2. principios y conceptos introducción a la ecología microbiana

UNIDAD I. INTRODUCCIÓN A
LA ECOLOGÍA MICROBIANA

PROGRAMA DE ESTUDIO DE TEORÍA
UNIDAD I. Introducción a la Ecología Microbiana
CONTENIDO
1. Presentación
2. Conceptos Generales
3. Origen e Importancia
4. Relación con Otras Disciplinas
5. Situación Actual en México
6. Estudios Autoecológicos
7. Estudios Sinecológicos
8. Modelos y sus Aplicaciones
ECOLOGÍA MICROBIANA. ENCB. IPN.

ECOLOGÍA
La Ecología es la disciplina científica que
trata, de forma dinámica, las
interacciones entre las poblaciones y su
ambiente pasado, presente, y futuro.

Esas relaciones incluyen:
a) Las respuestas ecofisiológicas de los individuos,
b) La estructura y dinámica de las poblaciones,
c) La organización biológica de las comunidades,
d) El flujo de energía y materiales en los ecosistemas a
diferentes escalas, desde la local a la global.

La Ecología se puede
entonces conceptualizar
como:
“el estudio científico de las
interacciones que regulan la
distribución y la abundancia
de los organismos en su
ambiente”

En estos términos, la Ecología se interesa
donde, en que cantidad y por qué están
presentes los organismos

Columna de Winogradsky
Por ejemplo: en una
columna de
Winogradsky: la
distribución de los
microorganismos
depende la
concentración de
oxigeno y de ácido
sulfhídrico, y
longitud de luz.
Ecología Microbiana
O2
H2S

Ecósfera
Zonas de todos los
sistemas planetarios
universales en las que
podría prosperar vida,
semejante a la que
conocemos en los niveles
terrestres.
Gadowski (Astrónomo ruso)

Biósfera (=Ecósfera)
Las regiones de la Tierra en
donde hay vida, es el
sistema material formado
por el conjunto de los seres
vivos propios del planeta
Tierra, junto con el medio
físico que les rodea y que
ellos contribuyen a
conformar, o es el conjunto
de la litósfera, hidrósfera y la
atmósfera (del fundo de mar
al 10 mil km de atmosfera).

Ecósfera/Biósfera
El único lugar del
universo en el que
podemos asegurar
que exista vida es
el planeta Tierra,
por lo tanto los
términos Ecósfera
y Biósfera se
pueden utilizar
como sinónimos.

La Parabiosfera representa
aquellas áreas marginales del
planeta en las cuales no es posible
la vida en forma permanente. Está
representada por zonas
geográficas diferenciadas en las
que el desarrollo de una vida
organizada es poco probable,
como ejemplos están los polos,
desiertos, grandes alturas y
profundidades marinas. En estas
zonas la continuidad entre los
ecosistemas no es posible.
Parabiósfera

atmósfera
hidrósfera
litósfera
Ecósfera/Biósfera
Está sustentada por tres soportes físicos: la atmósfera, la
hidrósfera y la litósfera

Especie
En el contexto de la Ecología, una especie es
el subconjunto de todos los individuos
genéticamente iguales (o muy similares), sin
considerar si interactúan o no.

población microbianapoblación macrobiana
Población
Grupo de organismos de la misma
especie que vive en un ecosistema en un
momento específico

comunidad microbianacomunidad macrobiana
Comunidad
Conjunto de poblaciones interactuantes

Son las condiciones físicas, químicas,
nutricionales (factores abióticos) y
biológicas (factores bióticos) que
caracterizan un espacio-tiempo dado.
factores abióticos
factores bióticos
Katan, J. 1980.Solar
pasteurization of soil
for disease control:
Papaya inoculated with papaya ringspot
virus from Hawaii.

Espacio físico
habitable.
Un espacio cualquiera en donde el ambiente permite
cualquier forma de vida, constituye un hábitat.

Hábitat y habitantes
Un hábitat puede estar:
¡VACÍO!

habitado por un individuo …

habitado por una población o…

habitado por una comunidad.

Las dimensiones de un hábitat están definidas por el
tamaño del habitante.

Hiperespacio* en donde una población
crece.
 una población puede formar más de un nicho,
como consecuencia de su adaptabilidad al
ambiente.
* Espacio-tiempo en el que influyen n variables haciéndolo multidimensional.
En el ecosistema:
 un nicho puede ser formado por más de una
especie, en espacios o tiempos diferentes.
 cada función en un ecosistema puede ser
realizada por más de una población, cada una
formando su nicho.

