ecologia fisiologica - Departamento de Ciencias Biológicas

Ecología Fisiológica de los
Microorganismos
Adaptaciones a las condiciones
ambiéntales: limitaciones abiótica
al crecimiento microbiano
Cátedra de Ecología Microbiana.
Facultad de Ciencias Exactas. UNLP
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•La distribución y funcionamiento de la
poblaciones microbianas están fuertemente
influidas por factores abióticos.
•La limitación de nutrientes y la tolerancia
ambiental regulan o excluyen la existencia
de microorganismos en diferentes
ambientes.
•Los microorganismos poseen limites
inferiores y superiores de tolerancia, así
como óptimos para los diferentes factores
abióticos
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Ley del mínimo de Liebig: La producción de
biomasa total de cualquier organismo esta
determinado por el nutriente cuya concentración
sea mínima, en relación con lo que requiere el
organismo.
La concentración de nutrientes es uno de
los factores que determina la presencia y/o
ausencia y abundancia de organismos en
un ambiente.
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Ley de la tolerancia de Shelford: Hay limites
para los factores ambientales, por encima y por
debajo de los cuales no es posible que los
microorganismos sobrevivan.
La presencia y/o ausencia, abundancia de
organismos
en un ambiente están determinados no solo por
los
nutrientes sino también por factores físico
químicos (además de los factores bióticos).
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• Los márgenes de tolerancia y la fluctuación de los factores
físico químicos en un sistema determinan que microorganismos
pueden encontrarse o desarrollarse sobre una base
sustentable.
• Los márgenes de tolerancia para una variables dada
interaccionan con otras variables No es fácil definir con
precisión los factores limitantes o de control de los ecosistemas
naturales.
• La tolerancia de los microorganismos a diversos elementos
tóxicos depende de la concentración y del tiempo de
exposición.
• A menudo una sóla condición fisicoquímica puede bastar para
excluir a un microorganismo de un ambiente, cuando excede
sus límites de tolerancia.
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Estudio de determinantes ambientales sobre poblaciones
microbianas aisladas: autoecología.
El margen de tolerancia a determinantes ambiéntales que se
obtiene en estudios de laboratorio puede no coincidir con
el que se da en la naturaleza.
• Poblaciones cercanas a sus limites de tolerancia se
vuelven más vulnerables a las interacciones sinecológicas
negativas.
• Las interacciones sinecológicas pueden alterar el hábitat.
• Microhábitat.
• Disponibilidad de nutrientes y compuestos tóxicos.
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Determinantes ambientales
• Temperatura
• pH
• Actividad acuosa
• Potencial Redox
• Radiaciones
• Bajas concentración de nutrientes
• Alta concentración de compuestos tóxicos.
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Adaptación a condiciones extremas
• Ubicuidad: marcas records.
• Resistencia a los procesos de control de
microorganismos.
• Obtención de biocatalizadores activos en condiciones
extremas (PCR).
• Exploración espacial.
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Factor
Límite inferior de
tolerancia
Límite superior de
tolerancia
Temperatura
Eh (potencial redox)
pH
Presión hidrostática
-12ºC
bacterias psicrófilas
-450mV
bacterias metanógenas
0
Thiobaciluls thioxidans
0
Varios microorganismos
>110ºC
bacterias oxidadoras de
azufre de fuentes
hidrotermales submarinas
+850mV
bacterias del hierro
13
Plectnema nostocorum
1400 atm
bacterias barófilas
0
Salinidad
Hyphomicrobium
Salmuera saturada
Dunaliella, bacterias
halófilas estrictas
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Escasez de nutrientes
Los ecosistemas naturales se caracterizan por tener una baja
concentración de nutrientes: casi todas las bacterias de vida libre
pasa por periodos de escasez.
Estrategias:
• Capacidad de crecer a bajas concentraciones de sustratos
Reducción de la necesidad del nutriente que escasea, limitan los
componentes celulares que los contienen, utilizan sustratos
alternativos o reorganizan las rutas metabólicas celulares: ej
respuesta restrictiva.
