Microbiologia Ambiental

DESARROLLO DE LA GUÍA DEL TRABAJO ACADÉMICO

CUESTIONARIO

Realice un ensayo, luego de una investigación bibliográfica, analizando y describiendo cada uno de los siguientes temas:

1. TOMANDO UN EJEMPLO EN CADA CASO, DESCRIBA LAS DIFERENCIAS ENTRE UN MICROORGANISMO PROCARIÓTICO Y UN MICROORGANISMO EUCARIÓTICO. (4 PUNTOS)

Uno de los avances más considerables de la Biología ha sido el descubrimiento de las profundas diferencias entre los organismos celulares y acelulares (virus) y a nivel celular las diferencias entre células con y sin núcleo.

Los términos Procariotas y Eucariota se deben a E. Chatton y se empezaron a usar a principios de 1950. La principal diferencia radica en que en los Procariotas el material genético no está separado del citoplasma y los Eucariotas presentan el material genético está organizado en cromosomas rodeados por una membrana que los separa del citoplasma.

PROCARIOTAS EUCARIOTAS

ADN localizado en una región: Nucleoide, no rodeada por una membrana. Núcleo rodeado por una membrana. Material genético fragmentado en cromosomas formados por ADN y proteínas.

Células pequeñas 1-10 µm Por lo general células grandes, (10-100 µm), Algunos son microbios, la mayoría son organismos grandes.

División celular directa, principalmente por fisión binaria. No hay centríolos, huso mitótico ni microtúbulos.

Sistemas sexuales escasos, si existe intercambio sexual se da por transferencia de un donador a un receptor. División celular por mitosis, presenta huso mitótico, o alguna forma de ordenación de microtúbulos.

Sistemas sexuales frecuentes. Alternancia de fases haploides y diploides mediante Meiosis y Fecundación

Escasas formas multicelulares

Ausencia de desarrollo de tejidos Los organismos multicelulares muestran desarrollo de tejidos

Formas anaerobias estrictas, facultativas, microarerofílicas y aerobias Casi exclusivamente aerobias

Ausencia de mitocondrias: las enzimas para la oxidación de moléculas orgánicas están ligadas a las membranas Las enzimas están en las mitocondrias

Flagelos simples formados por la proteína flagelina Flagelos compuestos, (9+2) formados por tubulina y otras proteínas

En especies fotosintéticas, las enzimas necesarias están ligadas a las membranas. Exitencia de fotosíntesis aerobia y anaerobia, con productos finales como azufre, sulfato y Oxígeno Las enzimas para la fotosíntesis se empaquetan en los cloroplastos.

Escherichia coli división por fisión binaria. Copyright Dennis Kunkel (MET) Célula Eucariota

BIBLIOGRAFÍA

1. E.Wiesmann (1982). Microbiología Médica. Salvat. p. 452. ISBN 3-13-444804-1.

2. http://cancerresearchjournal.com/2008/03/13/yale-uses-rabies-related-virus-to-target-brain-tumor

2. A TRAVÉS DE CUALQUIERA DE LAS CUATRO SITUACIONES PLANTEADAS, DESCRIBA LA DINÁMICA POBLACIONAL Y EL CRECIMIENTO MICROBIANO:

- RIZÓSFERA

Región del suelo cuya actividad biológica es influenciada por las raíces de las plantas. Aquí los exudados de las raíces afectan los procesos del suelos y los microorganismos que se encuentran en él.

Se caracteriza por el aumento de la biomasa microbiana y de su actividad (ver figura 1 y 2). La comunidad de la rizósfera consiste en una microflora (bacterias, hongos y algas) y una micro y mesofauna (protozoos, nematodes, insectos y ácaros).

La micro y mesofauna en procesos de descomposición en ecosistemas, contribuyen significativamente con el catabolismo de sustancias nocivas en la rizósfera. A través de los exudados se pueden establecer diferentes interacciones microorganismo-raíz que afectan positiva o negativamente el crecimiento de las plantas.

Por ejemplo las plantas exudan de sus raíces carbohidratos producto de la fotosíntesis, que sirven como energía para los microorganismos, quienes en retribución las protegen de los organismos patógenos y además solubilizan los minerales haciéndolos más asimilables.

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Figura 1. Rizósfera.

Figura 2. Áreas de la rizósfera

- La rizósfera es un complejo y dinámico microambiente, donde las bacterias y hongos, en asociación con las raíces, forman comunidades únicas que tienen considerable potencial para la detoxificación de compuestos orgánicos nocivos.

La detoxificación puede resultar en la degradación, mineralización o polimerización de los tóxicos en la rizósfera. Estos procesos de detoxificación dependen no sólo de la microbiota de la rizósfera, sino también de las características de la planta huésped, propiedades del suelo y condiciones ambientales.

El entendimiento de la interacciones entre plantas, comunidades microbianas de la rizósfera y los tóxicos orgánicos facilitan el empleo exitoso de la vegetación para remediar químicamente los suelos contaminados.

Así, por ejemplo, la comunidad microbiana de la rizósfera ha mostrado el aumento de la asociación de los hidrocarburos policíclicos aromáticos con los ácidos húmicos y fúlvicos del suelo, por lo que la biodisponibilidad de estos compuestos se reduce, así como la potencial fitotoxicidad.

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Figura 3. Factores que influencian los procesos de exudación de la raíz.

En la rizósfera se encuentran comúnmente los siguientes compuestos:

- Aminoácidos: todos de ocurrencia natural

- Ácidos orgánicos: cítrico, fórmico, acético, entre otros

- Carbohidratos: fructosa, galactosa, glucosa, maltosa, entre otros

- Derivados de ácidos nucleicos: adenina, guanina, citosina, uracilo

- Vitaminas: biotina, colina, inositol, pantoténico

- Enzimas: amilasa, fosfatasa, invertasa, proteasa, entre otras.

- Otras sustancias: auxinas, CO2, alcohol, glutamina, ácido cianhídrico

- BIOCORROSIÓN

Bacterias aeróbicas y anaeróbicas son responsables de la corrosión de origen biológica que afectan elementos de uso urbano e industrial. Los géneros Gallionella y Thiotrix sólo se desarrollan en agua de mar; en este trabajo se mencionan también de manera simple bacterias quimiolitótrofas, fotolitótrofas, fotoorganótrofas,Thiobacillus al igual que microorganismos heterótrofos (hongos) y autótrofos (algas). Finalmente se describen bacterias sulfatorreductoras y sulfobacterias, presentándose de manera sucinta el mecanismo de corrosión con sus respectivas reacciones de óxido reducción, despolarizaciones anódicas y catódicas de reacciones autotróficas.

I. INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES

Generalmente las bacterias son descritas clínicamente por su actividad patógena para el ser humano, pero algunas no solamente lo atacan a él sino también a sus obras. En este grupo de organismos existen las que sin ser patógenas son responsables de la corrosión biológica, ya que algunas se desarrollan muy bien en presencia de sales minerales viviendo y sustentándose prácticamente de “aire” a falta de cualquier sustancia orgánica. Habitualmente estas bacterias se encuentran en medio acuoso, por lo cual, previo al uso industrial del agua, ésta es normalmente analizada desde un punto de vista químico pero no microbiológico y, cuando este aspecto es considerado, sólo se hace con la finalidad de detectar patógenos.

Las bacterias de la corrosión actúan en cualquier parte que haya Fe, Mn, SO42 o derivados azufrados en presencia del agua, dentro o fuera de las tuberías o bien al aire libre en los depósitos, sin importar que el agua sea dulce o salada. Por su gran diversidad, proliferan aún en las condiciones más desfavorables si no se toman algunas precauciones. Algunas de estas bacterias se desarrollan particularmente en ciertos sitios del medio ambiente, los que son determinados por características específicas, como por ejemplo tensión de oxígeno, ambiente reductor, pH, etc.

El transporte bacterial se realiza junto con los materiales afectados por ellas; por ejemplo, a Ferrobacilus se le encuentra preferentemente en las regiones mineras, pero ahora no es raro que esté en otras partes debido a que fue transportada a diferentes sitios con el carbón, asfalto, brea, etc.

Algunas bacterias se encuentran ampliamente distribuidas en el suelo, agua y aire, pero también se les encuentra en medios específicos como ocurre con diversas especies de Gallionella y Thiotrix que sólo de desarrollan en agua de mar.

Estas bacterias no provocan directamente la corrosión, pero sí la aceleran porque inciden en la cinética del mecanismo de reacción. Además contribuyen a la formación de lodos y depósitos que pueden llegar a obstruir por completo las tuberías; las hay aerobias y anaerobias.

Por la incidencia e importancia que tienen las bacterias en procesos urbanos, ambientales, mineros e industriales es conveniente considerar su acción cuando se desarrollan proyectos de inversión o desarrollo.

2. ANTECEDENTES

En general, la literatura referida al tema es bastante amplia ya que en él se trabaja desde 1918. Entre los trabajos más recientes, en términos generales, se puede mencionar a McCoy et al. (1981) quienes observaron la formación de biopelículas de adherencias; Trulear y Charaklis (1982) estudiaron la dinámica de los procesos en las biopelículas; G. A. Birchahll (1979) estudió el control de adherencias dentro de un sistema de enfriamiento por agua; J. Lichtenstein (1977) se preocupó de los fundamentos que causan corrosión y mitigación; King y Miller (1971) observaron la corrosión por las bacterias sulfatorreductoras. Es más escasa esta información en ambientes marinos, entre los cuales sólo se menciona el trabajo deShtevneva et al. (1971) titulado “Bacterial overgrowth as a factor in metal corrosion in sea water”, en el cual se concluye que todas las muestras probadas fueron expuestas a un crecimiento bacterial más enérgico que los controles; que en la zona de H2S el número de bacterias perifíticas sobre la superficie de las placas fue 6 y 9 veces menos (en el caso de la aleación de Al) que en la zona oxigenada, en la cual la población bacterial sobre los materiales estudiados consistió principalmente de bastones y cocos, mientras que los vibrios se incrementaron en la zona del ácido sulfhídrico.

