La Microbiología es la ciencia que estudia los microorganismos, todos aquellos seres vivos que son visibles únicamente con la ayuda del microscopio. Dichos microorganismos, a pesar de su pequeño tamaño, son capaces de realizar todas las funciones vitales que caracterizan a los seres vivos.
Los microorganismos componen un grupo muy heterogéneo, tanto que se encuentran microorganismos formando parte de tres de los cinco reinos en los que tradicionalmente se siguen clasificando los seres vivos. Existen microorganismos procariotas (bacterias) o eucariotas (protistas y hongos). Existen microorganismos unicelulares aunque también los hay que forman asociaciones sencillas. Todos presentan una amplia gama de capacidades metabólicas lo que les ha permitido colonizar una gran variedad de ambientes.
Los pequeños «animáculos», como los denominó Leeuwenhoek, pueden tener efectos perjudiciales para el ser humano, ya que son responsables de numerosas enfermedades.
Por otra parte los microorganismos desempeñan un papel fundamental en los ciclos biogeoquímicos de la naturaleza y su utilidad práctica en el ámbito de la biotecnología es innegable (fermentaciones, eliminación de residuos, ingeniería genética etc.
Durante mucho tiempo la ciencia creyó en la denominada generación espontánea. El mayor opositor a dicha teoría fue el gran científico francés Louis Pasteur, quien no podía concebir que una célula viva, tan compleja, pudiera generarse espontáneamente a partir de sustancias inanimadas. Pasteur demostró que la generación espontánea no existe, y es considerado, junto con Robert Koch, el padre de la Microbiología.
1. Concepto de microorganismo
Entendemos por microorganismo todo aquel ser vivo que, por su reducido tamaño, sólo es observable mediante la utilización de microscopios. Predominantemente son unicelulares, si bien pueden formar asociaciones de tipo colonial.
El concepto anterior es muy heterogéneo, tanto por el tamaño y la organización que presentan los seres considerados microorganismos como por sus características funcionales y evolutivas así como por la variedad de medios que habitan. Por ello dentro del concepto de microorganismo se incluyen organismos pertenecientes a diversos grupos taxonómicos y algunos otros que, aunque no son verdaderos seres vivos, influyen decisivamente en la vida de estos.
El estudio de los microorganismos lo lleva a cabo una rama de la Biología, la Microbiología, cuyo desarrollo ha ido estrechamente vinculado al de las técnicas de microscopía.
Los primeros pasos de la Microbiología comienzan con R. Hooke, quien en 1664 describió los cuerpos fructificantes de los mohos.
Una década después, A. van Leeuwenhoek observó microorganismos unicelulares procariotas y eucariotas y los denominó minúsculos animáculos.
El verdadero nacimiento de la Microbiología, como ciencia experimental se produjo a finales del siglo XIX, alrededor del planteamiento y resolución de dos grandes problemas:
a) La teoría de la generación espontánea, refutada por Pasteur en 1859.
b) El establecimiento de la teoría microbiana de las enfermedades infecciosas, enunciada por R. Koch en 1876:
· El microorganismo causante debe aparecer en todos los individuos enfermos y estar ausente en los sanos.
· Se deben obtener cultivos puros del agente causante.
· La inoculación de cultivos puros del microorganismo debe hacer que el organismo desarrolle la enfermedad.
· El mismo agente debe poder aislarse de los organismos inoculados e identificado en cultivo puro.
Estos postulados de Koch son válidos para muchos microorganismos-enfermedades pero no para la sífilis o los virus.
Los cultivos puros o axénicos (cultivos clonales obtenidos a partir de una sola célula) son muy importantes en el estudio de los microorganismos.
Pasteur contribuyo a la microbiología de forma muy diversa, son de destacar sus trabajos sobre fermentaciones y sobre todo el desarrollo científico de la vacunación (descubrió la vacuna contra la rabia), lo que también facilitó el desarrollo de la Inmunología como ciencia.
Koch, además de demostrar que las enfermedades infecciosas están causadas por microorganismos, es el descubridor de los microorganismos productores de la tuberculosis y del cólera.
Durante el siglo XX os descubrimientos en el campo de la Genética molecular, así como el de las técnicas de investigación, fueron la base sobre la que se asentó el desarrollo de la Microbiología.
Uno de los hechos científicos más notables del siglo XX ha sido el desarrollo de la quimioterapia, gracias a la obtención de sustancias como los antibióticos (descubiertos por Fleming) sumamente efectivas en el tratamiento de diversas patologías, así como la producción masiva de vacunas más seguras y efectivas.
Por otra parte los microorganismos han tenido un enorme aprovechamiento en sectores como el industrial, el medioambiental, el agroalimentario o el farmacéutico, sin olvidar el papel clave que desempeñan en la ingeniería genética. Por todo esto podemos afirmar que la Microbiología ha abierto el camino al desarrollo de las nuevas biotecnologías.
2. Grupos principales de microorganismos
La Microbiología estudia un conjunto muy heterogéneo de organismos que tienen en común dos características fundamentales:
a) Su tamaño microscópico.
b) La metodología de trabajo, cultivo, aislamiento y estudio.
Como ya hemos dicho en la introducción, los microorganismos se distribuyen en tres reinos: Monera (bacterias) con organización típicamente procariota, Protoctista (protozoos, algas y hongos mucosos) y Fungi (hongos), estos dos últimos constituidos por células con organización eucariótica. Se incluyen dentro de esta categoría los virus, organismos acelulares.
3. Formas acelulares: los virus
Son microorganismos muy sencillos constituidos por un ácido nucleico, una cápsula (cápsida) proteica y, en ocasiones, una envoltura membranosa. Carecen de metabolismo propio, ya que no poseen enzimas para poder llevarlo a cabo. Para su reproducción requieren materia, energía y el sistema enzimático de otro ser vivo, por lo que siempre son parásitos obligados.
Son formas acelulares, a mitad de camino entre el mundo inorgánico y el mundo orgánico, caracterizados pro reproducirse únicamente en el interior de células vivas. En la actualidad se les define como elementos genéticos que se replican independientemente de los cromosomas de una célula huésped pero no independientemente de esta.
El término virus viene del latín, tomado originalmente con el significado de veneno o fluido ponzoñoso.
Su tamaño no excede de los 2500 Å (una bacteria como Eschirichia coli tiene un tamaño de 25 000 Å por 10 000 Å).
3.1 Estados víricos
Los virus se pueden encontrar en dos estados diferentes, un estado extracelular y otro intracelular, cuyas diferencias se muestran en la tabla:
3.2 Clasificación de los virus
3.2.1 Clasificación por su forma
Según este criterio se distinguen cuatro tipos de virus:
a) Virus Icosaédricos. Se caracterizan por presentar forma poliédrica en forma icosaedro, es decir tienen 12 vértices, 20 caras triangulares (triángulos equiláteros) y 32 aristas.
Está formada por la unión de unas unidades más pequeñas denominadas capsómeros que a su vez están formados por una o varias estructuras proteicas (protómeros). Como ejemplo podemos citar el virus productor de la poliomielitis.
b) Virus helicoidales. Presentan aspecto de cilindro hueco en el que los capsómeros se ordenan helicoidalmente formando una estructura tubular en cuyo interior se sitúa el ácido nucleico.
Los capsómeros suelen estar formados por un único tipo de proteína y se disponen helicoidalmente alrededor del ácido nucleico.
La anchura de la cápsida es de 175 Å y su longitud máxima es de 3000 Å. A este grupo pertenecen en virus del mosaico del tabaco VTM o el productor de la rabia.
c) Virus complejos. Este tipo de organización aparece en algunos virus especializados en parasitar bacterias (bacteriófagos). La cápsida tiene dos partes, una, denominada cabeza, de tipo icosaédrico, en cuyo interior se localiza el ácido nucleico, y otra, denominada cola, de tipo helicoidal, adaptada para inyección del ácido nucleico en el interior de la bacteria. La cola termina en una zona denominada placa basal que presenta unas espinas basales y de la que parten unas fibras denominadas fibras caudales. La placa basal puede tener enzimas y ATP cuya función es destruir la pared bacteriana.
d) Virus con envoltura. Existe un grupo de virus como los que producen la viruela, la gripe o el SIDA poseen una envoltura de tipo membranosa alrededor de la cápsida. Dicha envoltura procede de la célula huésped parasitada. En la envoltura aparecen proteínas destinadas a reconocer la célula huésped e inducir la penetración del virión mediante fagocitosis. La síntesis de estas proteínas está regulada por genes víricos.
a) Tipo I: ADN bicatenario, es decir, de dos hebras de ADN.
b) Tipo II: ADN monocatenario, es decir, de una hebra de ADN.
c) Tipo III: ARN bicatenario. Se transcribe de ARN a ARN mensajero.
d) Tipo IV: ARN monocatenario (+). No es necesaria su transcripción. Se lee directamente como ARN mensajero.
e) Tipo V: ARN monocatenario (-). El ARN vírico debe ser transcrito a ARN mensajero.
f) Tipo VI: ARN monocatenario (+). El ARN es transcrito a ADN utilizando una enzima llamada transcriptasa inversa. Posteriormente, el ADN sintetizado es transcrito a ARN.
3.2.3 Clasificación por si tienen envoltura
Los virus carecen de funciones de nutrición pues no requieren energía para desarrollar ninguna actividad ni materia para crecer.
Así mismo carecen de funciones de relación pues el contacto con las células hospedadoras es al azar.
Las funciones de reproducción son las que constituyen el llamado ciclo vital. El genoma de un virus contiene un escaso número de genes, suficiente para inhibir la expresión génica de la célula hospedadora y obligarla a transcribir y traducir su breve pero virulento mensaje.
Estudiaremos el ciclo vital de un bacteriófago y el de un retrovirus.
