Los microbios y la biotecnología Opción F

5ª Parte: Metabolismo de los microbios Tema 9 de Biología NS Diploma BI Curso 2012-2014

MetabolismoBE


Concepto: Conjunto de reacciones químicas que tienen lugar en las células para la obtención de energía, utilizada en el mantenimiento de sus concentraciones iónicas y regenerar continuamente las moléculas y las estructuras que se degradan.




A su vez, dentro de una célula, tienen lugar dos tipos de metabolismo, catabolismo y anabolismo, los cuales no ocurren ni de forma simultánea, ni en el mismo lugar de la célula, pero que están acoplados.

Tipos de nutrición bacteriana


Las bacterias, grupo muy heterogéneo, pueden colonizar todos los ambientes, ya que presentan todos los tipos de metabolismo conocido, y algunas son capaces de cambiar de metabolismo en función del tipo de nutrientes que encuentran en el medio.




La bacterias se pueden clasificar en función de: - Si la fuente de energía es la de la luz (fotótrofas) o la de compuestos químicos (quimiótrofas). - Si la fuente de carbono es el CO2 (autótrofas) o moléculas orgánicas sencillas (heterótrofas). - Si la fuente de protones y electrones son moléculas inorgánicas simples (litótrofos) o moléculas complejas (organótrofos).

Tipos de nutrición bacteriana

FOTOAUTÓTROFOS O

QUIMIOAUTÓTROFOS O

Cianobacterias (fotosintéticas) Bacterias verdes y púrpuras sulfurosas

Bacterias quimiosintéticas (descomponedores)

FOTOHETERÓTROFOS O

QUIMIOHETERÓTROFOS O

Bacterias púrpuras no sulfurosas

Bacterias saprófitas (descomponedores)

Tipos de nutrición


En función de la naturaleza de la energía que incorporan, los microorganismos autótrofos (que utilizan el CO2 atmosférico para sintetizar moléculas orgánicas) se dividen en: - Fotoautótrofo: organismo que usa la luz como fuente de energía para generar ATP y el CO2 atmosférico como fuente de carbono para producir compuestos orgánicos. Un ejemplo es la cianobacteria Anabaena.

- Quimioautótrofo: organismo que usa energía de reacciones químicas como fuente de energía para generar ATP y el CO2 atmosférico como fuente de carbono para producir compuestos orgánicos. Un ejemplo es la bacteria nitrificante Nitrosomonas.

Tipos de nutrición


En función de la naturaleza de la energía que incorporan, los microorganismos heterótrofos (que utilizan materia orgánica para sintetizar moléculas orgánicas) se dividen en: - Fotoheterótrofo: organismo que usa la luz como fuente de energía para generar ATP y obtiene compuestos orgánicos de otros organismos como fuente de carbono. Un ejemplo es la bacteria púrpura no sulfurosa Rhodobacter.

- Quimioheterótrofo: organismo que usa energía de reacciones químicas como fuente de energía para generar ATP y obtiene compuestos orgánicos de otros organismos como fuente de carbono. Un ejemplo es la bacteria Lactobacillus.

Comparación tipos de nutrición Fuente de carbono

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Luz Fuente de energía Química

CO2 inorgánico

Compuestos orgánicos

Fotoautótrofo

Fotoheterótrofo

(bacterias verdes sulfurosas: Chlorobium)

(bacterias púrpuras no sulfurosas: Rhodospirillum)

Quimioautótrofo

Quimioheterótrofo

(bacterias oxidantes del hierro: Thiobacillus ferrooxidans )

(La mayoría de bacterias: E. coli)

Estructura de Anabaena


Anabaena es una cianobacteria filamentosa que vive en charcas de agua dulce y sobre la hierba.




Posee clorofila para la fotosíntesis oxigénica, es decir, utiliza el agua como donador de electrones.




Es única, al poseer dos tipos de células distintas e independientes.




Anabaena es útil para los agricultores al incrementar la fertilidad del suelo gracias a la fijación de nitrógeno.

Estructura de Anabaena


Las células vegetativas fijan el CO2 atmosférico por fotosíntesis para la fabricación de carbohidratos. Al ser un procariota carece de cloroplastos, pero posee tilacoides, que son invajinaciones de la membrana.




Los heterocistos fijan el N2 atmosférico en amoniaco, mediante la enzima nitrogenasa, para la fabricación de proteínas. La enzima nitrogenasa se inhibe por O2, por lo que en ellos su concentración es menor y poseen una gruesa pared.




Ambos tipos celulares intercambian sus productos fijados a través de pequeños poros en sus paredes celulares.

