EL MEDIO ACUÁTICO Propiedades físicas y químicas del entorno acuático Agua, es el medio dominante, posee una capacidad térmica específica muy elevada. Grandes volúmenes de agua absorben o eliminan vastas cantidades de energía calorífica, disfrutando muchos seres acuáticos de climas muy estables, ya que el 90% de todo el medio líquido oceánico no alcanza nunca temperaturas superiores a 4°C. Debido a una relación temperatura-densidad, el agua fría próxima a 4°C se hunde, y los fondos de los grandes estanques, lagos y sus sedimentos raramente se congelan. Propiedades físicas y químicas del entorno acuático Otras propiedades físicas significativas del agua: absorción lumínica y la presión hidrostática. • Absorción lumínica, regula la distribución de los fototrofos y de la producción primaria, y por lo tanto, indirectamente, la distribución de muchos quimioorganotrofos. La intensidad lumínica en el agua pura desciende un 53% tras el primer metro, y un 50% en cada uno sucesivo de profundidad. Fotótrofos: Son los que utilizan la LUZ como fuente de energía. Por ejemplo las CIANOBACTERIAS, ALGAS y PLANTAS VERDES, que generan O2 a través de la FOTOSÍNTESIS Oxigénica. Propiedades físicas y químicas del entorno acuático • Presión hidrostática, está relacionada también con la profundidad, incrementándose a razón de una atmósfera por cada 10 m, estando sometidas más del 90% de las aguas oceánicas a presiones superiores a 100 atmósferas. Esto repercute decisivamente en la fisiología de la flora y la fauna y también afecta al diseño del equipo de muestreo. Propiedades físicas y químicas del entorno acuático • El agua marina contiene una media de sales disueltas de 35 partes por mil (0/00), mientras que el agua dulce blanda tiene una salinidad de 0,065 0/00, y la dura de 0,3 0/00. • El pH del mar fluctúa entre 8 y 8,3, mientras que en la mayoría de las aguas dulces es de 6 a 9. El medio acuático como hábitat microbiano • Las zonas oceánicas principales están esquematizadas en la figura 2.1 que se encuentra a continuación, incluyéndose las regiones intermedias, tales como estuarios. • Las aguas superficiales terrestres se clasifican en fluyentes (lóticos) y estáticas (lénticas). • Aguas lenticas: Se refiere a cuerpos de agua en donde el agua esta quieta, por ejemplo lagos, lagunas, pantanos. El medio acuático como hábitat microbiano • Aguas lenticas: Se refiere a cuerpos de agua en donde el agua esta quieta, por ejemplo lagos, lagunas, pantanos. • Aguas lóticas: Incluyen todas las masas de agua que se mueven continuamente en una misma dirección. Existe por consiguiente un movimiento definido y de avance irreversible. Este sistema comprende: los manantiales, barrancos, riachuelos y ríos. Agua lótica en cambio son aquellos que no presentan la misma velocidad en el movimiento del agua en todo el cuerpo. El medio acuático como hábitat microbiano • Los arroyos y ríos lóticos registran un medio relativamente uniforme en toda su profundidad, mientras que en los lagos lénticos tienen distintos niveles, diferenciándose en la: – temperatura, – densidad, – características químicas y biológicas. Ver figura 2.2. El medio acuático como hábitat microbiano • Así mismo, esta estratificación se da en el mar, cuando se calienta la superficie y las turbulencias son escasas para impedir la mezcla de la columna de agua. El medio acuático como hábitat microbiano • Termoclina: Es la capa oceánica de transición entre la capa llamada de mezcla y la capa de agua profunda. La definición de estas capas está basada en su temperatura. La capa de mezcla se localiza cerca de la superficie, donde la temperatura se aproxima a la temperatura superficial. En la termoclina, la temperatura de la capa de mezcla baja bruscamente y alcanza la temperatura mucho más fría de la capa profunda. En otras palabras, tanto la capa de mezcla como la capa profunda son relativamente uniformes en temperatura; la termoclina representa la zona de transición entre ambas capas. El medio acuático como hábitat microbiano HABITATS MICROBIANOS Hábitat Definición Terminología Subdivisiones vulgar 1. Neustónico Película superficial interfase aire/agua Neuston 