Sistema constituido por organismos y
el conjunto de factores físicos que
integran el ambiente que les rodea.
A. Tansley.
Conjunto de organismos y su ambiente
inerte interactuando entre sí.
E.P. Odum.

Estructura funcional auto-sustentada
por las interacciones entre poblaciones
independientes, en un espacio-tiempo
dado.
Ecosistema macrobiano Ecosistema microbiano

Las dimensiones de un ecosistema están
dados por los flujos de energía y los
ciclos biogeoquímicos bajo conside-
ración.
La sustentabilidad
se logra por el
continuo flujo de
energía a través
del ecosistema que
impulsa el
constante recicla-
miento de materia
en su interior.

Ecosistema: componentes
El ecosistema se puede
conceptualizar también,
como el conjunto formado
por:
un componente biótico o
biocenosis, parte
animada de un
ecosistema,
y un componente abiótico
o biotopo, parte
inanimada de un
ecosistema.

Ecosistema
Los componentes
bióticos son los que
tienen vida (bios:
vida). Comprenden a
todos los seres vivos:
vegetales, ani-males,
microorganis-mos

Ecosistema
Por su parte, los componentes abióticos son los que no tienen vida, son
inertes (a: sin, bios: vida). Los componentes forman parte de los factores
abióticos. Entre los componentes tenemos el agua, el aire, la tierra y la
luz. Algunos de los factores son los edáficos, los topográficos y los
climáticos.

Ecosistema
La biocenosis se define
como la comunidad de
organismos vegetales (fi-
tocenosis), animales (zoo-
cenosis) y de microorga-
nismos (microbiocenosis),
que se desarrollan en un
hábitat determinado.

Ecosistema
Todos los animales, vegetales y
microorganismos que viven en un
determinado hábitat forman un
biosistema.
Sus relaciones de
dependencia, alimenta-
ción y desarrollo for-man
comunidades que llevan
el nombre de
biocenosis.
Una biocenosis es,
pues, todos los seres
vivos que coexisten en
un hábitat y las
relaciones que se
establecen entre ellos.

Biotopo es un término que
en sentido literal significa
ambiente de vida y se aplica
al espacio físico, natural y
limitado, en el cual vive una
biocenosis.
Ecosistema
El Biotopo puede ser
homogéneo desde el
punto de vista ecoló-
gico, o puede com-
prender un conjunto de
residencias ecoló-gicas
distintas, como es el
caso de un río y su
tramo alto, medio y
bajo, donde viven en
cado uno de ellos
comunidades diferen-
tes.

Bioma es un término
que se aplica a las
comunidades anima-les,
vegetales y de
microorganismos que
son características de
cada región climática,
que se definen en
función de la vegeta-
ción predominante
Ecosistema

Ecosistema
Biota es el conjunto de
animales y plantas
(macrobiota) y micro-
organismos (microbio-ta)
que ocupan un lugar
determinado. El espacio
que ocupan puede
circunscribirse a
cualquier extensión que
se defina y delimite

La Biota de un lugar conforma una comunidad, aunque el
concepto no implica mas relación entre los organismos que la
relativa a la presencia común en dicho lugar
Ecosistema

Ecosistema
Los ecosistemas se superponen gradualmente en
una región de transición conocida como ecotono.

Un ecotono es una
zona de transición
entre dos sistemas
ecológicos
adyacentes, que
presen-tan un
conjunto de especies
características
definidas únicamente
por el espacio y
tiempo y por la
fuerza de interacción
entre ellos.
Ecosistema

Algunos ecotonos
presentan condiciones
peculiares, las cuales les
permiten albergar
especies vegetales y
animales diferentes a la
de los ecosistemas
adyacentes. Así por
ejemplo las áreas
pantanosas adyacentes
a un ecosistema
terrestre y un lago,
puede estudiarse como
un ecosistema por sus
características distintivas.
Ecosistema
SISTEMA TERRESTRE
Hidrología
Papel Biogeoquímico
Productividad
Seco
Suministro
Baja a Media
nivel de agua
fluctuante
Intermitente a
Permanentemente
inundado
Suministro, Reservorio
o Transformador
Generalmente alto y
algunas veces bajo
HUMEDAL SISTEMA ACUÁTICO
DE AGUAS PROFUNDAS
Permanentemente
Inundado
Reservorio
Generalmente
Bajo
importación/exportación
de nutrimentos y especies
biológicas

ambiente
individuo
población
especie
comunidad
Hábitat
Nicho
Ecosistema

ERAS DE LA MICROBIOLOGÍA
Era de la Especulación
aprox. 5 000 años antes de nuestra era hasta 1675
Era de la Observación
1675 (hasta la mitad del siglo XIX
Era del Cultivo (Axénico)
mediados del s. XIX hasta principios del s. XX
Era del Estudio Fisiológico
principios del siglo XX hasta aprox. 1985
Era de la Biología Molecular
aprox. 1930s hasta la fecha actual
Era de la ecología microbiana
futuro de la microbiología