3.3.1 Ciclo vital de un bacteriófago o fago T4
a) Fase de fijación o adsorción. El bacteriófago se fija, primero mediante las fibras caudales y después clavando las espinas basales, en la pared bacteriana.
b) Fase de penetración. Mediante la acción de enzimas lisozimas, situadas en su placa basal, perfora la pared celular y luego contrae su vaina e introduce el eje tubular de modo que el ADN del virus pasa al citoplasma bacteriano.
c) Fase de eclipse. Durante este tiempo no se observan virus en el interior de la célula infectada. Es en esta fase cuando el ácido nucleico del virus, utilizando la maquinaria metabólica de la bacteria, se reproduce, sintetizándose nuevas moléculas de dicho ácido nucleico y moléculas proteicas que constituirán los capsómeros del virus.
d) Fase de ensamblaje. Los capsómeros se reúnen formando la cápsida, mientras que el ácido nucleico se repliega y penetra en la misma.
e) Fase de lisis o liberación. Es la fase final, los nuevos virus formados salen al exterior debido a la acción de una enzima, la endolisina, que induce la lisis de la bacteria. Esos virus ya son capaces de infectar a otra bacteria.
3.3.2 Ciclo vital de un retrovirus
Son virus que presentan envoltura membranosa con glucoproteínas, cápsida y una molécula de ARN asociada a una enzima transcriptasa inversa. Es el caso del virus de la gripe o el del SIDA. Su ciclo vital también consta de cinco fases:
a) Fase de adsorción. Las glucoproteínas de la envoltura entran en contacto con receptores de la membrana celular (glucoproteínas) e inducen a la célula a fagocitar al virus que pasa al interior celular dentro de un fagosoma o endosoma.
b) Fase de penetración. Las membranas del fagosoma y del virus se fusionan, liberando las moléculas de ARN vírico, proteínas accesorias y de ARN polimerasa al citoplasma. Después se produce la desencapsidación, quedando el ARN vírico liberado de la cápside.
Estas proteínas y el ARN forman un complejo que es transportado al núcleo celular, donde la ARN polimerasa comienza a transcribir copias complementarias positivas del ARN inverso (antisentido).
c) Fase de eclipse. En ella no se aprecian virus en el interior de la célula, pero el metabolismo celular es dirigido por el ARN vírico. Dicho ARN, gracias a la acción de la transcriptasa inversa, da lugar a una copia de ADN. A partir de esta se produce la transcripción que dará lugar a nuevas moléculas de ARN vírico, y la traducción que dará lugar a nuevas moléculas de proteínas víricas, a la transcriptasa inversa y a las glucoproteínas de la envoltura del virus. El ADN celular no es destruido.
El ARN vírico puede ser devuelto al citoplasma y traducido, o permanecer en el núcleo. Las proteínas víricas recién creadas son secretadas mediante el aparato de Golgi hacia la superficie celular o transportadas de vuelta al núcleo para fijarse al ARNv y formar nuevas partículas víricas. Otras proteínas víricas tienen múltiples acciones en la célula huésped, incluyendo la propia degradación del ARN celular con el fin de emplear los nucleótidos resultantes para la síntesis de más ARNv e inhibiendo la transcripción del ARN celular. El genoma vírico está compuesto por ocho segmentos de ARN de una sola cadena (monocatenario).
d) Fase de ensamblaje. Se produce la formación de la cápsida a la vez que el ARN vírico, asociado a la transcriptasa inversa, se introduce en su interior. Los virus ya formados migran hacia la superficie celular. Después, el virus se desplaza hacia la periferia celular. Las glucoproteínas víricas se introducen en la membrana de la célula huésped.
e) Fase de liberación. Los virus inducen la aparición de vesículas en la membrana celular, un proceso de gemación, y se introducen en ellas. Posteriormente se separan de la célula huésped quedando rodeados de la parte de membrana que posee glucoproteínas víricas. En este caso no se produce la lisis de la célula.
Existen casos en los que los virus al infectar a la célula huésped no la destruyen (ciclo lítico), sino que el ácido nucleico vírico se incorpora al ADN celular. A estos virus se les denomina virus atenuados o profagos y a la célula receptora célula lisógena.
El ácido nucleico vírico o profago puede permanecer en forma latente durante varias generaciones, hasta que un estímulo induzca la separación del profago que iniciará un ciclo lítico típico. Mientras la célula posea el profago, será inmune frente a las infecciones de virus de la misma especie que aquel. Esta inmunidad se heredará de generación en generación, ya que el profago se hereda junto con el ADN celular.
Actualmente se cree que el enriquecimiento genético de los seres vivos, que puede dar lugar a procesos en la evolución de las especies, puede deberse en parte al transporte de genes realizado por los virus, que al infectar y quedar en estado de profago dan lugar a un enriquecimiento del genotipo de la célula huésped.
Un ejemplo típico sería el del VIH. Este retrovirus sigue un esquema similar al estudiado antes pero el ADN formado gracias a la transcriptasa inversa se integra en el ADN de la célula gracias a la intervención de una enzima llamada integrasa. A partir del ADN se produce ARN y proteínas que permitirán formar nuevos virus. El provirus (ADN vírico integrado en el ADN de la célula huésped) puede estar inactivo mucho tiempo sin producir nuevas copias del VIH (células quiescentes con virus latente).
En el caso del VIH, el virus recién formado es inmaduro, y es necesaria la actuación de otra enzima, la proteasa del VIH para que madure y pueda resultar infeccioso, transformándose en un VIH maduro.
Podemos distinguir, por lo tanto distintos tipos de infecciones víricas: líticas (rotura de las células con liberaciones masivas de virus), persistentes (liberación progresiva de virus sin romper la célula), latentes (multiplicación inapreciable hasta que bajan las defensas del hospedador) e incluso tumorales (hay virus oncogénicos que al interactuar con el ADN celular transforman las células hospedadoras en células cancerosas).
3.4 Otras formas acelulares
Además de los virus podemos encontrar otras formas acelulares que, siendo inertes fuera de las células, pueden introducirse en las mismas causando cambios en su desarrollo e incluso la muerte. Los más destacables son:
a) Transposones; son secuencias de ADN bicatenario que se introducen en el ADN celular. Si el transposón se inserta dentro de un gen, éste se inactiva (o provoca alteraciones en la síntesis proteica).
Estas secuencias tienen capacidad replicativa, así que cuanto más se repliquen, más transposones aparecerán en la célula, pudiendo inactivar un gran número de genes.
b) Viroides; son secuencias de ARN circular que interfieren con el ARN celular. Se han encontrado sólo en núcleos de células vegetales, sobre todo, en cítricos.
Pueden actuar como ribozimas y catalizar su propia replicación. Por esto se las considera las secuencias más antiguas, anteriores a las células más primitivas, es decir, antes de la formación del primer ser vivo.
c) Priones; son proteínas alteradas que actúan provocando un cambio conformacional en proteínas normales, transformándolas en proteínas alteradas. Este cambio provoca la pérdida de la función en la proteína, pudiendo generar graves alteraciones en la célula.
Éste es el caso del síndrome de las "vacas locas" o la encefalopatía espongiforme bovina y su variante en la especie humana, la enfermedad Creutzfeldt-Jakob.
En esta presentación podéis ver más imágenes y datos sobre las formas acelulares
4. Microorganismos con organización celular procariota
4.1. Dominio Bacteria
4.1.1 Sistemática del dominio Bacteria
La sistemática de las bacterias es compleja y hay varios grupos de bacterias gram-, dos grupos de bacterias gram+. No olvidemos que las arqueas son organismos procariotas pero evolutivamente separados de ellas (de hecho más próximos a los organismos eucariotas).
4.1.1.1 Bacterias gram-
Este tipo de bacterias presentan una pared celular de tipo gram- con una fina capa de peptidoglucano y una membrana externa y en ellas se presentan grupos con metabolismo muy diverso. Algunos ejemplos importantes son:
· bacterias fotosintéticas oxigénicas (cianobacterias) y anoxigénicas (bacterias púrpuras y verdes).
· bacterias quimiolitotrofas (bacterias del hierro y el azufre, bacterias nitrificantes).
· bacterias fijadoras del nitrógeno atmosférico (Rhizobium-simbiosis con leguminosas, Azotobacter-vida libre).
· bacterias quimioorganotrofas (Pseudomonas). Importantes para degradar contaminantes orgánicos.
· enterobacterias (bacterias que viven en el tracto intestinal y pueden ser beneficiosas o perjudiciales).
Algunos grupos de bacterias gram- presentan procesos de diferenciación celular como el desarrollo de prostecas o hifas formadoras de yemas.
Otras forman cuerpos fructíferos (estructuras que se forman durante el ciclo biológico de las mixobacterias-bacterias deslizantes constituido por un agregado de mucus, restos celulares y células en estado de diferenciación que forman las mixosporas).
4.1.1.2 Bacterias gram+
Las bacterias gram+ poseen paredes con una gruesa capa de peptidoglicano. Todas ellas tienen metabolismo quimioorganotrofo: algunas son respiradoras (aeróbicas o anaeróbicas), otras son fermentativas, otras pueden realizar ambos metabolismos según lo necesiten. Por ejemplo, Lactobacillus produce ácido láctico por fermentación, Bacillus un metabolismo respiratorio aeróbico y Clostridium son anaerobios estrictos.
Bacillus y Clostridium producen endosporas, formas de resistencia que soportan condiciones ambientales adversas (altas temperaturas, radiaciones, desecación, etc). Las endosporas pueden ocupar una posición central, terminal o subterminal, y en algunos casos deforman la pared de la célula en la que se encuentran. Estas formas diferenciadas en el interior de la célula no presentan un metabolismo apreciable y están rodeadas de una gruesa cubierta o “pared esporal”. Una vez liberadas de la célula, resisten durante largos periodos de tiempo (incluso cientos de años), hasta que en condiciones ambientales favorables germinan y originan una nueva célula que crece y se reproduce.
Entre las bacterias gram+ también se incluyen, por su relación filogenética, los micoplasmas. Estas bacterias pleomorfas (formas variables según el ambiente) carecen de pared celular y son parásitos obligados de otros seres vivos. Provocan diversas enfermedades relacionadas con las vías urinarias y respiratorias. Algunos tienen esteroles en su membrana, lo que les da una mayor rigidez. Están entre las bacterias más pequeñas (0,3-0,8 μm).
