Clase 11 - Microbiología Ambiental. CURSO PRESENCIAL
- 1. MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL: INTERACCIONES ENTRE POBLACIONES MICROBIANAS (PLANTAS Y ANIMALES) CLASE 11 MSC. ANHONY SALAZAR TORRES FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL UNIVERSIDAD CONTINENTAL
- 2. INTERACCIONES ENTRE POBLACIONES MICROBIANAS • Las asociaciones microbianas son cruciales para el funcionamiento de los ecosistemas y la salud de los organismos. • Estas interacciones pueden ser complejas y variadas, desde relaciones mutuamente beneficiosas hasta relaciones parasitarias dañinas. • Comprender estas asociaciones es esencial para abordar problemas como la propagación de enfermedades y la degradación ambiental.
- 3. INTERACCIONES ENTRE POBLACIONES MICROBIANAS • Ectosimbiosis: Un organismo se ubica en la superficie de otro, como las bacterias en la piel de un animal. • Endosimbiosis: Un organismo se ubica dentro de otro, como las bacterias en las células de las plantas. • Consorcio: Un organismo alberga a múltiples simbiontes, como las diatomeas con bacterias epibiontes y endosimbiontes.
- 4. INTERACCIONES ENTRE POBLACIONES MICROBIANAS Mutualismo: Ambos organismos se benefician, como las bacterias que proporcionan nutrientes a las plantas a cambio de azúcares. • Aphid (Áfidos) - Buchnera: La bacteria Buchnera proporciona aminoácidos esenciales a los áfidos (pulgones fitopatógenos), mientras que el pulgón brinda un hábitat y nutrientes a la bacteria. • Termitas - Protozoos: Los protozoos digieren la celulosa de la madera para las termitas, que a su vez les proporcionan nutrientes y protección. • Corales - Zooxantelas: Las zooxantelas fotosintéticas proporcionan energía a los corales, que les brindan nitrógeno, fósforo y protección.
- 5. INTERACCIONES ENTRE POBLACIONES MICROBIANAS • Riftia - Bacterias: Las bacterias quimiolitotróficas fijan CO2 usando sulfuro para alimentar al gusano tubular Riftia, que a su vez les proporciona oxígeno y sulfuro. • Metanotrofos - Musgo Sphagnum: Los metanotrófos oxidan metano para Sphagnum, que a su vez fija CO2 para ambos. • Ruminantes - Microbioma Ruminal: Las bacterias, arqueas, hongos y protistas del rumen fermentan la celulosa para los rumiantes, que a su vez les proporcionan un hábitat y nutrientes.
- 6. INTERACCIONES ENTRE POBLACIONES MICROBIANAS • Cooperación: Los organismos trabajan juntos para lograr un beneficio común, como las bacterias que degradan la celulosa juntas. • Comensalismo: Un organismo se beneficia de la presencia de otro sin causarle daño, como las bacterias que se alimentan de los restos de comida de un animal. • Depredación: Un organismo se alimenta de otro, como las bacterias que parasitan a las células humanas. • Parasitismo: Un organismo se beneficia de otro causándole daño, como las bacterias que causan enfermedades. • Amensalismo: Un organismo inhibe el crecimiento de otro sin beneficiarse directamente, como las bacterias que producen antibióticos. • Competencia: Los organismos compiten por recursos limitados, como las bacterias que compiten por nutrientes en el suelo.
- 7. INTERACCIONES ENTRE POBLACIONES MICROBIANAS Cooperación y comensalismo: Una relación mutuamente beneficiosa en el mundo microbiano Cooperación: Ambas partes obtienen beneficios. No es obligatoria, a diferencia del mutualismo, ya que los organismos pueden separarse y seguir siendo viables. • Ejemplos: ▪ Asociación entre Desulfovibrio y Chromatium, donde se vinculan los ciclos del carbono y el azufre. ▪ Interacción entre un microorganismo fijador de nitrógeno y otro celulolítico como Cellulomonas. ▪ Biodegradación cooperativa: la degradación de la toxina 3- clorobenzoato depende de la acción conjunta de tres microorganismos.
- 8. INTERACCIONES ENTRE POBLACIONES MICROBIANAS Comensalismo: • Un simbionte, el comensal, se beneficia mientras que el otro (el huésped) no se ve afectado. El comensal aprovecha los recursos del huésped (sustratos, refugio) sin causarle daño. • Ejemplos: ▪ Nitrificación: Nitrosomonas oxida amonio a nitrito y Nitrobacter convierte el nitrito en nitrato. ▪ Producción de metano en ecosistemas metanogénicos: las bacterias fermentativas generan hidrógeno que los metanógenos utilizan para producir metano. ▪ Sucesión microbiana durante la descomposición de la leche: la acidificación por microorganismos fermentativos favorece el crecimiento de otros microorganismos acidófilos. ▪ Formación de biopelículas: la colonización inicial de una superficie por un tipo de microbio facilita la adhesión de otros.
