T1. INTRODUCCIÓ MICROBIOLOGIA AMBIENTAL (2016)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Microbiología - 3º curso
Asignatura Microbiologia ambiental
Año del apunte 2016
Páginas 8
Fecha de subida 14/04/2016
Descargas 9
Subido por

Vista previa del texto

TEMA 1. INTRODUCCIÓ A LA MICROBIOLOGIA AMBIENTAL Microbiologia ambiental: l'estudi dels microorganismes en qualsevol hàbitat, i els seus efectes beneficiosos i/o perjudicials sobre la salut humana i el benestar. També es pot referir a l'ecologia microbiana, però presenten una diferència important. L'ecologia microbiana es basa només en l'estudi, en canvi la microbiologia ambiental també en la solució als problemes estudiats. Per tant, podem dir que una és teòrica i l'altre pràctica. La microbiologi ambiental és una àrea dins la ciència que es troba amb interrelació amb molts altres camps.
Perspectiva històrica: Va néixer sobre els anys 70. Durant molt temps, l'ecologia microbiana era l'àrea bàsica (teòrica) i l'aplicada. A partir dels anys 70 es va veure que era necessari escindir aquesta basant bàsica de l'aplicada. Aleshores va sorgir la microbiologia ambiental. Es van donar una sèrie d'esdeveniments, que cal destacar: – Nous agents infecciosos d'aigua i aliments. Molts d'aquests estaven identificats i altres es podien tractar per molt que no es conegués el patogen en sí, com amb la potabilització de l'aigua. Ara bé, encara hi ha moltes malalties degudes al consum d'aigua i d'aliments perquè apareixen nous microorganismes, els quals han de ser tractats. Per tal d'assegurar que no es transmetien aquests agents infecciosos es necessitaven nous mètodes per depurar l'aigua, com certs virus que tenen dosis infectives molt baixes o presenten resistència a la radiació UV, etc. Moltes malalties trasmeses per aliments es donaven per l'importació d'aquests.
– Contaminació. Ens trobem als anys 60-70 on es produeix la revolució de la indústria química, que teòricament ens ha de facilitar la qualitat de vida. Apareixen doncs els fertilitzants, els pesticides (DDT) i altres productes químics que permeten millorar la producció agrícola. Ara bé, es va veure després que aquests productes no es desintegraven (ara sí que es pot) i s'acumulaven en l'ambient i els organismes. El problema també es troba en contaminants com combustibles fòssils o compostos químics degut a l'activitat humana, etc. A més s'ha d'afegir el fet que cada persona genera aproximadament 1,5Kg de residus sòlids i 100L d'aigua residual.
– Desenvolupament tecnològic. Es va veure que hi havia eines suficients per desenvolupar el diagnòstic, estratègies de remediació, etc. Així doncs es poden utilitzar microorganismes per tractar alguns d'aquests problemes.
La situació actualment és la mateixa que ens els anys 70, ja que segueixen apareixent nous agents infecciosos i malalties emergents. També tornen a aparèixer malalties que estaven controlades, com el Dengue, degut al canvi climàtic. Les noves tecnologies ens han permès conèixer com és el nostre microbioma i s'ha vist per exemple, que els occidentals tenim un 15% menys de diversitat microbiana que països com Papua Nova Guinea. També, que els yanomami són els humans que presenten una major varietat de bacteris. Això indica que la nostra dieta i l'estil de vida fa variar la microbiota.
A nivell de contaminació, avui dia es pot parlar dels PPCPs, productes farmacèutics o de cosmètics que no poden ser depurats, com medicaments o hormones que van a parar a les aigües residuals.
El desenvolupament tecnològic continua avançant dia dia el que permet aprofundir molt més en tots aquests aspectes i posar-hi solucions.
Microorganismes i ambients naturals: Són petits i unicel·lulars, però poden agrupar-se. Són molt nombrosos i metabòlicament diversos.
L'ecosistema global depèn de les seves activitats i influèncien la nostra societat de diferents formes.
Es pensa que es troben presents a la Terra des de fa més de 3,5 bilions d'anys.
