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Departamento de Biología 2º Bachillerato
TEMA 19. LOS MICROORGANISMOS EN LA BIOSFERA LOS MICROORGANISMOS Y LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS 1. CICLO DEL CARBONO En La Tierra hay tres reservorios principales de carbono: Las rocas carbonatadas, los combustibles fósiles y la atmósfera. Los dos primeros son poco activos, ya que el carbono acumulado únicamente puede pasar a los seres vivos por combustión. El carbono de la atmósfera es un depósito activo que crece continuamente debido a la respiración y a la combustión. Los organismos fotosintéticos (plantas, algas y cianobacterias) fijan el CO2 en la fotosíntesis, y lo incorporan a la materia orgánica que sirve de fuente de energía y de carbono a los organismos heterótrofos. Los restos de animales y plantas sirven de energía a bacterias y hongos saprófitos que los descomponen, devolviendo CO2 al medio gracias a la fermentación o a la respiración anaerobia. Las bacterias metanogénicas aprovechan este CO2 para sintetizar metano (CH4), que se reoxidará a CO2 atmosférico por las bacterias metanotrofas. http://platea.pntic.mec.es/~cmarti3/CTMA/BIOSFERA/CICLO_C.gif 2. CICLO DEL NITROGENO En la atmósfera se acumula nitrógeno molecular (N2) y pequeñas cantidades en forma de óxidos y amoníaco procedentes de las erupciones volcánicas. - El nitrógeno precipita en el suelo y en el agua en forma de nitratos y puede ser asimilado por los productores para formar biomoléculas. Los consumidores ingieren nitrógeno con la dieta. - Cuando los organismos mueren, sus restos son descompuestos por bacterias y hongos del suelo, que generan amoníaco en un proceso llamado amonificación. - El amoníaco puede ser empleado por las plantas mediante la nitrificación, que ocurre en dos etapas: Bacterias nitrosificantes (Nitrosomonas), que oxidan el amoníaco a nitritos. Bacterias nitrificantes (Nitrobacter), que convierten los nitritos en nitratos, los cuales son asimilados por las plantas y desde ellas pasan a los animales. http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/2bachillerato/Fisiologia_celular/imagenes/ciclo_del_nitrogeno.gif
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El nitrógeno atmosférico (N2) únicamene pasa a las plantas gracias a las bacterias fijadoras del nitrógeno, como Nitrosobacter o Rhizobium, las cuales viven en simbiosis con las raices de las leguminosas. Allí, el nitrógeno atmosférico se convierte en amoníaco. Los campos de cultivo se siembran periódicamente con legumonosas para que se enriquezcan en compuestos nitrogenados. Las bacterias desnitrificantes, como Pseudomonas, convierten los nitratos en nitrógeno lolecular, que pasa de nuevo a la atmósfera y el suelo se empobrece en este elemento. Esta situación ocurre cuando en el suelo se dan condiciones anaerobias.
