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7/26/2019 59281261 Columna de Winogradsky

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PRCTICAS DE ECOLOGA MICROBIANA - 2010 Alberto Fonte Polo

COLUMNA DE WINOGRADSKY

La columna de Winogradsky es un sistema acutico en el que se ayuda a los

microorganismos a establecerse en regiones diferenciadas segn su metabolismo, y

constituye un modelo de ecosistema, similar a los tapetes microbianos que se hallan

en aguas dulces o saladas, donde proliferan microorganismos del medio acutico y de

los sedimentos.

Esta tcnica fue desarrollada inicialmente por el microbilogo ruso Sergei Winogradsky

(1856-1953), quien us la columna para estudiar los microorganismos del suelo. La

columna de Winogradsky es un sistema que permite observar en el laboratorio el

proceso evolutivo de los microorganismos, es decir, el proceso de adaptacin a los

diferentes ambientes empleando diferentes estrategias para la obtencin de energa.

Una vez que se prepare la columna y se exponga a la luz solar, se desarrollar una

sucesin de comunidades bacterianas interrelacionadas metablicamente, de un

modo similar a lo que ocurre en la naturaleza, que se podrn observar fcilmente por

su distinta coloracin. Adems, la columna es un sistema anxico en miniatura que

puede usarse como suministro a largo plazo de bacterias para cultivos de

enriquecimiento.

Para la realizacin de esta prctica se usar agua estancada procedente de un lago, de

un estanque, de una acequia o de un ro, aunque tambin podra usase agua de mar sise quisiera prepara una columna marina. Y se estudiar el ciclo del azufre, no obstante

podra enfocarse la prctica para otros ciclos biogeoqumicos equivalentes (nitrgeno,

carbono u otros elementos).

Materiales y procedimiento para la construccin de la columna de Winogradsky

1. Se usa una columna grande de cristal (una probeta de 100 ml) o de plstico

transparente (una botella).

2.

Se aade una fuente de carbono y energa para la cadena trfica microbiana,en este caso es celulosa, que puede administrarse en forma de tiras de papel

de filtro o de peridico, hierba, serrn, etc. Es importante que la celulosa

permanezca en el fondo o en la zona intermedia, pero no en la zona superficial,

ya que las bacterias que degradan la celulosa son anaerbicas. Deben evitarse

los sustratos fcilmente fermentables, que pueden producir una formacin

excesiva de gas.

3. Se llena la columna con lodo, de una charca o del fondo de un ro, ricos en

materia orgnica, hasta 1/3 de su volumen.

4. Se aade a la mezcla una fuente de sulfato (sulfato de calcio, CaSO4, o yeso) y

un agente tamponador del pH (carbonato clcico, CaCO3). El lodo tambinpuede mezclarse con el contenido de un huevo, como fuente de azufre. Se


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aade tambin bicarbonato sdico (NaHCO3), cloruro de amonio (NH4Cl) y

tampn fosfato pH 7,3.

5. La mezcla se compacta para forzar la salida de las burbujas de aire, hasta

obtener una capa de unos 10 cm.

6. Se aade agua, de la propia charca o ro donde se haya recogido el fango, hasta

rellenar casi completamente la columna (hay que dejar con aire unos 5 cm de lamisma). Si no se dispone de suficiente agua de ro, se puede terminar de

rellenar la columna con agua corriente.

7. Se tapa la columna, con parafina o con papel de aluminio, para evitar la

evaporacin. Se coloca cerca de una ventana donde reciba luz solar atenuada, y

se deja durante varias semanas.

8. Se examinar la columna peridicamente, anotando los cambios de color y

grosor de las diferentes capas (Fig. 1). Y se tomarn muestras de las capas para

estudiar los diferentes tipos de microorganismos.

Figura 1.Columna de Winogradsky despus de un mes (izquierda), dos meses (centro) y tres

meses (derecha). La estratificacin se hace cada vez ms evidente.