Al 2014 es va veure un altre canvi en l'atmosfera. Hi ha un article que diu que fa 252 milions d'anys va haver-hi un creixement massiu de microorganismes que va comportar que el 90% de les espècies marines i terrestres desapareguessin. El que va passar és que es va alliberar metà a l'atmosfera, i això va comportar que s'absorbís molta més calor que a partir del CO2, acumulant-se aquesta calor.
El metà absorbeix unes 20 vegades més calor que el CO2, de manera que va provocar un augment en la temperatura del planeta.
Els microorganismes han colonitzat la Terra durant milions d'anys i s'han adaptat a ambients molt diversos i extrems, fent que siguin molt versàtils metabòlicament.
Els límits de tolerància que presenten són grans, així doncs, toleren un rang ampli de paràmetres: temperatura, pressió, pH, etc.
És important el terme del microhàbitat. En un mateix ambient es poden trobar microorganismes molt diversos, ja que no s'ha de mirar l'ambient natural des del punt de vista humà.
Per altra banda, en l'ambient natural no hi ha cultius axènics, cultius purs. En l'ambient sempre hi ha una barreja de microorganismes. A més, la taxa metabòlica i de creixemenet d'aquests és inferior a la de laboratori, degut a la variació de temperatura i a la baixa disponibilitat de nutrients que hi ha en l'ambient respecte el laboratori. Això fa que el nombre de cèl·lules i el volum cel·lular d'aquestes sigui superior al treball de laboratori. Com a conseqüència, es poden donar molts fracasos en el món de la bioremediació, ja que allò que al laboratori podia funcionar, en la natura no, ja que en aquest últim hàbitat els microorganismes estan adaptats a l'ambient, en canvi, al laboratori es troben a condicions ideals.
Virus: És un tema bastant desconegut en la natura, ja que la tecnologia que tenim avui dia no permet encara identificar-los en l'ambient. Com ja sabem, són paràsits intracel·lulars obligats que poden afectar a qualsevol tipus d'organisme. Als anys 90 es van fer uns estudis i es va observar que el 70% dels procariotes es troben infectats. Es creia que podien formar part dels cicles biogeoquímics.
Actualment, el més útil per fer els recomptes són les tècniques de fluorescència, que et donen uns nombres totals en punts, on els punts més grans són bacteris i els més petits virus. Es va veure que els nombres més grans de virus que hi ha en l'ambient són els que infecten a bacteris, és a dir, els bacteriòfags. A més, el nombre depèn del nombre de bacteris i la seva activitat.
En ambients terrestres, pot haver-hi fins a 8.000 partícules víriques, tot i que és molt variable en funció de l'ambient. En general es diu que per cada bacteri hi ha 10 partícules víriques i s'estima que hi ha al voltant de 10^31 virus a la Terra, la majoria dels quals es troben infectant a bacteris. Per tant, els virus són els més abundants, però els bacteris els que presenten més biomassa.
Els virus tenen un paper en el bucle microbià. Entre el 6 i 26% de la matèria orgànica dissolta en els ambients marins es déu a l'activitat dels virus. Poden matar els seus hostes, però també poder dur a terme la transducció i transferència. Així doncs, els virus permeten la degradació de matèria orgànica si duen a terme un cicle lític (26%), però d'altres poden transferir horitzontalment gens a altres organismes, com s'ha observat que bacteris presenten noves funcions codificades en virus. És important perquè indica que l'ecosistema pot variar, es poden guanyar o perdre funcions.
Altres microorganismes: – Procariotes, bacteris i arqueus: són els més versàtils i ubics, amb unes taxes metabòliques elevades. Presenten un gran interès agrícola, ja que potencien el creixement de les plantes aportant nutrients i factors de creixement. Ara bé, alguns poden provocar grans pèrdues i plagues. Són importants també a nivell humà, en producció d'energia, etc.
– Fongs: són heteròtrofs, eucariotes. Presenten interès en els temes de bioremediació i tractament de residus, a nivell agrícola (micorrizes), humà, etc.