Se estableció una muy buena relación entre el número total de bacterias y la pérdida de peso de las placas, también que la corrosión bacterial en las zonas óxicas y anóxicas es principalmente producida por las formas cocales y además que la proporción de corrosión en estas zonas depende igualmente de la concentración de oxígeno disuelto y de la densidad poblacional de bacterias, considerándose al final que el efecto del H2S fue poco significante en esta acción. (Shtevneva op.cit.)

El trabajo de Efird (1975), “The interrelation of Corrosion and Fouling for Metals in Sea Water”, concluye que las variaciones de propiedades en este medio están influidas por sus características de corrosión y pueden ser ubicadas en una de estas tres clases:

1. Metales susceptibles a la corrosión

2. Metales pasivos

3. Metales que forman películas tóxicas.

En aleaciones como el acero se producen adherencias que son fácilmente removidas con la pérdida del producto de corrosión, desprendiéndolas a intervalos durante la exposición. En las aleaciones pasivas se adhieren rápidamente, las que se fijan con fuerza.

El efecto de corrosión se produce por las concentraciones de oxígeno en el ambiente permitiendo el desarrollo de ciertas bacterias, aeróbicas o anaerobias según corresponda, y cuando el metal corroído se agrieta, se afectan a los organismos anaerobios incrustados.

No todos los metales que podría esperarse forman películas tóxicas; se ha observado que el berilio y plomo permanecen libres de incrustaciones. Las aleaciones en base a cobre son resistentes a la incrustación debido a la formación de Cu2O que es tóxico a los organismos, pero no afecta a las estructuras adyacentes. (Efirdop. cit.)

II. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA CORROSIÓN BACTERIANA

1. Estado en que se encuentra el material:

La estructura, las alteraciones de la superficie, por mínimas que sean, o el deterioro mecánico del metal son factores que permiten el inicio de la corrosión, la que una vez iniciada continúa con la acción que desempeñan las bacterias.

2. Composición del medio:

a. Contenido químico del agua:

Los contenidos de O2 y CO2 son muy importantes para la formación de óxidos y carbonatos, inicialmente en los puntos que presentan deterioro. Además el O2 favorece el desarrollo de los organismos aerobios y por otra parte el CO2 servirá como fuente de carbono a las bacterias autótrofas.

La presencia de N2, P, S, Fe, Mn, Ca, etc. como también NO3 , PO43-, SO42-, S2- aportan los oligoelementos necesarios para su propia síntesis y obtienen de sus transformaciones la energía necesaria para su metabolismo. Del mismo modo las bacterias quimiorganótrofas utilizarán los compuestos orgánicos. Todas las aguas naturales sin alteración contienen sales minerales y materia orgánica que permite el crecimiento de las bacterias.

b. Temperatura:

Cada microorganismo tiene una temperatura óptima en la cual se acelera su desarrollo, la cual generalmente es de 25oC a 30oC, pero ciertas esporas pueden resistir temperaturas mucho más altas o bajas.

c. pH:

Es importante en el medio por su acción directa sobre el metal y por ser determinante en los potenciales de reacción, para luego, como se presenten, favorecer o inhibir el desarrollo bacterial. El pH óptimo está cercano a la neutralidad, a pesar de lo cual ciertas bacterias se adaptan muy bien al pH cercano a 1, como es el caso de Thiobacillus, los que al secretar H2SO4 cambian significativamente el pH del medio haciéndolo muy corrosivo para el metal.

d. Luz:

Condiciona el desarrollo de las bacterias fotolitótrofas y de las fotoorganótrofas.

3. OTROS MICROORGANISMOS

a. Hongos:

Organismos heterótrofos que pueden causar daños importantes derivados de su actividad enzimática, manifestándose por el deterioro biológico de los derivados celulósicos o plásticos cuyos productos pueden servir para algunas bacterias. Secretan al medios muchos ácidos orgánicos.

b. Algas:

Organismos autótrofos, se desarrollan en presencia de luz, proporcionan la materia orgánica necesaria para el crecimiento de otros microorganismos. También secretan enzimas que atacan numerosos sustratos como la madera, papel, etc.; además pueden metabolizar sustancias ácidas corrosivas, incorporar metales y formar lodos o sedimentos que pueden favorecer el desarrollo de las bacterias anaerobias.

4. BACTERIAS

A. Quimiolitótrofas

Omiten toda sustancia orgánica como elemento de construcción molecular. Obtienen su energía a partir de elementos no orgánicos, como de la transformación de los compuestos reducidos del S, Fe, Mn, N2 e H2. Como tampoco son fotosintéticas, se pueden desarrollar en la oscuridad.

De éstas, las ferrobacterias obtienen la energía necesaria para su síntesis a partir de la transformación de las sales ferrosas en férricas, por lo que tuberías con metal ferroso que estén desprotegidas y en contacto con el agua son atacadas, formándose hidróxido ferroso que rápidamente se transforma en hidróxido y carbonato férrico por el O2 y CO2 disueltos; generalmente el proceso se detiene ahí.

La presencia de ferrobacterias en el punto de ataque moviliza Fe2+ y su transformación en sales férricas, lo cual es muy rápido si el medio contiene ion ferroso. Se observa la formación de consistente “herrumbre”, que contiene cuerpos bacterianos, a lo cual sigue la disolución ininterrumpida del metal.

Por su parte, las sulfatorreductoras son bacterias que forman un solo grupo de Espiriláceas, representadas por Desulfovibrio desulfuricans.

Son anaerobias obligadas, por lo que se les encuentra en las capas de herrumbre que están en contacto con el metal, allí donde no llega oxígeno. Además de afectar a los metales ferrosos, el H2S formado corroe muy especialmente las tuberías de plomo, independientemente si están o no bajo tierra.

B. Sulfobacterias

a. Metabolizan el azufre a partir de compuestos azufrados reducidos y los almacenan o pasan al medio. Se forman lodos.

b.- O bien oxidan el azufre, lo mismo que a sus compuestos con formación de productos ácidos (H2SO4). Se produce acción corrosiva con modificación importante del pH del medio.

Se ha observado que para prever dificultades en procesos industriales se requiere que, previo a la distribución de las aguas, se determine la presencia de estos tres grupos de bacterias.

III. MECANISMO DE CORROSIÓN

Se fundamenta en la teoría electrónica, que explica y satisface la mayor parte de los procesos de corrosión.

El ataque corrosivo se inicia por diferencia de potencial entre los puntos en los cuales el metal presenta imperfecciones, produciéndose el paso de corriente a través del electrólito que se encuentra entre esas partes del metal. Se forman pequeños elementos primarios.

En las zonas anódicas, la corriente pasa del metal al líquido, en cambio en las catódicas el paso es del líquido al metal. Se observa disolución del metal en el ánodo y formación de hidrógeno en el cátodo.

En condiciones normales, al desprenderse el hidrógeno catódico, éste permanece suspendido en la superficie del metal formando una película a escala molecular, creándose un potencial de oposición suficiente para neutralizar “la pila”. Este fenómeno corresponde a la polarización. Inicialmente se produce una ligera corrosión anódica con disolución del hierro, como sales ferrosas que se oxidan por el oxígeno del agua.

Al polarizarse los elementos se suspende la corrosión. En esta etapa del proceso se observa una ligera capa de herrumbre que no afecta al metal, es un estado de equilibrio que puede durar mucho tiempo mientras el oxígeno no movilice al hidrógeno catódico, ya que de ser así se despolarizaría el sistema comenzando de nuevo la corrosión. En esta etapa es cuando intervienen las ferrobacterias y las sulfatorreductoras.

En el ánodo, las ferrobacterias obtienen su energía de la transformación de sales ferrosas en férricas, formando aceleradamente la herrumbre, con lo cual se rompe en forma continua el equilibrio por despolarización anódica y catódica simultáneamente. Este proceso produce la disolución continua del metal llegando a perforarlo.

En el cátodo se produce despolarización por la movilización del hidrógeno que hacen las bacterias sulfatorreductoras.

A. REDUCCIÓN DE SULFATOS

SO42-+ 8H+ + 8 e-  S2-+ 4H2O

B. DISOCIACIÓN ELECTROLÍTICA DEL AGUA

H2O  H+ + OH-

1. Despolarización anódica

4Feo  4Fe2+ + 8 e¬

2. Despolarización catódica

8H+ + 8 e-  8H

H2SO4 + 8H  H2S + 4H2O

Los iones sulfuro reaccionan a la altura del ánodo con una parte de los iones ferrosos puestos en solución.

S2-+ Fe2+  FeS

Fe2+ + H2S  FeS + 2H+

Otra parte de los Fe2+ se combina con los OH¬

Fe2+ + 2OH-  Fe(OH)2

Fe2+ + 6OH-  3Fe(OH)2

Globalmente:

8H2O  8H+ + 8OH¬

4Feo + 8H  4Fe2+ + 8H+ + 16 e-

Sulfatorreductor

H2SO4 + 8H  H2S + 4H2O

Fe2+ + H2S  FeS + 2H+

3Fe2+ + 6OH- - 3Fe(OH)2

4Feo + H2SO4 + 2H2O  3Fe(OH)2 + FeS

NOTA:

Se escribe H2SO4, pero en realidad se tiene

4Feo + M2SO4 + 4H2O  FeS + 3Fe(OH)2 + 2M(OH)

Estas reacciones corresponden a la vida autótrofa del Desulfovibrio desulfuricans, sin intervención de materia orgánica. Pero el átomo de S puede servir también como aceptor de e- para la oxidación de ciertas sustancias orgánicas. Esta oxidación nunca es completa y conduce a la formación de ácido acético, por lo que se dice que es un organismo quimiorganótrofo.

2CH3-CHOH-COOH + SO42-  2CH3-COOH + CO2 + H2S + 2OH-

2Fe(OH)2 + 1/2 O2 + H2O  2Fe(OH)3

2Fe(OH)3  Fe2O3 + 3H2O + Q

4FeCO3 + O2 + 6H2O  4Fe(OH)3 + 4CO2 + 81 Kcal

El esquema presenta las reacciones debidas a las ferrobacterias y a las bacterias sulfatorreductoras, pero las reacciones provocadas por las sulfatobacterias no intervienen directamente en el proceso de corrosión, aunque sí modifican el medio ambiente.

