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UNIDAD I: MICROBIOLOGÍA AGRÍCOLA

Importancia del estudio de la microbiología La microbiología es una ciencia que trata el estudio de los microorganismos, un extenso y variado grupo de organismos microscópicos que existen como células aisladas o que viven formando agrupaciones celulares que se pueden observar a simple vista. La microbiología también incluye el estudio de los virus, ya que son organismos microscópicos, pero que no son considerados células. Por lo tanto, la microbiología como ciencia se centra en dos temas principales: a) la comprensión de los procesos vitales básicos que ocurren en los microorganismos (metabolismos) y b) la aplicación de ese conocimiento para beneficio de la humanidad. El estudio de la microbiología es importante debido a que los microorganismos están implicados en numerosos procesos y conflictos que son importantes en la industria, la medicina y la agricultura. Los microorganismos constituyen en conjunto la biomasa mayor del planeta y realizan numerosos procesos que son necesarios para el desarrollo de otros organismos. En ausencia de microorganismos nunca podrían haber surgido otras formas de vida ni podrían mantenerse en la actualidad. Incluso el oxígeno que respiramos actualmente es consecuencia de la actividad microbiana del pasado. Los microorganismos pueden ser benéficos o perjudiciales para el hombre. Es importante destacar, que algunas de las enfermedades más importantes de humanos, animales y plantas son causadas por microorganismos, pero por otro lado, los microorganismos desempeñan importantes funciones en la fertilidad de los suelos y en la producción animal. Además, muchos procesos industriales a gran escala se basan en el uso de microorganismos. Como el estudio de los microorganismos abarca una gran cantidad de tipos, morfologías, usos y características, la microbiología se encuentra dividida en numerosas subdisciplinas. Particularmente, la Microbiología Agrícola es una subdisciplina de la Microbiología que tiene como objetivo el estudio de los procesos microbiológicos que se producen en el suelo, agua, alimentos, etc. y que involucran a la producción agropecuaria. Los microorganismos contribuyen de manera global al funcionamiento de los ecosistemas del planeta y ayudan al desarrollo sostenible de la biósfera. En este sentido, desde un punto de vista ecológico, los microorganismos que habitan el suelo (microorganismos edáficos) constituyen el estamento de los descomponedores, que junto a los productores (plantas) y consumidores (herbívoros y carnívoros) son la base del funcionamiento de los ecosistemas. Los organismos descomponedores son los responsables de la degradación de los restos orgánicos muertos y la liberación de nutrientes que servirán de base para la productividad primaria del sistema, cerrando el ciclo de los elementos (Figura 1).

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O2

CO 2

CONSUMIDORES 1 CO 2

O2

O2

CO 2

CONSUMIDORES 2

PRODUCTORES

RESTOS ORGANICOS

O2

CO 2

nutrientes

DESCOMPONEDORES

Figura 1: Cadena trófica en ecosistemas naturales

La actividad de los microorganismos edáficos es de suma importancia en los sistemas agropecuarios, debido a que existe una elevada extracción de nutrientes provocada por las cosechas y el pastoreo (Figura2). En la actualidad, el estudio de los microorganismos edáficos cobra especial relevancia teniendo en cuenta que se persigue una productividad agrícola sustentable, la preservación del ambiente y la producción de alimentos orgánicos.

PRODUCCIÓN AGROPECUARIA insumos HERBIVOROS PRODUCTORES

nutrientes

DESCOMPONEDORES

Agroecosistemas Figura 2: Cadena trófica en agroecosistemas

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Desde el punto de vista industrial, los microorganismos son cultivados a gran escala, para obtener productos comerciales o realizar importantes transformaciones químicas. La industria pretende potenciar las reacciones metabólicas que pueden realizar los microorganismos para producir en mayor cantidad (alto rendimiento) el producto de interés. De esta forma, se pueden producir biofertilizantes (inoculantes), productos farmacéuticos (antibióticos), aditivos alimenticios (aminoácidos y vinagre), enzimas, productos químicos (alcohol o ácido cítrico), y bebidas como el vino y la cerveza entre otras. Características de los microorganismos Se denomina microorganismo a la forma de vida que se desarrolla en una sola célula. Aunque el organismo esté compuesto por más de una célula (pluricelular), cada célula es funcionalmente autónoma en sí misma. Los microorganismos no poseen tejidos ni órganos, es decir que no presentan células especializadas en cumplir una única función como sucede en los organismos superiores, por ejemplo células especializadas en el transporte (xilema de las plantas), células especializadas en la absorción de nutrientes en animales (células intestinales), etc. Hay una serie de características propias de los microorganismos que les confieren particularidades de carácter funcional muy importantes: Tamaño reducido: En general, las células microbianas son muy pequeñas particularmente las procariotas. Cada célula microbiana varía en general entre 1 y 15 m (entre 10 y 100 veces menor que una célula vegetal). Superficie de intercambio muy grande: tener mucha superficie en relación al volumen corporal le otorga a las células alta capacidad de intercambio con el medio. Esto significa que los organismos tienen una alta tasa de absorción (de agua, gases, alimentos) y de excreción. Ser una célula de tamaño pequeño tiene sus ventajas. Las células pequeñas poseen más área superficial en relación al volumen celular que las células más grandes; es decir, tienen una relación superficie/volumen mayor. Además, el hecho que muchos microorganismos presentan células de formas esféricas o cilíndricas les confieren mayor superficie en relación al volumen del cuerpo. Alto metabolismo: Es conocido que todos los organismos vivos muestran alguna forma de metabolismo. Dentro del entramado del compartimiento físico que define a una célula, se toman nutrientes del medio externo y se los transforma químicamente. Durante este proceso se produce energía y se eliminan productos de desecho. Una alta tasa de absorción determina una alta disponibilidad de nutrientes, lo que favorece un metabolismo muy activo. Por esta causa, se sabe que los organismos de tamaño reducido tienen una tasa metabólica más elevada que los de mayor tamaño. Reducido tiempo de generación: todo organismo con alta tasa metabólica tiende a tener también una alta tasa reproductiva. Este hecho, sumado a que los microorganismos se reproducen generalmente de manera asexual (por fisión