2. Planctónico La columna de Plancton agua; sus habitantes libres 3. Béntico En y sobre los sedimentos permanentemente sumergidos Bentos (a) Psammon o hidropsammon (liquido intersticial entre las partículas de arena) (b) Epipsammon (en las partículas de arena) (c) Epipeplon (en el fango) El medio acuático como hábitat microbiano Hábitat Definición Terminología vulgar Subdivisiones 4. Epibiótico Sobre superficies vivas y no vivas lo suficientemente grandes como para permitir una microflora flora mixta. Perifiton (todos los m.o. asociados) (a) Epifiton (en las plantas) (b) Epizoon (en los animales) (c) Epilitico (en las rocas y piedras) 5. Sestónico Entéricofecal En los contenidos intestinales de los animales y en sus heces; también sobre materia orgánica particulada. Entérico Fecal Seston Metodología La detección de los m.o. y el registro de la actividad microbiana es más sencilla en el agua que en el suelo. Los sedimentos presentan dificultades ya que, al igual que los suelos, constituyen entornos no homogéneos, estableciéndose frecuentemente estratos óxicos y anóxicos próximos, que son perturbados por la manipulación del equipo del muestreo y revelan diferentes grados de compacidad. Metodología En el muestreo de aguas y de sedimentos son indispensables: contenedores, garfios y despepitadores. Los problemas principales son la necesidad de examinar grandes volúmenes de agua por la escasa concentración de los gérmenes, y las diferencias de temperatura y presión existentes. Por tanto el equipo ideal para tomar muestras grandes en profundidades marinas y mantenerlas no contaminadas y a temperatura y presión originales durante el muestreo y en el laboratorio son costosos, (6000 m de profundidad) y requieren de un nivel tecnológico y de ingeniería elevados. Metodología • En cambio los instrumentos que se utilizan para muestrear hasta unos pocos cientos de metros incluyen contenedores más convencionales y sencillos. Muestreo de sedimento superficial Metodología A fin de cultivar y calcular la cifra de m.o. acuáticos relativamente dispersos es necesario concentrarlos y en ocasiones, separarlos de otros grupos en la muestra de agua por ejemplo, mediante fraccionamiento por tamaño. Esto se consigue fácilmente atrapando las células en filtros selectores por el tamaño del poro. Las estimaciones de gérmenes en el agua tiene los mismos principios y los mismos inconvenientes para los suelos. Las muestras filtradas pueden teñirse para realizar recuentos microscópicos directos o pueden depositarse sobre medios nutritivos para el desarrollo de microcolonias. Las técnicas del “número más probable” (MPM) se emplean para enumerar ciertos grupos. Dentro de la metodología se menciona también la prueba del ATP. La poblacion microbiana Las bacterias aisladas del medio acuático frecuentemente son los bacilos gramnegativos, y de hecho, el 90% de todos los aislamientos pertenece a esta categoría, incluyendo por lo general especies de Vibrio, Pseudomonas y Flavobacterium u organismos relacionados. Sin embargo ríos y arroyos presentan elevadas concentraciones de tipos grampositivos, probablemente debido a las aportaciones del entorno terrestre pero, no obstante, predominan los gram- negativos. La población microbiana Los sedimentos contienen un % muy superior de gérmenes grampositivos, principalmente Bacillus spp. En vista de que el agua es esencial para los m.o. se plantea el interrogante de si existe un germen verdaderamente “acuático”. Los hongos (H) predominan más en las aguas dulces que en las saladas y prevalecen en la descomposición de los residuos vegetales recientes. La población microbiana Los H inferiores con zoosporas flageladas, tales como las quitridios, son considerados como esencialmente acuáticos, e incluyen parásitos de las algas plantónicas de aguas dulces y saladas, así como especies fermentadoras capaces de crecer en sedimentos anóxicos (algunos de estos también se encuentran en el rumen). Se han hallado levaduras plantónicas en los océanos a profundidades de hasta 3000 m. Los quitridios son los más primitivos hongos y son mayormente saprofitos (degradando quitina y queratina). Muchos