De lo anterior, se puede pensar que, por el contenido iónico y de materia orgánica en agua de mar, estos procesos deben ser cinéticamente más rápidos, provocándose una mayor acción corrosiva sobre metales en estos ambientes acuáticos.

BIBLIOGRAFIA

1. BIRCHALL, G.A. 1979. Control of fouling within cooling water system. Effluent and Water Treatment Journal.

2. CHANTEREAU, J. 1985. Corrosión Bacteriana. Ed. Limusa, S.A.

3. EFIRD, K. D. 1976. The inter-relation of Corrosion and Fouling for Metals in Sea Water. Materials Performance. :16-25.

4. IVERSON, P. W. 1972. Biological Corrosion, In: Advances in Corrosion Science and Technology. 2:1-42.

5. KING, R. A. & J. D. A. MILLER. 1971. Corrosion by sulfate-reducing Bacteria. Nature (London). 233: 491-492.

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7. LICHTENSTEIN, N. J. 1978. Fundamentals of Corrosion: Causes and Mitigation. Material Performance. 17(3): 29-31.

8. McCOY, W. F., D. BRYERS, J. ROBBINS and J. W. COSTERTON. 1981. Observations of fouling biofilm formation. Can. J. Microbiol. 27: 910-917.

9. SHTEVNEVA, A. I., M. N. LEBEDEVA, Y. P. MELINICHUK and O. A. PANINA. 1972. Bacterial overgrowth as a factor in metal corrosion in sea water. Advances in Corrosion Science and Technology.

10. TRULEAR, M. G., W. G. CHARACKLIS. 1982. Dynamics of Biofilm Processes. Journal W. P. C. F., 54(9)1288-1301.

- DETERIORO DE LOS ALIMENTOS POR ACCIÓN MICROBIANA

El deterioro o alteración de los alimentos comprende todo cambio que los convierte en inadecuados para el consumo.

Cuando en un alimento se presentan cambios sustanciales o cualquier tipo de modificación que limiten su aprovechamiento. Está causada por influencias externas, o también por circunstancias que radican en el mismo alimento, que pueden ser de naturaleza fisico-química, biológica o microbiológica.

Se habla de alteración microbiana cuando los microorganismos han modificado de tal manera con su multiplicación y metabolismo las características organolépticas de un alimento, que perjudican ostensiblemente su valor para el consumo o impiden prácticamente que sea empleado como materia prima. La descomposición microbiana es parte de un importante ciclo en la naturaleza, en el cual la sustancia orgánica muerta y de elevada complejidad se desdobla en sus partes integrantes, que a su vez quedan disponibles para formar a partir de ellas nueva sustancia viva.

Basándose en la sensibilidad de los alimentos a la alteración pueden clasificarse como estables o no alterables, semialterables y alterables. La inclusión de un alimento dado en uno de estos grupos depende de muchos factores interrrelacionados.

Al estudiar la alteración de los alimentos crudos debe asumirse que en el alimento hay inicialmente una gran variedad de microorganismos y que, cuando se inicia el crecimiento microbiano, algunas especies se encuentran con unas condiciones más favorables que otras y en consecuencia, aquellas sobrepasarán en desarrollo a las últimas. De hecho el crecimiento competitivo de las estirpes favorecidas, generalmente se traduce en el predominio de una o dos cepas, que se convierten en la flora más abundante y en la responsable de la alteración observada.

Los alimentos procesados sufren diferentes tipos de deterioro, que dependerá del tipo de tratamiento al que fue sometido. Por ejemplo, la alteración de alimentos enlatados puede deberse a un solo microorganismo resistente a las condiciones de procesado (especialmente temperatura y tiempo), se trata corrientemente de una bacteria productora de esporas muy resistente, dado la acción selectiva del calor.

1. IMPORTANCIA DE LAS ALTERACIONES MICROBIANAS

El deterioro de los alimentos puede originarse por diversas causas: ataque de insectos y otros animales, principalmente roedores; acción de enzimas, normalmente presentes en los tejidos vegetales y animales; reacciones puramente químicas, tales como hidrólisis, oxidación pardeamiento no enzimático; acción de agentes físicos: helada, calor, humedad, sequedad; en fin, proliferación y acción de microorganismos.

Lo usual es que las diversa alteraciones intervengan de forma simultanea o sucesiva; así por ejemplo, el apelotamiento de un producto en polvo debido a su humidificación, muchas veces sólo es la primera etapa hacia otras alteraciones. Algunas de ellas de origen microbiano.

El estudio de la microbiología de alimentos puede enfocarse desde puntos de vista muy diversos:

a) El del microbiólogo que trata de identificar cada microorganismo causante y estudiar sus condiciones de cultivo y caracteres.

b) El del higienista, que dedica su atención especial a las especies patógenas o productoras de toxinas.

c) El punto de vista del bioquímico se orienta hacia las modificaciones químicas y físico-químicas resultantes de la acción de los microorganismos.

d) El tecnólogo estudia especialmente los métodos y los procedimientos para luchar contra los microorganismos.

e) Finalmente, podríamos estudiarla según la categoría del alimento

Las características que ofrece el alimento como sustrato por una parte, y por otra la actividad metabólica específica de los microorganismos, determinan el tipo de alteración que se presenta, que en muchos alimentos presenta características peculiares. Su grado depende de la intensidad con que se multipliquen los gérmenes responsables de la alteración.

Por consiguiente, la alteración microbiana sólo puede producirse cuando:

a) Existe el sustrato adecuado

b) Se ha producido la contaminación con la flora correspondiente

c) Los gérmenes tienen la oportunidad de multiplicarse

La intensidad y curso de la alteración de un alimento vienen, por tanto, determinados decisivamente por las circunstancias que permiten la multiplicación de la microflora presente.

2. FACTORES DEL DETERIORO MICROBIOLOGICO DE ALIMENTOS

La evolución de la flora microbiana, inicialmente presente sobre, o en, un producto alimenticio, depende de numerosos factores: 1)los carateres físicos y químicos del alimento; 2)los tratamientos a los cuales fue sometido; 3)las condiciones ambientales; 4)la naturaleza y características de las especies presentes.

Son muy pocas las especies iniciales que participan en el proceso de alteración y se encuentran al final del mismo. En efecto, debido a los diversos factores en juego, se produce con las especies presentes una selección a lo largo de varias etapas. Algunas consiguen cierta ventaja al principio, pero dejan su sitio a otras que encuentran, en el medio ya modificado por las primeras, condiciones más favorables.

2.1. Características Físicas y Químicas de los Alimentos

a) pH

Es harto conocido que las frutas ácidas están sujetas a los ataques de mohos y levaduras, mientras que las legumbres, carnes y pescados constituyen medios más favorables para las bacterias.

La diferencia se debe principalmente al pH. Muchos mohos aún se desarrollan a pH próximo a 2.0 o superior a 9.0 y las levaduras entre pH 2.5 y pH 8.5; por el contrario, son raras las bacterias capaces de proliferar a pH inferiores o próximos a 4.0 (Lactobacillus, por ejemplo) y siempre que las otras condiciones sean apropiadas. Los Clostridium, y más concretamente el Cl. Botulinum, tan peligroso a causa de la toxina que produce y de la resistencia de sus esporas al calor, no tolera medios demasiado ácidos; así, el Cl. Botulinum no se desarrolla por debajo de pH 4.5 y esta característica permite aplicar tratamientos térmicos, relativamente suaves, para la mayoría de las frutas en conserva. Con relación a esto hay que recordar el poder tampón del alimento, es decir, la inercia que se opone a los cambios del pH; los alimentos pobres en proteínas, tales como las legumbres verdes, tienen menor poder tampón que la carne o el pescado y se dejan acidificar más fácilmente.

b) Potencial de Oxido Reducción

La capacidad más o menos oxidante o reductora de un medio, cuya medida es el potencial de oxi-reducción, tiene una función muy importante en la proliferación de microorganismos; algunas especies sólo se desarrollan en medios relativamente oxidantes o en presencia del aire, mientras que otras, por el contrario, exigen medios reductores y sólo proliferan en ausencia del aire. Resultan considerables las diferencias de un grupo de especies a otro: al lado de aerobios estrictos (por ejemplo la mayor parte de los mohos) que exigen potenciales de + 200 mV, o superiores, y de anaerobios estrictos, que necesitan potenciales de – 200 mV, se encuentran los anaerobios facultativos, que se desarrollan tanto en aerobiosis como anaerobiosis y las especies llamadas microaerófilas, que exigen potenciales de oxi-reducción poco inferiores a cero. Los potenciales de oxido-reducción dependen principalmente de los caracteres bioquímicos de los alimentos que, naturalmente, no son inmutables; por otra parte, hay que considerar las posibilidades de acceso del oxígeno del aire, supeditado a la presión parcial del oxígeno, en la atmósfera que rodea el alimento, la estructura física del mismo y la presencia del oxígeno, en la atmósfera que rodea el alimento, la estructura física del mismo y la presencia eventual de un embalaje más o menos impermeable a los gases.

c) Aw (Actividad de Agua)

Los mohos son menos exigentes que las bacterias, confirmando así lo que ya se dijo a propósito del pH; a aw muy altas, hay preferentemente bacterias, porque proliferan más rápido que las levaduras y los mohos (excepto a pH ácidos).

d) Nutrientes

Los microorganismos tienen que disponer para su crecimiento de diversos nutrientes: suministro de energía, aporte de nitrógeno, factores de crecimiento, sales aportando diversos elementos químicos indispensables, etc. En esto también se observan notables diferencias entre un grupo de especies y otro: los mohos-una vez más- los menos exigentes; por el contrario, las bacterias gram-positivas se presentan como más difíciles.

En general, la mayoría de los gérmenes que intervienen en la alteración de alimentos encuentran en ellos todos los nutrientes necesarios; pero, si bien es cierto que la mayor parte de la especies tienden a utilizar los compuestos más simples, por ejemplo hexosas y aminoácidos, son muy pocas las que disponen de la organización enzimática que les permita atacar otras moléculas más complejas: amilasas para hidrolizar el almidón, enzimas pectinolíticas para deshacer la estructura péctica de los vegetales, celulasas, enzimas lipolíticas y proteolíticas.

