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•Apreciar la biodiversidad de los microorganismos en la naturaleza y entender la interacción existente entre los diferentes gremios (población de microorganismos relacionados metabólicamente) que componen las comunidades microbianas. •Medir la actividad de los microorganismos en la naturaleza y controlar sus efectos en los ecosistemas. OBJETIVOS: El término ecología deriva de las palabras griegas oikos (‘casa’ o ‘morada’) y logos (‘estudio’ o ‘tratado’). Así, la ecología es el “estudio del hogar”, o, según su definición contemporánea, la ciencia que explora las interrelaciones entre los organismos y su ambiente vivo (biótico) y no vivo (abiótico) ECOLOGIA Ecología microbiana: Estudio de las interrelaciones entre los microorganismos, entre ellos con otros organismos y con el ambiente que los rodea Representa una visión holística que reconoce la importancia de todos los organismos vivos en el mantenimiento del balance ecológico • Los microbios son las criaturas más minúsculas en la tierra, pero tienen un impacto enorme en nosotros y en nuestro ambiente: – Están en cualquier lugar de nuestro entorno: suelo, agua y aire. – Son los que están en mayor número y poseen la mayor capacidad para efectuar cambios en cualquier ecosistema - Estudio de los microorganismos en su ambiente natural -Ambiente es todo aquello que rodea a un organismo vivo. - Por ejemplo los factores químicos, físicos y biológicos. - Los microorganismos (MOs) son parte de comunidades organizadas llamadas ecosistemas. - Los MOs interactúan con el entorno y pueden cambiar en forma marcada las características del mismo. Desempeñan papeles importantes en la síntesis y degradación de distintos compuestos. ECOLOGIA MICROBIANA La ecología microbiana es la ciencia que estudia específicamente las relaciones entre los microorganismos y el medio que los rodea, y que tiene en consideración tanto los factores ambientales abióticos como los bióticos Se puede definir un ciclo biogeoquímico para los elementos clave (C, N, S, Fe) en el cual los mismos sufren distintos estados de óxido reducción a medida que se mueven a través de un ecosistema. Los MOs participan en las reacciones biogeoquímicas. Para muchos elementos son los únicos capaces de generar los compuestos clave capaces de ser utilizados por otros organismos. Alga rodeada por quimioheterótrofos MOs autotróficos: generan materia orgánica a partir de CO2 MOs organotróficos: participan en la biodegradación y reciclado de materia orgánica. Esquema de una red trófica planctónica en lagos de la Antártida marítima. Las conexiones tróficas están representadas por flechas que apuntan al consumidor. Las flechas gruesas marcan la trayectoria del llamado bucle microbiano. La posible incidencia de los virus sobre los diferentes compartimentos tróficos en los lagos antárticos aun está por determinar La ciencia de la microbiología ecológica tiene 2 objetivos: 1ro) el estudio de la biodiversidad de los MOs en la naturaleza y de cómo los diferentes gremios interactúan en las comunidades microbianas. 2do) medir las actividades de los MOs en la naturaleza y monitorear sus efectos sobre los ecosistemas. Hay muchos MOs que no se han descubierto aún. La medición de las actividades microbianas en la naturaleza permite conocer el funcionamiento metabólico de las comunidades microbianas aún si conocemos poco acerca de los organismos que las componen. - La existencia de MOs no implica que los mismos sean activos - Solo los MOs activos tienen impacto ecológico. - Medir la existencia de una determinada transformación bioquímica específica implica que un grupo específico de bacterias existe y que es metabólicamente activo. Ecólogo microbiológico Actividades metabólicas y como interaccionan Biodiversidad de los MOs Conocer aspectos cuali y cuantitativos de la microbiología de un ecosistema Conocer las actividades de los MOs en su ambiente natural Da una idea del potencial biogeoquímico en un ecosistema Células individuales–-→ poblaciones-→- gremios -→ comunidades Distintas poblaciones relacionadas metabólicamente forman agrupaciones llamadas “guilds” o gremios. La interacción de los gremios que llevan a cabo procesos fisiológicos complementarios da lugar a la formación de una comunidad bacteriana. Las comunidades microbianas interactúan con comunidades de macroorganismos para definir el ecosistema entero. ESTRUCTURACION ECOLOGICA DE LOS MICROORGANISMOS https://www.youtube.com/watch?v=W_ZGicB6Swk&t=19s&ab_channel=CoraDediol LOS MICROORGANISMOS EN LA NATURALEZA -Cualquier hábitat adecuado para el crecimiento de organismos superiores puede también soportar el crecimiento de MOs. La inversa no es válida. -Los MOs pueden habitar la superficie de animales superiores y en algunos casos pueden vivir dentro de plantas y animales. En tales hábitats alcanzan grandes números y pueden ser beneficiosos para las plantas o animales o ser patógenos de sus respectivos huéspedes. LOS MICROORGANISMOS Y EL MEDIO AMBIENTE El crecimiento de los microorganismos en la naturaleza depende de: Los recursos nutricionales Las condiciones de crecimiento - El nicho de un organismo en particular está definido por los recursos nutricionales, la cantidad de los mismos, el pH, la temperatura, la disponibilidad de agua, luz y oxígeno de su hábitat. -Cada organismo tiene un nicho primario o principal en el cual dicho organismo es el mas exitoso. - En la tierra existe un número innumerable de nichos microbianos siendo éstos en parte los responsables de la gran diversidad metabólica y de la biodiversidad de los MOs que tenemos en la