Alteración de la superficie celular e inducción de sistemas de
transporte de alta afinidad.
Reducción de la velocidad de crecimiento celular (minicélulas)
• Posibilidad de volverse temporalmente inactivas: esporulación,
dormancia.
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Temperatura
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Organismos mesófilos
Poseen mecanismos de control que interrumpen la síntesis de
proteínas si la temperatura baja por debajo de los 5 ºC.
Psicrófilos
Presentan una mayor proporción de lípidos insaturados y/o
de cadenas cortas, que mantienen flexibles las membranas
a bajas temperaturas.
El limite práctico sería la temperatura de congelación del
contenido celular.
Termófilos
Gran proporción de lípidos saturados y/o de cadenas larga
en las membranas.
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Arqueobacterias
Thermotoga y Aquifex
Arqueobacterias hipertermófilas
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Karl O. Stetter
Lehrstuhl für Mikrobiologie, Universität Regensburg
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Auxotrofía dependiente de la temperatura: inactivación
selectiva de algunas rutas metabólicas.
Producción de enzimas que no se desnaturalizan a
temperaruras elevadas “presencia de secuencias de aa
poco frecuentes que estabilizan dichas proteínas a
temperaturas elevadas”.
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La incapacidad de crecer a una temperatura
determinada no produce forzosamente la
muerte del microorganismo
Temperaturas
bajas
Velocidad de crecimiento
Actividad Metabólica
•Base de la
conservación de
alimentos
•Procesos de
biodegradación
Temperaturas
altas
Velocidad de crecimiento
Actividad Metabólica
Muerte de los
microorganismos
•Procesos de biodegradación
(compostaje), polimerización
y fermentación.
•Base de la conservación de
alimentos y esterilización
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pH
En general los mo no pueden tolerar valores extremos de
pH, en condiciones alcalinas o ácidas se hidrolizan algunos
componentes microbianos o se desnaturalizan algunas
enzimas
• Cada organismos tiene un rango de pH dentro del cual
es posible el crecimiento, y posee un pH optimo
• La mayoría crece en un margen de variación de 2 a 3
unidades
• El ph del medio afecta directamente a mo y a enzimas,
afectando la disociación y la solubilidad de muchas
moléculas que ejercen algún efecto sobre los mo
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Efectos del pH en la célula bacteriana
• Se afecta la envoltura celular por disociación/protonación
de sus macromoléculas: LPS, proteínas de la superficie
celular, membrana citoplasmática, ocurre una distribución
de cargas locales en forma diferente
• Cambios en la morfología celular, incorrecta división
celular, cambios en la adhesión, floculación, etc.
En los microorganismos extremófilos la pared y membrana
celular necesitan adaptarse para:
• Conservar su integridad
• Mantener el pH interior cercano a la neutralidad
• Realizar síntesis quimiostática de ATP en esas condiciones.
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pH ácido
Algunas crean su propio
ambiente ácido: Lactobacillus,
Thiobacillus.
Otras no producen ácido:
B. acidocaldarius
•Ensilajes y alimentos
fermentados.
•Biolixiviación de
minerales
pH alcalino
B. alcalophillus y pasteurii y
algunas cianobacterias
Algunos halófilos extremos:
Halobacterium y
Natronobacterium
Proteasas y lipasas
estables a elevadas T,
pH alcalinos y
presencia de
detergentes
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Actividad de agua
• Para los mo. el factor crítico es la disponibilidad de agua
líquida más que la cantidad total de agua presente en el
ambiente
• El total de agua realmente disponible para uso microbiano
se expresa como la actividad de agua (a w ): depende del
número de moles y los coeficientes de actividad del agua
y los solutos. a w del agua destilada: 1.
a w
Concentración de solutos
(fuerzas osmóticas)
Absorción a superficies sólidas
(fuerzas matrices)
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Mayoría de los
microorganismos
a w >0,96
Algunos hongos filamentosos
y líquenes
a w ~0,60
XEROTOLERANTES
Suelos: CRA 50-70%
a w ~ 0,98-0,99
Se limita la difusión de gases
Condiciones anóxica
Disminuye la actividad
microbiana.
