F5 Metabolismo microbios

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
Video1
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.