Microorganismos de la columna de Winogradsky

Una vez establecida la columna, se pueden diferenciar tres zonas caractersticas en

base a su concentracin relativa de oxgeno: 1) zona aerbica, es la ms superficial,

dispone de una alta concentracin de oxgeno; 2) zona microaerfila, inmediatamente

debajo de la anterior, con una menor concentracin de oxgeno; 3) zona anaerbica,

que constituye el lecho de lodo (Fig. 2).

Las algas y cianobacterias forman una capa superficial de color verde brillante, y al

producir oxgeno ayudan a mantener la aerobiosis en la zona superior de la columna.

Mientras que, en el fondo de la columna, las bacterias reductoras del sulfato producen

sulfuro, que provoca el crecimiento de bacterias rojas y verdes del azufre (fottrofos

anoxignicos). De modo que se establecen dos gradientes en la columna, uno deoxgeno y otro de sulfuro de hidrgeno (H2S).


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Las bacterias quimiorganotrofas crecen a lo largo de toda la columna, los

microorganismos aerobios y microaerfilos en la parte superior, los anaerobios en las

zonas donde hay sulfuro de hidrgeno.

Figura 2.Esquema de una columna de Winogradsky tpica.

Al cabo de cuatro o seis semanas comenzarn a observarn una serie de comunidades

microbianas en la columna, que de arriba abajo son (Figs. 2 y 3):

Zona aerbica: esta es la parte de la columna ms rica en oxgeno y ms pobre

en azufre. El agua de la parte superior de la columna contiene abundantes

poblaciones de microorganismos aerobios, que aparecen normalmente en

hbitats acuticos ricos en materia orgnica (estanques poco profundos,

arroyos, etc.). Suelen ser microorganismos flagelados, lo que les permite

moverse y establecerse en nuevas reas, as como microorganismos

fotosintticos: algas (diatomeas) y cianobacterias filamentosas. El oxgeno que

producen estos productores primarios difunde desde la superficie, creando

condiciones similares a las que existen en un lago con sedimentos ricos en

nutrientes.

Lodo

Columnadeagua

Algas y cianobacterias

Bacterias oxidadoras del azufre aerobias

Beggiatoa, Thiobacillus, Thiothrix

Bacterias rojas no del azufreRhodospirillum, Rhodopseudomonas

Bacterias rojas del azufre

Chromatium

Bacterias verdes del azufre

Chlorobium

Bacterias reductoras del sulfato

DesulfovibrioBacterias fermentadoras de celulosa

Clostridium

Bacterias metanognicas y

quimiolitotrofos del azufre.

Zona aerobia

Zona

microaerfila

Zona anaerobia

O2

H2S

Concentracinrelativadega

ses

Luz solar

H2S

SO42

O2


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Zona microaerfila: es la zona en la que solapan ambos gradientes, el de

oxgeno y el de sulfuro de hidrgeno. Aparecen bacterias oxidadoras del azufre

comoBeggiatoa, Thiothrix oThiobacillus, que usan como fuente de carbono la

materia orgnica, y oxidan el H2S que llega por difusin desde las capas

inferiores a azufre elemental. La reaccin qumica que se lleva a cabo es la

siguiente (reaccin de Bunsen): O2 + H2S H20 + S0. Son, por lo tanto,microorganismos mixtrofos. Estos gneros acumulan grnulos de azufre en

sus citoplasmas por oxidacin del H2S. Si se deja evolucionar el sistema, cuando

la concentracin de H2S es muy baja, los grnulos de azufre elemental

intracitoplasmtico presentes en estas bacterias empiezan a desaparecer por

oxidacin total a sulfato (H2S S0SO4

2).