Microorganismos resistentes la
desecación
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Atmósfera: contenido de
agua es bajo y limita el
crecimiento microbiano.
Zonas tropicales algunos
mo pueden crecer sobre
superficies utilizando
agua del aire: líquenes.
Agua de lluvia: la actividad microbiana.
Flujo de organismos hacia y desde la
atmosfera
Desecación:
Desnaturalización de proteínas, que mantienen su
estructura terciaria gracias a la hidratación.
Fragmentación de ácidos nucleícos
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Tolerancia a la desecación:
• Esporulación
• Síntesis de azucares no reductores (trealosa y sacarosa).
Presentan una fase no cristalina “goma” que se une por
puentes de H a las proteínas.
• Polisacáridos extracelulares
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Presión osmótica
•Los solutos presentes en el medio compiten por el agua y
la “fijan”, disminuyendo la cantidad disponibles para los mo
• El agua difunde desde una región con alta concentración
de agua (baja concentración de solutos) hasta una región
de menor concentración de agua (alta concentración de
solutos): Osmosis
Microorganismos osmotolerantes:
miel, savia, néctar, melazas, jarabes.
Mohos y levaduras.
Reaccionan rápidamente a la
disminución de presión osmótica
degradando o polimerizando los
solutos.
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Salinidad
• Los mo que toleran o que necesitan altas concentraciones
salinas: HALOTOLERANTES Y HALÓFILOS.
• Mecanismos similar a las osmotolerantes. Halófilas
extricta utilizan concentraciones elevadas de ClK para el
equilibrio osmótico.
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Potencial Redox
El potencial redox del ambiente está muy
influenciado por la concentración de O 2
• Los ambientes en equilibrio con el oxígeno atmosférico
tienen E h alrededor de +800mV.
• La actividad heterotrófica disminuye el E h .
• Los microorganismo anaerobios necesitan E h negativos.
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Radiaciones
radiación
electromagnética
Radiación infrarroja
(IR)
λ (longitudes de
onda, en nm)
800-10 6
Radiación visible 380-800
Ultravioleta (UV) 13,6-380
Rayos X 0.14-13.6
Rayos γ 0.001-0.14
Rayos cósmicos < 0.001
La energía irradiada por el Sol gobierna el ecosistema
global.
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Radiaciones ionizantes
Radiaciones ionizantes E>10 eV: rayos X y los rayos γ .
• El fotón de gran energía incide sobre el átomo, provocando la
expulsión de un electrón de gran energía (fotoelectrón), y quedando el
átomo en forma ionizada (cargado positivamente). El electrón
expulsado suele tener energía suficiente para originar una nueva
ionización, de la cual surge otro electrón de alta energía, etc...
produciéndose una cadena de ionizaciones, con transferencia linear de
energía, hasta que ésta se disipa en el material: el último electrón de la
cadena es captado por otro átomo o molécula, que queda cargado
negativamente. El resultado final es que se forman pares de iones
(uno positivo y otro negativo).
• Los iones originados tienden a experimentar reorganizaciones
electrónicas ulteriores, que dan pie a cambios químicos en el sistema
que se había sometido a la irradiación.
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•En general, los microorganismos son más resistentes a las
radiaciones ionizantes que los seres superiores.
•La dosis de reducción decimal (D10) para las endosporas de
ciertas especies de Clostridium es de 2000-3000 Gy.
•Las células vegetativas de la bacteria Deinococcus radiodurans
(observe el nombre específico) es de 2.200 Gy.
•Otras especies más "normales" poseen una dosis de reducción
decimal en torno a 200-600 Gy.