actualidad. - El hábitat de un MO es pequeño (en relación al tamaño de los MOs), pero pueden existir gradientes químicos y físicos en dicho hábitat que afecten a los MOs. PAPEL ECOLOGICO DE LOS MICROORGANISMOS PRODUCTORES PRIMARIOS (Acumulan materiam orgánica) BACTERIAS Y HONGOS CO2 CO2 CO2 CO2 Flujos de carbono Consumidores primarios Consumidores de nivel secundario Consumidores de nivel terciarios (Quimiheterótrofos) (Fotoautótrofos, quimioautótrofos) En una partícula de suelo de 3 mm pueden existir varios microambientes diferentes, tanto físicos como químicos y pueden coexistir distintos tipos fisiológicos de MOs. Los Mos anaerobios podrían ser activos en el centro de la partícula de tierra, los microaerófilos podrían ser activos mas afuera y los aerobios obligados podrían metabolizar en los 0,2 a 0,3 mm externos de la partícula Las condiciones fisicoquímicas en el microambiente pueden cambiar rápidamente en función del tiempo y del espacio. La respiración de los MOs o el incremento de agua en el suelo pueden cambiar drásticamente el gradiente de O2 a través del micro medioambiente. Perfil de las concentraciones de O2 en una partícula de suelo MICROAMBIENTE Es donde el microorganismo vive y metaboliza dentro de un hábitat. Conclusiones: Los microambientes son heterogéneos. Las condiciones pueden cambiar drásticamente. Una gran diversidad microbiana puede existir en un área física relativamente pequeña. 1. HABITATS ACUATICOS - Dentro de los hábitats acuáticos encontramos a los mares, estuarios, marismas, lagos, ríos y manantiales. Estos medios difieren de cualquier otro en sus propiedades fisicoquímicas y en la composición de especies microbianas que los habitan Biomasa de algas en ambientes acuáticos - En zonas óxicas encontraremos cianobacterias y algas (fitoplancton), mientras en las zonas anóxiacas podemos encontrar bacterias fototróficas anoxigénicas. -Los ecosistemas acuáticos presentan como productores primarios a los microorganismos fototróficos. Las bacterias consumen la mayor parte de la materia orgánica que se produce, lo cual conduce al agotamiento del oxígeno en el medio. Las actividades de los productores primarios se ven afectadas por lafalta de recursos y por las condiciones ambientales. MICROORGANISMOS EN EL HABITAT MARINO - En mar abierto, como océanos, la producción primaria es muy baja ya que los nutrientes inorgánicos necesarios para el crecimiento del fitoplancton se encuentran en bajas concentraciones. En cambio, en zonas cercanas a la costa, la producción primaria es alta, por estar enriquecidas de nutrientes. - El oxígeno en agua es limitado. La producción de O2 se lleva a cabo en las capas superficiales a las que llega la luz. Normalmente las capas más profundas contienen poco oxígeno. En lagos cuando se ha consumido el O2 las capas profundas se vuelven anóxicas y su composición en especie se restringe a bacterias anaerobias y organismos microaerofílicos. Por otra parte, en zonas con fuertes corrientes o turbulencias como ríos, las masas de agua se mezclan, por lo que el oxígeno puede alcanzar las zonas profundas. - Cuando el agua se vuelve anóxica crecen bacterias anaerobias que producen compuestos odoríferos como aminas, H2S, mercaptanos y ác. grasos, algunos de los cuales son tóxicos para los organismos superiores. MICROORGANISMOS DE AGUA DULCE ARROYOS Y RIOS AMBIENTE TERRESTRE (SUELO) EL SUELO COMO HABITAT MICROBIANO 1. Ambientes terrestres (suelo) - Cuando las plantas mueren pasan a formar parte del suelo y se convierten en nutrientes para un desarrollo microbiano más extenso. Los minerales se solubilizan aún más y el agua al filtrarse arrastra algunas de esas sustancias hacia capas más profundas. - La meteorización y el movimiento de materiales hacia el interior originan la formación de distintas capas y aparece un perfil de suelo típico. Este proceso de formación de suelo dura cientos de años. - El crecimiento microbiano más importante se dad en la superficie del suelo, normalmente en la rizosfera (suelo que rodea las raíces). A medida que la profundidad del suelo aumenta, la actividad microbiana disminuye por la falta de nutrientes. IMPORTANCIA DE LOS MICROORGANISMOS DEL SUELO ASOCIACIONES DE MICROORGANISMOS ASOCIACIONES EN LA FILOSFERA: Microrganismos de la filosfera Asociación en la rizosfera: Micorrizas, la fijación de nitrógeno simbiótica y Agrobacterium Rhizobium radiobacter Para observar microorganismos en una partícula de suelo podemos utilizar la microscopia de fluorescencia o la de electrónica de barrido USO DE MICROORGANISMOS PARA SOLUCIONAR PROBLEMAS DE CONTAMINACION AMBIENTAL TERRESTRE 1.- Ciclos biogeoquímicos El planeta Tierra actúa como un sistema cerrado en el que las cantidades de materia permanecen constantes. Sin embargo, sí existen continuos cambios en el estado químico de la materia produciéndose formas que van desde un simple compuesto químico a compuestos complejos construidos a partir de esos elementos. Algunas formas de vida, especialmente las plantas y muchos microorganismos, usan compuestos inorgánicos como nutrientes. Los animales requieren compuestos orgánicos más complejos para su nutrición. La vida sobre la Tierra depende del ciclo de los elementos químicos que va desde su estado elemental pasando a compuesto inorgánico y de ahí a compuesto orgánico para volver a su estado elemental. Los microorganismos son esenciales en estas transformaciones químicas. La palabra biogeoquímico está compuesta por términos que derivan del griego: bio que significa "vida", y geo, que indica "tierra". Por tanto, biogeoquímico es un término que señala los movimientos cíclicos de