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.