Ecología de las poblaciones microbianas Dr. Francisco Javier Almendariz Tapia

Ecología de las poblaciones microbianas

Dr. Francisco Javier Almendariz Tapia

Anaerobios

Aerotolerantes Obligados

Obligados

Facultativos

Microaerofílicos

Aerobios

Relación de los microorganismoscon el Oxígeno

O2 + e- O2-

O2- + e- + 2 H+ H2O2

H2O2 + e- + H+ H2O + OH-

OH- + e- + H+ H2O

O2 + 4 e- + 4 H+ 2 H2O

Reducción del oxígeno hasta agua mediante la incorporación secuencial

de electrones

CatalasaH2O2 + H2O2 2 H2O + O2

PeroxidasasH2O2 + NADH + H+ 2 H2O + NAD+

Superóxido dismutasaO2

- + O2 + 2 H+ H2O2 + O2

Superóxido dismutasa/catasa4 O2

- + 4 H+ 2 H2O + 3 O2

Enzimas que actúan sobre especies moleculares derivadas del oxígeno

CrecimientoAerobio

CrecimientoAnaerobio

Cultivo de los microorganismos

CrecimientoAerobio facultativoMicroaerofílico

Reino Principales características Ejemplos

Móneras Organismos procariotas unicelulares Bacterias

ProtistasOrganismos eucariotas unicelulares y sus descendientes más inmediatos

Algas, protozoos

Hongos

Organismos heterótrofos que obtienen su alimento por absorción. No realizan la fotosíntesis. La pared celular contiene generalmente quitina.

Levaduras, setas

VegetalOrganismos inmóviles que realizan la fotosíntesis. Pared celular compuesta de celulosa

Musgos, helechos, árboles

AnimalOrganismos móviles sin pared celular. Ingieren el alimento. Presentan tejidos diferenciados.

Moluscos, peces, aves

Los cinco reinos (Margulis, 1982)

BacteriaBacteria

AquifexAquifex

ThermotogaThermotoga

FlavobacteriasFlavobacterias

CianobacterriasCianobacterrias

CloroplastosCloroplastos

Bacterias rojasBacterias rojas

MitocondriaMitocondriaBacterias

Gram-positivasBacterias

Gram-positivas

Bacterias verdesno del azufre

Bacterias verdesno del azufre

EukaryaEukarya

HongosHongos

PlantasPlantas

AnimalesAnimales

HongosmucososHongos

mucosos

EntamebasEntamebas

CiliadosCiliados

FlageladosFlagelados

TricomónadasTricomónadas

MicrosporiodiosMicrosporiodios

Diplomónadas(Giardia)

Diplomónadas(Giardia)

ArchaeaArchaea

CrenarqueotasCrenarqueotas

KorarqueotasKorarqueotas

EuriarqueotasEuriarqueotas

MethanopyrusMethanopyrus

MethanococcusMethanococcus

ThermoplasmaThermoplasma

HalófilosextremosHalófilosextremos

MethanosarcinaMethanosarcina

ThermococcusThermococcus

PyrodictiumPyrodictium

ThermoproteusThermoproteus

MethanobacteriumMethanobacterium

Árbol filogenético Universal (Woese et al., 1990)

Característica Bacteria Archaea EukariaDNA circular Presente Presente Ausente

Núcleo encerrado en una membrana

Ausente Ausente Presente

Pared celular Ácido murámicoAusencia del

ácido murámicoAusencia del

ácido murámico

Lípidos de membrana Uniones éster Uniones éter Uniones éster

RNA polimerasas 1 (4 subunidades)Varias (de 8 a 12 subunidades c/u)

3 (de 12 a 14 subunidades c/u)

Sensibilidad al cloramfenicol, estreptomicina y kanamicina

Sí No No

Metanogénesis No Sí No

Reducción de S0 a H2S Sí Sí No

Desnitrificación Sí Sí No

Quimiolitotrofía (Fe, S, H2) Sí Sí No

Características diferenciadoras delos tres dominios (Madigan et al., 1998)

Planctomycetales (4)

Methanopyrales (1)Archaeoglobales (2)

Thermococcales (2)

