Microorganismos en ecosistemas naturales

Tema 44. Distribución de los microorganismos en la naturaleza

4.
4 Los diferentes ecosistemas microbianos

5. Microbiología del agua

5.1. El agua como hábitat

5.2. Ecosistemas marinos: los microorganismos en hábitat marino

5.3. Ambientes de agua dulce: Los microorganismo de agua dulce

6. Microbiología del suelo
g

6.1. El suelo como hábitat microbiano

6.2. Importancia de los microorganismos del suelo
62 I t i d l i i d l l

7. Plantas como hábitat microbiano: asociaciones de microorganismos

7.1 Asociaciones en la filosfera

7.2 Asociaciones en la rizosfera


4. Los diferentes ecosistemas microbianos

• Definición de ecosistema:

Comunidades de organismos y sus ambientes físicos y
químicos, que funcionan como unidades autorreguladas
químicos que funcionan como unidades autorreguladas

Ejemplo de un ecosistema sencillo

Alga rodeada de quimioheterotrofos
g q

• Ecosistemas Agua
Suelo
Plantas


Elementos básicos de los ecosistemas:
Autótrofos: utilizan la luz para transformar los compuestos
inorgánicos en orgánicos.
Heterótrofos : utilizan los compuestos orgánicos producidos
por los autótrofos y son:
- Consumidores: consumen tejidos vivos.
- Descomponedores: consumen o degradan materia
orgánica muerta a c. inorgánicos (mineralización).
Elemento abiótico: hábitat, materia orgánica disuelta.
Elemento autorregulador: intensidad de luz (va a condicionar
el crecimiento de los organismos implicados)
implicados).
Elemento abiótico
Autótrofos

Heterótrofos


Funciones de los microorganismos en los
ecosistemas:
• Contribuyen a la síntesis de la materia orgánica
• Descomponen la materia orgánica
• Son fuentes de nutrientes para otros organismos
• Modifican los sustratos y los nutrientes
• Solubilizan nutrientes
• Producen sustancias inhibidoras
• Contribuyen al funcionamiento de plantas y animales


5. Microbiología del agua
5.1. El agua como hábitat

De toda el agua terrestre, el 97% es de origen
marino. La mayor p
y parte de esta agua tiene una
g
temperatura de 2 o 3 ºC y carece de luz; el 62% esta
sometida a una presión atmosférica elevada.
* Las diferencias de presión influyen sobre muchos
p
procesos biológicos, como división celular,
g
ensamblaje de flagelos, replicación del DNA…


Las aguas dulces, aunque constituyen una pequeña parte de toda el agua del
planeta, son muy importantes como fuente de agua potable.

• Un factor importante en los medios acuáticos es el flujo de materiales, ya
sean en forma de gas, sólido o en disolución, que provoca cambios en sus
concentraciones

• La mezcla y el flujo de los nutrientes, O2 y productos residuales que se
producen en los medios de agua dulce y marino, son los factores
dominantes que controlan l comunidad microbiana.
d i t t l la id d i bi

• Los gases y los residuos solubles producidos, por los microorganismos en
estas zonas marinas profundas pueden desplazarse hacia aguas mas
superficiales y estimular la actividad de otros grupos microbianos.

• La distancia a la que se encuentran los microorganismos respecto a una
burbuja o superficie de agua limita significativamente la disponibilidad de
oxígeno


• La solubilidad del oxígeno se
reduce a altas temperaturas y a
bajas presiones. Debido a esta
limitada solubilidad y baja difusión
del oxigeno en el agua, el oxigeno
p
puede ser utilizado p los
por
microorganismos aerobios tan
rápidamente que se consuma
totalmente,
totalmente lo q puede
desencadenar zonas hipóxicas o
anóxicas en dichos ambientes.


