UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOJA
Dr. Roldán Torres Gutiérrez [email protected]
Loja, 24 de abril 2013
Curso de Formación
MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL
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Fecha Horarios Temas 24/04/2013
15:00 - 18:00 Introducción a la Microbiología Ambiental.
Generalidades 25/04/2013
15:00 - 18:00 Contaminación e impacto de la
Microbiológica Ambiental 26/04/2013
15:00 - 18:00 La biorremediación como respuesta
ambientalista. Técnicas de biorremediación.
29/04/2013
08:00 - 11:00 Presentación de trabajos por equipos.
15:00 - 18:00
• Total de horas: 40 (9 lectivas, 6 evaluativas y 25 independientes)
Programación académica
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Equipos Horario Temas Equipo 1 08:00-08:20 Microorganismos y los ecosistemas. Suelo y
agua. Equipo 2 08:20-08:40 Microorganismos y los ecosistemas. Aire,
espacio y ambientes extremos. Equipo 3 08:40-09:00 Interacciones microbianas
Equipo 4 09:00-09:20 Interacciones microbianas con organismos superiores.
Equipo 5 09:20-09:40 Factores ambientales y los microorganismos.
Equipo 6 09:40-10:00 Información genética y adaptación al ambiente.
COFFEE BREAK
Equipos de trabajo
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Equipos Horario Temas Equipo 7 15:00-15:20 Contaminación en las aguas. Medidas
atenuantes Equipo 8 15:20-15:40 Contaminación de los suelos. Medidas
atenuantes Equipo 9 15:40-16:00 Contaminación de la atmosférica. Medidas
atenuantes. Equipo 10 16:00-16:20 Biorremediación “in situ”
Equipo 11 16:20-16:40 Biorremediación “ex situ”
Equipo 12 16:40-17:00 Fitorremediación
Equipos de trabajo
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• Conocer acerca de las potencialidades de los microorganismos como entes reguladores de ecosistemas a nivel global.
• Lograr la aprehensión de conocimientos básicos y aplicados
en temas de biorremediación como alternativa acuciante para manejo de ambientes contaminados.
• Motivar las investigaciones sobre Microbiología Ambiental en el Sur del Ecuador.
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Objetivos
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Cuba: UCLV. Ing. Agrónomo. 2001. Maestría Agr. Sostenible. 2003
Alemania: Univ. Rostock. Especialización en interacción planta-microorganismos. 2004-2006
Bélgica: KUL. Ph.D en Biociencias Ingenieriles. 2006-2008 Ecuador: UNL.
Proyecto Prometeo. 2013
Ambientes motivantes
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Desarrollo histórico de la Microbiología Ambiental.
Microorganismos y ecosistemas.
Interacciones microbianas y con organismos superiores.
Factores ambientales y la vida microbiana.
La adaptación al ambiente e información genética. Intercambio genético en procariotas. Clasificación de la adaptación según la interacción genoma-
ambiente. Importancia de la ecología microbiana.
SUMARIO
Tema 1. Introducción a la Microb. Ambiental
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Si yo pudiese hacer todo nuevamente, y renovar mi visión frente al siglo XXI, sería un ecologista microbiano. Diez billones de bacterias viven en un gramo de tierra ordinaria, no más que lo que se puede ajustar apretando índice con pulgar. Ellas representan miles de especies, la mayoría de las cuales son desconocidas para la ciencia. Me gustaría andar dentro de ese mundo con la ayuda de la microscopía moderna y el análisis molecular. Atravesaría forestas, clonares, zigzagueando entre g ranos de arena, viajando en un submarino imaginario, atravesando gotas de agua del tamaño de lagos, descubriendo nuevas formas de vida entre víctimas y predadores con sus desconocidas telarañas de alimentación. Todo ésto, con solo aventurarme a salir no más de diez pasos fuera de mi laboratorio. Edward O. Wilson. Naturalis (1994).
Island press, Washington, p. 364.
