Microbiología

Microbiología es el estudio de los organismos de tamaño microscópico que incluyen bacterias, protozoos, virus y ciertas algas y hongos.

IMPORTANCIA DEL ESTUDIO DE LA MICROBIOLOGÍA

La Microbiología como ciencia tiene aplicaciones importantes que producen impacto en nuestra vida cotidiana en las áreas:
 

Médica:

- Identificación de los diferentes microorganismos de importancia médica.
- Prevención y tratamiento de enfermedades infecciosas causadas por microorganismos en plantas y animales, incluyendo al hombre.

Industrial:

- En procesos de fermentación en la producción de antibióticos, ácidos orgánicos, aminoácidos, enzimas, disolventes, combustibles (Metano, etanol  y otros).
- Recuperación de recursos minerales, reforzada por acción microbiana.
- Control de calidad de productos industriales: Biodeterioro de papel, madera, textiles, pintura y corrosión de metales.

De los Alimentos:

- Deterioro microbiano de los alimentos.
- Métodos de conservación de los alimentos.
- Producción de alimentos por métodos microbiológicos: Productos lácteos, fermentación del pan, bebidas alcohólicas, proteína de origen unicelular.

Agrícola:

- Fertilidad del suelo.
- Enfermedades microbianas de las plantas.
- Plaguicidas microbianos.

Microbiología Ambiental:

- Ciclos biogeoquímicos (Fijación del Nitrógeno en el suelo).
- Interacciones entre las poblaciones: Simbiosis fijadora de nitrógeno, Micorrizas,
- Bioluminiscencia.
- Los microorganismos en sus hábitats naturales: Aire, Agua, Suelo y Ambientes Extremos (Aguas Termales, Lagos salados, y otros).
- Reducción de la Calidad y la Contaminación Ambiental.
- Procesos de Biorremediación.

Es evidente que la Microbiología abarca un campo muy amplio, cubriendo en particular la Microbiología Ambiental muchos aspectos relacionados con la calidad de vida actual.
 

 

IMPORTANCIA DE LOS MICROORGANISMOS EN INGENIERIA AMBIENTAL

El estudio de los microorganismos en Ingeniería Ambiental tiene gran importancia debido a que:

- Son una de la principales fuentes de contaminación de aire, agua y suelo, pudiendo ser algunos de ellos patógenos para el humano y otros organismos, así como causar daño a materiales.

- La contaminación es un problema importante en la actualidad, ocasionado principalmente por el hombre, pero algunos microorganismos que han sido estudiados durante mucho tiempo pueden contribuir a resolverlo.

- Algunos juegan un papel importante como indicadores de contaminación.

- Los diferentes grupos de microorganismos participan en gran medida en el tratamiento biológico de residuos líquidos y sólidos.  Estos tratamientos pueden ser de tipo aerobio, anaerobio ó mixto.

- Muchos de ellos son útiles en procesos de biorremediación de agua y suelo.

- Contribuyen a la  fertilidad del suelo, degradando la materia orgánica de restos de animales y plantas muertos, así como por la participación de algunas bacterias en la fijación del nitrógeno atmosférico.

- Pueden utilizarse en el diseño y  construcción de Biosensores que pueden ser utilizados en la determinación de analitos de interés ambiental.

- Un sinnúmero de microorganismos son de gran utilidad en Biotecnología en la obtención de una gran variedad de productos de interés y producción de proteína de origen unicelular (Biomasa).

- En Ingeniería Genética existe cada vez mayor interés en mejorar la capacidad de microorganismos, para resolver problemas ambientales.
 

Los microorganismos como indicadores de contaminación

Algunos microorganismos pueden ser utilizados como indicadores en un ambiente específico que ha sido contaminado. Estos deben pertenecer a especies que representen fielmente las características del medio, deben ser confiables y fácilmente identificables.

Los indicadores microbiológicos ideales deben reflejar no solamente la presencia o ausencia de contaminación de un tipo específico, sino también los niveles de dicha contaminación y sus fluctuaciones periódicas.
Los microorganismos usados como indicadores de contaminación de agua y suelo deben estar ausentes del medio específico (agua ó suelo), a menos que éste haya sido contaminado, y generalmente no son miembros de la flora indígena del suelo o del sistema acuático.

