculación directa de microorganismos degradadores de petróleo, principalmente bacterias, ha sido estudiada como una vía para disminuir las consecuencias nocivas de un derrame.

En los procesos de biorremediación se necesita la adición de fertilizantes (N, P, Fe) que equilibren el exceso de carbono aportado al medio por el petróleo, facilitando su degradación por la microbiota petroleolítica. Dicha microbiota puede limitarse a la que coloniza espontáneamente el espacio afectado, o reforzarse con siembras procedentes de cultivos masivos preparados ad hoc con recursos muy simples.

A su vez, el refuerzo puede contener únicamente especies autóctonas o incluir alóctonas que cumplan las siguientes restricciones:

1) no modificadas genéticamente2) no fotosintéticas3) no parásitas4) no productoras de esporas u otras formas de resistencia.

Tratamiento de aguas residuales

Aguas residuales

Materia orgánica

Materia inorgánica

Restos de comida, pesticidas, abonos, plasticos

Metales, lodos y arcillas…

En las plantas depuradoras ( E.D.A.R.) se realiza el proceso de separación de estos compuestos y posteriormente, a través de distintos tratamientos en los que participan los microorganismos se van eliminando hasta devolverla al medio en unas condiciones aceptables.

Esquema EDAR

Agua residual Desbaste Desarenado desengrasado

Depósitos de laminación

Decantación primaria

Tratamiento secundario: Fangos

activos o lechos bacterianos

Decantación secundaria

Tratamiento de afino filtración, desinfecciónReceptor natural

FangosDigestiónEspesamiento Deshidratación

Al vertedero, incineradora, compostaje

Producción de energía

Metano

Fermentación de la materia orgánica en una E.D.A.R.

TANQUES CERRADOSDigestión enzimática de la

MO por fermentación.Después de varios procesos

se obtiene metano

TANQUES ABIERTOSProceso aerobio (oxidación

de la MO)

Se obtiene CO2,NH3, e iones nitrato, sulfato y fosfato

Zooglea ramigera

MethanosarcinaAeromonas

SyntrophomonasSyntrophobacter

Methanococcus

El agua una vez eliminada la materia orgánica en los tanques, se somete a una potabilización antes de verterla de nuevo al río. Es importante la eliminación de compuestos inorgánicos (nutrientes de las algas) para evitar la eutrofización del medio natural donde se vierten las aguas.

Para medir la materia orgánica presente en el agua se mide la DBO (demanda biológica de oxígeno).

Materia orgánica

Cantidad de oxígeno

necesaria para degradarla

+

Una EDAR puede reducir la DBO inicial del agua en un 90%

Microorganismos y minería

Biolixiviación es el conjunto de reacciones químicas que tienen como resultado la disolución de minerales de baja ley o casi agotados por parte de bacterias para obtener la energía que necesitan a expensas de sustancias inorgánicas, liberando de paso metales de interés comercial.

En el caso de la extracción de petróleo, se utilizan polisacaridos de origen bacteriano (de Xantomonas), que inyectados junto con agua a presión permiten obtener los restos de petróleo (petróleo cautivo) de un yacimiento.

Estos microorganismos son denominados quimiolitoautotróficos por ser bacteriasque comen piedras, destacándose entre todos ellos el Thiobacillus ferrooxidans

Las bacterias son capaces de oxidar entre otros, los siguientes sulfuros:

Pirita (FeS2), Calcopirita (CuFeS2), Cobaltita (CoAsS), Bravoita (Ni,Fe)S2,

Antimonita (Sb2S3), Molibdenita (MoS2), Esfalerita (ZnS), Galena (PbS)

Leptospirillum ferrooxidans

Sulfobacillus

Microorganismos y biocarburantes

Biocarburantes

BiodieselLipasas de Candida, Pseudomonas o Penicillium para la esterificación de

trigliceridos de distinto origen

Bioetanol Fermentación alcohólica de azucares vegetales

El Biodiesel es un combustible liquido que se obtiene a partir de materias primas renovables, como aceites y grasas vegetales y/o aceites de fritura usados, y es asimilable al gasóleo de automoción de origen fósil (petróleo). Los aceites vegetales que se utilizan suelen ser la soja, la colza, la palma y el girasol.

El proceso de fabricación es una esterificación que consiste en combinar el aceite (normalmente aceite vegetal) con un alcohol ligero, normalmente metanol. Los ésteres obtenidos son equivalentes al gasóleo y deja como residuo de valor añadido propanotriol (glicerina) que puede ser aprovechada por la industria cosmética, entre otras.

Aceites vegetales

Mezcla con etanol/ metanol

Transesterificación Obtención de biodiesel y glicerina

Ventajas

1. El biodiésel disminuye de forma notable las principales emisiones de los vehículos, como son el monóxido de carbono y los hidrocarburos volátiles, en el caso de los motores de gasolina, y las partículas, en el de los motores diésel.

2. La producción de biodiésel supone una alternativa de uso del suelo que evita los fenómenos de erosión y desertificación a los que pueden quedar expuestas aquellas tierras agrícolas que, por razones de mercado, están siendo abandonadas por los agricultores.

3. El biodiésel supone un ahorro de entre un 25% a un 80% de las emisiones de CO2 producidas por los combustibles derivados del petróleo, constituyendo así un elemento importante para disminuir los gases invernadero producidos por el transporte.

4. No tiene compuestos de azufre por lo que no los elimina como gases de combustión.

Inconvenientes

• La explotación de plantaciones para palmas de aceite (utilizadas para hacer biodiésel) fue responsable de un 87% de la deforestación de Malasia, Sumatra, y Borneo, con la consiguiente destrucción de muchos ecosistemas y desalojo de indígenas.

• Tiene una menor capacidad energética, aproximadamente un 3% menos, aunque esto, en la práctica, no es tan notorio ya que es compensado con el mayor índice cetano, lo que produce una combustión más completa con menor compresión.

• El rendimiento promedio para oleaginosas como girasol, arroz, algodón, soja o ricino ronda los 900 litros de biodiésel por hectárea cosechada. Esto puede hacer que sea poco práctico para países con poca superficie cultivable.

Bioetanol

El alcohol etílico o etanol es un producto químico obtenido a partir de la fermentación de los azúcares que se encuentran en los productos vegetales, tales como cereales, remolacha, caña de azúcar, sorgo o biomasa. Estos azúcares deben ser primero hidrólizados y luego se someten a una fermentación (bacterias y levaduras).

En este proceso se obtiene el alcohol hidratado, con un contenido aproximado del 5% de agua, que tras ser deshidratado se puede utilizar como combustible. El bioetanol mezclado con la gasolina produce un biocombustible de alto poder energético con características muy similares a la gasolina pero con una importante reducción de las emisiones contaminantes en los motores tradicionales de combustión.

Las ventajas e inconvenientes de este biocombustible son similares al caso del biodiésel.

Maíz Trigo

Cebada Sorgo

MaderaResiduos de podas

RSU

Remolacha Caña de azúcar

Melaza

HidrólisisHidrólisisAlmidones CelulosasAzúcares

Fermentación, Destilación

Deshidratación

Etanol hidratado

Etanol