microlobiologa bsica ambiental y agricola lilian friomi 2006

MicrobiologaBsica, ambiental y agrcola

Lillian Frioni / Facultad de AgronomaUniversidad de la Repblica, Uruguay 2005

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robi

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Lillian Frioni es profesora de Microbiologa de la Facultad deAgronoma de la Universidad de la Repblica, de Montevideo,Uruguay, responsable de la Unidad Asociada Ecologa Microbianade la Facultad de Ciencias, de la misma Universidad, einvestigadora del PEDECIBA (Programa de Desarrollo deCiencias Bsicas).Trabaj por ms de diez aos en la Facultad de Agronoma yVeterinaria de la Universidad Nacional de Ro Cuarto y en la deRosario (Santa Fe) y colabor tambin con la Facultad deCiencias Agronmicas de la Universidad Nacional de Crdoba, enArgentina.Integr en numerosas oportunidades la Comisin Directiva de laSociedad Uruguaya de Microbiologa (SUM).Realiz estudios en la Universidad de la Repblica (Uruguay), enla Universidad dOrsay y en el Instituto Pasteur (Paris), en elCentro de Pedologa Biolgica de Nancy (Francia), y en elLaboratorio de Sistemas Simbiticos Fijadores de NitrgenoTropicales de Nogent sur Marne, Francia. Microbiologa, Bsica, ambiental y agrcola es su tercer texto. Elprimero Ecologa microbiana del suelo, fue editado en 1990 por laUniversidad de la Repblica, de Uruguay, luego de obtener unpremio de la Coleccin Reencuentro. El segundo, Procesosmicrobianos, fue editado en 1999 por la Fundacin de laUniversidad Nacional de Ro Cuarto (Argentina).

ISBN: 9974-0-0290-7

1Microbiologa: bsica, ambiental y agrcolaLillian Frioni20

Estructuras permanentes(de afuera hacia adentro de la clula)

Pared celularConstituye la parte ms importante de la clula procariotaya que salvo algunos micoplasmas y arqueobacterias, pa-rsitas intracelulares, todas las otras bacterias presentanesta barrera de proteccin contra el ambiente, sin la cuallas clulas sufriran lisis osmtica en ambientes en generalhipo o hipertnicos (suelos, agua, organismos). En 1884,Christian Gram desarroll la tincin que lleva su nombre ydesde entonces, las bacterias se clasifican en dos gruposimportantes: Gram negativas y Gram positivas.

La diferencia estructural entre ambos grupos se puso demanifiesto con el microscopio electrnico de transmisin,a mediados del siglo pasado. El cuadro 2 resume lasdiferencias.

En la figura 2 se observan estas diferencias en la paredde ambos tipos de clulas y en la figura 3 se aprecia laestructura de esta singular molcula.

La pared de una clula Gram positiva est formada poruna gruesa capa de unos 20 a 80 nm de espesor, en ge-neral formado por una nica molcula de peptidoglicanoo murena, (figura 2), ubicada por fuera de la membranacelular. Esta molcula que no aparece en las clulas eu-cariotas, est formada por una malla de polmeros de dosaminoazcares: N-acetil-glucosamina (NAG) y de cidoN-acetil murmico (NAM) unidas por enlaces glucosdi-cos hidrolizados por una enzima conocida como lisozima,contenida en las lgrimas, saliva (mecanismos de defen-sa primaria contra infecciones microbianas (cuadro 3).

La malla se fortalece aun ms con enlaces peptdicos, engeneral en cadenas de 4 aminocidos, tres de los cuales

membrana ribosomas paredmembrana

retculo

mitocondriasncleo

regin nuclearpared

Figura 1- Esquemas de clulas procariotas y eucariotas

Cuadro 2- Superficies celulares en clulas Gram positivas y Gram negativas

Gram positivas: la pared celular posee gruesa capa de peptidoglicano que retiene el colorante especfico (violeta)

Gram negativas: la pared celular presenta capa fina de peptidoglicano y una membrana externa y no retiene el colorante. Secolorean con el segundo colorante, de rosado

Archeae: no presentan peptidoglicano tpico, su tincin es Gram positiva o negativa

Periplasma: espacio entre membrana externa de la pared celular y la membrana citoplasmtica, contiene numerosas protenashidrolticas

3Microbiologa: bsica, ambiental y agrcola

Microbiologa:bsica, ambiental y agrcola

Lillian Frioni

Lillian Frioni18

Cuadro 3- Breve historia de la Microbiologa

1660 Robert Hooke describe estructuras de hon-gos

1632-1723 Anton van Leeuwwenhoek, Alemania,publica dibujos de microorganismos vistos porun microscopio simple, con un solo lente (300aumentos)

Siglo 19: Desarrollo de microscopios ms poten-tes, poder separador 0,2 mm

Segunda mitad siglo 19: desarrollo acelerado dela Microbiologa

Discusiones sobre dos temas fundamentales:Existe la generacin espontnea?Cal es la naturaleza de las enfermedades conta-

giosas?1822-1895 Luis Pasteur en Francia, determin la

naturaleza microbiana de contaminaciones deinfusiones, el metabolismo anaerobio, la inmu-nizacin

1876 Robert Koch en Alemania: los microorganis-mos como causantes de enfermedad del ga-nado provocado por Bacillus anthracis (antrax)

Postulados de Koch El microorganismos causal debe estar presen-

te en cada caso de enfermedad pero ausenteen organismos sanos

El agente infeccioso debe poder aislarse encultivo puro

Debe ser capaz de reproducir los sntomas de

la enfermedad al inocularse en una planta oanimal sano

Debe poder reaislarse en cultivo puro a partirdel husped enfermo y reconocerse idntico alprimer aislamiento

1886 Haeckel en Alemania: se propone el Reinode los Protistas. John Tyndall en Inglaterra, en-dosporas resistentes al calor: tcnica de este-rilizacin por calor fraccionado (tindalizacin)Ferdinand Cohn en Alemania: Mtodos de es-terilizacin ms eficaces

1928 Griffith: Descubrimiento de la transformacin1933 Primer Microscopio electrnico de transmisin1953 Estructura doble hlice del ADN - Watson y

Crick1977 Reconocimiento de Archeobacterias como

grupo1984 Desarrollo de la reaccin en cadena de la

polimerasa1986 Primera vacuna producida por Ingeniera

Gentica1996 Se obtiene la secuencia del genoma de Hae-

mophilus influenzae

Hasta la fecha han ocurrido innumerablesavances en Biologa Molecular, Biotecnologa,incluida la secuenciacin del genoma huma-no, a la que han contribuido los microorganis-mos.

Lillian Frioni4

2006 UNIVERSIDAD DE LA REPBLICA - FACULTAD DE AGRONOMAReservados todos los derechos de la presente edicin para todos los pases. Este libro no se podr reproducir total oparcialmente por ningn medio grfico, electrnico, digital, mecnico o cualquier otro, incluyendo los sistemas defotocopia o fotoduplicacin, registro magnetofnico o de alimentacin de datos, sin expreso consentimiento de laFacultad de Agronoma.

Contacto: [email protected], Fax: 598 2 359 04 36

DEPOSITO LEGAL: 330.113/06ISBN: 9974-0-0290-7FOTOS DE TAPA: P. Izaguirre, Peltophorum dubium (Ibirapit) y Bauhinia foficata (Pata de vaca)DISEO DE TAPA: Javier SantiagoDISEO, ARMADO E IMPRESIN: Departamento de Publicaciones de la Facultad de Agronoma, Universidad de laRepblica Oriental del Uruguay. Avda. Garzn 780, 12900 Montevideo -URUGUAY


Otros mtodos de estudio de los microorganismos

Numerosos mtodos son empleados para el estudio deestructuras subcelulares de los microorganismos y paradistinguir cepas bacterianas. Muchos de ellos son adap-taciones de tcnicas corrientes en biologa celular: colo-raciones diferenciales y observaciones microscpicas (ci-toqumica), estudios enzimticos, evidencia de vas me-tablicas y finalmente los mayores avances se realiza-ron por aplicacin de mtodos de biologa molecular.Muchos de ellos son descriptos en el captulo 8: Ecolo-ga microbiana y en el Apndice prctico.

Como resumen, en el cuadro 3 se sealan algunos delos descubrimientos ms importantes que contribuyerona la evolucin de la Microbiologa.

Bibliografa

Madigan, Martinko y Parker. Brock, Biologa de los mi-croorganismos, 9. Edicin, 2000 Prentice Hall Inter-nationalPrescott, Harley, Klein, Microbiologa, 1999 McGraw-HillInteramericana

Preguntas de repaso

1) Objeto de estudio de la Microbiologa

2) Disciplinas muy relacionadas a la microbiologa

3) Algunas de las especialidades en que se ha subdividi-do esta ciencia

4) Concepto del trmino microorganismo y ejemplos deellos

5) Por qu se dice que los microorganismos son muybuenas herramientas en estudios fisiolgicos, genti-cos, enzimticos?

6) Por qu las bacterias estn tan distribuidas en la natu-raleza? Seale ambientes donde se las encuentra.

7) Cual fue el gran descubrimiento que permiti separara los microorganismos en dos grandes grupos? Conqu instrumento se logr este hallazgo?

8) Diferencias entre bacteria, arquebacteria y eucariotas

9) Por qu resulta importante la tincin de los frotis bac-terianos antes de su observacin microscpica?

10) Por qu aun no se tiene certeza definitiva sobre laevolucin del mundo microbiano? Qu herramientasresultan muy importantes de aplicar?

Figura 6- Observaciones de microorganismos al microcopio ptico. Izquierda: algas alestado fresco y derecha: bacilos luego de tincin


Tabla de contenidos

Prlogo .................................................................................................................. 7

Los microorganismos: estructuras y funciones

1 Introduccin a la Microbiologa .............................................................................. 9

2 Estructuras y funciones de las clulas eucariotas y procariotas. Los virus ......... 17

3 Nutricin y metabolismo bioenergtico en microorganismos .............................. 39

4 Crecimiento microbiano y su control. Efecto de factores ambientales ................ 65

5 Gentica de mcroorganismos procariotas ........................................................... 85

6 Taxonoma bacteriana y filogenia ........................................................................ 93

7 Los protistas superiores ................................................................................... 105

Los microorganismos en los ciclos biogeoqumicos

8 Ecologa microbiana y mtodos de estudio ....................................................... 117

9 Ciclo biolgico del carbono ............................................................................... 137

10 Ciclo biolgico del nitrgeno ............................................................................. 165

11 Fijacin biolgica del nitrgeno (FBN) .............................................................. 187

12 Ciclos biolgicos del azufre, fsforo, hierro. ...................................................... 207

Los microorganismos y sus interacciones

13 La rizosfera ........................................................................................................ 225

14 Interacciones entre microorganismos .............................................................. 237

15 Fijacin biolgica de N2 en la rizosfera y en asociaciones nodulares ............... 249

16 Las micorrizas ................................................................................................... 285

17 Microorganismos promotores del crecimiento vegetal ...................................... 303

18 Procesos microbianos en el rumen ................................................................... 317

Lillian Frioni16

En general los microorganismos son fijados (frotis) y tei-dos con colorantes cidos o bsicos a los efectos de au-mentar su visibilidad y/o conservarlos para otros estudios.

