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Lillian Frioni (*)

PROCESOS MICROBIANOS

EDITORIAL DE LA FUNDACION UNIVERSIDAD NACIONAL DE RIO CUARTO

ARGENTINA

1999Esta Editorial es miembro de la Red de Editoriales

Universitarias NacionalesGeneral Paz 1141 - Telefax (058) 4642727

(5800) Ro Cuarto

Armado e Impresin: Departamento de Imprenta y PublicacionesU.N.R.C. 1999ISBN: 950-665-109-4ISBN: 950-665-110 (Obra completa)Queda hecho el depsito que marca la ley 11.723Impreso en Argentina - Printed in ArgentinaQueda prohibida la reproduccin total o parcial del texto de la presente obra en cualquiera de sus formas,electrnica o mecnica, sin el consentimiento previo y escrito del autor y del Editor.


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(*) Lillian Frioni es Profesora Titular de Microbiologa en la Facultad de Agronoma (Universidad de laRepblica del Uruguay). Trabaj por ms de 10 aos en la Facultad de Agronoma y Veterinaria de laUniversidad Nacional de Ro Cuarto y en la de Rosario, Santa Fe. Colabor tambin con la Facultad deCiencias Agronmicas de la Universidad Nacional de Crdoba, en la Argentina.Realiz estudios en la Universidad de la Repblica de Uruguay, en la Universidad de Orsay (Pars), en elCentro de Pedologa Biolgica de Nancy (Francia), en el Instituto Pasteur de Pars y en el Laboratorio de

Sistemas Simbiticos Fijadores de Nitrgeno Tropicales de Nogent sur Marne, Francia.Procesos Microbianos es su segundo libro. El primero: Ecologa Microbiana del Suelos fue editado endiciembre de 1990 por la Universidad de la Repblica del Uruguay, luego de obtener un premio de laColeccin Reencuentro (Universidad-Banco de la Repblica Oriental del Uruguay).Procesos Microbianosfue editado por la Fundacin de la Universidad Nacional de Ro Cuarto (Argentina)en 1999. Como la edicin se encuentra agotada, se decidi brindar la presente versin electrnica, mientrasse edita el prximo texto: Microbiologa,versin ampliada y corregida del anterior, prevista para el 2005.

Direccin: Laboratorio de Microbiologa, Departamento de Biologa Vegetal, Facultad deAgronoma, Av. Garzn 780, Montevideo, UruguayCorreo electrnico: [email protected]: 598 2 3590436


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Indice

Prlogo

Los microorganismos1) Caracteres generales de los microorganismos, clularas procariota y eucariota y supresencia en los microorganismos. Los virus. Transferencia de material gentico en procariotas

2) Estrategias nutritivas y bioenergticas en los microorganismos. Fotosntesis, respiracionesy fermentaciones en procariotas y eucariotas. Efecto del ambiente: temperatura, pH, presinosmtica, gases, sustancias qumicas

3)Los protistas inferiores: bacterias tipicas, actinomicetes y cianobacterias, las arqueobacterias.Criterios taxonmicos, efecto del ambiente, principales funciones en la naturaleza

4) Los protistas superiores: algas, hongos, protozoos. relaciones evolutivas, caractersticasnutricionales, efecto del ambiente y funciones en ecosistemas naturales

Ecologa microbiana5)Nociones de jerarqua ecolgica. Ambientes microbianos: acuticos, terrestres. Mtodos deestudio en ecologa microbiana: actividad biolgica global, enzimtica, metablica. Gruposfisiolgicos. Biomasa microbiana. Reconocimiento de los microorganismos por tcnicasmoleculares

Procesos microbianos en la conservacin y produccin de alimentos6) Fermentaciones lctica y alcohlica. Aplicaciones biotecnolgicas: leche y derivados,ensilados. Uso de las levaduras, produccin de etanol. Los microorganismos como fuentes deprotenas

Procesos microbianos en los ciclos biogeoqumicos7) Transformaciones de la materia orgnica y mineral por procesos microbianos de:mineralizacin-inmovilizacin, oxido-reduccin, solubilizacin-precipitacin, fijacin-volatilizacin.Caractersticas de los ciclos del carbono y del nitrogno

8) Degradacin de la materia orgnica. Glcidos simples, polmeros de reserva y de paredvegetal: almidn, celulosa, sustancias pcticas. Sustancias aromticas: fenoles y derivados,lignina, taninos. Los hidrocarburos. Humificacin: procesos de humificacin y deshumificacin

9)Mineralizacin-inmovilizacin del nitrgeno:Amonificacin y nitrificacin. Microoganismos,ecologa y rol para los vegetales y el ambiente. Ciclo interno del nitrgeno, biomasa microbiana.Prdidas de nitrgeno, desnitrificacin

10)Ciclos de otros elementos; azufre, fsforo, hierro: Procesos microbianos, microrganismosy ecologa

Los microorganismos y los animales11) Microorganismos del rumen: mtodos de estudio, bacterias, protozoos y hongos. Actividad

biolgica y asociaciones microbianas.Procesos microbianos en las interacciones con los vegetales12) La rizosfera, filosfera, espermatosfera, mantillos. Mtodos de estudio. Compuestos liberadospor las races y metabolitos microbianos. Efectos rizosfrico sobre grupos microbianos. Ecologa


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13) Interacciones biolgicas entre microorganismos. Neutralismo. Sinergismo: comensalismo,protocooperacin o simbiosis nutricional, simbiosis. Antagonismo: competencia, amensalismo,predacin, parasitismo. Funciones en los ecosistemas

14) Fijacin biolgica del nitrgeno (FBN) por diazotrofos en vida libre y en la rizosfera.Bioqumica de la FBN, la nitrogenasa. Proteccin frente al oxgeno. Fijacin por autotrfos: bacterias

fotosintticas anoxignicas, cianobacterias. Por hetertrofos:Azotobacter, Azospirillum, Clostridium.

15) Fijacin de nitrgeno por la simbiosis rhizobio-leguminosa. Las leguminosas. La bacteria:taxonoma, requerimientos nutritivos. Nodulacin y estructura nodular. Gentica y factores limitantes dela FBN: fsicos, nutrientes, el N-combinado, otros microorganismos. Inoculacin.

16) Simbiosis fijadoras de nitrgeno en no-leguminosas. Ndulos tipo Cycas, tipo Parasponia.Asociaciones con Frankia (actinorrizas).Especies noduladas, distribucin y usos. Aislamiento y cultivodel endofito. Nodulacin, fijacinde nitrgeno, perspectivas.

17) Las micorrizas. Tipos ms importantes: ectomicorrizas y endomicorrizas del tipo arbuscular.Interaccin entre los hongos y las races. Hongos simbiticos, posibilidades de cultivo y formulacin deinoculantes. Ecologa y manejo de estas simbiosis.

Procesos microbianos promotores del crecimiento vegetal18) Promocin del crecimiento vegetal por mecanismos directos: liberacin de sustanciasprobiticas, fitohormonas, mineralizacin, solubilizacin de nutrientesPor mecanismos indirectos: Control biolgico de microorganismo fitopatgenos.Seleccin deantagonistas (bacterias, hongos), evaluacin de efectos. Formulaciones comerciales.

Procesos microbianos en la proteccin ambiental19) Biodegradacin de restos orgnicos. En aerobiosis: residuos lquidos (piletas y reactores),slidos: compostaje:fases del msmo, microflora, productos finales y aplicaciones. En anaerobiosis:metanognesis, etapas del proceso, metanobacterias. Aplicaciones del biogs y del biofertilizante.

20) Biodegradacin de xenobiticos. Inorgnicos: metales pesados, orgnicos: pesticidas,molculas recalcitrantes. Biorremediacin de suelos: procesos microbianos en la degradacin desustancias slidas.

21) Anexo PrcticoIndicadores biolgicos de la calidad del suelo: actividades respiratorias, enzimticas, biomasamicrobiana (Fumigacin-inoculacin, Fumigacin-extraccin.Recuentos microbianos: microflora heterotrfa total, actinomicetes, hongos, algas, protozoos,Ciclo biolgico del carbono:celulolticos, amilolticosCiclo biolgico del nitrgeno: FB por organismos en vida libre y en la rizosfera: aislamientos yrecuentos, efectos rizosfricos (R/S), actividad nitrogenasa. Simbiosis fijadoras de N2: seleccin decepas de rhizobio, reconocimiento y recuentos: totales, viables en caja, en planta. Inoculacin deleguminosas. Aislamiento de Frankia, medios de cultivo, inoculacin.Mineralizacin del N y prdidas: amonificacin, nitrificacin, desnitrificacin. Tcnicas ecolgicas.Ciclo biolgico del azufre: aislamiento de sulfooxidantes y sulfatorreductores, recuentos.Ciclo biolgico del fsforo: aislamiento de mineralizantes del P-orgnico, solubilizadores del P-insoluble. Tcnica ecolgica.Asociaciones micorrticas: ectomicorrizas: aislamiento y cultivo de hongos, endomicorrizasarbusculares, produccin de inoculantes en plantas trampa.Compostaje y vermicompostaje:parmetros de evaluacin del grado de madurez: C/N, pH, amonioy nitratos, hidratos de carbono


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Prlogo

El objetivo de este libro es despertar inquietudes en los estudiosos de diferentes disciplinas comoMicrobiologa, Ciencias de la Tierra, Biologa y en todos aquellos interesados en aspectosrelacionados a procesos microbianos que contribuyen a la dinmica de los ecosistemas naturales.

Las transformaciones de materiales orgnicos de muy diferente origen que se depositan en labiosfera, como los restos vegetales, animales y productos de la actividad del hombre, son deorigen biolgico. La polucin consiguiente provocada por la acumulacin de numerosos productos,preocupa a la comunidad cientfica que busca soluciones para mejorar la calidad de la vida.Los procesos de xido-reduccin que alteran la disponibilidad de importantes nutrientes vegetales,como el N, P, S, P, Fe, Mn, etc. son realizados por equipos enzimticos contenidos en losmicroorganismos.Un captulo especial de este libro est dedicado a procesos fermentativos responsables de laconservacin de alimentos para el hombre y los animales (ensilados).La promocin del crecimiento vegetal por los microorganismos que se realiza por mecanismosdirectos: produccin de sustancias probiticas, aumento de la disponibilidad de nutrientes porprocesos de mineralizacin, solubilizacin, fijacin de N2 y aquellos indirectos, debido al controlbiolgico de microorganismos patgenos, merece un tratamiento especial, por las potencialidadesde incidencia que el hombre posee por tcnicas de manejo que incluyen inoculacin con

organismos seleccionados.Finalmente, un apndice prctico permite la realizacin de experiencias sencillas para poner demanifiesto y evaluar los procesos realizados por los microorganismos.Deseamos que esta contribucin ayude al desarrollo de futuros experimentadores.

Ro Cuarto, diciembre de 1999Montevideo, mayo de 2005


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Captulo 1

Caracteres generales de los microorganismos

Introduccin

Los microorganismos constituyen un importante grupo de organismos primitivos y simples, lamayora unicelulares microscpicos y otros macroscpicos filamentosos o cenocticos, capaces derealizar innumerables procesos biolgicos, que han surgido muy temprano en la evolucin, peroque se han adaptado a las condiciones ambientales actuales.El grupo est integrado por las bacterias, algas, hongos, protozoos. Estos organismos cumplencon los 5 principios caractersticos de las clulas vivas:1. autoalimentacin o nutricin: las clulas toman las sustancias qumicas del ambiente, las

transforman, liberan energa y productos de desecho2. autoduplicacin o desarrollo: las clulas son capaces de dirigir su propia sntesis. Al crecer,

se dividen dando dos clulas cada una idntica a la original.