Otros microorganismos   tales como  B. subtilis y B. stearothermophilus tienen importancia como indicadores en la determinación de eficiencia de destrucción de microorganismos mediante el tratamiento físico ó químico de residuos peligrosos  biológico infecciosos (RPBI)
 

El uso de los microorganismos  en Biotecnología

La Biotecnología se define como el empleo de organismos para llevar a cabo procesos químicos definidos para la aplicación industrial.

Una gran variedad de microorganismos que incluyen  bacterias, mohos, levaduras, algas y virus, son utilizados  en Biotecnología debido a sus características, ya que con ellos se obtienen productos con propiedades de interés para el humano, con fines específicos.
 

Breve historia de la biotecnología

Desde la antigüedad, el hombre ha usado la Biotecnología en forma empírica (la elaboración de bebidas y alimentos como la cerveza, el vino, el vinagre, el pan con levadura, el queso, etc.), para su bienestar.

- Sus raíces conceptuales se remontan a fines del siglo XIX, cuando el monje austríaco Gregor Mendel estableció las leyes de la herencia. Mendel definió la unidad de información genética con el nombre de ”gene”, y sus trabajos son la base de la genética actual.

- En la misma época destacó el médico francés Louis Pasteur, cuyas contribuciones a la microbiología fueron determinantes para el desarrollo posterior de la tecnología de fermentaciones.

- A inicios de este siglo se demostró que los genes están constituidos por ADN que almacena la información para sintetizar proteínas específicas.

- A partir de 1910 se establecen sistemas de purificación en gran escala de las aguas residuales empleando microorganismos.

- En 1912 a 1914 se obtienen tres importantes productos químicos acetona, butanol y glicerina a partir de microorganismos.

- En 1928 Alexander Fleming descubre la penicilina.

- En 1944 empieza la producción de penicilina en gran escala.

- En 1950 se introducen antibióticos nuevos.

- En 1953,  Watson y  Crick descubrieron la estructura de ADN siendo este hecho uno de los parteaguas más importantes de la Biotecnología Moderna.

- En 1962 comienza en Canadá la extracción de Uranio con la ayuda de microorganismos.

- En 1970 se marca otra etapa importante, el inicio de la manipulación enzimática del material genético de los seres vivos y  consecuentemente la aparición de la Ingeniería Genética Molecular, lo que ha dado lugar a una verdadera Revolución Tecnológica, para así diseñar el tratamiento y prevención de enfermedades; obtención de células especializadas en la fabricación de productos de interés comercial y médico; mejoramiento de especies silvícolas y agrícolas; y recuperación de ecosistemas.
 

La Ingeniería Genética y Biotecnología Ambiental

La Ingeniería Genética, que usa la Biotecnología de Recombinación del DNA, abre la posibilidad  de resolver muchos problemas de contaminación del ambiente.

Debido a la enorme diversidad metabólica de las bacterias existe un gran conjunto de genes en bacterias procedentes de hábitats naturales. En algunos casos, estos genes codifican proteínas que degradan agentes contaminantes del ambiente.

Se ha visto que en aislamientos naturales de bacterias existen genes para la biodegradación de muchos desechos tóxicos y contaminantes del agua.

La ingeniería genética está empezando a prestar atención a estos recursos, con la finalidad de limpiar el ambiente.

En muchos casos, los donantes de genes son cepas bacterianas aisladas de sitios contaminados con desechos.

Entre los ejemplos figuran genes para la biodegradación de pesticidas clorados, como el ácido 2,4,5, triclorofenoxiacético, (2,3,5-T), clorobencenos y clorofenólicos afines, naftaleno, tolueno, anilinas y varios hidrocarburos.

Los genes deseados se aíslan de especies de Pseudomonas, Alcaligenes y unas cuantas bacterias más y luego se clonan en plásmidos.

Se han construido algunos plásmidos que contienen genes para la biodegradación de diversos productos químicos tóxicos.
 

Características ideales de un hospedador para genes clonados

- Un rápido crecimiento.
- Capacidad de crecer en un medio de cultivo barato.
- No ser dañino o patógeno.
- Ser capaz de tomar el DNA y permanecer estable en el cultivo.
- Debe tener las enzimas adecuadas para permitir la replicación del vector.
- Los hospedadores más útiles para la clonación son microorganismos que crecen bien y de los cuales se tiene información genética disponible.
- Si el propio DNA clonado va a ser usado terapéuticamente, para tratar una enfermedad humana, el hospedador debe ser una persona humana.

Hospedadores procarioticos: Escherichia coli y Bacillus subtilis.