•Compare estos datos con el valor de sólo 10 Gy como dosis letal
para humanos.
•Es necesario añadir biocidas al agua de refrigeración de los
reactores nucleares.
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Mecanismo de resistencia: mecanismo
extremadamente eficiente de reparación de DNA.
Nuestro planeta no está expuesto de manera
natural a radiaciones ionizantes. ¿¿¿
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Radiaciones ultravioleta
Tienen un efecto letal y mutagénico, que se debe a la absorción selectiva
de longitudes de onda por parte de ciertas moléculas biológicas:
• Las proteínas tienen dos picos de absorción: uno a 280 nm, debido a
los aminoácidos aromáticos (Trp, Tyr, Phe), y otro a 230 nm, debido a
los enlaces peptídicos.
• El ADN y el ARN absorben a 260 nm, debido al enlace doble entre las
posiciones 4 y 5 de las bases púricas y pirimidínicas.
Los rayos UV provocan cambios químicos en las moléculas absorbentes,
de modo que aparecen moléculas alteradas denominadas
genéricamente fotoproductos.
• Las consecuencias de inactivar proteínas o ARN no se dejan sentir a
efectos de letalidad, ya que existen muchas copias de cada uno de
estos tipos de macromoléculas, y se pueden volver a sintetizar.
• En cambio, la inactivación del único cromosoma de la bacteria tiene
efectos letales primarios y efectos mutagénicos secundarios. Por lo
tanto, el espectro de acción biológica de la luz UV equivale al de
absorción del UV por el ADN (260 nm).
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1.Mecanismos prerreplicativos:
a.reparación fotoenzimática o fotorreactivación, que
permite la reparación directa del daño en sí
b.reparación por escisión y resíntesis
2.Mecanismos posreplicativos:
a.reparación por recombinación
b.reparación inducible de emergencia (SOS)
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Luz visible
La intensidad de luz que alcanza un hábitat
particular influye en la tasa de fotosíntesis.
• En ausencia de luz la fotosíntesis cesa.
• La tasa de actividad fotosintética aumenta hasta
una intensidad lumínica óptima.
• Algunos microorganismos muestran un
comportamiento fototáctico.
• La luz azul (

Presión Hidrostática
La mayor parte de las especies bacterianas de hábitats
continentales no pueden crecer (e incluso mueren) cuando
son sometidas a altas presiones (unos 600 Kg/cm 2 ). Ello se
debe a los siguientes efectos adversos:
• aumento de la viscosidad del citoplasma;
• disminución de la capacidad de las enzimas de unirse a sus
respectivos sustratos;
•(posiblemente) interferencia en procesos de transporte a
nivel de membrana
• (posiblemente) interferencia en la biosíntesis de proteínas;
• interferencia en la división celular: las bacterias se alargan,
se filamentan, pero sin producción de tabique transversal
(crecimiento sin división celular).
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Sin embargo, existen bacterias (sobre todo marinas) que toleran o
requieren altas presiones (barotolerantes y barófilas, respectivamente):
Bacterias barotolerantes:
Crecen a la presión atmosférica, pero aguantan hasta unas 500 atmósferas.
Su hábitat son las aguas oceánicas, entre los 2000 y los 4000 metros de
profundidad.
Bacterias barófilas:
Crecen óptimamente a más de 400 atmósferas. Podemos distinguir entre
barófilas moderadas (facultativas) y barófilas extremas (obligadas):
Las barófilas moderadas son aquellas bacterias que pueden crecer a
presión atmosférica, aunque su óptimo está a unas 400 atmósferas.
Habitan profundidades entre los 5000 y 7000 metros.
Las barófilas extremas presentan óptimos de crecimiento a muy altas
presiones (por encima de 600-700 atmósferas), y son incapaces de crecer
a presión atmosférica. Se han llegado a aislar a más de 10000 metros de
profundidad.
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