Otras bacterias gram+ son los actinomicetos. Estas bacterias con formas bacilares o filamentosas ramificadas fueron consideradas hongos en un primer momento por su analogía con un micelio fúngico. Algunos actinomicetos producen antibióticos.
4.2. Dominio Archaea
Posiblemente son los organismos más antiguos y por eso reciben su nombre (del griego arkhaios = antiguo) y aparecerían, casi con toda seguridad, hace unos 4 000 millones de años, en el momento del origen de la vida en nuestro planeta.
La mayoría de las arqueas son extremófilas. Algunas arqueas sobreviven a altas temperaturas, a menudo por encima de 100 °C, como las que hay en los géiseres, chimeneas mineralizadas, y pozos de petróleo. Otros viven en hábitats muy fríos, y otros en aguas altamente salinas, ácidas o alcalinas. Sin embargo, otras arqueas son mesófilas ya que viven en condiciones mucho más suaves y húmedas como las alcantarillas, los océanos y el suelo.
Características de las arqueas:
a) Organización celular procariota.
b) Presentan genes y rutas metabólicas más parecidas a las de los eucariotas que a las bacterias (especialmente relacionadas con la transcripción y la traducción). Su metabolismo es fundamentalmente respiratorio (aerobio o anaerobio)
c) sus paredes celulares no tienen peptidoglicano como en las paredes celulares bacterianas.
d) Sus lípidos de membrana tienen enlaces éter en lugar de éster (como ocurre en bacterias y eucariotas).
Las arqueobacterias hipertermófilas contienen lípidos especiales que forman monocapas muy rígidas, constituidas por dos moléculas de glicerol unidas covalentemente entre sí por lípidos. Esto las hace muy resistentes y estables en esos ambientes de altas temperaturas.
e) Las arqueas se reproducen asexualmente por fisión binaria o múltiple, fragmentación o gemación.
f) Presentan una gran cantidad de intrones en su ADN (lo que las acerca mucho más a los eucariotas que a las bacterias).
g) Son extremófilas.
Clasificación de las arqueas:
El dominio Arquea incluye tres tipos principales de organismos basándose en su metabolismo y su hábitat:
a) Metanógenos (procariotas que producen metano).
b) Halófilos extremos (procariotas que viven a altas concentraciones de sal).
c) Hipertermófilos (procariotas que viven a altas temperaturas).
En las presentaciones podéis mirar más dibujos/fotografías y algún dato más
5. Microorganismos con organización celular eucariota
5.1. Reino Protista
Los protistas son microorganismos con una organización celular típicamente eucariota, unicelulares o coloniales, en los que no existe diferenciación tisular (no presentan tejidos).
Se incluyen en este grupo los protozoos, las algas microscópicas y los hongos mucosos.
Desde un punto de vista evolutivo, los protistas constituyeron las primeras células eucarióticas ancestrales, que posteriormente originaron líneas evolutivas muy diversas, algunas de las cuáles evolucionaron hasta dar lugar a los eucariotas superiores (hongos, plantas y animales).
5.1.1 Protozoos
Tradicionalmente, entre los protozoos se han incluído microorganismos eucariotas que presentan movilidad (cilios, flagelos, pseudópodos, deslizamiento, …). Incluyen tanto grupos de organismos fotosintéticos con cloroplastos como heterótrofos y organotrofos.
Muchos protozoos están incluidos tanto en las clasificaciones zoológicas como en las botánicas; sin embargo, estos organismos no pueden considerarse animales ni plantas. El término protozoo significa, literalmente, “los primeros seres vivos”, ya que el sufijo -zoa se refiere a la vida en general, aunque tradicionalmente se ha identificado con los animales.
En general, los protozoos se dividen asexualmente por fisión binaria, aunque también pueden ocurrir procesos sexuales, especialmente cuando las condiciones son adversas.
Algunos protozoos presentan quistes de resistencia (células sin metabolismo apreciable rodeadas de una gruesa cubierta protectora) o esporas (formas d resistencia rodeadas de una envuelta característica, que se originan a menudo en unas células especializadas denominadas esporoblastos o esporoquistes).
Su sistemática es muy compleja pero en la tabla podemos distinguir los principales grupos en función a su movilidad, metabolismo y ecología (aunque son caracteres artificiales).
Echad un ojo a las fotografías y dibujos con ejemplos
Las algas son organismos eucariotas, mayoritariamente fotosintéticos, por lo que presentan cloroplastos. Se reproducen tanto asexual como sexualmente.
Únicamente se consideran protistas las formas unicelulares o coloniales microscópicas y se excluyen, por tanto, algunas especies marinas de algas rojas y pardas, de gran tamaño, que llegan a alcanzar hasta 30 m de longitud.
Muchas algas microscópicas se desplazan mediante flagelos, por lo que también se consideran protozoos fitoflagelados, aunque algunos grupos inmóviles, como las algas conjugadas y las diatomeas (con valvas o caparazones silíceos) son exclusivas de este grupo.
La mayoría de las algas tienen paredes celulares celulósicas o quitinósicas y presentan variados polímeros como reserva (solo algunos grupos sintetizan almidón como las plantas superiores).
Los dinoflagelados son un grupo de protistas, que se incluyen tanto entre los protozoos como entre las algas unicelulares, mayoritariamente fotosintéticos y que presentan crecimientos exponenciales en las zonas costeras en determinados momentos (especialmente primavera). Algunas especies segregan toxinas que pueden acumularse en los moluscos filtradores y al ser ingeridos causar graves problemas a peces, mamíferos marinos y el hombre. Por eso durante estas "mareas rojas" se prohíbe la pesca y el marisqueo.
Las algas son organismos acuáticos y forman los componentes habituales del fitoplancton, aunque también es posible encontrarlas en suelos, rocas, troncos de árboles o superficies húmedas.
Su sistemática es muy compleja aunque podemos destacar los principales grupos de algas unicelulares.
5.1.3 Hongos mucosos
Los hongos mucosos son organismos eucariotas quimiorganoheterótrofos que presentan un ciclo de vida complejo, en el que se pueden alternar fases flageladas o ameboides de células aisladas con fases de plasmodio o pseudoplasmodio (masa celular en la que las células conservan su individualidad pero se mueven como un todo). En condiciones adversas forman cuerpos fructíferos en los que se diferencian las esporas.
Los hongos constituyen un grupo de microorganismos eucariotas unicelulares o filamentosos que se alimentan por absorción de los nutrientes. Producen enzimas extracelulares que permiten la hidrólisis de polímeros complejos para obtener sustancias más sencillas, que absorben a través de su pared y su membrana.
Se encuentran ampliamente distribuidos en todo tipo de hábitats, aunque la mayoría vive en el suelo o en la materia en descomposición.
Algunos hongos son parásitos de plantas o de animales, por lo que tienen una importancia agrícola y sanitaria considerable. También están implicados en procesos de biodeterioro de alimentos y otros productos.
Estructura de los hongos
Los hongos poseen paredes celulares rígidas compuestas en general por quitina, más raramente por celulosa o, en algunos casos, por ambas.
Todos los hongos, con excepción de los unicelulares (levaduras) presentan una estructura denominada micelio vegetativo, constituida por un sistema de hifas o filamentos simples o ramificados cuya función es la absorción de nutrientes. Las hifas de los hongos superiores pueden tener tabiques o septos, mientras que los inferiores o cenocíticos carecen de ellos.
Algunas hifas se diferencian del resto y constituyen el micelio reproductor, también llamado micelio aéreo porque suele erguirse sobre la superficie, en el que se originan las esporas o estructuras reproductoras.
Reproducción de los hongos
Los hongos se reproducen tanto asexual como sexualmente.
Las levaduras (unicelulares) se reproducen por bipartición o gemación.
Los hongos filamentosos tienen esporas asexuales que se originan por mitosis en el extremo de hifas especializadas (conidióforos) o en estructuras reproductoras características (esporangios).
La reproducción sexual tiene lugar mediante la fusión de gametos unicelulares o de hifas especializadas (gametangios).
Las esporas sexuales que se forman en el extremo de una hifa (basidio) se denominan basidiosporas y las que crecen en el interior de una estructura con forma de saco (asca) reciben el nombre de ascosporas. Las levaduras también producen esporas sexuales.
En la naturaleza, los organismos viven en comunidades complejas formadas por diversas poblaciones que interaccionan entre sí y con el medio ambiente que les rodea. Las actividades metabólicas de una/s población/es pueden provocar variaciones en las condiciones fisicoquímicas del medio, y estas alteraciones pueden alterar las comunidades biológicas.
6.1 El ciclo de la materia
La materia circula en la naturaleza entre los seres vivos y el medio abiótico en un sistema cerrado, en el que prácticamente no se producen pérdidas: todos los nutrientes son recuperados por el ecosistema (no toda la energía pues una parte se perderá en forma de calor).
Los organismos productores elaboran los compuestos orgánicos a partir de un compuesto inorgánico, el CO2, y utilizan como fuente de energía la luz (fotoautótrofos) o compuestos inorgánicos simples (quimiolitotrofos). La materia orgánica elaborada por los productores es esencial para el resto de los organismos vivos, que la utilizan como fuente de energía y carbono.
Los organismos consumidores (herbívoros, carnívoros y detritívoros) aprovechan la materia orgánica sintetizada por los productores alimentándose de ellos o de otros organismos consumidores.
Los organismos descomponedores son microorganismos que degradan la materia orgánica en descomposición y la remineralizan de forma que puede ser utilizada de nuevo por los productores; de este modo se origina un nuevo ciclo.
Los distintos niveles tróficos entre los que se transfieren materia y energía constituyen una cadena trófica.
