INTRODUCCIÓN.
Qué es un microorganismo?, algunas definiciones lo definen como aquel organismo que solo puede ser visualizado a través de un microscopio, en su mayoría unicelulares e individuales que presentan una organización biológica elemental aunque en algunos casos se traten de organismos cenóticos compuestos por células multinucleadas o incluso multicelulares. Los microorganismos se encuentran por doquier en la naturaleza: en el aire, agua y suelos y juegan un sinnúmeros de papeles vitales en la vida del hombre y los animales. Afectan los procesos industriales. La naturaleza del microorganismo particular y el proceso industrial determinan si la relación es beneficiosa o perjudicial. Los microorganismos que habitan los sistemasde agua de enfriamiento comerciales o industriales, pueden afectar negativamente la eficiencia de las operaciones por su excesivo crecimiento o por los productosde sus metabolismos.
Dentro de este grupo de organismos podemos distinguir los siguientes tipos que son lo que se muestran a continuación en el siguiente trabajo . Todos ellos en función de su naturaleza pueden causar ciertos efectos sobre los seres humanos siendo algunos de ellos perjudiciales.
MICROORGANISMOS Conjunto de seres vivos que se caracterizan por tener un tamaño pequeño de modo que la mayoría de ellos no son visibles a simple vista, teniendo una gran sencillez en su estructura y organización. Su importancia radica en que han dado origen a una rama de la biología dedicada a su estudio: microbiología.
TIPOS DE MICROORGANISMOS Y CLASIFICACIÓN Los microorganismos se clasifican en:
a) Microorganismos con Procariotas organización celular (poseen membrana celular y tienen como ácidos nucleicos tanto ADN como ARN). Eucariotas
Arqueobacterias Eubacterias
Protozoos Algas microscópicas Hongos microscópicos b) Microorganismos sin organización celular -no Virus poseen membranas, y nunca están presentes Viroides los dos ácidos nucleicos juntos (ADN o ARN)-. Priones Son parásitos estrictos de los que tienen organización celular, pues carecen de metabolismo.
CLASIFICACIÓN, CLASIFICACIÓN, MORFOLOGÍA, FISIOLOGÍA Y ECOLOGÍA BACTERIANAS BACTERIANAS 1) ARQUEOBACTERIAS : Bacterias consideradas "fósiles vivientes" pues viven en habitas que parecen corresponder con los que existieron en la Tierra primitiva, por ejemplo, se encuentran en ambientes termales donde se alcanzan temperaturas por encima del punto de ebullición
MICROORGANISMOS Conjunto de seres vivos que se caracterizan por tener un tamaño pequeño de modo que la mayoría de ellos no son visibles a simple vista, teniendo una gran sencillez en su estructura y organización. Su importancia radica en que han dado origen a una rama de la biología dedicada a su estudio: microbiología.
TIPOS DE MICROORGANISMOS Y CLASIFICACIÓN Los microorganismos se clasifican en:
a) Microorganismos con Procariotas organización celular (poseen membrana celular y tienen como ácidos nucleicos tanto ADN como ARN). Eucariotas
Arqueobacterias Eubacterias
Protozoos Algas microscópicas Hongos microscópicos b) Microorganismos sin organización celular -no Virus poseen membranas, y nunca están presentes Viroides los dos ácidos nucleicos juntos (ADN o ARN)-. Priones Son parásitos estrictos de los que tienen organización celular, pues carecen de metabolismo.
CLASIFICACIÓN, CLASIFICACIÓN, MORFOLOGÍA, FISIOLOGÍA Y ECOLOGÍA BACTERIANAS BACTERIANAS 1) ARQUEOBACTERIAS : Bacterias consideradas "fósiles vivientes" pues viven en habitas que parecen corresponder con los que existieron en la Tierra primitiva, por ejemplo, se encuentran en ambientes termales donde se alcanzan temperaturas por encima del punto de ebullición
del agua, en fumarolas, etc. Un ejemplo es el de Pyrococcus furiosus que tiene su óptimo de crecimiento a 104ºC. También pueden vivir en medios halófilos (muy salados), por ejemplo: Halobacterium, que son halófilos estrictos.
Pyrococcus furiosus
2) EUBACTERIAS: Son las bacterias típicas. Por ejemplo E scherichia scherichia coli . Se trata de microorganismos unicelulares procariotas, cuyo tamaño oscila entre 1 y 10 micras (como son muy pequeñas no necesitan citoesqueleto), adaptados a vivir en cualquier ambiente, terrestre o acuático, pues en las diferentes estirpes bacterianas pueden observarse todas las formas de nutrición conocidas. Las hay autótrofas: fotosintéticas y quimiosintéticas, y heterótrofas: saprófitas, simbióticas y parasitarias. Esta notable diversidad de funciones convierte a las bacterias en organismos indispensables para el mantenimiento del equilibrio ecológico, ya que, como se verá más adelante, contribuyen al mantenimiento de los ciclos biogeoquímicos que permiten el reciclaje de la materia en la biosfera.La mayor parte de las bacterias adoptan formas características, aunque en ocasiones la configuración puede verse influida por las condiciones del medio de cultivo. Son unicelulares, pero también aparecen agrupadas cuando se mantienen unidas tras la bipartición. Entre las formas más comunes destacan las siguientes:
Cocos, de aspecto redondeado, que aparecen aislados o en grupos de dos: diplococos, otras veces forman cadenas arrosariadas: estreptococos, grupos arracimados: estaf ilococos , o masas cúbicas: sarcinas. Esta diversidad depende de que la división de las células se dé a lo largo de uno, dos o tres ejes. Las bacterias con forma de cocos tienen una relación superficie/volumen mínima, son bacterias con poca relación con el exterior, muy resistentes y se transmiten por el aire. Son pequeñas y exigentes con el medio de cultivo. Suelen ser patógenas: Streptococcus, Staphylococcus, etc.