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Ciencia que estudia los microorganismos, un amplio y diverso grupo de organismos microscópicos unicelulares o pluricelulares, que incluye también a los virus, viroides y priones.
Microbiología
Complejo de factores externos que actúan sobre un sistema y determinan su curso y su forma de existencia, el cual debe interactuar necesariamente con seres vivos.
Ambiente
Microbiología Ambiental
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Estudio de las interacciones entre microorganismos y los componentes bióticos y abióticos de su medioambiente para mantener una actividad
continua imprescindible para la vida en la biosfera. Incluye estudios de ecología microbiana, geo-microbiología, diversidad
microbiana y biorremediación.
Microbiología Ambiental
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Los mecanismos que mantienen la diversidad microbiana de la biosfera son la base de la dinámica de los ecosistemas terrestres, acuáticos y aéreos.
La diversidad microbiana del suelo es la causa de la fertilidad del mismo.
Juegan un papel fundamental en los ciclos biogeoquímicos de la naturaleza.
Constituye el principal componente de biodiversidad, pero se requiere de herramientas (avances tecnológicos e intelectuales) apropiadas para cuantificar esta diversidad, tanto en “modelos” como en las comunidades naturales.
Microbiología Ambiental
Diversidad microbiana
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• Creación del microscopio compuesto (1665). • Todos los organismos están compuestos por células. • Describe hongos filamentosos.
Robert Hooke Inglaterra, 1635-1703
Antonij van Leeuwenhoek Holanda, 1632-1723
• Creación del microscopio simple (1675).
• Descubrimiento de bacterias y protozoos (1684), denominados animáculos.
Desarrollo histórico de la Microb. Ambiental
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Microscopio compuesto Robert Hooke, 1665
Microscopio simple Antonij van Leeuwenhoek, 1675
Desarrollo histórico de la Microb. Ambiental
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Carl Nilsson Linæus Suecia, 1707-1778
Nomenclatura binomial de microorganismos (1735). Fundador de la taxonomía moderna. Uno de los padres de la ecología.
Loius Pasteur Francia, 1822-1895
Pasteurización (1864). Refutación de la generación
espontánea (1864). Creación de vacunas (1880-
1885) y propagación de enfermedades.
Creación del autoclave (1879). Descubrimiento de bacterias
anaeróbicas.
Desarrollo histórico de la Microb. Ambiental
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• Fundador de la bacteriología. • Descubre la tuberculosis (Mycobacterium
tuberculosis) 1882 y el cólera (Vibrio cholreae) 1883. • Importantes avances en microscopia. • Postulados de Koch (1905).
Heinrich Herman Robert Koch.
Alemania, 1843-1910
1. El microorganismo debe estar presente en todos los casos de la enfermedad.
2. El microorganismo debe ser aislado del hospedador enfermo y obtenerse en cultivo puro en el laboratorio.
3. La enfermedad específica debe reproducirse cuando un cultivo puro del microorganismo se inocula a un hospedador susceptible sano.
4. El microorganismo debe ser recuperable de nuevo a partir del hospedador inyectado experimentalmente.
Desarrollo histórico de la Microb. Ambiental
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Martinus W. Beijerinck Holanda, 1851-1931
Sergei N. Winogradsky Rusia, 1856-1952
Padres de la Microbiología Ambiental
Desarrollo histórico de la Microb. Ambiental
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Martinus Willem Beijerinck. Holanda,
1851-1931
• Aísla bacterias del género Rhizobium y establece el principio de la fijación biológica del nitrógeno por leguminosas (1888).
• Fundador de la virología (1892). • Iniciador de estudios de microbiología
aplicada a industrias y a la agricultura (1895).
• Aísla y describe bacterias del género Azotobacter (1901).
• Aísla y describe Spirillum desulfuricans, primera bacteria reductora de sulfatos.
• Inventa los medios enriquecidos para aislar microorganismos del ambiente.