Existen dos grandes reservorios de carbono en la Tierra:
a) Depósitos poco activos de rocas carbonatadas (dolomitas y calizas), combustibles fósiles y sedimentos (humus orgánico) que difícilmente llegan a los seres vivos. La actividad humana puede devolver el carbono almacenado en estos reservorios, principalmente por combustión. También puede liberarse en los procesos volcánicos.
b) La atmósfera es el reservorio de carbono más activo biológicamente (en forma de CO, CO2 y CH4). Además hay formas inorgánicas de carbono disueltas en la hidrosfera (carbonato y bicarbonato), en equilibrio con el CO2 atmosférico.
En el ciclo del carbono se va a producir un intercambio entre las formas inorgánicas y las orgánicas que podemos resumir en tres etapas:
a) Los organismos productores autótrofos incorporan el CO2 en la materia orgánica. En condiciones aerobias, el CO2 es fijado por fotosíntesis oxigénica (plantas, protistas y cianobacterias) y, en ausencia de oxígeno, por fotosíntesis anoxigénica (bacterias fotosintéticas verdes y púrpuras). Las bacterias quimiolitotrofas fijan el CO2 principalmente en aerobiosis.
b) El carbono orgánico es utilizado por los consumidores aerobios o anaerobios (animales, protistas y bacterias), que emplean los compuestos orgánicos como fuente de carbono y energía.
c) Los organismos descomponedores (bacterias y hongos) utilizan la materia orgánica en descomposición, procedente fundamentalmente de la muerte de organismos vivos, y remineralizan el CO2 por respiración anaeróbica o por fermentación.
Las arqueas metanogénicas utilizan el CO2 generado por la actividad metabólica de distintos grupos bacterianos en anaerobiosis y producen metano que, a su vez, es oxidado de nuevo hasta CO2 atmosférico, en condiciones aeróbicas, por las bacterias metanotrofas.
6.3 El ciclo del nitrógeno
El nitrógeno es un elemento imprescindible para los seres vivos, pues forma parte de biomoléculas como las proteínas y los ácidos nucleicos. Los microorganismos desempeñan un papel muy importante en las transformaciones biogeoquímicas de este elemento, puesto que hay conversiones metabólicas de algunos compuestos nitrogenados que solo ellos pueden realizar.
El principal reservorio de nitrógeno es la atmósfera, en la que se halla en forma de N2 (muy estable químicamente). También se encuentra en el humus orgánico y en las rocas sedimentarias, en las que permanece prácticamente inmovilizado (salvo en erupciones volcánicas) y no puede ser utilizado por los seres vivos. Las reservas más activas son los compuestos inorgánicos solubles en agua como amonio, nitritos y nitratos.
En el ciclo del nitrógeno se dan cinco actividades biológicas fundamentales:
a) Fijación de nitrógeno; consiste en la conversión del N2 gaseoso en amonio (NH4+). La llevan a cabo exclusivamente las bacterias fijadoras de nitrógeno, algunas de las cuales realizan esta actividad en el suelo o en el agua, mientras que otras solo fijan nitrógeno en simbiosis con plantas superiores.
Como el N2 es muy estable convertirlo a amonio es muy costoso energéticamente pero permite la colonización de ambientes pobres en nitratos o amonio haciendo el N2 asimilable por otros organismos.
Esto se consigue con la enzima nitrogenasa. Esta enzima se inactiva en presencia de O2 así que debe realizar su función en anaerobiosis o con elementos para aislarla del O2 (altas tasas respiratorias que gastan el O2, los heterocistos de algunas cianobacterias o los nódulos de las raíces de las leguminosas en simbiosis con Rhizobium que tienen una proteína que “secuestra” el O2).
b) Amonificación; la mayoría de los seres vivos metabolizan el nitrógeno orgánico y producen amonio, que es excretado, o bien como urea o como ácido úrico, por los organismos superiores. El amonio puede ser degradado posteriormente por las bacterias amonificantes.
c) Nitrificación; la conversión de amonio en nitrato la llevan a cabo únicamente las bacterias quimiolitotróficas, que utilizan el amonio y los nitritos, sucesivamente, como fuente de energía, y liberan nitratos. Estas bacterias son aerobias y tienen un metabolismo respiratorio.
d) Asimilación; este proceso implica la utilización de amonio o nitratos por las plantas y otros organismos vivos, que lo incorporan en sus proteínas y ácidos nucleicos. Los animales asimilan el nitrógeno en la dieta, al consumir compuestos nitrogenados vegetales.
e) Desnitrificación; consiste en la conversión de nitratos en nitrógeno gaseoso; este proceso lo realizan las bacterias desnitrificantes, que oxidan los compuestos orgánicos por respiración anaerobia, utilizan el nitrato como aceptor de electrones y liberan, de nuevo N2 gaseoso a la atmósfera. En condiciones anarobias ciertas bacterias pueden llevar a cabo el proceso anaerobio de conversión de nitrato o los nitritos en N2 (este proceso se denomina anammox).
Las rocas y los sedimentos en los que el azufre se encuentra inmovilizado, como el yeso (CaSO4) y la pirita (FeS2), constituyen los reservorios principales de este elemento.
Sin embargo, los mares y océanos contienen una mayor cantidad de azufre disponible para la actividad biológica en forma de sulfato inorgánico. Asimismo, el azufre contenido en la materia orgánica de las células vivas o muertas constituye un reservorio pequeño, pero muy activo.
Las principales transformaciones biológicas transcurren entre dos estados de oxidación del azufre: el sulfato (SO42-) y el sulfuro de hidrógeno (H2S).
Las etapas más importantes del ciclo del azufre son:
a) Reducción del sulfato; el sulfato puede ser asimilado por plantas y microorganismos que lo reducen a sulfuro, que es la forma más habitual en las moléculas orgánicas que presentan el azufre entre sus componentes (reducción asimilatoria de sulfatos).
Ciertos microorganismos pueden mineralizar el azufre de los compuestos orgánicos liberando sulfuro de hidrógeno mediante un proceso que se denomina desulfuración.
Por otra parte, las bacterias reductoras de sulfato pueden reducirlo a sulfuro de hidrógeno utilizándolo como aceptor de electrones en una respiración anaeróbica; este proceso se conoce con el nombre de reducción desamilatoria de sulfatos y es especialmente importante en sedimentos marinos.
b) Oxidación de sulfuros y azufre elemental; la oxidación biológica de sulfuros y azufre elemental a sulfatos es también un proceso que solo llevan a cabo dos grupos de bacterias:
· Bacterias quimiolitotrofas del azufre; utilizan los compuestos reducidos de azufre como fuente de energía oxidándolo hasta sulfato o asufre elemental. Estas bacterias son características de ambientes ácidos.
· Bacterias fotosintéticas anoxigénicas del azufre (bacterias púrpuras y verdes del azufre): utilizan los compuestos reducidos del azufre como donadores de electrones en la fotosíntesis y generan sulfato en ambientes anaerobios.
Los reservorios más activos del fósforo se encuentran en el suelo y en el agua en forma de fosfato. Los componentes del fitoplancton y las plantas acuáticas aprovechan los fosfatos e incorporan el fósforo a las cadenas tróficas.
Los microorganismos participan en el ciclo del fósforo por transferencia de formas inorgánicas a orgánicas o solubilizando el fosfato insoluble.
Las actividades metabólicas de los microorganismos inciden notablemente en otros ciclos biogeoquímicos, como el ciclo del hierro.
A pesar de que el hierro es uno de los elementos más abundantes en la corteza terrestre, se encuentra inmovilizado para la mayoría de los seres vivos, que no pueden disponer de él. Las transformaciones biológicas del hierro se producen entre dos estados de oxidación: el hierro (II) o ferroso (Fe2+) y el hierro (III) o férrico (Fe3+).
Los microorganismos son esenciales en varias etapas del ciclo biológico del hierro:
a) Solubilización del hierro; el hierro férrico es insoluble en muchos ambientes alcalinos y neutros (dependiendo de la concentración de oxígeno) y algunas bacterias pueden reducir anaeróbicamente la forma férrica a ferrosa, más soluble, y ponerlo así a disposición de otros organismos. Este proceso tiene lugar en suelos encharcados y sedimentos lacustres anóxicos.
b) Oxidación del hierro; en ambientes ácidos oxigenados, como las aguas de drenaje de minas y los manantiales ácidos, las bacterias quimiolitotrofas del hierro utilizan el ion ferroso como fuente de energía y lo oxidan a la forma férrica. Esto puede usarse en minas, con Thiobacillus ferrooxidans, para aprovechar fuentes con muy baja concentración en hierro mediante un proceso llamado biolixiviación (que solubiliza el hierro).
Los microorganismos pueden participar también en la detoxificación de metales como el mercurio o el arsénico, altamente tóxicos para otros seres vivos.
Los ecosistemas tienden a encontrarse en un estado equilibrado (estable) que, aunque experimenta fluctuaciones de origen natural (cambios diarios y estacionales de luz, temperatura, régimen de lluvias, …), se restablece por sí solo.
Sin embargo, si la alteración es muy duradera, o muy drástica, el ecosistema puede sufrir daños irreversibles, a menos que se lleven a cabo la recuperación y la rehabilitación del mismo (biorremediación y restauración ecológica).
6.8.1. La contaminación y sus consecuencias
Según su procedencia, la contaminación puede ser urbana (originada por los residuos domésticos), industrial y agrícola y ganadera (sobre todo en las explotaciones intensivas).
Se consideran contaminantes las sustancias o agentes físicos, químicos o biológicos que dañan o perjudican el medio ambiente o los organismos vivos.
Podemos clasificar los productos contaminantes en tres grandes grupos:
a) Agentes químicos; pueden ser de varios tipos:
· Sustancias que no son tóxicas para los seres vivos, como la materia orgánica, el fósforo o los compuestos nitrogenados, pero que cuando se vierten en exceso producen la eutrofización del medio acuático.