3.diferenciacin

: la mayor parte de las clulas pueden presentar cambios en su forma o funcin.La diferenciacin suele ser parte del ciclo de vida celular: se forman estructuras especializadascomprometidas con la reproduccin sexual, la dispersin, la sobrevivencia en condicionesdesfavorables (esporas, cistos, etc).

4. sealamiento qumico:interactuan o se comunican con otras clulas, por seales qumicas5. evolucin:es la introduccin de cambios hereditarios como resultado de la seleccin natural.

Consecuencia de estos cambios (que ocurren a velocidad baja pero regular en todas lasclulas) es la seleccin de los organismos mejor capacitados para vivir en determinadoambiente.

Los estudios con el microscopio electrnico permitieron reconocer diferencias en la organizacinsubcelular de los organismos. Existen dos tipos de clulas: la eucaritica, unidad estructural deanimales, vegetales, protozoos, hongos y la mayora de las algas, y la procaritica, caractersticade los organismos ms simples, las bacterias, incluyendo entre stas a las cianobacteriasA pesar de la extraordinaria diversidad de clulas eucariticas, resultante de la especializacinevolutiva de los distintos grupos, su arquitectura bsica es comn: compartimentalizacin porsistemas membranosos (RE y Golgi), corrientes citoplasmticas, mitocondrias y cloroplastos. Elncleo de los eucariotes est rodeado por una membrana nuclear, contiene varias molculas deADN y se divide por mitosis o por una completa reproduccin sexual, que incluye fusin declulas, formacin de zigote diploide y segregacin de clulas hapliodes luego de la meiosis(figura 1).

La clula procariota, por el contrario, no posee membrana nuclear, posee una sla molcula deADN y la divisin asexual es por biparticin, amittica. La clula no est atravesada pormembranas, no posee organelos, excepto sacos muy simples que alberguen a los pigmentosfotosintticos y a veces vesculas de gas para flotar en el agua.


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Figura 1- Esquemas de una clula procariota (a) y unaeucariota (b)

Los estudios a nivel de funciones celulares mostraron que estas diferencias estructurales son laexpresin de mecanismos diferentes de: transmisin de la informacin gentica del metabolismo bioenergtico de los procesos de entrada y salida de sustanciasUno de los hechos ms sorprendentes en la historia de la evolucin debe ser sin duda la aparicinde la primera clula eucaritica. Se est lejos de comprender las causas de este gran salto en laevolucin, sobre todo por la ausencia de fsiles, que permitan reconocer intermediarios. Cavalier-Smith (1981) postula a un hongo hemiascomicete como el primer organismo eucariota, que fueadquiriendo los 22 caracteres universalmente presentes en los eucariotas y ausentes en losprocariotas, a partir de una bacteria aerobia. Esta hiptesis se contradice con la creencia generalde que este organismo primitivo fuera una cianobacteria (Stanier et al., 1976).

Ya desde la segunda mitad del siglo XIX se vislumbraban diferencias entre animales y vegetalescon los organismos ms simples, como las bacterias, hongos, algas y protozoos. El zologoalemn Haeckel propuso incluir a estos ltimos organismos en un nuevo reino, el de los Protistas:integrado por organismos muy simples, la mayora unicelulares, microscpicos, y otrosmacroscpicos filamentosos o cenocticos, conocidos vulgarmente como microorganismos.

No se diferencian en tejidos ni rganos, ni presentan especializacin funcional, excepto, tal vez,para la reproduccin. Luego de la evidencia de la existencia de los dos tipos de clulas, el reino delos protistas se dividi en: Protistas inferiores,con clula procariota, que incluye a las bacterias,con las cianobacterias y actinomicetes y a los Protistas superiores, con estructura eucariota, quecomprende a las algas, protozoos y hongos.

La figura 2 muestra un esquema de la evolucin del mundo vivo basado en la estructura del ARNde los ribosomas (Brock y Madigan, 1993). Desde el punto de vista evolutivo los organismos se

pueden dividir en tres grupos principales: arqueobacterias, eubacterias y eucariotes.Aunque las eubacterias y las arqueobacterias son procariotas, desde un punto de vista evolutivono estn ms estrechamente relacionadas entre si como lo estn con los eucariotas.Las arqueobacterias (Aechaeae) comprenden un grupo muy primitivo que incluye organismoshalfitos y termfilos extremos y a las bacterias metanognicas, anaerobias estrictas


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Figura 2- Evolucin del mundo vivo basada en la estructura delARN de los ribosomas

PlantasAnimales

Arqu eobacter ias Eucar iotas Eubacter ias

Ancest ro universal

Or igen de la vida

Parecera que los tres grupos bacterianos divergieron temprano en la historia de la tierra a partirde un organismo primitivo comn, el "ancestro universal".Debido a que las clulas de los animales y de las plantas son eucariotas, se ha considerado enforma general que han derivado de algn tipo de microorganismo, en tanto que los procariotasrepresentan una rama que nunca super la etapa microbiana.

A los virusles faltan muchos de los atributos de las clulas entre los cuales el ms importante esque no son sistemas abiertos dinmicos. Una partcula viral es una estructura esttica, incapaz decambiar o reponer sus partes. Carecen de organizacin celular, de capacidad metablica y deautoduplicacin, no se los considera microorganismos, sino entidadades biolgicas y serntratados brevemente al final del captulo, por el rol que ejercen en ecosistemas naturales,sobretodo en la transferencia de material gentico.

La clula procariota

Una clula bacteriana tpica posee las siguientes estructuras: permanentes: pared celular, membrana, ribososmas, regin nuclear accesorias, que aparecen en algunas especies e incluyen: cpsulas y capas mucosas,

flagelos, pigmentos fotosintticos,endosporas, fimbrias o pilis, vesculas de gas, materiales de reserva.La membrana es la barrera selectiva que separa a la cella del ambiente, no difiere encomposicin qumica y funcin de la del resto de los organismos. Se habla de la membranaunitaria, de 8 nm de espesor,doble capa fosfolpida con protenas incluidas en la matriz. Sueleinvaginarse formando los mesosomas, sobre los cuales se asientan actividades enzimticas, CTEy pigmentos fotosintticos.La membrana de las arqueobacterias difiere en composicin con las de las eubacterias: los lpidosposeen enlaces ter en lugar de steres para unir los cidos grasos al glicerol y en lugar de loscidos grasos poseen compuestos derivados del hidrocarburo isopreno lo que le confiere

propiedades diferentes a las del resto de los organismos.

La pared celular es una estructura rgida por fuera de la membrana y le brinda a la clulaproteccin mecnica y fsica. Presenta tambin carcter antignico. Esta estructura distingue a losprotistas superiores de los inferiores. Se aprecia al microscopio de luz cuando la clula seplasmoliza y en el electrnico. Se distinguen bacterias Gram positivas y Gram negativas enbase a la respuesta a una tincin diferencial. Las diferencias se basan en la estructura yarquitectura de las paredes bacterianas.La pared de bacterias G+ consta principalmente de un slo tipo de molcula : el peptidoglicano ,llamado tambin murena,formado por cadenas de dos aminoazcares: N-acetil glucosamina (G)


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y cido N-acetil murmico (M) , que no se encuentran en eucariotas, con puentes tetrapeptdicosde aminocidos que le dan aesta molcula nica una estructura de malla y gran rigidez (figura 4). El cido diamino pimlico(DAP) es un aminocido presente en todas las bacterias Gram negativas y en algunas especiesGram positivas.

Figura 3 - Esquema de paredes de clulas Gram positivas yGram negativas

Figura 4- Estructura del peptidoglicano

-G-M-g-----glucano -G-M-G------ glucanoL-ala

pptido L-ala pptidoD-glu

puente D-glu-NH2DAP D-ala cruzado

L-lisD-ala DAP gli

D-ala gliD-glu gli

puente gliD-ala cruzado gli

-G-M-G- D-ala

a) Escherichia coli b) Staphylococcus L-lis(G-) aureus(G+) D-glu-NH2

L-ala

-G-M-G

Otros componentes de las paredes son lipopolisacridos, protenas, cidos teicocos(polisacridos con residuos de glicerofosfato o fosfato de ribitol). Estos polioles est conectadospor steres fosfato y suelen unirse a otros azcares y a la D-alanina.

La pared de bacterias G

-

presentan una capa externa (a veces llamada membrana externa) delipopolisacridos (LPS). En el lado interno se ubica una lipoprotena. Algunas de esas protenas,llamadas porinas,sirven de canales para entrada y salida de sustancias de bajo PM.

Una bacteria Gram negativa resiste ms la lisis osmtica cuando la clula se trata con lisozima,enzima que hidroliza los enlaces beta 1-4 del peptidoglicano por mantener la envoltura formadapor la capa externa (forman esferoplastosen medio isotnico), el peptidoglicano representa sloun 15-20% del peso seco de sus paredes. En una clula Gram +cuya pared est formada en un80% por peptidoglicano, los protoplastosesfricos formados en medio isotnico, estallan al pasara un medio hipotnico (plasmoptisis).


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Las paredes de protistas superiores cuando estn presentes (hongos, algunas algas yprotozoos) son ms simples, formadas por polmeros de una misma subunidad, como la celulosa,quitina, a veces mineral, con slice como en las diatomeas (cuadro 1).

Cuadro 1- Resumen de los constituyentes principales de las paredes microbianasTipo de Clula Constituyentes

ProcariotaeubacteriasG +G -

ptidoglicano, cido teicoicopptidoglicanoy lipopolisacrido

arqueobacterias pseudopeptidoglicano,glucoportena polisacrido, protena

Eucariotasalgas celulosa, hemicelulosa

pectinas, slice (algunas)hongos quitina, otros polisacridos

celulosa (en algunos)protozoos ninguno o slice, carbonato de calcio

El citoplasma de clulas procariotas est empaquetado con gran nmero de ribosomas,partculas esfricas formadas por protenas y ARN responsables de la sntesis proteca. Son de

menor tamao que los de los eucariotas (70S en lugar de 80S). Los eucariotas presentanribosomas del tipo bacteriano en sus organelos (mitocondrias, cloroplastos).Otras estructuras a tener en cuenta en las bacterias son:

Endosporas: cuando las condiciones del ambiente se tornan desfavorables, ciertos gneros debacterias (Bacillus, Clostridium, Micrococcus) son capaces de formar estructuras terminales ointercalares, llamadas esporas. Estn formadas de gruesas paredes que la hacen resistentes aradiaciones, desecacin, luz UV. El escaso citoplasma se encuentra en un estado "criptobitico"sin actividades enzimticas. Una nueva molcula, el cido dipicolnico que quelata metales comoel Ca, Mg, etc. impidiendo que actun como cofactores de enzimas. Este ejemplo de ciclo celularse revierte cuando las condiciones se hacen favorables. La clula retoma su morfologa tpica y lasfunciones fisiolgicas.