El segundo gas mas importante en el agua es
el CO2

Tiene papeles muy importantes en los
p
procesos q
químicos y biológicos:
g
El equilibrio entre dióxido de
carbono, bicarbonato
carbono bicarbonato, y carbonato
puede controlar el pH en aguas
a o guadas débilmente por el
amortiguadas déb e e o, po e
contrario es este equilibrio el que es
controlado por el propio pH de las
aguas fuertemente amortiguadas

Se
S estima también una gran cantidad de C orgánico disuelto.
é á


• Niveles altos de nutrientes se encuentran por ejemplo en
ambientes contaminados y en plantas de tratamiento de
residuos (eutróficos). Los medios en los que los
( ) q
nutrientes son bajos se llaman oligotróficos

Las tasas de recambio también
pueden variar, tardando hasta
miles de años el recambio para
el procesamiento de nutrientes
en aguas marinas. Por el
contrario ocurre rápidamente en
marismas y estuarios, donde no
,
encontramos comunidades de
microorganismos diversas y
complejas, rápidamente
respondedoras.


• Parte de los medios marinos se encuentran cubiertos
de agua helada, donde crecen y se multiplican en la
interfase entre hielo y el agua helada.

• Los amientes acuáticos son muy variados, tanto en
superficie como volumen. Se encuentran en
localizaciones tan diversas como en el cuerpo humano;
bebidas; y en los lugares usuales como ríos, lagos y
océanos.
océanos

• También se encuentran en zonas saturadas con agua,
que normalmente consideraríamos como suelos.
l t id í l


5.2. Microorganismos en el hábitat marino:
Ecosistemas marinos
Organismos en profundidades adaptados a:
- Bajas temperaturas (3-5 ºC)
- Altas presiones
- Concentraciones de nutrientes muy pequeñas

Adaptados a temperaturas:
Productores y utilizadores de metano (Arqueas)

Adaptados a presiones:
- Barotolerantes: crecen entre 0 – 400 atm
- Barófilos: crecen presiones altas
· Moderados: por encima de 400 atm (1 atm)
· Extremas: sólo por encima de 400 atm


A nivel nutritivo:
e ut t o
Pueden resultar limitantes: N, P, Fe
Microorganismos influyen en ciclo global del C

Ciclos de nutrientes hasta 300 m (luz)

crecimiento fitoplancton
+ de 300 m microorganismos oligotróficos

Zonas próximas a la orilla:
Más fértil que aguas de mar abierto (nutrientes)
Poblaciones + densas de microorgismos fototróficos
g

Alimenta + bacterias quimiotróficas y animales acuáticos


Bahías y masas interiores:
+ cantidad nutrientes (residuos i d t i l )
tid d t i t ( id industriales) + cantidad
tid d
fitoplancton y bacterias
Contaminación aguas marinas someras:
- Anóxicas: bacterias agoten O2
- Tóxicas: producción H2S (
p (bacterias sulfato reductoras))

Microorganismos también son afectados por el aire:
g p
Desplazamiento de materiales (suelo) y derivados
(industria)

afecta crecimiento fitoplancton

Parte de los medios marinos:
Cubiertos por agua helada
permite desarrollo microorganismos


g g g

Ambientes típicos:
-Lagos
-Estanques
-Ríos
-Manantiales


g g g

• Zonas con oxígeno:
- Cianobacterias y algas
• Zonas anoxigénicas:
- Bacterias f
fotótrofas anoxigénicas
f
Actividad microbiológica del ecosistema acuático
depende de la tasa de producción primaria que
hacen los org. fototrofos. Los fototrofos
oxigenicos Material orgánico y oxígeno.