Thermoplasmatales (2)Halobacteriales (15)

Methanobacteriales (5)Methanomicrobiales (9)

Methanosarcinales (7)

Sulfolobales (6)

Desulfurococcales (11)

0.1

ARCHAEA

BACTERIAActinomycetales (123) :124

: 60: 161: 52{

Methanococcales (4)

Deferribacterales (4)

Nitrospirales (4)

Chrysiogenales (1) Proteobacteria (397)

Halanaerobiales (10)

Lactobacillales (28)Cyanobacteria

(56)Mollicutes (12)Bacillales (31)

Clostridiales (77)Thermales (2)

Deinococcales (1)Chloroflexales (5)

Thermomicrobiales (1)

Bacteroidetes (51)

-Proteobacteria (6)

Chlorobiales (5)Spirochaetales (13)

Thermoanaerobacteriales (7)Dictyoglomales (1)

Thermotogales (5)

Aquificales (5)

Thermoproteales (5)



Thermococcales (2)




Sulfolobales (6)


0.1

ARCHAEA


: 60: 161: 52{

Methanococcales (4)


Nitrospirales (4)








Bacteroidetes (51)

-Proteobacteria (6)



Thermotogales (5)

Aquificales (5)

Thermoproteales (5)

Aerobios / Anaerobios facultativos o estrictos

Aerobios Anaerobios facultativos Anaerobios



Thermococcales (2)




Sulfolobales (6)


0.1

ARCHAEA


: 60: 161: 52{

Methanococcales (4)


Nitrospirales (4)








Bacteroidetes (51)

-Proteobacteria (6)



Thermotogales (5)

Aquificales (5)

Thermoproteales (5)



Thermococcales (2)




Sulfolobales (6)


0.1

ARCHAEA


: 60: 161: 52{

Methanococcales (4)


Nitrospirales (4)








Bacteroidetes (51)

-Proteobacteria (6)



Thermotogales (5)

Aquificales (5)

Thermoproteales (5)

Grupos tróficos de procariotas

Foto autotrofosFoto autotrofos Foto hétérotrofosFoto hétérotrofos Quimio autotrofosQuimio autotrofos Quimio hétérotrofosQuimio hétérotrofos



Thermococcales (2)




Sulfolobales (6)


0.1

ARCHAEA


: 60: 161: 52{

Methanococcales (4)


Nitrospirales (4)








Bacteroidetes (51)

-Proteobacteria (6)



Thermotogales (5)

Aquificales (5)

Thermoproteales (5)



Thermococcales (2)




Sulfolobales (6)


0.1

ARCHAEA


: 60: 161: 52{

Methanococcales (4)


Nitrospirales (4)








Bacteroidetes (51)

-Proteobacteria (6)



Thermotogales (5)

Aquificales (5)

Thermoproteales (5)

Ciclo del carbono

Fermentadores sintrofos Metanogenos



Thermococcales (2)




Sulfolobales (6)


0.1

ARCHAEA


: 60: 161: 52{

Methanococcales (4)


Nitrospirales (4)








Bacteroidetes (51)

-Proteobacteria (6)



Thermotogales (5)

Aquificales (5)

Thermoproteales (5)



Thermococcales (2)




Sulfolobales (6)


0.1

ARCHAEA


: 60: 161: 52{

Methanococcales (4)


Nitrospirales (4)








Bacteroidetes (51)

-Proteobacteria (6)



Thermotogales (5)

Aquificales (5)

Thermoproteales (5)

Ciclo del Nitrógeno

fijadores de N2

Nitrificantes Desnitrificantes



Thermococcales (2)




Sulfolobales (6)


0.1

ARCHAEA


: 60: 161: 52{

Methanococcales (4)


Nitrospirales (4)








Bacteroidetes (51)

-Proteobacteria (6)



Thermotogales (5)

Aquificales (5)

Thermoproteales (5)



Thermococcales (2)




Sulfolobales (6)


0.1

ARCHAEA


: 60: 161: 52{

Methanococcales (4)


Nitrospirales (4)








Bacteroidetes (51)

-Proteobacteria (6)



Thermotogales (5)