Cpsulas y capas mucosas: son deposiciones de materiales polimerizados, hidratos de carbono,

pptidos, que la clula libera al medio cuando las fuentes exceden a las necesidades. La clulasencapsuladas son resistentes a la fagocitosis por protozoos o glbulos blancos, en el caso de lospatgenos del hombre.

Apndices citoplasmticos: las bacterias se mueven por flagelos,de estructura ms simple quelos eucariotas, formados por 3 haces de fibrillas de protenas entrelazadas y un haz central. Lasfimbriasson apndices similares a los flagelos, pero ms cortos y ms abundantes, no son parala locomocin y sirven para adherir a la clula a superficies slidas. Los pelos son estructurassemejantes a las fimbrias pero ms largos, se encuentran pocos en la superficie celular y estnrelacionados a la transferencia de material gentico (plasmidios, trozos del cromosoma) y sellaman pelos sexuales o pili.

ADN en procariotas: la mayor parte del ADN de una bacteria forma una sla molcula muyenrolalda. Se habla de nucleoide, o falso ncleo. Pueden presentarse una o ms molculas

pequeas en el citoplasma llamados plasmidios, que llevan informacin no vital para la clula,como resistencias a antibiticos, pesticidas y pueden perderse y transferir las resistencias aclulas sensibles que se convierten en resistentes.Divisin celular: usualmente las clulas se dividen por fisin binaria o biparticin: la membrana celular juega un importante rol separando las dos

molculas de ADN y sintetizando a su paso la nueva pared. El septo formado separafinalmente a las dos clulas hijas. Se la designa tambin como amittica.

recombinacin: existen mecanismos de intercambio gentico entre procariotas que es muydiferente al de los eucariotas: el proceso es fragmentario, no intervienen los complementoscromosmicos completos de ambas clulas y el ADN se transfiere en una sla direccin, deldonador al recipiente (se habla de dipliodes parciales) Los mecanismos son especializados.


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Se reconocen tres procesos:1. conjugacin: la transferencia es resultado de un contacto clula-clula (se parece al proceso

sexual en eucariotas). El segmento de ADN transferido depende del tiempo de contacto y serealiza a travs de un pelo sexual.

2. transduccin, donde la transferencia est mediada por partculas virales3. transformacin, donde participa el ADN libre en pequeos trozos que penetran por la

membrana. La clula dadora en general se lisa y el ADN queda en la naturaleza expuesto a labiodegradacin, accin de ADNasa, etc. Pero en ambientes muy colonizados, como la rizosfera(zona del suelo en contacto con las races) puede llegar a clulas receptoras y recombinarla.

Cuando en la transferencia de genes se involucran aspectos nutritivos, de resistencias aantibiticos, etc. es posible detectar los recombinantes por siembra en medios selectivos donde nocrecen la clula receptora pero si el recombinante. Por ejemplo, si la clula receptora no sintetizatriptofano (Trp-), no se desarrollar al sembrarla en caja de Petri con medio sin el aminocido, peroal recibir ADN de clulas Trp+, las recombinantes formarn colonias en el mismo medio.

Un dispositivo muy sencillo permite determinar el mecanismo por el cul se formaron recombinantes cuandodos cultivos se ponen en contacto: en un tubo doblado en U se siembran los cultivos, uno en cada rama,separados por un filtro bacteriolgico, que deja pasar los bacterifagos, pero no a las clulas. Si los cultivos se tratan previamente con ADNasa y no ocurre recombinacin, el proceso fue

por transformacin ya que el ADN libre est expuesto a la accin de la enzima. Si sta ocurre,

debe ser por alguno de los otros mecanismos. Sin ADNasa, la recombinacin debe ocurrir por transduccin ya que el filtro deja pasar viruspero no bacterias. Si no ocurre es que se requiere contacto clula-clula (conjugacin).

Figura 5- Transferencia de ADN de clula bacteriana donadora a la receptora

Los virusSe aplica el trmino virusa entidades biolgicas submicroscpicas muy simples, desprovistas de

actividad metablica e incapaces de reproducirse fuera del organismo que parasitan. Alternan suciclo de vida en dos fases: la extracelular, donde se comporta como partcula inerte, aunqueinfecciosa, el virin; y la intracelular, en la cual el virus se presenta como cido nucleico replicabley la clula del husped (animal, vegetal o microbiana) gobernada por este cido nucleico, rplicatodos los componentes virales, provocando la infeccin daos celulares e incluso la lisis de lasmismas.En algunas bacterias el ADN se integra al genoma y se replica ordenadamente con la clula(lisogenia).

Los constituyentes esenciales son: un solo cido nucleco ADN o ARN de cadena simple o doble yuna envoltura protectora o cpside de arquitectura helicoidal o polihdrica, formada de


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subunidades proteicas (figura 6). Algunos virus poseen envolturas adicionales con lpidos ypolisacridos. Las protenas poseen carcter antignico y permiten su reconocimiento. El ADN devarios virus bacterianos, llamados bacterifagos,es circular, como los plasmidios y el cromosomabacteriano, elementos genticos muy relacionados a los virus.

plasmidio cromosoma

bacterifago

Ciclo ltico de infeccinSe distinguen varias fases: de adsorcin: el ciclo ltico comienza cuando una partcula fgica tiene posibilidad de

colisionar con una clula husped; si el virin posee un sitio de adsorcin qumicamentecomplementario de un sitio receptor de la superficie celular, ocurre una adsorcin irreversible.Estos receptores se encuentran en bacterias G-en la capa externa lipoproteca de la pared obien a nivel de la capa lipopolisacrida. Para algunos fagos el receptor se encuentra en losapndices, f lagelos o pili.

la fijacin y penetracin:se realiza por las fibras de la cola y una enzima (la lisozima)comienza a actuar, rompiendo los enlaces glucosdicos del peptidoglicano. Luego elbacterifago inyecta su ADN en la clula mediante una contraccin de las fibras de la cola,quedando afuera el resto del virin (cabeza y cola).

Se comprob radioqumicamente que slo el ADN penetra en la clula, marcndolo con P 32 (laradioactividad del ADN viral queda en las bacterias); las protenas, marcadas con S34, sedetectaron fuera de las clulas.

fase de eclipse con varias etapas:* formacin de protenas tempranas: el virus dentro de la clula deja de existir como entidadindependiente, se dice que entra en fase vegetativa y se habla de fago vegetativo. Parte del ADNviral es transcripto por ARN polimerasa del husped para formar ARN mensajero viral. Losribosomas del husped traducen este mARN y forman nuevas enzimas (las tempranas),incluyendo las necesarias para la replicacin del ADN viral y una nueva ADN polimerasa y

desoxirribonucleasa que destruye el ADN del husped.* replicacin del ADN del fago: la de una molcula de ADN circular puede ocurrir de dosmaneras: en el modelo simtrico, las dos cadenas tienen igual papel, mientras que en el modeloasimtrico, una cadena no se rompe y la otra se hace lineal. En fagos con ADN monocatenario,ste es rpidamente convertido en doble hlice por una ADN polimerasa bacteriana.


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Figura 6- Estructura de algunos virus

Las molculas de ADN pueden sufrir mutaciones con ruptura y unin de pares de bases; si labacteria estuviera infectada por dos fagos diferentes pero genticamente relacionados, se puedenproducir molculas recombinantes de ADN fgico.

maduracin, luego que la replicacin del ADN del fago comienza, la parte no transcripta esusada para gobernar la sntesis del mARN viral "tardo" con la consiguiente formacin de unsegundo grupo de protenas, entre ellas las subunidades de la cpside. Simultneamente, lasmolculas del ADN viral sufren condensacin: tomando forma polihdrica.

liberacin de viriones maduros: al final del perodo latente de infeccin ltica, otra protenaviral "tarda" aparece en la clula: la lisozimaque ataca al peptidoglicano de la pared celular, laque va siendo debilitada hasta su ruptura por la presin osmtica interna. La progenie fgica selibera al medio ambiente con los otros constituyentes celulares. La figura 7 muestra los cicloslticos y lisognicos


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Figura 7- Ciclos lticos y lisognico de un bacterifago

LisogeniaMuchos bacterifagos son capaces de una interaccin no ltica con sus huspedes: luego de lapenetracin, el genoma viral puede reproducirse sincrnicamente con el husped, el que sobrevivey se divide normalmente para dar origen a un clon de clulas infectadas. En la mayora de lasclulas de la progenie no se forman protenas virales, la mayora de los genes virales se hanreprimido. En una clula determinada, puede ocurrir derrepresin espontneamente y el genomaviral inicia un ciclo ltico de desarrollo; la clula se lisa y libera los viriones maduros.

Esta relacin virus-husped se conoce como lisogenia y las clulas que poseen la capacidad

latente de producir partculas maduras de fago, se llaman lisognicas. Los fagos que realizan estainteraccin se dicen temperados y el genoma viral en una clula lisognica se denominaprofago.Este es un importante mecanismo de transferencia de material gentico en procariotes, ya quealgn virus puede encapsular trozos del ADN de la clula infectada (defectuoso) y transferirlo auna clula receptora (transduccin).

BibliografaBROCK, T. D. y M. T. MADIGAN 1991 Microbiologa, Prentice Hall Hispanoamericana, Mxico.CAVALIER-SMITH, T. 1981 The origen and early evolution of the eukariotic cell, en : Molecularand Cellular Aspects of Microbial Evolution, Soc. Gen. Microb. Symp, 32, Cambridge Univ.Press: 33-84STANIER, R. Y., E. A. ADELBERG, y J. INGRAHAM 1976 The Microbial World, 4th ed.,Prentice Hall Inc., Englewood Cliffs, Nueva Jersey.


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Captulo 2

Estrategias nutritivas y bioenergticas en losmicroorganismosEfecto del ambiente

Clasificacin nutricional de los microorganismosLos microorganismos se clasifican nutricionalmente por la naturaleza de su fuente de energa, porla fuente principal de carbono y por la naturaleza de los donadores de electrones.

Cuadro 1 - Clasificacin nutricional de los microorganismosFuente de Luz Fototrofosenerga Reacciones qumicas Quimiotrofos

Fuente de Inorgnico - CO2 Autotrofoscarbono Orgnico HetertrofosDonadores de Inorgnico Litotrofoselectrones Orgnico Organotrofos

Ejemplos de algunos gruposFotoautolitotrofos Algas, bacterias fotosintticas sulfurosas, cianobacteriasFotoautoorganotrofos Bacterias fotosintticas no sulfurosas (emplean sustancias orgnicassimples como donadores de electrones en la fotosntesis)Quimioautolititrofos Bacterias oxidantes del amonio, del nitrito, del azufre, del hierro, delhidrgeno (aerobias), denitrificantes auttrofas (anaerobias).QuimioheterotrofasLa mayora de los microorganismos usan materia orgnica como fuente deenerga, de carbono y donadores de electrones (la sustancia que se oxida). En general la mismasustancia puede cumplir todas estas funciones. Todos los hongos, protozoos y la mayora de las

bacterias pertenecen a esta categora.

Formas de obtencin de energa por los microorganismos

Los microorganismos emplean los tres tipos de generacin de energa : fermentacin,fotosntesis, respiracin.