Fijacin: se realiza en general secando suavemente elinculo sobre el portaobjeto a la llama y luego cortandovarias veces la llama con el preparado. El objetivo es con-servar las estructuras lo ms intactas posibles antes desu tincin. La fijacin puede realizarse con sustanciasqumicas, como el etanol, cido actico, formaldehdo, queinactivan e insolubilizan molculas como los lpidos y pro-tenas microbianas.

Coloraciones: numerosos colorantes se emplean parafacilitar la visualizacin de los microorganismos ms pe-queos, como las bacterias (figura 6). Presentan gruposcromforos, con dobles enlaces que le dan el color carac-terstico y adems se unen a estructuras celulares porenlaces inicos, covalentes o hidrofbicos. Los coloran-tes bsicos, como el azul de metileno, la fucsina bsica,el cristal violeta, la safranina, verde de malaquita, tienengrupos cargados positivamente que se unen a molculascargadas negativamente, como los cidos nucleicos ymuchas protenas (superficies bacterianas). Los coloran-tes cidos, como la eosina, rosa de Bengala y fucscinacida son aninicos y se unen a grupos celulares carga-dos positivamente.

Los microorganismos se pueden observar al microscopioluego de una tincin simple, es decir un solo colorante,por ejemplo con azul de metileno: se cubre el frotis con elcolorante, por un tiempo prudencial, 1 minuto, se lava conagua, se seca y se observa. Permiten distinguir tamao,forma y organizacin de bacterias.

Los mtodos de tincin diferencial permiten diferenciargrupos bacterianos segn sus propiedades de tincin.Ejemplo de estas es la tincin de Gram, que separa abacterias Gram positivas (toman el primer colorante y loretienen y se ven violetas) y Gram negativas, que no re-tienen el colorante violeta luego de lavado con etanol oacetona y se colorean con el colorante de contraste, rosa-do, como la safranina.

Existen otro grupo de tinciones que permiten visualizar es-tructuras como esporas, flagelos, materiales de reserva, etc.

Figura 5- Microscpica electrnica.Izquierda: Rhizobium observado con microscopio electrnicode transmisin, se aprecia la membrana y la pared celular , la

regin nuclear y gotas lipdicas (materiales de reserva).Derecha: micrografa de Lactobacillus spp. con microscopa

electrnica de barrido.

El primero permite visualizar estructuras dentro de la c-lula, as como caractersticas de la membrana y paredcelular, por la diferencia de densidades al ser atravesa-das por un flujo acelerado de electrones. El de barridomuestra el relieve de superficies celulares ya que los elec-trones se reflejan luego de chocar con una superficie me-tlica que recubre los preparados.

TincionesLos microorganismos vivos se pueden examinar directamen-te con un microscopio ptico, prctica corriente en estudiosde morfologa de hongos, algas y protozoos (figura 6).

En el caso de las bacterias, dado su pequeo tamao y lafalta de contraste con el medio, esta tcnica de observa-cin es menos usada.

Sin embargo, es muy empleada para evidenciar la movili-dad bacteriana, con cultivos jvenes en medio lquido, enel microscopio ptico, ya que los flagelos son difciles deobservar aun con tinciones especiales. Se coloca unagota de cultivo entre porta y cubre objeto o en portaobje-tos especiales excavados, que se observan con baja lu-minosidad ya que existe poco contraste entre las clulasy el agua, lo que dificulta la observacin.

Lillian Frioni6

Los microorganismos en los alimentos y la industria

19 Fermentacin lctica y alcohlica. Aplicaciones biotecnolgicas ...................... 333

20 Aplicaciones industriales de los microorganismos ............................................ 349

Los microorganismos y la proteccin ambiental

21 Biotransformacin de residuos orgnicos ......................................................... 363

22 Degradacin de xenobiticos ............................................................................ 383

23 Biorremediacin ................................................................................................ 397

Anexo prctico ................................................................................................... 407


Es posible que nuevos datos ayuden a dilucidar este pro-ceso evolutivo.

Tcnicas de estudio de los microorganismos

La mayor limitacin en el estudio de los microorganismoslo constituye su pequeo tamao, la falta de fsiles y ladificultad de muchos de los microorganismos para sercultivados en el laboratorio. Sin embargo, los avances enlos ltimos 100 aos fueron enormes y el cuadro 3 resu-me algunos de los eventos ms importantes.

MicroscopaEl microscopio marc un hito en los estudios, ya quehay que considerar que el ojo desnudo aprecia comoindependientes a dos puntos separados por 0,1mm (po-der separador) y el mejor microscopio ptico presentaun lmite de resolucin de 0,2 m y un aumento mximode 1.500-2000X, que resulta de multiplicar el aumentodel ocular (10-20X) por el del objetivo (5, 10, 20 aumen-tos, los comunes y x 100, el objetivo de inmersin enaceite).

Como las bacterias presentan aproximadamente un di-metro de 1 m, con los microscopios pticos slo se pue-den apreciar la forma general y las caractersticas morfo-lgicas principales, pero no se aprecian estructuras sub-celulares.

Se emplean tambin microscopios de contraste de fa-ses y los fluorescentes, que permiten distinguir estruc-turas en base al empleo de colorantes fluorescentes,como el naranja de acridina, diacetato de fluorescenaetc. Muchos de ellos se consideran colorantes vitales,ya que fluorescen en luz ultravioleta luego de ser em-pleados por enzimas celulares.

La estructura interna detallada de los microorganismosfue visible con el microscopio electrnico, desarrollado apartir de la dcada del 30 del siglo XX y que presenta unpoder separador aproximadamente 1000 veces superioral del microscopio ptico y puede distinguir puntos sepa-rados por 0,5nm (aumento eficaz 100.000X). Se empleanlos microscopios electrnicos de transmisin y de barrido(figura 5).

Figura 4- Bacteria, Archae y Eukarya

Bacteria Archaea

Entamebas Hongosmucosos

Animales

Hongos

Plantas

Ciliados

Flagelados

Tricomnadas

Microsporidios

Diplomnadas(Giardia)

Eukarya

Methanopyrus

Thermoplasma

Halfilosextremos

Euriarqueotas

MethanosarcinaMethano-bacterium

Methano-coccus

Crenarqueotas

Thermoproteus

Pyrodictium

Korarqueotas

Bacterias verdesno sulfurosas

Mitocondria

Bacteriasgram-

positivasBacterias rojas

Cloroplastos

CianobacteriasFlavobacterias

Thermotoga

Aquifex

Thermococcus

Microbiologa, bsica, ambiental y agrcola

Lillian Frioni- Editorial de la Facultad de Agronoma, Montevideo, Uruguay-2006

Fe de erratas

Tabla de contenidos: Algunos captulos presentan una numeracin de pgina que no corresponde. Captulo Pgina Captulo Pgina

Pgina donde dice debe decir 9 Los protistas superiores Los microorganismos

eucariotas 13 Protistas inferiores Procariotas

27

Texto: La figura 12 presenta la ultraestructura de una endospora al microscopio electrnico

La figura 12 presenta la morfologa de bacilos capsulados y esporulados

28 Figura 12- Ultraestructura de una endospora bacteriana y bacilos esporulados y capsulados

Morfologa de bacilos esporulados y capsulados

42 Cuadro 4 hetertrofos compuestos inorgnicos

hetertrofos compuestos orgnicos

52 Fermentacin alcohlica: se realiza en el msculo y.

Eliminar subrayado. Es: Los microorganismos activos

son sobre todo los hongos 57 Debajo del Cuadro 21: El CO2

(carbonatos) acta como donador y el H2 como aceptor de electrones.

El H2 acta como donador y el CO2 como aceptor de electrones

105 Los protistas superiores Se estila ms referirlos como : Microorganismos eucariotas

1 11 15 255 2 19 16 291 8 121 17 309 9 143 18 323 10 169 19 341 11 191 20 357 12 211 21 373 13 231 22 393 14 243 23 407 Anexo Prctico 417

115 Zygomycetes: micelio cenoctico o

eliminar: septado bien desarrollado septado bien

desarrollado. 141 Cuadro 11:

Bacterias aerobias/des

nitrificantes

Bacterias aerobias/nitrificantes

150 Cuadro 10 Hongos celulolticos : Ascomycetes

Hongos celulolticos son: Zygomycetes, Ascomycetes, Basidiomycetes y Deuteromycetes

300 El endofito.y Endogonales (flias. Gigasporaceae

Endogonales (flia. Endogonaceae). Eliminar Gigasporaceae

y Endogonaceae)

315 antibiticos Sacar lo subrayado o toxinas especficas como bacteriocinas

422 Tcnica coloracin de Gram: se omiti el 5 paso: decoloracin (luego del tratamiento con Lugol)

Decolorar con alcohol-cetona (2/1 vol/vol) suavemente con ayuda de agua hasta que el frotis se vea limpio.


