Ciclos Biogeoquímicos

Ciclo del Carbono

Las reservas de carbono en la Tierra son: rocas carbonatadas, combustibles fósiles y la atmósfera. La actividad humana devuelve el carbono almacenado a través de la combustión. Los organismos autótrofos incorporan el CO₂ en la materia orgánica.

• Si hay O₂, el CO₂ se fija por fotosíntesis oxigénica.
• Si no hay O₂, el CO₂ se fija por fotosíntesis anoxigénica.

El carbono orgánico se usa como fuente de energía por los consumidores aerobios o anaerobios. Los descomponedores (microorganismos) usan la materia orgánica y devuelven el CO₂ por respiración anaerobia o por fermentación. Las arqueobacterias usan el CO₂ y producen CH₄ que se oxida a CO₂ atmosférico.

Ciclo del Nitrógeno

La fuente de nitrógeno (N) es la atmósfera, en forma de gas. Las etapas del ciclo del nitrógeno son:

1. Fijación de nitrógeno: Conversión del N gaseoso en NH₄. La llevan a cabo bacterias fijadoras del N que viven libremente o en simbiosis con plantas (Rhizobium). La enzima responsable de la fijación del N es la nitrogenasa.
2. Amonificación: Descomposición de compuestos orgánicos de nitrógeno (urea, ácido úrico) en NH₄ por las bacterias amonificantes.
3. Nitrificación: Conversión del NH₃ en nitrato (NO₃) por las bacterias Nitrosomonas y Nitrobacter.
4. Asimilación: Los nitratos son absorbidos por las plantas incorporándolos en proteínas y ácidos nucleicos. Los animales asimilan el nitrógeno en la dieta, al consumir vegetales.
5. Desnitrificación: Conversión de nitratos en N gaseoso por las bacterias desnitrificantes.

Ciclo del Fósforo (P)

El fósforo es esencial para los ácidos nucleicos. Se encuentra en el suelo y el agua en forma de fosfato (son asimilados por las plantas y pasan a los animales por las cadenas tróficas). En el mar, los fosfatos son captados por las algas y pasan a los animales acuáticos para formar esqueletos, conchas u otras estructuras. Las aves marinas, que se alimentan de pescado, devuelven los fosfatos al suelo a través de sus excrementos que originan el guano.

Ciclo del Azufre

Los organismos necesitan azufre para incorporarlo a aminoácidos formadores de proteínas. El azufre (S) se encuentra en las rocas (yeso y pirita). En el suelo hay iones sulfato que son incorporados por las plantas y pasan a los consumidores por las cadenas tróficas. Cuando se descompone la materia orgánica, el sulfato se reduce a H₂S mediante la desulfurilación. El H₂S se oxida a sulfato por las bacterias quimiolitotrofas o fotosintéticas. La utilización de combustibles fósiles genera óxidos de azufre que, al reaccionar con el agua en la atmósfera, produce ácido sulfúrico (H₂SO₄), que cae en forma de lluvia ácida.

Microorganismos y Enfermedades Infecciosas

Infección

Es el crecimiento y colonización de organismos patógenos en un individuo. Que un microorganismo provoque una enfermedad depende de:

• Grado de virulencia del microorganismo.
• Estado físico y anímico del hospedador.
• Existencia de inmunidad específica.

Patógeno: Cuando el microorganismo provoca daños en las células u órganos del individuo parasitado provocando una enfermedad.

Patógenos oportunistas: Microorganismo que no suele causar enfermedades, pero se convierte en patógeno en determinadas circunstancias.

Microbiota/Flora: Microorganismos de defensa de un tejido y órgano que no producen efectos negativos y compiten con patógenos para evitar su proliferación. El uso prolongado de antibióticos provoca la eliminación de la flora intestinal provocando patógenos como Candida albicans.

Virulencia de un Microorganismo

Es el número de microorganismos necesarios para producir la enfermedad. Los patógenos tienen estrategias para causar enfermedades:

Entrada en el Hospedador

• Por contacto directo con el foco de infección (piel y mucosas).
• Por inhalación respiratoria de patógenos en estornudos o gotitas en suspensión en el aire.
• Por ingestión de agua o alimentos contaminados.
• A través de heridas, inyecciones o picaduras de insectos. También a través de la sangre de la madre al feto.