Fotosntesis

Proceso redox en donde la energa se obtiene de la luz, por organismos aerobios y anaerobios.Tipos de fotosntesis en los microorganismos1) CO2 + 2H2O (CH2O)n + H20 + 02 (oxignica)2) CO2 + H2S (CH2O)n + S (anoxignica)3) CO2 + CH3COOH (CH2O)n + H20 "4) CH3COOH (CH2O)n + H20 "

La oxignica(tipo 1) es la realizada por los vegetales y entre los microorganismos por las algas(protistas superiores) y las cianobacterias (protistas inferiores), libera oxgeno y 2 ATP y 2NADPH+ por vuelta y emplea agua como donador externo de electrones (litotrofos). Esconsiderada ms reciente en la evolucin en relacin a la anoxignica. Los microrganismosposeen dos fotosistemas: I generador de ATP y poder reductor y en II que libera O2 consecuenciade la fotlisis del agua.Es curiosa la posicin de las cianobacterias, que poseyendo estructura celular procariota hanevolucionado en la funcin fotosinttica, al emplear el agua como donador externo de electrones.


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La anoxignica es ms primitiva, es conocida como fotosntesis bacteriana, o cclica, loselectrones de la clorofila bacteriana, o bacterioclorofila, que absorbe en el infrarojo (700nm),vuelven a ella por lo que genera slo 1 ATP por vuelta de los electrones. Se realiza enanaerobiosisy surgi cuando en la atmsfera no haba oxgeno. La figura 1 resume estos dosprocesos El poder reductor se produce por un flujo inverso de electrones que consume energa ypor reacciones redox independientemente de la luz:

H2S + NADPS + NADPH+

Figura 1 - Flujo de electrones en la fotosntesis oxignica (a) y en la anoxignica (b)

El tipo 2) es realizado por las bacterias fotosintticas sulfurosas purpreas y verdes:Chromatiaceae y Chlorobiaceae (gneros ms conocidos: Chromatium y Chlorobium)distinguiblespor sus pigmentos. Usan H2S o H2 como donadores de electrones. El S acumulado en lasclulas puede ser empleado como fuente de energa cuando crecen en quimiotrofia, sin luz.Crecen en barros o aguas en donde hubo anaerobiosis (produccin de H2S).El tipo 3) y 4) lo realizan integrantes de una sla familia de bacterias fotosintticas no sulfurosas:Rhodospirillaceae (gnero Rhodospirillum). No pueden emplear H2S ni H2 como donadores deelectrones, pero si molculas orgnicas simples, como cidos o alcoholes. El tipo 4) no puedereducir el CO2 (la forma ms oxidada del carbono) con la energa de la fotosntesis, la que slo lealcanza para reducir molculas de estado de oxidacin intermedio (cidos) hasta carbohidratos.Son fotoheteroorganotrofas.La mayora de las bacterias fotosintticas se desarrollan en ambientes anegados, barros, capassubsuperficiales de suelos, sucediendo a las bacterias sulfatoreductoras, que liberan cidosulfhdrico en anaerobiosis. Tambin la mayora es capaz de fijar N2, por lo que constituyen unaimportante herramienta de estudio; el flujo electrnico de la fotosntesis es capaz de reducir CO2 yN2 en anaerobiosis.


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Respiraciones

Proceso redox de obtencin de energa en donde los donadores de electrones pueden sercompuestos orgnicos o inorgnicos, pero los aceptores son siempre inorgnicos (O2 ocompuestos distintos al O2).La ecuacin general de las respiraciones se puede esquematizar:

CTEAH2 + BA + BH2

A y Bdonador y aceptor de electronesCTEcadena transportadora de electrones

La figura 2 muestra el flujo de electrones y de compuestos carbonados en las respiraciones, elmetabolismo litotrfico y el fototrficos (Brock y Madigan, 1993)Todos los organismos que la realizan son quimiotrofos ya que obtienen la energa de reaccionesredox. Segn la naturaleza de los aceptores de electrones se distinguen dos tipos derespiraciones:

Respiraciones

Aerobias: O2

Anaerobias:nitratos, sulfatos,

carbonatos (CO2), Fe+++

En cualquiera de los casos los donadores de electrones pueden ser orgnico (lo ms frecuente yeficiente) o inorgnicos.

Respiraciones aerobiasCon sustrato orgnicoLos microorganismos son capaces de respirar molculas orgnicas de naturaleza muy diversa, enorden decreciente de empleo se pueden sealar: azcares, alcoholes, protenas, aminocidos,cidos orgnicos, hidrocarburos, almidn, pectinas, celulosa, lignina, pesticidas. La presencia deuna cadena transportadora de electrones (CTE) que incluye varias molculas como NAD, FAD,citocromos y culmina en el O2, es caracterstica de este proceso. La degradacin de un mol deglucosa por esta va rinde 38 ATP, luego del acople con el ciclo de los cidos tricarboxlicos.

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O (647 kcal/mol)


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Figura 2- Flujos de carbono y de electrones en las respiraciones y metabolismo autotrfico

Compuesto orgnico CO2 Compuesto orgnico CO2

Flujo de carbono Flujo de carbono

Flujo de Flujo deelectrones electrones

O2 NO3- SO4

= CO2, Fe+3otros compuestos

Respiracin aerobia Respiracin anaerobia

Luz CO2 H2, H2S, NH3 CO2

Flujo de Flujo de Flujo de Flujo deelectrones carbono electrones carbono

ATP biosntesis O2 biosntesis

Metabolismo fototrfico Metabolismo litotrfico

Esta es una respiracin aerobia completa, ya que el sustrato es oxidado completamente a CO2 yagua, liberando toda la energa de la molcula. Los sustratos orgnicos son degradados muyrpidamente por esta va.Existen casos en los que los organismos carecen de enzimas del ciclo de Krebs y no pueden llevarel sustrato a CO2, son las respiraciones con sustrato orgnico incompletas:

CH3CH2OH + O2 CH3COOH (preparacin del vinagre)etanol cido acticoPoseen importantes aplicaciones biotecnolgicas por los productos formados, cidos glucurnicos,cido actico, etc.

Con sustrato inorgnico

Proceso slo realizado por bacterias quimioautotrficas que pueden generar energa en laoxidacin de compuestos minerales, en aerobiosis. Estas reacciones estn acopladas con lareduccin del CO2, mediante el ciclo de Calvin al igual que en la fase oscura de la fotosntesis:6 CO2 + 18 ATP + 12 NADPH C6H12O6 + 18 ADP + Pi + 12NADP+

Reconocemos 5 grupos de respiraciones aerobias con sustrato inorgnico (cuadro 2):

Cuadro 2 -Bacterias quimiautotrofas aerobiasOxidantes Ecuacin (ATP) Grupo Fisiolgicoamonio NH4++ 1,5O2 = NO2-+ H20 Nitritantesnitrito NO2-+0,5 O2 = NO3-+ H+ Nitratantes

azufre H2S, S, S2O3=

,S3O6=

=SO4=

Sulfooxidanteshierro Fe++ + O2 = Fe++++ H2O Ferroxidanteshidrgeno H2 + O2 = H20 oxidantes del H2

La energa que liberan estas reacciones es escasa, ya que los electrones entran a nivel de loscitocromos a y b liberando entre 1 y 2 ATP. Como se aprecia las cadenas son ms cortas que enlas respiraciones aerobias y las coenzimas NADH son reoxidadas mediante un transporte inversode electrones, con consumo de energa.Estas bacterias crecen por lo tanto muy lentamente, su tiempo de generacin es alto y la turbidezen medios de cultivo es apreciable luego de ms de 3 semanas de crecimiento.


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En los littrofos la generacin de ATP es en principio similar que en los organotrofos, excepto quelos donadores de electrones son sustancias inorgnicas. As, el ATP se acopla a la oxidacin deldonador de electronesy la energa de reduccin se obtiene directamente a partir del compuestoinorgnico, si tiene potencial redox suficientemente bajo, o por reacciones de transporte inverso deelectrones.El cuadro 3 resume los potenciales redox en estas respiraciones que indica que varios

compuestos inorgnicos que pueden dar al oxidarse con el O2, energa suficiente para la sntesisde ATP.

Cuadro 3-Produccin de energa a partir de la oxidacinde varios donadores inorgnicos de electrones

Reaccin G (kJ/reaccin)HS-+ H++ 0,5O2--->S + H20 -203,2S + 0,5O2 + H20-->SO4=+ 2H+ -589,1NH4++ 0,5O2------>NO2-+ 2H+ + H20 -260,2NO2-+ 0,5 O2----->NO3- - 75,8Fe+++ H++ 0,25 O2->Fe+++ + 0,5 O2 - 71,2En Fe++se calcul a pH 2-3, las otras a pH 7,0 - Los datosson valores promedios a los efectos de comparacin.

Su rol puede resultar muy importante en la naturaleza por la liberacin de iones fundamentalespara las plantas: nitratos, sulfatos. La oxidacin del hierro conduce a la formacin de Fe(OH)3insoluble, indisponible para los cultivos. Esta sustancia produce obstrucciones en las caeras dehierro atacadas por las ferrobacterias (captulo 10).

Respiraciones anaerobias

Procesos realizados solamente por protistas inferiores (bacterias) en anaerobiosis.Aceptor nitratos (desnitrificacin)

C6H12O6 + NO3- = CO2 + H2O + N2, N2O Quimihetertrofa

SO4= + NO3

- = SO4

=+ N2, N2O Quimioauttrofa

Proceso perjudicial para las plantasya que utiliza a los a los nitratos, que se reducen a N2 quese pierde en la atmsfera pero el proceso es benfico para el ambiente,ya que es la forma de

eliminar los nitratos (txicos para el hombre y animales) hacia la atmsfera. La desnitrificacincierra el ciclo del nitrgeno en la naturaleza.La desnitrificacin hetertrofa es la ms difundida y es realizada por bacterias capaces de realizarla reduccin desasimilativade los nitratos, en ausencia de O2. Estas bacterias son anaerobiasfacultativas, es decir que poseen dos cadenas transportadoras de electrones para la oxidacindel mismo sustrato: una aerobia, que le rinde ms energa y otra anaerobia, ms corta, que rindeentre 2 y 3 ATP por mol de glucosa (captulo 9).La desnitrificacin auttrofa la realizan integrantes de la especie Thiobacillus denitrificans, nicosrepresentantes de los Thiobacilluscapaces de metabolismo anaerobio.Condiciones para maximizar el proceso

alto nivel de donadores de electrones(de preferencia orgnicos) alto nivel de de nitratos anaerobiosis

Como los nitratos se forman en aerobiosis, una alternancia de perodos de aerobiosis y deanaerobiosis (lluvias y anegamiento seguidos de aireacin en suelos) estimula mucho esteproceso que resulta muy importante en la depuracin de aguas altamente contaminadas: elnitrgeno orgnico se mineraliza a nitratos en aerobiosis y se desnitrifica volatilizndose a laatmsfera como N2 por respiracin anaerobia.

Aceptor sulfatos(sulfatorreduccin)C6H12O6 + SO4

=CO2 + H2O + S= (H2S)


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Este proceso es realizado por un grupo de bacterias anaerobias estrictas, es decir que slopueden crecer en anaerobiosis. Los gneros ms conocidos son Desulfotomaculum, DesulfovibrioEl proceso perjudica a las plantas que emplean sulfatos, pero es favorable en la depuracin decursos de aguas contaminadas, pues volatiliza formas combinadas de azufre, como gas H2S.