Desarrollo histórico de la Microb. Ambiental
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Sergei Nikolaievich Winogradky Rusia, 1856-1952
• Pionero en estudiar a los microorganismos fuera del contexto médico. Ciclos biogeoquímicos
• Identifica bacterias en el proceso de nitrificación (1888) y fijación de nitrógeno anaeróbica (1891).
• Descubre el proceso de quimioautrofía. • Primer estudioso de la ecología
microbiana y la microbiología ambiental. • Creo la llamada Columna de
Winogradsky. la cual es una demostración clásica de la ocupación de diferentes ambientes por los microorganismos.
Desarrollo histórico de la Microb. Ambiental
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MICROORGANISMOS Y ECOSISTEMAS
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Microorganismos y ecosistemas
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Microorganismos y ecosistemas
Thiomargarita namibiensis 0.75 mm
Picrophilus oshimae pH: -0.06 Óptimo 0.7
Nanoorganismo acidofílico ARqueal (ARMAN) 200nm
Archaea Pyrolobus fumarii 90-113°C < 90°C no crece
Psychromonas ingrahamii -12 a -20 °C
Salinibacter ruber
EXTREMÓFILOS
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Microorganismos y ecosistemas
Deinococcus radiodurans Radiacione Sultravioleta y ganma emitidas por el sol.
Materian a cualquier humano
Shewanella Profundidad de 11000 m.
¿Que peso soportan?
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Microorganismos y ecosistemas Fl
ujo
de E
nerg
ía
MICROORGANISMOS Y EL FUNCIONAMIENTO DE COSISTEMAS
PRODUCTORES PRIMARIOS
COMSUMIDORES
DESCOMPONEDORES
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RECICLADO DE
NUTRIENTES
Algas eucariotas Cianobacterias Anoxifotobacterias
Bacterias quimiolitotrofas
Proltozoos, algas mixotrofas, bacterias
Hongos y bacterias
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Microorganismos y ecosistemas
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Alternaria solani
Phytphthora infestans
Xanthomonas axonopodis pv. citri
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Microorganismos y ecosistemas
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Enfermedad de las Vacas Locas (encefalopatía espongiforme bovina).
Priones
Colera aviar. Pasteurella multocida
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Microorganismos y ecosistemas
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Staphylococcus aureus
Virus de inmunodeficiencia humana (VIH)
Trichophyton rubrum
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INTERACCIONES MICROBIANAS Y CON
ORGANISMOS SUPERIORES
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Los organismos que se establecen el mismo nicho ecológico. Necesitan los mismos alimentos y condiciones ambientales. Tienen gran influencia entre sí.
Competencia -/-
El mejor adaptado predomina o elimina completamente a los otros.
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Interacciones Microbianas
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• En cuis Entamoeba histolytica es incapaz de producir amebiasis clínica cuando Escherichia coli está presente.
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Interacciones Microbianas
• En las fermentaciones lácticas al principio hay muchos tipos de bacterias pero al final predominan una Lactobacillus lactis
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Antagonismo +/-
Pseudomonas aeruginosa produce pigmentos que inhiben la germinación de Aspergillus terreus.
Staphylococcus aureus produce
sustancias antifúngicas que causan alteraciones e hinchazón en las hifas de Aspergillus terreus.
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Interacciones Microbianas
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Mutualismo +/+
• Simbiosis en que ambos organismos resulta benefiados.
• Cuando la relación no es obligatoria se le llama cooperación.
• Streptococcus cremoris y Streptococcus lactis, creciendo juntas producen mayor cantidad de ácido láctico que cuando crecen separadas.
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Interacciones Microbianas
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• Producción de metabolitos diferentes. Thiobacillus ferroxidans y Beijerinkia lactocogenes en la descomposición de triturado de metales sin fuente de nitrógeno y carbono. Aire
O2 CO2 N2
Bacterias fijadoras de N2 Beijerinkia lactocogenes
Bacterias fijadoras de CO2, Thiobacillus ferroxidans
S, P y huellas de metales Triturado, mezcla y filtrado
Carbono orgánico
Compuestos nitrogenados
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Interacciones Microbianas
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La Influenza Porcina sólo se produce si están presentes simultáneamente: • Tarpeia suis (virus) • Haemophilus suis (bacteria)
Líquen: • El hongo obtiene del alga productos
metabólicos como glucosa y alcoholes. • El alga se beneficia de la capacidad que
tienen las paredes del hongo para retener agua.