Bacilos, alargados y cilíndricos, en forma de bastón; a veces se presentan en cadenas lineales o ramificadas. Presentan mayor relación superficie/volumen que los cocos y obtienen nutrientes con mucha mayor efectividad, por lo que pueden vivir en lugares pobres en nutrientes (vías urinarias, agua ....). Por el contrario, son menos resistentes, susceptibles a los cambios ambientales y no pueden transmitirse por el aire, sólo lo hacen por líquidos o superficies húmedas. Los más grandes (Baccillus y Clostridium) desarrollan endosporas para resistir los períodos de condiciones precarias.
Espirilos, con forma de hélice o espiral; las espiroquetas tienen un aspecto similar, pero con la espiral más acusada. Las formas espirales se mueven en medios viscosos avanzando en tornillo. Su diámetro es muy pequeño, lo hace que puedan atravesar las mucosas; por ejemplo:
T reponema
pallidum, causante de la
sífilis. Son más sensibles a las condiciones ambientales que los bacilos, por eso cuando son patógenas se transmiten por contacto directo (vía sexual) o mediante vectores, normalmente artrópodos hematófagos.
Vibrios, que son muy cortos y curvados, en forma de coma.
Ejemplo: V ibrio cholerae.
FUNCIONES DE RELACIÓN EN LAS BACTERIAS Las bacterias responden a un número elevado de estímulos ambientales diversos mediante modificaciones de su actividad metabólica o de su comportamiento. Ciertas clases, ante los estímulos adversos del ambiente, provocan la formación de esporas de resistencia, que, al ser intracelulares, se denominan endosporas. Las endosporas bacterianas son estructuras destinadas a proteger el ADN y el resto del contenido protoplasmático, cuya actividad metabólica se reduce al estado de vida latente; pueden resistir temperaturas de hasta 80ºC y soportan la acción de diversos agentes físicos y químicos. En condiciones favorables germinan y dan lugar a una nueva bacteria (forma vegetativa). Pero
la
respuesta
más
generalizada
consiste
en
movimientos
de
acercamiento o distanciamiento respecto a la fuente de los estímulos ( taxias) que pueden ser de varios tipos: f lagelar, de reptación o f lexuosos (parecido al de las serpientes, pero en espiral).
MICROORGANISMOS SIN ORGANIZACIÓN CELULAR LOS VIRUS: Los virus son organismos dotados de extraordinaria simplicidad, pertenecen a un nivel de organización subcelular, y marcan la barrera entre lo vivo y lo inerte. No se nutren, no se relacionan, carecen de metabolismo propio y para reproducirse utilizan la maquinaria metabólica de la célula a la que parasitan; su simplicidad estructural y funcional los convierte en parásitos intracelulares obligados, tanto de bacterias (bacteriófagos o fagos), como de las células animales y vegetales. Las partículas víricas, llamadas también viriones, están constituidas por una molécula de ADN o ARN, nunca los dos en un mismo virus, contenida en el interior de una
membranosa.
cápsula proteica y, en ocasiones, una envoltura
Tipo de Virus Ácido nucleico V irus
vegetales
ARN Helicoidal monocatenario
Bacteriófagos ADN bicatenario V irus
animales
Cápsida
Compleja
De todos los Icosaédricos tipos
Envoltura Ejemplo No
Mosaico del tabaco
No
Bacteriófago T4
Frecuente Gripe, SIDA, etc.
VIROIDES
Son extremadamente sencillos y forman un escalón inferior a los virus. Son simplemente genomas desnudos, ARN de una cadena (pero en forma de horquilla, pues hay complementariedad entre sus bases, simulando un ARN doble para protegerse de los enzimas hidrolíticos celulares que atacan a los ARN simples) y no presentan cápsida proteica. Solamente causan enfermedades en los vegetales. Los viroides han producido pérdidas económicas importantes en cultivos de patata en USA y en cocoteros en Filipinas. Son de menor tamaño que cualquiera de los genomas víricos conocidos, pero suficiente para poder codificar una proteína, pero no se cree que lo hagan ya que el ARN de los viroides carece de señales que se necesitan para la traducción del ARN a una proteína. Por lo tanto su información no se traduce, solo se replica. Parece probable que sea la ARNpolimerasa del hospedador, que está en el núcleo de las plantas, la que replica el genoma del viroide. No está
claro cómo se transmiten entre células, dada la dificultad que opone la pared celular de las células vegetales a las que infectan. PRIONES.
Por último, mención especial se le deben hacer a los priones, estos no son microorganismos, son exclusivamente proteínas y su capacidad infecciosa se debe a que dichas proteínas tienen una configuración diferente a las proteínas normales induciendo a éstas a adoptar una configuración anormal, consecuencia de ello esque estas proteínas no pueden realizar sus funciones normales y tienden a polimerizar formando depósitos y placas en las células infectadas, como ejemplo se tiene la ³ encefalitis espongiforme bovina´ también conocida como ³el mal de las vacas locas´.
4. MICROORGANISMOS CON ORGANIZACIÓN CELULAR EUCARIOTA PROTOZOOS Son organismos formados por una sola célula, es decir, poseen la estructura típica de una célula eucariótica animal, aunque en ocasiones presenta una mayor complejidad en su organización. Tienen una membrana plasmática que los rodea y delimita, algunos forman un caparazón duro, calizo o silíceo, o bien una fina envoltura de quitina. Su forma y tamaño son variables, pero casi todos ellos son microscópicos por lo que deben observarse al microscopio. Algunos viven libres en aguas dulce o saladas. Cuando se deseca el medio en que viven forman un caparazón y se enquistan. Otros viven parásitos en animales o vegetales produciendo enfermedades, o bien, simbiosis con ellos. Se suelen reproducir por bipartición simple, aunque algunos tienen otras modalidades e incluso se conocen procesos de reproducción sexual.
