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La "microbiología ambiental" vuelve a dirigir aquí. Para la revista, consulte Environmental Microbiology (revista) .
La gran anomalía del recuento de platos. Los recuentos de células obtenidas mediante cultivo son órdenes de magnitud más bajas que las que se observan directamente al microscopio. Esto se debe a que los microbiólogos pueden cultivar solo una minoría de microbios naturales utilizando las técnicas de laboratorio actuales, dependiendo del medio ambiente. [1]

La ecología microbiana (o microbiología ambiental ) es la ecología de los microorganismos : su relación entre sí y con su entorno. Se refiere a los tres dominios principales de la vida: eucariotas , arqueas y bacterias , así como a los virus . [2]

Los microorganismos, por su omnipresencia, impactan en toda la biosfera . La vida microbiana juega un papel principal en la regulación de los sistemas biogeoquímicos en prácticamente todos los entornos de nuestro planeta, incluidos algunos de los más extremos , desde entornos congelados y lagos ácidos, hasta respiraderos hidrotermales en el fondo de los océanos más profundos, y algunos de los más familiares, como como el intestino delgado humano . [3] [4] Como consecuencia de la magnitud cuantitativa de la vida microbiana (calculada como5,0 x 10 30 células; ocho órdenes de magnitud mayor que el número de estrellas en el universo observable [5] [6] ) los microbios, en virtud de su biomasa solamente, constituyen un sumidero de carbono significativo . [7] Aparte de la fijación de carbono, los procesos metabólicos colectivos clave de los microorganismos (incluida la fijación de nitrógeno , el metabolismo del metano y el metabolismo del azufre ) controlan el ciclo biogeoquímico global. [8] La inmensidad de la producción de microorganismos es tal que, incluso en la ausencia total de vida eucariota, estos procesos probablemente continuarían sin cambios. [9]

Historia [ editar ]

Si bien los microbios se han estudiado desde el siglo XVII, esta investigación se realizó desde una perspectiva principalmente fisiológica más que ecológica. [10] Por ejemplo, Louis Pasteur y sus discípulos estaban interesados ​​en el problema de la distribución microbiana tanto en tierra como en el océano. [11] Martinus Beijerinck inventó el cultivo de enriquecimiento , un método fundamental para estudiar microbios del medio ambiente. A menudo se le atribuye incorrectamente el encuadre de la idea biogeográfica microbiana de que "todo está en todas partes, pero el medio ambiente selecciona", como lo afirmó Lourens Baas Becking . [12] Sergei Winogradskyfue uno de los primeros investigadores en intentar comprender los microorganismos fuera del contexto médico, lo que lo convirtió en uno de los primeros estudiantes de ecología microbiana y microbiología ambiental, descubriendo la quimiosíntesis y desarrollando la columna Winogradsky en el proceso. [13] : 644

Beijerinck y Windogradsky, sin embargo, se centraron en la fisiología de los microorganismos, no en el hábitat microbiano o sus interacciones ecológicas. [10] La ecología microbiana moderna fue lanzada por Robert Hungate y sus colaboradores, quienes investigaron el ecosistema del rumen . El estudio del rumen requirió que Hungate desarrollara técnicas para cultivar microbios anaeróbicos, y también fue pionero en un enfoque cuantitativo para el estudio de los microbios y sus actividades ecológicas que diferenciaron las contribuciones relativas de las especies y las vías catabólicas . [10]

El progreso en la ecología microbiana se ha relacionado con el desarrollo de nuevas tecnologías. La medición de las velocidades de los procesos biogeoquímicos en la naturaleza fue impulsada por la disponibilidad de radioisótopos a partir de la década de 1950. Por ejemplo, el 14 CO 2 permitió el análisis de las tasas de fotosíntesis en el océano (ref). Otro avance significativo se produjo en la década de 1980, cuando se desarrollaron microelectrodos sensibles a especies químicas como el O2. [14] Estos electrodos tienen una resolución espacial de 50 a 100 μm y han permitido el análisis de la dinámica biogeoquímica espacial y temporal en esteras y sedimentos microbianos.