Frecuentemente las especies así dotadas lo que hacen es preparar el terreno para otros gérmenes.

Tanto los glúcidos como los lípidos y proteínas pueden servir como fuente de energía; frecuentemente en los alimentos ricos en glúcidos, las alteraciones se inician por una fermentación y el descenso del pH, que resulta por la formación de ácidos, lo cual inhibe los microorganismos proteolíticos e impide o retarda la putrefacción.

Entre los factores indispensables del crecimiento, están sobre todo las vitaminas del grupo B y los aminoácidos, que algunas especies son incapaces de sintetizar.

e) Compuestos Antimicrobianos Naturales

Algunos alimentos contienen de forma natural compuestos antimicrobianos: por ejemplo, el ácido benzoico de ciertas bayas, lisozimas en la clara del huevo, ciertos ácidos grasos o ciertos aldehídos; por otro lado, las alteraciones químicas, tales como la rancidez de las grasas o el pardeamiento no enzimático dan origen a compuestos dotados de propiedades antimicrobianas. No obstante, se trata de substancias de espectro bacteriostático muy limitado, incluso muy lábiles, por tanto poco eficaces, de tal forma que su importancia práctica es secundaria, por no decir insignificante.

2.2. Tratamientos

a) Modificación de las Características Físicas o Químicas de los Alimentos

Todo tratamiento que modifique los caracteres químicos o físicos de un alimento va a influir sobre la flora microbiana, susceptible de provocar alteraciones.

Así ocurre con los cambios de aw que resultan de una desecación, adición de sal o de azúcar o de una humidificación, lo mismo que las variaciones de pH por adición de un ácido o fermentación.

La cocción, independientemente de la acción directa del calor sobre los microorganismos, determina modificaciones químicas; por ejemplo, origina hidrólisis de polisacáridos como el almidón, extracción despues de hidrólisis de proteínas como la gelatina, coagulación de proteínas como la ovoalbúmina, que influyen sobre el desarrollo de los gérmenes presentes. De esta forma, el calentamiento puede representar modificaciones poco aparentes y además imperfectamente conocidas, que confieren al medio propiedades inhibidoras frente a los gérmenes. El ahumado de carnes y pescados une los efectos del calor, al secado y compuestos antisépticos presentes en el humo de la madera.

Algunos procesos como el corte, pelado de frutas y legumbres, triturado, prensado, la adición de agentes emulsionantes o estabilizantes, etc., presuponen cambios de estructura física, que no cabe duda que afectan a la flora microbiana.

b) Tratamiento Térmico

El factor más importante en la resistencia al calor es la presencia o la ausencia de las esporas; estas resisten mucho más que las formas vegetativas y es conveniente resaltar que las especies termo-resistentes se encuentran entre las capaces de formar esporas.

Con relación a los mohos, cuyas esporas son morfológica y fisiológicamente muy diferentes de las formas resistentes llamadas "esporas" de bacterias, hay que resaltar que presentan mínima resistencia al calor. Las mayores resistencias(del orden de 10 min. a 95°C a pH 4,0 para 106 esporas ml.) se observaron con Byssochlamys sp.

La resistencia al calor no depende solamente de la temperatura y de su tiempo de actuación, sino también del número de microbios presentes; su mejor expresión es la reducción decimal D, que indica el tiempo necesario para destruir, a una temperatura dada, el 90% de los gérmenes; sin embargo, esta expresión implica que la curva de destrucción térmica sea logarítmica, lo que no siempre ocurre.

El tratamiento térmico afecta a las células de las bacterias, aun cuando no sea suficiente para destruirlas; quedan entonces más sensibles a los agentes inhibidores presentes en el medio.

El pH tiene una gran influencia sobre la resistencia al calor, con un máximo que se sitúa en torno a pH 7; por lo tanto, desde el punto de vista bacteriológico, los productos de pH más bajo son los más fáciles de conservar tanto en razón a la menor resistencia de los microorganismos al calor, como por el hecho de que a pH bajo, ya no proliferan muchas especies de bacterias.

c) Otros Tratamientos

Resulta conveniente recordar otros tratamientos tales como la irradiación U.V., las radiaciones ionizantes, las vibraciones ultrasónicas, etc., que pueden, al igual que el calor (aunque de una manera cualitativa y cuantitativa distinta), modificar selectivamente la flora microbiana.

2.3. Condiciones Ambientales

a) Temperatura de Almacenamiento

Cada especie bacteriana prolifera únicamente entre ciertos límites de temperatura y tiene, para su desarrollo, una temperatura óptima. Por eso la temperatura de almacenamiento va a tener una influencia considerable sobre la alteración que pueda padecer un alimento.

Se encuentran especies para las cuales el carácter termófilo, mesófilo o psicrófilo es estricto y otras para los que es facultativo; asimismo los límites de temperatura son más o menos amplios; ciertos Streptococcus se desarrollan entre 0 y 30 grados.

En el caso de productos almacenados en frigoríficos, se observa una proliferación de psicrófilos, especialmente de los géneros Stretococcus, Pseudomonas y Achromobacter; igualmente, numerosos mohos se acomodan a temperaturas muy bajas y proliferan rápidamente entre –5 y +5 0C. Los termófilos se encuentran sobre todo entre los Bacillus y los Clostridium, esporulados dotados frecuentemente de una fuerte resistencia al calor; tienen importancia especial para las conservas.

b) Humedad Relativa

La humedad relativa del ambiente interviene sobre todo en la proliferación de microorganismos en la superficie de los productos alimenticios; pero no hay olvidarse que varía en función que la temperatura y que por otra parte hay tendencia a establecerse un equilibrio entre la humedad relativa del ambiente y la actividad de agua del producto. Es por tanto un factor que no puede considerarse independientemente de los otros. Los productos que tienen tendencia a cubrirse de mohos o de levaduras que proliferan en su superficie se conservan mejor cuando la humedad relativa es baja, pero al mismo tiempo se desecan.

c) Atmósfera Ambiental

Además del vapor de agua, también intervienen otros gases de la atmósfera tales como el oxígeno, nitrógeno y anhídrido carbónico, los cuales afectan a la flora bacteriana susceptible de alterar un alimento.

La presión parcial del oxígeno influye sobre el potencial de oxido-reducción que tiene un alimento; sin embargo, el que más interviene sobre la flora de alteración es el potencial del alimento, porque, por lo general, resulta poco afectado por las variaciones moderadas de la presión de oxígeno. A veces, por ejemplo en los trozos de carne cruda, se observa un desarrollo de flora aerobia en la superficie y una flora anaerobia en la profundidad.

Los mohos y los otros microorganismos aerobios estrictos no se desarrollan en una atmósfera privada de oxígeno; no obstante, con algunas especies se necesita descender a presiones de oxígeno muy bajas para impedir todo crecimiento.

Tanto el nitrógeno como el anhídrido carbónico reemplazan al oxígeno, pero el segundo posee además una acción bacteriostática propia.

2.4. Naturaleza y Características de las Especies

a) Velocidad de crecimiento. Cuando están presentes diversas especies (lo cual ocurre normalmente), las células que proliferan más rápido aventajan a las especies lentas, incluso en su medio favorable. Así, en los alimentos donde ni el pH ni la aw u otros caracteres inhiben el crecimiento de bacterias son éstas las que preceden a las levaduras y mohos.

b) Simbiosis y antagonismos. La influencia recíproca, en su sentido favorable o desfavorable, de una especie microbiana sobre otra, reulta de diversos mecanismos. Así tenemos el acondicionamiento, para otros microorganismos, por hidrólisis de glúcidos o de proteínas o la producción de factores de crecimiento, especialmente vitaminas del grupo B. En el sentido opuesto, está la competencia ante el uso de nutrientes indispensables, efectos antagónicos por modificaciones del pH por producción o consumo de ácidos o incluso por proteólisis.

3. BIBLIOGRAFIA

1. Cheftel, J. y Cheftel, H. 1986 Introducción a la Bioquímica y Tecnología de los Alimentos. Vol.I. Edit. ACRIBIA, S.A. Zaragoza-España.

2. Hayes, P. 1 993 Microbiología e Higiene de los Alimentos. Edit. ACRIBIA, S.A. Zaragoza-España.

3. Sinell, H. 1981 Introducción a la Higiene de los Alimentos. Edit. ACRIBIA, S.A. Zaragoza-España.

- ENFERMEDADES INFECCIOSAS

1. LA TEORÍA MICROBIANA DE LA ENFERMEDAD.

Louis Pasteur estableció la relación entre el desarrollo de ciertas enfermedades y la presencia de microorganismos en el enfermo. Robert Koch observó al microscopio sangre de enfermos y comprobó que siempre estaba presente una bacteria.

Para poner a prueba su teoría tomo una muestra de sangre de un ratón enfermo de carbunco y se la inyectó a un ratón sano, que al poco tiempo enfermó y murió.Repitió el experimento 20 veces y en todos los casos los resultados fueron los mismos y debido a la misma bacteria.

Completó su trabajo aislando la bacteria y cultivándola en el laboratorio. Llegó a la conclusión de que la bacteria seguía causando la misma enfermedad. Koch repitió el mismo experimento con otras enfermedades obteniendo los mismos resultados. Cada enfermedad está producida por un microorganismo determinado, y cada microorganismo genera una enfermedad diferente.

2. AGENTES INFECCIOSOS

2.1 Virus:

Parásitos celulares necesitan introducirse en las células para reproducirse. Son los agentes infecciosos de menor tamaño y son difíciles de eliminar sin destruir las células donde viven. Ej: Gripe, resfriados, sida.

2.2 Bacterias:

Son organismos unicelulares procariotas y pueden reproducirse sin invadir otras células. Tienen forma alargada. Ej: Tuberculosis, carbunco, cólera. >Protozoos y hongos: Los protozoos son unicelulares eucariotas y los hongos unicelulares o pluricelulares. Se les suele denominar parásitos. Ej: Malaria y pies de atleta

3. FORMAS DE TRANSMISIÓN

Transmisión directa o contagio: Se produce por contacto directo entre una persona enferma y una sana. Puede ser física o a través de partículas inhaladas. Transmisión indirecta: Los gérmenes pasan al medio (tierra, agua, aire) y de allí se transmiten a la persona sana. También pueden transmitirse a través de animales (vectores).

