Microrganismos y ciclos biogeoquímicos: Flujo de materia y energía

La materia circula en los ecosistemas según un sistema cerrado. Construyen moléculas orgánicas a partir de un compuesto inorgánico, y una fuente de energía que puede ser la luz solar o la que se desprende de procesos de oxidación de compuestos orgánicos simples. Los seres descomponedores degradan la materia orgánica y la transforman en minerales asimilables de nuevo por los productores. Los bioelementos que la forman circulan entre los seres vivos y la materia mineral, según los mecanismos de reciclaje que constituyen los llamados ciclos de la materia o ciclos biogeoquímicos.

Ciclo del carbono

El carbono de la atmósfera es un depósito activo, y se incrementa constantemente gracias a los procesos de respiración y combustión; los seres fotosintéticos disponen de él. La fotosíntesis lo incorpora a la materia orgánica, que sirve de fuente de energía y de carbono a los seres heterótrofos. Los restos de animales y plantas constituyen acúmulos de materia orgánica, sobre los que actúan bacterias y hongos para descomponerlos y devolver el CO2 al medio por fermentación o por respiración anaerobia. Las arqueobacterias metanogénicas utilizan este CO2 para producir metano (CH4), que se reoxida de nuevo hasta (CO2) atmosférico por las bacterias metanotrofas del metano.

Ciclo del azufre

El azufre de la atmósfera se encuentra en forma de ácido sulfhídrico, además del dióxido de azufre, que se origina por la combustión del carbón, de los derivados del petróleo y de las solfataras volcánicas. El suelo acumula iones sulfato, que son utilizados por los organismos fotosintéticos para construir los radicales de los aminoácidos cisteína y metionina. En esta forma pasa a los consumidores a través de la cadena trófica y desde ambos pasa al suelo como ácido sulfhídrico. Al igual que en el ciclo del nitrógeno, los óxidos de azufre reaccionan con el vapor de agua que darán lugar a la lluvia ácida.

Ciclo del nitrógeno

La atmósfera acumula nitrógeno en forma molecular y en forma de óxidos y amoníaco, procedentes de las erupciones volcánicas. Precipita en el suelo y en el agua en forma de nitratos y puede ser asimilado por los productores para formar biomoléculas. Los consumidores ingieren nitrógeno con la dieta. Cuando los organismos mueren, sus restos sufren putrefacción por las bacterias y los hongos del suelo que generan amoníaco en un proceso llamado amonificación. Las bacterias nitrosificantes (nitrosomas), que oxidan el amoníaco a nitritos y posteriormente las bacterias nitrificantes (nitrobacter), que convierten los nitritos en nitratos. Los nitratos formados pueden ser asimilados por las plantas y desde ellas, pasar a los animales. El nitrógeno atmosférico no puede llegar directamente a las plantas, lo hace gracias a las bacterias fijadoras de nitrógeno. El nitrógeno atmosférico se convierte en amoníaco. Los campos de cultivos se siembran con leguminosas para enriquecerlos en compuestos nitrogenados. Cerrando el ciclo, bacterias desnitrificantes como pseudomonas convierten los nitratos en nitrógeno molecular que pasa de nuevo a la atmósfera.

Ciclo del fósforo

Esencial para construir moléculas como el ATP o los ácidos nucleicos. Llega al suelo gracias a la actividad de las bacterias fosfatizantes, que aportan fosfatos a partir de la orina, de las heces y de los tejidos de animales y plantas. Los fosfatos son utilizados por las plantas, y de ellas pasan a los animales a través de las cadenas tróficas. Los fosfatos son arrastrados por las aguas, de ellos se pierde en los fondos oceánicos, mientras que otra parte es captada por las algas y plantas marinas desde las que llega a los animales acuáticos. Las aves marinas que se alimentan de pescado, son responsables de la recuperación de parte de los fosfatos. Los depósitos de guano se explotan industrialmente por su importancia agrícola. Se utilizan también como abonos fosfatados.