quitridios son acuáticos (la mayoría de agua dulce). Existen aproximadamente 1.000 especies, en 127 géneros, distribuidos en 5 órdenes. Distribución y actividad de la población microbiana La distribución de los organismos quimioorganotróficos en la columna de agua sigue, en esencia, el mismo modelo que la de los productores primarios activos. Eutrofización Las masas de agua eutróficas tienen un alto nivel de productividad y de biomasa en todos los niveles tróficos; tienen aguas profundas pobres en oxígeno y un crecimiento intenso de las plantas acuáticas. Oligotrofia En contraste, la ausencia de grandes cantidades de algas indican la oligotrofía del cuerpo de agua. Sistemas oligotróficos, poseen concentraciones bajas de nutrientes, poseen mayor diversidad en las comunidades de plantas y animales, un bajo nivel de productividad primaria y de biomasa y una buena calidad del agua para distintos usos. Quimioorganotrófico Organismo que utiliza material orgánico como fuente de energía y carbono para su crecimiento. Oligotrofia Determinadas bacterias acuáticas son consideradas oligotróficas; en este contexto significa que el m.o. es capaz de desarrollarse en concentraciones muy bajas de nutrientes. Estas concentraciones son comparables con los niveles de carbono en las aguas oceánicas, pero son miles de veces inferiores al contenido de carbono disponible de muchos medios de laboratorio. Oligotrofia Ritmos de crecimiento de las bacterias planctónicas en las aguas naturales Localización Período de observación Tiempo de generación (h) Método Lagos oligotróficos (Mirror Lake, New Hampshire) Media anual Septiembre Febrero (bajo hielo) 60-188 29 >2,400 Estimación de la biomasa por el consumo de 35 SO 24 Aguas saladas (Báltico, costa sueca) Mas de 1 año 10-100 Frecuencia de la división celular Aguas saladas, costera Julio-Octubre (Báltico, Fiordo de kiel) Noviembre-Junio 70-111 0-1.980 Cultivos de difusión (en el laboratorio) Aguas saladas, no costeras Julio-Octubre 105-1.510 Cultivos de difusión (en el laboratorio) (Báltico, Bahía de kiel) Noviembre-Junio 0-3.040 Barofilia y bioluminiscencia Barófilos: seres v. que se desarrollan en ambientes con presión alta. Ej., bacterias que habitan las fumarolas o brechas de la corteza terrestre en el suelo marino, a miles de m. de profund. Extraen su energía del sulfato de hidrógeno y de otras moléculas que emergen del suelo marino mediante la quimiosíntesis, que no requiere de la luz. Se conoce como bioluminiscencia a la producción de luz de ciertos organismos vivos. La bioluminiscencia es un fenómeno relativamente frecuente en muchas especies marinas; las últimas estimaciones consideran que hasta un 90% de los seres v. que habitan en la porción media y abisal de los mares podrían ser capaces de producir luz de un modo u otro. En hábitats terrestres la bioluminiscencia no es tan común. Barofilia y bioluminiscencia La presión hidrostática en el fondo oceánico (de 380 atm de media) afecta de manera notoria al comportamiento de los organismos marinos, dado que la mayoría de las reacciones biológicas sufren un retardo a presiones superiores a 300 atm. De haber actividad microbiana apreciable cercana al fondo oceánico y sus sedimentos, los participantes deberán ser bien barófilos (más activos a presión elevada). Barofilia y bioluminiscencia El concepto de una flora abisal barofílica activa sufrió una sacudida brusca con el hundimiento del sumergible Alvin en 1968. Tras su recuperación después de permanecer 11 meses a 1540 m, se halló una cesta con bocadillos de embutido de boloña y manzanas. El estado de los alimentos era excelente, pero se estropearon con rapidez a la presión de atmosférica. Abisal: región más profunda del mar o del océano, a partir de los 2.000 m, o relacionado con ella. A la zona abisal no llega la luz del Sol. Fauna o flora abisal: que habita esta región, adaptada a sus especiales condiciones ambientales: peces, algas abisales. EL SUELO Aspectos físicos de la estructura del suelo • Un suelo es una mezcla compleja de compuestos orgánicos e inorgánicos, la combinación de la roca madre, topografía, clima, tiempo y actividad biológica. • En un