4. LA RESPUESTA INMUNITARIA.

Nuestro organismo tiene barreras naturales que dificultan la entrada de agentes infecciosos. Estas barreras no son infranqueables. Si los agentes infecciosos logran superar estas barreras deberán enfrentarse al sistema inmunitario. El sistema inmunitario está formado por un conjunto de órganos, tejidos y células repartidos por todo el organismo para proteger al organismo de infecciones y de cuya ejecución se encargan los glóbulos blancos. La respuesta inmunitaria logra eliminar los gérmenes de la enfermedad y esta se supera.

5. MEMORIA INMUNITARIA E INMUNIDAD.

Cuando una persona se expone a un agente infeccioso aumentan los anticuerpos y los linfocitos. Durante unos años o toda la vida nuestro sistema inmunitario recuerda ese germen y en el segundo encuentro reacciona de forma más rápida y se dice que la persona es inmune. Gracias a la capacidad de memoria del sistema inmunitario: La recuperación de algunas enfermedades proporcionan una inmunidad natural y solo se padecen una vez en la vida. Podemos protegernos mediante la inmunidad artificial, introduciendo patógenos de dicha enfermedad que han perdido su capacidad de infección pero que aún así estimulan el sistema. Se trata de la vacunación.

6. MEDICAMENTOS CONTRA LAS INFECCIONES

5.1 ANTIBIÓTICOS:

Son sustancias químicas de origen biológico o sintético que matan a las bacterias o impiden su multiplicación.Alexander Fleming observó que la placa de cultivo de una bacteria había sido contaminada por un hongo libre de bacterias. Ese hongo impedía el crecimiento de la bacteria. Fue el primer antibiótico, la Penicilina. También se han descubierto nuevos antibióticos producidos por seres vivos o por moléculas fabricadas en laboratorio que tienen un efecto similar. Son los conocidos como antibióticos sintéticos.

5.2 ANTIVIRALES:

Son medicamentos que se utilizan para enfermedades infecciosas como virus, hongos o protozoos. Los virus no son células y se reproducen dentro de células. Los antivirales que existen sirven para evitar que el virus entre en las células y evitar que se reproduzca.

7. RESISTENCIA A LOS MEDICAMENTOS:

Las bacterias adquieren resistencia a un antibiótico de dos formas: Por mutación: Cuando la información genética cambia al azar y le proporciona a la bacteria resistencia al antibiótico. Por intercambio de genes: Cuando la capacidad de resistencia de una bacteria se traspasa a otra. Estos procedimientos de resistencia de bacterias son naturales e inevitables, pero lo que si es evitable es la propagación de bacterias resistentes que se crean como consecuencia de: Tratamientos inadecuados: Consumo de antibióticos excesivo o insuficiente. Utilización de antibióticos en plantas y otros animales: Al utilizar antibióticos de humanos para plantas y animales se corre el riesgo de que se produzca un intercambio de genes que brinde resistencia a la bacteria.

8. NUEVOS MEDICAMENTOS.

Antes de comercializar un nuevo medicamento el compuesto debe pasar por una serie de pruebas: Etapa preclínica: De investigación y desarrollo. Se seleccionan sustancias naturales o diseñan moléculas que las someten a pruebas para comprobar si la sustancia funciona. Se realizan experimentos in vitro (cultivos) e in vivo (con animales).

Etapa clínica: Las pruebas se realizan con personas voluntarias y se compone de tres fases:

 Fase 1: Se prueba el medicamento con personas voluntarias sanas para comprobar que no hay ningún efecto que pueda ser perjudicial.

 Fase 2: Se prueba con un pequeño grupo de pacientes enfermos para comprobar la eficacia y la dosis adecuada.

 Fase 3: Se prueba en un gran grupo de enfermos y se comparan los resultados con otros medicamentos y con placebos.

Si el medicamento cumple todos los requisitos entra en el mercado. Cuando las empresas farmacéuticas descubren nuevos medicamentos lo patentan para garantizar la exclusividad y recuperar los costes de inversión. Una vez superado el tiempo de la patente el compuesto puede ser fabricado por otras empresas.

9. MEMORIA INMUNITARIA E INMUNIDAD.

Cuando una persona se expone a un agente infeccioso aumentan los anticuerpos y los linfocitos. Durante unos años o toda la vida nuestro sistema inmunitario recuerda ese germen y en el segundo encuentro reacciona de forma más rápida y se dice que la persona es inmune. Gracias a la capacidad de memoria del sistema inmunitario: La recuperación de algunas enfermedades proporcionan una inmunidad natural y solo se padecen una vez en la vida. Podemos protegernos mediante la inmunidad artificial, introduciendo patógenos de dicha enfermedad que han perdido su capacidad de infección pero que aún así estimulan el sistema. Se trata de la vacunación.

3. UTILIZANDO LA COLUMNA DE WINOGRADSKY, HAGA UN ANÁLISIS DE ESA EXPERIENCIA COMO MODELO DE ECOSISTEMA MICROBIANO. (5 PUNTOS)

MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL Y ECOLOGÍA MICROBIANA EN EL ESTUDIO DE MICROORGANISMOS EN AMBIENTES EXTREMOS

INTRODUCCIÓN

Los procariotas muestran una impresionante variedad de procesos metabólicos. Dentro de ellos, las reacciones degradativas o catabólicas, suministran la energía necesaria para las funciones celulares mientras que las reacciones anabólicas o biosintéticas, llevan a cabo la síntesis de componentes celulares a partir de los nutrientes del medio externo De acuerdo a la fuente a partir de la cual obtengan el carbono, se definen dos grupos: Autótrofos; organismos que son capaces de obtener todo el carbono que necesitan a partir de fuentes inorgánicas. Reduca (Biología). Serie Microbiología. 5 (5): 94-109, 2012. ISSN: 1989-3620 95 Heterótrofos; a los organismos que obtienen el carbono de fuentes orgánicas. De acuerdo a cómo los organismos produzcan energía (metabolismo energético) se pueden establecer dos grandes categorías:

Quimiosintéticos o quimiótrofos; aquellos en que la fuente de energía es un compuesto químico. Quimiorganotrofos si obtienen energía por oxidación de un compuesto orgánico (glucosa u otros). Quimiolitotrofos, si obtienen energía a partir de oxidaciones de compuestos inorgánicos (Sº, NO2-, Fe2+, NH3) Fotosintéticos o fotótrofos; aquellos en que la fuente de energía es la luz. En el medio ambiente, estos complicados metabolismos bacterianos se encuentran relacionados y contribuyen a generar ecosistemas complejos siendo protagonistas fundamentales de los ciclos biogeoquímicos.

Estos metabolismos pueden ser evidenciables y estudiados mediante el empleo de un dispositivo instrumental simple denominado Columna de Winogradsky (Fig. 1). Lleva este nombre por el científico Sergei Nikolaievich Winogradsky, microbiólogo y ecologista ruso quien introdujo el concepto del ciclo de la vida y descubrió el proceso biológico de la nitrificación. Fue uno de los fundadores de la ecología microbiana y de los ciclos biogeoquímicos a finales del siglo XIX y principios de siglo XX. La columna Winogradsky es un instrumento útil para estudiar las relaciones entre diferentes tipos de microorganismos en comunidades mixtas, y constituye una forma de diferenciar microorganismos con metabolismos energéticos muy variables, además de ser una estupenda práctica para comprobar cómo se establece un ecosistema microbiano, ya que se puede reproducir en el laboratorio, un ecosistema natural correspondiente a un sedimento con contenido orgánico de diferente origen (restos de raíces de plantas, hojarasca etc.).

Esta columna es un sistema completo y autónomo de reciclaje, mantenido sólo por la energía lumínica. La columna aquí descrita se enfoca sobre todo al ciclo del azufre, pero se podría desarrollar igualmente la reproducción de otros ciclos biogeoquímicos equivalentes para nitrógeno, carbono y otros elementos. La construcción de una Columna de Winogradsky es sencilla; se realiza a partir de un cilindro de vidrio o plástico transparente mediante la adición de sedimento rico en materia orgánica, una fuente de carbono y energía para la cadena trófica microbiana, que bien puede ser tiras de papel de filtro o de papel periódico, una base de sulfato (sulfato de calcio, anhidrita o yeso) y un agente tamponador del pH (carbonato de calcio o fragmentos de piedra caliza), cubierto todo por arena de color claro y agua de la propia fuente de donde se recogió el sedimento o bien agua destilada.

A lo largo de la Columna de Winogradsky (Fig. 1) se presentan zonas de estratificación con diversos organismos. En la zona inferior (zona anaerobia) se desarrollan organismos que desempeñan procesos fermentativos produciendo alcohol y ácidos grasos como subproductos de su metabolismo. Estos productos metabólicos son a su vez el sustrato para el desarrollo de bacterias reductoras de sulfato. Como resultado se liberan productos sulfurados que difunden a la zona superior creando un gradiente de sulfuro de hidrógeno ascendente, donde bacterias púrpuras y verdes se estratifican según su tolerancia al sulfuro de hidrogeno. En la zona media (zona microaerófila) se disponen bacterias sulfo-oxidadoras aerobias y bacterias fotosintéticas que utilizan el azufre. Por encima de esta zona pueden desarrollarse aquellas bacterias púrpuras que no utilizan el azufre. En la zona superior (zona aerobia) crecen algas eucariotas y cianobacterias que liberan oxígeno manteniendo aerobia esta zona.

ESTRATIFICACIÓN DE LA COLUMNA DE WINOGRADSKY

Entre cuatro y seis semanas después de su instalación, la columna debe estabilizarse en tres ambientes básicos distintos en los que se desarrollarán comunidades microbianas específicas en función de sus requisitos medioambientales, las cuales pueden identificarse macroscópicamente visualizando una seria de parámetros, tales como producción de gases (en la zona aerobia será oxígeno producto de la fotosíntesis y en la zona anaerobia será metano producto de la metanogénesis o ácido sulfhídrico producto de los reductores) y la coloración resultado del metabolismo de diferentes organismos (Tabla. 1).