los elementos biológicos vitales para la vida. Geológicos porque ocurren en la tierra y la atmósfera, y químicos porque se trata de elementos naturales. Se denomina como ciclos biogeoquímicos la conexión y movimientos que existen entre los elementos vivos y los no vivos con el fin de que la energía fluya a través de los ecosistemas. En consecuencia, los ciclos biogeoquímicos son muy importantes para el desarrollo y continuación de la vida en el planeta. CICLO DEL CARBONO Ciclo de oxido-reducción del carbono. Observe la diferencia entre los procesos autotróficos y heterotróficos. En los hábitats óxicos la fotosíntesis es principalmente oxigénica, mientras que en los anóxicos es anoxigénica. Bajo condiciones anóxicas además de los homoacetógenas y metanógenos, algunas bacterias reductores de sulfato son anaerobias autotróficas. CICLO DEL CARBONO •Evaporación •Condensación •Precipitación •Escorrentía •Aporte subterráneo •Infiltración •Sublimación •Transpiración •Fusión Se denomina como ciclo hidrológico o ciclo del agua al conjunto de procesos por el cual circula y se transforma el agua en la Tierra. El agua cambia de estado según el proceso en el que se encuentre, pasando de vapor a líquido, y de líquido a sólido. Es uno de los pocos elementos que tiene esa capacidad y que es vital para que se desarrolle y mantenga la vida en el planeta. COLUMNA DE WINOGRADSKY COLUMNA DE WINOGRADSKY El ciclo del nitrógeno es un proceso biológico y abiótico mediante el cual se puede suministrar este elemento químico a los seres vivos (ya que no se puede utilizar el nitrógeno en su estado puro), a fin de que lo absorban del agua, aire o tierra. CICLO DEL NITROGENOCICLO DEL FOSFORO Hierro férrico (Fe+3) Hierro ferroso (Fe+2) (Fe+2) (Fe+3) Se encuentra en las chimeneas hidrotermales, ciénagas y como componente de barnices minerales CICLO DEL MANGANESO CICLO DEL CALCIO METALES PESADOS Metales Traza y Mercurio • Muchos microorganismos pueden transformar metales y metaloides que se encuentran en bajas concentraciones en el agua, rocas y atmósfera, convirtiéndolos en formas orgánicas mediante reacciones de óxido-reducción. • Mercurio. Es muy usado en productos industriales y es componente activo de muchos pesticidas de amplio uso. Su importancia radica en su habilidad de concentrarse en los tejidos vivos, siendo altamente tóxico. Existe en la naturaleza en tres estados Hg0, Hg+ y Hg++. En estado mineral la principal forma es HgS. En ambientes aerobios puede ocurrir oxidación llevándolo hasta Hg++ soluble (Thiobacillus), una forma tóxica. CICLO DEL MERCURIO Lewis Carrol :”Alicia en el país de las maravillas” habla del sombrerero loco. Japón (Minamata) por vertidos de mercurio al mar, de los sedimentos se liberaron compuestos de mercurio metilados que son volátiles y liposolubles (muy tóxicos), generan un aumento de las concentraciones de mercurio en la cadena alimentaria (proceso denominado BIOMAGNIFICACION) Metales Traza y Mercurio Existen bacterias que pueden detoxificar el Hg2+ mediante la NADP- Hg reductasa de un plásmido, • Hg2+ + NADPH + H+ ---------- Hg0 + 2H+ + NADP • Pseudomonas puede tomar Hg0 y a través de sus proteínas periplasmáticas llevarlo a una forma cien veces más tóxica. Hg0 + CH3-B 12 ---------- CH3 - Hg metil mercurio CH3 - Hg + CH3-B 12 ---------- CH3 - Hg - CH3 dimetilmercurio • Bacillus, Clostridium, Pseudomonas, Aspergillus, Neurospora, Scopulariopsis, pueden realizar metilación in vitro METANO y METANOGENESIS METANO: • Producido en ambientes anóxicos por bacterias metanogénicas. • Principal gas de los lodos anóxicos, zonas pantanosas, etc. • Principal constituyente del gas natural. • Es una molécula relativamente estable. METANOGENESIS: • Proceso de producción biológica de metano por acción de los metanógenos. ARQUEAS METANOGENICAS • Forman CH4 en altas cantidades como producto principal de su metabolismo energético. • Son anaerobias estrictas. • Arqueas • Parecidas por producción de metano; pero difieren en muchos otros aspectos. • Tipos de sustratos. • Extremadamente sensitivas a oxígeno • Abundan en ambientes moderados de salinidad, temperatura y pH; algunas de ambientes extremos. • Alta cantidad de coenzimas: F420, F430 , CoM, MP, MF y Componente B. • Abundan en ambientes pobres O2, NO3 -,Fe3+, SO4 2- • Digestores anaerobios. • Sedimentos anaerobios.• Suelos inundados. • Tracto gastrointestinales • Aguas y sedimentos marinos • Aguas continentales SUSTRATOS Y RENDIMIENTO ENERGÉTICO • Sustrato del tipo CO2 • Sustrato de de metilo • Sustratos acetotróficos • Estos tres sustratos pueden liberar la energía adecuada para la formación de ATP. • Las reacciones de los Metanogenos son exergónicas. BIOGAS • El biogas es un gas producido por bacterias durante el proceso de biodegradación de material orgánico en condiciones anaeróbicas. • El metano producido por bacterias es el último eslabón en una cadena de microorganismos que degradan material orgánico y devuelven los productos de la descomposición al medio ambiente. CARACTERÍSTICAS • Incoloro e inhodoro. • La combustión del metano produce una llama azul y una gran cantidad de calor. • Puede ser utilizado como combustible en diferentes procesos. • Fácil dispersión. COMPOSICION DEL BIOGAS • El biogas es una mezcla de gases compuesta principalmente de: metano (CH4): 40-70% del volumen dióxido de carbono (CO2): 30-60 vol.% otros gases: 1-5 vol.% incluyendo hidrógeno (H2): 0-1 vol.% sulfuro de hidrógeno (H2S): 0-3 vol.