ALGAS MICROSCÓPICAS UNICELULARES Son las algas formadas por una sola célula, viven en el agua y son capaces de realizar la fotosíntesis. Entre ellas podemos citar las Diatomeas que son algas de color amarillo que viven tanto en el mar como en el agua dulce y poseen un caparazón de sílice (frústula) constituido por dos piezas que encajan como una caja y su tapadera. Algunas algas unicelulares poseen flagelos merced a los cuales se mueven en el agua como es el caso de la
E uglena
viridis. Las
algas unicelulares forman parte importante del llamado plancton.
HONGOS MICROSCÓPICOS Bajo esta denominación se incluye un amplio grupo de organismos de gran heterogeneidad. Entre las características comunes a todos los hongos pueden destacarse dos:
a) Estar formados por una o más células eucariotas. b) Encontrarse desprovistos de clorofila u otro pigmento fotosintético. Los hongos son organismos
heter ótrofos
que necesitan para su nutrición
sustancias orgánicas ya elaboradas; la mayoría son sapróf itos
- se
desarrollan sobre materia orgánica en descomposición - y otros son parásitos
que producen enfermedades en el hombre y otros animales y vegetales. Dentro de los hongos podemos encontrarlos unicelulares (levaduras) y pluricelulares (mohos), estos tienen una estructura denominada " talo" y que
suele estar constituida por una serie de filamentos denominados " hifas", que pueden ser ramificadas y tabicadas, formando, en su conjunto, una estructura denominada "micelio". Su reproducción puede ser sexual o asexual (gemación, esporulación, fragmentación) y su clasificación es compleja y se puede realizar atendiendo a diferentes caracteres
MICROORGANISMOS EN LA NATURALEZA Y ACTIVIDADES HUMANAS MICROORGANISMOS EN EL MEDIO NATURAL El primer hábitat natural de los microorganismos fue el agua. En su evolución, algunos se adaptaron al medio terrestre, siendo estos medios sus principales hábitat en la actualidad. También están en el aire pero en este hábitat su actividad vital es mínima y llegan a él procedentes de los otros dos medios.
en el suelo: el números de microorganismos presentes depende de sus características: acidez, humedad, aireación, disponibilidad de agua, etc... Los más numerosos son las bacterias en todas sus variedades: arobia, anaerobia, autótrofa, heterótrofa; abundan los actinomicetos, responsables de ese olor terroso característico del suelo. También gran cantidad de mohos en forma micelial, y en su superficie destacan algas verdes o diatomeas, así como cianobacterias. También destacan los protozooz ciliados y rizópodos que se alimentan de ellas. La rizosfera es la zona del suelo rico en microorganismos, que es donde éstos interaccionan con los vegetales. La función principal de estos microorganismos es la producción de cambios de la materia orgánica originando productos nutritivos para el mundo vegetal; es decir, son desintegradores y transformadores. En el suelo la materia que se encuentra sobre la superficie se degrada por acción microbiana. Producto de ésta es el humus, sustancia amorfa, de color oscuro, formada por materia orgánica residual y no descompuesta en su totalidad. Este humus irá liberando progresivamente compuestos inorgánicos en un proceso denominado mineralización; entre éstos están el C, N, S.
En el agua: abundan los microorganismos fotosintéticos constituyendo el fitoplancton. Productores primarios de la cadena trófica. En las zonas oxigenadas abundan algas y cianobacterias; en las zonas anoxigénicas existirán bacterias fotosintéticas. Hay un número mayor de ellos en lagos, ríos y zonas costeras que en alta mar debido a que los nutrientes proceden del continente. En aguas continentales o costeras es mayor el número de heterótrofos (bacterias, protozoos, hongos) si existe contaminación por materia orgánica. Cuando la población de estos microorganismos es tan grande se agota el oxígeno diciéndose que el medio está eutrofizado.
RELACIÓN DE LOS MICROORGANISMOS Y LA HUMANIDAD La mayor parte de la humanidad considera a los microorganismos causantes de enfermedades, pero es mayor el número de ellos que son inocuos o que nos reportan beneficios. Destacamos cinco variantes en sus relaciones con la humanidad:
1. CON LA SALUD Pueden afectar a la salud humana de forma negativa o positiva: originan enfermedades o viven simbiontes y se emplean en la industria farmaceútica.
1.1. Enfermedades infecciosas: Enfermedad es de cualquier alteración del estado de salud . Enfermedad infecciosa es cuando la causa es cualquier tipo de microorganismos . Los microorganismo causantes se denominan patógenos. Como tales se consideran virus, bacterias y protozoos. También hongos, los cuales aunque se encuentren en la naturaleza como saprófitos libres a veces se convierten en patógenos oportunistas causando micosis. (Enfermedades causadas por hongos). En toda enfermedad infecciosa se dan las siguientes etapas: I nfección : penetración del microorganismo y multiplicación. P eriodo
de incubación: tiempo desde la infección hasta la aparición de los
primeros síntomas. P eriodo agudo: tiempo en el cuál los síntomas son evidentes. P eriodo de declive: tiempo en el cuál los síntomas van desapareciendo. P eriodo
de convalescencia: tiempo en el cuál el paciente recobra la
normalidad.