Aceptor carbonatos (CO2) Metanognesis

1) CO2 + H2 = CH4 + H202) CH3COOH = CH4 + CO2

Proceso muy importante en la naturaleza, permite la degradacin de molculas orgnicas hasta laproduccin de gas metano. Es de hecho una respiracin anaerobia.1) donde el CO2 (carbonatos) acta como donador y el H2 como aceptor de electrones(autotrficas)2) representa la metanognesis acetoclstica, en donde bacterias quimiohetertrofas puedendesdoblar el cido actico en metano y CO2.La mayora de las bacterias metanognicas son Archeobacterias, o sea las bacterias msprimitivas, que slo crecen en ambientes desprovistos de O2, muchas veces actan ms de unaespecie, sinrgicamente y resulta difcil su aislamiento en cultivo puro. Las especies msestudiadas son Methanosarcina, Methanococcus.Una importante aplicacin de este proceso microbiano lo constituye la biotransformacin deresiduos orgnicos en:

biogs(mezcla de gases donde predomina el metano, con H2, CO2, etc) y biofertilizante un resto no contaminante que contiene la fraccin lignocelulsica de los restosorgnicos y biomasa microbiana que lo hace apto para uso como mejorador de suelos.

Este proceso es muy aplicado en el tratamiento de residuos de tambos (estircol), restos decosechas y en la depuracin de efluentes de fbricas, en anaerobiosis (captulo 19).

Fermentaciones

Proceso redox de generacin de ATP en donde los donadores y aceptores de electrones sonmolculas orgnicas, en general derivadas del mismo sustrato. Ejemplos:C6H12O6 CO2 + CH3CH20H Ferm. alcohlicaC6H12O6 CH3CHOHCOOH Ferm. homolcticaC6H12O6 CO2+ CH3CH2OH +CH3CHOHCOOH Ferm. heterolctica

La molcula clave en este proceso es el cido pirvicoproducido en la va glicoltica, donde segeneran los donadores de electrones para las distintas fermentaciones (triosa-P). El tipo defermentacin depender de las enzimas que posea el microorganismo y de las condiciones delambiente (cuadro 4).Cuadro 4 - Fermentaciones alcohlica y lctica

Fermentacin don e- acep e

- enzimas prod final

alcohlica triosa-P

acetaldehido deshidrog.alcohlica

CO2, etanol

lctica triosa-P

c.pirvico deshidrog.lctica

c.lctico

Homolctica

2 ADP 2 ATPC6H12O6 2 CH3COCOOH (cido pirvico)

2 NAD 2 NADH deshidrogenasa lctica

NADH

NAD

2 CH3CHOHCOOH (cido lctico)


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Heterolctica

Las bacterias carecen de enzimas de la va glicoltica (aldolasa y triosafosfato isomerasa) y ladegradacin de la glucosa se realiza por la va de las pentosas: oxidan glucosa-6P a 6-fosfogluconato que luego decarboxilan a pentosa-P. Esta se transforma en triosa-P y acetil-P porla enzima fosfocetolasa. La triosa da cido lctico con la formacin de un mol de ATP, mientras

que el acetil-P acepta electrones a partir de los NADH generados en la produccin de pentosa-P yse convierte en etanol sin produccin de ATP. El rendimiento energtico es menor: 1 solo mol deATP, en lugar de 2 como en los homofermentadores que producen el doble de biomasa por molde azcar fermentado.No se acumula poder reductor.

La produccin de CO2 es una forma sencilla de distinguir un grupo de otro. Importantes productos

son formados en estos procesos, que el hombre ha aprovechado desde muy antiguo, inclusoantes de conocerse el rol de los microorganismos en el proceso (captulo 6).El balance energtico es muy bajo, 2 ATP en las fermentaciones alcholica y lctica y 1 en laheterolctica. No se genera poder reductor, por lo cual el microorganismo debe oxidar grancantidad de sustrato para lograr desarrollarse. Se cree que es el metabolismo bioenergtico msantiguo, cuando no exista el O2. Los microorganismos fermentadores se han adaptado a lasnuevas condiciones de la atmsfera, realizando el mismo proceso que sus ancestros.

Otras fermentacionesproducen molculas de gran valor econmico: acetona, butanol, propanol,cido actico, butrico, etc. y resulta ms econmico su produccin va fermentaciones que porsntesis qumica. A modo de resumen,en el cuadro 5 se presentan los distintos tipos nutricionalesde los microorganismos y se indican sus estrategias bioenergticas en aerobiosis y enanaerobiosis.

Cuadro 5 - Clasificacin nutricional de los microorganismos

Fuente de energa:Luz (fototrofos)

Carbono: CO2 ( auttrofos)orgnico (hetertrofo)

Reacciones qumicas(quimiotrofos)

Donadores de e-:inorgnico (litotrofo

orgnico (organotrofo)

Electromagntica: FOTOTROFOS

glucosa glucosa-6P 6P-gluconato

ATP ADP NAD NADHNAD

NADH

ribulosa - 5P CO2

acetil - P

gliceraldehdo - P

NAD

NADH

2 ADP

2 ATP

NADH

NAD

cido pirvico acetaldehdo - P

NADH

NAD

cido lctico

NADH

NAD

etanol


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Fotoautolitotrofos Fotoautoorganotrofo

* Bacterias sulfurosas purpreasy verdes

* Bacterias no sulfurosaspurpreas

(Chromatiaceae yChlorobiaceae)CO2 + H2S--->(CH2O)n + S +

H2O

(Rhodospirillaceae)CO2 + CH3COOH->(CH2O)n+H2O

* cianobacteriasCO2 + 2H2O--->(CH2O)n + O2 +H2O

Fotoheteroorganotrofo

* Bacterias no sulfurosasCH3COOH--->(CH2O)n + H2ONo pueden reducir el CO2

Reacciones qumicas:QUIMIOTROFOSQuimioautolitotrofo Quimioheteroorganotrofo

Bacterias: aerobias La mayora de las bacterias,todos los hongos, protozoos

oxidantes del amonio:NH4+1,5 O2-->NO2-+ 2H+ +H20oxidantes del nitrito:

NO2-

+ 0,5O2-->NO3-

oxidantes del azufre:S + 1,5O2--->H2SO4 + H20S2O3=+ 4O2-->H2SO4 + H2Ooxidantes del hierro:Fe+++ O2--->Fe+++ + H2O

oxidantes del hidrgeno:H2 + O2----->H2O

Respiraciones aerobiosC6H12O6 + O2-->6CO2 + 6H2ORespiraciones anaerobiasC6H12O6 +NO3-->CO2+ H2O +

N2Aceptores de electrones:Nitrato: desnitrificantesSulfato: sulfatoreduccin

C6H12O6+SO4=!CO2,H20,H2SHierro: reduccin del Fe+++CO2/carbonatos: metanognesisH2 + CO2---->CH4 + H2O

Bacterias anaerobias:SH2 + NO3---->SO4= + N2 Fermentaciones:

Donadores y aceptores de e-:molculas orgnicas

(bacterias, hongos)C6H12O6-->CH3CHOHCOOHFermentacin lctica

Grupo pequeo, granespecificidad por el sustrato,bajo rendimiento energtico, porrespiraciones aerobias yanaerobias con sustratoinorgnico.Crecimiento lento. Productosimportantes para las plantas.

La mayora de los micro-organismos de la naturaleza.Los ms eficientes: respiracionesaerobias con sustratos orgnicos.


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Efecto del ambiente sobre los microorganismos

Los microorganismos estn muy distribuidos en la naturaleza, en ambientes tan variables como lossuelos, aguas, aire, superficie de vegetales, en animales e incluso en el hombre.El carcter mayoritariamente unicelular o muy simple de los microorganismos los hace muyvulnerables a cambios en el ambiente:

microorganismos vegetalesinferiores

vegetalessuperiores

animales

complejidad de la organizacin

dependencia con el ambiente Se aprecia una relacin inversa entre complejidad de la organizacin de los distintos organismos ysu dependencia con el ambiente. En los microorganismos toda su superficie celular est encontacto con el ambiente y cambios muy marcados en factores como la temperatura, acidez,presin osmtica, concentracin de sustancias qumicas, pueden detener procesos microbianos.Si los microorganismos pueden esporular, lo harn en condiciones adversas, otras veces su

nmero decae marcadamente.Por comodidad se dividen los factores del ambienteen: fsicos,como la temperatura, gases, presin osmtica, pH qumicos,o fsico-qumicos: nutrientes, sustancias antimicrobianas biolgicos, otros organismos: microorganismos, micro y meso fauna, la vegetacin, afectan

tambin las actividades microbianas

Los distintos factores actan simultneamente y resulta difcil el estudio integrado de los efectos.En general, se vara uno de los factores, por ejemplo la temperatura de incubacin y se dejan losrestantes factores a niveles constantes y ptimos. Se evala el crecimiento del microorganismo enestudio determinando su velocidad de crecimiento, tiempo de generacin o la cosecha mxima(log N de clulas a las que llega con y sin la incidencia del factor en estudio).

Efecto de algunos factores del ambiente

Fsicos

Temperatura:segn los rangos de temperatura en que pueden desarrollarse los distintos gruposmicrobianos, se los clasifica en:

tipos rango de temperatura ptimo

sicrfilos 0-20C 15Cmesfilos 15-45C 35Ctermfilos 40-70C 55C

La mayora de los habitantes de los ecosistemas naturales son mesfilos, incluidos los patgenosde animales y el hombre. Se encuentran sicrfilos sobre glaciales, suelos congelados, a los quecolorean con sus pigmentos, son sobre todo algas y cianobacterias. La mayora de losmicroorganismos activos en suelos en perodos fros del invierno se consideran mesfilosresistentes, ms que verdaderos sicrfilos. Algunos hongos se desarrollan en heladeras (5C)donde deterioran alimentos.Los termfilos son los ms activos metabolicamente, sabemos que las reacciones qumicasduplican su velocidad por cada aumento de 10C de la temperatura, hasta un valor en que sedesnaturalizan macromolculas importantes, como cidos nucleicos, protenas, etc. La figura 3muestra el efecto de la temperatura en el crecimiento microbiano. La curva no es simtricaprecisamente por la desnaturalizacin rpida que ocurre no bien se excede la temperatura ptimade crecimiento. Los termfilos son reponsables de importantes procesos microbianos en pilas derestos orgnicos, en el compostaje, etc., donde la temperatura se eleva localmente (captulo 19).


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Figura 3- Efecto de la temperatura sobre el crecimiento microbiano (vc = velocidad decrecimiento)

enzimas y reaccionesa la velocidad mxima posible

ptima

vc

enzimas y reaccionesa velocidad creciente

mnima mxima

temperatura

gelificacin de desnaturalizacin de

la membrana, protenas y otras ma-transporte muy cromolculas

lento

Las bajas temperaturas se emplean para conservar alimentos, microorganismos, etc. Estos semezclan con una sustancia que baja el punto de congelamiento, como el glicerol (30-50% envolumen) a los efectos de no inducir lesiones en las membranas por los cristales de hielo formadosy se conservan en pequeos tubos a -70C.Las altas temperaturasse usan para esterilizar. La destruccin de los microorganismos por elcalor se realiza por: calor seco, en hornos, estufas a 160-180 por dos horas, se emplea en materiales de vidrio,

utensillos. calor hmedo, en autoclaves, a 115-120C (1 atmsfera de sobrepresin) por 20 minutos. El

aumento de la presin sobre la atmosfrica eleva el punto de ebullicin del agua. El vapor deagua asegura la rpida difusin del calor en los medios de cultivos, materiales, etc.

