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Ecología Microbiana

Cátedra de Ecología Microbiana.Facultad de Ciencias Exactas. UNLP

If I could do it all over again, andrelieve my vision in the twenty-

first century, I would be a microbial ecologist.......

Edward O. Wilson

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oikos=casalogos= ley

Ecología: la ciencia que explora las interrelaciones entre los organismos y su medio ambiente biótico y abiótico

Ecología: la ciencia que explora las interrelaciones entre los organismos y su medio ambiente biótico y abiótico

Ecología Microbiana: la ciencia que específicamente examina las relaciones entre los microorganismos y su medio

ambiente biótico y abiótico

Ecología Microbiana: la ciencia que específicamente examina las relaciones entre los microorganismos y su medio

ambiente biótico y abiótico

Representa una nueva visión holística que reconoce la importancia de todos los organismos vivos en el mantenimiento

del balance ecológico

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El rápido desarrollo tecnológico que se inicio con la revolución industrial trajo aparejado

Avances en las ciencias médicas, reducción de la tasa de mortalidad

Producción industrial, extracción de recursos y la agricultura intensiva

Producción de materiales sintéticos

Rápida disminuciónRápida disminuciónde los recursos de los recursos no renovablesno renovables

Deterioro del Deterioro del medio ambientemedio ambiente

Explosión demográficaExplosión demográfica

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Las proyecciones de científicos y economistas sobre crecimiento de población, consumo

contaminación.

El impacto social de la publicación del libro “Silent Spring” de Rachel Carson

Se reconoció que los microorganismos ocupan una posición importante en el flujo ordenado de los materiales y la energía a través del ecosistema.

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Flujode

energía

Flujode

energía

Recicladode

nutrientes

Recicladode

nutrientes

Productoresprimarios

Productoresprimarios

ConsumidoresConsumidores

DescomponedoresDescomponedores

Algas eucarióticasCianobacteriasAnoxifotobacterias

Bacterias quimiolitotrofas

Protozoos, Algas mixotrofasBacterias (loop microbiano)

Hongos, Bacterias

PAPEL DE LOS MICROORGANISMOS EN EL FUNCIONAMIENTO DE LOS ECOSISTEMAS

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Todos los seres vivos de la Tierra dependen de la vida procariota

Miembros esenciales de la biosfera, hacen posible el funcionamiento de los ciclos biogeoquímicos.Están presentes en todos los lugares en los que pueda existir vida.

Tamaño pequeño: gran capacidad de dispersión.Variabilidad y flexibilidad metabólica: tolerar y adaptarse a las condiciones ambientales.Plasticidad genética (transferencia horizontal de genes): recombinar y recolectar las características positivas.

Pueden integrarse a los actuales paradigmas ecológicos

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Si bien existen interacciones desfavorables entre la actividad humana y los microorganismos: enfermedad, degradación, etc.

Los microorganismos juegan un importante rol en la resolución de problemas ambientales y económicos

Los microorganismos juegan un importante rol en la resolución de problemas ambientales y económicos

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Tercer temaBIODEGRADACIÓN Y RECICLAJE

-Depuración de aguas residuales

-Tratamiento de residuos sólidos

-Alteración microbiana de alimentos

-Biodeterioro de materiales

-Microbiología el petróleo

-Biodegradación de productos recalcitrantes

APROVECHAMIENTO ECONÓMICO Y APLICACIONES AGRÍCOLAS

-Producción de energías alternativas renovables

-Biominería y recuperación de metales

-Obtención de alimentos y suplementos de la dieta

-Aplicaciones agrícolas (micorrizas, fertilizantes,..)

-Control biológico de plagas

CONOCIMIENTO DE MEDIOS EXTREMOS-Obtención de productos (enzimas, antibióticos, antitumorales...)

-Investigación espacial

-Estudios sobre el origen de la vida

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Además....

Sin el conocimiento de los microorganismos la biología sería muchos más limitada

Este universo de vida “invisible” Este universo de vida “invisible” representa un vasto terreno todavía representa un vasto terreno todavía

inexplorado de conocimiento y inexplorado de conocimiento y diversidad biológica.diversidad biológica.