LOS MICROORGANISMOS Y LA SALUD Los microorganismos pueden clasificarse según su capacidad para producir infecciones: • Microorganismos patógenos. Responsables de las enfermedades infecciosas. • Microorganismos oportunistas. Normalmente son inocuos, pero pueden convertirse en patógenos ocasionalmente cuando hay cambios en su hábitat. LA INFECCIÓN Situación en la que un microorganismo pqtógeno se instala y crece en el huésped, independientemente de que este sea o no dañado. Los microorganismos deben acceder a los tejidos del huésped y proliferar. Para ello necesita atravesar la piel o mucosas, que actúan como barreras antimicrobianas. La infección es un proceso que depende de dos factores: - Patogeneidad del parásito, que es su capacidad para producir en el hospedador los cambios fisiológicos o anatómicos que conforman la enfermedad. - Resistencia del huésped a la acción del parásito, que depende del estado de sus defensas y nutricional, de factores ambientales, etc. Estos dos factores determinan la virulencia del microorganismo. Fases de la infección 1. Adherencia. Ocurre en las mucosas respiratorias, digestivas o genitourinarias. El agente infeccioso se une selectivamente a un grupo de células y penetra en el interior del hospedador. 2. Penetración. Una vez que ha entrado en el hospedador, lo normal es que se disemine por otras partes del cuerpo, en las que prolifera. Debe competir con la flora microbiana del hospedador. 3. Crecimiento. Para ello se necesitan nutrientes y un ambiente adecuado a cada patógeno. Esto suele ser difícil, cuestión que limita su crecimiento. LAS TOXINAS La virulencia de los microorganismos viene dada por la producción de sustancias que dañan y desorganizan los tejidos del hospedador, como por ejemplo nucleasas, proteasas o lipasas. Las toxinas pueden ser de dos tipos: Exotoxinas. Son proteínas solubles liberadas la medio por bacterias Gram positivas. Estas toxinas son sensibles al calor, muy tóxicas y no producen fiebre. Actúan sobre los tejidos e inducen la formación de anticuerpos en el hospedador. Endotoxinas. Son los componentes lipídicos de la membrana externa de las bacterias Gram negativas. Producen fiebre y sus efectos son generales en el organismo. No se destruyen con el calor, ni inducen la formación de anticuerpos y su toxicidad es baja.
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LOS AGENTES PATÓGENOS Son los virus, viroides, priones, bacterias, hongos y protozoos. Las vías de transmisión pueden ser el contacto directo, el aire, el agua, alimentos contaminados, contacto sexual o vectores animales. Robert Koch encontró la relación entre enfermedad infecciosa y microorganismo al estudiar Bacillus anthracis, el responsable del ántrax o carbunco. Los postulados de Koch son los siguientes: • El microorganismo está presente en los organismos que presentan la enfermedad y no en los sanos. • El microorganismo debe ser aislado del hospedador y cultivado fuera de él. • La enfermedad debe reproducirse al inocularse en un individuo sano. • El microorganismo debe ser aislado de nuevo del hospedador infectado, debe ser cultivado y debe ser idéntico al original. TERMINOLOGÍA DE EPIDEMIOLOGÍA - Epidemia. Manifestación de un nº de casos de alguna enfermedad que excede claramente a la incidencia prevista en un periodo de tiempo determinado, en una colectividad o región. - Pandemia. Epidemia que alcanza grandes extensiones geográficas simultáneamente o con un desplazamiento rápido o lento de un continente a otro. - Zoonosis. Infección transmisible, en condiciones naturales, de los animales a los seres humanos. - Endemia. Presencia continua de una enfermedad en un área geográfica determinada. Puede expresar la prevalencia usual de una enfermedad en un área geográfica.
MICROORGANISMOS Y BIOTECNOLOGÍA
INDUSTRIA ALIMENTARIA Las fermentaciones a escala industrial se realizan en un fermentador, y su producto final es un compuesto orgánico. Pueden ser de dos tipos: • Fermentación anoxidativa. No necesita aireación, es una auténtica fermentación. • Fermentación oxidativa. Hay que inyectar aire. Es una oxidación incompleta. -‐ El vinagre se forma por fermentación ácido acética por acción de bacterias del ácido acético, como Gluconobacter y Acetobacter sobre le vino y la cerveza. Transforman, mediante oxidación incompleta, el alcohol en ácido acético. -‐ El vino se forma por fermentación alcohólica por la acción de Saccharomyces cerevisiae sobre los azúcares de las uvas. EL mosto, independientemente del color de las uvas, es blanco y origina vino blanco. El vino tinto se produce por la fermentación de los pellejos de las uvas negras. -‐ El cava se origina gracias a una segunda fermentación, causada por levaduras tras la adición de azúcares. El CO2 carbonata el vino y produce las burbujas. -‐ La cerveza se obtiene a partir de cebada (Europa), arroz (Asia) o maíz (Suramérica). Todos ellos contienen almidón. Los granos son malteados, es decir, se humedecen y se dejan germinar, con lo que producen amilasas que convierten el almidón en glucosa. -‐ La masa del pan es una mezcla de agua, harina, sal y levaduras-‐ La harina contiene enzimas que degradan el almidón. El CO2 resultante de la fermentación alcohólica queda atrapado en la masa, produciendo la miga del pan. El alcohol etílico producido se volatiliza durante la cocción. -‐ En la fabricación de productos lácteos, la lactosa sufre fermentación láctica y se transforma en ácido láctico. Las bacterias son de los géneros Streptococcus, Leuconostoc y Lactobacillus. Esto desciende el pH, lo cual coagula las proteínas que se van a separar del suelo. • El queso se fabrica a partir de la cuajada, que fermenta por acción de bacterias y hongos (Penicillium). Consiste en la hidrólisis de las proteínas hasta dar aminoácidos, los cuales se convierten fácilmente en aminas, ácidos grasos y amoníaco. • La mantequilla se elabora mediante Streptococcus, que agrian la leche formando nata. • El yogur se produce por fermentación láctica de Lactobacillus bulgaricus y Streptococcus termophilus.