Aquificales (5)

Thermoproteales (5)

Ciclo del azufre

Sulfo-oxidantes Sulfo-reductores Thiosulfato-

reductores Sulfato-reductores



Thermococcales (2)




Sulfolobales (6)


0.1

ARCHAEA


: 60: 161: 52{

Methanococcales (4)


Nitrospirales (4)








Bacteroidetes (51)

-Proteobacteria (6)



Thermotogales (5)

Aquificales (5)

Thermoproteales (5)



Thermococcales (2)




Sulfolobales (6)


0.1

ARCHAEA


: 60: 161: 52{

Methanococcales (4)


Nitrospirales (4)








Bacteroidetes (51)

-Proteobacteria (6)



Thermotogales (5)

Aquificales (5)

Thermoproteales (5)

Procariotas terrestres



Thermococcales (2)




Sulfolobales (6)


0.1

ARCHAEA


: 60: 161: 52{

Methanococcales (4)


Nitrospirales (4)








Bacteroidetes (51)

-Proteobacteria (6)



Thermotogales (5)

Aquificales (5)

Thermoproteales (5)



Thermococcales (2)




Sulfolobales (6)


0.1

ARCHAEA


: 60: 161: 52{

Methanococcales (4)


Nitrospirales (4)








Bacteroidetes (51)

-Proteobacteria (6)



Thermotogales (5)

Aquificales (5)

Thermoproteales (5)

Procariotas patógenos



Thermococcales (2)




Sulfolobales (6)


0.1

ARCHAEA


: 60: 161: 52{

Methanococcales (4)


Nitrospirales (4)








Bacteroidetes (51)

-Proteobacteria (6)



Thermotogales (5)

Aquificales (5)

Thermoproteales (5)



Thermococcales (2)




Sulfolobales (6)


0.1

ARCHAEA


: 60: 161: 52{

Methanococcales (4)


Nitrospirales (4)








Bacteroidetes (51)

-Proteobacteria (6)



Thermotogales (5)

Aquificales (5)

Thermoproteales (5)

Principales procariotas patógenos de alimentos

Campylobacter jejuni: diarreas

Campylobacter jejuni: diarreas

Clostridium botulinum: botulismo

Clostridium botulinum: botulismo

Listeria monocytogenes: listeriosis

Staphylococcus aureus: intoxicaciones

Listeria monocytogenes: listeriosis

Staphylococcus aureus: intoxicaciones

Escherichia coli : diarreas

Shigella spp. : diarreas

Salmonella spp.: salmonelosis

Yersinia enterocolitica: yersiniosis

Vibrio vulnificus: gastroenteritis

Escherichia coli : diarreas

Shigella spp. : diarreas

Salmonella spp.: salmonelosis

Yersinia enterocolitica: yersiniosis

Vibrio vulnificus: gastroenteritis

Bacteria ArchaeaAerotolerantes Bacterias del ácido láctico

Obligadas

Clostridios

Homoacetogénicas

Bacterias intestinales

Sulfatoreductoras

Extremófilas

Metanogénicas

Extremófilas

Grupos representativos de las bacterias anaerobias

Característica clave Otras características Especies

I. Fermentadores de carbohidratos

Fermentan celulosa Productos de fermentación: acetato, lactato, succinato, etanol, CO2 e H2

C. cellobioparum

C. thermocellum

Fermentan azúcares, almidón y pectina

Productos de fermentación: acetona, butanol, etanol, isopropanol, butirato, acetato, propionato, succinato, CO2, H2; algunos fijan N2

C. butyricum

C. acetobutylicum

C. pasteurianum

C. perfringens

C. thermosulfurogenes

Fermentan principalmente azúcares a ácido acético

Células anulares que forman cadenas helicoidales que giran hacia la izquierda

C. aceticum

C. thermoaceticum

Fermentan únicamente pentosas o metil pentosas

Productos de fermentación: acetato, propionato, n-propanol, CO2 e H2

C. formioaceticum

C. metylpentosum

II. Fermentadores de proteínasProductos de fermentación: acetato, otros ácidos grasos, NH3, CO2, a veces H2; algunos también fermentan azúcares hasta butirato y acetato; pueden producir exotoxinas