Prlogo

Microbiologa: bsica, ambiental y agrcola surge luego de revisin y ampliacin de Procesos microbianos, editado en1999 por la Fundacin de la Universidad Nacional de Ro Cuarto, Argentina, texto que continu a Ecologa microbianadel Suelo, editado en 1990 por el Departamento de Publicaciones de la Universidad de la Repblica (Uruguay).En todos ellos se analizan actividades de los microorganismos que benefician al hombre y mejoran la calidad de losecosistemas naturales, cuyo conocimiento permite manejarlas y dirigirlas en beneficio de la poblacin. En efecto,muchas actividades microbianas permiten incrementar la produccin de alimentos, la salud de los suelos y de loscauces de agua, evitando o disminuyendo las aplicaciones masivas de fertilizantes y sustancias altamente txicas comoherbicidas, fungicidas, etc.Debemos, sin embargo sealar las diferencias entre los tres textos: en Ecologa microbiana del suelo, se analizaron lastransformaciones de la materia orgnica y mineral de los suelos, las interacciones de los microorganismos entre si y conlos vegetales, con nfasis en dos importantes asociaciones simbiticas, las fijadoras de nitrgeno y las asociaciones conhongos micorrcicos.En Procesos microbianos se agregaron temas vinculados a los procesos de biodegradacin de restos orgnicos, tantoaerobios como anaerobios que contribuyen a la conversin de materiales de deshecho de la industria lctea, de otrasagroindustrias y de prcticas agrcolas, en productos que se usan como biofertilizantes y obtener efluentes de la indus-tria sin carcter contaminante, contribuyendo a la proteccin ambiental. Otra temtica abordada en este segundo textoes la promocin del crecimiento vegetal, tanto en forma directa, por procesos microbianos de mineralizacin, oxido-reduccin, solubilizacin, fijacin, como por su contribucin a la eliminacin de microorganismos fitopatgenos pormecanismos conocidos como Control Biolgico.Finalmente, en el presente texto Microbiologa: bsica, ambiental y agrcola, adems de revisarse y actualizarse estostemas, se entendi oportuno incorporar captulos dedicados a aspectos de Microbiologa General o Bsica, en el enten-dimiento de que muchas veces resulta dificultoso a los estudiantes de Agronoma, de Ciencias del Suelo o de CienciasAmbientales, acceder a los excelentes textos que sobre el tema estn publicados.Se continu una interesante experiencia de coordinacin realizada entre el 2000 y el 2002 por los docentes de Microbio-loga de las 7 Facultades de Uruguay que imparten conceptos de Microbiologa en la que se delimitaron los conceptosbsicos que deberan contener un curso comn de Microbiologa General, a aplicar en cada uno de esos centros, queest disponible en CD. Sobre esta experiencia se desarrollaron los captulos del 1 al 7 del presente texto.Otras temticas abordadas en este texto son el de Biorremediacin, o sea el tratamiento microbiolgico de situacionesde polucin graves, como las que lamentablemente nos tiene acostumbrados la prensa: derrames de petrleo, contami-naciones por solventes, herbicidas, etc. y el de la aplicacin biotecnolgica de muchos microorganismos.El Anexo prctico contiene como en los textos anteriores, tcnicas bsicas para realizar experiencias sencillas y poneren evidencia los procesos microbiolgicos tratados en el texto.

Por ltimo, se desea dedicar este texto a los estudiantes de distintas disciplinas: Agrcolas, Biolgicas, de CienciasAmbientales, Ciencias del Suelo, Bioqumica y Qumica, que sientan inters en adentrarse en el apasionante mundo delos microorganismos.

Lillian Frioni14

tes en los procariotas, originado a partir de una bacteriaaerobia. Esta hiptesis se contradice con la creencia ge-neral de que este organismo primitivo fuera una ciano-bacteria. Estas bacterias y la fotosntesis productora deoxgeno se desarrollaron probablemente hace unos 2.500a 3.000 millones de aos. La diversidad microbiana au-ment en forma notable luego de la aparicin del O

2.

La figura 3 muestra un esquema de la evolucin del mun-do vivo basado en la estructura del ARN de los riboso-mas. Desde el punto de vista evolutivo los organismos sepueden dividir en tres grupos principales: arqueobacte-rias, eubacterias y eucariotas.

Los estudios sobre las secuencias del ARN ribosomal enclulas procariotas sugiere una separacin temprana deestos organismos. La figura 4 (Madigan et al., 2000)pre-senta el arreglo segn estos criterios basados en la orga-nizacin gentica. El rbol filogentico se divide en tresramas principales: Bacteria, Archaea y Eucarya. Las ar-queobacterias y las bacterias fueron las primeras en di-verger y luego se desarrollaron los organismos eucario-tas. Estos tres grupos primarios se denominan dominioso imperios y se ubican por encima del nivel de los reinosclsicos.

Los organismos eucariotas presentan lpidos con acil dis-teres del glicerol y ARN ribosomal eucariota y pertenecena Eucarya. El dominio Bacteria (Eubacteria) presenta or-ganismos con clulas procariotas con lpidos de membra-na con diacil dister de glicerol, mientras que los proca-riotas cuyas membranas estn compuestas por lpidosisoprenoides del tipo diter de diglicerol o tetrater de di-glecerol y ARNr arqueobacteriano comprenden el tercerdominio, Archaea, que incluye a organismos termfilos,anaerobios y acidfilos.

Parece probable que las clulas eucariotas modernas seoriginaron a partir de las procariotas hace unos 1.400 millo-nes de aos. Los mecanismos no estn aun dilucidados.

Una de la hiptesis es la endosimbitica, que piensa quela clula eucariota ancestral se pudo formar por la fusinde antiguas eubacterias y arqueobacterias. Muchos auto-res consideran que Archaea y Eucarya estn ms relacio-nados de los que parece y proponen que la lnea eucariotasurgi de Archaea y luego se form el ncleo, posiblemen-te a partir del aparato de Golgi. Las mitocondrias y los clo-roplastos parecen haber surgido con posterioridad.

El eucariota ancestral fermentador de vida libre con suncleo estableci relaciones simbiticas permanentes conbacterias fotosintticas (cianobacterias) que evoluciona-ron hacia los cloroplastos. Eubacterias con respiracinaerobia (Agrobacterium, Rhizobium, rickettsias) seran losantecesores de las mipocondrias.

Esta teora endosimbitica ha sido avalada por el hallaz-go de una cianobacteria endosimbitica en un protozoodiflagelado y que acta como su cloroplasto.

Aunque las eubacterias y las arqueobacterias son proca-riotas, desde un punto de vista evolutivo no estn msestrechamente relacionadas entre si como lo estn conlos eucariotas.

Las arqueobacterias (Archaeae) comprenden un grupomuy primitivo que incluye organismos halfitos y termfi-los extremos. Entre ellas se encuentran las bacterias me-tanognicas, anaerobias estrictas.

Parecera que los tres grupos bacterianos surgieron tem-prano en la historia de la tierra a partir de un organismoprimitivo comn, el ancestro universal.

Debido a que las clulas de los animales y de las plantasson eucariotas, se ha considerado en forma general quehan derivado de algn tipo de microorganismo, en tantoque los procariotas representan una rama que nunca su-per la etapa microbiana.

PlantasAnimales

Arqueobacterias Eucariotas Eubacterias

Ancestro universal

Origen de la vida

Figura 3- Evolucin del mundo vivo basada en laestructura del ARN de los ribosomas

Lillian Frioni8 13Microbiologa: bsica, ambiental y agrcola

Ya desde la segunda mitad del siglo XIX se vislumbrabandiferencias entre animales y vegetales con los organismosms simples, como las bacterias, hongos, algas y protozoos.

El zologo alemn Haeckel propuso en 1886 incluir a es-tos ltimos organismos en un nuevo reino, el de los Pro-tistas: integrado por organismos muy simples, la mayoraunicelulares, microscpicos, y otros macroscpicos fila-mentosos o cenocticos (tubos con paredes rgidas concitoplasma y ncleos que fluyen libremente), conocidosvulgarmente como microorganismos.

No se diferencian en tejidos ni rganos, ni presentan espe-cializacin funcional, excepto, tal vez, para la reproduccin.

Luego de la evidencia de la existencia de los dos tipos declulas, el reino de los protistas se dividi en:

Protistas inferiores, con clula procariota, que incluye alas bacterias, con las cianobacterias y actinomicetes y

Protistas superiores, con estructura eucariota, que com-prende a las algas, protozoos y hongos.

A los virus les faltan muchos de los atributos de las clu-las entre los cuales el ms importante es que no son sis-temas abiertos dinmicos. Una partcula viral es una es-tructura esttica, incapaz de cambiar o reponer sus par-tes. Carecen de organizacin celular, de capacidad meta-blica y de autoduplicacin, no se los considera microor-ganismos, sino entidades biolgicas y sern tratados enel captulo de gentica de procariotas, por el rol que ejer-cen en la transferencia de material gentico.

Evolucin y diversidad microbiana

Se calcula que nuestro planeta tiene una antigedad de4.600 millones de aos y se han descubierto restos fsi-les de clulas bacterianas de unos 3.500 a 3.800 millonesde aos, por lo que se infiere que la vida procariota surgipoco despus del enfriamiento terrestre.

Se postula a un hongo hemiascomicete como el primerorganismo eucariota, que fue adquiriendo los 22 caracte-res universalmente presentes en los eucariotas y ausen-

nuclear, contiene varias molculas de ADN y se divide pormitosis o por una completa reproduccin sexual, que in-cluye fusin de clulas, formacin de zigote diploide y se-gregacin de clulas haploides luego de la meiosis.

La clula procariota, por el contrario, no posee membrananuclear, posee una sola molcula de ADN y la divisin asexuales por biparticin, amittica. La clula no est atravesadapor membranas, no posee organelos, excepto sacos muysimples que alberguen a los pigmentos fotosintticos y a ve-ces vesculas de gas para flotar en el agua.

Los estudios a nivel de funciones celulares mostraron queestas diferencias estructurales son la expresin de meca-nismos diferentes de:

transmisin de la informacin gentica

tipos de metabolismo bioenergtico

procesos de entrada y salida de sustancias

Uno de los hechos ms sorprendentes en la historia de laevolucin debe ser sin duda la aparicin de la primera clu-la eucaritica. Se est lejos de comprender las causas deeste gran salto en la evolucin, sobre todo por la escasezde fsiles, que permitan reconocer intermediarios.

citoplasma

ncleo

clulaeucariota

clulaprocariota

organelos

0.5 m

Figura 2- Relaciones entre las clulas procariotasy las eucariotas


Los microorganismos:

estructuras y funciones

1 Introduccin a la Microbiologa ....................................................... 11

2 Estructuras y funciones de las clulas eucariotas y procariotas.

Los virus .......................................................................................... 19

3 Nutricin y metabolismo bioenergtico en microorganismos .......... 39

4 Crecimiento microbiano y su control.

Efecto de factores ambientales ....................................................... 65

5 Gentica de mcroorganismos procariotas ...................................... 85

6 Taxonoma bacteriana y filogenia ................................................... 93

7 Los protistas superiores ............................................................... 105

Lillian Frioni12

Los organismos cumplen con los 5 principios caracters-ticos de las clulas vivas:

1. autoalimentacin o nutricin: las clulas toman lassustancias qumicas del ambiente, las transforman, libe-ran energa y productos de desecho.

2. autoduplicacin o desarrollo: las clulas son capa-ces de dirigir su propia sntesis. Al crecer, se dividen dan-do dos clulas cada una idntica a la original.