suelo de un buen terreno agrícola, la materia mineral procedente de las rocas erosionadas normalmente alcanza el 50% del volumen, mientras que la fracción orgánica derivada de las plantas, animales y m.o. el 10-15%. Aspectos físicos de la estructura del suelo • La mayor parte del volumen restante está ocupado por aire y por agua, encajonados ambos en un complejo sistema de poros y canales en donde la relación entre aire y poros está en función del contenido en agua del suelo. • En general, los organismos v. quedan restringidos a menos del 1% del volumen total del suelo. Otros tipos de suelo pueden contener proporciones muy superiores de materia orgánica (hasta el 30% en turberas) o muy inferiores (tan solo el 1% en tundras). Turbera Aspectos físicos de la estructura del suelo • Para estudiarlo al suelo es conveniente considerar independientemente a los componentes orgánicos e inorgánicos, sin embargo no hay que olvidar que todo terreno es una unidad, dependiendo sus propiedades del intercambio e interacciones entre ambas fracciones. • La roca madre se disgrega en pequeños fragmentos debido a: • oscilaciones térmicas, • acción del agua, • alcalinidad o • acidez extremas y • otras acciones químicas producidas por la actividad biológica. Aspectos físicos de la estructura del suelo Líquenes Aspectos físicos de la estructura del suelo • Los elementos más abundantes en el suelo son Si, Al, Fe, O2 encontrándose en forma de silicatos . • La composición de la fracción mineral de un suelo influye marcadamente sobre las propiedades del mismo. • Una de las consecuencias más importantes de la erosión es la producción de arcillas Aspectos físicos de la estructura del suelo • Los sistemas de clasificación de los suelos reflejan con frecuencia el potencial agrícola y las propiedades de textura. • La textura es una característica relacionada con el tamaño de las partículas. En un gráfico piramidal pueden representarse las proporciones relativas a los tipos de residuos derivados de los procesos de sedimentación o de tamización. Ver fig 1.2. En el se observa que un suelo arenoso posee una textura gruesa, con buenas propiedades de drenaje, pero pobre en nutrientes como consecuencia de la falta de arcilla. Aspectos físicos de la estructura del suelo • Una representación de los agregados del suelo se ilustra en la fig. 1.3 . • Los m.o. están presentes en los poros más grandes, pero también hay poros muy pequeños para permitir el acceso de los gérmenes y que contienen materia orgánica y plaquitas de arcilla. Aspectos físicos de la estructura del suelo • La estructura de los agregados del suelo, conducen a concluir que la vida microbiana debe existir en multitud de microhábitats que pueden sufrir fluctuaciones ambientales independientes. • Los horizontes se han establecido en base al color, textura y contenido mineral y orgánico. • Los tres horizontes principales son: A, B y C (Fig. 1.4 ) Aspectos físicos de la estructura del suelo • En la representación de los perfiles del suelo, el nivel superior Ao, es donde se acumulan los materiales del humus derivados de los restos vegetales y animales y se caracteriza por ser una zona de eluviación máxima. Generalmente se subdivide en un estrato superior, rico en humus, y otro inferior, en el que la filtración de silicatos , Fe y Al es más intensa. • • Eluviación: es la migración de coloides (arcillas, humus, óxidos) de un horizonte del suelo hacia abajo. Iluviación: es la acumulación de coloides en un horizonte, provenientes de un horizonte superior. Aspectos físicos de la estructura del suelo • Debajo se encuentra el horizonte B, donde se acumulan éstos, es el lugar principal de iluviación. • El C, es una zona poco afectada por los procesos biológico, está constituido en gran parte por la roca madre no erosionada. Aspectos físicos de la estructura del suelo • El grosor y características de cada horizonte depende principalmente de la: • topografía del lugar, • cubierta vegetal, • pH y • régimen de lluvias. Aspectos químicos de la estructura del suelo Para determinar la estructura de este material, se han aplicado técnicas especiales de extracción, diseñadas para