Introducción a la Microbiología y Seres Microscópicos

La microbiología es la ciencia que estudia los microorganismos. Este enorme grupo de seres vivos lleva más de 3500 millones de años (M.a.) sobre la Tierra, tiene representantes en tres de los cinco reinos de la biosfera, e incluye tanto a seres unicelulares, seres formados por una simple agrupación celular, como a formas acelulares, como los virus. Su tamaño microscópico es la única característica unitaria, conocida desde 1674, cuando Anton van Leeuwenhoek construye el primer microscopio.

Clasificación General de los Microorganismos

La microbiología estudia un diverso grupo de seres microscópicos incluidos en:

• El reino Moneras (las bacterias).
• El reino Protoctistas (los protozoos y las algas microscópicas).
• El reino Hongos.

Además, se estudian los virus y otras formas acelulares.

El Reino Moneras: Las Bacterias

Características Generales de las Bacterias

Este reino agrupa todas las bacterias de organización procariótica. Pueden ser autótrofas o heterótrofas, y aerobias, anaerobias o anaerobias facultativas. Las bacterias son los organismos más antiguos, más extendidos y más numerosos de la naturaleza. Las bacterias aparecen individualizadas o pueden formar colonias.

Morfología y Agrupaciones Bacterianas

Atendiendo a su forma, se diferencian:

• Cocos: Cuando son redondeados.
• Bacilos: De forma alargada y extremos romos.
• Vibrios: Cuando tienen forma de coma.
• Espirilos: En forma espiral.

Las agrupaciones de dos cocos o dos bacilos se llaman diplococos o diplobacilos. Las hileras de bacterias son estreptococos o estreptobacilos. Solo los cocos pueden formar colonias dispuestas en dos dimensiones (estafilococos) o en tres (sarcinas).

Se diferencian dos grandes grupos:

• Eubacterias: Grupo del que descienden las células procarióticas actuales.
• Arqueobacterias: Semejantes a los primitivos coacervados.

Eubacterias: Diversidad y Tipos

Este grupo incluye varias ramas evolutivas. Algunas pueden vivir en ambientes aerobios y otras en ambientes anaerobios. Las llamadas facultativas viven indistintamente en ambos. Son un amplio grupo en el que se encuentra la mayoría de las bacterias conocidas:

• Bacterias purpúreas y verdes: Son fotosintéticas y aerobias. Pueden ser sulfurosas o no sulfurosas, en función de su capacidad para utilizar el ácido sulfhídrico como dador de hidrógenos.
• Cianobacterias: Llamadas también algas verde-azuladas. Se presentan como células aisladas o formando colonias. Se les atribuye un papel crucial en la aparición de la atmósfera oxidante.
• Proclorofitas: Son bacterias con aspecto de cloroplastos, viven como endosimbiontes en el interior de las ascidias.
• Bacterias fijadoras de nitrógeno: Captan nitrógeno atmosférico para las plantas leguminosas con las que viven en simbiosis.
• Espiroquetas: Son espirilos muy frecuentes en medios acuáticos; también hay especies parásitas.
• Bacterias del ácido láctico: Son bacterias anaerobias, pero tolerantes al oxígeno; causan la fermentación láctica.
• Micoplasmas: Son bacterias sin pared celular, con aspecto de cocos pequeños o filamentosas; la mayoría son parásitos.

Arqueobacterias: Extremófilos

La mayoría de ellas son anaerobias. Son células procarióticas con una membrana sin ácidos grasos y una pared sin peptidoglucanos. Se clasifican en:

• Halofílicas: Que viven en las aguas saladas.
• Termofílicas: De las aguas termales y medios ricos en azufre.
• Metanógenas: Que viven en ambientes anaerobios.

Hace 1600 M.a. surgen las primeras células eucarióticas por la unión simbiótica de varios tipos de bacterias.

Morfología de la Célula Bacteriana

Las bacterias son seres vivos unicelulares y de organización procariótica, capaces de nutrirse, reproducirse y relacionarse con su medio por sí mismos. Las principales estructuras presentes en las bacterias son:

Cápsula bacteriana

Es una capa externa presente en casi todas las bacterias patógenas, no presenta estructura definida. Está compuesta por polímeros de glucosa, glucoproteínas, acetilglucosamina y ácidos urónico y glucurónico. Entre sus funciones destacan la regulación del intercambio de agua, iones y nutrientes con el medio. La cápsula permite también la formación de colonias.