% Metanogénesis • La producción de metano es llevada a cabo por un grupo de anaerobios estrictos pertenecientes a las Archaeobacterias. La mayor parte de estos organismos utilizan CO2 como aceptor final de electrones y H2 como donador de electrones. • La reacción general es: • 4H2 + CO2 ----------- CH4 + 2H2O • Otros sustratos también pueden ser convertidos en CH4 como el metanol, formato, metilmercaptano, acetato y metilaminas. • 4 CH3OH ----------- 3 CH4 + CO2 + 2H2O • 4 HR + CO2 ------------4 R + CH4 + 2H2O • I) Hidrolíticos y acidógenos (Clostridium, Bacteroides, Ruminococcus, Butyrivibrio, Escherichia coli) • II) Acetógenos (Syntrophobacter, Syntrophomonas, Desulfovibrio) • III) Metanogénicos (Methanothrix, Metanosarcina,, Methanobacterium Methanobacterium Methanobrevibacter, Methanococcus, Methanomicrobium) En la producción de metano participan asociaciones de microorganismos MECANISMO DE FORMACION DEL BIOGAS Etapas de digestión anaeróbica 1. Hidrólisis y acidogénesis 2. Acetogénesis y homoacetogénesis 3.Metanogénesis Polisacáridos Azúcares simples Polipéptidos Péptidos y aminoácidos Lípidos Ác. grasos y glicerol Ácidos orgánicos (acético, propiónico, etc.) Consumo de O2 disuelto en el medio Acetato, H₂ y CO₂ Acetato a partir de H₂ y CO₂ CH₄ Producción de bioles Biogás Biol Biosol Habitats metanogénicos • Suelos inundados, pantanos, amontonamientos de abono, intestino de animales superiores, intestino de termites, sedimentos marinos y de agua dulce, rumen. • Las condiciones medioambientales pueden modificar negativamente la metanogénesis: El oxígeno, sulfato y bacterias reductoras del sulfato (compiten por acetato y H2). Las bacterias que producen metano tienen muchas propiedades fisiológicas comunes, pero son heterogéneas en cuanto a morfología celular. • Se han descrito 5 grupos de metanogénicos con un total de 10 géneros. Los anaerobios que liberan metano son incapaces de utilizar los carbohidratos convencionales y aminoácidos que son degradados por la mayoría de heterótrofos. La glucosa y otros azúcares así como polisacáridos son atacados por floras mixtas. • Los sustratos utilizados por los metanogénicos son ácidos grasos de cadena corta como el fórmico, acético, propiónico, n-butírico, n-valérico, asi como algunos alcoholes. CONDICIONES DEL PROCESO • Ausencia de oxígeno. • Temperatura : 25 – 33 ºC. • pH : 7 – 8.5 (neutro - alcalino). • Relación C/N : 20 : 1 – 25:1. • Agua : 90% peso total mezcla. • Acidos volat. : Inhibe las bacterias. PRODUCCION DE METANO DE ALGUNOS MATERIALES FERMENTABLES 59342PAJA 50640LODOS 70630GRASS FRESCO 615CASCARILLA DE ARROZ 200-300ESTIÉRCOL DE EQUINOS 561ESTIÉRCOL DE PORCINOS 50-60260-268ESTIÉRCOL DE GRANJA % CH4m 3 DE CH4 / TON. MATERIAL SECO MATERIAL PODER CALORICO DEL BIOGAS 5 500 – 6 000 Kcal de calor 60 watts (6 horas) • 1 m3 1.25 Kwh 3 comidas (6 personas/dia) SISTEMA TÍPICO DE BIOGAS http://www3.gtz.de//gate/techinfo/biogas/images/bgeneral.gif DEPOSITOS DE METANO EN LAS ZONAS POLARES • Metano atrapado en los cristales de hielo: • Bajas temperaturas. • Altas presiones. • Descomposición bacteriana de sedimentos marinos. • Duplica la cantidad de combustibles fósiles. • Océano Atlático: 1300 billones pies cúbicos. Generalidades GAS NATURAL Conocido también como Metano Es incoloro é inodoro El combustible fósil menos contaminante (Reducida emisión NOx) Es actualmente la forma de energía más popular en el mundo Utilizado en Calefacción, Refrigeración, Industria y Electricidad. Simbiosis Microbianas SIMBIOSIS DEL RUMEN - Una de las grandes preocupaciones de los especialistas en alimentación y nutrición es mantener la estabilidad de la flora microbiana. - La supervivencia de una vaca dependerá de los nutrientes producidos durante la fermentación ruminal. - GRACIAS a la actividad de poblaciones MICROBIANAS especiales, los rumiantes ( vaca, oveja, carnero), llegan a degradar la celulosa y otros polisacaridos de las plantas. - Nuestra economía humana alimentaria, depende en alto grado de estos animales, por lo tanto LA MICROBIOLOGIA DEL RUMEN es de considerable importancia económica. Simbiosis microbiana en Rumiantes • Los rumiantes son mamíferos herbívoros con un órgano especial, el rumen, dentro del cual se realiza la digestión de la celulosa y otros polisacáridos vegetales, a través de la actividad de poblaciones microbianas especiales. Son rumiantes las vacas, ovejas, carneros y debido a su importancia económica para el hombre, también lo es la microbiología del rumen. • El grueso de la materia orgánica en las plantas terrestres está presente en forma de polisacáridos insolubles entre los cuales la celulosa es el más importante. Los mamíferos y muchos animales carecen de las enzimas necesarias para digerir la celulosa, sin embargo, los hervívoros pueden hacerlo pues hacen uso de microorganismos como agentes de digestión. El rumen es el reservorio natural más grande que existe para a digestión de la celulosa. En vacas, su capacidad es de 100-150 litros, en ovejas de 6 litros. • El proceso de digestión es anaerobio, ocurre a una temperatura constante (39ºC) y a un pH también constante (6.5). La población microbiana que alberga el rumen es del orden de 1010 células/ml y el tiempo de fermentación es de 9 horas aproximadamente. El potencial de reducción en el rumen es de –0.4 voltios, en este valor la concentración de O2 es de 10 -22 M, lo cual determina un ambiente anaerobio. ¿Para qué nos sirve la comprensión del ecosistema ruminal y sus ineficiencias? : - Manipular el sistema ruminal (de los productos finales en la digestión, satisfacer las necesidades del animal). - Identificar la dieta básica para optimizar la fermentación en este órgano, lograr mayor rendimiendo de la carne. PUNTOS IMPORTANTES: - Compartimentos del estómago de la vaca y sus funciones - Organismos ruminales (hongos ficomicetos, protozoarios, bacterias y otros - Digestión en el rumen - Interacciones de los microorganismos en el rumen - Factores que afectan la Actividad Fermentativa del Rumen. Los recursos alimenticios utilizados como base para rumiantes en los países en vía desarrollo son: - Residuos fibrosos provenientes de cereales, (arroz, trigo, maíz, sorgo) Miel (subproductos rico en carbohidratos fermentados) y el salvado de trigo (procesamiento de cereales) - Pasturas y forrajes de corte. MICROORGANISMOS EN EL RUMEN Las bacterias anaerobias, protozoos y hongos son los principales agentes que degradan los carbohidratos. -Existe una relación estrecha entre hongos y otros microorganismos rumiales , porque : - Los hongos son los primeros organismos en invadir la pared celular de las plantas,y esto permite que la fermentación bacteriana se inicie y continúe. Algunos microorganismos se especializan en las síntesis de enzimas para estructuras complejas; otras sólo para estructuras sencillas como (celobiosa o glucosa) CARACTERÍSTICAS DE ALGUNAS BACTERIAS DEL RUMEN Organismo Tinción de Morfología Mobilidad Productos de fermentación GRAM Degradadores de celulosa Fibrobacter succinogenes*, Negativa Bacilo Succínato, acetato, formiato Butyrivibrio fibrisolvens*, Negativa Bacilo curvado + Acetato, formiato lactato butirato H2, C02 Ruminococcus albus* Positiva coco Acetato, formiato, H2, C02 Clostridium lochheadíi Positiva Bacilo (esporas) + Acetato, formiato, butirato H2, C02 Degradadores de almidón Bacteroíde ruminicola Negativa Bacilo Formiato, acetato, succinato Ruminobacter amylophílus Negativa Bacilo Formiato, acetato, succinato Selenomonas rumínantium Negativa Bacilo curvado + Acetato, propionato, lactato Succinoms anzylolytíca Negativa Ovalado + Acetato, propionato, succinato Streptócoccus bovis Positiva coco Lactato Degradadores de lactato Selenomonas lactilytica Negativa Bacilo curvado + Acetato, succináto Magasphaera elsdenii Positiva coco Acetato, propionáto, butirato, valerato, coproato, H2, C02 Degradadores de pectina Lachnospira multíparus Positiva Bacilo curvado + Acetato, formiato, lactato, H2, C02 Metanógenos Methanobrevibacter rumínantium Positiva Bacilo CH4 (de H2 + C02 o formiato) Methanomícrobium mobile Negativa Bacilo + CH4 (de H2 + C02 o formiato) * Estas especies también degradan xilano; un polisacarido muy abundante en la pared celular de las plantas ECOSISTEMA MICROBIANO DEL RUMEN • CARACTERÍSTICAS DEL RUMEN • Tamaño relativamente grande • Posición en el tubo digestivo • Temperatura elevada y constante a 30°C • pH constante a 6.5 • Naturaleza anóxica • Órgano que trabaja de manera continua y se le puede considerar análogo a un quimiostato microbiano. ECOSISTEMA MICROBIANO DEL RUMEN • FERMENTACIÓN MICROBIANA EN EL RUMEN Celulosa es convertida a celobiosa y glucosa libre por bacterias y protistas celulositicos La glucosa fermentada se convierte en ácidos grasos volátiles, CO2 y CH4 • Metanogenos Archeas productoras de metano solo en condiciones anoxicas LOS MICROORGANISMOS DEL RUMEN. • En su mayoría bacterias anaeróbicas estrictas Bacterias que digieren almidón • Bacterias que utilizan productos de fermentación de otros microorganismos como fuente de energía. • Metanógenos : Protistas anaerobios estrictos, ciliados. • Hongos anaeróbicos, flagelados y con talo, estos hongos degradan glucosa produciendo ácidos volátiles BIOQUIMICA DEL RUMEN BOCA RUMEN Flujo sanguíneo hacia las células Materia vegetal + Rumia + Saliva Celulosa y otros hidratos de carbono complejos Los microorganismos hidrolizan el enlace (1—>4 D-glucosa + celobiosaRegulación Fermentación microbiana CH4 + CO2 + H2 Eructación Acidos acético, propiónico, butírico, valérico, fórmico Principal fuente de energía • Micorrizas significa literalmente “hongo de la raíz” y hace referencia a la asociación simbiótica que existe entre raíces de plantas y hongos. • La simbiosis es balanceada y a pesar de que muchas de las células de la planta hospedera son invadidas por los hongos endófitos, no se observa daño de tejido y bajo ciertas condiciones aumentan el crecimiento y el vigor de la planta. • Las hifas fúngicas que se extienden hacia el suelo desde la infección en el interior de la raíz son bastante equivalentes a una masa extra de pelos absorbentes. De esta manera, la superficie de absorción de la raíz aumenta notablemente, permitiéndole explotar un volumen más grande de suelo. Las hifas pueden extenderse varios centímetros más allá de la superficie de la raíz, absorber los nutrientes de esta región que no es tocada por la raíz misma y translocarlos de regreso a las hifas dentro de la corteza de la raíz donde son liberadas a la planta hospedera. Simbiosis Micorrizas The picture to the left shows the response of different cucurbit species to infection with Fusarium solani f. sp. Cucurbitae. Mycorrhizal inoculation could reduce damage such as this. Desert ecosystems are often strongly mycorrhizal Ectotróficas, en las cuales las hifas del hongo forman una extensa vaina alrededor de la raíz con sólo una penetración pequeña de las hifas en el interior del tejido radical; Endotróficas, en las cuales el micelio del hongo está embebido en el tejido de la raíz, intra o intercelularmente formando una red extensiva de hifas dentro del tejido cortical, mientras que en el suelo circundante, la red de hifas adquiere una característica ramificada y dispersa • Los hongos de las micorrizas no atacan la celulosa, ni los restos de hojas tal como lo hacen otros hongos; en su lugar, para crecer utilizan glúcidos simples y habitualmente tienen uno o