GTP_T8.Microbiología \(F2 Los microbios y el medio ambiente

Transcripción

Los microbios y la biotecnología
Opción F
2ª Parte: Los microbios y el medioambiente
Tema 8 de Biología NS
Diploma BI
Curso 2011-2013
Opción Microbiología 1/27
Antes de comenzar
¿Sobre qué crees que trata esta unidad?
- Escríbelo es un post-it amarillo.
Pregunta guía
¿Qué función ocupan los microrganismos en los ecosistemas?
Relaciones entre los microorganismos y el hombre
Relaciones entre los microorganismos y la especie humana
Al clasificar las relaciones que los microorganismos establecen con la
especie humana en concreto, podemos encontrar tres posibilidades:
- Inocuas:
Podemos
encontrar
muchas
especies
de
microorganismos que directamente no se relacionan con la
humana, por lo que no le causan ni beneficio ni perjuicio. Sin
embargo, como componentes importantísimos de todos los
ecosistemas, siempre hay relaciones, aunque indirectas o más
difíciles de delimitar. Un ejemplo de ello son los ciclos
biogeoquímicos, como el del nitrógeno.
- Beneficiosas: El hombre obtiene gran cantidad de beneficios de
muchos microorganismos, utilizándolos para la depuración de
aguas residuales, producción de combustibles, técnicas
biotecnológicas o producción de alimentos, entre otros.
- Perjudiciales: Hay muchos microorganismos causantes de
enfermedades infecciosas y reciben el nombre de patógenos..
Funciones de los microbios en los ecosistemas
La variabilidad genética presente en los distintos grupos de
microorganismos les permite explotar muchos nichos ecológicos
distintos.
Tres son las funciones principales que los microorganismos juegan
en los ecosistemas:
- Productores: Las algas microscópicas y algunas bacterias usan
clorofila captando la energía de la luz, mientras que las bacterias
quimiosintéticas
utilizan
energía
química.
Ambos
grupos
transforman moléculas inorgánicas en orgánicas que pueden ser
usadas por otros organismos como alimento.
- Fijadores de nitrógeno: Algunas bacterias son capaces de captar
el N2 atmosférico y fijarlo en forma de nitratos que son utilizables
por los productores. Otras bacterias producen nitratos a partir de
nitritos.
- Descomponedores: Estos microorganismos degradan los detritos
(materia orgánica) liberando nutrientes inorgánicos de vuelta al
ecosistema.
Funciones de los microbios en los ecosistemas
Rotule un esquema del ciclo del nitrógeno
NH3
Bacterias nitrificantes
Bacterias nitrificantes
Ciclo del nitrógeno
El nitrógeno es el gas
más abundante (78%)
en la atmósfera pero,
¿cómo llega a los
seres vivos?
Las bacterias juegan
un
papel
muy
importante
en
el
proceso por el que el
nitrógeno es reciclado
en los ecosistemas.
Animación
1. Fijación biológica del nitrógeno mediante la
simbiosis leguminosas-Rhizobium (bacteria) y por otras
bacterias, como Azotobacter, de vida libre en el suelo.
- Rhizobium crea un nódulo en las raíces de las
leguminosas donde fija el N2 atmosférico. En esta
simbiosis la planta se aprovecha de este nitrógeno a
cambio de carbohidratos y un ambiente favorable.
- Azotobacter no necesita un hospedador e
inmoviliza el fija N2 atmosférico en el suelo en forma
de amoniaco.
2. Fijación industrial del nitrógeno mediante la producción de amoniaco
y abonos nitrogenados en la industria, constituyen otra fuente de nitrógeno.
- El proceso de Haber - Bosch es la reacción entre el N2 y el H2 para
producir amoniaco. La importancia de la reacción radica en la dificultad de
producir amoníaco a un nivel industrial.
- Junto con la fijación biológica, constituye la principal fuente de entrada de
nitrógeno en el ecosistema en forma de amoniaco (NH3).
3. Nitrificación: Proceso mediado por dos bacterias del suelo que actúan
de forma sucesiva.
- Las Nitrosomonas convierten el amoniaco (NH3) en nitrito (NO2-).