Hospedadores eucarióticos: Saccharomyces cerevisiae y para muchos fines,  células de mamíferos.
 

El uso de los microorganismos  en procesos de Biorremediación

La Biorremediación es el uso de microorganismos para degradar agentes tóxicos y desechos peligrosos, que surge como un tratamiento para la restauración de suelos, acuíferos y subsuelos contaminados.

Los procesos biológicos tienen gran importancia, debido a la oportunidad natural y poderosa que representan para restaurar los ambientes contaminados.
 

Algunos procesos de Biorremediación:

- Biomineralización: Es la completa destrucción de los contaminantes orgánicos para reducirlos a sus constituyentes minerales básicos.

- Biotransformación: Los contaminantes orgánicos son parcialmente degradados formando otras sustancias químicas menos complejas.

- Biovolatilización: Las bacterias y hongos pueden volatilizar metales por adición del grupo metilo, que hace al metal muy volátil.

- Cometabolismo: Se refiere a la habilidad de las bacterias de romper un contaminante en la adición de un sustrato primario, es decir que los compuestos  químicos al ser metabolizados, pueden apoyar el crecimiento y servir como fuente de carbono u otro elemento energético.
 

Contaminantes de suelos

Los contaminantes del suelo se pueden clasificar en tres grupos:

- Biológicos: Incluyen bacterias, protozoarios, nemátodos y hongos.

- Físicos: Principalmente sustancias radiactivas provenientes de descargas de desechos radiactivos, desechos nucleares o explosivos.

- Químicos: Incluyen todo tipo de sustancias que provienen de residuos sólidos industriales, plaguicidas, metales pesados y derivados del petróleo.

Fuentes de contaminación de suelos

- Zona urbana: Tiraderos de basura, fugas de alcantarillado, derrames accidentales.

- Rural: Uso de plaguicidas, descargas de letrinas, criaderos de animales, uso excesivo de fertilizantes, canales de aguas residuales.

- Industrial: Derrames de combustibles, descargas de aguas residuales, ruptura de tanques y tuberías, disposición de desechos sólidos.
 

Diversos tipos de tecnologías de Biorremediación de suelos:

- Bioaumentación: Adición de microorganismos al sitio contaminando cuando la población autóctona carece de capacidad degradadora.

- Bioestimulación: Adición de estimulantes en la actividad microbiana autóctona como co-sustratos o aceptores de electrones para la degradación anóxica.

- Bioventeo: Introducción de oxígeno a través del suelo para estimular la población microbiana netamente aerobia.

- Composteo: El material contaminado se coloca sobre la superficie del terreno en forma de pilas que se cubren para crear condiciones termófilas, periódicamente se mezcla para favorecer la aceleración.

- Biocultivo: Tratamiento en fase sólida que generalmente se realiza en sitios confinados para retener los lixiviados que se forman.

- Biosorción: Uso de microorganismos con afinidad para absorber metales bajo ciertas condiciones, generalmente se aplica en fase líquida.
 

Algunas ventajas de las tecnologías de biorremediación:

- Son seguras, económicas y más rápidas algunos tratamientos Fisicoquímicos.

- Se utilizan sistemas biológicos cuyo costo es mínimo, más aún si se utiliza la población autóctona.

- El ecosistema del sitio contaminado prácticamente no se altera; al contrario se recupera.

- No se generan desechos como producto del tratamiento, ya que los contaminantes son realmente degradados.

- Pueden ser acoplados a otro tipo de tecnología cuando la remoción de los contaminantes no es la deseada.

- Los contaminantes absorbidos o atrapados en los poros del suelo, también son biodegradados.

- Si la actividad microbiana no es la deseada, puede estimularse con la adición controlada de compuestos requeridos.

- Cuando los contaminantes orgánicos son empleados como la principal fuente de carbono y energía para los microorganismos el proceso se realiza con mayor rapidez.

- Cuando se trata de una biorremediación in situ se tienen ventajas adicionales.

- Se eliminan costos de transportación.

- Al utilizar la población microbiana autóctona se elimina la necesidad de introducir microorganismos potencialmente peligrosos.
 

Microorganismos Involucrados en la Biodegradación de Hidrocarburos

Los géneros mas comunes de hongos y bacterias que tienen la capacidad degradadora se listan en la siguiente tabla. Estos microorganismos degradan compuestos específicos o grupos de compuestos.