1.2. Transmisión: El germen patógeno debe pasar de un hospedador (persona que padece la enfermedad) a otro sano que se convierte en nuevo hospedador. Este fenómeno se conoce como transmisión de la enfermedad y ocurre de dos modos:
Directamente: por contacto corporal (roce de piel, sexual) o por vía
respiratoria (a través de gotículas de saliva, en tos, estornudos). Indirectamente: el germen pasa a través de un individuo a un ente
inanimado. Los seres vivos transmisores se denominan vectores (insectos). Si el agente transmisor es inanimado (material quirúrgico, cubiertos...) se denomina fomite. Cuando sea el agua o alimentos se dice vehículos.
1.3. Principales enfermedades infecciosas: Atendiendo al método de transmisión, sin incluir la transmisión por alimento, tenemos:
Transmitidas por aire: los microorganismos que se hallan en el aire prodecen del suelo, agua y otros seres vivos; sobreviviendo difícilmente en este medio. Especial importancia tienen los patógenos que proceden de otras personas portadoras que los espelen al aire mediante estornudos y tos. Estos gérmenes son recogidos del aire en la inspiración ocasionando por ello infecciones en las vías respiratorias (fosas nasales, boca, faringe, bronquios, bronquiolos, pulmones). Atendiendo al microorganismo causante pueden ser: Bacterianas: difteria, tos ferina, tuberculosis. y Víricas: resfriado, gripe, sarampión, rubeola. y
Transmitidas por el agua: incluyen:
Bacterias: cólera, Thyfus, gastrointeritis. Virus: poliomelitis, hepatitis A. y Protozoos: disentería. y Estos microorganismos crecen en el tracto gastrointestinal y abandonan el organismo por lasheces, siendo nuevo foco de transmisión. El tratamiento de aguas residuales sería la forma de evitar la infección. y
Transmitidas por contacto directo: hay muchas; una de ellas es la lepra, que aunque causada por una bacteria y catalogada desde muy antiguo como enfermedad maldita, no es una enfermedad muy contagiosa, y los 15 millones de afectados en el mundo se podían curar con una terapia adecuada. Mención especial a las enfermedades de transmisión sexual (ETS). Enfermedades de transmisión sexual:
y y y
Bacterias: sífilis, gonorrea. Virus: SIDA, herpes genital. Protozoos: tricomoniasis (tricomonas vaginales).
Transmitidas por vectores: El agente patógeno vive en animales y pasa a la especie humana a través de otros animales que la transmiten a los hombres. Salvo la rabia, transmitida por mamíferos, la mayoría son transmitidas por artrópodos. Los gérmenes patógenos viven en animales salvajes, que es su reservorio y no están controlados por ciudadanos veterinarios como los domésticos. De los animales salvajes pasan a los animales domésticos y de ahí por vectores a la especie humana. Enfermedades conocidas en la península Ibérica: Bacterias: peste, thyfus exantemático. y Virus: rabia. y Protozoos: paludismo o malaria (el vector el mosquito anófeles). y
2.- MICROORGANISMOS EN LA INDUSTRIA
Los microorganismos utilizados en la industria son seleccionados para producir productos específicos mediante transformaciones específicas bioquímicas. Deben cumplir los siguientes requisitos: Producir una sustancia de interés y aplicación. Crecer el cultivo de forma rápida. Utilizar como fuente de carbono sustancias de bajo coste, como desechos
de otras industrias, tales como pulpa de remolacha, suero de quesos, etc... Tamaño celular que permita su fácil eliminación. Ser susceptible de manipulación genética. En la industria se denomina fermentación al proceso realizado por microorganismos a gran escala para obtener los productos deseados. La mayoría de las fermentaciones industriales son aerobias y se realizan en grandes tanques inermes llamados fermentadores y de hasta 50000 litros. 2.1.- Microorganismo y la industria alime nticia. Alimentos de origen microbiano:
y
y
y
Alimentos a partir de microorganismos: son microorganismo que se cultivan para ser ellos mismos utilizados como alimento, por ejemplo las levaduras, que constituyen un suplemento proteico, algas y cianobacterias para piensos de animales. Derivados lácteos: las leches fermentadas o leches agrias debido a la fermentación láctica de Streptococcus o lactobacillus; la mantequilla, cuyo aroma y textura se favorece com Streptococcus sp; los quesos cuyas variedades son debidas a procesos de maduración llevadas a cabo por diferentes especies de mohos. Bebidas alcohólicas: la utilización de levaduras del género Saccharomyces (cervisiae, en las cervezas) para la producción de bebidas alcohólicas. Se basa en la fermentación anaerobia de zumos ricos en glucosa, que se transforma en CO2 y etanol:
El vino de la fermentación alcohólica del zumo de uva. La cerveza por fermentación alcohólica por levaduras de la especie
Saccharomyces cervisiae, a partir de un líquido obtenido por maceración de la malta, granos de cebada germinados y tostados, que contienen enzimas que digieren el almidón transformándolo en glucosa. La sidra, por fermentación alcohólica de zumo de manzana.
y
y
y
Productos de la industria panificadora. Vinagre: producto resultante de la conversión del alcohól etílico del vino en ácido acético, por acción de unas bacterias llamadas bacterias del vinagre. Ácido cítrico: utilizado como conservante en bebidas y conservas, a
partir de fermentación aerobia empleando hongos del género Aspergillus.
y
Suplementos y aditivos de alimentos: destacamos entre otros vitaminas como la B12 y aminoácidos como el ácido aspático. También el glutamínico, la fenilalanina...