5.3.1
531 Lagos

• Oligotróficos o pobres en nutrientes
(aeróbicos a lo largo del año y sin
estratificación clara)
• Eutróficos o ricos en nutrientes
(estratificados, la capa superior es
( t tifi d l i
aeróbica y la profunda anaeróbica)
Lago eutrofico Lago oligotrofico


Adición de compuestos de N y P

• Ci
Cianobacterias acumulan nutrientes:
b t i l ti t
• Anabaena, Nostoc y Cylindrospermum, fijan más N en
condiciones aeróbicas
aeróbicas.
• Oscillatoria fijan N en condiciones anaeróbicas.
• Cianobacterias actúan mejor a pH alto (8 5-9) y 30-
(8,5 9) 30
35ºC. Con CO2, aumentan el pH Medio menos
adecuado para algas eucariotas.
• Algas prefieren pH más neutro y una temperatura de
crecimiento inferior.
• Ci
Cianobacterias y algas cotribuyen a un crecimiento
b t i l t ib i i t
masivo en lagos muy eutrofizados, hasta que los
nutrientes se pierdan finalmente.
finalmente


• En lagos y estanques aparece una estratificación.
g q p
Se caracteriza por la aparición de
microorganismos diferentes en cada capa.
g p
• La estratificación explica la diversidad microbiana.
Depende de:
- La concentración de nutrientes,
- Las transisciones de zonas aérobicas a anaeróbica
- La penetración de la luz


1.
1 ZONA LITORAL: L solar h t el f d
LITORAL Luz l hasta l fondo.
2. ZONA LIMNETICA: Zona bien iluminada por el sol, sin
llegar al fondo Aparecen algas cianobacterias y del
fondo. algas,
tipo de Pseudomonas.(también en litoral).
3.
3 ZONA PROFUNDA: Bacterias purpureas y verdes
(absorben la luz a longitudes de onda que no son
filtradas por los microorganismo fototrofos oxigénicos)
p g g )
Concentración de oxígeno baja.
4. ZONA DE SEDIMENTOS O BENTÓNICA: Paran los
restos de microorganismos, plantas y animales
muertos.

Microorganismos predominantes Productores secundarios dependientes
de la existencia de compuestos orgáncios en capas superiores (bacterias
anaeróbica no fotosintéticas y las arqueas metanógenas y sulfatoreductoras)

Energía solar
Algas,
cyano‐
bacteria

Zona litoral Zona litoral

Zona limnetica
Zona limnetica

Pseudomonas,
Caulobacter,
Hyphomicrobium
Zona profunda

Cytophaga
Zona bentónica

Bacterias verdes y
rojas fotosintéticas

Desulfovibrio,
Metanógenos
Clostridium


5.3.2.
5 3 2 Arroyos y Ríos
• Movimiento horizontal de las aguas
• Biomasa funcional está adherida a la superficie.
Dependiendo del tamaño del río o arroyo la fuente de
arroyo,
los nutrientes:
-Puede ser del propio río (microorg Fotosintéticos)
Puede (microorg. Fotosintéticos).
-Puede proceder del exterior (Hojas…).
• L microorganismos quimioorganotrofos metabolizan el
Los i i i i t f t b li l
material orgánico disponible aportan una base
energética al ecosistema.


Exceso de materia orgánica al agua
g g
• El agua puede volverse anaeróbica.

• El vertido de aguas residuales fuente puntual de
contaminación.
contaminación

• C
Cuando l cantidad d materia orgánica d ñi no es
d la tid d de t i á i dañina
excesiva, las algas crecerán usando minerales liberados
por la materia orgánica, aumentando la producción de O2
orgánica O2.

Ejemplo: La extracción de silicio de los ríos causa
ríos,
alteraciones ecológicas importantes (inhibe crecimiento de
diatomeas ya que se altera la p p
y q proporción entre silicio y
nitrato y las diatomeas no pueden crecer ni inmovilizar
nutrientes).