La eutrofización es un proceso natural de las aguas consistente en un enorme aumento de algas, cianobacterias y plantas acuáticas por las grandes cantidades de nutrientes minerales. Este exceso vegetal agota el oxígeno en la zona profunda provocando la mortalidad de peces y otros seres vivos, acumulación de sustancias tóxicas, acumulación de grandes masas vegetales en superficie (problemas estéticos, olores, impiden navegación). Estas grandes masas vegetales van colmatando el lago, al no descomponerse al caer al fondo, que puede llegar a desaparecer.
· Productos tóxicos, o difícilmente biodegradables, como los biocidas (productos para combatir plagas como el DDT, PBC, ...) y los metales pesados (mercurio, plomo, ...).
También el petróleo y sus derivados contiene sustancias poco biodegradables y dañinas.
Estos contaminantes se incorporan a las redes tróficas y, al no metabolizarse, se bioacumulan; esto provoca que su concentración aumente al ascender por la cadena alimenticia (bioamplificación o biomagnificación). Un ejemplo muy claro y actual es el del mercurio en los peces de mayor tamaño, como el atún o el pez espada.
La lluvia ácida se forma como consecuencia de la utilización masiva de combustibles fósiles (especialmente el carbón). Esta combustión libera SO2 a la atmósfera, donde se combina con el O2 formando SO3. Este se mezcla con el agua de lluvia formando H2SO4 (ácido sulfúrico) que al caer con la lluvia mata a gran parte de los vegetales y contamina suelos, ríos, lagos y acuíferos.
b) Agentes fisicos; los vertidos de agua a elevada temperatura (típico de centrales nucleares o determinadas industrias) puede causar la muerte de peces de agua fría, ciertos residuos físicos pueden obturar órganos vitales, etc
c) Agentes biológicos; son organismos patógenos, principalmente microorganismos, los que generan la contaminación. Por ejemplo, con la contaminación fecal puede aparecer el cólera.
Nuestra capacidad de sobrevivir en el planeta depende del funcionamiento adecuado de procesos coordinados, en los que están implicados cientos de organismos vivos que interaccionan con innumerables elementos abióticos.
Las políticas de evaluación de riesgos y prevención y control de daños ambientales han evolucionado con gran rapidez en los últimos años y han contribuido a la sensibilización ecológica de la población.
En Europa se han llevado a cabo importantes avances en este sentido con la publicación de Directivas Marco que establecen los niveles permitidos de ciertos vertidos en el medio ambiente. Por ejemplo, en el 2001 el Parlamento Europeo publicó el Inventario Europeo de Emisiones Contaminantes, cuyo objetivo es interrumpir o suprimir de forma gradual los vertidos o emisiones de una serie de contaminantes.
Entre las medidas de control ambiental se encuentran:
a) La recopilación y evaluación periódica de datos sobre el estado ecológico del medio ambiente y la detección de posibles contaminantes.
b) El desarrollo de test de toxicidad ambiental, control de calidad ambiental y control sanitario de calidad.
c) El desarrollo de tecnologías de recuperación ambiental y prevención de la contaminación, como la depuración de aguas residuales, la limitación del uso de plaguicidas en la agricultura, ...
El ser humano está en contacto constante con multitud de microorganismos. Denominamos microbiota al conjunto de microorganismos que habitan en un determinado ambiente o en otro ser vivo de mayor tamaño.
Solemos denominar microbiota normal al conjunto de microorganismos asociados a las superficies corporales y las mucosas que generalmente producen efectos beneficiosos sobre el organismo.
Llamamos parásitos a aquellos microorganismos que viven a expensas de otros organismos hospedadores y les causan un perjuicio. Cuando el parásito puede dañar o lesionar las células del individuo parasitado hasta el punto de provocarle una enfermedad le damos el nombre de patógeno.
Tenemos que manejar tres conceptos y sus definiciones:
a) Patogenicidad: capacidad potencial de un microorganismo para producir una enfermedad.
b) Virulencia: grado o medida de la patogenicidad (expresión cuantitativa de la misma) de un microorganismo.
c) Infección: crecimiento y colonización de microorganismos patógenos en un individuo.
Todos los microorganismos pueden llegar a ser patógenos; aquellos que normalmente no causan enfermedades y solo son patógenos bajo determinadas circunstancias, como la inmunodepresión, se denominan patógenos oportunistas.
7.1 Microbiota normal
Los epitelios y mucosas suponen un hábitat adecuado para muchos microorganismos. La microbiota normal en el ser humano habita la piel, la cavidad oral, el tracto respiratorio, digestivo y genitourinario (bioma humano).
Cuando el individuo tiene el sistema inmune en buenas condiciones estos microorganismos no son perjudiciales y compiten con otros microorganismos que sí pueden ser patógenos evitando su proliferación.
En la piel y la cavidad oral abundan las bacterias gram+ y las levaduras. Algunas pueden ocasionar infecciones ocasionales. Por ejemplo Propionibacterium (acné), Streptococcus (placa dental, caries), ….
En el tracto intestinal son comunes las bacterias anaerobias (estrictas o facultativas) gram+ y gram- como Escherichia coli. Forman la flora bacteriana o intestinal que normalmente tiene efectos simbióticos participando en la digestión de los ácidos biliares y aportando vitaminas, como la K, al organismo.
En las mucosas genitales habitan también muchos microorganismos, cuando hay bajadas del pH suelen aparecer proliferaciones de hongos como Candida albicans generando infecciones vaginales.
Los microorganismos deben desarrollar una serie de estrategias para poder crecer a expensas del hodspedador: entrada en el hospedador, adhesión a los tejidos, invasión de las células, desarrollo de la infección y evasión de las defensas del organismo.
Los microorganismos patógenos pueden lograr transmitirse al hospedador mediante varias estrategias:
a) Contacto directo con un foco de infección (a través de las superficies corporales, piel y mucosas, o de secreciones corporales).
b) Por vía aérea, inhalando patógenos contenidos en las micropartículas emitidas con la tos, los estornudos, hablar en voz alta, … Normalmente estos microorganismos viajan en pequeñísimas gotitas que están en suspensión en el aire.
c) Por ingestión de agua o alimentos contaminados (generalmente con microorganismos fecales).
d) Atravesando las barreras corporales mediante brechas (heridas, inyecciones), por la picadura de organismos vectores (chinches, pulgas, mosquitos, …) o a través de la sangre entre la madre y el embrión/feto.
7.2.2 Adhesión a los tejidos
La colonización es mucho más factible si el microorganismo tiene la capacidad de adherirse a los tejidos invadidos. En muchos casos esta adhesión es muy específica (se adhieren selectivamente a determinados receptores celulares).
Een el caso de las bacterias las cápsulas y fimbrias son determinantes. Un ejemplo paradigmático es el de Streptococcus pneumoniae (causante de la neumonía neumocócica). Las cepas con cápsula son virulentas y las que no tienen cápsula, no. Otro sería el de Neisseria Gonorrhoeae (causante de la gonorrea) que usa las fimbrias para adherirse e invadir el epitelio genitourinario.
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Hay microorganismos patógenos que invaden las células. Ya hemos estudiado los ejemplos de los virus con envoltura que fusionan su membrana con la celular al unirse a receptores específicos (por ejemplo el del herpes labial). Algunos patógenos eucariotas también invaden células como es el caso de Plasmodium (causante de la malaria/paludismo) que invade a los eritrocitos.
Algunos patógenos invaden las células próximas a la herida o vía de entrada en el hospedador. Otros deben viajar por la sangre o la linfa hasta encontrar las células/tejidos diana a los que infectan.
Una vez que el patógeno ha conseguido acceder al organismo, o a una parte concreta del organismo, va a empezar a crecer y colonizar el tejido infectado. Cuando es capaz de multiplicarse en la sangre y diseminarse por todo el organismos hablamos de una infección generalizada o septicemia.
Los daños producidos en el hospedador pueden deberse a varias causas:
a) Lesión directa de las células o los tejidos como consecuencia de la actividad y multiplicación del microorganismo. Por ejemplo los virus con ciclos líticos, como el de la polio, provocan la rotura de la célula al liberarse (en este caso destruyen muchas neuronas motoras de la médula espinal y por eso la poliomielitis dejaba graves secuelas motoras en los niños supervivientes). Otro posible ejemplo sería la destrucción de la dermis (incluso de los nervios) como consecuencia de la proliferación intracelular del bacilo causante de la lepra (Mycobacterium leprae).
b) Producción de factores de virulencia; son enzimas extracelulares liberadas por el patógeno y que favorecen el progreso de la infección.
c) Producción de toxinas; algunos patógenos producen sustancias que resultan tóxicas para el organismos. Podemos distinguir entre:
· Exotoxinas; son proteínas solubles que pueden trasladarse desde el lugar de la infección hasta otros tejidos/órganos diana. Se liberan durante el crecimiento del microorganismo y son más dañinas para el hospedador.
Las exotoxinas pueden ser liberadas por los microorganismos durante su crecimiento en el interior del hospedador (toxiinfección), unos ejemplos típicos serían la toxina que causa el tétanos o la toxina que causa el cólera, o sobre un medio propicio para su desarrollo que es ingerido por el hospedador (intoxicación alimentaria), un ejemplo típico es la toxina botulínica producida por Clostridium botulinum, esta bacteria anaerobia puede desarrollarse en ambientes anaeróbicos (como las conservas) y liberar esta toxina (es una de las toxinas más potentes conocidas por el hombre) que causa el botulismo.
· Endotoxinas; son liposacáridos de la membrana externa de la pared celular de las bacterias gram- y causan fiebre, diarrea o vómitos. Solo se liberan con la lisis de la bacteria y son menos perjudiciales para el organismo.
Para combatir el efecto de algunas toxinas microbianas se han desarrollado:
· Antitoxinas; sueros con anticuerpos dirigidos contra la toxina, que causan la neutralización de la misma y evitan sus efectos negativos. Se administra para eliminar la dolencia cuando ya está presente.
· Toxoides; toxinas modificadas que inducen la formación de anticuerpos por parte del sistema inmune del hospedador dirigidos contra la proteína tóxica, evitando la acción de la toxina si esta entra en contacto con el organismo. Funciona de forma preventiva, como una vacuna.