ZONA ANAEROBIA

Hay dos tipos de organismos que pueden crecer en condiciones anaerobias: los que fermentan la materia orgánica o los que realizan la respiración anaerobia. La fermentación es un proceso en el que los compuestos orgánicos son degradados de forma incompleta (por ejemplo, las levaduras fermentan los azúcares a alcohol). La respiración anaeróbica es un proceso en el que los sustratos orgánicos son completamente degradados a dióxido de carbono, pero usando una substancia distinta del oxígeno como aceptor terminal de electrones; algunas bacterias, por ejemplo, utilizan nitratos o iones sulfato en vez del oxígeno. En el nivel más bajo de la columna, en un ambiente con alta concentración de sulfuro de hidrógeno, aparecen varios grupos diferentes de bacterias: en el fondo de la columna, dependiendo del tipo de barro utilizado, puede aparecer una capa de color rosado formada por bacterias púrpura del azufre portadoras de vesículas de gas. Una especie característica es Amoebobacter. En esta misma zona, en condiciones estrictamente anaerobias al cabo de unas semanas, y utilizando la carga de celulosa aportada por los restos de papel incorporados en el sedimento como fuente primaria para su metabolismo, aparecen las bacterias del género Clostridium. Todas las especies de este género son anaerobias estrictas porque, aunque sus esporas pueden sobrevivir en condiciones aerobias, las células vegetativas mueren si están expuestas al oxígeno. Por eso no empiezan a crecer hasta que éste desaparece del sedimento. Estas bacterias degradan la celulosa a glucosa y, a continuación, fermentan la glucosa para obtener la energía que necesitan, produciendo una serie de compuestos orgánicos simples (etanol, ácido acético, etc.) como productos finales de esa fermentación. Un poco por encima, las bacterias reductoras del azufre, que se visualizan como una profunda capa negra y están representadas por Desulfovibrio, pueden utilizar estos subproductos de la fermentación para su respiración anaerobia, usando sulfato, u otras formas parcialmente oxidadas de azufre como el tiosulfato, generando grandes cantidades de sulfuro de hidrógeno en el proceso. Este sulfuro de hidrógeno reaccionará con cualquier compuesto férrico presente en el sedimento, produciendo sulfuro ferroso, que da color negro. Es por esto que los sedimentos acuáticos son frecuentemente negros. Sin embargo, no todo el sulfuro de hidrógeno es utilizado, sino que ciertas cantidades difunden hacia arriba a lo largo de la columna de agua y son utilizados por otros organismos que crecen en las zonas superiores. Este crecimiento se visualiza bajo la forma de dos bandas estrechas, brillantemente coloreadas, inmediatamente por encima del sedimento: en una primera franja, las bacterias verdes del azufre (como Chlorobium) procesan los sulfatos a azufre y aparecen en una franja verdosa. En otras zonas cercanas, bacterias como Gallionella procesan el hierro formando una capa negra que se forma justamente por debajo de la anterior. Un poco más arriba, algo más alejadas por tanto de las altas concentraciones de sulfuro de hidrógeno se desarrolla una zona de bacterias púrpuras del azufre, como Chromatium, caracterizada por su color rojo-púrpura. Estas bacterias del azufre, verdes y púrpuras, producen sus materiales celulares a partir de dióxido de carbono. En gran medida, de manera muy similar a cómo lo hacen las plantas aunque, sin embargo, no producen oxígeno durante la fotosíntesis porque no utilizan agua como elemento reductor sino sulfuro de hidrógeno. Un poco por encima de esta zona nos encontramos una franja de bacterias púrpuras no del azufre, como Rhodospirillum y Rhodopseudomonas, que adquiere un color rojoanaranjado. Su mayor o menor abundancia dependerá de la cantidad de sulfuro de hidrógeno que se haya producido y de la cantidad que, no utilizada por otros organismos, difunda hacia arriba, ya que su presencia inhibe a estas bacterias. Son anaerobios fotoorganótrofos que sólo pueden realizar la fotosíntesis en presencia de una fuente de carbono orgánico.

ZONA AEROBIA

La parte superior de la columna de agua puede contener abundantes poblaciones de bacterias de diferentes tipos. Son organismos aerobios que se encuentran habitualmente en los hábitats acuáticos ricos en materia orgánica (estanques poco profundos, arroyos contaminados, etc.). Suelen ser flagelados, lo que les permite moverse y establecerse en nuevas áreas. Puede desarrollarse también microorganismos fototróficos variados procedentes directamente del agua o del barro utilizado originalmente en el montaje de la columna. La superficie del barro puede presentar en esta zona un ligero color castaño. Esta es la parte de la columna más rica en oxígeno y más pobre en azufre. Sin embargo, también aquí llegarán por difusión, procedentes del barro de zonas inferiores, ciertas cantidades de H2S que será oxidado a sulfato por bacterias que oxidan azufre (como Beggiatoa y Thiobacillus). Estas bacterias obtienen energía oxidando el sulfuro de hidrógeno a azufre elemental y sintetizan su propia materia orgánica a partir de dióxido de carbono. Por esto se les llama organismos quimioautótrofos. En las zonas superiores pueden crecer también cianobacterias fotosintéticas, lo que se visualizaría cómo un tapete de césped de color verde. Estas bacterias se caracterizan por ser las únicas que realizan una fotosíntesis similar a la de las plantas. Además, en esta zona podemos encontrar algas eucariotas, como clorofitas y diatomeas, las cuales junto a las cianobacterias mantienen elevada la concentración de oxígeno en la parte superior de la columna.

PIGMENTOS MICROBIANOS

Los carotenoides y las clorofilas son los pigmentos más ampliamente distribuidos en la Naturaleza y en los organismos vivos. Específicamente, a los carotenoides se los encuentra en todo el Reino Vegetal, tanto en tejidos fotosintéticos como no fotosintéticos (siendo responsables del color amarillo, naranja y rojo de la mayoría de frutos), en bacterias, algas, hongos y animales. Estos últimos no son capaces de sintetizarlos y los incorporan a través de la dieta. Se estima que la producción anual en la Naturaleza es de 108 toneladas, y en la actualidad se conocen cerca de 700 carotenoides. Propiedades físico-químicas de los carotenoides Los carotenoides o tetraterpenoides son una clase de pigmentos terpenoides con 40 átomos de carbono derivados biosintéticamente a partir de dos unidades de geranil-geranilpirofosfato, en su mayoría son solubles en solventes apolares y de coloraciones que oscilan entre el amarillo (por ejemplo el ß-caroteno) y el rojo (por ejemplo el licopeno). Los carotenoides se clasifican en dos grupos: carotenos y xantofilas. Los carotenos solo contienen carbono e hidrógeno (por ejemplo el ß- caroteno, el licopeno, etc.), mientras que las xantófilas contienen además oxígeno (por ejemplo la luteína). La presencia del extenso sistema de dobles enlaces conjugados de la cadena polienoica de los carotenoides conforma un cromóforo (parte de la estructura responsable de la absorción de luz visible y por tanto del color del compuesto) cuya capacidad de absorción de luz da lugar a los llamativos y característicos colores de estos pigmentos. El número de dobles enlaces conjugados y la presencia de diferentes grupos funcionales determinará en última instancia las características espectroscópicas propias de cada pigmento. Cuando se extraen para su estudio, se los debe manejar con mucha precaución para evitar su degradación ya que debido a la alta conjugación de enlaces dobles presentes en sus moléculas se descomponen por efecto de la luz, la temperatura y el aire.

La luz favorece reacciones fotoquímicas que cambian la estructura original del carotenoide (por ejemplo, isomerismo cis y trans) y es un factor a considerar al momento de realizar su extracción. El calor favorece reacciones térmicas de degradación mientras que aire debido al oxígeno favorece la oxigenación de los enlaces dobles a funciones epóxido, hidroxilos y peróxidos, entre otros. Por estas razones la extracción de carotenoides se debe realizar preferentemente en condiciones de ausencia de luz, a temperatura ambiente o menor, y en ausencia de oxígeno (por ejemplo con una atmósfera artificial de nitrógeno). Además se debe realizar lo más rápido posible, y a partir de tejidos frescos, para evitar la degradación por la acción conjunta de estos factores adversos. Debido a que los carotenoides en su mayoría son solubles en solventes apolares como éter etílico, benceno, cloroformo, acetona, acetato de etilo, entre otros; y a que se deben extraer de cultivos frescos, los cuales presentan un alto contenido de agua la cual dificulta una extracción eficiente, es conveniente eliminar dicho agua. Un procedimiento recomendable es la liofilización, la cual resulta ventajosa porque se realiza a baja temperatura y al vacío, eliminando la posibilidad de degradación por altas temperaturas y presencia de aire. Una vez obtenido el extracto de carotenoides, estos se pueden separar y analizar por cromatografía en capa fina, en papel o en columna. El método más usado es la cromatografía en capa fina con varias clases de fases estacionarias que incluyen: óxido de magnesio activado, sílica gel, hidróxido de calcio y fosfato de magnesio entre otros. Cromatografía Se denomina cromatografía a un conjunto de técnicas de separación basadas en la competencia entre dos fases, una fija y otra móvil. La muestra aplicada en la fase estacionaria es adsorbida en la superficie del material por la acción de fuerzas electrostáticas (fuerzas de Van der Waals, puentes de Hidrógeno, efectos inductivos, etc.) para su posterior liberación de acuerdo a la constante de afinidad de los constituyentes de la muestra por la fase móvil. La cromatografía (chromo= color y graphie=escritura) fue inventada a principios del siglo XX por el botánico ruso Mikhail Tswett. Unas décadas más tarde, Ismailov y Scraiber describieron el uso de la capa fina de alumina extendida para caracterizar extractos vegetales mientras que en 1956, Egon Stahl le dió el nombre de cromatografía de capa fina, estandarizó los procedimientos, equipos y adsorbentes dando un auge a esta técnica simple, económica y eficiente. Terminología Fase Estacionaria (Adsorbente) Es una de las dos fases que forman un sistema cromatográfico. Puede ser un sólido, un gel o un líquido. Si es un líquido, puede estar distribuido en un sólido, el cual puede o no contribuir al proceso de separación.