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Interacciones Microbianas
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Comensalismo +/0
Levaduras/bacterias • Cuando el medio tiene alta concentración de azúcar las
levaduras crecen pero no las bacterias.
• Las asociaciones comensales permiten el desarrollo de especies anaerobias y facultativas en medios aeróbicos.
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Interacciones Microbianas
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El parásito depende del huésped y vive en contacto físico y metabólico con él. Eventualmente el huésped muere.
Parasitismo +/-
• Hongos que parasitan hongos • Hongos que parasitan algas • Los virus son parásitos de hongos, algas y
bacterias
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Interacciones Microbianas
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Depredación +/- Muerte e ingestión de microorganismos de una especie por los de otra especie
• Los protozoos se alimentan de: – Hongos – Algas – Bacterias
• Los hongos mucilaginosos de bacterias.
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Interacciones Microbianas
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Interacciones Planta-Microbio Simbiosis mutualista: Rhizobium-leguminosas:
convierte el nitrógeno a una forma que puede ser utilizado por las plantas.
Simbiosis mutualista: Hongos Micorrizógenos-Poaceae. Realiza economía del agua y nutrientes a las plantas.
Simbiosis +/+
Interacciones Animal-Microbio Simbiosis Mutualista: Microflora
benéfica del tracto intestinal de las termitas (protozoos).
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Interacciones Microbianas
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Microorganismos y ecosistemas.
FACTORES AMBIENTALES Y LA VIDA MICROBIANA
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Factores ambientales
FÍSICOS
BIOLÓGICOS
QUÍMICOS Luz, temperatura,
gases, presión osmótica, pH
nutrientes, sustancias antimicrobianas
otros organismos (microorganismos, plantas, animales)
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Factores ambientales y la vida microbiana
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Clasificación Rango Temperatura óptima
Psicrófilos
0-20ºC 15ºC
Mesófilos
15-45ºC 35ºC
Termófilos
40-70ºC 55ºC
-Las altas temperaturas se usan para esterilizar
-Las bajas temperaturas se emplean para conservar microorganismos.
Temperatura
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Factores ambientales y la vida microbiana
41
Temperatura
Psicrófilo Flavobacterium
Temperatura (°C) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
13 °C
39 °C
60 °C
80 °C
105 °C
Mesófilo Escherichia coli
Termófilo Bacillus
stearothermophilus Hipertermólfilo
Termococcus Hipertermólfilo
Pyrodictium
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Factores ambientales y la vida microbiana
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• El pH interno de las células microbianas es neutro
• Los microorganismos poseen mecanismos que les permiten desarrollarse en un amplio rango de pH
Clasificación Rango pH óptimo
Acidófilos
0-7 5
Neutrófilos
5-12 7
Basófilos
9-14 10
pH
Regulador de: Procesos biológicos mediados por acidos nucleicos, enzimas, proteinas. Disponibilidad de nutrientes esenciales que limitan el crecimiento microbiano (NH4
+, PO4, Mg2
+
Factores ambientales y la vida microbiana
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FUENTES DE ENERGÍA
FUENTE DE CARBONO
FUENTE DE PODER REDUCTOR
ORGANOTROFOS
FOTOTROFOS LUZ
C. INORGÁNICOS C. ORGÁNICOS QUIMIOTROFOS
CO2
AUTOTROFOS C. ORGÁNICOS HETEROTROFOS
C. INORGÁNICOS
LITOTROFOS
C. ORGÁNICOS
Nutrientes
Factores ambientales y la vida microbiana
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Nutrición de bacterias Autótrofa y heterótrofa
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Factores ambientales y la vida microbiana
Los requerimientos nutricionales incluyen: • Fuente de energía: luz, compuestos inorgánicos u orgánicos. • Fuente de nitrógeno: nitrógeno atmosférico, nitratos, nitritos, etc. • Fuente de carbono: dióxido de carbono, metano, compuestos
orgánicos. • Fuente de oxígeno: oxígeno atmosférico
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Nutrición de hongos filamentosos
Hongos Saprófitos (o saprobios): viven sobre materia orgánica en descomposición.