Pared bacteriana

Es una envuelta rígida, característica de todos los tipos de bacterias excepto de los micoplasmas. Mantiene la forma de la célula frente a los cambios de presión osmótica, y regula el paso de iones.

Membrana plasmática

Es una membrana de tipo unitario que limita al citoplasma y regula el paso de sustancias. Se caracteriza por la ausencia de la molécula de colesterol y la presencia de mesosomas.

Citoplasma

Está constituido por una disolución gelatinosa de agua y proteínas de aspecto granuloso, que rodea al llamado nucleoide y donde se sitúa el material genético. En el citoplasma aparecen ribosomas, inclusiones y vesículas.

Material genético (Nucleoide)

Es una larga y única molécula de ADN, circular y bicatenario. Dirige toda la actividad de la célula y conserva su mensaje genético.

Estructuras de superficie

Incluyen Pili y fimbrias, y flagelos que intervienen en la locomoción.

Formas Acelulares: Los Virus

Estructura y Ciclo de Vida Viral

Los virus son partículas microscópicas sin estructura celular, constituidos por un fragmento de ácido nucleico al que rodea una cápsula proteica. Son parásitos intracelulares obligados con dos fases:

1. Una fase extracelular inerte (virión).
2. Una fase intracelular activa.

Dependiendo del huésped, se habla de bacteriófagos, virus vegetales o virus animales. Se ha empezado a encontrarles aspectos positivos, como el uso de ser vectores en la clonación de genes para fines terapéuticos. Un virión es un virus en fase extracelular. Algunos virus tienen cadenas de ARN independientes, lo que se denomina genoma fragmentado.

Morfología Vírica

Los virus se clasifican según su simetría:

• Virus de simetría helicoidal: Están formados por una molécula de ácido nucleico que forma una espiral interna.
• Virus icosaédricos: Son casi esféricos. Cada icosaedro está formado por capsómeros de dos tipos: hexones y pentones.
• Bacteriófagos: Son virus de estructura compleja que combinan los dos tipos de simetría.

Los virus envueltos presentan la envoltura, un recubrimiento membranoso exterior a la cápsida que procede normalmente de la membrana plasmática de la célula huésped, y que el virus adquiere al emerger de ella.

Microorganismos y Ciclos Biogeoquímicos

El Ciclo del Carbono

Existen tres reservorios de carbono en la Tierra:

1. Las rocas carbonatadas.
2. Los combustibles fósiles (poco activos).
3. La atmósfera (depósito activo).

El carbono de la atmósfera se incrementa constantemente gracias a los procesos de respiración y combustión; los seres fotosintéticos disponen de él.

Las plantas en los ambientes terrestres y las algas y cianobacterias en medios acuáticos son los principales fijadores del CO₂. Mediante la fotosíntesis lo incorporan a la materia orgánica, que sirve de fuente de energía y de carbono a seres heterótrofos. Los restos de animales y plantas constituyen acúmulos de materia orgánica, sobre los que actúan bacterias y hongos para descomponerlos y devolver CO₂ al medio por fermentación o por respiración anaerobia. Las arqueobacterias metanogénicas usan este CO₂ para producir metano que se reoxida hasta ser CO₂ atmosférico por las bacterias metanotrofas del metano.

El Ciclo del Azufre

El azufre es un elemento que se encuentra en la atmósfera en forma de sulfuro de hidrógeno (H₂S), procedente de la actividad de los microorganismos, y de óxido de azufre, que se origina por la combustión de los derivados del petróleo. En el suelo se halla en forma de sulfatos.

El azufre es necesario para los seres vivos, en los que se encuentra en forma de sulfatos, como componente de huesos y de conchas, así como de los aminoácidos metionina y cisteína.

El H₂S se oxida hasta pasar a sulfato (SO₄²⁻) mediante las bacterias fotosintéticas del azufre. Estas oxidan el H₂S a azufre (S) y posteriormente oxidan el S hasta llegar a sulfatos. Los iones SO₄²⁻ disueltos en agua son absorbidos por las plantas, que los incorporan a la materia orgánica. A continuación, pasa a los consumidores por medio de la cadena trófica y se incorpora de nuevo al suelo cuando la materia orgánica se descompone. El azufre vuelve al suelo por el proceso de desulfatación que genera H₂S, de este modo se completa el ciclo.