El líquido puede también estar químicamente unido al sólido (Fase Ligada) o inmovilizado sobre él (Fase Inmovilizada).

Los adsorbentes más utilizados son:

 Sílica gel (se utiliza en el 80% de las separaciones).

 Óxido de Aluminio ó Alúmina (ácida, neutra ó básica).

 Tierra Silícea ó Kieselguhr.

 Celulosa (Nativa o micro-cristalina).

 Poliamidas. Estos adsorbentes varían en tamaño de partícula, diámetro del poro, homogeneidad y pureza.

Fase Móvil (eluente) Es el fluido (solvente o mezcla de solventes) que se filtra a través o a lo largo del lecho estacionario (fase estacionaria), en una dirección definida. Puede ser un líquido (Cromatografía Líquida), un gas (Cromatografía de Gases) o un fluido supercrítico (Cromatografía con Fluido Supercrítico). Cuando se utiliza un líquido como fase móvil mediante una serie eluotrópica se escoge la mejor combinación de solventes miscibles para una buena separación cromatográfica de una muestra en sus componentes.

Serie eluotrópica de solventes: Hidrocarburos «ligeros» (éter de petróleo, hexano, heptano. etc.)

 Ciclohexano Tetracloruro de carbono

 Tricloroetileno

 Tolueno

 Benceno

 Diclorometano

 Cloroformo

 Eter etílico

 Acetato de etilo

 Acetona n-Propanol

 Etanol

 Metanol

 Agua

 Muestra

Mezcla consistente en cierto número de componentes, cuya separación se pretende en el lecho cromatográfico al ser arrastrados o eluidos por la fase móvil. Componentes de la muestra Los constituyentes químicamente puros de la muestra. Pueden no ser retenidos por la fase estacionaria (es decir, no retardados), retenidos parcialmente (es decir, eluidos a tiempos diferentes) o retenidos permanentemente

Cromatografía en Capa Fina (CCF) Es la técnica de separación en la que la fase estacionaria está sobre un plano formando una capa de partículas sólidas extendida sobre un soporte, tal como una placa de vidrio o aluminio (Thin Layer Chromatography, TLC), la muestra es aplicada en puntos o en banda, para posteriormente ser eluída dentro de un tanque cromatográfico como se ilustra en la figura 2.

Si los componentes de la muestra (manchas) no son coloreados, se requiere de métodos que nos permitan visualizarlos componente presentes (Lobasso, S. et al 2008). Este procedimiento también se conoce como “revelado de la placa”. Métodos de revelado de placa Método químico (por inmersión o rociado de reactivos colorantes). Se obtienen derivados coloreados o fluorescentes de los componentes de la muestra. Método físico (ópticos). Generalmente se utiliza mediante la radiación con luz UV a la placa cromatográfica a 254nm y/o 365nm. La cromatografía en capa fina como método cualitativo y cuantitativo, siempre requiere contar con un estándar de referencia para comparar su valor de factor de retardo (Rf) y el color de la mancha del estándar al ser revelada con agentes químicos, con los datos experimentales obtenidos. El factor de retardo (Rf) es un valor relativo para cada sustancia y depende de las condiciones cromatográficas con que se haya trabajado (fase móvil, fase estacionaria y el tiempo de saturación). Se define como el cociente entre la distancia recorrida por el centro de la mancha y la distancia re corrida simultáneamente por la fase móvil como se ilustra en la figura 3, donde Rf para la mancha 1 = a / X, Rf para la mancha 2 = b / X y Rf para la mancha 3 = c / X. Los valores de Rf siempre son menores o iguales a uno (Rf = 1).

La cromatografía de capa fina, en la separación de sustancias lipófilas, es mucho más ventajosa que la cromatografía de papel, cuyo principio es el mismo (D´Souza S.E., et al 1997). Se empleó este método también, unos años más tarde para la separación de combinaciones hidrófilas y en algunos casos fue comparado sistemáticamente con la cromatografía de papel, demostrándose que empleando sustancias apropiadas, es tan buena o mejor que aquella. Las ventajas más importantes de la cromatografía de capa fina son: excelente nitidez, alta sensibilidad, rapidez en la obtención del producto final. Ciertas mezclas, que sobre papel necesitan muchas horas para separarse, se pueden discriminar sobre una capa apropiada en pocos minutos. En caso de que las diferencias de las velocidades de desplazamiento sean pequeñas, se aumenta el trayecto o otras técnicas de CCF que permiten una buena separación. El trayecto debe ser lo más corto posible, pues de lo contrario se producirá efecto de difusión, disminuyendo la sensibilidad. Caracterización espectral Como se anotó anteriormente, aunque es relativamente fácil identificar la mayoría de los carotenoides por comparación de muestras y estándares mediante la CCF y la CLAE, cuando se tienen carotenoides que no es posible identificar por tales métodos, es necesario recurrir a los métodos espectrales como UV-visible, IR (Infrarrojo), EM (espectrometría de masa) y RMN (resonancia magnética nuclear). El espectro visible de los carotenoides es bastante característico en el rango de 400 a 500 nm. En el trabajo de Asker y col., (2002), se observa un máximo alrededor de 450 nm y generalmente se aprecian dos máximos u hombros a cada lado, (Figura 4)

El espectro IR generalmente no es muy útil para la caracterización de la mayoría de carotenoides, sin embargo puede servir para el reconocimiento de carotenoides raros, pues proporciona información sobre la presencia de otros grupos funcionales como grupos carbonilo y enlaces triples C-C. Debido a la baja volatilidad de los carotenoides, sus espectros de masas de impacto electrónico son de difícil interpretación y no proporcionan el ion molecular, por lo cual prácticamente no se usan. Sin embargo, gracias al desarrollo de las técnicas de ionización suave, se obtiene información estructural muy valiosa. Como en la gran mayoría de metabolitos secundarios, en lo correspondiente a la caracterización química, la mejor técnica para la elucidación estructural de los carotenos es la RMN en sus diferentes modalidades mono- y bidimensionales.

BIBLIOGRAFÍA DE CONSULTA

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4. DESCRIBA DETALLADAMENTE UN CASO EN DONDE SE APRECIE LA APLICACIÓN DE LOS CONCEPTOS DE LA MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL EN EL DESARROLLO DE PROCESOS BIOTECNOLÓGICOS DE APLICACIÓN AMBIENTAL. (5 PUNTOS)

APLICACIÓN DE LOS CONCEPTOS DE LA MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL EN EL DESARROLLO DE PROCESOS BIOTECNOLÓGICOS DE APLICACIÓN AMBIENTAL

1. ÁMBITOS DE ACTUACIÓN DE LA BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL

Los ámbitos de actuación de la biotecnología ambiental se relacionan con la gestión del medio ambiente y con el aprovechamiento de los recursos naturales.

Las distintas acciones se realizan en los sistemas biológicos con un objetivo final de prevenir, mitigar o eliminar la presencia de compuestos contaminantes en el medio ambiente. Evidentemente se pueden utilizar, en ciertos casos, otras herramientas tecnológicas, como pueden ser tratamientos de tipo físico o químico, pero hay una ventaja diferencial en la utilización de tratamientos biológicos viables, ya que éstos presentan un coste relativamente más bajo y comportan una menor alteración del medio ambiente. El principio básico de actuación de los métodos biológicos se basa en una degradación de los compuestos orgánicos contaminantes en compuestos inorgánicos, que en los casos ideales resultan inocuos por ejemplo, CO2, H2O, Cl, etc. Además, estos procesos biotecnológicos procuran realizarse en la medida de las posibilidades en el mismo lugar donde se ha producido el impacto contaminante y se evitan los costes asociados al desplazamiento del material contaminado a plantas de tratamiento específicas, a vertederos controlados o a otras ubicaciones.

Esta característica también resulta diferencial respecto de los procedimientos físicos y/o químicos que a menudo simplemente transfieren el contaminante a una ubicación diferente con el fin de mitigar y/o controlarlo más adecuadamente.

Tradicionalmente, las actividades biotecnológicas relacionadas con el medio ambiente se han fundamentado principalmente en la capacidad degradadora de los compuestos contaminantes por parte de la actividad metabólica de los microorganismos presentes en los ecosistemas naturales.

Esta necesidad de utilizar la biodegradación microbiana ha hecho que durante mucho tiempo el esfuerzo tecnológico y de investigación de la biotecnología ambiental se orientara a aislar microorganismos del medio ambiente, clasificarlos y caracterizarlos fisiológicamente, analizar las capacidades enzimáticas degradadoras para desarrollar procesos tecnológicamente aplicables a gran escala e intentar, en determinados casos, una mejora genética de los microorganismos utilizados con el fin de obtener cepas más eficientes en la degradación de compuestos orgánicos contaminantes. Se ha observado que a menudo los microorganismos aislados no presentan las mismas capacidades degradadoras de los contaminantes que el conjunto de poblaciones microbianas tal como las encontramos en el medio natural. Este limitado conocimiento de la ecología microbiana y de las relaciones metabólicas entre los microorganismos constituyentes de estos consorcios microbianos ha hecho que los consideremos como “cajas negras”. En los últimos años, el desarrollo y la adaptación de nuevos métodos moleculares en los estudios de ecología microbiana nos han permitido constatar que las poblaciones microbianas del medio ambiente son mucho más diversas que los microorganismos aislados y estudiados en condiciones de cultivo puro en el laboratorio.

2. ACTIVIDADES DE INTERÉS ACTUAL EN LA BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL

Se diferencian cinco grandes ámbitos de aplicación de la biotecnología ambiental, en la que probablemente veremos las contribuciones más destacables durante los próximos años:

2.1 EL CAMBIO CLIMÁTICO:

El control de las emisiones de CO2 por el suelo así como la posibilidad de secuestrar cantidades importantes de carbono en el suelo mediante cambios significativos en las prácticas agrícolas rutinarias pueden convertirse en una de las contribuciones de la biotecnología ambiental, y en particular de la biotecnología microbiana, a la regulación del cambio climático que tal vez nos podría afectar durante las próximas décadas. Otro aspecto relacionado con este ámbito es el control o la prevención de las emisiones de metano procedente de residuos, de prácticas agrícolas y de sistemas naturales. Aunque están en fase de estudio, existen algunas metodologías para intentar eliminar metano atmosférico a través de bacterias metanotróficas del suelo.