7.2.5 Evasión de las defensas del organismo
La patogeneidad y virulencia de un microorganismo no solo depende de su capacidad invasora y reproductora, sino también de la respuesta del sistema inmunitario del hospedador (como veremos el siguiente tema). Algunos microorganismos han evolucionado desarrollando mecanismos para evitar el ataque por parte de las defensas inmunitarias:
a) Protección frente a la fagocitosis; algunos agentes patógenos evitan ser fagocitados usando distintas estrategias.
Los microorganismos pueden estar en lugares donde no pueden acceder los fagocitos, como la superficie de la piel, o inhiben la unión con los mismos. Por ejemplo Staphylococcus aureus se rodea de fibrina y evita ser reconocido por los macrófagos.
Otros impiden la fagocitosis mediante cápsulas, por ejemplo Neisseria meningitidis, un coco gram- que causa la meningitis meningocócica, o fimbrias, por ejemplo Streptococcus pyogenes, causante de la faringitis estreptocócica.
b) Supervivencia a la fagocitosis; algunos patógenos consiguen evitar su digestión en el interior de los fagocitos, como Mycobacterium tuberculosis, causante de la tuberculosis. Esta bacteria inhibe la fusión de los lisosomas con las vesícula de fagocitosis y posee una pared cérea que interfiere con los mecanismos de destrucción. La tuberculosis es una enfermedad extremadamente contagiosa y en el pasado fue una de las enfermedades con mayor mortalidad.
c) Producción de sustancias que causan un daño directo sobre los fagocitos o una inmunosupresión; por ejemplo, la bacteria Listeria monocitogénesis, causante de la listeriosis (una enfermedad que se transmite al consumir leche no pasteurizada/UHT) provoca la destrucción de los macrófagos. Hay que tener cuidado que esta enfermedad ha vuelto a aparecer con fuerza debido a la peligrosa moda de consumir leche “cruda”. También puede aparecer en alimentos crudos/poco cocinados procesados en instalaciones contaminadas (recordemos el caso de la carne mechada vivido en Andalucía hace poco).
Un caso muy conocido de microorganismo que provoca una inmunosupresión es el VIH, causante del SIDA.
d) Evasión del reconocimiento del sistema inmunitario; algunos patógenos son capaces de modificar sus antígenos (variación antigénica) para evitar ser reconocidos por el sistema inmune. Es característico del virus de la gripe, de Salmonella (salmonelosis, fiebres tifoideas) o de Trypanosoma (enfermedad del sueño, enfermedad de Chagas).
Llamamos enfermedades infecciosas a las enfermedades producidas por microorganismos porque el agente causal de la misma, el microorganismo, es capaz de transmitirse dentro de una población. Podemos distinguir:
a) Enfermedad esporádica; aparece de forma ocasional en la población. Por ejemplo cualquier enfermedad que afecta a un individuo de forma puntual.
b) Enfermedad endémica; aparece de forma constante en área geográfica o grupo de población. Por ejemplo la malaria en determinados países tropicales.
c) Enfermedad epidémica; en un área geográfica o grupo de población, la enfermedad alcanza un número de enfermos muy superior a lo normal (cuando está muy localizada se suele denominar brote). Cada año solemos tener una epidemia de gripe unas dos semanas.
d) Enfermedad pandémica; en este caso hablamos de una epidemia que afecta a una zona transnacional muy amplia. Por ejemplo, la reciente pandemia del coronavirus.
7.4 Control de las enfermedades microbianas
En los últimos años hemos vivido un resurgir de enfermedades (enfermedades emergentes) debido a alteraciones en los patógenos (resistencias, nuevas cepas), en el clima (cambio climático), modas anticientíficas espoleadas por las RR.SS. (antivacunas, antipasteurización, negacionismo), etc
Tenemos que conocer y diferencias cuatro tipos de agentes que se usan para controlar las enfermedades microbianas:
a) Agentes antimicrobianos; sustancias que matan (biocidas) o inhiben el crecimiento (agentes estáticos) de los microorganismos. Según el tipo de microorganismos se denominan como antibacterianos, antivíricos, antifúngicos o antiparasitarios.
b) Agentes desinfectantes; se emplean para eliminar los microorganismos de los objetos inanimados. Por ejemplo, la lejía o las radiaciones ionizantes.
c) Agentes antisépticos; se emplean para eliminar los microorganismos de los seres vivos. Por ejemplo, el alcohol o el agua oxigenada.
d) Agentes quimioterapéuticos; se utilizan en el tratamiento de enfermedades. Deben ser inocuos o poco tóxicos para el organismo. Los principales agentes quimioterapéuticos son las sulfamidas, los antibióticos, los antivíricos, los antifúngicos y los antiparasitarios.
7.4.1 Sulfamidas
Las sulfamidas actúan sobre las bacterias inhibiendo la síntesis de ácido fólico (precursor de la síntesis de los ácidos nucleicos). No afectan a los animales pues ingieren el ácido fólico como vitamina B9 (no somos capaces de sintetizarla como las bacterias).
Fueron los primeros agentes antimicrobianos sistémicos eficaces y se usaban mucho más hasta que fueron sustituidas en su mayor parte por los antibióticos al haber desarrollado muchas cepas bacterianas resistencia a ellas y provocar efectos secundarios (sobre todo alérgicos) más graves en los pacientes.
Con todo todavía se usan en combinación con otros medicamentos contra algunas bacterias en concreto.
7.4.2 Antibióticos
Los antibióticos son agentes antimicrobianos producidos de forma natural por hongos y actinomicetos. La mayoría tienen efecto antibacterianos aunque algunos tienen efecto antifúngico. El primer antibiótico descubierto, aislado y usado clínicamente fue la penicilina.
Algunos antibióticos son semisintéticos (antibióticos naturales que hemos modificado mediante síntesis química). Un ejemplo es la ampicilina, una penicilina semisintética con un espectro de acción más amplio que la penicilina natural.
Ciertos antibióticos son de amplio espectro (útiles frente a una gran variedad de microorganismos) y otros de espectro reducido (útiles solo frente a un grupo concreto).
La acción antibacteriana de los antibióticos puede tener lugar a varios niveles:
a) Inhibición de la síntesis de la pared celular bacteriana; los antibióticos β-lactámicos (penicilina, cefalosporinas) ingiben la síntesis del peptidoglicano durante el crecimiento de la bacteria. Son muy eficaces pues impiden que crezcan nuevas bacterias.
b) Alteración de la permeabilidad selectiva de la membrana plasmática; suelen ser más tóxicos en animales y solo se usan en superficies corporales (uso tópico). Son útiles para destruir la membrana externa de la pared celular de las bacterias gram- (por ejemplo, la polimixina).
c) Inhibición de la síntesis de proteínas; actúan contra los ribosomas 70 S (por ejemplo la eritromicina). Algunos, como la estreptomicina, tienen mayores efectos secundarios (oído, riñón) y solo se usan en infecciones gram- muy graves.
d) Inhibición de la síntesis de ácidos nucleicos; suelen ser bastante tóxicos salvo algunos, como la rifampicina (inhibe la ARNpol de las bacterias). Otros como las quinolonas inhiben la replicación del ADN y resultan eficaces en el tratamiento de infecciones en el tracto intestinal.
Los antibióticos son, junto al agua potable y las vacunas, la mayor revolución médica en impacto frente a las enfermedades. Actualmente hay un serio problema de cepas resistentes a cada vez más antibióticos que conlleva una carrera farmacológica para encontrar nuevos remedios.
La gran presión selectiva provocada por el uso masivo de antibióticos ha hecho aparecer cepas resistentes a un gran número de ellos. La resistencia se debe a la capacidad de la bacteria de crear enzimas que anulan la acción del antibiótico. La información para crear estas enzimas puede estar en el cromosoma bacteriano o en plásmidos (que pueden pasar esta información a otras bacterias fácilmente).
Es muy importante no abusar de ellos y favorecer la aparición de más cepas resistentes.
7.4.3 Antivirales
Los virus utilizan la maquinaria replicativa del hospedador para reproducirse, por lo que resulta muy difícil desarrollar agentes quimioterapéuticos eficaces que no tengan efectos negativos para el organismo.
Algunos de los antivirales más usados son:
a) Rifampicina; es un antibiótico que inhibe la función de la ARNpol bacteriana y la de algunos virus, como los poxvirus (por ejemplo, el de la viruela).
b) Azidotimidina (AZT); análogo de la timidina que inhibe a la transcriptasa inversa de los retrovirus. Es muy usado, en combinación con otros fármacos, para frenar el desarrollo de retrovirus como el VIH.
c) Aciclovir; inhibe la replicación de los virus con ADN (por ejemplo, el del herpes).
d) Interferones; son proteínas producidas por células animales como respuesta a una infección vírica. Al unirse a células no infectadas, provocan la síntesis de proteínas antivíricas que inhiben la multiplicación del virus. Se emplean en el tratamiento de la gripe, la hepatitis vírica o los herpes.
7.4.4 Antifúngicos y antiparasitarios
Los hongos y los parásitos son organismos eucariotas con mecanismos celulares y metabólicos mucho más parecidos a los de los animales por lo que es más difícil encontrar compuestos eficaces que no nos resultan tóxicos. Por eso muchas veces solo pueden aplicarse de forma tópica.
Los antifúngicos más utilizados impiden la síntesis del ergosterol, compuesto que aparece en la membrana celular de los hongos en lugar del colesterol. Un ejemplo es la nistatina que suele usarse principalmente para el tratamiento de infecciones por Candida albicans.
Entre los antiparasitarios destacan el metronidazol, útil frente a algunos parásitos intracelulares como Trichomonas vaginalis o Giardia lamblia, y la cloroquina, derivado de la quinina usado para el tratamiento de la malaria o paludismo (Plasmodium).