Microrganismos y salud

El cuerpo de los seres vivos es también un medio habitual para los microrganismos. La piel o las mucosas de las vías digestivas, respiratorias o genitourinarias albergan normalmente microrganismos con los que el hospedador establece un contacto inocuo o incluso beneficioso y que constituye su flora microbiana normal (biota), sin causar ningún daño, protegiéndole en muchas ocasiones del asentamiento de otros gérmenes. Estos son los microrganismos patógenos, responsables de las enfermedades infecciosas. Existen microrganismos llamados oportunistas, que normalmente son inocuos, pero pueden convertirse en patógenos ocasionalmente cuando hay cambios en las condiciones de su hábitat.

La infección

Se llama infección a cualquier situación en la que un microrganismo patógeno se instala y crece en el huésped, independientemente de que este sea o no dañado. Una enfermedad infecciosa implica, necesariamente, que se cause perjuicio. Las fases de una infección son las siguientes: adherencia. Se produce en las mucosas respiratorias, digestivas o genitourinarias. El agente infeccioso, y logra, penetrar en el hospedador. Penetración. Tras la adherencia, el agente patógeno puede iniciar el daño allí mismo liberando toxinas, pero lo usual es que penetre en el tejido y se disemine por otras partes en las que prolifera. Crecimiento. La adherencia supone un número de microrganismos insuficiente para producir perjuicio. La enfermedad infecciosa implica crecimiento en los tejidos del huésped, que requiere, a su vez, nutrientes y de un ambiente adecuado.

Las toxinas

Moléculas o microrganismos completos que causan daños en el organismo. Por ejemplo, la envoltura proteica de un virus. La mayoría de las bacterias produce toxinas y son de dos tipos: exotoxinas que son proteínas solubles, sensibles al calor, muy tóxicas y no producen fiebre. Tienen efectos específicos sobre los tejidos e inducen la formación de anticuerpos. Endotoxinas que son los componentes lipídicos de la membrana externa de las bacterias gram negativa. Se produce fiebre y sus efectos son generales. Inducen la formación de anticuerpos y su toxicidad es baja.

Los agentes patógenos

Los agentes capaces de producir enfermedades infecciosas en los seres vivos son las bacterias, hongos, protozoos, virus y viroides y priones. Las vías de transmisión son el contacto directo, a través del aire, por medio de contactos sexuales, por el agua, alimentos o mediante vectores animales. La relación entre enfermedad infecciosa y microrganismos la estableció Robert Koch, cuando demostró que Bacillus anthracis era el causante del ántrax o carbunco.

Terminología de epidemiología

Epidemia. Un número de casos de alguna enfermedad que excede claramente a la incidencia prevista en una colectividad o región. Pandemia. Epidemia que alcanza grandes extensiones geográficas, desplazamiento rápido de un continente a otro. Zoonosis, infección o enfermedad infecciosa transmisible en condiciones naturales, de animales vertebrados a humanos. Endemia. Es la presencia continua de una enfermedad en un área geográfica determinada.