– Algues: són eucariotes i fotosintètics. Són importants en la producció primària. Presenten un interès en l'ambient aquàtic on són els principals productors de matèria primera. En els ambients terrestres són considerats els colonitzadors primaris. Cal destacar la producció de toxines, el que provoca la contaminació de les aigües; producció de biocombustibles i per la depuració de l'aigua. Els fotobioreactors són d'important interès en climes càlids i són útils per la depuració d'aigües residuals. A més, de la biomassa que s'obté es poden dur a terme biocombustibles.
– Protozous: són eucariotes unicel·lulars, més versàtils que els fongs. Poden ser fotòtrofs i quimioheteròtrofs. Poden ocasionar problemes degut a la presència de formes enquistades.
En parlarem en el tema de fangs depuradores. Presenten interès en el control poblacional (molts són predadors, s'alimenten de bacteris), en el reciclatge de nutrients i com a patògens, sobretot en temes d'aigües, com Giardia o Criptosporidium.
Els microorganismes doncs, juguen un paper fonamental en les transformacions de l'energia i en els processos biogeoquímics.
Ambients: • Aeri: No es considera un hàbitat pels microorganismes. Presenta condicions desfavorables. Tot i així, avui dia surten articles que diuen que certs microorganismes poden viure-hi bé. Generalment però, els microorganismes no viuen, sinó que sobreviuen en aquest ambient.
• Aquàtic: És un ambient microbià. Presenta una diversitat d'ambients (oceà, mars, rius, llacs, llacunes, etc.).
La majoria d'aigua és salada i a nosaltres ens interessa la dolça. Per això ens centrem en la depuració de les aigües. Es pot dessalinitzar l'aigua, però és un sistema molt car. Els aqüífers es troben contaminats i s'ha d'intentar cuidar aquest ambient i depurar-lo, ja que és essencial.
Els productors primaris són els microorganismes, com les algues, cianobacteris i els bacteris fototròfics anoxigènics.
Una de les coses que s'ha après és que els sistemes naturals tenen una capacitat autodepurativa, és a dir es recuperen si pateixen un dany. Si es provoca un augment d'aigües residuals (s'aboca matèria orgànica), els microorganismes la degraden ràpidament, consumint molt oxigen. L'aigua esdevé anaeròbica i el sistema varia. Ara bé, si no es tornen a abocar residus, el sistema torna a reestablirse. El que succeeix és que nosaltres aboquem residus de forma continuada, motiu pel qual s'usen les depuradores, que imiten l'ambient natural. S'afegeix matèria orgànica, de forma continuada s'hi aporta una font d'oxigen.
• Terrrestre: És un hàbitat favorable molt ric en nutrients. Els microorganismes no són els productors primàris, sinó que ho són les plantes. Trobem un alt reciclatge de nutrients. Hem de tenir en compte que es troben agrupats en superfícies i la presència dels microhàbitats.
El nombre de microorganismes és molt abundant a la zona superficial, però a mesura que es baixa en la fondària del sòl, es disminueix la concentració de microorganismes. Els Actinomycets són bacteris típics del sòl, s'hi troben amb abundància.
En un estudi es van fer prospeccions de sediments marins i es van poder treure mostres de 2,4km de fondària, on es van trobar microorganismes, molt pocs, però hi estaven presents. Actualment, s'ha vist que es poden trobar fins a una fondària de 3,4km.
Els microorganismes són fonamentals en el cicle de la matèria, especialment en la descomposició d'aquesta, gràcies a la capacitat descomponedora. S'ha aplicat en tecnologia per les tècniques de compostatge.
Al 2014, es va dir que la contaminació ha destruït ecosistemes, però també pot crear-ne. Així doncs, suposa un nou ecosistema, la plastisfera. Degut a la gran quantitat de plàstics que s'han abocat, els microorganismes s'han adaptat a viure als plàstics, on formen biofilms i comunitats damunt d'aquests, el que causa molts problemes.