3. diferenciacin: la mayor parte de las clulas puedenpresentar cambios en su forma o funcin. La diferencia-cin suele ser parte del ciclo de vida celular: se formanestructuras especializadas comprometidas con la repro-duccin sexual, la dispersin, la sobrevivencia en condi-ciones desfavorables (esporas, cistos,etc).

4. sealamiento qumico: interactan o se comunicancon otras clulas, por seales qumicas

5. evolucin: es la introduccin de cambios heredita-rios como resultado de la seleccin natural. Consecuen-cia de estos cambios (que ocurren a velocidad baja peroregular en todas las clulas) es la seleccin de los orga-nismos mejor capacitados para vivir en determinadoambiente.

Los estudios con el microscopio electrnico permitieronreconocer diferencias en la organizacin subcelular de los

organismos y confirmar la existencia de dos tipos de clu-las: la eucaritica, unidad estructural de animales, vegeta-les, protozoos, hongos y algas y la procaritica, caracte-rstica de los organismos ms simples, las bacterias, inclu-yendo entre stas a las cianobacterias (figura 2).

A pesar de la extraordinaria diversidad de clulas eucari-ticas, resultante de la especializacin evolutiva de los dis-tintos grupos, su arquitectura bsica es comn: comparti-mentalizacin por sistemas membranosos (RE y Golgi), co-rrientes citoplasmticas, mitocondrias y cloroplastos. Elncleo de los eucariotes est rodeado por una membrana

Cuadro 1- Aspectos que estudia la Microbiologa

Microbiologa general: herramienta para la compren-sin de principios metablicos generales, gentica, di-visin celular.

Estudia: los microorganismos, su estructura, fisiologa,clasificacin, diversidad, procesos bioqumicos, creci-miento y su control

Microbiologa aplicada: relacionada a problemas dela medicina, ambiente, industria, produccin y con-servacin de alimentos, transformaciones de la ma-teria orgnica y mineral en ecosistemas naturales,generacin de energa, proteccin del ambiente, bio-tecnologa

Cuadro 2- Impacto de los microorganismosen la actividad humana

Como agentes causantes de enfermedades

La mayora de los microorganismos estn bajo control.Sin embargo, en ciertas condiciones las enfermedadesmicrobianas constituyen causa de morbilidad y muerte

Benficos: productores de antibiticos (100ton/ao)

En la agricultura

Fijacin biolgica del N2 (175 millones toneladas

N/ao)

Transformaciones de elementos: C, N. S, P, K, etc.

Actividades microbianas en el rumen

Enfermedades de plantas (hongos, bacterias) y su Con-trol Biolgico

Energa y proteccin del ambiente

Biocombustibles: etanol, H2, metano

Polmeros biodegradables: polialcanos ( OH-butirato)Recuperacin de minerales de suelos de minas

Alimentos

Conservacin de alimentos (fermentaciones cidas)

Fermentaciones lctica y alcohlica

Biotecnologa

Organismos genticamente modificados de inters

Produccin de compuestos farmacuticos

Herramientas para la transferencia de genes (seleccio-nados o creados)


1 Introduccin a la Microbiologa

La Microbiologa es la ciencia que estudia a los microorga-nismos que constituyen un importante grupo de organis-mos primitivos y simples, la mayora unicelulares microsc-picos y otros macroscpicos filamentosos o cenocticos,capaces de realizar innumerables procesos biolgicos, quehan surgido muy temprano en la evolucin, pero que sehan adaptado a las condiciones ambientales actuales.

El grupo est integrado por las bacterias, algas, hongos,protozoos (figura 1).

Los virus no se consideran microorganismos en sentidoestricto, ya que no poseen estructura celular, presentanuna sola molcula de cido nucleico, carecen de activi-dad metablica (excepto la enzima lisozima) y son inca-

paces de reproducirse por si mismos. Se les denomina:entidades biolgicas.

La Microbiologa estudia:i) clulas vivas y su funcionamientoii) los microorganismos, importante grupo capaz de existencia independienteiii) diversidad microbiana y evoluciniv) funciones en la biosfera, en nuestro organismo, en el de los vegetales y animales

El cuadro 1 presenta la clsica divisin de la disciplina enMicrobiologa General y Microbiologa Aplicada y el cua-dro 2 resume algunos de los efectos de los microorganis-mos en las actividades humanas.

Figura 1- Bacterias, hongos, algas y protozoos


Los microorganismos:

estructuras y funciones

1 Introduccin a la Microbiologa ....................................................... 11

2 Estructuras y funciones de las clulas eucariotas y procariotas.

Los virus .......................................................................................... 19

3 Nutricin y metabolismo bioenergtico en microorganismos .......... 39

4 Crecimiento microbiano y su control.

Efecto de factores ambientales ....................................................... 65

5 Gentica de mcroorganismos procariotas ...................................... 85

6 Taxonoma bacteriana y filogenia ................................................... 93

7 Los protistas superiores ............................................................... 105

Lillian Frioni12

Los organismos cumplen con los 5 principios caracters-ticos de las clulas vivas:

1. autoalimentacin o nutricin: las clulas toman lassustancias qumicas del ambiente, las transforman, libe-ran energa y productos de desecho.

2. autoduplicacin o desarrollo: las clulas son capa-ces de dirigir su propia sntesis. Al crecer, se dividen dan-do dos clulas cada una idntica a la original.

3. diferenciacin: la mayor parte de las clulas puedenpresentar cambios en su forma o funcin. La diferencia-cin suele ser parte del ciclo de vida celular: se formanestructuras especializadas comprometidas con la repro-duccin sexual, la dispersin, la sobrevivencia en condi-ciones desfavorables (esporas, cistos,etc).

4. sealamiento qumico: interactan o se comunicancon otras clulas, por seales qumicas

5. evolucin: es la introduccin de cambios heredita-rios como resultado de la seleccin natural. Consecuen-cia de estos cambios (que ocurren a velocidad baja peroregular en todas las clulas) es la seleccin de los orga-nismos mejor capacitados para vivir en determinadoambiente.

Los estudios con el microscopio electrnico permitieronreconocer diferencias en la organizacin subcelular de los

organismos y confirmar la existencia de dos tipos de clu-las: la eucaritica, unidad estructural de animales, vegeta-les, protozoos, hongos y algas y la procaritica, caracte-rstica de los organismos ms simples, las bacterias, inclu-yendo entre stas a las cianobacterias (figura 2).

A pesar de la extraordinaria diversidad de clulas eucari-ticas, resultante de la especializacin evolutiva de los dis-tintos grupos, su arquitectura bsica es comn: comparti-mentalizacin por sistemas membranosos (RE y Golgi), co-rrientes citoplasmticas, mitocondrias y cloroplastos. Elncleo de los eucariotes est rodeado por una membrana

Cuadro 1- Aspectos que estudia la Microbiologa

Microbiologa general: herramienta para la compren-sin de principios metablicos generales, gentica, di-visin celular.

Estudia: los microorganismos, su estructura, fisiologa,clasificacin, diversidad, procesos bioqumicos, creci-miento y su control

Microbiologa aplicada: relacionada a problemas dela medicina, ambiente, industria, produccin y con-servacin de alimentos, transformaciones de la ma-teria orgnica y mineral en ecosistemas naturales,generacin de energa, proteccin del ambiente, bio-tecnologa

Cuadro 2- Impacto de los microorganismosen la actividad humana

Como agentes causantes de enfermedades

La mayora de los microorganismos estn bajo control.Sin embargo, en ciertas condiciones las enfermedadesmicrobianas constituyen causa de morbilidad y muerte

Benficos: productores de antibiticos (100ton/ao)

En la agricultura

Fijacin biolgica del N2 (175 millones toneladas

N/ao)

Transformaciones de elementos: C, N. S, P, K, etc.

Actividades microbianas en el rumen

Enfermedades de plantas (hongos, bacterias) y su Con-trol Biolgico

Energa y proteccin del ambiente

Biocombustibles: etanol, H2, metano

Polmeros biodegradables: polialcanos ( OH-butirato)Recuperacin de minerales de suelos de minas

Alimentos

Conservacin de alimentos (fermentaciones cidas)

Fermentaciones lctica y alcohlica

Biotecnologa

Organismos genticamente modificados de inters

Produccin de compuestos farmacuticos

Herramientas para la transferencia de genes (seleccio-nados o creados)


Ya desde la segunda mitad del siglo XIX se vislumbrabandiferencias entre animales y vegetales con los organismosms simples, como las bacterias, hongos, algas y protozoos.

El zologo alemn Haeckel propuso en 1886 incluir a es-tos ltimos organismos en un nuevo reino, el de los Pro-tistas: integrado por organismos muy simples, la mayoraunicelulares, microscpicos, y otros macroscpicos fila-mentosos o cenocticos (tubos con paredes rgidas concitoplasma y ncleos que fluyen libremente), conocidosvulgarmente como microorganismos.

No se diferencian en tejidos ni rganos, ni presentan espe-cializacin funcional, excepto, tal vez, para la reproduccin.

Luego de la evidencia de la existencia de los dos tipos declulas, el reino de los protistas se dividi en:

Protistas inferiores, con clula procariota, que incluye alas bacterias, con las cianobacterias y actinomicetes y

Protistas superiores, con estructura eucariota, que com-prende a las algas, protozoos y hongos.

A los virus les faltan muchos de los atributos de las clu-las entre los cuales el ms importante es que no son sis-temas abiertos dinmicos. Una partcula viral es una es-tructura esttica, incapaz de cambiar o reponer sus par-tes. Carecen de organizacin celular, de capacidad meta-blica y de autoduplicacin, no se los considera microor-ganismos, sino entidades biolgicas y sern tratados enel captulo de gentica de procariotas, por el rol que ejer-cen en la transferencia de material gentico.

Evolucin y diversidad microbiana

Se calcula que nuestro planeta tiene una antigedad de4.600 millones de aos y se han descubierto restos fsi-les de clulas bacterianas de unos 3.500 a 3.800 millonesde aos, por lo que se infiere que la vida procariota surgipoco despus del enfriamiento terrestre.

Se postula a un hongo hemiascomicete como el primerorganismo eucariota, que fue adquiriendo los 22 caracte-res universalmente presentes en los eucariotas y ausen-

nuclear, contiene varias molculas de ADN y se divide pormitosis o por una completa reproduccin sexual, que in-cluye fusin de clulas, formacin de zigote diploide y se-gregacin de clulas haploides luego de la meiosis.