Era de la Especulación
a) Período Neolítico: producción de productos lácteos (queso, yogurt,
kéfir, etc); conservación de alimentos (secado, salado, jarabes)
b) Enriado del lino (3 a 4 mil años)
c) Papiros egipcios con detalladas instrucciones para la preparación de
vino y cerveza. Iniciador (sedimento de la cerveza fermentada) en la
elaboración del pan esponjoso.
d) Diversa opiniones acerca de que las enfermedades contagiosas podrían
deberse a diminutos organismos vivos.
e) Cicerón consideró posible las fiebres ocasionadas por la multiplicación
de pequeños animales.
f) En el renacimiento Fracastorius escribió acerca de un “contagium
vivum”

Producción de teguila
酿酒画像砖
Producción de Osmanthus
Vino (桂花酒)
Vino de arroz
(黄酒)
Vino
destilada de
sorgo
Producción
de cerveza
en Egipto
antiguo por
fermentación
con harina
de trigo
(Egipto)
Ladrillo con dibujo de produccion
de vino (hace 2000 años)

Era de la Observación
a) Van Helmont (principios del siglo XVII) proporciona una fórmula para la
generación espontánea de ratones a partir de grano
b) Francesco Redi demuestra que las larvas de mosca no se producen de forma
espontánea en la carne podrida
c) En 1675 Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723) hace las primeras
observaciones y descripciones de las bacterias
d) A mediados del siglo XVIII surge la controversia entre Joseph Needham y
Lázaro Spallanzani por la generación de microorganismos en muestras de
caldo en envases sellados. Spallanzani inicia la utilización del vapor como
agente esterilizante y hace las primeras observaciones de microorganismos
anaeróbios
Antonie van Leeuwenhoek
(1632-1723) by Jan
Verkolie
Replica of microscope
by Van Leeuwenhoek

Era del Cultivo (Axénico)
• Inicia en 1857 con Louis Pasteur y sus estudios sobre la naturaleza
de las fermentaciones (láctica, butírica, etanólica y acética) y sus
problemas a nivel industrial; la enfermedad de los gusanos de seda
(pebrina); cultivos bacterianos y vacunas vivas en el caso del ántrax,
del cólera aviar y de la rabia.
a) Robert Koch contribuye al desarrollo de técnicas de cultivos
bacterianos con la introducción de medios sólidos y procedimientos
para la obtención de especies puras mediante estrías en el medio
sólido.
b) Sergei Winogradsky y Martinus Beijerinck descubren bacterias del
suelo y del agua capaces de crecer y vivir a partir únicamente de
nitrógeno, hierro o azufre elemental y dióxido de carbono (bacterias
autótrofas)

Era del Estudio Fisiológico
a) Marjorie Stephenson pone de manifiesto las vías
productoras de energía.
b) Albert Jan Kluyver vislumbra la diversidad de
los mecanismos microbianos productores de
energía
Eras de genética/Molecular?
Era de ecología?

-Aislamiento de bacterias nitrificantes.
- Desarrolló un sistema modelo para
cultivar bacterias del suelo anaeróbias,
fotosintéticas y microaerofílicas conocido
ahora como “Columna de Winogradsky”.
- Describe la oxidación microbiana del
sulfuro de hidrógeno, del azufre y del
hierro ferroso.
- Desarrolló correctamente el concepto de
quimioautotrofía microbiana.
-Describió las bacterias anaerobias
fijadoras del nitrógeno y contribuyó a los
estudios de reducción de nitrato y de
fijación simbiótica de nitrógeno.
-Considerado por muchos como el
fundador de la microbiología del suelo.
Sergei Winogradsky (1856 – 1953)

Martinus Beijerinck (1851 –
1931)
-Afirmó: “La forma en que yo enfoco la
microbiología... puede exponerse brevemente
como el estudio de la ecología microbiana, es
decir, de la relación entre las condiciones
ambientales y las formas especiales de vida que
les corresponden”.
- Aisló los agentes de la fijación simbiótica del
nitrógeno y aeróbica no simbiótica.
-Aisló las bacterias reductoras de sulfato.
-Basado en su principio de que “todo está en
todas partes, el ambiente selecciona”
reconoció la casi ubicuidad de la mayoría de.
las formas microbianas y la influencia selectiva del entorno que favorece
el desarrollo de cierto tipo de microorganismosCon aportaciones de
Winogradsky desarrolló la técnica del cultivo de enriquecimiento de los
microorganismos.
-Con trabajos adicionales sobre la reducción del nitrato, metanogénesis,
metanotrofía y el aislamiento de las bacterias del hidrógeno, y junto con
Winogradsky, reconoció que los microorganismos son los principales
agentes en los proceso de reciclado biogeoquímico.