Adhesión a los Tejidos del Hospedador

Los microorganismos infectantes se adhieren a receptores de las células hospedadoras mediante las cápsulas o fimbrias.

Invasión de las Células del Organismo

Cuando el patógeno atraviesa la piel o las mucosas, invade las células y tejidos del hospedador. La penetración se puede producir por:

• Heridas, produciendo una infección localizada.
• La sangre o la linfa. Una vez alcanzadas las células susceptibles, se unen a receptores específicos o entran por endocitosis.

Desarrollo de la Infección

El patógeno debe evitar los mecanismos de defensa del hospedador. Si se multiplica en la sangre y se disemina por el organismo, se produce una infección generalizada o septicemia.

Enfermedades

Vías de Transmisión de Enfermedades Infecciosas

• Respiratoria (gripe, meningitis)
• Digestiva (cólera, salmonelosis)
• Sexual (sífilis, candidiasis)
• Cútánea (lepra)
• Parenteral = picaduras, heridas (rabia, hepatitis, tétanos)

Infecciones Producidas por Protozoos

• Malaria: Por picadura de mosquito hembra.
• Toxoplasmosis: Al ingerir verduras o carne poco hecha. Daña músculos y sistema nervioso central.
• Enfermedad del sueño: Picadura de mosca, afecta al sistema nervioso central y vasos sanguíneos.

Infecciones Bacterianas

• Peste bubónica: Yersinia pestis. De ratas a humanos.
• Cólera: Vibrio cholerae. Se transmite por el agua y defecaciones y es una diarrea que causa la muerte.
• Tuberculosis: Mycobacterium tuberculosis. Se propaga por el aire, y destruye los pulmones.
• Meningitis: Neisseria meningitidis. Es mortal y no tiene cura, se propaga por el aire.
• Tétanos: Clostridium tetani. Está en excrementos animales. Infecta heridas, bloquea el impulso nervioso y para el corazón.
• Salmonelosis: Salmonella sp. Está en alimentos contaminados. Fiebre, diarrea.

Infecciones Víricas

• Gripe: Se transmite por el aire. Rara vez accede al pulmón. Fiebre, dolor de garganta y muscular.
• Sarampión: Comienza en las vías respiratorias y después a todo el organismo. Fiebre, tos y manchas rojas.
• Hepatitis: A-E. Puede provocar cáncer. De madres a hijos, sexual o sanguínea.
• Rabia: Por mordeduras de perros, roedores o murciélagos. Mucha saliva, sensibilidad al ruido y luz y muerte.
• Varicela: Tracto respiratorio y ganglios linfáticos. Puede permanecer latente.
• Viruela: Erradicada.

Desarrollo de la Enfermedad

Se puede producir por varias causas:

• Por una lesión directa de las células o lisis. Ej: la polio destruye neuronas motoras.
• Producción de factores de virulencia: Enzimas producidas por el patógeno que degradan tejidos del hospedador.
• Producción de toxinas. Son sustancias tóxicas para las células y los tejidos. Las producen los microorganismos. Existen 2 tipos de toxinas:
  • Exotoxinas: Proteínas solubles que se liberan al exterior durante el crecimiento del microorganismo. Se desplazan desde el lugar de la infección hacia otros tejidos o células diana. Pueden ser liberadas por el microorganismo durante su crecimiento en el interior del hospedador. Pueden ser producidas por el microorganismo sobre los alimentos (botulismo).
  • Endotoxinas: Son lipopolisacáridos de la membrana de las bacterias gram negativas. Causan diarrea, fiebre, vómitos…
• Evasión de las defensas del hospedador: Algunos microorganismos evitan las defensas inmunitarias.
  • Se protege contra la fagocitosis: el microorganismo se rodea de fibrina para que el macrófago no le reconozca.
  • Sobrevive a la fagocitosis: algunos patógenos tienen mecanismos que evitan su destrucción. Produce sustancias que causan daño a los fagocitos.
  • Evasión del reconocimiento del sistema inmunitario: ciertos patógenos modifican sus características antigénicas para ser reconocidos por las células del sistema inmunitario (virus de la gripe, Salmonella).