- La bacteria Nitrobacter convierte el nitrito (NO2-) en nitrato (NO3-).
Video1
4. Transporte activo de iones nitrato: Los nitratos son transportado
activamente al interior de las raíces mediante gasto de ATP.
Los aniones (como el nitrato) no
pueden difundir siguiendo el
gradiente
electroquímico,
al
estar
también
cargados
negativamente, por lo que son
introducidos mediante simporte.
5. Alimentación: Las plantas utilizan el nitrato asimilado para fabricar sus
proteínas. Los animales se alimentan de las plantas, digiriendo estas
proteínas para crear las suyas propias.
6. Muerte y excreción: Los productos de desecho de la digestión y los
cadáveres de plantas y animales están repletos de moléculas orgánicas que
contienen nitrógeno.
7. Putrefacción: Los descomponedores como las bacterias y hongos
degradan las proteínas hasta amoniaco.
8. Desnitrificación: Las bacterias como Pseudomonas denitrificans eliminan
los nitratos del suelo y producen N2 gas de vuelta a la atmósfera.
Condiciones que favorecen la nitrificación
La conversión de amoniaco hasta nitrato tiene lugar en dos pasos
sucesivos mediados por dos bacterias autótrofas beneficiosas para el
medio ambiente.
Las condiciones requeridas para que la nitrificación tenga lugar son:
- Disponibilidad de oxígeno (la reacción es aeróbica).
- pH neutro.
- Temperatura cálida.
Condiciones que favorecen la desnitrificación
La conversión de nitrato a nitrógeno gas tiene lugar en condiciones
anaerobias, ya que la bacteria autótrofa Pseudomonas utiliza el nitrato
como aceptor final de electrones en lugar del oxígeno.
Las condiciones requeridas para que la desnitrificación tenga lugar son:
- No disponibilidad de oxígeno (suelo compacto o encharcado).
- Altos niveles de nitrato.
La desnitrificación no es buena para los suelos, ya que elimina los
nitratos beneficiosos que las plantas utilizan para crear sus proteínas.
Por otro lado, también destruye la capa de ozono, así como contribuir al
calentamiento global como gas menor de efecto invernadero.
Relaciones entre los microorganismos y la especie humana
Al clasificar las relaciones que los microorganismos establecen con la
especie humana en concreto, podemos encontrar tres posibilidades:
- Inocuas:
Podemos
encontrar
muchas
especies
de
microorganismos que directamente no se relacionan con la
humana, por lo que no le causan ni beneficio ni perjuicio. Sin
embargo, como componentes importantísimos de todos los
ecosistemas, siempre hay relaciones, aunque indirectas o más
difíciles de delimitar. Un ejemplo de ello son los ciclos
biogeoquímicos, como el del nitrógeno.
- Beneficiosas: El hombre obtiene gran cantidad de beneficios de
muchos microorganismos, utilizándolos para la depuración de
aguas residuales, producción de combustibles, técnicas
biotecnológicas o producción de alimentos, entre otros.
- Perjudiciales: Hay muchos microorganismos causantes de
enfermedades infecciosas y reciben el nombre de patógenos..
Consecuencias de liberar aguas sin depurar
La liberación de aguas residuales sin
tratar a los ríos era una práctica habitual
hasta que a mediados del siglo XIX se
demostró que el cólera era transmitido en
el agua con contaminación fecal.
- La principal consecuencia de liberar
aguas residuales no depuradas es la
presencia de patógenos en el agua de
baño o de consumo.
Por otro lado, el agua procedente de los cultivos tampoco puede
liberarse directamente a un río o acuífero, debido a su alta
concentración en fertilizantes nitrogenados, los cuales provocan:
- La eutrofización: Enriquecimiento anormal en nutrientes.
- La proliferación de algas.
- El aumento de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO): Las
algas muertas son descompuestas por bacterias aerobias.
- La desoxigenación: El consumo de oxígeno deja al ecosistema
acuático sin oxígeno y los peces mueren.