Conservación de alimentos frente a microorganismos:
Los alimentos pueden ser descompuestos y alterados por microorganismos. Así pues: existe una serie de métodos de conservación entre los que destacamos: y
los
Regulación de la humedad: Al regular el contenido en agua se evita que proliferen los microorganismo. Tipos: Desecación o deshidratación del alimento bien de forma natural
como el secado del aire. Liofelización o desecación del alimento vacío. Adición de sal o azúcar, como los salazones o las mermeladas respectivamente. y
y
y
Adición de sustancias conservadoras: desde compuestos originados en el ahumado del alimento (considerados cancerígenos en la actualidad) hasta el ácido cítrico, e incluso antibióticos. Almacenamiento a bajas temperaturas: en torno a 4ºC refrigeración, inferiores a 0ºC congelación. Esta última, si es rápida, no rompe las estructuras celulares.
Temperaturas elevadas: para matar a los microorganismos: Pasteurización: se utilizan temperaturas inferiores al punto de
ebullición, destruyendo los microorganismo, pero sobreviven otros que posteriormente pueden crecer, por lo que el alimento pasteurizado debe ser guardado bajo refrigeración, y no dura mucho. (Fiebres altas). E sterilización: Temperaturas muy altas y un envasado hermético. El alimento se puede guardar durante largo tiempo. E nfermedades transmitidas por alimentos :
y
Intoxicación
alimentarias: causadas por toxinas producidas por microorganismos que crecen en los alimentos: Botulismo: producido por una toxina, producido por una bacteria:
Clostridium botubinum ,bacteria que vive en todos los ambientes. El botulismo se produce por la ingestión de alimentos que no se han cocinado después de una incorrecta elaboración. Puede ser mortal. Intoxicación
estafilocócica : producida por una toxina de Staphylococcus sp. Los síntomas se aprecian de una a seis horas siendo naúseas, vómitos, diarreas. Los alimentos implicados son los que una vez cocinados permanecen calientes y no se refigeran. Infecciones
alimentarias: causadas por crecimiento de microorganismos en el cuerpo humano, después de comer alimentos portadores de los mismos: y
Salmonelosis: causada por varias especies de la bacteria Salmonella
sp. Síntomas: dolor repentino de cabeza, escalofríos, vómitos, diarrea y fiebre. La contaminación se produce por personas portadoras o animales como las gallinas. De ahí que frecuentemente vaya asociada a la ingestión de productos elabotados con huevos crudos, como mahonesa, merengues, cremas pasteleras, etc... Gastroenteritis: causada por algunas capas patógenas de E sterichia
coli , crecidas en los alimentos. Úlceras pépticas: causada por la bacteria Helycobacter sp. Hepatitis A: causada por un retrovirus. Al comer moluscos crudos
recogidos en aguas contaminadas por heces humanas. 2.2.- Microorganismos en la industria farmacéutica.
Los principales productos farmaceúticos son:
Antibióticos: sustancias producidas por microorganismos y que difunden
en el medio donde viven impidiendo el crecimiento de otros microorganismos o bien causando su muerte. Antibióticos más conocidos en la actualidad (se diferencia en la estructura química): y y y y
Antibióticos B.lactánicos : penicilinas y cefalosparinas. Amino glicósidos : estreptomicina. Macrólidos: eritromicina. T etraciclinas: antibióticos de amplio espectro.
Vacunas: obtenidas con preparaciones de agentes patógenos muertos o
atenuados para inducir inmunidad frente al germen activo. El componente antígenico del microorganismo infeccioso es alguna proteína de la cubiert de un virus con la que se trabaja mediante ingeniería genética para elaborar la vacuna. y
y
Proteínas enzimáticas u hormonales: que se obtienen mediante ingeniería genética clonando los genes de proteínas humanas deseadas en microorganismos apropiados. Hormonas esteroídicas: obtenidas por un proceso denominado biotransformación consistente en hacer crecer el microorganismo en un fermentador añadiendo un producto químico que se va a transformar en el producto final deseado. Por este proceso se originan cortisona que se emplea en inflamaciones, alergias y artritis; y esteroides empleados en fertilidad humana.
¨
3. MICROORGANISMOS EN AGRICULTURA Y GANADERÍA. 3.1.- Relaciones nocivas: Enfermedades producidas por las plantas. Están causadas por: Bacterias patógenas: agrobacterias que originan en las plantas agallas
o tumores, marchiteces, manchas en las hojas, retraso en la maduración de los frutos, etc... Agrobacterium es el responsable de todo. Sobretodo a la vid.
V irus: originan dos tipos de alteraciones: los mosaicos (manchas
amarillentas en las hojas); y las deformaciones que originan rizaduras en las hojas.
Hongos: estos agentes se propagan y transmiten por el aire, agua o
vectores como los insectos. Enfermedades producidas en los animales: afectan al ganado pudiendo ser transmitidas al hombre, denominándose zoonosis. Bacterias patógenas: el carbunco sintomático, causado por Clostridium
sp que produce infecciones en los rumiantes y que para su erradicación deben quemarse las reses muertas, pues sus esporas sobreviven en ellas; el muermo que atacan al ganado equino produciendo debilidad. V irus: la peste porcina que origina septicemia y hemorragias internas
en los animales.
Protozoos: la coccidiosis que afecta a aves de gallineros.
3.2.- Relaciones benef iciosas: Reciclado de nutrientes: los microorganismos son responsables del
reciclado de la bacteria orgánica en descomposición, volviendo a originar materia inorgánica asimilable por las plantas. En ésta acción se basa la utilización del estiércol. Fijación del nitrógeno atmosférico: en la producción de arroz, soja,
alfalfa, judías, guisantes, lentejas, garbanzos cuya simbiosis con la bacteria Rhizobium ya ha sido espuesta. Plantas de interés forestal como alisos, el emborrachacabras, mirtos son plantas pioneras en la colonización de suelo pobres en N gracias a su simbiosis con el actinomyceto Frankia.