Desde miles de años antes de conocer la existencia de los microorganismos el hombre los utilizaba para obtener productos útiles como bebidas fermentadas, el pan, las conservas, los derivados lácteos, etc
Louis Pasteur en el siglo XIX estableció el papel de las levaduras en la fermentación alcohólica y con ello el desarrollo de una nueva rama de la biología fundamental para la mejora de la calidad de vida: la biotecnología.
La biotecnología comprende todas las aplicaciones tecnológicas basadas en la utilización de organismos vivos o de sus derivados. En muchas ocasiones se distingue entre una biotecnología tradicional (basada en la utilización directa de los organismos y sus derivados) y una biotecnología actual (basada en la utilización de técnicas de ingeniería genética para diseñar microorganismos o sus derivados a nuestra conveniencia).
Según su utilización, podemos distinguir cinco áreas fundamentales:
a) Biotecnología roja; aplicada a la medicina (fabricación de antibióticos, fármacos, vacunas, técnicas de diagnóstico, …).
b) Biotecnología blanca; aplicada a la industria (bebidas fermentadas, lácteos, …).
c) Biotecnología verde; aplicada a procesos agrícolas (plantas de cultivo y ganado modificados, transgénicos, biofertilizantes, …).
d) Biotecnología azul; aplicada al medio marino (acuicultura, recursos marinos, …).
e) Biotecnología gris; aplicada al cuidado del medio ambiente (calidad ambiental, preservación de la biodiversidad, biorremediación, …).
8.1 Biotecnología industrial
La microbiología industrial comprende una serie de procesos tecnológicos, en los que intervienen microorganismos, como la conversión de un sustrato, gracias a la actividad metabólica de estos, en una sustancia de interés comercial (o en productos que contienen dicha sustancia).
En la industria es necesario normalmente alcanzar grandes volúmenes del cultivo para que la producción sea rentable. Además los microorganismos deben generar la sustancia de interés de forma rápida y eficaz.
8.1.1 Industrias alimentarias
Los microorganismos están implicados en diversos procesos industriales para obtener productos alimentarios: vino, cerveza, vinagre y lácteos.
8.1.1.1. Fabricación del vino
Para la fabricación del vino y la cerveza es necesaria la fermentación alcohólica que lleva a cabo la levadura Saccharomyces cerevisiae. Recordad que la reacción de la fermentación alcohólica es:
C6H12O6 (glucosa) → 2 CH3-CH2OH (etanol) + 2 CO2 + 2 ATP
Muchos zumos de frutas son fermentados de forma natural por las levaduras. En la fabricación del vino, se fermentan los azúcares contenidos en el zumo de uva.
Después de recoger la uva, se realiza el prensado de la misma para obtener el mosto (antiguamente se hacía pisándola en la barrica). El mosto se pasa a una cuba de fermentación a la que, además de las levaduras naturales, se añaden inóculos de levaduras patentadas que mejoran la calidad y el rendimiento (en algunos procesos industriales se eliminan las naturales para controlar mejor el proceso). Los azúcares se transforman en etanol y CO2, que se retira de de la cuba de fermentación.
Posteriormente, el vino se separa del sedimento en una cuba de sedimentación y se pasa a unas barricas donde “envejece” alcanzando su aroma y sabor característico. Los últimos pasos del proceso industrial son el filtrado para la clarificación del vino y el embotellado.
En los vinos blancos el proceso de fabricación es más corto y se elimina la piel de la uva antes de prensarla (en los tintos se prensa la uva con la piel).
8.1.1.2. Fabricación de la cerveza
La cerveza es el resultado de la fermentación de la malta (semillas de cebada germinadas) por parte de S. cerevisiae o S. calsbergensis.
La malta se mezcla con agua en una cuba de sacarificación, en la que se dejan actuar las enzimas hidrolíticas que degradan el almidón en azúcares, principalmente glucosa y maltosa (malteado).
Posteriormente, se añade el lúpulo y se cuece el producto en una cuba de maceración, para inactivar las enzimas y eliminar otros posibles microorganismos contaminantes.
En la siguiente etapa se retira el lúpulo, se filtra el mosto de cerveza, y se traslada este a una tina o vasija de fermentación, donde se incorpora la levadura. Entonces tiene lugar la fermentación alcohólica.
Después de un proceso de almacenamiento, se obtiene la cerveza y se procede al envasado.
El vinagre es el resultado de un proceso respiratorio en el que las bacterias acéticas (Acetobacter, Gluconobacter) producen ácido acético a partir de etanol.
CH3-CH2OH (etanol) + O2 → CH3-COOH (ácido acético) + H2O
Estas bacterias son aerobias estrictas, a diferencia de las levaduras responsables de la fermentación alcohólica, que son anaerobias facultativas.
El vinagre se puede obtener a partir de cualquier licor fermentado (vino, cerveza, sidra, sake).
El vinagre se usa como aditivo para sazonar platos pero también es un conservante natural muy importante.
El uso de levaduras en la elaboración del pan y la bollería se realiza para conseguir que el producto sea esponjoso gracias a las burbujas de CO2 que se liberan con la fermentación alcohólica de Saccharomyces cerevisiae.
El etanol liberado se elimina cuando el pan se hornea.
Los lácteos (queso, yogur, cuajada) son alimentos cuya elaboración se basa en la actividad de microorganismos (Lactobacillus) que llevan a cabo una fermentación láctica.
C6H12O6 (glucosa) → 2 CH3-CHOH-COOH (ácido láctico) + 2 ATP
La elaboración del queso comienza con la coagulación de las proteínas de la leche por la acción de las bacterias lácticas y la adición de la enzima renina, o cuajo, que se encuentra en el estómago de los rumiantes. Así se forma la cuajada o requesón, que se calienta y comprime para eliminar el suero.
A continuación se le añade la sal y se produce un proceso de maduración en el que cada tipo de queso adquiere sus cualidades características. En algunos de ellos intervienen otros microorganismos (en los quesos azules, como el cabrales o el roquefort, intervienen hongos; en el emmental una bacteria que libera CO2 produciendo sus característicos agujeros, ...)
El yogur o el kefir reciben el nombre de leches fermentadas y se obtienen mediante la fermentación láctica de la leche bajo condiciones controladas de pH y temperatura.
En los últimos años se han puesto de moda los probióticos pero estos no son el resultados de conversiones metabólicas de un sustrato. Simplemente se añaden determinados microorganismos (como bacterias de la microbiota intestinal) a alimentos ya elaborados (normalmente lácteos). Supuestamente son beneficiosos para regenerar la función intestinal y para potenciar las defensas inmunitarias aunque no hay evidencia sólida al respecto todavía.
Un aspecto fundamental para la industria alimentaria es la conservación de los alimentos del desarrollo de los microorganismos.
Los microorganismos intervienen en la elaboración industrial de diversos productos químicos como disolventes, colorantes, conservantes, ácidos orgánicos, …
Los ácidos orgánicos, como el ácido cítrico (conservante), el ácido glucónico (para la absorción del calcio) o el ácido ascórbico (vitamina C) son ejemplos de estas sustancias.
La obtención de productos de interés para la salud humana constituye una de las áreas de aplicación biotecnológica más avanzada, y va desde el desarrollo de vacunas a la producción de antibióticos y nuevos fármacos.
8.1.3.1 Producción de vacunas
Las primeras vacunas frente a diversos microorganismos patógenos, principalmente virus y bacterias, se fabricaron a partir de microorganismos vivos atenuados.
Sin embargo, su utilización suponía un riesgo potencial para la salud. En 1924 se obtuvieron las primeras vacunas de organismos inactivados, es decir, patógenos muertos por la acción del formaldehido u otras sustancias.
Los toxoides, toxinas inactivadas que han perdido su carácter tóxico pero conservan su capacidad de provocar una respuesta inmunitaria, se emplean para inactivar toxinas producidas por microorganismos patógenos.
Todavía se administran algunas vacunas de virus atenuados o inactivados, como las de la difeteria, la tuberculosis, el sarampión o la poliomielitis.
Otra tecnología más reciente son las vacunas recombinantes, obtenidas por ingeniería genética y constituidas por antígenos de superficie, polisacáridos capsulares o toxoides. Para obtener estas vacunas primero determinamos la estructura de un antígeno de superficie con propiedades inmunogénicas. Una vez conocidos se desarrollan péptidos sintéticos que representan alguno de los determinantes antigénicos de la proteína.
Un ejemplo de vacunas de antígeno recombinante son la de la hepatitis B o la del papiloma humano.
Otra técnica más reciente son las vacunas de ARNm. Estas vacunas provocan que las propias células del cuerpo fabriquen las proteínas antigénicas del patógeno preparando al sistema inmunitario para actuar contra el patógeno.
En 1929, Alexander Fleming estudiaba las características de la bacteria Staphylococcus aureus, que causa diversas enfermedades en la piel. Observó, en unas placas contaminadas por el hongo Penicillum chrysogenum, que el crecimiento de la bacteria patógena se inhibía.
El descubrimiento de la sustancia bactericida que produce dicho hongo, la penicilina, fue uno de los hitos en el tratamiento de las enfermedades infecciosas. Su comercialización no se inició hasta el final de la II Guerra Mundial.
La producción industrial de la penicilina comienza con el crecimiento de cultivos del hongo en fermentadores y en condiciones óptimas. Es importante seleccionar cepas de alto rendimiento mediante mutagénesis (estimulación de mutaciones) o ingeniería genética.
Hoy en día se utilizan penicilinas semisintéticas: más eficaces y menos tóxicas.
También obtenemos antibióticos industrialmente de bacterias actinomicetas, como la estreptomicina (Streptomyces griseus) o la eritromicina (S. erythreus).
Algunos esteroides y hormonas son fármacos que pueden fabricarse de forma industrial.
Por ejemplo, los corticosteroides son eficaces antiinflamatorios y los estrógenos y los andrógenos se utilizan para regular la fertilidad.
El proceso mediante el cuál se producen por microorganismos se llama biotransformación o bioconversión. Un ejemplo es la obtención de cortisona, utilizada para tratar la irritación cutánea, gracias al hongo Rhizopus nigricans que hidroxila un precursor de la cortisona generando el producto.