más requerimientos vitamínicos; en general, obtienen sus nutrientes y factores de crecimiento a partir de la raíz. Existen dos principales tipos de micorrizas: Micorrizas Rhizoctonia Aproximadamente el 96% de las plantas forman este tipo. La característica de estos hongos y de donde procede su nombre son los arbúsculos y las vesículas Las ECTOMICORRIZAS forman manto, apenas un 3% de las plantas conocidas forman este tipo de micorrizas, entre las que destacan: pinos, abedul, haya, roble, eucaliptos, etc.. MICORRIZAS VESICULO ARBUSCULARES (Endomicorrizas) Micorrizas que protegen de la salinidad https://www.youtube.com/watch?v=q9N7Z-tZqjY Líquenes: • Asociación simbiótica entre hongos (ascomicetos o basidiomicetos) y un fotótrofo (alga filamentosa o cianobacteria). • El alga provee alimento o la cianobacteria (nitrógeno.) • El hongo provee un ambiente apropiado para el crecimiento. • El hongo no crece sólo de manera natural. • Sobreviven en ambientes extremos y colonizan áreas expuestas, pero no toleran contaminación. • Se han descrito unos 13 500 tipos de líquenes Los líquenes son resistentes a temperatura y humedad extremos, por lo que crecen en cualquier ambiente terrestre, excepto en ciudades contaminadas LIQUEN Relaciones Hospedero – Parásito Relaciones Hospedero – Parásito Conceptos • Parásito.- Organismo que vive a expensas de otro. • Hospedero.- Organismo que soporta al parásito. • Patogenicidad.- Capacidad de un grupo de microorganismos de producir enfermedad. • Virulencia.- Grado de patogenicidad de un organismo. Es un término cuantitativo que se expresa como la dosis necesaria para dañar o matar una fracción de hospederos inoculados, en un tiempo dado. • Infección.- Crecimiento y multiplicación del parásito en el hospedero. • Enfermedad.- Alteración del estado de salud de un individuo. • Un patógeno que induce una enfermedad infecciosa debe ser capaz de: a) Transportarse hacia el hospedero b) Adherirse e invadir al hospedero c) Multiplicarse o completar su ciclo de vida en el hospedero d) Evadir inicialmente los mecanismos de defensa del hospedero e) Poseer la habilidad mecánica, química o molecular de dañar al hospedero. • La manera más directa para la transmisión de un patógeno es el contacto directo de hospedero a hospedero. Sin embargo, el patógeno puede ser transmitido indirectamente a través de una serie de formas, mediado por agentes (suelo, agua, alimentos) o vectores (insectos, objetos, etc.). Patógeno - Enfermedad infecciosa DETERMINANTES DE UNA ENFERMEDAD INFECCIOSA Madre al hijo Contacto entre el huésped portador y el susceptible utensilio compartido Los patógenos pueden además producir toxinas dentro del hospedero con lo que aumentan su patogenicidad. Existen dos tipos principales de toxinas: exotoxinas y endotoxinas. Las bacterias tienen la capacidad de adherirse con un alto grado de especificidad a ciertas superficies, para ello cuentan con estructuras especializadas como: glicocálix, fimbrias, adhesinas, lectinas, mucus, ac. teicoicos,etc. genes involucrados en la invasión, apoptosis de macrófagos Son toxinas liberadas extracelularmente. Pueden trasladarse a otras zonas lejos del foco de infección. Son solubles, termolábiles (60-80°C), de naturaleza proteica y de carácter letal. Entre los principales efectos que producen se tiene: a) Inhibición de la síntesis proteica; b) Inhibición de la función de sinapsis nerviosa; c) Interrupción de los procesos de transporte en membrana d) Daño a nivel de membrana. Ejemplos: Neurotoxina del botulismo, neurotoxina del tétano, toxina de la gangrena gaseosa, toxina de la difteria, leucocidina, y las enterotoxinas Exotoxinas • Neurotoxina del botulismo: Producida por Clostriium botulinum, causa parálisis, se une a las membranas terminales presinápticas de la unión músculo-nervio bloqueándose la producción de acetilcolina, la contracción muscular es inhibida y se produce parálisis flácida. • Neurotoxina del tétano: Producida por Clostridium tetani. Causa parálisis, se une a nervios de sinapsis en neuronas motoras y provoca la contracción muscular (parálisis espástica). • Toxina de la gangrena gaseosa: Producida por Clostridium perfringens, causa envenenamiento alimentario, desarrolla actividad proteasa, colagenasa y de hemolisina. • Toxina de la difteria: Producida por Corynebacterium diphteriae. Inhibe síntesis proteica. • Leucocidina: Producida por Staphylococcus aureus, destruye leucocitos y produce muerte celular. Ejemplos de exotoxinas La difteria es una enfermedad bacteriana que causa inflamación severa de la nariz, la garganta y la tráquea. Es causada por la bacteria Corynebacterium diphtheriae. Las bacterias producen toxinas que causan que una membrana anormal crezca en la garganta, lo que puede llevar a la asfixia. Otras complicaciones peligrosas incluyen parálisis e insuficiencia cardíaca si las toxinas se diseminan por todo el cuerpo. Alrededor del 10% de las personas expuestas a la difteria mueren a causa de la enfermedad. la activación de la apoptosis, la citolisis y la secreción de sustancias proinflamatorias Exotoxina :Leucocidina de Panton-Valentine (PVL) Mecanismo de acción • Enterotoxinas.