En el aparato digestivo de rumiantes (rumen) existen en simbiosis bacterias que permiten digerir la celulosa.
4.INTERVENCIÓN DE LOS MICROORGANISMOS TRANSFORMACIONES O CICLOS BIOGEOQUÍMICOS.
EN
LAS
Las bacterias y los hongos son los microorganismos que, junto a los productores, permiten la existencia del ciclo de la materia en la biosfera. Su función es descomponer la materia orgánica procedente de restos vegetales, cadáveres y excrementos, convirtiéndola en materia inorgánica que vuelve a ser utilizada por los productores. La actividad de los descomponedores en la biosfera permite que la materia se recicle y no se disperse en las sucesivas transferencias, como ocurre con la energía. Muchos de los elementos químicos que componen los materiales terrestres están sometidos a unos circuitos cíclicos que consisten, básicamente, en que pasan de formar parte de materia inorgánica inerte a formar parte de materia constitutiva de seres vivos y de éstos, posteriormente, de nuevo a materia inorgánica inerte, cerrándose el ciclo. Estos ciclos de la materia son los ciclos biogeoquímicos. Como ejemplos de ciclos biogeoquímicos, y el papel que desempeñan los microorganismos en ellos, estudiaremos el ciclo del carbono y el ciclo del nitrógeno:
EL CICLO DEL CARBONO .-Mediante el proceso de fotosíntesis, las plantas toman el carbono en forma de CO 2 de la atmósfera o del agua, asimilándolo durante la fase oscura de dicho proceso para formar moléculas orgánicas. Parte del carbono vuelve al medio inerte en la misma forma de CO2 como resultado de la respiración tanto de las propias plantas como de los organismos consumidores y descomponedores. Los desechos, restos o cadáveres que contienen carbono vuelven también al medio inorgánico por acción de los descomponedores (bacterias y hongos). Una parte muy importante del carbono, puede tardar millones de años en incorporarse al medio inerte. Es el caso del carbono que llega a
formar parte del petróleo y del carbón mineral. Este carbono puede volver al ciclo por combustión de estos combustibles fósiles.
EL CICLO DEL NITRÓGENO.- La fuente principal de nitrógeno es la atmósfera, de la que este gas constituye un 78%; sin embargo, este nitrógeno atmosférico sólo puede ser fijado por un grupo de bacterias fijadoras del nitrógeno que transforman este gas en compuestos nitrogenados utilizados directamente por las plantas. Entre el grupo de bacterias fijadoras del nitrógeno está el género Rhizobium que se encuentra en simbiosis con las raíces de las plantas leguminosas (guisantes, judías, tréboles, alfalfa, etc.), estas bacterias se introducen en los tejidos del vegetal, donde proliferan y desarrollan una especie de nódulos fijadores del nitrógeno. El resto de las plantas depende del nitrógeno que se encuentra en el suelo, de donde lo toman en forma de nitratos. Cuando cualquier organismo muere, el nitrógeno de los restos orgánicos, como son las proteínas y los ácidos nucleicos, por acción de bacterias y hongos presentes en el suelo, se convierte en amoniaco o ión amonio (amonificación). Otros grupos de bacterias del suelo oxidan los iones amonio a nitritos y finalmente las bacterias nitrificantes oxidan los nitritos a nitratos. Los nitratos son ya fácilmente absorbidos por las raíces de las plantas y utilizados para formar moléculas propias, que contienen nitrógeno (proteínas y ácidos nucleicos). Mediante las cadenas tróficas posteriores, el nitrógeno asimilado en estas moléculas del vegetal pasa a los animales. Existe un grupo de bacterias desnitrificantes que en condiciones anaerobias y de inundación convierten los nitratos del suelo en nitrógeno molecular que escapa a la atmósfera. Por eso los agricultores drenan las tierras para reducir la desnitrificación y añaden fertilizantes para incrementar los niveles de nitrato del suelo.
LOS MICROORGANISMOS Y EL MEDIO AMBIENTE Diversas técnicas biotecnológicas permiten resolver, de diferentes y novedosas maneras, el problema de la contaminación ambiental. Se pueden utilizar diversos microorganismos para afrontar problemas de tratamiento y control de la contaminación química en los ecosistemas, ya que algunos de ellos, principalmente bacterias, tienen la capacidad de eliminar del medio o degradar con enzimas gran número de compuestos tóxicos y peligrosos. En la actualidad en los laboratorios se están creando bacterias, levaduras y enzimas específicas para conseguir la degradación de los residuos mediante las siguientes técnicas: y
Biometanización. Es un proceso de digestión anaerobia (sin oxígeno) de la materia orgánica por microorganismos, que la descomponen dando lugar a una mezcla de gases, principalmente metano y dióxido de carbono.
y
Lagunas de estabilización. Se utilizan bacterias y algas para depurar residuos líquidos por procesos naturales.
y
Filtros percoladores. Con filtros que contienen una población de microorganismos que degradan la materia orgánica que haya en el residuo.
y
Las mismas bacterias que causan daños y estragos en las producciones agricolas, pueden ayudarnos a producir precipitaciones en forma de lluvia y/o nieve.
y
Recientes estudios indican que la llamada bio-precipitación, lluvias causadas por microorganismos, podría ser mas cumún de lo que se pensaba.
y
Antes de que se produzcan las precipitaciones, se deben formar las gotas de agua o las partículas de nieve. Se sabía que habia agentes que actuaban como catalizadores en la formación de las micro-gotas. Se pensaba en pequeñas particulas minerales como los causantes
primarios de la formación de gotas en las nubes, pero estos recientes estudios indican que grupos de bacterias, hongos e incluso algas, también colaboran en la condensación del vapor de agua, y en consecuencia, en la formación de la lluvia. y
Al contrario de los minerales, que actuan como catalizadores en rangos de
temperaturas
superiores,
los
bio-catalizadores
pueden
desencadenar la condensación a temperaturas cercanas a los 0º C.