En ambos casos los materiales deben acondicionarse para evitar su contaminacin posterior:cajas de Petri envueltas en papel, pipetas en estuches especiales, etc.Muchos materiales termolbiles se esterilizan por tindalizacin: aplicacin de calor a 100Cdurante media hora por tres das consecutivos. Las esporas resistentes al calor germinan en losperodos entre los calentamientos y son eliminados luego a 100C.

pHSi bien el pH interno de las clulas es neutro, los microorganismos poseen mecanismos de controlde entrada y salida de protones y cationes a nivel de la membrana y pueden desarrollarse enamplios rangos de concentracin hidrogeninica:tipos rango de pH ptimo

acidfilos 0-7 5neutrfilos 5-12 7basfilos 9-14 10

En ambientes de pH bajo dominan bacterias fermentativas, como las lcticas, las anaerobias yhongos, que si bien son neutrfilos como grupo, se favorecen en ambientes cidos por falta decompetencia de las bacterias. Los medios de cultivo se acidifican con cidos orgnicos, lctico,actico, ya que penetran en la clula sin disociarse y dentro liberan los protones que alteran el pHinterno de las clulas.


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Por el efecto sobre el pH del ambientese distinguen microorganismos: acidfilos: bajan el pH de restos vegetales en los silos, de suelos, en la leche, por produccin

de cidos (lctico, etc.) o por consumo de lcalis, como el amonio.

alcalinizantes: suben el pH del ambiente por consumo de cidos (deterioro de los silos almetabolizarse el cido lctico), o por liberacin de bases, como aminas, amonio.

Presin osmticaLos microorganismos deben desarrollarse en medios con adecuadas concentraciones de solutos.Si sta no se controla, los organismos no se desarrollan e incluso se llega a la lisis celular. Elcuadro 4 muestra el efecto de la concentracin de solutos.Cuadro 4 -Efecto de la presin osmtica en los microorganismosmedios efectos

isotnico turgente, la clula se dividehipotnico plasmoptisis, la clula se llena de agua y si la

membrana y pared no resisten la presin osmtica,la celula estalla (irreversible)

hipertnico plasmlisis: la clula pierde agua el citoplasma seretrae. Algunas clulas pueden recuperarse al

colocarlas en medio isotnico. Caso de conservacinde alimentos por alta concentracin de sal oazcares

GasesEl oxgeno afecta a los microorganismos y stos se clasifican por sus relaciones con este gas(cuadro 5)Otros gases que inciden en los microorganismos con el N2, CO2, H2, CH4. Algunos de ellos,como el N2 es reducido biolgicamente solamente por un grupo bacteriano: los fijadores de N2que son analizados en otro captulo.Medios y condiciones de cultivoLos microorganismos son aislados de la naturaleza colocndoles en medios de cultivolquidos oslidos que son formulaciones que incluyen todos los nutrientes que los microorganismosrequieren como fuentes de energa, de C, N, S, P, Na, K, etc. Se debe tener en cuenta adems,

las condiciones de cultivo, que incluyen niveles adecuados de O2, CO2, N2, isotona dada porlos solutos en solucin, radiaciones, pH adecuados

Cuadro 5- Relaciones entre los microorganismo y el O2grupo efecto del O2

Aerobiosobligados lo requierenfacultativos no lo requieren pero el

desarrollo es mejor con O2microaeroflicos lo requieren pero a niveles

menores que el atmosfricoAnaerobios

aerotolerantes no lo requiere y eldesarrollo es mejor con O2

anaerobios obligados(estrictos)

los daan o es letal

Muchas veces se aprecian fracasos en aislamientos de organismos debido a pequeasvariaciones en los niveles de nutrientes o en las condiciones de cultivo.


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Qumicos

Las sustancias qumicas pueden ejercer distintos efectos sobre el desarrollo de losmicroorganismos: no afectarlo estimularlo, se les llama nutrientes inhibirlo, sustancias microbiosttica y microbicida, con y sin lisis (microltica)La figura 4 muestra alguno de estos efectos en un cultivo bacteriano creciendo exponencialmenteen un medio lquido. En el momento indicado por la flecha se ha agregado una concentracininhibitoria de la sustancia en estudio. Se aprecia diferencia en los recuentos de clulas totales yviables, consecuencia de la lisis celular.

La ubicacin de una sustancia qumica en alguna de estas categoras es muchas veces arbitrariaya que una misma sustancia puede ser nutriente o bacteriosttico dependiendo de laconcentracin, como es el caso de los azcares que al 1% son nutrientes para la mayora de losmicroorganismos, pero a altas dosis prevn el crecimiento por plasmlisis (conservacin dealimentos).

Caractersticas de un nutriente: poder atravesar la membrana celular por transporte pasivo o activo ser utilizada por alguna enzima de la clula proveer energa o sub-unidades de las macromolculasPrcticamente cualquier sustancia orgnica de origen biolgico es utilizada por algn grupo demicroorganismo.

Figura 4- Tres tipos de accin de agentes microbianosa) bacteriosttico, b) bactericida sin lisis,c) bactericida con lisis

log N/ log N/clulas clulas

bacteriosttico tiempo bacterioltico tiempo

recuento totallog N/

clulas recuento deviables

bactericida tiempo

Aquellas sustancias naturales o artificiales que se acumulan en los ecosistemas a concentracionesno deseables para las comunidades naturales, se denominan recalcitrantes(captulo 20).Por su toxicidad,las sustancias qumicas se clasifican en: toxicidad no-selectiva, el agente acta sobre todo tipo de clulas: microbianas, del

hospedante. Son conocidos los antispticos, que son efectivos sobre mucosas (colorantes,sales de mercurio, etc.) y los desinfectantesaplicados sobre superficies inertes (alcoholes,jabones, cresoles). Esta separacin tambin es arbitraria, pues los efectos dependen de laconcentracin. Actan, en general, a altas concentraciones.

toxicidad selectiva, son ms txicos para las clulas microbianas (incluso para Gram positivasy no para Gram negativas) y son inocuas para las clulas del hospedante. Estos son losagentes quimioteraputicos, de gran empleo en el tratamiento de enfermedades infecciosas.Son efectivas a muy bajas concentraciones.


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Por sus efectos en el equilibrio biolgico en ambientes naturales volveremos en el estudio dealgunas de estas sustancias: las bacteriocinas, las toxinas, enzimas, antibiticosen el captulo13.

Ambiente biolgicoPor la importancia de las interacciones entre los microorganismos y otros organismos en los

ecosistemas naturales (ejemplo en el ecosistema suelo-planta), el tema es analizado desde elcaptulo 13 al 17.

BibliografaBROCK, T. D. y M. T. MADIGAN 1993 Microbiologa Prentice Hall Hispanoamericana S. A.MxicoSTANIER, R. Y. , E. A. ADELBERG y J. INGRAHAM 1976 Microbial World,Prentice Hall Inc.Englewood Cliffs, Nueva Jersey


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Captulo 3

Los Protistas inferiores

En el presente y en el siguiente captulo analizaremos a los microorganismos que jueganimportante rol en la naturaleza, comparando sus caracteres nutritivos, su distribucin y lastransformaciones de la materia orgnica y mineral que llevan a cabo en ambientes naturales.

Las bacterias tpicasConstituyen el grupo de organismos ms abundante en la naturaleza y se ven favorecidas por surpido desarrollo y capacidad para atacar innumerables sustancias. No existe prcticamentesustancia de origen biolgico que no sea atacada por algn tipo de bacteria. Materialescomo la celulosa o la lignina son ms lentamente degradados en relacin a otros sustratos, comoprotenas, azcares simples, almidn.Ms de 250 especies han sido aisladas del suelo y si a esta cifra se agregan las asociadas a losrestos vegetales, el nmero de especies bacterianas reconocidas en el suelo, supera las 800.

Presentan tamao reducido (cerca de 0,5-1,0 mx 1,0-1, my sus clulas se pueden presentarde tres formas: clulas esfricas o cocos cilindros o bastones (bacilos) espiraladas o helicoidales (espirilos)Los diferentes tipos de arreglos de las clulas luego de la divisin binaria en medio lquido,presentan carcter taxonmico y asi encontramos:Cocos: diplococos ( de a dos), ttradas (4), sarcinas (8), estreptocos (en cadena), estafilococos(en racimo).Bacilos: diplobacilos (de a dos), estreptobacilos (en cadena), en empalizada (uno a continuacinde otro divididos por plano longitudinal)Espirilos: clula con curvatura o en vibrio (forma de coma)

Criterios taxonmicos

Taxonoma clsicaSe aplica desde hace ms de 100 aos y tiene en cuenta los caracteres: morfolgicos, incluyen el tamao, la forma y los tipos de agrupacin luego de la divisin

binaria. Dado el pequeo tamao de las bacterias estos datos resultan a veces limitantes. tintoriales, reacciones frente a la coloracin de Gram, otras coloraciones (esporas, flagelos). fisiolgicos y bioqumicos, requerimientos nutritivos, fuentes de C, N, S, vitaminas, etc.,

energa, resistencias patolgicos y serolgicos, produccin de enfermedades, reacciones inmunoqumicas por

produccin de antisueros en animales de sangre caliente, como conejos, cobayos. Losanticuerpos generados reconocen a los antgenos bacterianos (de pared, flagelos) enreacciones muy sensibles.

Entre los distintos arreglos taxonmicos de las bacterias se emplea mucho la norteamericanacontenida en el Bergey's Manual of Determinative Bacteriology. All se ubican a las bacterias:Reino: Procaryotae

Divisin 1 GracilicutesClase 1 Scotobacteria, bacterias Gram negativasClase 2 Anoxyphotobacteria , bacterias fotosintticasClase 3 Oxyphotobacteria, principalmente cianobacterias

Divisin 2 FirmicutesClase 1 Firmibacteria, bacilos Gram positivos

Thallobacteria, Gram positivas ramificadasDivisin 3 Tenericutes

Clase 1 Mollicutes, bacterias sin pared


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Divisin 4 MendosicutesClase 1 Archaeobacteria, Arqueobacterias

Se nombran por un sistema binomial, por ejemplo: Bacillus subtilis (mayscula para el gnero yminscula para la especie, en letras itlicas o subrayadas)

Taxonoma genticaLas tcnicas de biologa molecular abrieron nuevas perspectivas en la caracterizacin de losprotistas inferiores. Se analizan: composicin de bases del ADN (guanina/citosina %) hibridacin de ADN, ARN, con empleo de sondas estudio de polimorfismo de segmentos de ADN o ARN amplificados por la reaccin en

cadena de la polimerasa (PCR).Se obtiene, luego de separacin electrofortica, un cdigo delneas segn los trozos de ADN que permite identificar bacterias y hongos y seguirlos enambientes altamente colonizados, como el suelo y aguas.

La composicin de bases del ADN expresada como el porcentaje de moles de GC varan dentrode lmites muy amplios: tan bajos como 20% y tan altas como 78% ocurren en los procariotas. Engeneral, organismos con fenotipos muy semejantes suelen tener, pero no siempre, relaciones debases en el ADN semejantes, pero si se encuentra que 2 organismos estn estrechamente

relacionados por criterios fenotpicos, pero poseen relaciones de bases complementarias muydiferentes, un examen ms profundo mostrar que no estaban tan prximos. Puede ocurrir locontrario, ya que una misma proporcin de bases puede reflejar una gran variedad de secuenciasdiferentes.