Hongos Parásitos: se alojan sobre algún ser vivo que los hospede, viviendo a expensas de éste sin ofrecerle ningún beneficio a cambio.
Hongos Micorrízicos: viven en simbiosis con alguna especie vegetal obteniendo ambos un beneficio mutuo.
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Factores ambientales y la vida microbiana
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Aerobio Anaerobio Anaerobio Facultativo
Requerimientos de oxìgeno
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Factores ambientales y la vida microbiana
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Factores biológicos • Plantas • Animales • Hombre • Otros
microorganismos
• Microorganismos
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Factores ambientales y la vida microbiana
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Microorganismos y ecosistemas.
LA ADAPTACIÓN AL AMBIENTE Y LA
INFORMACIÓN GENÉTICA
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Los microorganismos se adaptan a los cambios temporales del ambiente
ADAPTACIÓN FENOTÍPICA
Determinada por el genotipo
Genotipo La información genética de
cada individuo
Fenotipo La expresión del genoma afectada
por el medio ambiente
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Adaptación al ambiente e información genética
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Las condiciones ambientales determinan que diferentes tipos genéticos de microorganismos puedan competir
con otros.
SOLO LOS MEJORES ADAPTADOS LOGRAN SOBREVIVIR
¿POR QUE?
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Adaptación al ambiente e información genética
51
La capacidad adaptativa está entre los límites del genotipo.
Temperatura
Núm
ero
de in
divi
duos
Óptima
La capacidad de un microorganismo de adaptarse al ambiente es hereditaria, pero el estado fenotípico que resulta de la adaptación, puede no ser heredado.
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Adaptación al ambiente e información genética
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Tipos de adaptación
Evolutiva Cambios del genotipo por
selección
Fenotípica o fisiológica Respuesta a cambios
temporales
Se lleva a cabo entre los límites del genotipo
Se lleva a cabo por: • mutaciones espontáneas
o inducidas • Intercambio genético
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Adaptación al ambiente e información genética
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Adaptación evolutiva
A A T G C A T T G C T A
A A T G C A T T G C T A
A A T G G A T T G C T A
• Hay oportunidades para un cambio en el genotipo como resultado de una mutación.
• El mutante es un organismo cambiado permanentemente. • Si es capaz de prosperar en el ambiente, el mutante se perpeturará,
de lo contrario perecerá.
Mutación espontánea o inducida
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Adaptación al ambiente e información genética
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Intercambio genético bacteriano
Transducción En este caso la transferencia de ADN de una bacteria a otra , se realiza a través de un virus bacteriófago, que se comporta como un vector intermediario entre las dos bacterias.
Adaptación evolutiva
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Adaptación al ambiente e información genética
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Robert V. Miller, Scientifican american,1998 Epiliton de las rocas en los ríos
Adaptación al ambiente e información genética
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Conjugación En este proceso, una bacteria donadora F+ transmite a través de un puente o pili, un fragmento de ADN, a otra bacteria receptora F-. La bacteria F+ posee un plásmido, además del cromosoma bacteriano.
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Adaptación al ambiente e información genética
Intercambio genético bacteriano
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Transformación Consiste en el intercambio genético producido cuando una bacteria es capaz de captar fragmentos de ADN, de otra bacteria que se encuentran dispersos en el medio donde vive.