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INDUSTRIA FARMACÉUTICA 1. Los antibióticos. Son sustancias químicas antimicrobianas sintetizadas por bacterias y hongos. -‐ Alexander Fleming descubre la penicilina en 1929, al contaminar accidentalmenteuna placa petri sembrada de Staphylococcus aureus con el hongo Penicillium notatum. Observan que las colonias bacterianas que rodeaban al hongo eran transparentes y sufrían lisis. Supuso que el hongo excretaba alguna sustancia que degradaba las colonias bacterianas de su entorno. Es especialmente efectiva sobre bacerias Gram positivas. -‐ Posteriormente se descubrió la estreptomicina, antibiótico de amplio espectro porque es efectivo ante bacterias Gram positivas, Gram negativas y Mycobacterium tuberculosis. -‐ Más recientemente se han descubierto las tetraciclinas, con espectros de actividad más amplios. 2. Las enzimas. Algunas bacterias y hongos las sintetizan en cantidades mayores a las que necesitan y las excretan al medio. La producción a escala industrial ocure en condiciones aerobias y requiere medios de cultivos baratos, que son, a su vez, residuos de otros procesos. Su rendimiento es alto y se usan cada vez más en técnicas de ingeniería genética. Las principales enzimas microbianas son: -‐ Proteasas. Se emplean en detergentes bioactivos y se obtienen de bacterias alcaninófilas y termófilas. -‐ Amilasas y glucoamilasas. Obtienen glucosa a partir de almidón. INGENIERÍA GENÉTICA MICROBIANA Consiste en introducir el gen que controla la producción de una molécula determinada en el genoma de una bacteria, a través de uno de sus plásmidos. Estos son añadidos a un cultivo de bacterias y se incorporan en su genoma, y al reproducirse clonan el gen recibido. -‐ Así se pueden obtener fármacos, vacunas y hormonas, esteroides y hormonas esteroideas (testosterona y progesterona, cortisona). -‐ Se pueden obtener sustancias de interés en medicina, como insulina y vacunas contra el cólera, la rabia, la hepatitis B o el sarambión. -‐ Pueden dar lugar a proteínas y vitaminas, y por lo tanto son una fuente de alimento a gran escala debido a su elevada tasa de reproducción y crecimiento. Se cultivan microorganismos como suplementos proteicos de alimentos y en algunos piensos sustituyen a la soja o a la harina de pescado. -‐ Se pueden fabricar plaguicidas que no tóxicos para el hombre, a diferencia de los plaguicidas tradicionales. MICROORGANISMOS Y MEDIO AMBIENTE La biotecnología ambientales el conjunto de procesos nediados por microorganismos cuya finalidad es preservar el ambiente. Tiene dos líneas de actuación: • Biorremediación. Se emplean microorganismos para eliminar sustancias contaminantes del medio ambiente. • Biodegradación. Se emplean microorganismos para degradar materiales como papel, pintura, fibras textiles, hormigón o hidrocarburos. BIODEGRADACIÓN DE PETRÓLEO Algunas bacterias, mohos, levaduras y algas verdes son capaces de degradar el petróleo o sus derivados, lo cual es muy importante en el ámbito ambiental. Se utilizanen vertidos de petróleo y en mareas negras. El factor limitante es que las bacterias usadas no son capaces de degradar todos los hidrocarburos presentes en el petróleo. Por eso, algunos de ellos han sido modificados genéticamente con plásmidos para poder hacerlo.
