ecologia microbiana
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Ecología Microbiana<br />
If I could do it all over again, and<br />
relieve my vision in the twentyfirst<br />
century, I would be a<br />
microbial ecologist.......<br />
Edward O. Wilson<br />
Cátedra de Ecología Microbiana.<br />
Facultad de Ciencias Exactas. UNLP<br />
11/09/2006 1<br />
1
oikos=casa<br />
logos= ley<br />
Ecología: la la ciencia que explora las las interrelaciones<br />
entre los los organismos y su su medio ambiente biótico y abiótico<br />
Representa una nueva visión holística que reconoce la<br />
importancia de todos los organismos vivos en el mantenimiento<br />
del balance ecológico<br />
Ecología Microbiana: la la ciencia que específicamente<br />
examina las las relaciones entre los los microorganismos y su su medio<br />
ambiente biótico y abiótico<br />
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El rápido desarrollo tecnológico que se inicio con la<br />
revolución industrial trajo aparejado<br />
• Avances en las ciencias médicas, reducción de la tasa de<br />
mortalidad Explosión demográfica<br />
• Producción industrial, extracción de recursos y la agricultura<br />
intensiva<br />
Rápida disminución<br />
de los recursos<br />
no renovables<br />
• Producción de materiales<br />
sintéticos<br />
Deterioro del<br />
medio ambiente<br />
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3
Las proyecciones de científicos y economistas<br />
sobre crecimiento de población, consumo<br />
contaminación.<br />
El impacto social de la publicación del libro “Silent<br />
Spring” de Rachel Carson<br />
Se reconoció que los<br />
microorganismos ocupan una<br />
posición importante en el flujo<br />
ordenado de los materiales y la<br />
energía a través del ecosistema.<br />
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PAPEL DE LOS MICROORGANISMOS EN EL<br />
FUNCIONAMIENTO DE LOS ECOSISTEMAS<br />
Flujo<br />
de de<br />
energía<br />
Reciclado<br />
de de<br />
nutrientes<br />
Productores<br />
primarios<br />
Consumidores<br />
Algas eucarióticas<br />
Cianobacterias<br />
Anoxifotobacterias<br />
Bacterias quimiolitotrofas<br />
Protozoos, Algas mixotrofas<br />
Bacterias (loop microbiano)<br />
Descomponedores<br />
Hongos, Bacterias<br />
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Todos los seres vivos de la Tierra dependen de la<br />
vida procariota<br />
• Miembros esenciales de la biosfera, hacen posible el<br />
funcionamiento de los ciclos biogeoquímicos.<br />
• Están presentes en todos los lugares en los que<br />
pueda existir vida.<br />
Tamaño pequeño: gran capacidad de dispersión.<br />
Variabilidad y flexibilidad metabólica: tolerar y<br />
adaptarse a las condiciones ambientales.<br />
Plasticidad genética (transferencia horizontal de<br />
genes): recombinar y recolectar las características<br />
positivas.<br />
• Pueden integrarse a los actuales paradigmas<br />
ecológicos<br />
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6
Si bien existen interacciones desfavorables entre la<br />
actividad humana y los microorganismos:<br />
enfermedad, degradación, etc.<br />
Los microorganismos juegan un un importante rol rol en en la la<br />
resolución de de problemas ambientales y económicos<br />
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7
BIODEGRADACIÓN Y RECICLAJE<br />
-Depuración de aguas residuales<br />
-Tratamiento de residuos sólidos<br />
-Alteración <strong>microbiana</strong> de alimentos<br />
-Biodeterioro de materiales<br />
-Microbiología el petróleo<br />
-Biodegradación de productos recalcitrantes<br />
Tercer tema<br />
APROVECHAMIENTO ECONÓMICO Y<br />
APLICACIONES AGRÍCOLAS<br />
-Producción de energías alternativas renovables<br />
-Biominería y recuperación de metales<br />
-Obtención de alimentos y suplementos de la dieta<br />
-Aplicaciones agrícolas (micorrizas, fertilizantes,..)<br />
-Control biológico de plagas<br />
CONOCIMIENTO DE MEDIOS EXTREMOS<br />
-Obtención de productos (enzimas, antibióticos, antitumorales...)<br />
-Investigación espacial<br />
-Estudios sobre el origen de la vida<br />
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Además....<br />
Este universo de vida “invisible”<br />
representa un vasto terreno todavía<br />
inexplorado de conocimiento y<br />
diversidad biológica.<br />
No sabríamos<br />
de la vida en<br />
condiciones<br />
extremas<br />
La fotosíntesis<br />
sería aerobia y<br />
oxigénica<br />
Los seres vivos<br />
más longevos<br />
no superarían<br />
los 1000 años<br />
Sin el conocimiento de los microorganismos la<br />
biología sería muchos más limitada<br />
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Los microorganismos constituyente el<br />
principal componente de la biodiversidad<br />
pero....<br />