Infecciones por microrganismos

Infecciones bacterianas. Cólera. Vibrio cholerae. Es una bacteria anaerobia, y que se transmite a través del agua. Llega al intestino por la bebida, y allí libera una toxina que lesiona la mucosa y produce una diarrea que conduce a la deshidratación y la muerte. Las deposiciones de los enfermos son el medio de cultivo de nuevos cultivos y de su propagación. Tuberculosis. Mycobacterium tuberculosis. La bacteria se propaga por el aire y por contagio a través de objetos, y coloniza las vías respiratorias destruyendo los pulmones. Es el llamado bacilo de Koch. Meningitis. Neisseria meningitidis. La bacteria se transmite por el aire. Al principio, la infección no produce síntomas. Aparece cuando la bacteria llega a la sangre y al sistema nervioso, instalándose en las meninges. Es mortal y no tiene tratamiento. Tetanos. Clostridium tetani. Bacteria anaerobia residente en el suelo y en excrementos animales. La exotoxina es muy potente y afecta al sistema nervioso. Salmonelosis. Salmonella sp. Es una infección alimentaria. La bacteria se transmite por agentes fecales o por alimentos contaminados. Afecta al intestino y a la sangre. Produce fuertes diarreas y fiebre alta. Infecciones producidas por hongos. Se instalan sobre la piel, pelo, uñas y mucosas. Todas tienen un tratamiento largo basado en antimitóticos. Las tiñas y el pie de atleta. La candidiasis está producida por la levadura Candida albicans. Se reproduce en las mucosas genital y digestiva provocando un picor intenso. Se contagia de modo indirecto por contacto con objetos o prendas de vestir y de modo directo por las relaciones sexuales. Infecciones producidas por protozoos. Malaria o paludismo. Género Plasmodium. Enfermedad endémica de países tropicales, transmitida por la picadura de la hembra del mosquito Anopheles. Afecta a células hepáticas y a glóbulos rojos. Enfermedad del sueño. Tripanosoma gambiense. Puede alcanzar el sistema nervioso central. Se transmite por la picadura de la mosca tse-tse. Disentería amebiana. Entamoeba histolytica. Infección causada por los quistes del protozoo presentes en el agua o en alimentos contaminados por heces. Se ulcera el epitelio intestinal. El parásito puede invadir el pulmón, el cerebro o el hígado. Infecciones víricas. Las vías de contagio más frecuentes son el contacto directo por inhalación de gotas en el aire, por la saliva o por las relaciones sexuales y el contagio indirecto, a través de alimentos y agua. Gripe. Se transmite por las personas a través del aire. Se instala en membranas respiratorias. Sarampión. La infección comienza en las vías respiratorias pero luego se propaga a todo el organismo. Hepatitis. Existen 5 tipos de hepatitis causadas por virus. Se contagia de madres a hijos durante el embarazo, la lactancia o el parto, por vía sexual o sanguínea. Genera cirrosis y puede derivar en cáncer. Varicela. Se desarrolla en el tracto respiratorio y en los ganglios linfáticos. Se trata de manchas rojas que luego se transforman en vesículas llenas de líquido. El virus puede permanecer en el paciente de modo latente; si llega a reactivarse produce lesiones muy dolorosas que siguen todas las terminaciones nerviosas de un nervio. Se denomina herpes zóster.

Microorganismos y biotecnología

Las fermentaciones junto con otros procesos industriales en los que intervienen microrganismos u otras células al servicio del ser humano constituyen la biotecnología. La biotecnología se emplea, además de la producción de alimentos para la obtención de antibióticos y vacunas, para el control de plagas, utilizando microrganismos modificados genéticamente para la obtención de hormonas. Los microrganismos utilizados proceden de cepas salvajes que han sufrido selección artificial. Un microrganismo útil a la biotecnología es aquel que puede crecer rápidamente, ser cultivado a gran escala y producir una sustancia aprovechable en cantidad apreciable y en el menor tiempo posible.

Los microrganismos en la industria alimentaria

Fermentación anaerobia y fermentación aerobia. El vinagre se forma por fermentación ácido acético por acción de las bacterias Acetobacter sobre el vino y la cerveza. Transforman mediante oxidación incompleta, el alcohol en ácido acético. El vino se forma mediante una fermentación alcohólica que llevan a cabo levaduras del género Saccharomyces cerevisiae sobre los azúcares de las uvas. Para la elaboración del cava se produce una segunda fermentación causada también por levaduras, tras la adición de azúcares. El CO2 que se genera en ella, carbonata el vino, y es el origen de las burbujas. La cerveza se obtiene a partir de la cebada, arroz o maíz. La fermentación es por cepas de Saccharomyces cerevisiae. Del arroz también se obtiene sake, un licor oriental a cargo del hongo Aspergillus. La masa de pan es una mezcla de agua, harina de trigo, centeno, cebada, arroz o maíz; sal y levaduras. La harina, contiene enzimas capaces de degradar. El CO2 resultante de la fermentación alcohólica queda atrapado en la masa, y es lo que produce la miga de pan. En la fabricación de productos lácteos, la lactosa de la leche sufre fermentación láctica y la convierten en ácido láctico. Las bacterias son de los géneros Streptococcus, Leuconostoc y Lactobacillus. El queso se fabrica a partir de la cuajada, que fermenta por acción de las bacterias y hongos (Penicillium). En la elaboración de la mantequilla, los Streptococcus de la leche la agrian produciendo la nata. La grasa se separa del resto. El yogur se produce por fermentación láctica a cargo de Lactobacillus bulgaricus. El kéfir, es una bebida ácida y moderadamente alcohólica parecida al yogur, se fabrica mediante procesos simultáneos de fermentación láctica y alcohólica producidos por levaduras.