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Adaptación al ambiente e información genética
Intercambio genético bacteriano
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Robert V. Miller, Scientifican amarican,1998
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Adaptación al ambiente e información genética
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http://193.146.205.151/web/articulos/articulos.htm
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Adaptación al ambiente e información genética
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Adaptación fenotípica o fisiológica
• Ocurren en todos los individuos de una población expuestos al cambio. • En altas temperaturas todos los microorganismos pierden sus flagelos y esta condición permanece por varias generaciones.
• Cuando son incubados a temperatura normal, recuperan los flagelos.
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Adaptación al ambiente e información genética
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Clasificación de la adaptación. Interacción genoma-ambiente
• Genoma fijo – ambiente variable: FENÓTIPICA O FISIOLÓGICA Los microorganismos deben adaptarse a la variabilidad de las condiciones para sobrevivir.
• Genoma variable– ambiente fijo: EVOLUTIVA por mutación espontánea o inducida o intercambio genético horizontal
• Genoma variable– ambiente variable: EVOLUTIVA La supervivencia de los microorganismos mejor adaptados a los cambios permite la selección de un genoma más que otro. La naturaleza selecciona los mejores adaptados.
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Adaptación al ambiente e información genética
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• Los microbios son el fundamento del sistema Tierra, porque son responsables de la mayoría de los ciclos de elementos. • Proporcionan un modelo simple para la comprensión de la evolución de la vida, ya que fueron los primeros en llegar a este planeta. • Las algas y cianobacterias contribuyen a la base energética de los ciclos mediante la fotosíntesis. • Los microorganismos reciclan la mayoría de los desechos orgánicos en recursos reutilizables. • Utilización de microorganismos en el tratamiento de las aguas residuales para reciclar nutrientes, recuperación del metano y el control de enfermedades. • Los microbios limpian los desechos producidos por los animales domésticos y de cría (Biogás).
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Importancia de la Microbiología Ambiental
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• La degradación ambiental es una de las peores amenazas a la que debe hacer frente la humanidad. Mediante la biorremediación muchos problemas ambientales pueden tener cura con el uso de microorganismos. • Utilización de microorganismos para la microbiología de la
digestión como prebióticos. • Utilización en procesos biotecnológicos como obreros en la
producción de: •Combustible: etanol, metano. •Biocontroles y biofertilizantes para la salud publica y la agricultura. •Productos farmacéuticos.
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Importancia de la Microbiología Ambiental
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•Productos químicos. •Ingeniería genética. •Producción de biochips para PC (microprocesadores proteicos). •Explotación de la minería (lixiviación de Cobre y minería de Uranio)
• Descubrimiento de vida en otros planetas (Martes desde 1996).
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Importancia de la Microbiología Ambiental
65 UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOJA
Bibliografía
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Atlas R.M and Bertha R. 1986. Microbial Ecology: fundamentals and applications. Ed. Benjamin-Cummungs. United States. 533 pp.
Cooper J.E and Rao J.R. 2006. Molecular approaches to soil, rhizosphere and plant microorganism analysis. Ed. CABI International. UK. ISBN-10: 1 84593 062 2. 176 pp.
Maier R.M, Pepper I.L and Gerba C.P. 2009. Environmental microbiology. Second Edition. Ed. Elseiver. UK. ISBN: 978-0-12-370519-8. 527 pp.
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Bibliografía
Ahmad I, Ahmad F and Pichtel J. 2011. Microbes and microbial technology. Ed. Springr New York. United State. ISBN: 978-1-4419-7930-8. 516 pp. Kavanagh K. 2011. Fungi. Biololgy and applications. Second Edition Ed. Jhon Wiley & Sons. UK. 366pp.
Bouarab K, Brisson n and Daayf F. 2009. Molecular plant-microbe interaction. Ed. CABI International. UK. ISBN-13: 978-1-84593-574-0. 340 pp.
Maeschwary R. 2005. Fungi. Experimental methods in biology Second Edition. Ed. Taylor & Francis Group. United State. ISBN-10: 1-57444-468-9. 240 pp.
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Muchas Gracias