2.3.3 Aguas dulces heladas
g

• Lagos congelados con sedimentos depositados
por el viento.
• El deshielo en estas zonas con sedimentos
proporciona una oportunidad para el crecimiento
microbiano.
• Se estudia los microorganismos en este habitat ya
que se espera que sea posible identificar
comunidades microbianas de la época de su
formación.
formación


6. Microbiología del suelo
6.1.
6 1 El suelo como hábitat microbiano
l hábit t i bi

En ambientes terrestres los microorganismos pueden contribuir:
-Formación y mantenimiento de los suelos.
-Degradación y desaparición de los mismos.

En las plantas, los microorganismos pueden actuar como:
-comensales (normalmente)
-parásitos
-asociaciones simbióticas (es el caso de Rhizobium)


Componentes del suelo

El suelo: parte más externa de la corteza terrestre
p

Composición:
p
Componentes orgánicos
Componentes inorgánicos

Materia orgánica: resultado de la actividad
g
de los distintos seres vivos del suelo.

Humus: P ió d materia orgánica que h
H Porción de t i á i ha
sido transformada


Estratos u horizontes del suelo:
• Horizonte O: primeros cm del
O
suelo
l
A
• Horizonte A: rico en materia

B orgánica
• Horizonte B: elementos minerales
finos
C • Horizonte C: fragmentos de la
roca madre

D
• Horizonte D: roca madre
Rizosfera: zona del suelo bajo la influencia
de un sistema de raices


• CARÁCTERISTICAS importantes del suelo:
A) Disponibilidad de agua. Su presencia depende de Composición del
suelo.
De la lluvia.
Del drenaje.
De la cubierta
vegetal.
El agua del suelo contiene diversos materiales disueltos SOLUCIÓN
DEL SUELO.

En terrenos drenados alta concentración.
B) Presencia de oxígeno
En suelos encharcados baja concentración
(disuelto en agua).

C) Nutrientes. Son muy abundantes en la rizosfera abundante vida
microbiana



DEFINICIÓN:

- Son los componentes más importantes del
suelo.
l

-C
Constituyen su parte viva.
tit t i

- S los responsables de la dinámica de
Son l bl d l di á i d
transformación y desarrollo.


APLICACIONES.
APLICACIONES
-Cultivos bajo plástico:
Anulamos muchos de estos microorganismos, que estaban de forma natural
en el suelo.
TIPOS DE MICROORGANISMOS DEL SUELO:

- Bacterias.
- Actinomicetos.
- Hongos
Hongos. Beneficiosos
- Algas
- Protozoarios.

Un suelo fértil es aquel que contiene una reserva adecuada de elementos nutritivos
disponibles p
p para la pplanta, o una p
, población microbiana q libere nutrientes q
que que
permitan un buen desarrollo vegetal.

Ejemplo:
En un bosque quemado mueren tanto la vegetación como el suelo el cual tarda
suelo,
mucho tiempo de recuperarse.



MICROORGANISMOS. ESTRATEGIAS DE FUNCIONAMIENTO.

1) Bacterias:
- Localización: superficie de las particulas del suelo.
suelo
- Necesidades: agua y nutrientes cercanos.
- Protección ante protozoos: se introducen en poros o
granos de arena y materia orgánica.
- Suelen formar microcolonias.

2) Hongos:
- Localización: crecen sobre y entre los agregados de
partículas del suelo.
- Necesidades: creación de puentes entre las partículas
del suelo para estar más expuestos al oxígeno.



FUNCIONES IMPORTANTES QUE CUMPLEN EN EL SUELO.

- Descomposición de la materia orgánica y reciclado de
los nutrientes:

Hongos y bacterias descomponen la materia
orgánica compleja.

Hongos degradan los restos vegetales (celulosa y
lignina).

- Establecen relaciones simbióticas con las plantas: de
esta forma se facilita la transferencia de nutrientes.