obtener varios tipos de compuestos que frecuentemente se les ha caracterizado como si fuesen entidades químicas distintas y separadas. La fracción orgánica del suelo contiene pequeñas cantidades de diferentes compuestos orgánicos que están en proceso de transformación (intercambio iónico y estructura de agregados). Aspectos químicos de la estructura del suelo Existe cierta correlación cualitativa y cuantitativa entre la actividad enzimática y la fertilidad del suelo. Fósforo orgánico del suelo La fracción orgánica de los suelos contiene más del 90% de fósforo. Humus La mayor parte de la materia orgánica de los suelos está constituida por un residuo pardo insoluble conocido como humus. Aspectos químicos de la estructura del suelo Lejos de ser homogéneo el humus en su composición, varía con las distintas clases de terreno y con las diferentes localizaciones dentro del mismo tipo de suelo. La síntesis microbiana es en parte también responsable de la formación del humus. El humus con toda certeza es el fruto de una colaboración entre los m.o. que hidrolizan y modifican las ligninas y los que sintetizan polímeros fenólicos. Metodología Teniendo presente la heterogeneidad del suelo y la existencia de diversos microhábitats que pueden ser colindantes, la adaptación al análisis del mismo de la mayoría de las técnicas microbiológicas actualmente disponibles arroja datos que representan una media o una suma de actividades microbianas en muchos microhábitats. Existen una variedad de métodos con el fin de relacionar las condiciones del suelo y la actividad microbiana. En la siguiente tabla consta una lista de dichas técnicas. La metodología aplicada de los suelos. OBJETIVO 1. Aislamiento 2. Enumeración PROCEDIIENTOS a) Directo Micromanipulación Filtración y dilución Siembra en masa o en superficie en medios nutritivos b) Indirecto Procedimientos de enriquecimiento a) Directa Recuento microscópico de los m.o. b) Indirecta Procedimientos de recuento de viables Utilización de substratos 3. Biomasa a) Total Cálculos basados en el recuento microscópico ATP Fumigación con Cl3CH b) Grupos específicos Cálculos basados en el recuento microscópico Análisis de substancias de grupo Tabla. La metodología aplicada de los suelos. OBJETIVO 4. Distribución 5. Crecimiento y actividad PROCEDIIENTOS a) Directa Análisis microscópico de las preparaciones del suelo Microscopía de barrido de las preparaciones del suelo b) Indirecta Portaobjetos, capilares, nylon, etc., enterrados Variaciones en el valor de la biomasa “Replica plates” del suelo Medición del consumo e O2 Medición de la evolución del CO2 Medición de la utilización del substrato Medición de los productos originados Medición del incremento de la temperatura por microcalorimetría La textura del suelo y su relación con el agua El régimen de aguas de un suelo está en función de la capilaridad, que a su vez dependen de la textura del suelo y, por ende, del tamaño de las partículas. La mediciones del contenido de agua en base al volumen o al peso no indican, cuanto hay de agua disponible para las plantas y los m.o. La textura del suelo y su relación con el agua Por esta razón, se acostumbra a describir las relaciones acuosas de los m.o. en lenguaje termodinámico, más que a relacionar el crecimiento y la actividad microbianas con el contenido de agua. Otras consecuencias de la existencia del microhábitat Una suposición que debe derivarse del concepto de microhábitat es que un cambio ambiental puede alterar el equilibrio microbiológico de un hábitat sin afectar necesariamente a los colindantes. Las mediciones del pH del suelo no dan indicación alguna de las variaciones del mismo en los agregados del terreno, o a lo largo de distancias cortas, en la capa superficial cargada de las partículas de arcilla . La atmósfera del suelo La atmósfera del suelo ocupa los poros libres de agua entre las partículas o los agregados. Los intercambios entre la atmósfera del terreno y las capas superiores de aire son lentos, y vulnerables a las oclusiones de los poros de aquel. Consecuentemente, la composición de la atmósfera del suelo se diferencia de la del aire normal, registrando