Albert Jan Kluyver (1888 –
1956)
-Estudiante de
Beijerinck
-Destacó las
características
unificadoras del
metabolismo
microbiano

Cornelius Bernardus van Niel
(1897 – 1985)
-Estudiante de Kluyver
-Estimuló el estudio de los
microorganismos en la naturaleza
-Estudió las bacterias fotosintéticas del
azufre
-Estableció un curso modelo para el
estudio de la Ecología Microbiana

Martinus Beijerinck
G. van Iterson Jr.
Albert Kluyver
C. B. van Niel
Hans Veldkamp
Jacques Senez
Herman Pfaff
Robert Starkey
Hans Schlegel
Paul Berg
Michael Doudoroff
Holger Jannasch
Moshe Shilo
Jackson Foster
Helge Larsen
Norbert Pfennig
S. C. Rittenberg
Robert Hungate
Roger Stanier
Ralph Wolfe
David Pramer
Richard Bartha
Martin Dworkin
Nickolas Ornston
Edward Leadbetter
Jerome Perry
Ralph Slepecky
Marvin Bryant
Robert Mah
James Staley
Ronald Atlas

a) Lynn Margulis.- Teoría Endosimbiótica
b) Martin Alexander.- Investigaciones sobre la biodegradabilidad de
compuestos xenobióticos
c) Guenter Stotsky.- Extracción de DNA de muestras de suelo
d) Norman Pace.- Ecología Microbiana Molecular
e) Carl Woese.- Creación del árbol filogenético
f) Ronald Atlas y Richard Bartha.- Inician estudios sobre la
biodegradación de contaminantes, dando principio a la
biorremediación.
g) Thomas Brock .- Estudio de microorganismos en hábitats de
temperaturas muy altas.
h) Holger Jannash.- Microorganismos que viven cerca de las fuentes
hidrotermales submarinas.
i) Claude ZoBell.- Desarrollo de la Microbiología Marina.

Visión General de Algunos Acontecimientos Importantes en el Desarrollo de Ecología M icrobiana
Año Hechos en Ecología M icrobiana
Acontecimientos de la
M icrobiología en M éxico
Acontecimiento Históricos
Contemporáneos
1676 – 1683 Leeuwenhoek describe los
microorganismos, incluidas las bacterias
Edmon Halley elabora un catálogo de
estrellas (1676)
1799 Spallanzani intenta probar la falsedad de la
generación espontánea de los
microorganismos
Lavoisier diseña una tabla de elementos
químicos. Estalla la Revolución Francesa
1837 - 1839 Schwann, Kützing, y Cagniard-Latour, todos
de manera independiente, proponen la
participación de las levaduras en la
fermentación alcohólica. Liebig se opone a
esta visión
El médico Miguel Francisco Jiménez
utiliza el examen químico de orina y el
uso del microscópio (1845)
Se inventa la centrífuga. Se imprime la
primera estampilla postal (1840). Morse
inventa el telégrafo. Schonbein descubre
el ozono. Berlioz estrena su obra Romeo
y Julieta.
1861 Pasteur demuestra la falsedad de la teoría
de la generación espontánea de los
microorganismos
Guerra civil americana (1861 – 1865)
1866 Haeckel introduce el término ecología Dostoievsky publica “Crimen y Castigo”
1867 Cohn describe las endosporas bacterianas
y su resistencia al calor
El Dr. Iglesias trae de Europa el “virus
bovino” para la vacuna contra la viruela
(1868)
Bell inventa el teléfono (1876)
1879 Schloesing y Müntz describen la nitrificación
bacteriana
Maximiliano Galán hace mención de los
microorganismos en su tesis (1871)
Edison construye la primera bombilla
eléctrica
1883 Koch utiliza medios sólidos para el
aislamiento y cultivo de bacterias
Inclusión de una cátedra de microbiología
en la Escuela de Medicina Veterinaria
Primera central eléctrica construida por
Edison (1882)
1887 Winogradsky desarrolla el concepto de
quimioautotrofía
El Dr. Ángel Gaviño instala el primer
laboratorio de microbiología en la ENM
Descubrimiento de las ondas de radio
(1888)
1905 Beijerinck caracteriza su trabajo como “el
estudio de la ecología microbiana”
El Dr. Lavista inaugura el museo Anatomo
–Patológico con una sección de
Bacteriología (1896). Se crea el Instituto
Nacional Bacteriológico (1905)
Japón destruye la armada rusa en la
batalla de Tsusima
1929 Fleming descubre la penicilina Gaviño y Girard fabrican el suero
antidiftérico (1910)
Se firma el tratado de Letrán que crea el
Estado Vaticano. Quiebra de la Bolsa de
los EE UU.