7.1 Asociaciones en la filosfera: Microorganismos de la filosfera

• Filosfera:
– Superficie aerea de la planta
– Se sabe que puede permitir el crecimiento de una
diversa comunidad microbiana
• e.g., las γ-proteobacteria Pseudomonas syringae y
Erwinia spp. Son los mas impirtantes
• e.g., genero Sphingomonas
– Adaptada a dobrevivir a alata irradiación UV
p



7.2 Asociaciones en la rizosfera: Microrrizas, la fijación de nitrogeno
simbiotica y Agrobacterium

Las raíces de las plantas liberan una gran variedad de materiales al suelo,
diversos alcoholes , etilenos azúcares, etc.
Estos
E t materiales crean un medio especial para l microorganismos d l suelo,
t i l di i l los i i del l
estos ambientes son conocidos como rizosfera.
Los microorganismos de la rizosfera, intervienen en la síntesis y degradación de
la
l materia orgánica, y sirven como f
t i á i i fuentes d nutrientes para otros organismos.
t de t i t t i


7. Plantas como hábitat microbiano:
7.2 Asociaciones en l rizosfera:
72A i i la i f

Micorrizas
Asociación mutualista planta-hongos

Estos microorganismos contribuyen al
funcionamiento de las plantas en los medios
naturales y agrícolas.

Las raíces de cerca del 95 % de todas las
plantas vasculares participan normalmente en
asociaciones simbióticas con micorrizas.

Las b t i
L bacterias se asocian t bié con l
i también los
hongos micorrizales. Al extenderse
radialmente por el suelo se forma la
micorrizosfera.
micorrizosfera

Endomicorriza: El hongo entra dentro de los
pelos radiculares

Ectomicrorriza: el hongo permanece
extracelular como una cubierta sobre la raiz


72A i i la i f

Endomicorriza Ectomicorriza


72A i i la i f

Micorrizas


72A i i la i f

La fijación simbiotica de nitrógeno
• Ocurre como resultado de una relación simbiótica entre bacteria y
plantas que convierte el nitrógeno gas (N2) en amonio
– E una parte importante del ciclo d l nitrógeno en l naturaleza
Es t i t t d l i l del it ó la t l
• Rhizobium: Género bacteriano capaz de fijar nitrógeno en simbiosis
con raíces de leguminosas ( nódulos)
g )

Nodulos de
Rhizobium




Aunque estos microorganismos
contribuyen a la acumulación de
nitrógeno, pruebas recientes indican
que su contribución principal puede
que no se la fijación de nitrógeno sino
nitrógeno,
la producción de hormonas promotoras
del crecimiento que aumentan el
desarrollo de los pelo radiculares que
radiculares,
eleva la capacidad para captar
nutrientes.




Simbiosis Rhizobium-leguminosas

Nódulos de Rhizobium


Interacciones Agrobacterium / plantas
Agrobacterium:
- Se produce una infeccion en la planta por Agrobacterium, que induce
Agrobacterium
en las plantas un crecimiento similar al de los tumores
- Un ejemplo es la formación de agallas, inducidas por cepas de
Agrobacterium que contiene el plásmido Ti inductor del tumor, el
tumor
tumor se debe a un desequilibrio que se produce en las fitohormonas,
por acción de las enzimas codificadas por el plásmido Ti.



Interacciones Agrobacterium/plantas

Las
L cepas de Ad Agrobacterium contienen el plásmido Ti inductor del
b t i ti l lá id i d t d l
tumor, el tumor se debe a un desequilibrio que se produce en las
fitohormonas, por acción de las enzimas codificadas por el plásmido Ti.

• Agrobacterium infecta a la planta a través de heridas

• El plasmido Ti se tranasfiere de la bacteria a la planta

– provocan el tumor

– Las plantas estimuladas producen opinas que son sustancias
químicas que atraen a mas células bacterianas de A. tumefaciens




Agrobacterium en el tumor transfiere el
Plasmido T a la planta

opinas

Agrobacterium en el suelo utiliza las
opinas de la planta como nutrientes



Agrobacterium puede utilizarse para trasnferir ADN a las plantas


Transformación de las plantas de Arabidopsis

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