Zona anaerbica: esta zona contiene H2S (procedente del fondo), en la zona

anaerbica superior predominan las bacterias fotosintticas anaerobias, y en la

columna se observan una serie de bandas de colores rojo y verde:

o

Bacterias rojas no del azufre: Rhodospirillum, Rhodomicrobium oRhodopseudomonas, son bacterias anaerobias fotoorgantrofas, que

slo pueden realizar la fotosntesis en presencia de una fuente de

carbono orgnico. Forman una capa de color rojo-anaranjado. Las

bacterias verdes no del azufre son termfilas y, por lo tanto, no crecen

en la columna a temperatura ambiente.

o Bacterias rojas del azufre (Chromatium, Thiospirillum, Thiocapsa,

forman una capa de color rojo-prpura) y bacterias verdes del azufre

(Chlorobium, Pelodyctium). Estas bacterias son fotolittrofas y realizan

una fotosntesis anoxignica, no producen oxgeno ya que no utilizan

H2O como elemento reductor sino H2S, generando en este procesosulfatos (SO4

2). La reaccin que tiene lugar es la siguiente: 2 H2S + CO2

[CH2O] + H2O + 2 S0.Estos microorganismos aparecen como zonas de

crecimiento en el lodo de la columna, pero tambin pueden

desarrollarse en el agua si los fottrofos oxignicos son escasos.

En la zona anaerobia ms profunda, de color negro intenso, aparecen

microorganismos capaces de realizar respiracin anaerbica y fermentacin.

o Bacterias reductoras del sulfato (BRS): Desulfovibrio, Desulfobacter,

Desulfotomaculum o Desulfomonas. Usan el sulfato, u otras formas

parcialmente oxidadas de azufre como el tiosulfato, y generan grandescantidades de H2S en el proceso. La reaccin de reduccin bacteriana

del sulfato es la siguiente: SO42

+ 8 H+ H2S + 2 H2O + 2 OH

. Este

H2S reaccionar con el hierro presente en el sedimento, produciendo

sulfuro de hierro(II), que precipita y da el color negro. Es por esto que,

en la naturaleza, los sedimentos acuticos son frecuentemente negros.

La reaccin sera la siguiente:

SO42

H2S (sulfuro de hidrgeno)

(in sulfato) Fe2+

SFe (Sulfuro de hierro) Precipitado negro


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Sin embargo, no todo el H2S reacciona con el hierro (II), parte de ste

difunde hacia arriba a lo largo de la columna de sedimentos y es

utilizado por las bacterias verdes y rojas del azufre que crecen en las

zonas superiores.

o Bacterias fermentadoras: utilizan la celulosa del papel aportado como

fuente primaria para su metabolismo, aparecen las bacterias del gneroClostridium. Son anaerobias estrictas, y no empiezan a crecer hasta que

el oxgeno desaparece del sedimento. Estas bacterias degradan la

celulosa hasta residuos de glucosa y, a continuacin, fermentan la

glucosa para obtener la energa que necesitan, produciendo una serie

de compuestos orgnicos simples (etanol, cido actico, cido lctico,

cido succnico, etc.) como productos finales de esa fermentacin. Estos

compuestos orgnicos sern, a su vez, respirados por las bacterias

reductoras del sulfato. Cuando la celulosa se agote, usarn la materia

orgnica producida por el resto de bacterias.

o

Tambin pueden aparecer bacterias metanognicas que generan CH4,que se observa como burbujas de gas en el fondo de la columna.

Figura 3.Esquema de los algunos microorganismos caractersticos de la columna de

Winogradsky.


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Para el estudio de las bacterias de la columna de Winogradsky, se puede introducir una

pipeta larga para recoger una pequea muestra de lodo o agua, que puede ser usada

en microscopa y para inocular medios de cultivo de enriquecimiento para aislamiento

y caracterizacin.

Bibliografa:

Brock Biologa de los microorganismos. 10 edicin (2003). J. Parker, J.M. Martinko,

M.T. Madigan. Pearson Education.

Manual Prctico de Microbiologa. 3 edicin (2005). R. Daz, C. Gamazo, I. Lpez-Goi.

Elsevier-Masson.

http://www.sumanasinc.com/webcontent/animations/content/winogradsky.html (Figura 3).
http://www.sumanasinc.com/webcontent/animations/content/winogradsky.htmlhttp://www.sumanasinc.com/webcontent/animations/content/winogradsky.htmlhttp://www.sumanasinc.com/webcontent/animations/content/winogradsky.html

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