Se requerían herramientas apropiadas para<br />
cuantificar y evaluar:<br />
• La diversidad (microorganismos presentes)<br />
• La distribución (heterogeneidad espacial y<br />
temporal de las comunidades en su ambiente).<br />
• La actividad (funciones de los microorganismos)<br />
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Estos estudios estuvieron limitados durante<br />
años a la microbiota que puede ser<br />
cultivada en el laboratorio:<br />
• Condiciones ambientales artificiales que<br />
solo permite el desarrollo de unos pocos<br />
microorganismos.<br />
• Los resultados dependen de la habilidad,<br />
persistencia y suerte del investigador.<br />
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• G J Olsen, D J Lane, S J Giovannoni, N R Pace, D A Stahl.1986.<br />
Microbial Ecology and Evolution: A Ribosomal RNA Approach.<br />
Annu. Rev. of Microbiol., 40: 337-365<br />
• N R Pace, D A Stahl, D J Lane, G J Olsen.1986.The Analysis of<br />
Natural Microbial Populations by ribosomal RNA sequences.En<br />
Advances in Microbial Ecology. Vol. 9. K.C. Marshall (Ed.).<br />
Plenum Press, pp. 1-55.<br />
Metodología que<br />
liberó a la<br />
microbiología de la<br />
“esclavitud” del<br />
cultivo en placa<br />
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Desafío del siglo XXI<br />
Convertir estas “piezas<br />
inanimadas de información”<br />
(genes) en conocimiento de la<br />
actividad celular<br />
Integración de los estudios<br />
tradicionales de fisiología, genética<br />
y ecología con las modernas<br />
genómica y proteómica.<br />
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If I could do it all over again, and relieve my vision in the<br />
twenty-first century, I would be a microbial ecologist. Ten<br />
billion bacteria live in a gram of ordinary soil, a mere pinch<br />
held between thumb and forefinger. They represent<br />
thousands of species, almost none of which are known to<br />
science. Into that world I would go with the aid of modern<br />
microscopy and molecular analysis. I would cut my way<br />
through clonal forests sprawled across grains of sand, travel<br />
in an imagined submarine through drops of water<br />
proportionately the size of lakes, and track predators and<br />
prey in order to discover new life ways and alien food webs.<br />
All this, and I need venture no farther than ten paces<br />
outside my laboratory building.<br />
Edward O. Wilson. Naturalist (1994). Island Press,<br />
Washington, p. 364<br />
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Los comienzos de la microbiología<br />
• Antony van Leeuwenhoek (1676) descubre y describe<br />
microorganismos en su hábitat natural (gota de lluvia).<br />
Primeros estudios en Ecología Microbiana.<br />
• Desde Lazzaro Spallanzani (1776) hasta Louis<br />
Pasteur (1859) y durante las controversias por la<br />
teoría de la generación espontánea plantearon la<br />
existencia de microorganismos en el aire, causantes<br />
de la putrefacción de los materiales.<br />
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• John Tyndall y Ferdinand Cohn (1877) comienzan los<br />
estudios de las endosporas bacterianas, mostrando<br />
que sobreviven en el aire, pueden diseminarse de un<br />
ecosistema a otro, adaptándose al stress ambiental,<br />
sobreviviendo durante largos períodos.<br />
Profunda influencia en<br />
• Robert Koch (1876) demuestra que Microbiología. el carbunco es<br />
causado por un microorganismo. Aislar estudiar<br />
•Teoría <strong>microbiana</strong> de la enfermedad.<br />
•Técnicas de cultivo puro.<br />
el desarrollo de la<br />
•Introduce el agar-agar como solidificante en los<br />
medios de cultivo.<br />
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El período del cultivo puro<br />
(mediados del siglo XIX-mediados del siglo XX).<br />
Microbiólogos<br />
Enfrascados en los cultivos puros.<br />
No proveen información sobre la<br />
interacción entre los<br />
microorganismos y su entorno (ej.<br />
Penicilina)<br />
Biólogos<br />
Técnicas de la macrobiología.<br />
Dificultades metodológicas frente a<br />
los microorganismos (tamaño,<br />
pocos detalles morfológicos, etc.).<br />
Consideraron a los<br />
microorganismos como sustancias<br />
químicas no vivas.<br />
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Sin embargo algunos estudios empezaron a<br />
establecer la importancia del rol de la actividad<br />
metabólica <strong>microbiana</strong> en los procesos ecológicos<br />
globales.<br />
• Nicolas-Theodore de Saussure (1839) la<br />
capacidad de los microorganismos del suelos de<br />
oxidar H 2 . Recién se aislaron en el siglo XX.<br />
• Jacques Theophile Schloesing y Achille Müntz<br />
(1879) capacidad de los microorganismos del<br />