C. sporogenes

C. tetani

C. botulinum

C. tetanomorphum

C. propionicum

III. Fermentadores de carbohidratos o aminoácidos

Productos de fermentación: acetato, formiato y pequeñas cantidades de isobutirato e isovalerato

C. bifermentans

IV. Fermentadores de purinas Fermentan ácido úrico y otras purinas formando acetato, CO2 y NH3 C. acidurici

V. Fermentadores de etanol a ácidos grasos

Producen butirato, coproato e H2; requieren acetato como aceptor de electrones; no utiliza azúcares, aminoácidos o purinas

C. kluyveri

Características del género Clostridium(Madigan et al., 1998)

Contribución Productos del metabolismo

Síntesis de vitaminasProducción de tiamina, riboflavina, piridoxina, B12 y K

Producción de gas Producción de CO2, CH4, H2

Producción de olorProducción de H2S, NH3, aminas, indol, escatol y ácido butírico

Producción de ácidos orgánicos

Producción de acético, propiónico y butírico

Reacciones de glicosidasasEnzimas: -glucoronidasa, y -galactosidasa, y -glucosidasa

Metabolismo esteroideProceso: esterificación, deshidroxilación, oxidación, reducción, inversión

Contribuciones bioquímicas/metabólicas de los microorganismos intestinales

(Madigan et al., 1998)

I. La síntesis de acetato es el resultado del metabolismo energético

Acetoanaerobium noterae

Acetobacterium woodii

Acetobacterium wieringae

Acetogenium kivui

Acetitomaculum ruminis

Desulfotomaculum orientis

Sporomusa paucivorans

Eubacterium limosum

II. Síntesis de acetato en el metabolismo autotrófico

Bacterias homoacetogénicas autotróficas

Bacterias reductoras de sulfato autotróficas

Bacterias homoacetogénicas (Madigan et al., 1998)

Bacterias Sulfato-reductoras

SO42-

S0

S0

H2S

SH Gruposde proteínas

Reducción asimilatoriadel sulfato

SH Gruposde proteínas

Reducción desasimilatoria del sulfato

Reducción asimilatoriadel sulfato

Desulfuración

Desulfuración

Ciclo rédox para el azufre (Madigan et al., 1998)

Género Morfología GramEspecies

reportadas

Desulforidinay otras

características

Grupo I. Reductores de sulfato: no oxidantes de acetatoDesulfovibrioDesulfomicrobiumDesulfobotulusDesulfotomaculumDesulfomonileDesulfobaculaDesulfobulbusThermodesulfobacterium

Bacilos curvosBacilos móvilesVibriosBacilos rectos o curvosBacilosOvales o cocosOvoides Bacilos

--------

142141131

+------+

Grupo II. Reductores de sulfato: oxidantes de acetatoDesulfobacterDeulfobacteriumDesulfococcusDesulfonemaDesulfosarcinaDesulfoarculusDesulfacinumDesulforhabdusThermodesulforhabdus

BacilosBacilosCocosFilamentosCocos en paquetesVibriosCocos u ovalesBacilosBacilos

---+-----

432211111

--++-----

Algunas características de las bacterias reductoras de sulfato (Madigan et al., 1998)

Bacterias Metanogénicas

Methanospirillum hungatii

Compuestos orgánicos complejos

Carbohidratos, proteínas, lípidos

Compuestos orgánicos simples

Azucares, aminoácidos, péptidos

Ácidos grasos de cadena larga

(propionato, butirato, etc.)