- 9. INTERACCIONES ENTRE POBLACIONES MICROBIANAS La depredación tiene muchos efectos beneficiosos, especialmente en poblaciones interactuantes de depredadores y presas: • El ciclo de nutrientes aumenta con la ingestión y asimilación de bacterias presas, lo cual es crucial para el funcionamiento del bucle microbiano. • La ingestión y retención temporal de bacterias también es vital para el funcionamiento de los ciliados en el rumen, donde las bacterias metanogénicas contribuyen a la salud de los ciliados al disminuir los niveles tóxicos de hidrógeno. • La depredación puede proporcionar un entorno protector y rico en nutrientes para ciertas presas. Los ciliados ingieren la bacteria gram-positiva Legionella y la protegen del cloro, utilizado para controlar Legionella en torres de enfriamiento y sistemas de aire acondicionado. • Los hongos también exhiben habilidades depredadoras interesantes. Algunos atrapan protozoos usando hifas adhesivas o redes pegajosas. Un ejemplo clásico es Arthrobotrys, que atrapa nematodos con anillos constrictores. Una vez atrapado, el hongo crece dentro de la presa inmovilizada y usa su citoplasma como nutriente.
- 10. INTERACCIONES ENTRE POBLACIONES MICROBIANAS El parasitismo, una compleja interacción microbiana, se diferencia poco de la depredación. En esta relación, un organismo (parásito) se beneficia del otro (huésped), usualmente causándole daño. El parásito obtiene nutrientes y/o soporte físico del huésped, coexistiendo en equilibrio. Un parásito exitoso evoluciona para no matar a su huésped inmediatamente, ya que esto impediría su propia reproducción y colonización de nuevos huéspedes. Si el equilibrio se inclina hacia el huésped (defensas inmunitarias fuertes o terapia antimicrobiana), el parásito pierde su hábitat. En cambio, si favorece al parásito, el huésped enferma y puede morir, como en el tifus. Esta enfermedad, transmitida por pulgas de ratas, se mantiene endémica en comunidades con roedores. Pero en situaciones de guerra o hacinamiento, aumenta el contacto con ratas y el tifus se propaga, como ocurrió en la Guerra de Crimea.
- 11. INTERACCIONES ENTRE POBLACIONES MICROBIANAS El amensalismo (del latín "no en la misma mesa") describe el efecto negativo que un organismo tiene sobre otro sin ser afectado. Se basa en la liberación de un compuesto específico que perjudica al otro. Un ejemplo clásico es la producción de antibióticos que inhiben o matan microorganismos susceptibles. Las hormigas "attine" del Nuevo Mundo aprovechan ingeniosamente este fenómeno. Mantienen un huerto fúngico "Leucocoprini" para su alimentación, pero éste es susceptible al hongo parásito "Escovopsis". Para proteger su huerto, las hormigas promueven el crecimiento de un actinomiceto ("Pseudonocardia") que produce un antimicrobiano contra "Escovopsis".
- 12. INTERACCIONES ENTRE POBLACIONES MICROBIANAS La competencia surge cuando diferentes organismos dentro de una población o comunidad intentan adquirir el mismo recurso, ya sea un espacio físico o un nutriente limitado. Si uno de los competidores logra dominar el entorno, ya sea ocupando el hábitat o consumiendo el nutriente, superará al otro. Este fenómeno fue estudiado por E. F. Gause, quien en 1934 lo describió como el principio de exclusión competitiva. Observó que, si dos ciliados competidores compartían demasiado sus recursos, una de las poblaciones era excluida.
- 13. INTERACCIONES ENTRE POBLACIONES MICROBIANAS En quimiostatos, la competencia por un nutriente limitado puede ocurrir entre microorganismos con sistemas de transporte de diferente afinidad. Esto puede llevar a la exclusión de la población de crecimiento más lento bajo ciertas condiciones. Si se modifica la tasa de dilución, la población previamente más lenta puede llegar a dominar. A menudo, dos poblaciones microbianas aparentemente similares logran coexistir. En este caso, comparten el recurso limitante (espacio, nutriente) y sobreviven a niveles poblacionales más bajos.
- 14. INTERACCIONES ENTRE POBLACIONES MICROBIANAS Las plantas interactúan estrechamente con microbios a través de sus raíces, superficies foliares e incluso dentro de sus tejidos y células vasculares. La mayoría de las relaciones mutualistas entre plantas y microbios aumentan la disponibilidad de nutrientes para las plantas o las defienden de patógenos. Este resumen analiza tres ejemplos:
- 15. INTERACCIONES ENTRE POBLACIONES MICROBIANAS 1. Simbiosis Raíz-Nódulo de Leguminosas: • Esta simbiosis mutualista entre plantas leguminosas y bacterias fijadoras de nitrógeno es de gran importancia para los humanos. • Las leguminosas albergan bacterias del género Rhizobium en nódulos radiculares, donde convierten N2 a NH3 (fijación de nitrógeno). • Esta fijación representa una cuarta parte del N2 fijado anualmente en la Tierra y es crucial en agricultura, ya que permite a las leguminosas crecer en suelos deficientes en nitrógeno sin fertilizantes. • La leghemoglobina, una proteína que une oxígeno regula los niveles de O2 en los nódulos, manteniendo un equilibrio crucial para la fijación de N2. • Existe especificidad entre las especies de leguminosas y Rhizobium que pueden establecer simbiosis (grupos de inóculos cruzados).
- 16. INTERACCIONES ENTRE POBLACIONES MICROBIANAS La fijación de nitrógeno en los nódulos radiculares representa una cuarta parte del nitrógeno fijado anualmente en la Tierra y es de enorme importancia agrícola. Permite a las leguminosas crecer en suelos pobres en nitrógeno, mientras que otras plantas no pueden. Además de la fijación de nitrógeno, otras asociaciones mutualistas entre plantas y microbios ayudan a las plantas a obtener nutrientes o defenderse de patógenos. En la siguiente sección, veremos un ejemplo de micorriza, donde un hongo amplía y conecta el sistema radicular de la planta.