Taxonoma numricaEsta tcnica permite analizar gran nmero de caracteres, cada uno con igual importancia, porejemplo: presencia de esporas, flagelos, tipo de coloraciones, empleo de sustratos, resistencias,nodulacin, y finalmente la presencia o ausencia de las bandas de los segmentos de ADNamplificados. Ejemplo para pocos caracteres:

Carcter Cepas A B C D Homologa entre 2 cepas1 + + - 0 A2 + + + + B + -

3 0 + - + + a(32) b(4) - c(6) d(8)

Coeficiente de similitud: a = 32/32+4+46 = 76%a+b+c

La construccin de matrices y su anlisis en computacin permite el agrupamiento de organismospor su semejanza. Aquellos aislamientos con similitud superior al 80% se denominan fenonesypodran estar muy relacionados filogenticamente.

Otras formas de agrupamientoLas bacterias se pueden clasificar segn otros criterios. Del punto de vista ecolgico, sereconocen las autctonas son los verdaderos residentes del ambiente en estudio, como el suelo, su nmero

no vara mucho en el ao y son en general formas cocoides o coco bacilos, capaces deesporular.

las alctonas(o zimgenas) son fermentadoras ms activas y su nmero es reflejo deltratamiento que sufri el suelo. Llegan a l por precipitaciones, tejidos enfermos, abonos, aguas ypueden permanecer en estado latente, desarrollndose por cortos perodos de tiempo.

Son muy empleados los grupos fisiolgicos, integrados por organismos muchas veces detaxonoma muy diferente (bacterias, aerobias o anaerobias, hongos, etc.), pero que poseen unafuncin metablica comn. As estudiaremos a los microorganismos nitrificantes, desnitrificantes,fijadores de N2, celulolticos, solubilizadores de fosfatos, etc. La evaluacin de la actividad deestos grupos fisiolgicos, sin detallar la composicin taxonmica de sus integrantes, constituyeuna herramienta muy til en estudios sobre ecologa microbiana.


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EcologaEl nmero y actividad de las bacterias en un ambiente natural, como suelo, aguas, estn afectadospor el habitat, las prcticas culturales, las condiciones ambientales.La materia orgnicaes uno de los factores que ms inciden en la distribucin de las bacterias delsuelo, que, como vimos, son en su gran mayora hetertrofas. Suelos ricos en humus poseen

mayor densidad bacteriana y la incorporacin de restos frescos (abonos verdes) o pajas inicia unarpida estimulacin microbiana, muy marcada en los primeros meses, disminuyendo a medida queel sustrato se degrada. Suelos de pastura presentan tambin densidades bacterianas superiores alas de suelos arados y cultivados con maz u otros cereales, como consecuencia de la mayormasa radical (descamacin, exudacin). La mayora de los cuadros siguientes pertenecen aWaksman, (1952).El cuadro 1 presenta resultados de recuentos de varios grupos microbianos, en el perfil del suelo,y se observa que la materia orgnica es uno de los principales factores que explican ladisminucin de los grupos hetertrofos, con la profundidad.En el cuadro 2, en otro estudio en el suelo, se observa el efecto de los mismos factores sobre lapoblacin bacteriana.

Cuadro 1- Grupos microbianos en el perfil de un suelo

horizonte (cm) bacterias actinomicetes hongos algas protozoosaerobias anaerobiasAo (0-10) 1.116.915 1.000 11.335 303.000 500 640A1 (10-12) 1.111.000 70.000 16.000 165.000 5.000 320A2 (12-20) 317.640 181.000 11.950 77.500 100 40B (20-49) 19.750 700.000 7.250 14.740 100 10C (50-100) 463 10.000 197 1.850 0 0

Cuadro 2- Efecto de la materia orgnica sobre bacteriashorizonte (cm) M.O% bacterias (106/g )

aerobias anaerobias

A1 (0-6) 8.00 149,2 1,0A2 (6-12) 3,11 131,8 1,8B1 (12-24) 2,41 108,3 10,0

B2 (26-48) 1,70 45,3 1,0C (48-80) 0,80 6,0 0,01

La humedad afecta la actividad microbiana en dos aspectos: un cierto nivel es necesario ya que elagua es un nutriente esencial y las reacciones bioqumicas se realizan solamente en medioacuoso, pero cuando el aporte es excesivo se limita la difusin del oxgeno, crendosecondiciones anaerobias. La mxima densidad bacteriana se encuentra en niveles de humedadcomprendidos entre el 50 y el 75% de la capacidad de campo.La saturacin trae aparejadadisminucin en las bacterias aerobias y aumento de las anaerobias.El cuadro 3 muestra el efecto de humedad sobre la densidad de bacterias de un suelo.

Cuadro 3- Humedad del suelo y nmero de bacterias

% humedad % de la capacidad bacterias totales %relativo a la

de campo (miles/g) microflora total

6,5 30 9.980 3310,0 50 11.890 4016,1 65 16.410 5517,4 70 29.960 10021,7 100 25.280 84

La temperatura es un factor de primer orden, ya que regula todos los procesos biolgicos, afectatanto el nmero como la composicin cualitativa de una comunidad. La mayora de las bacteriasdel suelo y de las aguas son mesfilas. En el suelo no son frecuentes las bacterias sicrfilas


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(desarrollo mejor debajo de 20C), sino que las encontradas en los meses fros de invierno sonms bien mesfilas tolerantes al fro. Las termfilas (que crecen rpidamente a 45-65C, losverdaderos termfilos son incapaces de reproducirse debajo de 40C) son abundantes en hbitatdonde ocurren fermentaciones y la temperatura se eleva localmente.pH. La acidez o la alcalinidad inhiben a muchas bacterias del suelo; el ptimo de la mayora de lasespecies es la neutralidad. En bajos pH se reduce el nmero de bacterias y el encalado

generalmente favorece el desarrollo bacteriano. El pH del medio acta modificando la asimilacinde compuestos nutritivos minerales u orgnicos.El cuadro 4 muestra el efecto del t ipo de suelo y su pH en ciertos grupos microbianos.

Cuadro 4- Efecto del tipo de suelo y su pH en los microorganismossuelo pH bacterias actinomicetes hongos

gris margoso 7,8 18.209 2.230.250 36.000pardo arcilloso 7,6 2.230.000 1.700..000 59.000arcilloso 6,4 1.650.000 245.000 74.500suelo tropical 4,4 127.000 75.000 245.000podzol arenoso 3,8 16.000 22.000 125.000

Nutrientes inorgnicos.Son necesarios para el desarrollo de la poblacin microbiana, la queresponde a la aplicacin de fertilizantes amoniacales que se oxidan a nitratos.

El laboreo altera la estructura y porosidad del suelo, favoreciendo el movimiento del aire y elrgimen hdrico. Las partculas de humus se exponen a la accin bacteriana. En reas en donde laerosin elica es muy marcada y el suelo puede perderse entre el perodo de arada y siembra, seaplican prcticas de labranza mnima y cero. La actividad biolgica es aqu menos afectada y lamateria orgnica est menos expuesta a la biodegradacin. El uso de herbicidas para eliminar lasmalezas puede afectar algunos procesos, como la nitrificacin, la fijacin del N2, y la solubilizacinde fosfatos.

Variaciones estacionales: inciden numerosos factores, los ms importantes son la humedad, latemperatura y los aportes de sustancias energticas por parte de los vegetales: mantillos,exudados radicales, restos de cosechas, etc. Resulta difcil demostrar fehacientemente lasvariaciones estacionales en los distintos grupos de microorganismos del suelo; es necesarioefectuar numerosos muestreos pues muchas veces el elevado error experimental enmascara losefectos estacionales. Adems, en bacterias, los cambios en densidades ocurren en pocas horas.

En general, puede decirse que en regiones de clima templado la mayor actividad se registra enprimavera, cuando la temperatura aumenta y los restos vegetales son fcilmente degradados. Algosimilar ocurre en otoo, debido al aumento de la humedad y al aporte de residuos y tejidos areos,con declinacin en invierno y en los meses clidos y secos del verano. Existen, por supuesto,importantes diferencias zonales, en donde los picos de actividad pueden desplazarse en el ao, deacuerdo a las variaciones de temperatura y humedad.

Funciones en la naturalezaLas bacterias constituyen el grupo de microorganismos con mayor versatilidad metablica. Enefecto, son auttrofas: foto o quimioauttrofas y hetertrofas(aerobias o anaerobias). El primergrupo, menos numeroso en el suelo, interviene en procesos de produccin de materia orgnica yen reacciones redox liberando compuestos que favorecen la nutricin vegetal: nitratos, sulfatos.Las hetertrofas intervienen en los procesos biolgicos de degradacin de compuestos

carbonados y de sntesis de humus. Intervienen tambin activamente en interacciones sinrgicas oantagnicas con otros microorganismos y con los vegetales.

Los actinomicetes

Las bacterias verdaderas se diferencian marcadamente de los hongos filamentosos. Losactinomicetes se encuentran entre ambos grupos, aunque pertenecen formalmente a las bacterias,al orden Actinomycetales y son organismos Gram positivos, de estructura vegetativa de tipomiceliar (Stanier et al, 1976), desarrollo confinado slo a bacterias Gram positivas. Algunos de


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estos organismos, los Euactinomicetes, se desarrollan slo en estado miceliar, reproducindosepor formacin de esporas unicelulares diferenciadas en el extremo de la hifa.En un segundo grupo, el de los Proactinomicetes, el desarrollo miceliar es transitorio, no seproducen esporas y la reproduccin ocurre primariamente por fragmentacim miceliar en clulascortas de tipo bacilar.Los euactinomicetes: los ambientes naturales contienen una gran poblacin, que se agrupan en

pocas familias (figura 1).

Figura 1 - Principales grupos de actinomicetes

1. Streptomycetaceae: las hifas usualmente fragmentan, micelio areo extensivo y cadenas deesporas con 5-50 o ms conidios por cadena. Gneros tpicos: Streptomyces, Microellobosporia,Sporichthya.2. Nocardiaceae:hifas tpicamente fragmentadas para dar pequeas esporas.3. Micromonosporaceae: hifas que no se fragmentan, los conidios se presentan solos, en pares,o en cortas cadenas. Gneros: Micromonospora, Microbispora, Micropolyspora,Thermomonospora, Thermoactinomyces, Actinobifida.4. Act inoplanaceae: esporas en esporangios, dimetro de la hifa 0,2- 2 mu. Gneros:Streptosporangium, Actinoplanes, Planibispora, Dactylosporangium.

5. Dermatophi laceae: los fragmentos de hifas se dividen para dar gran nmero de estructurasredondas, mviles. Gnero: Geodermatophilus.6. Frankiaceae: habitan ndulos radicales en ciertas no-leguminosas. Se han logrado reproducirfuera del husped. Gnero: Frankia.7. Act inomycetaceae: no forman verdadero micelio, comnmente anaerobias facultativas.Gnero:Actinomyces.