La clula procariota, por el contrario, no posee membrananuclear, posee una sola molcula de ADN y la divisin asexuales por biparticin, amittica. La clula no est atravesadapor membranas, no posee organelos, excepto sacos muysimples que alberguen a los pigmentos fotosintticos y a ve-ces vesculas de gas para flotar en el agua.

Los estudios a nivel de funciones celulares mostraron queestas diferencias estructurales son la expresin de meca-nismos diferentes de:

transmisin de la informacin gentica

tipos de metabolismo bioenergtico

procesos de entrada y salida de sustancias

Uno de los hechos ms sorprendentes en la historia de laevolucin debe ser sin duda la aparicin de la primera clu-la eucaritica. Se est lejos de comprender las causas deeste gran salto en la evolucin, sobre todo por la escasezde fsiles, que permitan reconocer intermediarios.

citoplasma

ncleo

clulaeucariota

clulaprocariota

organelos

0.5 m

Figura 2- Relaciones entre las clulas procariotasy las eucariotas


Prlogo

Microbiologa: bsica, ambiental y agrcola surge luego de revisin y ampliacin de Procesos microbianos, editado en1999 por la Fundacin de la Universidad Nacional de Ro Cuarto, Argentina, texto que continu a Ecologa microbianadel Suelo, editado en 1990 por el Departamento de Publicaciones de la Universidad de la Repblica (Uruguay).En todos ellos se analizan actividades de los microorganismos que benefician al hombre y mejoran la calidad de losecosistemas naturales, cuyo conocimiento permite manejarlas y dirigirlas en beneficio de la poblacin. En efecto,muchas actividades microbianas permiten incrementar la produccin de alimentos, la salud de los suelos y de loscauces de agua, evitando o disminuyendo las aplicaciones masivas de fertilizantes y sustancias altamente txicas comoherbicidas, fungicidas, etc.Debemos, sin embargo sealar las diferencias entre los tres textos: en Ecologa microbiana del suelo, se analizaron lastransformaciones de la materia orgnica y mineral de los suelos, las interacciones de los microorganismos entre si y conlos vegetales, con nfasis en dos importantes asociaciones simbiticas, las fijadoras de nitrgeno y las asociaciones conhongos micorrcicos.En Procesos microbianos se agregaron temas vinculados a los procesos de biodegradacin de restos orgnicos, tantoaerobios como anaerobios que contribuyen a la conversin de materiales de deshecho de la industria lctea, de otrasagroindustrias y de prcticas agrcolas, en productos que se usan como biofertilizantes y obtener efluentes de la indus-tria sin carcter contaminante, contribuyendo a la proteccin ambiental. Otra temtica abordada en este segundo textoes la promocin del crecimiento vegetal, tanto en forma directa, por procesos microbianos de mineralizacin, oxido-reduccin, solubilizacin, fijacin, como por su contribucin a la eliminacin de microorganismos fitopatgenos pormecanismos conocidos como Control Biolgico.Finalmente, en el presente texto Microbiologa: bsica, ambiental y agrcola, adems de revisarse y actualizarse estostemas, se entendi oportuno incorporar captulos dedicados a aspectos de Microbiologa General o Bsica, en el enten-dimiento de que muchas veces resulta dificultoso a los estudiantes de Agronoma, de Ciencias del Suelo o de CienciasAmbientales, acceder a los excelentes textos que sobre el tema estn publicados.Se continu una interesante experiencia de coordinacin realizada entre el 2000 y el 2002 por los docentes de Microbio-loga de las 7 Facultades de Uruguay que imparten conceptos de Microbiologa en la que se delimitaron los conceptosbsicos que deberan contener un curso comn de Microbiologa General, a aplicar en cada uno de esos centros, queest disponible en CD. Sobre esta experiencia se desarrollaron los captulos del 1 al 7 del presente texto.Otras temticas abordadas en este texto son el de Biorremediacin, o sea el tratamiento microbiolgico de situacionesde polucin graves, como las que lamentablemente nos tiene acostumbrados la prensa: derrames de petrleo, contami-naciones por solventes, herbicidas, etc. y el de la aplicacin biotecnolgica de muchos microorganismos.El Anexo prctico contiene como en los textos anteriores, tcnicas bsicas para realizar experiencias sencillas y poneren evidencia los procesos microbiolgicos tratados en el texto.

Por ltimo, se desea dedicar este texto a los estudiantes de distintas disciplinas: Agrcolas, Biolgicas, de CienciasAmbientales, Ciencias del Suelo, Bioqumica y Qumica, que sientan inters en adentrarse en el apasionante mundo delos microorganismos.

Lillian Frioni14

tes en los procariotas, originado a partir de una bacteriaaerobia. Esta hiptesis se contradice con la creencia ge-neral de que este organismo primitivo fuera una ciano-bacteria. Estas bacterias y la fotosntesis productora deoxgeno se desarrollaron probablemente hace unos 2.500a 3.000 millones de aos. La diversidad microbiana au-ment en forma notable luego de la aparicin del O

2.

La figura 3 muestra un esquema de la evolucin del mun-do vivo basado en la estructura del ARN de los riboso-mas. Desde el punto de vista evolutivo los organismos sepueden dividir en tres grupos principales: arqueobacte-rias, eubacterias y eucariotas.

Los estudios sobre las secuencias del ARN ribosomal enclulas procariotas sugiere una separacin temprana deestos organismos. La figura 4 (Madigan et al., 2000)pre-senta el arreglo segn estos criterios basados en la orga-nizacin gentica. El rbol filogentico se divide en tresramas principales: Bacteria, Archaea y Eucarya. Las ar-queobacterias y las bacterias fueron las primeras en di-verger y luego se desarrollaron los organismos eucario-tas. Estos tres grupos primarios se denominan dominioso imperios y se ubican por encima del nivel de los reinosclsicos.

Los organismos eucariotas presentan lpidos con acil dis-teres del glicerol y ARN ribosomal eucariota y pertenecena Eucarya. El dominio Bacteria (Eubacteria) presenta or-ganismos con clulas procariotas con lpidos de membra-na con diacil dister de glicerol, mientras que los proca-riotas cuyas membranas estn compuestas por lpidosisoprenoides del tipo diter de diglicerol o tetrater de di-glecerol y ARNr arqueobacteriano comprenden el tercerdominio, Archaea, que incluye a organismos termfilos,anaerobios y acidfilos.

Parece probable que las clulas eucariotas modernas seoriginaron a partir de las procariotas hace unos 1.400 millo-nes de aos. Los mecanismos no estn aun dilucidados.

Una de la hiptesis es la endosimbitica, que piensa quela clula eucariota ancestral se pudo formar por la fusinde antiguas eubacterias y arqueobacterias. Muchos auto-res consideran que Archaea y Eucarya estn ms relacio-nados de los que parece y proponen que la lnea eucariotasurgi de Archaea y luego se form el ncleo, posiblemen-te a partir del aparato de Golgi. Las mitocondrias y los clo-roplastos parecen haber surgido con posterioridad.

El eucariota ancestral fermentador de vida libre con suncleo estableci relaciones simbiticas permanentes conbacterias fotosintticas (cianobacterias) que evoluciona-ron hacia los cloroplastos. Eubacterias con respiracinaerobia (Agrobacterium, Rhizobium, rickettsias) seran losantecesores de las mipocondrias.

Esta teora endosimbitica ha sido avalada por el hallaz-go de una cianobacteria endosimbitica en un protozoodiflagelado y que acta como su cloroplasto.

Aunque las eubacterias y las arqueobacterias son proca-riotas, desde un punto de vista evolutivo no estn msestrechamente relacionadas entre si como lo estn conlos eucariotas.

Las arqueobacterias (Archaeae) comprenden un grupomuy primitivo que incluye organismos halfitos y termfi-los extremos. Entre ellas se encuentran las bacterias me-tanognicas, anaerobias estrictas.

Parecera que los tres grupos bacterianos surgieron tem-prano en la historia de la tierra a partir de un organismoprimitivo comn, el ancestro universal.

Debido a que las clulas de los animales y de las plantasson eucariotas, se ha considerado en forma general quehan derivado de algn tipo de microorganismo, en tantoque los procariotas representan una rama que nunca su-per la etapa microbiana.

PlantasAnimales

Arqueobacterias Eucariotas Eubacterias

Ancestro universal

Origen de la vida

Figura 3- Evolucin del mundo vivo basada en laestructura del ARN de los ribosomas

Lillian Frioni6

Los microorganismos en los alimentos y la industria

19 Fermentacin lctica y alcohlica. Aplicaciones biotecnolgicas ...................... 333

20 Aplicaciones industriales de los microorganismos ............................................ 349

Los microorganismos y la proteccin ambiental

21 Biotransformacin de residuos orgnicos ......................................................... 363

22 Degradacin de xenobiticos ............................................................................ 383

23 Biorremediacin ................................................................................................ 397

Anexo prctico ................................................................................................... 407


Es posible que nuevos datos ayuden a dilucidar este pro-ceso evolutivo.

Tcnicas de estudio de los microorganismos

La mayor limitacin en el estudio de los microorganismoslo constituye su pequeo tamao, la falta de fsiles y ladificultad de muchos de los microorganismos para sercultivados en el laboratorio. Sin embargo, los avances enlos ltimos 100 aos fueron enormes y el cuadro 3 resu-me algunos de los eventos ms importantes.

MicroscopaEl microscopio marc un hito en los estudios, ya quehay que considerar que el ojo desnudo aprecia comoindependientes a dos puntos separados por 0,1mm (po-der separador) y el mejor microscopio ptico presentaun lmite de resolucin de 0,2 m y un aumento mximode 1.500-2000X, que resulta de multiplicar el aumentodel ocular (10-20X) por el del objetivo (5, 10, 20 aumen-tos, los comunes y x 100, el objetivo de inmersin enaceite).

Como las bacterias presentan aproximadamente un di-metro de 1 m, con los microscopios pticos slo se pue-den apreciar la forma general y las caractersticas morfo-lgicas principales, pero no se aprecian estructuras sub-celulares.

Se emplean tambin microscopios de contraste de fa-ses y los fluorescentes, que permiten distinguir estruc-turas en base al empleo de colorantes fluorescentes,como el naranja de acridina, diacetato de fluorescenaetc. Muchos de ellos se consideran colorantes vitales,ya que fluorescen en luz ultravioleta luego de ser em-pleados por enzimas celulares.