Video2
Tratamiento de aguas residuales con bacterias saprofitas
El tratamiento de las aguas residuales es imprescindible para el
mantenimiento de la salud y consiste en una serie de procesos físicos,
químicos y biológicos que tienen como fin eliminar los contaminantes
presentes en el agua efluente del uso humano.
- En un primer paso, se elimina
toda
la
materia
inorgánica
contenida en el agua residual.
- En segundo lugar, un 90% de la
materia orgánica es eliminada
mediante
la
utilización
de
bacterias
saprofitas,
que
obtienen la energía de dicha
materia.
- Dos tipos de sistemas usados en
la actualidad son los lechos con
filtros de goteo y los sistemas
de cañaverales.
Tratamiento de aguas residuales usando
lechos de filtros de goteo
- Dicho filtro consiste en
un lecho de 1-2 m de
ancho relleno de piedras
que tienen las bacterias
saprofitas adheridas en
su superficie.
- El agua residual entra
por arriba y es recogida
debajo, ya depurada de
materia
orgánica
y
donde las bacterias son
eliminadas (desinfección)
posteriormente en otro
tanque.
Tratamiento de aguas residuales usando
sistemas cañaverales
- Consiste en utilizar la vegetación para depurar el agua residual, ya que ésta
suministra agua y nutrientes a la plantación artificial.
- El agua fluye lentamente por el cañaveral, quedando los sólidos no degradables
retenidos en el suelo, mientras que los degradables son metabolizados por las
bacterias saprofitas, convirtiendo el amonio en nitratos y nitritos, usados por
las plantas para crecer.
- El O2 tomado por las hojas llega a las raíces, donde crea un ambiente aeróbico
propicio para el crecimiento de bacterias nitrificantes aerobias en las rizosfera.
- Un inconveniente es que
este sistema sólo puede
usarse para pequeñas
cantidades
de
agua
contaminada
o
bien
disponer de gran espacio
para plantar un gran
cañaveral.
Video3
Uso de la biomasa para la producción de biocombustibles
Encontrar fuentes de energía alternativas a los combustibles fósiles se
hace imprescindible en este comienzo del siglo XXI.
La biomasa procedente de bosques, productos agrícolas, productos
animales y vegetales, incluyendo estiércol, pueden usarse como materia
prima para la producción de combustibles tales como metano o etanol.
La obtención de etanol
(bioetanol) se realiza a
partir de plantas ricas en
azúcares (remolacha) o
almidón (cereales), que
tras su hidrólisis hasta
azúcares, son fermentados
por
microorganismos
(levaduras o bacterias)
produciendo etanol, así
como grandes cantidades
de CO2.
Generación de metano a partir de biomasa
La generación de metano se domina metanogénesis, pudiéndose usar
como materia prima distintos tipos de materia orgánica, incluyendo el
estiércol de los animales de granja y la celulosa.
El metano producido se denomina biogás, compuesto de metano (6070%) y CO2 (30-40%).
Los pasos para la producción de biogás son:
Fermentación en un reactor: Digestión anaerobia por bacterias
acidogénicas de la materia orgánica (carbohidratos, lípidos y proteínas)
prima hasta alcohol y ácidos orgánicos.
-
Descomposición por bacterias acetogénicas de los ácidos orgánicos y
alcohol hasta sustancias más simples, como son H2, CO2 y acetato.
-
Producción de metano por bacterias metanogénicas mediante la reacción
del dióxido de carbono y del hidrógeno o por descomposición del acetato.
Ciertas condiciones deben mantenerse constantes en el fermentador:
- Ausencia de oxígeno.
- Temperatura constante de 35 ºC.
- pH no ácido.
Se precisan ciertos grupos de
bacterias para completar la
metanogénesis:
Video4
- Unas bacterias acidogénicas
para convertir la materia
orgánica en ácidos orgánicos y
alcohol.
- Otras bacterias acetogénicas
para convertir estos ácidos
orgánicos y el alcohol en
acetato, dióxido de carbono e
hidrógeno.
Por
último,
bacterias
metanogénicas para generar
el metano, bien mediante la
reacción
del
dióxido
de
carbono y del hidrógeno o por
descomposición del acetato.

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