- Son exotoxinas que actúan a nivel del intestino delgado produciendo secreción masiva de fluido en el lumen intestinal. Son producidas por una variedad de bacterias. Ejemplos: Enterotoxina de envenenamiento alimentario: Bacillus cereus, Clostridium perfringens, Staphylococcus aureus. Enterotoxina de patógenos intestinales: Vibrio cholerae, Escherichia coli, Salmonella enteritidis. Ejemplos de Exotoxinas 1) Movimiento normal de iones en el intestino y la colonizacion de V. cholerae 2) La toxina del cólera activa la adenilato ciclasa Infección aguda bacteriana del intestino delgado, produce diarrea secretora con una perdida masiva de agua, cloro y sodio, debido a una toxina producida pro el V. cholerae. Enterocitos (Gangliosido) Interrupción del flujo normal de iones Na+ Pérdida masiva de líquido Endotoxinas Son liposacáridos localizados en la membrana externa de las bacterias gram negativas que bajo muchas condiciones son tóxicos. Son liberadas en grandes cantidades sólo cuando las células se lisan. Son termoestables, tóxicas sólo en dosis altas, débilmente inmunogénicas, muy similares entre sí, pueden producir fiebre, shock, coagulación, debilidad, diarrea, hemorragia intestinal, inflamación. ENDOTOXINAS Microorganismos gram negativos que producen endotoxinas • Neisseria meningitidis (meningitis) • Escherichia coli uropatogénica, • Salmonella typhi, Salmonella paratyphi, Salmonella typhimurium (fiebre intestinal) • Bordetella pertussis (tos convulsiva) Otras toxinas microbianas • Enterotoxina codificadas en plasmidios • Toxinas codificadas en profagos • Toxinas codificadas en transposones Respuesta Inmune del Hospedero Mecanismos de defensa INVASION POR PATOGENOS MECANISMOS DE DEFENSA INESPECIFICOS MECANISMOS DE DEFENSA ESPECIFICOS Barreras Secreciones ácidas y enzimas estomacales Piel Revestimiento mucoso de las vías respiratorias Inflamación Fagocitos Interferón Fagocitosis Inmunidad mediada por células Inmunidad mediada por anticuerpos Mecanismos inespecíficos: impiden la entrada de patógenos y actúan con rapidez para destruir los que llegan a cruzar las barreras. Mecanismos específicos: requieren más tiempo para ser movilizados pero son altamente eficaces en la destrucción de los invasores. A. Mecanismos de defensa No específicos El hospedero presenta una serie de barreras que pueden limitar en mayor o menor grado el establecimiento de una infección y constituir una defensa: Barreras generales Factores Directos.- Nutrición, fisiología, fiebre, edad, genética, raza. Factores Indirectos.- Higiene, nivel socioeconómico, condiciones de vida, etc. Barreras Físicas Constituyen la primera línea de defensa, ejms: piel y membranas mucosas (queratinización, defoliación, sequedad, sebo) Sistema respiratorio (mucosa ciliada) Tracto intestinal (jugo gástrico, peristalsis, microflora) Tracto génito-urinario (pH 3-5) Ojos(membrana conjuntiva secretora de mucus y glándulas lacrimales productoras de lisozimas). Respuesta Inmune del Hospedero Inmunidad significa “defensa”. El sistema inmunitario comprende a numerosas estructuras, órganos y células, que se distribuyen en todo el cuerpo y nos protegen contra las agresiones de los patógenos: virus, bacterias, hongos y otros microorganismos con los que estamos en continuo contacto y que nos pueden causar enfermedad. BARRERAS FISICAS:Primera línea de defensa 1 Sistema respiratorio Tracto intestinal Tracto genito urinario Ojos (membrana conjuntiva y glandulas lacrimales Barreras bioquímicas Los extractos de tejidos, sangre, linfa y otros fluídos contienen varias defensas químicas que son desarrolladas por el hospedero ante la invasión de microorganismos. • Fibronectinas.- Glicoproteínas que pueden ligarse a ciertas bacterias y disminuir su especificidad. Puede cubrir receptores de células epiteliales. • lisinas.- Son polipéptidos catiónicos que pueden inhibir a bacterias gram positivas a nivel de membrana celular. • Interferones.- Son glicoproteínas de bajo peso molecular producidos por muchas células eucariotas en respuesta a infecciones virales, endotoxinas, estimulantes antigénicos y parásitos diversos. • Bacteriocinas.- Proteínas producidas por bacterias ( a través de plasmidios) que constituyen flora normal y que evitan la invasión de otros microorganismos (incluyendo patógenos) a su hábitat. BARRERAS BIOLOGICAS Si el patógeno ha cruzado la primera línea de defensa se enfrenta a otra, el encuentro de células que pueden movilizarse hacia la zona de invasión y constituir una barrera viviente. Los fagocitos, capaces de englobar y digerir las partículas invasoras. Se les encuentra en los tejidos y fluidos como sangre y linfa. Son móviles . Los fagocitos, leucocitos polimorfonucleados y monocitos, son atraídos hacia los microorganismos por fenómenos quimiotácticos, engloban los microorganismos y los someten a una digestión enzimática con lisozimas, proteasas, fosfatasas, nucleasas, lipasas, peróxido de hidrógeno y radicales superóxido. PRINCIPALES ELEMENTOS DE LA SANGRE EN EL INDIVIDUO SANO Barreras biológicas (no específicas) • Fagocitos (Macrófagos): Leucocitos capaces de englobar y digerir las partículas invasoras. Se les encuentra en los tejidos y en los fluidos como sangre y linfa. Los fagocitos se movilizan con movimientos ameboides, atravesando los vasos sanguíneos (diapedesis), son atraídos hacia los microorganismos por fenómenos quimiotácticos, los engloban y los someten a una digestión enzimática con lisozimas, proteasas, fosfatasas, nucleasas, lipasas, peróxido de hidrógeno y radicales superóxido Tipos: Polimorfonucleados (neutrófilos, basófilos, eosinófilos) y MonocitosFagocitos : Neutrófilo (izq.) Monocito (der.) en medio de glóbulos rojos LINFOCITO ( célula nucleada) B. Mecanismos de defensa específicos Constituyen la respuesta inmune específica y es exclusivamente biológica, llevada a cabo por los linfocitos • Inmunidad específica.- Consiste en una serie de mecanismos inmunológicos con los cuales los linfocitos reconocen la presencia de agentes o sustancias extrañas denominados antígenos y actúan para eliminarlos. La eliminación puede ocurrir por destrucción de antígenos o por la formación de proteínas especializadas llamadas anticuerpos. • Inmunidad adquirida.