Importancia y Aplicaciones de los Microorganismos

1. Los Microorganismos en los Ciclos Biogeoquímicos

Los microorganismos son los responsables de la descomposición de la materia orgánica en materia inorgánica para que pueda ser usada de nuevo por los organismos autótrofos y volver a formar materia orgánica. Esto es fundamental en ciclos como el del carbono, nitrógeno, azufre, etc.

2. Los Microorganismos y la Salud Humana

Algunos microorganismos son patógenos y producen enfermedades en los seres humanos. Las enfermedades infecciosas se pueden producir por las siguientes causas:

• Los microorganismos penetran en los tejidos del huésped, donde proliferan y producen daños.
• Los microorganismos producen toxinas que son sustancias como proteasas, nucleasas o lipasas que desorganizan los tejidos del huésped.

Tipos de Toxinas Bacterianas

1. Exotoxinas: Son liberadas al medio por las bacterias Gram positivas. Ejemplo: Tétanos.
2. Endotoxinas: Son componentes lipídicos de la pared celular de las bacterias Gram negativas. Ejemplo: Salmonelosis.

Las enfermedades infecciosas pueden ser producidas por bacterias, protozoos, virus y hongos (micosis), así como por viroides y priones.

Beneficios Médicos

Sin embargo, también hay microorganismos que nos aportan beneficios, pues a partir de ellos se obtienen medicamentos, vacunas, hormonas, enzimas, etc. Los antibióticos son compuestos químicos antimicrobianos sintetizados por hongos y bacterias. El primer antibiótico descubierto fue la penicilina. Posteriormente, se descubrieron la estreptomicina y las tetraciclinas.

3. Los Microorganismos en la Agricultura y la Ganadería

Los microorganismos son causantes de enfermedades en plantas y animales que pueden causar la pérdida de las cosechas o el ganado con las consiguientes pérdidas económicas. Pero los microorganismos también pueden tener efectos beneficiosos en este campo:

• Reciclado de nutrientes: Como se describió anteriormente, los microorganismos son responsables de la descomposición de la materia orgánica en inorgánica, asimilable por las plantas. En esto se basa la utilización de estiércol como abono agrícola no contaminante.
• Fijación de nitrógeno atmosférico: Las bacterias fijan el nitrógeno atmosférico en el suelo, enriqueciéndolo en nitratos que pueden ser asimilados por las plantas (usado en agricultura ecológica).
• Simbiosis con animales: En el aparato digestivo de los herbívoros viven microorganismos que les ayudan a descomponer la celulosa.

4. Los Microorganismos y el Medio Ambiente (Biorremediación)

Los microorganismos también pueden ser utilizados para el cuidado del Medio Ambiente:

• Biodegradación del petróleo: Algunas bacterias son capaces de descomponer el petróleo y sus derivados, por lo que se usan en la lucha contra los vertidos de crudo en el mar.
• Degradación de plásticos y plaguicidas.
• Depuración de aguas residuales: Debido al alto contenido de materia orgánica e inorgánica de esta agua, deben ser tratadas antes de ser devueltas al mar o a los ríos. Este tratamiento se realiza en las plantas depuradoras. Los tratamientos secundarios en estas plantas están ligados a procesos de degradación mediante microorganismos.
• Fabricación de biocarburantes: Son combustibles usados en la automoción. El biodiésel se obtiene por la esterificación de triglicéridos con alcoholes. El bioetanol se obtiene por la fermentación de azúcares procedentes de cereales, remolacha, caña de azúcar o residuos orgánicos.

5. Los Microorganismos en la Industria Alimentaria

• Fabricación de bebidas alcohólicas: El vino se forma por una fermentación alcohólica que llevan a cabo las levaduras sobre los azúcares del zumo de uva. La cerveza es producida por la fermentación alcohólica de cebada, maíz o arroz por levaduras.
• Producción de vinagre: Resulta de la conversión del alcohol etílico del vino en ácido acético por la acción de las bacterias del vinagre.
• Derivados lácteos: En la fabricación de estos productos, la lactosa sufre una fermentación láctica y se convierte en ácido láctico. Esto hace descender el pH, lo que coagula las proteínas que se separan del suero y constituyen la cuajada.