La estructura interna detallada de los microorganismosfue visible con el microscopio electrnico, desarrollado apartir de la dcada del 30 del siglo XX y que presenta unpoder separador aproximadamente 1000 veces superioral del microscopio ptico y puede distinguir puntos sepa-rados por 0,5nm (aumento eficaz 100.000X). Se empleanlos microscopios electrnicos de transmisin y de barrido(figura 5).

Figura 4- Bacteria, Archae y Eukarya

Bacteria Archaea

Entamebas Hongosmucosos

Animales

Hongos

Plantas

Ciliados

Flagelados

Tricomnadas

Microsporidios

Diplomnadas(Giardia)

Eukarya

Methanopyrus

Thermoplasma

Halfilosextremos

Euriarqueotas

MethanosarcinaMethano-bacterium

Methano-coccus

Crenarqueotas

Thermoproteus

Pyrodictium

Korarqueotas

Bacterias verdesno sulfurosas

Mitocondria

Bacteriasgram-

positivasBacterias rojas

Cloroplastos

CianobacteriasFlavobacterias

Thermotoga

Aquifex

Thermococcus


Tabla de contenidos

Prlogo .................................................................................................................. 7

Los microorganismos: estructuras y funciones

1 Introduccin a la Microbiologa .............................................................................. 9

2 Estructuras y funciones de las clulas eucariotas y procariotas. Los virus ......... 17

3 Nutricin y metabolismo bioenergtico en microorganismos .............................. 39

4 Crecimiento microbiano y su control. Efecto de factores ambientales ................ 65

5 Gentica de mcroorganismos procariotas ........................................................... 85

6 Taxonoma bacteriana y filogenia ........................................................................ 93

7 Los protistas superiores ................................................................................... 105

Los microorganismos en los ciclos biogeoqumicos

8 Ecologa microbiana y mtodos de estudio ....................................................... 117

9 Ciclo biolgico del carbono ............................................................................... 137

10 Ciclo biolgico del nitrgeno ............................................................................. 165

11 Fijacin biolgica del nitrgeno (FBN) .............................................................. 187

12 Ciclos biolgicos del azufre, fsforo, hierro. ...................................................... 207

Los microorganismos y sus interacciones

13 La rizosfera ........................................................................................................ 225

14 Interacciones entre microorganismos .............................................................. 237

15 Fijacin biolgica de N2 en la rizosfera y en asociaciones nodulares ............... 249

16 Las micorrizas ................................................................................................... 285

17 Microorganismos promotores del crecimiento vegetal ...................................... 303

18 Procesos microbianos en el rumen ................................................................... 317

Lillian Frioni16

En general los microorganismos son fijados (frotis) y tei-dos con colorantes cidos o bsicos a los efectos de au-mentar su visibilidad y/o conservarlos para otros estudios.

Fijacin: se realiza en general secando suavemente elinculo sobre el portaobjeto a la llama y luego cortandovarias veces la llama con el preparado. El objetivo es con-servar las estructuras lo ms intactas posibles antes desu tincin. La fijacin puede realizarse con sustanciasqumicas, como el etanol, cido actico, formaldehdo, queinactivan e insolubilizan molculas como los lpidos y pro-tenas microbianas.

Coloraciones: numerosos colorantes se emplean parafacilitar la visualizacin de los microorganismos ms pe-queos, como las bacterias (figura 6). Presentan gruposcromforos, con dobles enlaces que le dan el color carac-terstico y adems se unen a estructuras celulares porenlaces inicos, covalentes o hidrofbicos. Los coloran-tes bsicos, como el azul de metileno, la fucsina bsica,el cristal violeta, la safranina, verde de malaquita, tienengrupos cargados positivamente que se unen a molculascargadas negativamente, como los cidos nucleicos ymuchas protenas (superficies bacterianas). Los coloran-tes cidos, como la eosina, rosa de Bengala y fucscinacida son aninicos y se unen a grupos celulares carga-dos positivamente.

Los microorganismos se pueden observar al microscopioluego de una tincin simple, es decir un solo colorante,por ejemplo con azul de metileno: se cubre el frotis con elcolorante, por un tiempo prudencial, 1 minuto, se lava conagua, se seca y se observa. Permiten distinguir tamao,forma y organizacin de bacterias.

Los mtodos de tincin diferencial permiten diferenciargrupos bacterianos segn sus propiedades de tincin.Ejemplo de estas es la tincin de Gram, que separa abacterias Gram positivas (toman el primer colorante y loretienen y se ven violetas) y Gram negativas, que no re-tienen el colorante violeta luego de lavado con etanol oacetona y se colorean con el colorante de contraste, rosa-do, como la safranina.

Existen otro grupo de tinciones que permiten visualizar es-tructuras como esporas, flagelos, materiales de reserva, etc.

Figura 5- Microscpica electrnica.Izquierda: Rhizobium observado con microscopio electrnicode transmisin, se aprecia la membrana y la pared celular , la

regin nuclear y gotas lipdicas (materiales de reserva).Derecha: micrografa de Lactobacillus spp. con microscopa

electrnica de barrido.

El primero permite visualizar estructuras dentro de la c-lula, as como caractersticas de la membrana y paredcelular, por la diferencia de densidades al ser atravesa-das por un flujo acelerado de electrones. El de barridomuestra el relieve de superficies celulares ya que los elec-trones se reflejan luego de chocar con una superficie me-tlica que recubre los preparados.

TincionesLos microorganismos vivos se pueden examinar directamen-te con un microscopio ptico, prctica corriente en estudiosde morfologa de hongos, algas y protozoos (figura 6).

En el caso de las bacterias, dado su pequeo tamao y lafalta de contraste con el medio, esta tcnica de observa-cin es menos usada.

Sin embargo, es muy empleada para evidenciar la movili-dad bacteriana, con cultivos jvenes en medio lquido, enel microscopio ptico, ya que los flagelos son difciles deobservar aun con tinciones especiales. Se coloca unagota de cultivo entre porta y cubre objeto o en portaobje-tos especiales excavados, que se observan con baja lu-minosidad ya que existe poco contraste entre las clulasy el agua, lo que dificulta la observacin.

Lillian Frioni4

2006 UNIVERSIDAD DE LA REPBLICA - FACULTAD DE AGRONOMAReservados todos los derechos de la presente edicin para todos los pases. Este libro no se podr reproducir total oparcialmente por ningn medio grfico, electrnico, digital, mecnico o cualquier otro, incluyendo los sistemas defotocopia o fotoduplicacin, registro magnetofnico o de alimentacin de datos, sin expreso consentimiento de laFacultad de Agronoma.

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Otros mtodos de estudio de los microorganismos

Numerosos mtodos son empleados para el estudio deestructuras subcelulares de los microorganismos y paradistinguir cepas bacterianas. Muchos de ellos son adap-taciones de tcnicas corrientes en biologa celular: colo-raciones diferenciales y observaciones microscpicas (ci-toqumica), estudios enzimticos, evidencia de vas me-tablicas y finalmente los mayores avances se realiza-ron por aplicacin de mtodos de biologa molecular.Muchos de ellos son descriptos en el captulo 8: Ecolo-ga microbiana y en el Apndice prctico.

Como resumen, en el cuadro 3 se sealan algunos delos descubrimientos ms importantes que contribuyerona la evolucin de la Microbiologa.

Bibliografa

Madigan, Martinko y Parker. Brock, Biologa de los mi-croorganismos, 9. Edicin, 2000 Prentice Hall Inter-nationalPrescott, Harley, Klein, Microbiologa, 1999 McGraw-HillInteramericana

Preguntas de repaso

1) Objeto de estudio de la Microbiologa

2) Disciplinas muy relacionadas a la microbiologa

3) Algunas de las especialidades en que se ha subdividi-do esta ciencia

4) Concepto del trmino microorganismo y ejemplos deellos

5) Por qu se dice que los microorganismos son muybuenas herramientas en estudios fisiolgicos, genti-cos, enzimticos?

6) Por qu las bacterias estn tan distribuidas en la natu-raleza? Seale ambientes donde se las encuentra.

7) Cual fue el gran descubrimiento que permiti separara los microorganismos en dos grandes grupos? Conqu instrumento se logr este hallazgo?

8) Diferencias entre bacteria, arquebacteria y eucariotas

9) Por qu resulta importante la tincin de los frotis bac-terianos antes de su observacin microscpica?

10) Por qu aun no se tiene certeza definitiva sobre laevolucin del mundo microbiano? Qu herramientasresultan muy importantes de aplicar?

Figura 6- Observaciones de microorganismos al microcopio ptico. Izquierda: algas alestado fresco y derecha: bacilos luego de tincin


Microbiologa:bsica, ambiental y agrcola

Lillian Frioni

Lillian Frioni18

Cuadro 3- Breve historia de la Microbiologa

1660 Robert Hooke describe estructuras de hon-gos

1632-1723 Anton van Leeuwwenhoek, Alemania,publica dibujos de microorganismos vistos porun microscopio simple, con un solo lente (300aumentos)

Siglo 19: Desarrollo de microscopios ms poten-tes, poder separador 0,2 mm

Segunda mitad siglo 19: desarrollo acelerado dela Microbiologa

Discusiones sobre dos temas fundamentales:Existe la generacin espontnea?Cal es la naturaleza de las enfermedades conta-

giosas?1822-1895 Luis Pasteur en Francia, determin la

naturaleza microbiana de contaminaciones deinfusiones, el metabolismo anaerobio, la inmu-nizacin

1876 Robert Koch en Alemania: los microorganis-mos como causantes de enfermedad del ga-nado provocado por Bacillus anthracis (antrax)

Postulados de Koch El microorganismos causal debe estar presen-

te en cada caso de enfermedad pero ausenteen organismos sanos

El agente infeccioso debe poder aislarse encultivo puro

Debe ser capaz de reproducir los sntomas de

la enfermedad al inocularse en una planta oanimal sano

Debe poder reaislarse en cultivo puro a partirdel husped enfermo y reconocerse idntico alprimer aislamiento

1886 Haeckel en Alemania: se propone el Reinode los Protistas. John Tyndall en Inglaterra, en-dosporas resistentes al calor: tcnica de este-rilizacin por calor fraccionado (tindalizacin)Ferdinand Cohn en Alemania: Mtodos de es-terilizacin ms eficaces

1928 Griffith: Descubrimiento de la transformacin1933 Primer Microscopio electrnico de transmisin1953 Estructura doble hlice del ADN - Watson y

Crick1977 Reconocimiento de Archeobacterias como

grupo1984 Desarrollo de la reaccin en cadena de la

polimerasa1986 Primera vacuna producida por Ingeniera

Gentica1996 Se obtiene la secuencia del genoma de Hae-

mophilus influenzae

Hasta la fecha han ocurrido innumerablesavances en Biologa Molecular, Biotecnologa,incluida la secuenciacin del genoma huma-no, a la que han contribuido los microorganis-mos.