La insulina, una proteína esencial para el tratamiento de la diabetes, se produce actualmente a partir de bacterias clonadas, con lo que se logra una insulina purificada idéntica a la del páncreas humano.
Otras proteínas, como los factores de coagulación o la somatotropina, relacionada con los trastornos del crecimiento, los inmunomoduladores, como el interferón, y agentes antitumorales o vacunas, se obtienen a partir de microorganismos manipulados genéticamente.
Todos los microorganismos producen una gran variedad de enzimas, algunas de las cuáles se secretan al exterior de la célula (enzimas extracelulares).
Las de origen microbiano se emplean en las industrias alimentaria, farmacéutica, química y textil, por lo que su producción a gran escala tiene un interés comercial extraordinario.
Muchos de los procesos industriales de producción de enzimas utilizan sustratos baratos y poseen un alto rendimiento. La incorporación de las técnicas de ingeniería genética ha incrementado notablemente la eficacia de estos procesos.
Diversas especies de hongos y bacterias se utilizan para producir enzimas como las proteasas, amilasas y lipasas (empleadas como aditivos en los detergente bioactivos). La mayor parte de ellas se aíslan de bacterias alcalófilas y su pH óptimo está entre 9-10 (que es el que suelen presentar estos detergentes).
También se obtienen enzimas de procariotas hipertermófilos para ser usadas en industrias que requieren temperaturas elevadas (+60 ºC) como la alimentaria o la de limpieza.
La renina, que ya estudiamos en la elaboración del queso, se obtiene de microorganismo de forma más barata que la de los ruminates.
Las amilasas y glucoamilasas se utilizan para obtener glucosa a partir de almidón. Esta glucosa se convierte en fructosa, gracias a la glucosa isomerasa, que es usada como edulcorante.
En los procesos industriales, las enzimas son inmovilizadas para obtener un mayor rendimiento.
La ingeniería genética permite la modificación del ADN de los vegetales para dotar a las plantas de cultivo de características más deseables. Una de las estrategias más utilizadas es la introducción de un plásmido bacteriano con los genes que nos interesa añadir a la planta. Esta se convierte en un OMG (organismo modificado genéticamente) o transgénico que puede ser patentado por la empresa que lo desarrolla.
Actualmente se está desarrollando una tecnología más precisa mediante la técnica del CRISPR-Cas9.
Muchos de los fertilizantes utilizados por los agricultores contienen una fuente de nitrógeno, básicamente nitratos, que se usan para obtener un mayor rendimiento en las cosechas.
Una alternativa a los fertilizantes químicos son las bacterias fijadoras de nitrógeno, que ya estudiamos en el ciclo del nitrógeno, como por ejemplo Rhizobium.
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La utilización de los insecticidas químicos tiene el inconveniente de que son, en muchos casos, tóxicos o difícilmente biodegradables, y también bioacumulables, es decir, se almacenan en las raíces, las hojas o los frutos, donde pueden ser ingeridos por los animales o las personas.
8.3 Biotecnología ambiental
La actividad humana genera una gran cantidad de contaminantes que alteran el medio ambiente. El deterioro ambiental repercute en la calidad de vida debido a la pérdida de biodiversidad, bienes culturales y el agotamiento de los recursos.
Diariamente generamos una gran cantidad de desechos de origen urbano, agrícola o industrial, que deben ser tratados para evitar su vertido al ambiente. Las aguas residuales, las basuras orgánicas, el vidrio o los plásticos son algunos ejemplos.
En otros casos, la contaminación se debe al vertido incontrolado de contaminantes a causa de accidentes durante su almacenamiento o transporte, o a desastres naturales.
Los microorganismos juegan un papel esencial en tratar estos procesos.
La biorremediación es una parte de la biotecnología ambiental que aprovecha la diversidad de los microorganismos y su potencial metabólico para el tratamiento de residuos o la eliminación de contaminantes orgánicos o inorgánicos.
Las estrategias de biorremediación más utilizadas son:
a) Biodegradación; algunos microorganismos pueden llevar a cabo la degradación de compuestos contaminantes. En la degradación completa de un compuesto orgánico hasta CO2 y agua suelen participar diversas poblaciones microbianas. Es una estrategia muy utilizada para degradar productos derivados del petróleo, insecticidas y otros compuestos recalcitrantes.
La manipulación genética de microorganismos ha permitido la obtención de cepas microbianas capaces de degradar de forma más eficiente diversos compuestos que no se degradan de forma natural.
Por ejemplo, una estripe de Pseudomonas, modificada genéticamente y patentada en 1974, contiene genes en un plásmido que le permiten degradar eficazmente hidrocarburos, por lo que se emplea en la limpieza de los tanques de petroleros o en las refinerías, así como en el caso de vertidos accidentales al mar.
b) Detoxificación; la inactivación tiene lugar mediante la unión a proteínas o el almacenamiento en compartimentos celulares. Uno de los mecanismos de detoxificación de metales pesados es la unión a proteínas denominadas metalotioneínas.
c) Bioadsorción; la inmovilización de los contaminantes se consigue por adsorción a estructuras externas, como paredes celulares, cápsulas o capas mucosas. Los hongos son muy empleados en la bioadsorción de contaminantes.
Como ya hemos mencionado, el hombre genera diversos residuos que deben ser tratados para evitar daños medioambientales. Según la actividad que los origina en:
a) Urbanos; basuras o aguas residuales de origen urbano.
b) Industriales; aguas residuales de la industria que, a menudo, contienen compuestos contaminantes muchas veces tóxicos.
c) Agrícolas o ganaderos; residuos vegetales lignocelulósicos e insecticidas, herbicidas, empleados en la agricultura y la ganadería extensivas.
Para el tratamiento de las basuras se utilizan tres tipos de tecnología:
a) Las incineradoras, en las que tiene lugar la combustión de los residuos. A día de hoy se utilizan de forma controlada porque pueden generar dioxinas, que son contaminantes tóxicos.
b) Los vertederos, terrenos excavados donde se depositan las basuras y en los que se produce la biodegradación microbiana. Los vertederos controlados son económicos, aunque la degradación es muy lenta y debe evitarse la filtración de contaminantes a los acuíferos subterráneos. Contienen todo tipo de residuos, no exclusivamente orgánicos.
c) El compostaje, que permite no solo el tratamiento de las basuras, sino también su reciclaje. Una vez separados los residuos orgánicos, se mezclan con microorganismos y virutas de madera u otros materiales, en pilas o biorreactores.
En este tipo de plantas se produce compost (abonos compuestos). El proceso se basa en la actividad microbiana, que convierte los residuos orgánicos putrescibles en un producto estable e higiénico, parecido al humus, cuyo volumen se reduce y que puede utilizarse para mejorar las condiciones del suelo.
Para facilitar estos usos es muy importante que se haga una recogida selectiva de la basura orgánica e inorgánica y se depositen separadas en sus respectivos contenedores.
El tratamiento de los residuos líquidos se realiza en las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR). Este proceso se basa en la eliminación de la materia orgánica y otros contaminantes mediante, entre otros procesos, la actividad de comunidades microbianas complejas en reactores biológicos.
Estas estaciones suelen seguir cuatro pasos generales:
a) Pretratamiento; se descartan los sólidos de mayor tamaño, las arenas y las gravas.
b) Tratamiento primario; se eliminan los sólidos en suspensión mediante distintos procedimientos de separación y sedimentación.
c) Tratamiento secundario; es el tratamiento biológico, basado fundamentalmente en la actividad de los microorganismos. Se eliminan la materia orgánica y otros contaminantes contenidos en el agua residual, incluidos los patógenos de transmisión fecal.
Los sistemas de depuración biológica se basan en el desarrollo de las comunidades en forma de flóculos o agregados o en biopelículas, que mantienen las comunidades microbianas estables, responsables de la depuración, en contacto con el agua residual. Los reactores biológicos pueden combinar fases aeróbicas con otras anóxicas o anaeróbicas, en las cuales se eliminará no solo la materia orgánica, sino también nutrientes como el fósforo o el nitrógeno.
d) Tratamiento terciario; implica tratamientos físico-químicos o procedimientos de filtración o desinfección que contribuyen a mejorar la calidad del agua tratada.
En muchos casos, los lodos producidos en el reactor biológico o secundario se someten a una digestión anaeróbica, en la que los restos orgánicos son mineralizados totalmente. En el proceso se genera metano, que puede ser reutilizado como biogás.
La escasez de recursos ha propiciado el desarrollo, en la industria minera, de nuevas tecnologías cuyo objetivo es aumentar la eficiencia en la obtención de minerales. Por ello se utilizan microorganismos que mejoran el rendimiento en la extracción de ciertos metales.
Cuando en las zonas mineras hay menas metálicas secundarias con baja concentración del metal, como cobre o hierro, se emplean bacterias como Thiobacillus ferrooxidans, que provocan la solubilización de estos metales y permiten su obtención a bajo coste, mediante una precipitación posterior. Este proceso se conoce como bioxiviación.
Los residuos plásticos constituyen un problema ecológico grave, ya que no son biodegradables. Sin embargo, algunas bacterias almacenan sus reservas de carbono en forma de unos compuestos, llamados poli-beta-hidroxialcanos o poli-hidroxialcanatos (PHA). Estos compuestos son poliésteres, es decir materiales plásticos de origen natural que pueden ser biodegradables.
Las bacterias producen diferentes tipos de PHA dependiendo de cuál sea su fuente de carbono. Según la longitud de la cadena, se pueden obtener bioplásticos transparentes, para fabricar envases, o largos y resistentes, para tejidos.
El agotamiento y encarecimiento de los combustibles fósiles ha llevado al desarrollo de nuevas tecnologías para la obtención de estos recursos.
El biodiésel es un producto obtenido a partir de aceites vegetales o microorganismos fotosintéticos, principalmente microoalgas, que crecen en grandes reactores.
A partir del cultivo de estos organismos también se obtienen etanol y gas metano.
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