De los numerosos gneros de euactinomicetes, el ms amplio es Streptomyces, que puedenrepresentar ms del 70-90% de las colonias desarrolladas en medio slido. Son muy abundantesen el suelo, al cual le confieren el olor caracterstico a tierra hmeda, atribuble a sustanciasvoltiles que producen. Este grupo ha adquirido importancia econmica, por el gran nmero deantibiticos formados como metabolitos secundarios. Las esporas tienen rol reproductivo y sondiseminadas por el aire o el agua. Thermoactinomyces produce esporas extremadamenteresistentes al calor, similares a las endosporas de las bacterias tpicas y la temperatura mxima

de crecimiento es de 65-68C. Son activos en compostajes (captulo 8, tomo 2), o abonos.Los representantes del gnero Frankia se asocian simbiticamente a especies de no-leguminosas(captulo 16).

Actividades y ecologa la densidad de este grupo en el suelo es por lo general de 3 a 15 veces menor que la de las

bacterias, dominando sobre todo los gneros Streptomyces y Nocardia (Dommergues,Mangenot, 1970)

la mayora de las especies son mesfilas(ptimo 25-30C, aunque hay especies termfilas


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abundan en suelos de pH 6,8-8,0y slo excepcionalmente en suelos de pH inferior a 5,0. Estasensibilidad a pH cidos es empleada en el control de organismos fitopatgenos

si la humedad es abundante y la temperatura no muy elevada, se los encuentra en formavegetativa

en condiciones extremas de desecacin y/o altas temperaturas, dominan en forma de conidios dominan en suelos alcalinos

disminuyen con la profundidad, aunque el porcentaje de actinomicetes en relacin a lamicroflora total aumenta con la profundidad y constituyen gran proporcin de la poblacin enhorizontes inferiores

disminuyen con la inundacin (la mayora son aerobios) por su capacidad para sobrevivir en condiciones desfavorables, constituyen uno de los grupos

ms distribuidos en los suelos

Funciones Degradacin de compuestos resistentes: responden al agregado de materiales carbonados

varias semanas ms tarde, pues son dbiles competidores frente a bacterias y hongos, cuandoabundan los compuestos simples. Su participacin aumenta cuando quedan materialesresistentes

Formacin de humus:muchas especies producen en medio de cultivo molculas complejas, a

las que se presume muy importantes en la humificacin Transformaciones a altas temperaturas:sobre todo en la podredumbre y calentamiento deabonos verdes, heno, compost abonos animales. Los termfilos son el grupo dominante y lassuperficies de los composts toman color blanco o gris tpico de este grupo

Enfermedades en vegetales: como la podredumbre negra de la papa y la viruela de la batata,por Streptomyces scabies y Streptomyces ipomoeae, respectivamente

Infecciones en el hombre y animales: por ejemplo, por Nocardia asteroides y Nocardiaotitidis-caviarum

Antagonismos microbianos: sntesis de antibiticos, enzimas lticas (quitinasas, celulasas,hidrolasas)

Produccin de sustancias probiticas, como vitaminas (B1, B2, B6, B12, biotina, cidoflico)

Fijacin biolgica de N2:el gnero Frankia forma ndulos con no-leguminosas

Las cianobacteriasEste grupo considerado como cianofceas en la taxonoma antigua, ha sido incluido entre lasbacterias, ya que poseen estructura y organizacin de protistas inferiores (figura 2). Es un casobastante sorprendente, en donde la evolucin fisiolgica (fotosntesis oxignica) precedi a laevolucin estructural (Carr y Whitton, 1982). Son organismos unicelulares, filamentosas ocenocticas, sin flagelos. Poseen clorofila tipo a, ficocianina (azul) y ficoeritrina (rojo) cuyascombinaciones les dan la coloracin caracterstica.Algunos integrantes del grupo pueden crecer en la oscuridad a expensas de materiales orgnicossimples, como la glucosa, aunque ms lentamente que a la luz (respiracin aerobia). No poseenlas enzimas del ciclo de los cidos tricarboxlicos, sobretodo la enzima clave, la alfa ceto-glutaratodeshidrogenasa, por lo que deben degradar los compuestos por la va oxidativa de las pentosas-fosfato. Las fotoauttrofas obligadas, carecen de permeasas especficas para la incorporacin deazcares, pero poseen las enzimas del ciclo de las pentosas-P (Stanier et al, 1976) y no se

pueden desarrollar en la oscuridad.

Muchos integrantes del grupo poseen la doble capacidad de fijar carbono y nitrgeno (reducen elCO2 y el N2) y por su importancia ecolgica, como colonizadoras de suelos quemados,erosionados, degradados, donde se desarrollan a partir de sales, agua y luz, sern tratadas en elcaptulo 3, tomo 2. Es de destacar tambin las asociaciones con vegetales: con briofitas, helechos(Azolla) y con hongos (lquenes), en donde la fijacin del N2 es ms eficiente. Se encuentran enhabitats cuyos rangos son ms amplios que los del resto de los procariotas fotosintticos: suelo,mar, aguas frescas, ambientes pobres en nitrgeno. Muchas especies son termfilas y crecen


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abundantemente en aguas termales neutras o alcalinas, incluso hasta 70C. En general soninhibidas por pH bajos.

Los suelos desrticos son ambientes en donde la poblacin microbiana fotosinttica consiste casienteramente en cianobacterias unicelulares protegidas de la intensa insolacin y desecacin entrepartculas de cuarzo.

En lagos eutrficos (abundancia de minerales) se observa un desarrollo masivo de estas bacteriasen los meses clidos. Poseen vacuolas de gas que les permiten flotar en la superficie dando lasdensas matas gelatinosas (bloom).

Figura 2- Anabaena, cianobacteria heterocstica fijadora de N2

BibliografaALEXANDER, M., 1977 Introduction to Soil Microbiology,Wiley & Sons, Nueva York.

CARR, N.G. y WHITTON, B.A., 1982 Biology of cyanobacteria, Botanical monographs, vol. 19,Univ. California Press, Berkeley.

DOMMERGUES, Y. y MANGENOT, F., 1970 Ecologie Microbinne du Sol, Masson et Cie.,Pars.

LECHEVALIER, H.A. y PRAMER, D. 1971 The Microbes,Lippincott (ed.), Filadelfia.STANIER, R. Y., ADELBERG, E. A. y INGRAHAM, J., 1976 The Microbial World, 4a ed., PrenticeHall Inc., Englewood Cliffs, Nueva Jersey.

WAKSMAN, S. A., 1952, Soil Microbiology, Wiley & Sons, Nueva York.


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Captulo 4

Los Protistas superiores

IntroduccinEste grupo comprende a un conjunto muy diverso de organismos cuyo estudio ha sido abordadopor distintas disciplinas: Ficologa, Micologa y Protozoologa. Esta diversificacin se explica porel hecho de que los botnicos reconocieron a las algas y a los hongos como plantas y los zologosa los protozoos como animales.Actualmente se reconocen como microorganismos, muy simples, que han permanecido a travsde la evolucin adaptndose a las condiciones modernas. Los representantes ms especializados,como un alga de mar, un ciliado, un moho, pueden ser asignados rpidamente a las algas,protozoos y a los hongos, respectivamente. Sin embargo, existen numerosos protistas incluidosarbitrariamente en algn grupo, como el caso del gnero Euglena, ubicado entre las algas y losprotozoos.

En trminos generales, un alga puede definirse como un organismo que realiza fotosntesisoxignica y posee cloroplastos. Pueden ser unicelulares, filamentosas o cenocticas, algunasposeen aspecto de planta debido al extensivo desarrollo multicelular, pero no se diferencian entejidos ni rganos; por lo general la especializacin celular se da en el caso de la reproduccin(Brock y Madigan, 1993).

Los protozoos y los hongos son organismos no fotosintticos y la diferencia entre ellos es decarcter estructural; los protozoos son predominantemente unicelulares y los hongos, sobre todocenocticos, se desarrollan dando origen a una estructura filamentosa y ramificada, el micelio.El cloroplasto es un organelo clave en las relaciones entre los tres grupos. Se puede perderirreversiblemente, dando origen a las algas incoloras o leucofitos que se desarrollan connutrientes minerales simples, a la luz. As, a partir de algas unicelulares, es fcil distinguir formasque dependen de procesos fermentativos o respiratorios para su nutricin, como los protozoos.

La separacin es muy marcada entre algas y protozoos en estructura celular y fisiologa, pero a losevolucionistas les resulta ms difcil vincular a los protozoos con los hongos: los primeros sonuniformemente unicelulares y mviles y los hongos predominantemente cenocticos e inmviles, ysu hbitat fundamental es el suelo. No obstante, es necesario recordar que las formas primitivasson acuticas y poseen esporas flageladas (zoosporas). Para los hongos del suelo, el viento es laprincipal forma de propagacin

Las algas

El suelo no es un hbitat ptimo para las algas, que prefieren los ambientes acuticos. Sinembargo, la ficoflora terrestre est integrada por numerosas especies unicelulares y filamentosas,cuya distribucin est ligada a tipos pedolgicos y a la cubierta vegetal. En condiciones extremas,estos productores primarios(PP) de materia orgnica pueden desempear un rol fundamental.La taxonoma que se emplea es la de los botnicos (Thalophytas) y se basa en propiedadescelulares: naturaleza qumica de la pared, si est presente los materiales orgnicos de reserva la naturaleza de los pigmentos fotosintticos la naturaleza y posicin de los flagelos, en el caso de algas mviles.El cuadro 1 muestra las divisiones en que se ubican las algas. (Stanier et al., 1976).Las divisiones no son equivalentes en lo relacionado al rango de estructura de sus integrantes. Porejemplo, Euglenophyta consiste enteramente en organismos unicelulares organizados en coloniassimples, mientras que las Phaeophyta(algas pardas) son enteramente organismos multicelulares,de aspecto de planta. El mayor y ms variado grupo es el de las algas verdes (Chlorophyta), de


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los cuales se originaron probablemente las plantas; incluye organismos unicelulares y hastamulticelulares con aspecto de vegetal.Cuadro 1- Principales grupos de algasgrupo caractersticas de los pigmentos, pared celular, materiales

de reserva, n y tipos de flagelos, organizacin celular

Chlorophyta clorofila a y b, celulosa, almidn, 2 flagelos, unicelularesalgas verdes filamentosas, de gran tamaoEuglenophyta a y b, sin pared, paramiln y grasas, 1,2,3 flagelos

por clula, unicelularesPhyrrophyta a y c y carotenoides especiales, celulosa, almidn ydinoflagelados aceites, 2 flagelos diferentes en forma y posicin, la

mayora unicelulares, pocas filamentosasChrysophyta a+/-c y carotenoides especiales, 2 mitades

superpuestas de slice, otras sin pared, aceites, 2flagelos por clula, unicelulares, filamentosas, cenocticas

Phaeophyta a y c, carotenoides especiales, celulosa y algina, grasasalgas pardas y luminarina, 2flagelos de distinta longitud, pluricelularesRhodophyta a, ficobilinas, celulosa, almidn, s/flagelos, unicelulares,algas rojas pluricelulares con forma de planta

Es muy extensa la laguna biolgica que existe entre las cianobacterias y las algas. En cambio, lasplantas superiores presentan relacin con las algas verdes: la disposicin especfica de lospigmentos del cloroplasto, las paredes celulares formadas con celulosa y la capacidad dealmacenar almidn.La mayora de las algas multicelulares son inmviles en estado maduro. Sin embargo en sureproduccin, fre

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