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TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES Las aguas residuales contienen materia orgánica e inosgánica (pesticidas, restos de alimentos, etc.) procedentes de la industria o de uso doméstico. -‐ En una planta depuradora primero se separa el agua de los materiales inorgánicos, como lodos y arcillas. -‐ Posteriormente se emplean microorganismos que fermentan la materia orgánica de dos formas: Tanques cerrados. Las macromoléculas se someten a digestión enzimática por fermentación, obteniéndose acetato, CO2 e hidrógeno. Estas sustancias son sustrato de bacterias que finalmete producen metano. Tanque abiertos. Los microorganismos oxidan la materia orgánica en procesos aerobios en los que se obtiene CO2, amoníaco e iones nitrato, sulfato y fosfato. Una vez eliminada la materia orgánica del agua se somete a tratamientos que eliminan los tóxixos inorgánicos y posteriormente a procesos de potabilización. Si se devuelven a los ríos es importante que se hayan eliminado las sustancias inorgánicas, ya que constituyen una fuente de alimento para las algas, que podrían proliferar masivamente causando la eutrofización del agua. - Una manera de medir la cantidad de materia orgánica presente en el agua es por el índice DBO (demanda biológica de oxígeno). MICROORGANISMOS Y MINERÍA Muchas veces, los yacimientos minerales no son importantes o se encuentran agotados. en estos casos, algunos microorganismos sirven para extraer ciertos metales, uranio o petróleo. - Thiobacillus ferroxidans es una bacteria que solubiliza el cobre o el hierro. Así se pueden obtener estos metales tras su precipitación. -‐ El petróleo se extrae primero por presión y luego por inyección de agua o gases en el yacimiento. Tras la explotación, el petróleo no extraído se obtiene inyectando a presión agua con polisacáridos de origen bacteriano, como las xantomonas. BIOCARBURANTES Se emplean en automoción y tienen su origen en la degradación de la materia orgánica. • Biodiésel. Se obtiene por un proceso de esterificación de triglicéridos con alcoholes de bajo peso molecular, generándose ésteres y glicerina. La fuente de triglicéridos son los aceites de girasol, colza o soja y los catalizadores que se emplean son lipasas producidas por Candida o Pseudomonas. La esterificación tiene lugar en un reactor. Posteriormente se separan, purifican y estabilizan los ésteres de glicerina. Estos ésteres vegetales son equivalentes al gasóleo y al mezclarlos con él se emplean en motores. A diferencia del gasóleo, el biodiésel es biodegradable, no es tóxico y reduce las emisiones de CO, CO2 e hidrocarburos. • Bioetanol. Es alcohol etílico obtenido por la fermentación de azúcares procedentes de cereales (maíz, trigo, cebada), remolacha, caña de azúcar o biomasa (residuos forestales o sólidos urbanos). Se parte de azúcares como sacarosa, almidón, celulosa y hemicelulosa, que no son fermentables y deben someterse a una hidrólisis, la cual genera glucosa o fructosa. La fermentación es por levaduras o bacterias y se produce un mezcla de etanoly agua que se separan por evaporación. EL alcohol se recupera puro por condensación. Los biocarburantes se utilizaron con los primeros automóviles, pero fueron sustituídos rápidamente por el petróleo. El uso de biocarburantes ha crecido mucho en los últimos años. El problemas es que para poder cultivarlo se están talando las grandes selvas del planeta y muchas de las plantaciones que estaban destinadas a consumo humano en países en desarrollo ahora se utilizan para biodiésel, aumentando la hambruna en estas regiones.
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