Aunque la medición de las velocidades de los procesos biogeoquímicos podía analizar qué procesos estaban ocurriendo, estaban incompletas porque no proporcionaban información sobre qué microbios específicos eran responsables. Se sabía desde hace mucho tiempo que las técnicas de cultivo "clásicas" recuperaban menos del 1% de los microbios de un hábitat natural. Sin embargo, a partir de la década de 1990, ha evolucionado un conjunto de técnicas independientes del cultivo para determinar la abundancia relativa de microbios en un hábitat. Carl Woese demostró por primera vez que la secuencia de la molécula de ARN ribosómico 16S podría usarse para analizar las relaciones filogenéticas. Ritmo normativotomó esta idea fundamental y la aplicó para analizar "quién está allí" en entornos naturales. El procedimiento implica (a) aislamiento de ácidos nucleicos directamente de un entorno natural, (b) amplificación por PCR de secuencias de genes de ARNr de subunidades pequeñas, (c) secuenciación de amplicones y (d) comparación de esas secuencias con una base de datos de secuencias de cultivos puros y ADN ambiental. [15] Esto ha proporcionado una gran comprensión de la diversidad presente dentro de los hábitats microbianos. Sin embargo, no resuelve cómo vincular microbios específicos a su función biogeoquímica. La metagenómica , la secuenciación del ADN total recuperado de un entorno, puede proporcionar información sobre el potencial biogeoquímico, [16] mientras que la metatranscriptómica yLa metaproteómica puede medir la expresión real del potencial genético, pero sigue siendo técnicamente más difícil. [17]

Roles [ editar ]

Los microorganismos son la columna vertebral de todos los ecosistemas , pero más aún en las zonas donde la fotosíntesis no puede tener lugar debido a la ausencia de luz. En tales zonas, los microbios quimiosintéticos proporcionan energía y carbono a los otros organismos. Estos organismos quimiotróficos también pueden funcionar en entornos que carecen de oxígeno mediante el uso de otros aceptores de electrones para su respiración.

Otros microbios son descomponedores , con la capacidad de reciclar nutrientes de los productos de desecho de otros organismos. Estos microbios juegan un papel vital en los ciclos biogeoquímicos. [18] El ciclo del nitrógeno , el ciclo del fósforo , el ciclo del azufre y el ciclo del carbono dependen de los microorganismos de una forma u otra. Por ejemplo, el gas nitrógeno que constituye el 78% de la atmósfera terrestre no está disponible para la mayoría de los organismos, hasta que se convierte en una forma biológicamente disponible mediante el proceso microbiano de fijación de nitrógeno .

Debido al alto nivel de transferencia horizontal de genes entre las comunidades microbianas, [19] la ecología microbiana también es importante para los estudios de evolución . [20]

Simbiosis [ editar ]

Los microbios, especialmente las bacterias, a menudo mantienen relaciones simbióticas ( positivas o negativas ) con otros microorganismos u organismos más grandes. Aunque físicamente pequeñas, las relaciones simbióticas entre microbios son importantes en los procesos eucariotas y su evolución. [21] [22] Los tipos de relaciones simbióticas en las que participan los microbios incluyen mutualismo , comensalismo , parasitismo , [23] y amensalismo, [24] y estas relaciones afectan el ecosistema de muchas maneras.

Mutualismo [ editar ]

El mutualismo en la ecología microbiana es una relación entre las especies microbianas y los humanos que permite que ambas partes se beneficien. [25] Un ejemplo sería la sintrofia , también conocida como alimentación cruzada, [24] de la cual ' Methanobacterium omelianskii ' es un ejemplo clásico. [26] [27] Este consorcio está formado por un organismo fermentador de etanol y un metanógeno . El organismo fermentador de etanol proporciona al socio arqueológico el H 2 , que este metanógeno necesita para crecer y producir metano. [21] [27]Se ha planteado la hipótesis de que la sintrofia desempeña un papel importante en entornos con limitaciones de energía y nutrientes, como el subsuelo profundo, donde puede ayudar a la comunidad microbiana con diversas propiedades funcionales a sobrevivir, crecer y producir la máxima cantidad de energía. [28] [29] La oxidación anaeróbica del metano (AOM) se lleva a cabo mediante un consorcio mutualista de una bacteria reductora de sulfato y una arqueona anaeróbica oxidante de metano . [30] [31] La reacción utilizada por el socio bacteriano para la producción de H 2 es endergónica (y, por lo tanto, termodinámicamente desfavorecida), sin embargo, cuando se acopla a la reacción utilizada por el socio arqueal, la reacción general se vuelveexergónico . [21]  Por lo tanto, los dos organismos están en una relación mutualista que les permite crecer y prosperar en un ambiente, mortal para cualquiera de las especies por sí solas. El liquen es un ejemplo de organismo simbiótico. [27]

Comensalismo [ editar ]