MICROORGANISMOS EN FENÓMENOS AMBIENTALES. Se trata de la eliminación de contaminantes mediante el empleo de microorganismos.
Biodegradación del petróleo: existen gran cantidad de bacterias, mohos, levaduras y algunas algas verdes que son capaces de oxidar los hidrocarburos. Destacan pseudomonas, micobacterias y algunas levaduras. Para la degradación requieren determinadas condiciones como oxigenación, disgregación y factores del pH. Los hidrocarburos volátiles se evaporan y los componentes son cancerígenos. Aromáticos y alifáticos de cadena larga son eliminados por acción bacteriana si se logra una disgregación apropiada y a continuación se añaden nutrientes como fósforo y nitrógeno.
Biodegradación
de compuesto xenobióticos: se denominan compuestos xenobióticos a aquellas sustancias químicas de origen industrial que no han existido en la naturaleza. Plásticos y plaquicidas. y
y
Biodegradación de plásticos y similares : se trata de plásticos y materiales afines utilizados en los embalajes como el poliuretano, poliestireno. Los éxitos apuntan en la fabricación de plásticos fotobiodegradables (se alteran por los rayos ultravioleta del sol produciendo compuesto asimilables por microorganismos), plásticos con almidón incorporado y plásticos de origen microbiano (PHB). Biodegradación de plaquicidas: incluimos herbicidas, insecticidas y funjicidas utilizados en agricultura. Su degradación es difícil y algunos permanecen inalterados durante muchos años, como ha
sido el caso del DDT. Se han obtenido algunos éxitos con bacterias que en condiciones anóxicas liberan los alógenos de compuestos clorocarbonados altamente cancerígenos.
Depuración de aguas residuales: son las procedentes de alcantarillado doméstico y las vertidas procedentes de procesos industriales.
EL PAPEL QUE LOS HONGOS EJERCEN EN LA NATURALEZA El papel que los hongos ejercen en la naturaleza resulta de gran importancia, sobre todo si tenemos en cuenta su actividad descomponedora en los ecosistemas (reciclaje de materia orgánica) y también forman parte fundamental en la actividad humana, así es conocido su papel en la alimentación humana, en la agricultura, silvicultura, industria química, enfermedades humanas...etc. Los hongos son capaces de descomponer algunos materiales fabricados y usados por el hombre a partir de materiales de origen orgánicos (vegetal y animal); reciclan por tanto estos materiales como si se tratara de la materia orgánica que forma parte del ecosistema (biodeterioro). Por otra parte, desde hace cientos de años el hombre ha utilizado diferentes especies de hongos para la transformación de alimentos, un claro ejemplo son las levaduras utilizadas en la elaboración de la cerveza y del vino (Saccharomyces), de los quesos (algunas especies de Penicillium), del pan, etc. Los hongos son muy importantes en la industria química como productores de numerosas sustancias como vitaminas, cortisonas, ácidos orgánicos y sobre todo antibióticos (en este sentido cabe recordar que la penicilina fue descubierta por Fleming a partir de una especie de Penicillium). Los hongos también pueden ser agentes patógenos directos sobre el ser humano, son causantes de numerosas micosis superficiales en la piel, uñas, pelo, etc. y micosis profundas con mayor riesgo para la salud. También puede haber alergias micógenas provocando molestias respiratorias (por las esporas).
BIOTECNOLOGÍA La biotecnología es el conjunto de procesos industriales que se sirve de microorganismos o de células procedentes de animales o vegetales para obtener determinados productos comerciales o para realizar importantes transformaciones químicas.
La biotecnología se ocupa, entre otros, de procesos tan diferentes como la clonación, la terapia génica, la inseminación in vitro, la obtención de bebidas alcohólicas, etc. Aunque el término es moderno, reúne técnicas y métodos conocidos desde la antigüedad. Por ejemplo, la fabricación del pan, que ya realizaban los antiguos egipcios, la mejora de las razas de animales y la obtención de plantas con mayor producción de frutos. El término biotecnología se comenzó a usar a finales de los años setenta, tras la aparición de la ingeniería genética, que se basa en la manipulación del material genético de las células. En la actualidad, con la expansión de la biotecnología y los métodos de manipulación genética, los microorganismos han sido modificados para fabricar productos útiles que los microorganismos no producen de manera natural.
BIOTECNOLOGÍAS APLICADAS A LA MEJORA DEL MEDIO AMBIENTE Diversas técnicas biotecnológicas permiten resolver, de diferentes y novedosas maneras, el problema de la contaminación ambiental. Se pueden utilizar diversos microorganismos para afrontar problemas de tratamiento y control de la contaminación química de distintos ecosistemas. La ingeniería genética permite combinar las características de estos microorganismos
para
aumentar
su
recombinantes con nuevas características.
eficacia
o
generar
microbios
Aunque muchos microorganismos diferentes juegan un papel esencial en los equilibrios ambientales, la mayoría de las aplicaciones biotecnológicas actuales se realizan con ciertos tipos de bacterias. Algunas de las aplicaciones de la biotecnología a la mejora del medio ambiente son las siguientes: - Eliminación de metales pesados. - Eliminación de mareas negras. - Obtención de energía no contaminante. - Tratamiento de residuos urbanos e industriales. - Tratamiento de diferentes tipos de contaminación asociados a la industria del petróleo. - Tratamiento de la contaminación producida por herbicidas, pesticidas e insecticidas. - Depuración de aguas residuales.