Métodos de estudio de los microrganismos

^{Los microrganismos son capaces de colonizar una gran diversidad de medios: el suelo, el agua, el aire, el cuerpo de otros seres vivos o sus fluidos, alimentos, etc. Para su estudio, se requiere una población microbiana en crecimiento activo (cultivo) que necesita a su vez, de un medio de cultivo que contenga los nutrientes y mantenga una temperatura y un pH óptimos. Es necesario que este cultivo esté formado por individuos genéticamente homogéneos, por lo que es imprescindible someter la muestra a métodos de aislamiento, a fin de separar una especie microbiana de las otras. La identificación de los microrganismos pasa por la manipulación de los mismos en condiciones de sepsia, y la esterilización de todos los materiales para evitar contaminación Medios de cultivo Los medios de cultivo para microrganismos responden a los siguientes criteriosExisten medios complejos, como el caldo de carne, de}

^{soja o de levadura; o medios sintéticos de composición concreta. Ambos necesitan adición de carbono, nitrógeno y fosforo.Según su estado físico, los medios de cultivo son, en general, disoluciones de agua y nutrientes (medios líquidos), sustancias como la gelatina o el agar- agar para convertirlos en medios solidosPor ultimo, según su utilidad, se distinguen:Método de enriquecimiento Medios de aislamientoMedios de diferenciaciónMétodos de aislamiento Aislamiento por agotamiento de asa en superficieAislamiento por dilución y siembra en profundidadAislamiento directo Métodos de esterilización La esterilización consiste en la eliminación de todo microrganismo vivo de un medio de cultivo, de un alimento o del material de laboratorio. Los métodos son: Calor. Se emplea el autoclave, un recipiente metálico que se esteriliza por calor húmedo, que alcanza temperaturas de 120ºC y que deben mantenerse sobre los objetos para esterilizar durante 20 min. También se emplea el horno de pasteur, que esteriliza en seco.Filtración. Cuando las altas temperaturas pueden destruir algunas sustancias de un medio de cultivo, se recurre a la filtración para separar microrganismos que quedan retenidos en los poros del filtro Radiaciones. Se utilizan radiaciones ultravioleta, rayos gamma y radiaciones ionizantesMétodos de identificación Los estudiosd e microscopia, que permiten identificar distintos microrganismos por la forma de las células o la de sus colonias o si las hifas están tabicadas o no, detectando esporas. Las tinciones diferenciales, permiten separar a las baterías en dos grandes grupos, las gram positivas y las gram negativas Métodos bioquímicos. Placas dotadas de cubetas en las que se alojan una serie de sustratos con sus indicadores, en orden progresivo. La muestra se hace reaccionar con todas, produciéndose un código de colores que es exclusivo para cada microrganismo Las técnicas de la biología molecular. No es necesario ni siquiera el cultivo del microoganismo. Esta técnica se basa en el conocimiento de secuencias concretas del genoma de los microrganismos, que hibridan con sondas de ADN. Las sondas son fragmentos de ADN complementarios de una de las hebras presentes en el genoma del microrganismo problema. Si el patógeno está}