El comensalismo es muy común en el mundo microbiano, literalmente significa "comer de la misma mesa". [32] Los productos metabólicos de una población microbiana son utilizados por otra población microbiana sin beneficio ni daño para la primera población. Hay muchos "pares" de especies microbianas que realizan reacciones de oxidación o reducción a la misma ecuación química. Por ejemplo, los metanógenos producen metano al reducir el CO 2 a CH 4 , mientras que los metanótrofos oxidan el metano de nuevo a CO 2 . [33]

Amensalismo [ editar ]

El amensalismo (también conocido comúnmente como antagonismo) es un tipo de relación simbiótica en la que una especie / organismo se ve perjudicado mientras que el otro no se ve afectado. [25] Un ejemplo de esta relación que tiene lugar en la ecología microbiana es entre la especie microbiana Lactobacillus casei y Pseudomonas taetrolens . [34] Cuando coexiste en un medio ambiente, Pseudomonas taetrolens muestra inhibición del crecimiento y disminución de la producción de ácido lactobiónico (su producto principal) probablemente debido a los subproductos creados por Lactobacillus casei durante su producción de ácido láctico. [35] Sin embargo, Lactobacillus casei no muestra diferencia en su comportamiento, por lo que esta relación puede definirse como amensalismo.

Gestión de recursos microbianos [ editar ]

La biotecnología se puede utilizar junto con la ecología microbiana para abordar una serie de desafíos ambientales y económicos . Por ejemplo, se pueden utilizar técnicas moleculares como la toma de huellas dactilares de la comunidad o la metagenómica para rastrear los cambios en las comunidades microbianas a lo largo del tiempo o evaluar su biodiversidad . La gestión del ciclo del carbono para secuestrar el dióxido de carbono y prevenir el exceso de metanogénesis es importante para mitigar el calentamiento global , y las perspectivas de la bioenergía se están ampliando con el desarrollo de pilas de combustible microbianas . La gestión de recursos microbianos aboga por una actitud más progresista haciaenfermedad , por lo que los agentes de control biológico se ven favorecidos sobre los intentos de erradicación. Los flujos en las comunidades microbianas deben caracterizarse mejor para que se realice el potencial de este campo. [36] Además, también hay implicaciones clínicas, ya que las simbiosis microbianas marinas son una fuente valiosa de agentes antimicrobianos nuevos y existentes y, por lo tanto, ofrecen otra línea de investigación en la carrera armamentista evolutiva de la resistencia a los antibióticos , una preocupación apremiante para los investigadores. [37]

En el entorno construido y la interacción humana [ editar ]

Artículo principal: microbiota humana

Los microbios existen en todas las áreas, incluidos hogares, oficinas, centros comerciales y hospitales. En 2016, la revista Microbiome publicó una colección de varios trabajos que estudian la ecología microbiana del entorno construido . [38]

Un estudio de 2006 de bacterias patógenas en hospitales encontró que su capacidad para sobrevivir variaba según el tipo, y algunas sobrevivían solo unos pocos días mientras que otras sobrevivían meses. [39]

La vida útil de los microbios en el hogar varía de manera similar. Generalmente, las bacterias y los virus requieren un ambiente húmedo con una humedad superior al 10 por ciento. [40] La E. coli puede sobrevivir desde unas pocas horas hasta un día. [40] Las bacterias que forman esporas pueden sobrevivir más tiempo, y Staphylococcus aureus puede sobrevivir durante semanas o, en el caso de Bacillus anthracis , años. [40]

En el hogar, las mascotas pueden ser portadoras de bacterias; por ejemplo, los reptiles son comúnmente portadores de salmonella. [41]

S. aureus es particularmente común y coloniza asintomáticamente alrededor del 30% de la población humana; [42] los intentos de descolonizar a los portadores han tenido un éxito limitado [43] y generalmente involucran mupirocina por vía nasal y lavado con clorhexidina , potencialmente junto con vancomicina y cotrimoxazol para tratar las infecciones intestinales y del tracto urinario. [44]

Antimicrobianos [ editar ]

Algunos metales, particularmente el cobre y la plata, tienen propiedades antimicrobianas. El uso de superficies táctiles antimicrobianas de aleación de cobre es una técnica que se ha comenzado a utilizar en el siglo XXI para prevenir la transmisión de bacterias. [45] Las nanopartículas de plata también han comenzado a incorporarse en las superficies y telas de los edificios, aunque se han planteado preocupaciones sobre los posibles efectos secundarios de las diminutas partículas en la salud humana. [46]

Ver también [ editar ]

  • Biogeografía microbiana
  • Bucle microbiano
  • Esquema de la ecología
  • Sociedad Internacional de Ecología Microbiana
  • El diario ISME

Referencias [ editar ]

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