2.2 ENERGÍAS ALTERNATIVAS:

La disponibilidad de nuevas fuentes energéticas renovables se está convirtiendo en uno de los objetivos tecnológicos más destacables del siglo xxi, tal como hemos indicado anteriormente. Hay que indicar que hasta ahora las posibles contribuciones por parte de microorganismos son limitadas. Muchas de las propuestas se han quedado a escala experimental de laboratorio o como mucho en ensayos de planta piloto. No obstante, no podemos despreciar algunas aportaciones potenciales, como por ejemplo la síntesis de hidrógeno por parte de nuevas cepas de arqueobacterias o la producción de la llamada bioelectricidad mediante los generadores microbianos de energía dentro de una escala muy modesta.

2.3 PROCESOS DE RECICLAJE:

El reciclaje efectivo de muchos elementos y compuestos en los ecosistemas nos determina la sostenibilidad medioambiental de determinadas actividades humanas. La comprensión de la estructura y de las funciones de los consorcios microbianos nos puede proporcionar herramientas para la descontaminación de suelos y sedimentos, la eliminación de contaminantes en el aire y la degradación de compuestos recalcitrantes procedentes de diferentes actividades humanas. Podemos destacar en este ámbito la biodegradación microbiana de compuestos aromáticos derivados de las actividades industriales que resulta esencial para mantener el ciclo del carbono en el planeta. Muchos de los procesos de degradación de los compuestos aromáticos se han basado en la utilización de cepas del género Pseudomonas, aunque no exclusivamente, ya que no podemos descartar el uso de otros grupos bacterianos.

2.4 LOS RECURSOS HÍDRICOS:

El aprovechamiento y la gestión optimizada de los recursos hídricos resultan un elemento clave en el desarrollo social y económico de las sociedades actuales. Por un lado, existe una estrecha relación entre el crecimiento económico y la demanda de agua y, por otro lado, los recursos hídricos en términos cualitativos y/o cuantitativos de que se dispone no siempre pueden satisfacer la demanda de nuestras sociedades.

El resultado es que la calidad en el suministro de agua potable con continuidad y de manera sostenible, el saneamiento de las aguas residuales por procesos eficientes y de bajo consumo energético y su potencial regeneración se están convirtiendo en un reto primordial para poder garantizar este recurso con la calidad adecuada que requieren las distintas actividades humanas en muchas zonas del planeta con recursos hídricos limitados o muy variables.

La regeneración de aguas es un factor ambiental estratégico en muchos territorios, como por ejemplo en los casos de recuperación de acuíferos, la gestión integral de cuencas fluviales o zonas costeras, o el abastecimiento de recursos hídricos alternativos en las aguas potables de suministro para diferentes actividades industriales y de ocio. Resulta cada vez más importante la identificación de las contaminaciones de las aguas en su origen. Las aportaciones de materia orgánica se encuentran entre las contaminaciones más importantes que reciben las aguas y, dentro de esta aportación, tiene una proporción muy importante la contaminación fecal, que llega proveniente principalmente de las aguas residuales urbanas, los lixiviados y las escorrentías de actividades ganaderas, de efluentes de mataderos y de plantas de procesamiento y manufactura de alimentos de origen animal. En los últimos años se están haciendo esfuerzos importantes en el desarrollo de metodologías por detectar el origen de la contaminación fecal en las aguas superficiales detección del origen microbiano o microbial source tracking y poder detectar, contener y eliminar este tipo de contaminación fecal estrechamente ligado a las enfermedades de transmisión hídrica.

2.5 SALUD Y MEDIO AMBIENTE:

El gran éxito del uso clínico de los antibióticos de manera universal, sobre todo en los países desarrollados, hizo que algunos analistas pensaran durante la década de los años setenta del siglo xx que en pocos años conseguiríamos la erradicación de las enfermedades infecciosas. Estas expectativas se han quedado sin cimiento en los últimos años, ya que se ha constatado la aparición de cepas microbianas resistentes a antibióticos por un uso intensivo o inapropiado de éstos en la medicina humana y veterinaria para el tratamiento y la prevención de enfermedades, o bien por usar los antibióticos como promotores de crecimiento en la producción ganadera. El uso excesivo de antibióticos ha dado como resultado la selección de resistencias a algunos de ellos por parte de algunas poblaciones bacterianas en el trato intestinal de los animales que se utilizan en la cadena alimenticia humana. Eso ha contribuido a la aparición de cepas de patógenos resistentes a los antibióticos en la medicina humana. En consecuencia, el conocimiento y la gestión de las poblaciones bacterianas intestinales tanto de los humanos como de los animales relacionados con la cadena alimenticia y de otras poblaciones microbianas extra intestinales, ya sean simbiontes o comensales principalmente en mucosas y en la epidermis, que están directamente o indirectamente relacionadas con el estado sanitario, están adquiriendo un papel esencial.

3. APLICACIONES DE LA BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL

3.1 BIORREMEDIACIÓN

Cualquier proceso que utilice microorganismos, hongos, plantas o las enzimas derivadas de ellos para retornar un medio ambiente alterado por contaminantes a su condición natural. La Biorremediación puede ser empleada para atacar contaminantes específicos del suelo, por ejemplo en la degradación bacteriana de compuestos organoclorados o de hidrocarburos.

3.1.1 TRATAMIENTO DE SUELOS Y AGUAS:

Uso de microorganismos naturales (levaduras, hongos o bacterias) existentes en el medio para descomponer o degradar sustancias peligrosas en sustancias de carácter menos tóxico o bien inocuas para el medio ambiente y la salud humana.

Se usa, por ejemplo, la bacteria cupriavidus metallidurans que elimina metales pesados en aguas y suelo y se utilizan como biosensores

3.1.2 COMPOSTAJE:

Descomposición de materiales biodegradables, normalmente mezclas de compuestos orgánicos para la estabilización de residuos orgánicos en el suelo. Esta degradación se debe a una intensa actividad microbiana. Ventajas: enriquecimiento del suelo, remediación de la contaminación, prevención de la contaminación y beneficios económicos.

3.4 INDUSTRIA

Compañías industriales están desarrollando procesos en el área de prevención, con el fin de reducir el impacto ambiental como respuesta a la tendencia internacional al desarrollo de una sociedad sostenible.

3.4.1 PRODUCCIÓN DE BIOMATERIALES:

Se producen todo tipo de nuevos materiales, biodegradables o no, y más eficientes. Tal es el caso de los bioplásticos, nuevos tejidos, materiales para la construcción (como tela de araña), etc.

3.4.2 PRODUCTOS DE CONSUMO HUMANO:

La biotecnología puede aumentar del rendimiento de los cultivos al manipular positivamente el material genético de los alimentos: reduciendo los pesticidas y mejorando la nutrición.

3.4.3 BIOMINERÍA:

Es el uso de microorganismos en diferentes aspectos de la explotación de los minerales, abarcando desde la concentración de las especies de interés (a través de la bioflotación), la recuperación de los elementos presentes en ellas (biolixiviación y biooxidación), hasta su acción en tareas de remediación ambiental. La biolixiviación es una tecnología que usa bacterias específicas para extraer (lixiviar) metales de los minerales. Las ventajas de la tecnología microbiana (biominería)

 Poca inversión de capital.

 Bajos costos de operación necesarios para las operaciones hidrometalúrgicas.

 Relativa ausencia de polución o contaminación ambiental durante el proceso.

 Permite el tratamiento de minerales con bajo contenido de metal en las minas, los que no pueden ser económicamente procesados por los métodos tradicionales y habitualmente se acumulan sin ningún tipo de tratamiento.

 Permite explotar los recursos mineros en forma más limpia y más económica siendo esta otra ventaja competitiva.

3.5 BIODEGRADACION DE MATERIALES

3.5.1 LA BIODEGRADACIÓN:

Es la característica de algunas sustancias químicas de poder ser utilizadas como sustrato por microorganismos, que las emplean para producir energía (por respiración celular) y crear otras sustancias como aminoácidos, nuevos tejidos y nuevos organismos. Puede emplearse en la eliminación de ciertos contaminantes como los desechos orgánicos urbanos, papel, hidrocarburos, etc. No obstante en vertidos que presenten materia biodegradable estos tratamientos pueden no ser efectivos si nos encontramos con otras sustancias como metales pesados, o si el medio tiene un pH extremo. En estos casos se hace necesario un tratamiento previo que deje el vertido en unas condiciones en la que las bacterias puedan realizar su función a una velocidad aceptable.

La degradación de estos compuestos puede producirse por dos vías:

Degradación aerobia: degradación de organismos que necesitan oxígeno diatómico para vivir o desarrollarse.

Degradación anaerobia: degradación de organismos que no necesitan oxígeno en su metabolismo.

3.6 DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES

Las aguas residuales se generan como consecuencia del uso doméstico del agua y de diferentes actividades agrícolas e industriales. Mediantes drenaje y el acantilado estas aguas alcanzan los ríos, lagos y océanos.

La contaminación del agua puede ser de naturaleza muy diversa, orgánica e inorgánica, y alteran la sanidad, el pH, la oxigenación o la temperatura del agua. Las aguas naturales tienen cierta capacidad de "amortiguación" ya que pueden auto purificarse: los microorganismos heterótrofos mineralizan los nutrientes orgánicos, el aminio se nitrifica y junto con los nutrientes inorgánicos son inmovilizados por las algas y las plantas superiores acuáticas. Las poblaciones bacterianas patógenas se rehúsen hasta q desaparecen por fenómenos de competencia y depuración.

La consecuencia principal de una contaminación por las aguas residuales es el considerable descenso de oxígeno por la actividad de organismos heterótrofos en presencia de sustratos orgánicos abundantes. Esta falta de oxígeno mata a los organismos aeróbicos y se reduce la diversidad biológica.

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