Lucha Contra Microorganismos

Asepsia: Eliminación de microorganismos en objetos rutinarios. En los hospitales se emplean procedimientos físicos y químicos.

Procedimientos Físicos

• Uso del autoclave (los objetos se meten en agua a 120ºC y 2 atmósferas de presión durante al menos 15 minutos. Resisten algunas esporas bacterianas).
• Uso del horno de Pasteur (objetos a 200ºC en seco. Elimina todas las esporas).
• Irradiación con rayos gamma o ultravioleta.

Procedimientos Químicos

• Lavado de los objetos con detergentes tensioactivos o sustancias esterilizantes.

Antisepsia es la eliminación de microorganismos en el cuerpo de los pacientes. Se utilizan productos químicos antimicrobianos como:

• Antisépticos.
• Bacteriostáticos: Impiden el crecimiento de las bacterias.
• Antibióticos. Sin efecto frente a hongos, protozoos y virus.
• Antivirales.

Los microorganismos patógenos causan enfermedades transmisibles o infecciosas a una población. La epidemiología estudia la incidencia de las enfermedades infecciosas en una población. La prevalencia de una enfermedad en una población es la proporción de enfermos que la padecen en un momento dado.

• Epidemia: La enfermedad se difunde muy rápidamente en un área, en un periodo de tiempo muy corto.
• Pandemia: Epidemia a nivel mundial.
• Enfermedad endémica: Enfermedad continuamente presente en una población, pero con poca incidencia.
• Enfermedad esporádica: Ocurre de forma ocasional.
• Zoonosis: Enfermedad de animales que accidentalmente afecta al hombre.

Aplicaciones de los Microorganismos

Fabricación del Pan

Intervienen levaduras como Saccharomyces cerevisiae. Se usan glúcidos y se obtiene etanol (cuando se cuece se elimina) y CO₂.

Ingeniería Genética Microbiana

Se introduce el gen que controla la producción de una molécula en el genoma de la bacteria a través del plásmido. Los plásmidos se añaden a un cultivo de bacterias que los incorporan a su cromosoma. Las bacterias se reproducen y clonan el gen. Así producen la molécula. Se puede obtener:

• Vacunas recombinantes con componentes de los microorganismos.
• Hormonas esteroideas, testosterona y progesterona por fermentación de levaduras.
• Insulina y hormona del crecimiento.
• Proteínas y vitaminas por fermentación microbiana.

Biorremediación

Utilización de microorganismos para eliminar sustancias contaminantes del medio ambiente.

• Biodegradación de materiales (papel, pintura) mediante microorganismos.
• Biodegradación del petróleo: Algunas bacterias (Pseudomonas) degradan derivados de metales pesados por enzimas. Se clonan los genes responsables de la biodegradación transmitiendo la capacidad a otros microorganismos.
• Tratamiento de aguas residuales: Se usan tratamientos fisicoquímicos y microbianos para eliminar la materia orgánica y los productos tóxicos. Depuración de aguas residuales, fases:
  • Tratamiento primario: Se eliminan partículas insolubles en suspensión mediante procedimientos físicos (filtrado, sedimentación).
  • Tratamiento secundario: Se elimina la materia orgánica disuelta mediante la actividad microbiana. Origina lodos donde se desarrollan las bacterias.
• Remediación de vertidos tóxicos mediante fitorremediación. Se plantan plantas que extraen metales pesados y As en suelos contaminados.
• Tratamiento de basuras mediante compostaje. Los microorganismos de la basura realizan fermentaciones para eliminar residuos y obtener compost para el abono.
• Producción de insecticidas biológicos: Los insecticidas tradicionales son absorbidos por los vegetales y pueden ser ingeridos por el hombre. La bacteria Bacillus thuringiensis actúa como un insecticida natural. Cuando las larvas de los insectos ingieren las células de la bacteria mueren.
• Producción de proteína microbiana para piensos: Se utilizan proteínas de microorganismos que tengan un alto valor nutritivo, para utilizarlas como suplemento proteico en los piensos.