Visión General de Algunos Acontecimientos Importantes en el Desarrollo de Ecología M icrobiana
Año Hechos en Ecología M icrobiana
Acontecimientos de la
M icrobiología en M éxico
Acontecimiento Históricos
Contemporáneos
1934 Experimentos de competición y predación
de Gause utilizando cultivos microbianos
Se crea la Escuela de Bacteriología de la
Universidad Gabino Barreda
Hitler llega al poder en Alemania (1933)
1953 Descubrimiento de la estructura de doble
hélice del DNA
Inicio de la genética molecular. Se
construye el primer sintetizador de música
electrónica. 1ra. válvula cardiopuplmonar
1957 Simposio sobre ecología microbiana en
Londres
La unión soviética pone en órbita el
primer satélite artificial, Sputnik
1972 Simposio en Uppsala (Suecia), sobre
métodos modernos en el estudio de la
ecología microbiana
Fin de la guerra de Vietnam (1973)
1976 La revista Applied Microbiology de la ASM,
se convierte en Applied and Environmental
Microbiology
Se crea el Laboratorio de Ecología
Microbiana de la ENCB, IPN. (1975)
La nave espacial Viking se posa en Marte
1977 Comienza a publicarse la serie de
Advances in Microbial Ecology
Primera bomba de neutrones. Primer
satélite destructor-interceptor de la URSS.
1978 Se celebra en Dunedin (Nueva Zelanda) el
primer simposio internacional sobre
Ecología Microbiana; se inicia así una serie
de simposios que se celebran cada tres
años
Crisis de los rehenes de Irán (ocupación
de la embajada de los EE UU en Teherán
1980 Woese describe las arqueas
(arqueobacterias) como un dominio
separado
Se reconoce la epidemia de SIDA (1981).
Inicia la comercialización de las
computadoras personales
1985 Descubrimiento de la reacción en cadena
de la polimerasa (PCR)
Gorbachov llega al poder en la Unión
Soviética. Terremoto en la Cd. de México.
1988 Primer Congreso Internacional sobre la
liberación de microorganismos modificados
genéticamente
Caída del muro de Berlín y final de la
Guerra Fría (1989)

El concepto y bases metodológicas de la ecología
microbiana estaban ya presentes en las investigaciones
pioneras de Martinus Beijerinck (1851-1931), Sergei
Winogradsky (1856-1952) y otros microbiólogos a
finales del siglo XIX.
La ecología microbiana se desarrolla como disciplina
independiente sólo durante la segunda mitad del siglo
XX. El primer libro de texto con el nombre de ecología
microbiana (Principles of Microbial Ecology) fue
publicado en 1966 por Thomas D. Brock (1926-).
La ecología microbiana ha demostrado que los
principios ecológicos generales son aplicables a los
microorganismos y que estos principios pueden
integrarse en los actuales paradigmas ecológicos.

Entomología
Ornitología
Botánica
Bacteriología
Etc.
Biología Molecular
Biología del
Desarrollo
Genética
Ecología
Etc.
DIVISIÓN
BÁSICA
DIVISIÓN
TAXONÓMICA

Ecology is closely related to the
disciplines of physiology, evolution,
genetics and behavior
- Biodiversidad: taxonomía de
microorganismos, filogenia etc.
- Biogeografía (distribución y abundancia
de organismos): fisiología, evolución,
genética, ciencias de suelo, ciencias
ambientales, ciencias climaticas,
bioestadística, etc.
- Función y aplicación de los
microorganismos:
- Manejo y conservación de los
ecosistemas : Microbiología, Economía y

ECOLOGÍA
GENÉTICA
CONDUCTA
(Sociología)
FISIOLOGÍA
(Funcional)
EVOLUCIÓN

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