- Inmunidad específica que desarrolla un hospedero después de la exposición de un determinado antígeno o con la transferencia de anticuerpos. • Antígenos o Inmunógenos.- Son sustancias que inducen a la formación de anticuerpos. Poseen determinantes antigénicos o regiones sobre las que se ligaran los anticuerpos. • Anticuerpos o Inmunoglobulinas.- Son glicoproteínas de defensa producidas por linfocitos B en respuesta a la presencia de un antígeno. Son capaces de combinarse específicamente con los antígenos y están presentes en la fracción proteica del suero sanguíneo. • Los anticuerpos pertenecen a una clase de proteínas llamadas inmunoglobulinas (Ig). Existen Ig de tipo G,M,A,D y E. • Las Ig G son las más abundantes en el suero, ellas proveen la inmunidad principal siendo capaces de reconocer, enlazarse y contribuir a la eliminación del patógeno. • Uno de los más comunes y simples anticuerpos son los llamados bivalentes que constan de 4 cadenas polipeptídicas dos idénticas ligeras y dos idénticas pesadas en relación a su peso molecular. Las cadenas están unidas por enlaces disulfuro y otros enlaces que otorgan a la molécula una forma característica de Y. Los anticuerpos Tipos de anticuerpos En los mamíferos, existen los siguientes isotipos de anticuerpos, también llamados inmunoglobulinas, Ig: Estructura del anticuerpo • Tanto las cadenas ligeras como pesadas tienen secciones localizadas en las partes terminales de los “brazos” de la Y, denominadas regiones variables. Las regiones variables de una cadena ligera y una pesada forman juntas un sitio de enlace para un determinado antígeno, por lo tanto cada anticuerpo tendrá dos sitios de enlace. Las secuencias aminoacídicas en estas regiones varían de un anticuerpo a otro. • La parte basal del anticuerpo y de los brazos de la Y corresponden a regiones constantes, lo que significa que tanto en las cadenas ligeras como en las pesadas la secuencia de aminoácidos es relativamente invariable en diferentes anticuerpos. La base de la estructura del anticuerpo que corresponde fundamentalmente a las cadenas pesadas está directamente involucrada en la fijación del anticuerpo al hospedero. Estructura del anticuerpo • Parte del estudio de la epidemiología se ocupa del conocimiento de las enfermedades infecciosas que inciden en una población. • Incidencia.- Número de individuos afectados en una población en riesgo. • Epidemia.- Cuando una enfermedad ocurre en un alto número de individuos dentro de una comunidad al mismo tiempo. • Pandemia.- Epidemia a nivel mundial. • Endemia.- Enfermedad que está constantemente presente en una localidad o región y se repite a diferentes intervalos con baja incidencia. Requiere que el patógeno sobreviva en un reservorio natural. Epidemiología Epidemiología • Reservorio.- Sitios donde agentes infecciosos viables permanecen vivos y a partir de los cuales se infectan nuevos individuos. • Mortalidad.- La incidencia de muerte en una población. • Morbilidad.- Incidencia de la enfermedad en una población. • La transmisión de una enfermedad puede ser directa a través de individuos enfermos o portadores (sífilis, gonorrea, etc.) o indirecta a través de vectores (objetos, gotas infectadas, etc.) • Así también se presentan frecuentemente dos tipos de epidemias, las de fuente común (ejm. agua contaminada) y las de propagación (de persona a persona). En el primer tipo el número de casos se eleva rápidamente en el tiempo (ejm. Tifoidea), en el segundo, el número de casos se eleva lentamente en el tiempo (ejm gripe). Cuando una enfermedad ocurre en un alto número de individuos dentro de una comunidad al mismo tiempo. Epidemia a nivel mundial. Enfermedad que está constantemente presente en una localidad o región y se repite a diferentes intervalos con baja incidencia. Requiere que el patógeno sobreviva en un reservorio natural. https://www.youtube.com/watch?v=ssiaEeaewdM&ab_channel=MicrobiologiaAmbi entalProfa.Lu%C3%ADsaOliveira https://www.youtube.com/watch?v=ssiaEeaewdM&ab_channel=MicrobiologiaAmbi entalProfa.Lu%C3%ADsaOliveira https://www.youtube.com/watch?v=eFb3YwuEDYw&ab_channel=AgriBestDigital https://www.youtube.com/watch?v=q3TK89SuzNk&ab_channel=RubyAlbaMarqu ezSalcedo https://www.youtube.com/watch?v=8i2ZFphdp3Y&ab_channel=AtlanticVenom https://www.youtube.com/watch?v=x26Q1sfanls&t=1809s&ab_channel=BrunoTESS EROBREGON https://www.youtube.com/watch?v=x26Q1sfanls&t=1809s&ab_channel=TheGeolog yProject-TGP https://www.youtube.com/watch?v=O9rPEBM5ufg&ab_channel=ngarciautl https://www.youtube.com/watch?v=UX5_BXkG2Uw&ab_channel=CampusFCA-UNC https://www.youtube.com/watch?v=YWT6UXRB7ho&ab_channel=FranciscoMonroy https://www.youtube.com/watch?v=ssiaEeaewdM&ab_channel=MicrobiologiaAmbientalProfa.Lu%C3%ADsaOliveira https://www.youtube.com/watch?v=ssiaEeaewdM&ab_channel=MicrobiologiaAmbientalProfa.Lu%C3%ADsaOliveira https://www.youtube.com/watch?v=eFb3YwuEDYw&ab_channel=AgriBestDigital https://www.youtube.com/watch?v=q3TK89SuzNk&ab_channel=RubyAlbaMarquezSalcedo https://www.youtube.com/watch?v=8i2ZFphdp3Y&ab_channel=AtlanticVenom https://www.youtube.com/watch?v=x26Q1sfanls&t=1809s&ab_channel=BrunoTESSEROBREGON https://www.youtube.com/watch?v=x26Q1sfanls&t=1809s&ab_channel=TheGeologyProject-TGP https://www.youtube.com/watch?v=O9rPEBM5ufg&ab_channel=ngarciautl https://www.youtube.com/watch?v=UX5_BXkG2Uw&ab_channel=CampusFCA-UNC https://www.youtube.com/watch?v=YWT6UXRB7ho&ab_channel=FranciscoMonroy
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