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binaria), hace que las divisiones celulares sean muy frecuentes (algunos se dividen cada 15 minutos) y que el aumento de la población sea exponencial. Esto se aprecia muy bien en la aparición y rápida difusión de enfermedades provocadas por los agentes microbianos. Alta diversidad genética: cuando el ADN se duplica frecuentemente, tiene altas probabilidades de sufrir mutaciones. Los microorganismos presentan altas tasas de mutaciones lo cual provoca que la variabilidad genética sea muy alta y que la variación genotípica en bacterias sea evidente en cortos períodos de tiempo. Distribución muy amplia: el hecho de tener alta variabilidad genética confiere a los microorganismos la posibilidad de adaptarse a ambientes muy diferentes (ubicuidad). Prácticamente no existe ningún lugar en el planeta que no esté habitado por microorganismos (salvo la sangre y órganos de animales sanos). Variabilidad metabólica: esta alta capacidad de adaptación lleva implícito que los microorganismos puedan tener una enorme variedad de metabolismos totalmente diferentes del resto de los organismos vivos. Esa particularidad hace que sean los únicos responsables de procesos clave en los ecosistemas como: la liberación y disponibilidad nutrientes para las plantas, la descomposición y detoxificación de elementos contaminantes, etc. Además, esta amplia variabilidad metabólica permite la utilización de muchos procesos metabólicos microbianos en la industria. Células procarióticas y eucarióticas Un análisis detallado de la estructura celular interna y de otras propiedades permite diferenciar dos tipos de células: las procariotas y las eucariotas. Los microorganismos pueden estar constituidos por células procariotas o por células eucariotas. Las células procariotas son las más simples estructuralmente (no presentan orgánulos celulares) y también en general son las más pequeñas. Como toda célula, están delimitadas por una membrana plasmática que contiene pliegues hacia el interior (invaginaciones) que están relacionados con diversas funciones. La célula procariota por fuera de la membrana plasmática está rodeada por una pared celular. En el interior de la célula es posible hallar una región más densa, llamada nucleoide, donde se encuentra el material genético (ADN). Es decir que el ADN no está separado del resto del citoplasma por una membrana nuclear como ocurre en eucariotas. Las células procariotas pueden tener distintas estructuras que le permiten la locomoción y el movimiento (Figura 3). En cambio, las células eucariotas tienen un modelo de organización mucho más complejo que las procariotas (Tabla 1). Su tamaño es mucho mayor y en el citoplasma es posible encontrar un conjunto de estructuras celulares rodeadas por membranas que cumplen diversas funciones y que en conjunto se denominan organelas u orgánulos celulares. Entre las células eucariotas podemos distinguir dos tipos de células que presentan algunas diferencias: células animales y vegetales. Las células animales no poseen pared celular y las

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células vegetales presentan por fuera de la membrana plasmática, una pared celular que les brinda protección y que tiene una composición distinta (celulosa) (Figura 4) a las paredes que se encuentran en las células procariotas (peptidoglicano).

Figura 3: Estructura de una célula procariota típica

Figura 4: Estructura de una célula eucariota vegetal

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Tabla 1: Principales diferencias entre células procariotas y eucariotas Célula procariota

Célula eucariota

no envuelto por membrana

envuelto por membrana

un cromosoma circular

varios cromosomas

fisión binaria

mitosis

Aparato fotosintético

en membranas (tilacoides)

en cloroplastos

Aparato respiratorio

en membranas

en mitocondrias

70s

80s

Núcleo Cromosomas División celular

Tipo de ribosomas Pared celular

Tamaño Orgánulos

peptidoglicano

sin pared o con pared de celulosa