^{presente en la muestra, se forma una molécula hibridaClasificacion de los microrganismosLa microbiología estudia un diverso grupo de seres microscópicos incluidos en los reinos Moneras, las bacterias; reino protoctistas, los protozoos y las algas microscópicas; reino de los hongos y otras formas acelularesReino monerasBacteriasEste reino agrupa todas las bacterias- de organización procariotica- cuyo tamaño oscila entre 0,1 y 50 m. pueden ser autrotofas o heterótrofas, y aerobias, anaerobias o anaerobias facultativas. Son los organismos mas antiguos, mas extendidos y mas numerosos de la naturaleza. Las bacterias aparecen individualizadas o pueden formar colonias. No todas las bacterias forman colonias, pero cuando esto ocurre es siempre el resultado de la división celular y la no separación posterior de las células hijasEubacterias (bacterias actuales)Adquieren grandes y variados grados de especialización en ambientes aerobios y otras en anaerobios. Son las llamadas facultativas si viven en ambos. Los grupos mas antiguos agrupan bacterias termófilas, descendientes de aquellas que sobrevivían en las primeras fases de aparición de la vida en la tierra. Las bacterias conocidas: Cianobacterias. Llamadas también algas verde-azuladas. Se les atribuye un papel importante en la aparición de la atmosfera oxidante, ya que los estromatolitos. Son masas de cianobacterias. Se asocian con hongos para formar líquenes Micoplasmas. Son bacterias sin pared celular, como cocos pequeños o filamentosas. La mayoría son parasitos Arqueobacterias La mayoría son anaerobias. Las hay halofilicas, que viven en las aguas saladas, las termofilica s en aguas termales y en medios ricos en azufre; y metanogenas que viven en ambientes anaerobios Reino protoctista Algas Son autrotofos y fotosintéticos que pueden ser unicelulares o formar colonias microoscopicas. Viven en medio acuáticos, las marinas constituyen el fitoplancton. También viven en aguas dulces, fuentes termales o medios terrestres con humedad suficiente. Asociendose simbióticamente con hongos, forman los líquenes. Disponen de uno o varios cloroplastos donde se acumulan los pigmentos fotosintéticos; pueden ser de clorofila, xantofila y carotenos. La pared celular suele estar constituida por celulosa, otros polisacáridos}

^{como la pectina. A veces, contienen minerales como carbonato cálcico o sílice. Algunas algas unicelulares, como las euglenas, carecen de pared celular. Muchos son móviles racias a flagelos o movimientos deslizantes. Cuando son sésiles producen gametos móviles durante la reproducción sexual. Tambiens e reproducen asexualmente por bipartición, y es bastante común la alternancia de generaciones. Protozoos Los protozoos son microrganismos unicelulares sin pared celular, generalmente móviles, heterótrofos con reproducción sexual o asexual y de vida libre o parásita. Se clasifican : Sacordinos (rizópodos). Son pseudópodos, forman parte del plancton. Algunos tienen caparazón calcáreo como los foraminíferos y otros, como los radiolarios que lo poseen de sílice. Las amebas carecen de caparazón, como la entamoeba histolytica causante de la disentería Flagelados. Utilizan como medio de locomoción los flagelos, que son prolongaciones largas y poco numerosas. Hay formas de vida libre y formas parásitas como leishmania o lripanosoma, causantes de enfermedades como la leismaniasis o la enfermedad del sueño. Ciliados. Cubierto de prolongaciones cortas y numerosas llamadas cilios de vida libre como paramecium o generan corrientes de agua. Vorticella. La mayoría dispone de dos nucleos, a veces, se producen intercambios genéricos entre individuos ( conjugación)Esporozoos. Son protozoos inmóviles, parasitos, y que se dividen por esporulación. El plasmodium, causante del paludismo o malaria es un esporozoo Reino hongos Eucarioticos, unicelulares o pluricelulares, heterótrofos. La pared celular contiene quitina. En los hongos unicelulares la reproducción es asexual y por gemación. Los pluricelulares producen esporas, que al germinar originan unos filamentos celualres llamados hifas. El conjutno de hifas forma el micelio. Algunas hifas generan esporas asexuales por mitosis. La reproducción sexual tiene lugar `por esporas sexuales que se originan en basidios o en ascas Mohos Los mohos son hongos filamentosos. El moho del pan y otros vegerales, penicillium. Hongos mucosos Los hongos mucosos son microrganismos que presentan características tanto de los hongos como de los protozoos. Heterótrofos que se reproducen con esporas Levaduras Las levaduras}