No sabríamos de la vida en condiciones

extremas

La fotosíntesis sería aerobia y

oxigénica

Los seres vivos más longevos no superarían los 1000 años

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Los microorganismos constituyente el principal componente de la biodiversidad

pero....

Se requerían herramientas apropiadas para cuantificar y evaluar:

La diversidad (microorganismos presentes)La distribución (heterogeneidad espacial y temporal de las comunidades en su ambiente).La actividad (funciones de los microorganismos)

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Estos estudios estuvieron limitados durante años a la microbiota que puede ser

cultivada en el laboratorio:

Condiciones ambientales artificiales que solo permite el desarrollo de unos pocos microorganismos.Los resultados dependen de la habilidad, persistencia y suertesuerte del investigador.

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• G J Olsen, D J Lane, S J Giovannoni, N R Pace, D A Stahl.1986.Microbial Ecology and Evolution: A Ribosomal RNA Approach.Annu. Rev. of Microbiol., 40: 337-365

• N R Pace, D A Stahl, D J Lane, G J Olsen.1986.The Analysis of Natural Microbial Populations by ribosomal RNA sequences.En Advances in Microbial Ecology. Vol. 9. K.C. Marshall (Ed.). Plenum Press, pp. 1-55.

Metodología que liberó a la

microbiología de la “esclavitud” del cultivo en placa

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Desafío del siglo XXIConvertir estas “piezas

inanimadas de información” (genes) en conocimiento de la

actividad celular

Integración de los estudios tradicionales de fisiología, genética

y ecología con las modernas genómica y proteómica.

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If I could do it all over again, and relieve my vision in thetwenty-first century, I would be a microbial ecologist. Ten billion bacteria live in a gram of ordinary soil, a mere pinchheld between thumb and forefinger. They representthousands of species, almost none of which are known toscience. Into that world I would go with the aid of modernmicroscopy and molecular analysis. I would cut my waythrough clonal forests sprawled across grains of sand, travelin an imagined submarine through drops of waterproportionately the size of lakes, and track predators andprey in order to discover new life ways and alien food webs. All this, and I need venture no farther than ten paces outside my laboratory building.

Edward O. Wilson. Naturalist (1994). Island Press, Washington, p. 364

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Los comienzos de la microbiologíaAntony van Leeuwenhoek (1676) descubre y describe microorganismos en su hábitat natural (gota de lluvia). Primeros estudios en Ecología Microbiana.

Desde Lazzaro Spallanzani (1776) hasta Louis Pasteur (1859) y durante las controversias por la teoría de la generación espontánea plantearon la existencia de microorganismos en el aire, causantes de la putrefacción de los materiales.

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Robert Koch (1876) demuestra que el carbunco es causado por un microorganismo.

Teoría microbiana de la enfermedad.

Técnicas de cultivo puro.

Introduce el agar-agar como solidificante en los medios de cultivo.

John Tyndall y Ferdinand Cohn (1877) comienzan los estudios de las endosporas bacterianas, mostrando que sobreviven en el aire, pueden diseminarse de un ecosistema a otro, adaptándose al stress ambiental, sobreviviendo durante largos períodos.Profunda influencia en

el desarrollo de la Microbiología.

Aislar estudiar

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El período del cultivo puro (mediados del siglo XIX-mediados del siglo XX).

Microbiólogos Enfrascados en los cultivos puros.No proveen información sobre la

interacción entre los microorganismos y su entorno (ej.

Penicilina)

BiólogosTécnicas de la macrobiología.

Dificultades metodológicas frente a los microorganismos (tamaño,

pocos detalles morfológicos, etc.).Consideraron a los

microorganismos como sustancias químicas no vivas.

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Sin embargo algunos estudios empezaron a establecer la importancia del rol de la actividad

metabólica microbiana en los procesos ecológicos globales.

Nicolas-Theodore de Saussure (1839) la capacidad de los microorganismos del suelos de oxidar H2. Recién se aislaron en el siglo XX.

Jacques Theophile Schloesing y Achille Müntz(1879) capacidad de los microorganismos del suelo de oxidar el amonio a nitrato.

