Ecología Microbiana

Ciencia que explora las interrelaciones de los microorganismos con el ambiente en que se desarrollan.

El Ambiente en la Ecología Microbiana

Conjunto de factores tanto abióticos (físicos y químicos) como bióticos (biológicos) que actúan sobre un ser vivo.

Importancia de los Microorganismos en el Ambiente

• Están en cualquier lugar de nuestro entorno: suelo, agua y aire.
• En cualquier ecosistema, son los que están en mayor número y poseen la mayor capacidad para efectuar cambios.

En los últimos tiempos, la preocupación por la calidad ambiental ha tenido como efecto un mayor interés por la ecología microbiana.

• Los microorganismos son capaces de reciclar materiales.
• Juegan un papel clave en la descomposición de muchos residuos humanos e industriales que se vierten al agua o al suelo.

La calidad y la productividad de las aguas naturales están relacionadas, en gran medida, con su población microbiana.

El aire limpio, sin polvo, tiene relativamente pocos microorganismos.

• La seguridad de la calidad ambiental está íntimamente relacionada con la flora bacteriana presente.
• Los microorganismos también pueden utilizarse como indicadores de calidad ambiental.

Aplicaciones de la Ecología Microbiana

El estudio de la ecología microbiana puede ayudarnos a mejorar nuestras vidas a través del uso de microorganismos en:

• La restauración ambiental.
• La producción de alimentos.
• La bioingeniería de productos útiles tales como antibióticos, suplementos alimenticios y productos químicos.

Factores Ambientales que Influyen en el Crecimiento Microbiano

Temperatura

• Bajas: <5 °C
• Ambiente: 20 a 45 °C
• Óptimas: 15-20 °C
• Altas: Regiones volcánicas.

Radiación

• Espectro Electromagnético: Intensidad y tiempo de exposición.
• Rayos Dañinos: Rayos gamma, rayos X, UV son dañinos.
• Efecto Mutágeno: Se afecta la estructura de ácidos nucleicos, procesos de membrana y su estructura.

Estrategias de Protección contra la Radiación

• Fotorreactivación.
• Pigmentos protectores (carotenoides).

Salinidad

• Ambientes Acuáticos: 0.05% de sales.
• Marinos: 3.5% de sales.
• Hipersalinos: 25 a 30% de sales.

Actividad de Agua (aw)

• Todos los microorganismos requieren agua y su disponibilidad es un factor importante para el crecimiento microbiano.
• La concentración de solutos presentes en el agua hace que esta esté más o menos disponible para ser utilizada por los microorganismos.
• La disponibilidad de agua se expresa en términos de la actividad de agua, cuyo valor oscila entre 0 y 1.

¿Cómo crecen los microorganismos en condiciones de baja actividad de agua?

• Aumentan la concentración interna de solutos: bombeando iones hacia el interior o sintetizando o concentrando un soluto orgánico. Estos compuestos se llaman solutos compatibles. La cantidad máxima de soluto sintetizada o acumulada está determinada genéticamente.

pH

• Neutrófilos: 5.5 a 8.5
• Acidófilos: 1.0 a 5.0
• Alcalófilos: 9.0 a 11.0

Oxígeno

• Aerobios Obligados: Requieren oxígeno para su crecimiento.
• Anaerobios Obligados: Requieren una sustancia diferente al oxígeno como aceptor de electrones.
• Facultativos: Capaces de vivir aerobia o anaeróbicamente.

Fuente de Energía

• Fotótrofos: Utilizan la luz.
• Quimiótrofos: Utilizan la oxidación (pérdida de electrones de un átomo) de un compuesto químico.
  • Quimioorganótrofos.
  • Quimiolitótrofos.

Fuente de Carbono

• Autótrofos: Utilizan como fuente de carbono el CO₂, a partir del cual sintetizan los esqueletos carbonados de los metabolitos orgánicos.
• Heterótrofos: Utilizan compuestos orgánicos como fuente de carbono (que se debe encontrar en forma asimilable).

Estrategias de Supervivencia Microbiana

• Uso eficiente de los recursos.
• Metabolismo endógeno.
• Acumulación de polímeros.
• Diferenciación de formas de resistencia: esporas o quistes.

Características de los Ecosistemas Microbianos

• Diversidad de especies microbianas.
• Dinámica de poblaciones.
• Asociaciones microbianas en ecosistemas.
• Adaptación y mutación.

Diversidad de Especies Microbianas

• Los microbios nos rodean por todas partes: aire, agua, suelo.
• 1 gramo de suelo puede contener hasta 1.000.000.000 de microbios.
• La mayoría de los tipos de microbios siguen siendo desconocidos.
• Se estima que conocemos menos del 1% de las especies microbianas en la Tierra.
• De más de un millón de especies de bacterias que se sospecha que existen, solo cerca de 4200 han sido descritas.

Dinámica de Poblaciones

Un cambio físico o químico, como el agotamiento de nutrientes o una alteración en el pH o la temperatura, puede hacer que las condiciones de crecimiento sean más favorables para otra especie. El organismo adaptado a las condiciones prevalecientes antes cede su lugar a un organismo mejor adaptado a las nuevas.

Adaptación y Mutación

• La supervivencia y el crecimiento de una especie dentro de una comunidad biológica requieren capacidad para ajustarse a las condiciones ambientales cambiantes.
• Genotipo: La información genética de cada individuo.
• Fenotipo: La expresión del genoma afectada por el medio ambiente.

Los microorganismos se acomodan a los cambios temporales del ambiente mediante la adaptación fenotípica, que es una respuesta del microorganismo a cambios temporales y está limitada por el genotipo.

• Muchos microorganismos pueden crecer a lo largo de una amplia gama de temperaturas.
• Su efectividad metabólica no es la misma a las temperaturas extremas.
• La capacidad adaptativa está entre los límites del genotipo.
• Hay oportunidades para un cambio en el genotipo como resultado de una mutación.
• El mutante es un organismo cambiado permanentemente.
• Si es capaz de prosperar en el ambiente, el mutante se perpetuará; de lo contrario, perecerá.
• Un caso de cambios genéticos entre microorganismos es el intercambio de genes bacterianos en la naturaleza.
• Los genes pasan de unas bacterias a otras con mayor frecuencia de lo que pensábamos.

Asociaciones Microbianas en Ecosistemas

Los microorganismos de un ecosistema presentan asociaciones e interacciones con otros microorganismos y organismos superiores.

Tipos de Interacciones Microbianas:

• Neutralismo: Los miembros de la relación no se afectan por crecer en el mismo ambiente.
• Comensalismo: Un miembro se beneficia, el otro no se afecta.
• Mutualismo/Cooperación: Ambos miembros de la asociación se benefician.
• Depredación, Parasitismo, Antagonismo: Uno de los miembros de la asociación es inhibido o destruido con beneficio para el otro.
• Competencia: Ambos sufren estrés por competir por recursos escasos.
• Amensalismo: Un miembro perjudica al otro, sin perjudicarse ni beneficiarse.

Estas interacciones pueden darse:

• Entre microorganismos (competencia, mutualismo, simbiosis, parasitismo).
• Entre microorganismos y organismos superiores.

Ejemplo de Impacto Microbiano: Botulismo

El botulismo es una enfermedad rara pero grave, causada por la bacteria Clostridium botulinum. Las bacterias pueden entrar al organismo a través de heridas o pueden vivir en alimentos mal enlatados o mal conservados. La toxina es extremadamente potente, incluso mortal en pequeñas cantidades, bloquea la liberación de acetilcolina en las terminaciones nerviosas, lo que paraliza los músculos y puede llevar a la muerte por paro respiratorio.