CH4, CO2

AcetatoH2, CO2

Hidrólisis

Acidogénesis

17%13%

72%28%

10% 35%

20%5%

Metanogénesis

M. barkeri

N

NH

N

CH2 C C C CH2

O P O C C NH

CH

CH2

CH2

C

NH

CH

CH2

CH2

OHOHOH

OH O

OH

O

O

CH3 O COO-

O

COO-

COO-

N

NH

N

R

OH O

OH H

2 H+

2 e-

Coenzima F420

Coenzimas únicas para las arqueas metanógenas (Madigan et al., 1998)

Transportador de e-

Coenzima F430


N

N

CH2

CH2

COO-

N

N

CH2

NH

O

CH2

COO-

CH2

CH2

COO-

CH3

O

CH3

CH2

H2NOC

CH2

-OOC

Ni+

CH2

COO-

O

CH2

NH2

CH2

O CH2

CH2

NH

C

O

CH2

CH2

CH

COO-

CH

COO-

CH2

CH2

COO-

3

Metanofurano

Transportador de e-

Transportador de C1

Metanopterina


Coenzima M

NH

N NH

NH

CH3

CH3

CH

NH CH2

CH

OH

CH2

O O

OH OH

CH2

O P O CH

COO-

CH2

CH2

COO-

NH2

3

O

O

O

SH CH2

CH2

S

O

O

O

Transportador de C1

Transportador de C1

Sustratos tipo CO2

Dióxido de carbono (con electrones derivados de H2, algunos alcoholes o piruvato)Formiato (HCOO-)Monóxido de carbono (CO)

Sustratos de metiloMetanol (CH3OH)Metilamina (CH3NH3

+)Dimetilamina [(CH3)2NH2

+]Trimetilamina [(CH3)3NH+]Metilmercaptano (CH3SH)Dimetilsulfuro [(CH3)2S]

Sustratos acetotróficosAcetato (CH3COO-)

Sustratos convertibles a metano(Madigan et al., 1998)

Género Morfología GramEspecies

reportadasSustratos

Grupo IMethanobacteriumMethanobrevibacterMethanosphaeraMethanothermus

Bacilos alargadosBacilos cortosCocosBacilos

+ ó –+++

13312

H2 + CO2 y formiatoH2 + CO2 y formiatoMetanol + H2

H2 + CO2

Grupo IIMethanococcusMethanomicrobiumMethanogeniumMethanospirillumMethanoplanusMethanoculleus

MethanocorpusculumMethanolacinia

Cocos irregularesBacilos cortosCocos irregularesEspiralCélulas en forma de placaCocos irregulares en agregadosCocos irregularesCocos grandes

------

--

724124

51

H2 + CO2 y formiatoH2 + CO2 y formiatoH2 + CO2 y formiatoH2 + CO2 y formiatoH2 + CO2 y formiatoH2 + CO2 y formiato

H2 + CO2 y formiatoH2 + CO2

Grupo IIIMethanosarcina

MethanolobusMethanohalobiumMethanococoidesMethahalophilusMethanotrix (Methanosaeta)

Cocos grandes e irregulares en paquetesCocos irregularesCocos irregularesCocos irregularesCocos irregularesBacilos alargados o filamentos

+

-----

6

31242

Acetato, Metanol, Mono, di ó trimetil aminasMetanol, mono, di ó trimetil aminasMetanol, mono, di y trimetil aminasMetanol, mono, di y trimetil aminasMetanol, mono, di y trimetil aminasAcetato

Algunas características de las bacterias metanogénicas (Holt et al., 1994)

Bacterias nitrificantes y desnitrificantes

Nitrosomonas Pseudomonas

N2

NO2-

NH3

Grupos de proteínas

NO, N2O

Asimilación

Ciclo del nitrógeno

N2

Óxico

Anóxico

NH2Asimilación

Nitrificación

Desnitrificación

Amonificación

NH2

Grupos de proteínas

Amonificación

Asimilación

NO2-

NO3-

ANAMMOX

Fijación de nitrogeno

Procesos clave y procariotas en el ciclo del nitrógeno

procesos organismos

Nitrificación (NH4+NO3

-)

NH4+NO2

-

NO2+NO3

-

Nitrosomonas

Nitrobacter

Desnitrificación Bacillus, Paracoccus, Pseudomonas

Fijación de N2 (N2+8HNH3+H2)

Vida libre

Aerobia

Anaerobia

Simbiótica

Azotobacter

Cianobacterias

Clostridium, Bacterias fototróficas rojas y verdes

Rhizobium, Bradyrhizobium, Frankia

Amonificación (N orgánico NH4+) Pueden hacerlo muchos

microorganismos

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