Video2

Relaciones entre los microorganismos y la especie humana


Al clasificar las relaciones que los microorganismos establecen con la especie humana en concreto, podemos encontrar tres posibilidades: - Inocuas: Podemos encontrar muchas especies de microroganismos que directamente no se relacionan con la humana, por lo que no le causan ni beneficio ni perjuicio. Sin embargo, como componentes importantísimos de todos los ecosistemas, siempre hay relaciones, aunque indirectas o más difícles de de delimitar. Un ejemplo de ello son los ciclos biogeoquímicos, como el del nitrógeno. - Beneficiosas: El hombre obtiene gran cantidad de beneficios de muchos microorganismos, utilizándolos para la depuración de aguas residuales, producción de combustibles, técnicas biotecnológicas o producción de alimentos, entre otros. - Perjudiciales: Hay muchos microorganismos causantes enfermedades infecciosas y reciben el nombre de patógenos.

de

Biorremediación


Concepto: Utilización de organismos vivos con el fin de remediar un problema ambiental eliminado el contaminante.




Entre los agentes contaminantes se encuentran el selenio, los disolventes y los pesticidas en el suelo, y los vertidos de petróleo en el agua.




Normalmente se utilizan bacterias y hongos, aunque también pueden usarse plantas (fitorremediación) u otros, y siempre después de haber usado otros sistemas de limpiado.




Estos microorganismos obtienen energía para crecer a partir de la degradación de estos compuestos químicos tóxicos. Es decir, son quimioheterótrofos cuya actividad metabólica convierte dichas moléculas tóxicas contaminantes para el medioambiente, en otras menos tóxicas.

Video3

Biorremedicación


La biorremediación puede ser in situ (tratamiento del material contaminado en el mismo lugar) o ex situ (cuando se transporta a otro sitio para ser tratadado). A su vez, la biorremediación puede ser: - Biomagnificación cuando una bacteria se añade para suplementar la población microbiana existente, porque parece que esta bacteria añadida no compite con la población autóctona. - Bioestimulación cuando se añaden nutrientes para estimular el crecimiento de la población microbiana autóctona en el medio contaminado. Las concentraciones de nutrientes deben ser lo suficientemente grandes como para soportar la máxima tasa de crecimiento de la bacteria a lo largo del proceso de limpiado. Bacterias del género Pseudomonas se usaron en la limpieza del vertido del Exxon Valdéz.




Actualmente existen cepas bacterianas obtenidas mediante modificación genética y que son muy útiles para la biorremediación de distintos contaminantes.

Biorremedicación de vertidos de petróleo





Uno de los primeros exitos de la biorremediación fue el tratamiento del vertido de 37 mil toneladas por el petrolero Exxon Valdez en la costa de Alaska en 1989. Con objeto de eliminar la capa de petróleo que cubría las rocas y arena de la costa, los investigadores realizaron gran cantidad de muestreos y experimentos de laboratorio que demostraron que la población de microorganismos autóctonos tenía capacidades degradativas de hidrocarburos alifáticos y aromáticos y que la cinética de la degradación podía ser mejorada con la adición de nutrientes.
Con objeto de incrementar su número, añadieron nitrógeno y fosfato al agua. Varios meses más tarde, ya se observaba una visible reducción del petróleo sobre las rocas y arena. Con esto se acortó el tiempo de biorremedicación natural en 5 años. Video4

Biorremediación de suelos


Los compuestos tóxicos más usados son los plaguicidas, los cuales en muchos casos resultan ser muy tóxicos. Estos compuestos químicos constituyen una adecuada fuente de carbono y donadores de electrones para ciertos microorganismos del suelo. En la literatura existen ejemplos de degradación de plaguicidas por microorganismos: - En 2001 se aislaron varias especies de hongos en suelos de Argelia contaminados con pesticidas. Las especies más frecuentes pertenecían al género Aspergillus y destacaron por su habilidad para la degradación del herbicida. - Las Pseudomonas son las bacterias más eficientes en la degradación de compuestos tóxicos. La capacidad de estas bacterias para degradar estos compuestos depende del tiempo de contacto con el compuesto, las condiciones ambientales en las que se desarrollen y su versatilidad fisiológica.

Biorremedicación de suelos


Los disolventes industriales son compuestos orgánicos, tales como el dicloroetileno, tricloroetileno, cloroformo y algunos compuestos fluorados, que son tóxicos (carcinógenos) y que frecuentemente se detectan como contaminantes persistentes en los suelos. Una amplia variedad de bacterias son capaces de romper estas moléculas. Por ejemplo, Dehalobacterium usa el compuesto diclorometano en su metabolismo, produciendo sustratos respiratorios, formato y acetato.




Geobacter sulfurreducens se usa para eliminar el uranio, ya que lo transforma en una forma insoluble que puede ser recolectada.