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Quimiolitrótofas

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Sergei Winogradsky (finales del siglo XIX).Aisla las bacterias nitrificantes.Desarrolla un sistema para crecimiento de las bacterias microaerófilas y fotosintéticas del suelo (Columna de Winogradsky).Describe la oxidación microbiana de el sulfídrico y del ferroso, se describe la vida quimiolitrótofa.Describe la fijación del nitrógeno y la simbiosis con plantas.Clasifica a los microorganismos del suelo: autóctonos y zimogenos

La Ecología Microbiana en el Siglo XX

Es considerado el padre de la microbiología del sueloEs considerado el padre de la microbiología del suelo

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Martinus Beijerinck (principios del siglo XX) “La forma en que yo enfoco la microbiología….puede

exponerse brevemente como el estudio de la ecología microbiana, es decir la relación entre las

condiciones ambientales y las formas especiales de vida que les corresponde”

Aisla agentes simbióticos y la simbiosis con plantas.Ciclo del nitrógeno y del azufre.Reconoce la ubicuidad de los microorganismos y la influencia selectiva de las condiciones ambientales

desarrolla técnicas de enriquecimiento.Funda una escuela dedicada al estudio de la diversidad y la fisiología bacteriana.

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Kluyver A., van Niel C. y Stanier R: mayor compresión del papel de los microorganismos en los procesos de reciclado. Fisiología Microbiana.

1970: Comité de Microbiología Ambiental: reconoce formalmente la disciplina ecología microbiana.

1977 I International Symposium on MicrobialEcology

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G J Olsen, D J Lane, S J Giovannoni, N R Pace, D A Stahl.1986. Microbial Ecology and Evolution: A Ribosomal RNA Approach. Annu. Rev. of Microbiol., 40: 337-365

N R Pace, D A Stahl, D J Lane, G J Olsen.1986.The Analysis of Natural Microbial Populations by ribosomal RNA sequences.En Advances in Microbial Ecology. Vol. 9. K.C. Marshall (Ed.). Plenum Press, pp. 1-55.

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Relación de la ecología microbiana con otras ciencias

Ecología: el tratamiento de los procesos microbianos tiende a ser rudimentario. Descomposición de materia orgánica y el reciclado de los nutrientes minerales: “caja negra”.Diferencias Metodológicas.

Ciencias Ambientales: Biodegradación de contaminantes (Atlas R., Bartha R.), efectos de los contaminantes sobre los microorganismos (injuria invisible), procesos de fijación de nitrógeno, obtención de combustible a partir de recursos renovables.

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Exploración del espacio: impulso el desarrollo de metodología y el estudio de la vida en ambientes extremos.

Microbiología de suelo, agua dulce (implicancias en la salud humana) y marina.

Microbiología de alimentos: los estudios sobre procesos de degradación y fermentación produjeron gran cantidad de información ecológica, influencia de las variables ambientales en los microorganismos, supervivencia en condiciones adversas y sobre la sucesión microbiana.

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Fuentes de InformaciónAntes de 1957 no había aparecido ningún libro ni revista con el título Ecología Microbiana.

Revista específicasMicrobial Ecology. 1974. Springer- Verlag. Nueva York.Applied and Environmental Microbiology. 1976. American Society for Microbiology. Washington DCAdvances in Microbial Ecology. 1977. Plenum Press, Nueva YorkFEMS Microbiology Ecology. 1985. Elsevier Science Publishers, Amsterdam. Holanda.

Libros

Atlas, R.M. and Bartha R. 1998. Microbial Ecology. Fundamentals and applications (4ª Ed). Benjamin/ Cummings Science Publishing. Menlo Park, CA. Colwell R.R. and Grimes J. 2000. Nonculturable Microorganisms in the Environment.American Society for Microbiology. ASM PRESS. Washington D.C.Hurst, C.H.J. 1997. Manual Of Environmental Microbiology. American Society For Microbiology Press. Washington D.C.Madigan, M.E., Martinko, J.M. and Parker, J. 2000. (9th ed). Brock Biology of microorganisms. Prentice Hall, Menlo Park, CA.