Quants n'hi ha?/ Què hi ha? / Què poden fer?: Els procariotes són ubics i colonitzen tot l'ambient on la vida sigui possible: – Aire: 10^3 procariotes.
– Aigües oceàniques: 10^6 procariotes.
– Sòl: 10^11 procariotes.
– Sediments marins: 10^9 procariotes.
Per tant, quina és l'abundància dels procariotes, és a dir, quants n'hi ha? Entre 4,1 i 6,4 x 10^30 procariotes.
Es va fer la comparativa amb les plantes, els éssers vius més abundants a nivell de biomassa.
Aquestes presenten un total de 562 Pg de C. Els procaritoes, representen un 60-98% la biomassa de carboni de les plantes. Ara bé, si mirem la quantitat de nitrogen i fósfor, presenten 10 vegades més biomassa els microorganismes que les plantes. D'aquesta manera veiem que són molt importants en els cicles biogeoquímics, en el reciclatge del carboni, fósfor, nitrogen i altres elements essencials.
Un cop coneixem l'abundància, hem de conèixer la diversitat i funcions, és a dir què hi ha i que poden fer.
El nostre coneixement d'espècies és molt limitat quan es tracta de microorganismes, ja que el problema que hi ha són les eines necessàries per observar-los. A més, quan volem fer créixer els microorganismes de les mostres naturals, el % d'organismes cultivables és molt baix, com pot succeir amb les aigües oceàniques, on és inferior al 0,1%. Per tant, en microbiologia tenim aquest problema tecnològic, per això es parla de la gran anomalia del recompte en placa. Quan es fan cultius en placa i realitzem el recompte, veiem que només hem fet créixer menys d'1%. Per fer un recompte de viables hauríem d'utilitzar diferents condicions i medis de cultius, ja que dintre d'una comunitat microbiana poden haver-hi bacteris amb característiques molt diverses. Així doncs, quan agafem una mostra ambiental per conèixer les espècies, només un 1% són cultivables i la resta, no és que no es puguin cultivar, sinó que un % bastant gran es podrà fer créixer però no coneixem les condicions adequades perquè ho puguin fer. Sí que és cert, que un altre % serà no cultivable. A més, hem de saber que altres no podran créixer perquè es trobaran en formes de resistència (espores o quists) o seran viables no cultivables (no creixen en placa).
Així doncs, per conèixer la diversitat, trobem 2 tipus de tècniques: 1. Tècniques dependents de cultiu: enriquiment i aïllament.
2. Tècniques independents de cultiu: moleculars.
Totes dues són bones i totes dues presenten limitacions, ninguna és millor que l'altre. Les tècniques moleculars ens permeten conèixer la diversitat, abundància i funcions dels microorganismes, tot i que no es puguin fer créixer.
Es poden fer tècniques d'hibridació DNA-DNA i en funció del % d'hibridació es podrà veure l'impacte ambiental que presenten. És una tècnica que no s'usa massa, més emprada per emparentar espècies. El que s'utilitza per conèixer un impacte són les PCR, però pot presentar biaxos. Gràcies a la PCR es pot saber quins són els gens funcionals i veure la funcionalitat de les comunitats.
Utilitzant aquestes tècniques es poden comparar comunitats.
A partir de PCR es realitza el fingerprinting o el clonatge i seqüenciació, per comparar patrons o els organismes que s'hi troben presents. També es pot utilitzar la FISH, que permet la identificació de les cèl·lules, a més de ser una tècnica quantitativa. Tenim una sonda específica per una espècie i com que cada sonda és específica, es pot arribar a conèixer en una mostra fins a 10 famílies diferents.
Avui dia, el que s'està utilitzant són els temes de la metagenòmica i piroseqüenciació, el que permet analitzar seqüències i obtenir informació a nivell funcional. Per exemple, es pot conèixer quina activitat es produeix en el sòl, per exemple, si la microbiota autòctona del sòl presenta enzims que degradin els hidrocarburs (remediació).
– David Perlman va realitzar una sèrie de pustulats aplicats a la microbiologia.
– Louis Pasteur: “Els microbis semre acabaran tenint l'última paraula” ...