BACTERIAS   HONGOS  
       
Achromobacter Micrococcus Acremonium Glicladium
Acinetobacter Mycobacterium Aspergillus Graphium
Alcaligenes Nocardia Aureobasidium Humicola
Arthrobacter Proteus Beauveria Monilia
Bacillus Pseudomonas Botrytis Mortierela
Brevibacterium Sarcina Candida Paecelomyces
Chromobacterium Serratia Chryisosporium Penicillium
Corynebacterium Spirillum Cladosporium Rhodotorula
Cytophaga Streptomyces Cochlobolus Saccharomyces
Erwinia Vibrio Cylindrocarpon Spicardia
Flavobacterium Xanthomonas Debaryomyces Tolypocladium
    Fusarium Thrichoderma
    Geotrichum Verticillium

Microorganismos Involucrados en la Biodegradación de Pesticidas

Algunos géneros de heterótrofos usan pesticidas como sustratos ya sea cometabolizando las moléculas o usando éstas como nutrientes.

BACTERIAS ACTINOMICETOS HONGOS
     
Agrobacterium Streptomyces Alternaria
Arthrobacter Nocardia Aspergillus
Bacillus Micromonospora Cladosporium
Clostridium   Fusarium
Corynebacterium   Glomerella
Flavobacterium   Mucor
Klebsiella   Penicillium
Pseudomonas   Rhizoctonia
Xanthomonas   Trichoderma

Microorganismos involucrados en la Biodegradación de Metales Pesados :

MERCURIO SELENIO ARSENICO
     
Bacillus Algunas especies
de Candida
Aspergillus
Clostridium Clostridium Mucor
Mycobacterium Corinebacterium Scopulariopsis
Pseudomonas Micrococcus Fusarium
Aspergillus    
Neurospora    
Scopulariopsis
y algunas levaduras
Rhizobium Paecilomyces

MICROBIOLOGÍA DEL SUELO

Los microorganismos del suelo juegan un papel muy importante manteniendo la fertilidad de los suelos. Elementos esenciales para el crecimiento, tales como oxígeno, nitrógeno, carbón, azufre y fósforo, son reciclados por microorganismos del suelo.

La mayoría de los microorganismos que viven en el suelo juegan un papel indispensable en el mantenimiento de la vida sobre este planeta.

El suelo contiene una gran variedad de microorganismos:
 

Bacterias.

En general, el grupo más numeroso de bacterias en el suelo son los Actinomicetos que resisten condiciones secas y pueden sobrevivir en suelos desérticos.
Los géneros más comunes son: Nocardia, Arthrobacter y Streptomyces.

Las bacterias del género Streptomyces además de producir antibióticos, producen metabolitos llamados geosminas las cuales dan al suelo su olor característico

Otro grupo común de bacterias heterotróficas del suelo es el Myxobacteria que son pigmentadas y forman masas brillantemente coloreadas. Bajo condiciones de inanición se acumulan para formar complejos cuerpos fructificantes macroscópicos,  los cuales contienen esporas que pueden sobrevivir en condiciones pobres de nutrientes.
 
 
 

Hongos.

Los géneros de hongos varían con el tipo de  suelo y sus propiedades fisicoquímicas. Algunos son de vida libre y otros como las Micorrizas, en forma simbiótica con las raíces de plantas.

Son comunes, especies de los géneros Candida, Aspergillus, Penicillium, Rhizopus y Mucor.

Algunos hongos son importantes patógenos de plantas atacando trigo y maíz entre otros.

Los hongos del suelo son extremadamente importantes en la descomposición de materia de plantas, degradando y utilizando macromoléculas complejas tales como celulosa y lignina.
 

Algas.

Debido a que las algas dependen de la luz solar y de la fotosíntesis para proveer sus necesidades energéticas, viven cerca de la superficie del suelo.

La población algal disminuye en períodos de oscuridad o de baja temperatura.

 Las algas son una fuente de nutrientes para un número considerable de habitantes del suelo, incluyendo protozoarios, hongos, lombrices de tierra y nemátodos.

En suelos áridos, son comunes los líquenes, que son una simbiosis de alga-hongo.
 

Protozoarios.

Son encontrados en la mayoría de los suelos en una densidad de 104  a 105 organismos por gramo de suelo. Generalmente se encuentran cerca de la superficie debido a que requieren oxígeno. Los Protozoarios son predadores de algas y bacterias del suelo.