una depleción de O2 y un incremento de CO2, por la respiración de los m.o. del terreno y de las raíces de los vegetales. La atmósfera del suelo Las concentraciones elevadas de CO2 inhiben el crecimiento de muchos m.o. La atmósfera del suelo contiene también otros gases biológicamente activos, incluyendo del NH3 y varios metabolitos volátiles, el etileno (C2H4) entre otros. El C2H4 es bien conocido como regulador del crecimiento vegetal La distribución y composición de la microflora del suelo Los suelos que en invierno están helados presentan un alza microbiana inmediatamente después del deshielo primaveral. El arado disgrega a los agregados del suelo, lo que hace que se incremente la disponibilidad de nutrientes y aumente el volumen microbiano. El suelo es un depósito gigantesco de organismos ya que todos los seres tarde o temprano acaban en el mismo, por lo que la constitución de la población nativa y transitoria no queda bien definida. • El podzol es un tipo de suelo característico de climas fríos y húmedos (Canadá, Escandinavia y Rusia septentrional) o templado frío (vertiente atlántica de Europa), con abundantes precipitaciones, se caracteriza por una alta lixiviación, que propicia que una gran cantidad de sustancias superficiales migren a niveles inferiores. El horizonte B se caracteriza por un alto depósito de óxidos, que confieren a esta capa unas tonalidades rojizas características. La distribución y composición de la microflora del suelo Las clases de m.o. están relacionados con los tipos de suelos. El número de m.o. se relaciona con la humedad, el pH, el contenido orgánico y la temperatura. Así los suelos neutros fértiles en áreas relativamente cálidas y lluviosas tienden a presentar las cifras más elevadas de m.o. Existe una correlación significativa entre el contenido orgánico y los recuentos microbianos, lo que se evidencia por el incremento de m.o. en la rizosfera y la asociación de estos con las capas de humus en los perfiles de suelo. La distribución y composición de la microflora del suelo Así, el recuento mayor se halla en el estrato superior correspondiente al horizonte A, rico en humus, apareciendo un segundo pico de recuento en los podsoles en el estrato superior rico en humus del horizonte B. Sorprendentemente, las bacterias anaerobias se localizan en mayor cantidad en las capas superiores, corroborando la hipótesis de la existencia de m.o. anóxicos a cualquier profundidad, dependiente del régimen de aguas. Los ritmos de crecimiento microbiano y el flujo de la energía Los datos de conteo y de biomasa dan una idea de la población de m.o. en un suelo determinado, pero no indican a qué velocidad aumentan los m.o. o si están realmente creciendo. En la práctica no hay ningún método que pueda medir directamente el crecimiento microbiano, sin originar perturbaciones. Generalmente se acepta que el tiempo medio de generación de las bacterias del suelo, va de 12-25 h hasta sobrepasar los 10 días. Los ritmos de crecimiento microbiano y el flujo de la energía La energía total consumida puede ser desglosada en la utilizada para el crecimiento y la consumida para el mantenimiento. Así: Velocidad global de consumo de Energía = Velocidad de consumo de Energía para el crecimiento + Velocidad de consumo de Energía para el mantenimiento Relación de la microflora del suelo con respecto a la atmósfera La atmósfera contiene un gran número de diferentes clases de entidades biológicas particuladas, desde los m.o. hasta los granos de polen y otros tipos de esporas vegetales. El comportamiento de los m.o. en la tmósfera es de suma importancia para los fisiopatólogos (gobiernos interesados en las implicaciones de la guerra bacteriológica). Hay un amplio contingente de datos que pretenden explicar la dispersión de las nubes de partículas en términos matemáticos. Relación de la microflora del suelo con respecto a la atmósfera Las población bacteriana sobre áreas terrestres refleja en gran medida la de los suelos. En la práctica existen muchas más bacterias justo sobre el suelo que en la altura. Las cifras bacterianas sobre los océanos son por lo general inferiores FIN Noviembre, 2012