Los microbios y la biotecnología Opción F

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1 Los microbios y la biotecnología Opción F 2ª Parte: Los microbios y el medioambiente Tema 8 de Biología NS Diploma BI Curso Opción Microbiología 1/27

2 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?

3 Relaciones entre los microorganismos y el hombre Opción Microbiología 2/27

4 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.. Opción Microbiología 3/27

5 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 N 2 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. Opción Microbiología 4/27

6 Funciones de los microbios en los ecosistemas Opción Microbiología 5/27

7 Rotule un esquema del ciclo del nitrógeno NH 3 Bacterias nitrificantes Bacterias nitrificantes Opción Microbiología 6/27

8 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 Opción Microbiología 7/27

9 Ciclo del nitrógeno 1. Fijación biológica del nitrógeno mediante la simbiosis leguminosas-rhizobium (bacteria) y por otras bacterias, comoazotobacter, de vida libre en el suelo. - Rhizobium crea un nódulo en las raíces de las leguminosas donde fija el N 2 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 N 2 atmosférico en el suelo en forma de amoniaco. Opción Microbiología 8/27

10 Ciclo del nitrógeno 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 N 2 y el H 2 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 (NH 3 ). Opción Microbiología 9/27

11 Ciclo del nitrógeno 3. Nitrificación: Proceso mediado por dos bacterias del suelo que actúan de forma sucesiva. - LasNitrosomonas convierten el amoniaco (NH 3 ) en nitrito (NO 2- ). - La bacterianitrobacter convierte el nitrito (NO 2- ) en nitrato (NO 3- ). Video1 Opción Microbiología 10/27

12 Ciclo del nitrógeno 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. Opción Microbiología 11/27

13 Ciclo del nitrógeno 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. Opción Microbiología 12/27

14 Ciclo del nitrógeno 8. Desnitrificación: Las bacterias como Pseudomonas denitrificans eliminan los nitratos del suelo y producen N 2 gas de vuelta a la atmósfera. Opción Microbiología 13/27

15 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. Opción Microbiología 14/27

16 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. Opción Microbiología 15/27

17 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.. Opción Microbiología 16/27

18 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. Opción Microbiología 17/27

19 Consecuencias de liberar aguas sin depurar 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. Opción Microbiología 18/27

20 Consecuencias de liberar aguas sin depurar Video2 Opción Microbiología 19/27

21 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. Opción Microbiología 20/27

22 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. Opción Microbiología 21/27

23 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 O 2 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 Opción Microbiología 22/27

24 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 CO 2. Opción Microbiología 23/27

25 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 (60-70%) y CO 2 (30-40%). Opción Microbiología 24/27

26 Generación de metano a partir de biomasa 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 H 2, CO 2 y acetato. - Producción de metano por bacterias metanogénicas mediante la reacción del dióxido de carbono y del hidrógeno o por descomposición del acetato. Opción Microbiología 25/27

27 Generación de metano a partir de biomasa Ciertas condiciones deben mantenerse constantes en el fermentador: - Ausencia de oxígeno. - Temperatura constante de 35 ºC. - ph no ácido. Opción Microbiología 26/27

28 Generación de metano a partir de biomasa Se precisan ciertos grupos de bacterias para completar la metanogénesis: - 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. Video4 - Por último, bacterias metanogénicas para generar el metano, bien mediante la reacción del dióxido de carbono y del hidrógeno o por descomposición del acetato. Opción Microbiología 27/27