^{son hongos unicelulares que forman colonias de células. Se reproducen por gemación. La levadura saccharomyces cerevisiae desarrolla un ciclo diplohaplonte. Saccharomyces lleva a cab la fermentación alcohólica a partir de la que se obtienen productos para el consumo humano como el vino, el vinagre, la cerveza o el pan. Es el primer genoma eucariotico secuenciado Virus Los virus son partículas microscópicas sin estructura celular, constituidos por un fragmento de acido nucleico al que rodea una capsula proteica. Muchos científicos no los consideran seres vivos, si son capaces de reproducirse; aunque para ello, necesitan los mecanismos metabólicos de una célula. Son por tanto, parásitos intracelulares obligados con dos fases, una fase extracelular inerte y una fase extracelular activa.Bacteriófagos, virus vegetales o animales, son los agentes causantes gracias a numerosas enfermedades como la gripe, la hepatitis o el sida; gracias ala biotecnología y a la ingeniería genética, se ha empezado a encontrarles aspectos positivos como el hecho de ser vectores en la clonación de genes para fines terapéuticos Un virion es un virus extracelular Los virus contienen ADN o ARN como ácidos nucleicos; nunca coexisten dos en un mismo virus. Tienen una o dos moléculas, mono o bicatenarias, circulares o lineales.Las proteínas pueden ser estructurales si están destinadas a la formación de la capsida, pero las hay también enzimáticas cuando están implicadas en la síntesis de los ácidos nucleicos víricos. Las proteínas aglutinantes facilitan la adhesión a la membrana celular de la célula huéspedMorfología vírica Las capsidas están formadas por múltiples copias de una o más proteínas llamadas capsomeros. Los virus de simetría helicoidal, esta formados por una molécula de acido nucleico que forma una espiral interna Los virus icosaedricos. Se trata de un poliedro regular formado por 20 triángulos, cada uno de ellos constituido por capsomeros de dos tipos: hexones y pentones Bacteriófagos. Son virus de estructura compleja. La cabeza es icosaedrica y contiene el acido nucleico. Tras un pequeño estrechamiento aparece la zona caudal, de simetría helicoidal y contráctil, que termina en una placa basal dotada de espinas y fibras de anclajeLos virus envueltos, presentan un}

^{recubrimiento membranosos exterior a la capsida que procede normalmente de la membrana plasmática de la célula huésped, y que el virus adquiere al emerger de ella Multiplicación vírica No necesitan materia ni energía para crecer, y su encuentro con las células es siempre fortuito. Pero necesitan de ellas para multiplicarse, y esto ocurre cuando el virion penetra en su interior y utiliza la maquinaria celular apra formar partículas víricas. Se conoce como ciclo litico, pero también puede darse un ciclo lisogenico, que ocurre cuando el virus permanece en el interior de la celula sin generar virus nuevos Viroides y priones Son partículas responsables de algunas patologías de las plantas y de ciertas enfermedades neurodegenerativas Viroides Formados por fragmentos de ARN monocatenario. Parasitan especialmente a plantas. También deformaciones en tallos, frutos, enanismo en general. Los viroides son transmitidos por insectos y material agrícola infectado Priones Son moléculas infecciosas de proteína que se situan en la membrana de las neuronas. Son la causa de enfermedades como el síndrome de Creutzfeldt-jacob y kuruen el humano, la encefalitis enpongiforme bovina o tembladera. Se encuentran siempre una variante de una proteína normal conocida como la proteína prion, formada por una cadena de 250 aa. Las diferencias entre ambas se encuentran en determinados fragmentos que en la proteína normal se enrollan como alfa-helice mientras en en la Prp aparece como beta-plegada. La espongiforme bovina o mal de vacas alimentadas con piensos que contenían restos de ovejas afectadas de tembladera mostraban huecos como los de una esponja. El síndrome de Creutzfeldt-jacob produce demencia, degeneración neuronal y perdida de coordinación en el humano. El kuru es una enfermedad relacionada con la tribu Fore de Papua Nueva Guinea. También causa degeneración cerebral y es letal. Se contrae en practicas de canibalismo ritual existentes en la tribu.}