suelo de oxidar el amonio a nitrato.<br />
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Quimiolitrótofas<br />
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La Ecología Microbiana en el Siglo XX<br />
• Sergei Winogradsky (finales del siglo XIX).<br />
Aisla las bacterias nitrificantes.<br />
Desarrolla un sistema para crecimiento de las<br />
bacterias microaerófilas y fotosintéticas del suelo<br />
(Columna de Winogradsky).<br />
Describe la oxidación <strong>microbiana</strong> de el sulfídrico y del<br />
ferroso, se describe la vida quimiolitrótofa.<br />
Describe la fijación del nitrógeno y la simbiosis con<br />
plantas.<br />
Clasifica a los microorganismos del suelo: autóctonos<br />
y zimogenos<br />
Es Es considerado el el padre de de la la microbiología del suelo<br />
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• Martinus Beijerinck (principios del siglo XX)<br />
“La forma en que yo enfoco la microbiología….puede<br />
exponerse brevemente como el estudio de la<br />
ecología <strong>microbiana</strong>, es decir la relación entre las<br />
condiciones ambientales y las formas especiales de<br />
vida que les corresponde”<br />
Aisla agentes simbióticos y la simbiosis con plantas.<br />
Ciclo del nitrógeno y del azufre.<br />
Reconoce la ubicuidad de los microorganismos y la<br />
influencia selectiva de las condiciones ambientales<br />
desarrolla técnicas de enriquecimiento.<br />
Funda una escuela dedicada al estudio de la<br />
diversidad y la fisiología bacteriana.<br />
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• Kluyver A., van Niel C. y Stanier R: mayor<br />
compresión del papel de los microorganismos en<br />
los procesos de reciclado. Fisiología Microbiana.<br />
• 1970: Comité de Microbiología Ambiental:<br />
reconoce formalmente la disciplina ecología<br />
<strong>microbiana</strong>.<br />
• 1977 I International Symposium on Microbial<br />
Ecology<br />
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G J Olsen, D J Lane, S J Giovannoni, N R Pace, D A<br />
Stahl.1986. Microbial Ecology and Evolution: A Ribosomal<br />
RNA Approach. Annu. Rev. of Microbiol., 40: 337-365<br />
N R Pace, D A Stahl, D J Lane, G J Olsen.1986.The Analysis<br />
of Natural Microbial Populations by ribosomal RNA<br />
sequences.En Advances in Microbial Ecology. Vol. 9. K.C.<br />
Marshall (Ed.). Plenum Press, pp. 1-55.<br />
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Relación de la ecología <strong>microbiana</strong> con otras<br />
ciencias<br />
• Ecología: el tratamiento de los procesos microbianos<br />
tiende a ser rudimentario. Descomposición de materia<br />
orgánica y el reciclado de los nutrientes minerales: “caja<br />
negra”.<br />
Diferencias Metodológicas.<br />
• Ciencias Ambientales: Biodegradación de contaminantes<br />
(Atlas R., Bartha R.), efectos de los contaminantes sobre<br />
los microorganismos (injuria invisible), procesos de fijación<br />
de nitrógeno, obtención de combustible a partir de recursos<br />
renovables.<br />
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• Exploración del espacio: impulso el desarrollo de<br />
metodología y el estudio de la vida en ambientes<br />
extremos.<br />
• Microbiología de suelo, agua dulce (implicancias en la<br />
salud humana) y marina.<br />
• Microbiología de alimentos: los estudios sobre procesos<br />
de degradación y fermentación produjeron gran cantidad<br />
de información ecológica, influencia de las variables<br />
ambientales en los microorganismos, supervivencia en<br />
condiciones adversas y sobre la sucesión <strong>microbiana</strong>.<br />
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Fuentes de Información<br />
Antes de 1957 no había aparecido ningún libro ni revista con el título Ecología Microbiana.<br />
Revista específicas<br />
• Microbial Ecology. 1974. Springer- Verlag. Nueva York.<br />
• Applied and Environmental Microbiology. 1976. American Society for Microbiology.<br />
Washington DC<br />
• Advances in Microbial Ecology. 1977. Plenum Press, Nueva York<br />
• FEMS Microbiology Ecology. 1985. Elsevier Science Publishers, Amsterdam. Holanda.<br />
Libros<br />
• Atlas, R.M. and Bartha R. 1998. Microbial Ecology. Fundamentals and applications (4ª<br />
Ed). Benjamin/ Cummings Science Publishing. Menlo Park, CA.<br />
• Colwell R.R. and Grimes J. 2000. Nonculturable Microorganisms in the Environment.<br />
American Society for Microbiology. ASM PRESS. Washington D.C.<br />
• Hurst, C.H.J. 1997. Manual Of Environmental Microbiology. American Society For<br />
Microbiology Press. Washington D.C.<br />
• Madigan, M.E., Martinko, J.M. and Parker, J. 2000. (9th ed). Brock Biology of<br />
microorganisms. Prentice Hall, Menlo Park, CA.<br />
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