Control de mareas negras Se llama marea negra al vertido masivo de petróleo debido a un accidente durante el transporte del petróleo en grandes barcos. E s
posible utilizar bacterias que digieren los hidrocarburos que forman el
petróleo y los transforman en sustancias químicas nada o menos contaminantes. Aunque generalmente cada tipo de bacteria utiliza una clase de hidrocarburo, se intenta combinar las características de varias bacterias para conseguir una bacteria recombinante capaz de transformar muchos hidrocarburos diferentes.
Eliminación de metales pesados
Los iones metálicos de los elementos pesados (por ejemplo, mercurio, cinc,
níquel, cobre, plomo) movilizados por la acción humana a distintos ecosistemas constituyen el tipo de contaminación más grave del planeta. Los efectos contaminantes de los metales pesados superan en cuantía la suma de todos los demás tipos de contaminación química. Gracias a la ingeniería genética se han desarrollado bacterias que pueden vivir en presencia de metales pesados y eliminarlos mediante diversas reacciones químicas.
BIOTECNOLOGÍAS APLICADAS A LA MEJORA DE LA SALUD La biotecnología tiene en la salud humana, entre otros, los siguientes campos de aplicación: Prevención de enfermedades hereditarias. Terapia génica. Producción de vacunas. Obtención de anticuerpos monoclonales e interferones. Producción de hormonas (por ejemplo insulina y hormona del
crecimiento). Producción de antibióticos y otros productos farmacéuticos.
Antibióticos
La palabra antibiótico designa a aquellas sustancias que, producidas por
determinados microorganismos, pueden acabar con la vida de otros. E n
1929, Alexander Fleming descubrió estas sustancias.
E staba
trabajando
con Staphylococcus aureus y su cultivo se contaminó con un hongo del género Penicillium, de forma que las colonias rodeadas por éste morían. Fleming supuso que el hongo producía alguna sustancia antibacteriana, por lo que hizo un filtrado, descubriendo así, la penicilina. Fue incapaz de purificarla, dado que era químicamente inestable, lo que se hizo años más tarde, gracias al desarrollo de un proceso industrial adecuado.
Desde 1945 se han aislado cientos de antibióticos producidos por hongos del género Penicillium y bacterias de los géneros Bacillus y Streptomyces. E l
gran problema de la actualidad es que han comenzado a desarrollarse a
un ritmo alarmante cepas de patógenos resistentes a antibióticos e, incluso, cepas multirresistentes a varios antibióticos simultáneamente, por lo que hay que encontrar otros nuevos, o modificar los existentes para que recobren su eficacia, lo que constituye el gran reto de la biotecnología. H ormonas
Las personas que sufren diabetes mellitus deben inyectarse insulina varias
veces al día. Hasta 1983 la insulina que utilizaban las personas diabéticas era insulina de cerdo purificada (diferente de la humana). Desde esa fecha se utiliza insulina obtenida por ingeniería genética : se ha introducido el gen de la insulina humana en la bacteria E scherichia coli, que la produce en cantidades masivas y con las mismas características. La insulina es la primera proteína fabricada por ingeniería genética y comercializada. T ambién
por ingeniería genética se obtiene la hormona del crecimiento.
Otras hormonas como la testosterona y progesterona, hormonas sexuales masculina y femenina, utilizada ésta última en la fabricación de fármacos anticonceptivos se obtienen de la fermentación de ciertas levaduras. F abricación
del yogur
Se utiliza leche, que fermenta mediante determinadas cepas de las bacterias Lactobacillus y Streptococcus que transforman la lactosa en ácido láctico.
E l
ácido láctico es el causante de la precipitación de las proteínas de la leche. Ambos
microorganismos
necesitan
una
temperatura
de
45ºC
para
desarrollarse al máximo, por eso la leche se envasa en caliente para que después siga el proceso de fermentación en la estufa a dicha temperatura. E l pH del yogur (después del enfriamiento a 4 ºC) es alrededor de 4 , este medio ácido impide el crecimiento de otras bacterias. Actualmente la producción de yogures se ha especializado en gran cantidad de sabores e incluso en el enriquecimiento de nuevas bacterias.
BIOTECNOLOGÍAS DE LOS ALIMENTOS El hombre desde la antigüedad ha obtenido productos alimenticios con la intervención de los microorganismos, a pesar de desconocer su existencia. Hoy día gracias al conocimiento de sus características y metabolismo, son explotados industrialmente en la fabricación de numerosos alimentos y bebidas. Por ejemplo: * Pan. * Yogur. * Queso. * Mantequilla. * Vinagre. * Vino. * Cerveza. * Encurtidos. * Producción de proteínas para piensos de animales domésticos. * Síntesis de vitaminas que se añaden a los alimentos o en compuestos farmacéuticos. (Por ejemplo la vitamina B12 es producida industrialmente a partir de bacterias y la riboflavina es producida por diversos microorganismos como bacterias y hongos). * Síntesis de aminoácidos que se utilizan como aditivos alimentarios. (Ejemplos de aminoácidos producidos por fermentación microbiana son el ácido glutámico, la lisina, la glicina, la metionina y la alanina). F abricación
E s
de cerveza
un proceso que se conoce desde antiguo, ya que, al parecer, los babilonios
fueron los primeros en elaborar la cerveza. Se basa en la fermentación alcohólica que realizan las levaduras del género Saccharomyces.