2Estructuras y funciones de las

clulas eucariotas y procariotas

Los virus

Organizacin de la clula procariotaA pesar de su simplicidad se reconocen ciertas estructu-ras en la clula procariota. El cuadro 1 las describe y re-

sume sus funciones principales y la figura 1 es un clsicoesquema de clulas procariota y eucariota, con sus com-ponentes principales.

Cuadro 1- Estructuras en clulas procariotas

Estructuras permanentes

Pared celular Da forma a la clula y la protege de la lisis osmtica. Carcter antignico, permite el librepasaje de sustancias

Membrana citoplasmtica Barrera permeable selectiva, lmite de la clula, transporte activo y pasivo. Albergalas enzimas de procesos metablicos importantes: respiracin, fotosntesis, sealesquimiotctiles

Citoplasma Solucin coloidal, agua, sales, protenas y dems componentes, con la membranaforma el protoplasto

Espacio periplasmtico Entre la pared y la membrana, contiene enzimas hidrolticas y protenas para lacaptacin de nutrientes

Nucleoide Molcula de ADN hiper enrrollada, material gentico principal

Plsmidos Molculas pequeas de ADN circulares, codifican informacin secundaria (resistencias)

Ribosomas Corpsculos de ARN-protenas encargados de la sntesis proteica, ms pequeos (70S)que los eucariotas (80S)

Estructuras accesorias (dependen de la especie)

Cpsulas y capas mucosas Polisacridos y/o protenas, resistencia a la fagocitosis, adhesin a superficies

Fimbrias y pilis Cuerpos proteicos, fijacin a superficies, conjugacin bacteriana

Flagelos Protenas, movimiento, con carcter taxonmico

Endosporas Estructuras de resistencia a altas temperaturas, radiaciones, etc.

Vacuolas de gas Permite la flotacin en clulas acuticas

Inclusiones citoplasmticas Sin membrana, o con membrana no unitaria, en el citoplasma, fenoxialcanos (c.poli -OHbutrico, poli-fosfatos, S, etc.)

1Microbiologa: bsica, ambiental y agrcolaLillian Frioni20

Estructuras permanentes(de afuera hacia adentro de la clula)

Pared celularConstituye la parte ms importante de la clula procariotaya que salvo algunos micoplasmas y arqueobacterias, pa-rsitas intracelulares, todas las otras bacterias presentanesta barrera de proteccin contra el ambiente, sin la cuallas clulas sufriran lisis osmtica en ambientes en generalhipo o hipertnicos (suelos, agua, organismos). En 1884,Christian Gram desarroll la tincin que lleva su nombre ydesde entonces, las bacterias se clasifican en dos gruposimportantes: Gram negativas y Gram positivas.

La diferencia estructural entre ambos grupos se puso demanifiesto con el microscopio electrnico de transmisin,a mediados del siglo pasado. El cuadro 2 resume lasdiferencias.

En la figura 2 se observan estas diferencias en la paredde ambos tipos de clulas y en la figura 3 se aprecia laestructura de esta singular molcula.

La pared de una clula Gram positiva est formada poruna gruesa capa de unos 20 a 80 nm de espesor, en ge-neral formado por una nica molcula de peptidoglicanoo murena, (figura 2), ubicada por fuera de la membranacelular. Esta molcula que no aparece en las clulas eu-cariotas, est formada por una malla de polmeros de dosaminoazcares: N-acetil-glucosamina (NAG) y de cidoN-acetil murmico (NAM) unidas por enlaces glucosdi-cos hidrolizados por una enzima conocida como lisozima,contenida en las lgrimas, saliva (mecanismos de defen-sa primaria contra infecciones microbianas (cuadro 3).

La malla se fortalece aun ms con enlaces peptdicos, engeneral en cadenas de 4 aminocidos, tres de los cuales

membrana ribosomas paredmembrana

retculo

mitocondriasncleo

regin nuclearpared

Figura 1- Esquemas de clulas procariotas y eucariotas

Cuadro 2- Superficies celulares en clulas Gram positivas y Gram negativas

Gram positivas: la pared celular posee gruesa capa de peptidoglicano que retiene el colorante especfico (violeta)

Gram negativas: la pared celular presenta capa fina de peptidoglicano y una membrana externa y no retiene el colorante. Secolorean con el segundo colorante, de rosado

Archeae: no presentan peptidoglicano tpico, su tincin es Gram positiva o negativa

Periplasma: espacio entre membrana externa de la pared celular y la membrana citoplasmtica, contiene numerosas protenashidrolticas


-G-M-G- glucano G-M-GL-ala pptidos L-alaD-glu puente D-glu-NH2 DAP D-ala cruzado L-lisD-ala DAP gli D-ala gli D-glu gli

gli D-ala gli

-G-M-G- D-ala

a) Escherichia coli b) Staphylococcus L-lis (G- ) aureus(G+)

D-glu-NH2

L-ala

-G-M-G

Figura 3- Esquema de la molcula de peptidoglicano

red Gram positiva son los cidos teicoicos (polmeros deglicerol y ribitol unidos por grupo fosfato). Aminocidoscomo la D-alanina y azcares como la glucosa se puedenunir a los grupos glicerol o ribitol y al peptidoglicano porenlaces covalentes con el OH seis del cido N-acetilmurmico o a los lpidos de la membrana citoplasmtica(se denominan entonces cidos lipoteicoicos) Estn car-gados negativamente y contribuyen con esas cargas aestabilizar la pared Gram positiva. No estn presentes enbacterias Gram negativas y sus funciones no estn aundilucidadas.

Cuadro 3- Caractersticas del peptidoglicano

* Cadenas de glicano- polmeros lineares de N-acetilglucosamina (NAG)

y cido N-acetil murmico (NAM)- hidrlisis por lisozima

* Entrecruzamiento peptdico- unin al cido N-acetil murmico- contiene D y L aminocidos, inhibicin por anti-

biticos lactmicos (penicilina)* Funciones

- confiere forma a la clula, previene la lisis osm-tica

- su porosidad permite el pasaje de nutrientes

La pared de una clula Gram negativa (figura 2) es mscompleja, con capa de 2 a 7 nm de grosor formada porpeptidoglicano (5-10% del peso total de la pared) y sepresenta en forma de gel, ms que como una capa com-pacta. Luego se encuentra la llamada membrana externa

Figura 2- Tipos de paredes procariotas

Gram+ peptidoglicano Gram-peptidoglicano

membrana

perimembrana

lipopolisacrido y protena

(cido D-glutmico, D-alanina y cido meso-diaminopim-lico) no estn presentes en las protenas. La cadena pep-tdica de 4 aminocidos D y L alternados se conecta a ungrupo carboxilo del cido N-acetilmurmico (figura 4).

La penicilina acta inhibiendo la incorporacin de los ami-nocidos al peptidoglicano. Otros componentes de la pa-

membrana

Lillian Frioni40

Cuadro 2- Macronutrientes en la naturaleza y en los medios de cultivo

Elemento Forma habitual Forma qumica usada en

en el ambiente los medios de cultivo

Carbono (C) CO2, compuestos orgnicos Glucosa, malato, acetato, piruvato, muchos

compuestos o mezclas de compuestos (extracto delevadura, peptonas, celulosa, petrleo,etc)

Hidrgeno (H) H2O, compuestos orgnicos H

2O, compuestos orgnicos

Oxgeno (O) H2O, compuestos orgnicos H

2O, compuestos orgnicos

Nitrgeno (N) NH3, NO

3

-, N

2, compuestos Inorgnicos: sales amoniacales, ntricas, N

2

orgnicos con N, peptonas, etc. Orgnicas: aminocidos, bases nitrogenadas denucletidos, numerosos compuestos orgnicos con N

Fsforo (P) PO4

-3KH

2PO

4, Na

2HPO

4

Azufre (S) H2S, SO

4

=, sulfuros metlicos, Na

2SO

4, S

2O

3Na

2, Na

2S, compuestos orgnicos con S

compuestos orgnicos con S: peptonas

Potasio (K) K+, sales solubles KCl, KH2PO

4

Magnesio (Mg) Mg++, en solucin o como sales MgCl2, MgSO

4

Sodio (Na) Na+ en solucin o como NaCl

NaCl u otras sales de sodio

Calcio (Ca) Ca++ en solucin o como CaCl2

CaSO4 u otras sales

Hierro (Fe) Fe++ o Fe+++ en solucin como FeS, FeCl3, FeSO

4, soluciones de Fe quelatado con EDTA, o

Fe(OH)2 u otras sales de Fe citrato, etc.

Cuadro 3- Composicin qumica media de una clula procariota

Molcula % peso seco molculas por clula clases diferentes

Total de macromolculas 96 24.610.000 2.500

Protenas 55 2.350.000 1.850

Polisacridos 5 4.300 2

Lpidos 9,1 22.000.000 4

ADN 3,4 2,1 1

ARN 20,5 255.500 660

Total de monmeros 3,5 350

Aminoc.y precursores 0,5 100

Azcares y precursores 2 50

Nucletidos y precursores 0,5 200

Iones inorgnicos 1 18

total 100%

Lillian Frioni22

de 7-8 nm constituida por lipopolisacridos (LPS) con li-poprotenas en la cara interna. Algunas de stas, llama-das porinas, forman canales de entrada y salida de sus-tancias de bajo peso molecular.

Otra estructura que pueda dar resistencia a la pared Gramnegativa es la zona de adhesin. La membrana externa yla citoplasmtica estn en contacto directo en muchos lu-gares (fusin de membranas), por donde pueden pasarsustancias hacia el interior de la clula. Entre la membra-na interna y la pared celular (tambin llamada membranaexterna) se encuentra un espacio conocido como peri-plasma, con muchas protenas hidrolticas.

El cuadro 4 compara ambos tipos de paredes bacterianas.

Cuadro 4- Comparaciones entra ambos tipos deparedes procariotas

Gram positiva

Puede presentar ms de 30 capas de peptidoglicano,son altamente sensibles a antibiticos -lactmicos (pe-nicilina)

Acidos teicoicos: le confieren carga negativa a la pared(ribitol o glicerol fosfato)

Acidos lipoprotecos: fijan la pared a la membrana plas-mtica

Gram negativa

Membrana externa: capa externa con lipopolisa-cridos (LPS), interna unida al peptidoglicano porlipoprotenas

Porinas, protenas que permiten pasaje de pequeasmolculas al periplasma

Protenas de enlace periplsmicas que unen nutrien-tes, interactan con protenas de transporte en la mem-brana facilitando ingreso de nutrientes.

Los lipopolisacridos (LPS) son importantes componen-tes de la pared Gram negativa, estn formados por lpi-dos e hidratos de carbono: 1) lpido A; 2) polisacrido cen-tral y 3) cadena lateral (O). El lpido A contiene derivadosdel azcar glucosamina y est unido a cidos grasos yfosfatos o polifostatos y se encuentra inmerso en la mem-brana externa. El resto de la molcula de LPS sobresalede la superficie. El polisacrido central (core) est unidoal lpido A.

La cadena O (antgeno O) est formada por una cadena depolisacrido que se extiende hacia fuera y su composicinvara con la cepa considerada y son reconocidos por anti-cuerpos del husped. Pueden mutar con gran facilidad.

Los LPS son importantes ya que protegen al resto de loscomponentes de la pared frente a un ataque directo delhusped, brindan carga negativa a la superficie celular. Ellpido A es a menudo txico, de modo que el LPS puedeactuar como una endotoxina y provocar algunos de los sn-tomas de las infecciones por bacterias Gram negativas.

Una bacteria Gram negativa resiste ms la lisis osmticacuando la clula se trata con lisozima, enzima que hidro-liza los enlaces 1-4 del peptidoglicano por mantener laenvoltura formada por la capa externa (forman esferoplas-tos en medio isotnico), el peptidoglicano representa sloun 15-20% del peso seco de sus paredes. En una clulaGram + cuya pared est formada en un 80% por peptido-glicano, los protoplastos esfricos formados en medio iso-tnico, estallan al pasar a un medio hipotnico (plasmop-tisis) (captulo 4).

Las paredes de los microorganismos eucariotas cuandoestn presentes (hongos, algunas algas y protozoos) sonms simples, formadas por polmeros de una misma subu-nidad, como la celulosa, quitina, a veces mineral, con sli-ce como en las diatomeas (cuadro 5).

Cuadro 5 - Resumen de los constituyentesprincipales de las paredes microbianas

Tipo de Clula Constituyentes

Procariota

eubacteriasG + ptidoglicano, cidos teicoicosG - pptidoglicano y lipopolisacrido

arqueobacterias pseudopeptidoglicano, glucopro-tena polisacrido, protena

Eucariota

algas celulosa, hemicelulosa, pectinas,slice (algunas)

hongos quitina, otros polisacridos, celu-losa (en algunos)

protozoos ninguno o slice, carbonato de calcio


3Nutricin y metabolismo

bioenergtico en microorganismos

Nutricin microbiana

Los microorganismos requieren nutrientes, sustanciasqumicas que estimulan el crecimiento microbiano y queson empleadas en la sntesis de sus materiales celularesy que tambin brindan energa, a los efectos de realizarsus procesos metablicos, dividirse, moverse, esporular.La sntesis de sus macromolculas, as como la obten-cin de energa en los microorganismos quimiosintticos,deben ser realizadas a partir de los nutrientes.

Las caractersticas que debe presentar un nutriente incluyen:i) atravesar las barreras de la clula (membranas)ii) ser utilizado por alguna enzima celulariii) brindarle a la misma sub-unidades de sus macromol-

culas y/o energa.

Los elementos como nutrientes

La clula microbiana est constituida por agua en su mayorparte y de la fraccin materia seca se distinguen los macro-elementos: C, O, H, N, S, P, K, Ca, Mg, Fe, que la clulatoma en cantidades relativamente grandes (g/L en el me-dio de cultivo), mientras que los llamados micronutrientesse requieren en niveles muy bajos, del orden de los mg/L.

El cuadro 1 presenta los distintos tipos de nutrientes re-queridos para el desarrollo microbiano.

Los 6 primeros macronutrientes integran importantes mo-lculas (hidratos de carbono, lpidos, protenas, cidosnuclecos), los restantes se encuentran en forma de ca-tiones y pueden actuar como coenzimas de muchas enzi-mas (K+). El Ca contribuye a la termoresistencia de las

endosporas. El Mg forma complejos con el ATP y el Feforma parte de citocromos, es cofactor de enzimas y deprotenas transportadoras de electrones.

El cuadro 2 resume los ingredientes fundamentales parael desarrollo de los organismos vivos y las formas qumi-cas en que los microorganismos pueden tomarlos en lanaturaleza y en los medios de cultivo. El cuadro 3 presen-ta la composicin media de una clula bacteriana.

Los microorganismos tambin requieren oligoelementoso micronutrientes, empleados en los medios en menorconcentracin (mg/L), como el Mn, Zn, Co, Mo, Ni, Cu,etc.). A veces los contaminantes del agua, recipientes dellaboratorio, alcanzan a satisfacer las necesidades en es

Cuadro 1- Nutrientes microbianos

1- Fuentes de energa

(luz fototrofos) (reacciones qumicas quimiotrofos)

2. Macronutrientes

C KH MgO 95% NaN CaS FeP

2. Micronutrientes (elementos traza)Co, Zn, Mo, Cu, Mn, Ni, Se, B, etc.

3- Factores de crecimiento

vitaminas coenzimas purinas y pirimidinas ADN, ARN aminocidos esenciales sntesis proteica


Membrana plasmtica

Ribosomas

Nucleoide

MesosomaPared celular

Membrana citoplasmtica y citoplasmaLa membrana citoplasmtica est presente en clulas pro-cariotas y eucariotas, es responsable de su relacin conel ambiente y es la barrera osmtica de la clula. Su com-posicin es lipoproteica, similar en todos los sistemas bio-lgicos por lo que se la denomina membrana universal ounitaria, presenta un espesor de unas 5 a 10 nm.

La mayora de los lpidos son asimtricos y las porcionespolares son hidrfilas e interactan con el agua, los extre-mos no polares, o hidfobos son insolubles en agua y tien-den a asociarse entre si, propiedades que les permite for-mar las bicapas en las membranas. La nica diferenciaencontrada entre membranas de clulas eu y procariotasen que las ltimas carecen de esteroles como el coleste-rol, aunque se detectaron molculas pentacclicas, simi-lares al esterol, llamadas hopanoides, sintetizados a par-tir de los mismos precursores que los esteroides. Estoscompuestos estabilizan la membrana bacteriana.

La membrana de las arqueobacterias difiere en composi-cin con las de las eubacterias: los lpidos poseen enla-ces ter en lugar de steres para unir los cidos grasos alglicerol y en lugar de los cidos grasos poseen compues-tos derivados del hidrocarburo isopreno lo que le confierepropiedades diferentes a las del resto de los organismos.Poseen una monocapa lipdica en lugar de una bicapa yestn adaptadas a condiciones extremas.

El citoplasma de clulas procariotas est constituido porla matriz citoplasmtica, compuesta fundamentalmente poragua (70%) y se presenta empaquetado con gran nme-ro de ribosomas, partculas esfricas formadas por pro-tenas y ARN y responsables de la sntesis proteica. Sonde menor tamao que los de los eucariotas (70S en lugarde 80S). Sin embargo, los organismos eucariotas presen-tan ribosomas del tipo bacteriano en sus organelos (mito-condrias, cloroplastos).

El citoplasma bacteriano no presenta organelos membra-nosos complejos como mitocondrias y cloroplastos, seaprecian a veces estructuras membranosas, como losmesosomas. Constituyen invaginaciones de la membra-na plasmtica en forma de tbulos, pliegues, vesculas yson ms evidentes en bacterias Gram positivas. Algunosinvestigadores piensan que son artefactos generados por

la fijacin qumica para la observacin en el microscopioelectrnico. Pero como se aprecian tambin con otras tc-nicas como la criofractura celular, se piensa que partici-pan en funciones relacionadas a la formacin de pared,en la replicacin del cromosoma procariota y su posteriordistribucin en clulas hijas.

Material genticoLa gran diferencia entre clulas pro y eucariotas lo constitu-ye la organizacin del material gentico. Las procariotascarecen de ncleo tpico, rodeado por membrana. La ma-yor parte del ADN de una bacteria est constituido por unasola molcula de ADN, de doble cadena, muy enrollada (fi-gura 4) (Prescott et al., 1999). El material claro a los elec-trones es el ADN.

Figura 4- Microfotografa de clula procariota

Se habla de nucleoide, falso ncleo, o regin nuclear.Muchas veces se lo menciona como "cromosoma bacte-riano" con la salvedad de que su estructura no es la de uncromosoma eucariota. Esta molcula cerrada, circular, pue-de apreciarse a veces unido al mesosoma o a la membra-na citoplasmtica. Contiene un 60% de ADN, algo de ARNy una pequea cantidad de protenas, diferentes a las his-tonas de la clula eucariota y que facilitan su enrollamiento(en Escherichia coli, bacilo de 2-6 m de longitud, el ADNmide aproximadamente 1.400 m, lo que muestra el gradode enrollamiento de la molcula en el citoplasma).

En procariotas de vida libre contiene unas 1-6 X 106 paresde bases (pb), con 1000 a 5000 genes. El cromosomabacteriano presenta genes esenciales para la vida celu-lar, sntesis de ribosomas, ARN mensajeros, enzimasmetablicas.

Cuerpo deinclusinde PHB

Lillian Frioni38

las clulas que poseen la capacidad latente de producirpartculas maduras de fago, se llaman lisognicas.

Los fagos que realizan esta interaccin se dicen tempe-rados y el genoma viral en una clula lisognica se de-nomina profago. Parece que los bacterifagos encuen-tran ventajas al lisogenizar clulas, cuando existe priva-cin de nutrientes antes de que las bacterias entren eninactividad degradan sus propios mARN y sus prote-nas. Esta situacin complicada puede evitarse si el fagose vuelve inactivo (lisognico), al mismo tiempo que suhusped. Cuando existe infeccin por multiplicidad defagos y todas las clulas estn infectadas, el ltimo ciclode multiplicacin celular destruye todas las clulas delhusped. Existe el riesgo de que los virus se queden sinel husped y se encuentren expuestos a factores noci-vos del ambiente.

La mayora de los fagos temperados existen como profa-gos integrados en la bacteria lisognica. Pero algunos,como el fago P

1 de E. coli se circulariza luego de la infec-

cin y comienza a fabricar el represor que impide la activi-dad de la ARN polimerasa y la sntesis de protenas, semantiene como molcula independiente y se replica almismo tiempo que el cromosoma del husped.

Cuando E. coli

microlobiologa bsica ambiental y agricola lilian friomi 2006

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