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1. La Columna de Winogradsky
Bacterias y Archaeas (procariotas), exhiben una diversidad metabólica tan
sorprendente que difícilmente podremos encontrarla en animales, plantas, hongos u
otros organismos "superiores" (eucariotas). Los procariotas, literalmente, mantienen
su sistema biológico utilizando y reciclando, una y otra vez, todos los elementos
minerales necesarios para su soporte vital.
Toda la vida sobre la Tierra podría clasificarse en función de las fuentes de carbono y
energía de las que depende cada organismo: la energía puede obtenerse de
reacciones luminosas (fotótrofos) o de oxidaciones químicas (a partir de compuestos
orgánicos o inorgánicos); el carbono para la síntesis celular puede obtenerse del
CO2 (autótrofos) o de compuestos orgánicos preformados (heterótrofos). Combinando
estas categorías tendremos las cuatro estrategias básicas de los seres vivos:
fotoautótrofos (plantas), quimioheterótrofos (animales, hongos), fotoheterótrofos y
quimioautótrofos. Sólo entre las bacterias se pueden encontrar estas cuatro
estrategias básicas de la vida.
Dos famosos microbiólogos fueron pioneros en el estudio de estos procesos: Sergei
Winogradsky (1856-1953) y Martinus Willen Beijerinck (1851-1931). En contraste con
los estudios sobre cultivos puros de otros microbiólogos como Louis Pasteur o Robert
Koch, estos investigadores se centraron en estudiar las relaciones entre diferentes
tipos de microorganismos en comunidades mixtas.
La columna de Winogradsky es una demostración clásica de cómo los
microorganismos ocupan "microespacios" altamente específicos de acuerdo con sus
tolerancias medioambientales y sus necesidades vitales (requerimientos de carbono y
energía) y que, además, ilustra cómo diferentes microorganismos desarrollan sus
ciclos, y la interdependencia que llega a existir entre ellos (las actividades de un
microorganismo permite crecer a otro y viceversa). Esta columna es un sistema
completo y autónomo de reciclamiento, mantenido sólo por la energía de la luz.
La columna aquí descrita se enfoca sobre todo al ciclo del azufre, pero se podría
desarrollar igualmente la reproducción de otros ciclos biogeoquímicos equivalentes
para nitrógeno, carbono y otros elementos.
El montaje consta de un cilindro ancho de cristal que se llena con
lodos ricos en materia orgánica hasta 1/3 de su volumen. Se
añaden restos orgánicos de diferente orígen (tiras de papel de
periódico, aserrín, restos de raices de plantas, carne piada, etc).
Se añade a la mezcla un suplemento compuesto de SO4Ca y
CO3Ca (que actúan como fuente de sulfato y tampón
respectivamente). La mezcla, bien apretada para que no queden

2. burbujas de aire, se cubre con agua procedente de un lago, estanque, acequia (o
alguna fuente similar), se cubre con papel de aluminio y se deja en una ventana
donde reciba la luz del sol.
(gráfico a la izq modificado de: http://www.mbio.ncsu.edu/JWB/MB409/home.html).
A lo largo de la columna se desarrollan diversos organismos:
En la zona inferior de lodos se desarrollan organismos que desarrollan procesos
fermentativos que producen alcohol y ácidos grasos como subproductos de su
metabolismo. Estos productos de "desecho" son a su vez el sustrato para el desarrollo
de bacterias reductoras de sulfato. Como resultado se liberan sulfuros que difunden a
la zona superior oxigenada creando un gradiente en el que se desarrollan bacterias
fotosintéticas que utilizan el azufre.
Por encima de esta zona pueden desarrollarse las bacterias púrpura que no utilizan el
azufre.
Cianobacterias y algas crecen en la parte superior y liberan oxígeno que mantiene
aerobia esta zona.
Vamos a ver estos procesos de forma un poco más amplia:
Microbiología de la columna de Winogradsky
Entre cuatro y seis semanas después de su instalación, la columna debe estabilizarse
en tres ambientes básicos distintos en los que se desarrollarán comunidades
bacterianas específicas en función de sus requisitos medioambientales. Comenzando
desde la parte más profunda de la columna:
Zona anaerobia (sin Oxígeno)
Hay dos tipos de organismos que pueden crecer en condiciones anaerobias: los que
fermentan la materia orgánica o los que realizan la respiración anaerobia. La
fermentación es un proceso en el que los compuestos orgánicos son degradados de
forma incompleta (por ejemplo, las levaduras fermentan los azúcares a alcohol). La
respiración anaeróbica es un proceso en el que los sustratos orgánicos son
completamente degradados a CO2, pero usando una substancia distinta del oxígeno
como aceptor terminal de electrones (Algunas bacterias, por ejemplo, utilizan nitratos
o iones sulfato en vez del oxígeno).
En el nivel más bajo de la columna, en un ambiente con alta concentración de SH2,
aparecen varios grupos diferentes de bacterias:

3. En el fondo de la columna, dependiendo del tipo de barro utilizado, puede aparecer
una capa de color rosado formada por bacterias púrpura del azufre portadoras de
vesículas de gas. Una especie característica es Amoebobacter.
En esta misma zona, en condiciones estrictamente anaerobias al cabo de unas
semanas, y utilizando la carga de celulosa aportada por los restos de papel
incorporados en el sedimento como fuente primaria para su metabolismo, aparecen
las bacterias del género Clostridium.
Todas las especies de este género son anaerobias estrictas porque, aunque sus
esporas pueden sobrevivir en condiciones aerobias, las células vegetativas mueren si
están expuestas al oxígeno. Por eso no empiezan a crecer hasta que éste desaparece
del sedimento. Estas bacterias degradan la celulosa a glucosa y, a continuación,

4. fermenta la glucosa para obtener la energía que necesitan, produciendo una serie de
compuestos orgánicos simples (etanol, ácido acético, ácido succinico, etc) como
productos finales de esa fermentación.
Un poco por encima, las bacterias reductoras del azufre, que se visualizan como una
profunda capa negra y están representadas por Desulfovibrio, pueden utilizar estos
subproductos de la fermentación para su respiración anaerobia, usando sulfato, u
otras formas parcialmente oxidadas de azufre como el tiosulfato, generando grandes
cantidades de SH2 en el proceso. Este SH2 reaccionará con cualquier hierro presente
en el sedimento, produciendo sulfuro ferroso, que da color negro. Es por esto que los
sedimentos acuáticos son frecuentemente negros.
Sin embargo, no todo el SH2 es utilizado. Como veremos un poco más adelante,
ciertas cantidades difunde hacia arriba a lo largo de la columna de agua y son
utilizados por otros organismos que crecen en las zonas superiores.
Este crecimiento se visualiza bajo la forma de dos bandas estrechas, brillantemente
coloreadas, inmediatamente por encima del sedimento: en una primera franja, las
bacterias verdes del azufre (como Chlorobium) procesan los sulfatos a azufre y
aparecen en una franja verdosa. En otras zonas cercanas, bacterias
como Gallionella procesan el Hierro formando una capa negra que se forma
justamente por debajo de la anterior. Un poco más arriba, algo más alejadas por
tanto de las altas concentraciones de sulfídrico se desarrolla una zona de bacterias
púrpuras del azufre, como Chromatium, caracterizada por su color rojo-púrpura.
Estas bacterias del azufre, verdes y púrpuras, obtienen energía de las reacciones
luminosas y producen sus materiales celulares a partir de CO2. En gran medida, de
manera muy similar a cómo lo hacen las plantas aunque, sin embargo, hay una
diferencia esencial: no producen oxígeno durante la fotosíntesis porque no utilizan H2O
como elemento reductor sino SH2. Las ecuaciones simplificadas que siguen muestran
el paralelismo de ambos procesos:
6 CO2 + 6 H20 C6H12O6 + 6 O2 (fotosíntesis de las
plantas)
6 CO2 + 6 SH2 C6H12O6 + 6 S (fotosíntesis de las
bacterias anaerobias)
Un poco por encima de esta zona nos encontramos una franja de bacterias púrpuras
no del azufre, como Rhodospirillum y Rhodopseudomonas, que adquiere un color
rojo-anaranjado. Su mayor o menor abundancia dependerá de la cantidad de
sulfhídrico que se haya producido y de la cantidad que, no utilizada por otros
organismos, difunda hacia arriba, ya que su presencia inhibe a estas bacterias. Son
anaerobios fotoorganotrofos que sólo pueden realizar la fotosíntesis en presencia de
una fuente de carbono orgánico.

5. Zona aerobia (rica en Oxígeno)
La parte superior de la columna de agua puede contener abundantes poblaciones de
bacterias de diferentes tipos. Son organismos aerobios que se encuentran
habitualmente en los hábitats acuáticos ricos en materia orgánica (estanques poco
profundos, arroyos contaminados, etc). Suelen ser flagelados, lo que les permite
moverse y establecerse en nuevas áreas. Puede desarrollarse también
microorganismos fototróficos variados procedentes directamente del agua o del barro
utilizados originalmente en el montaje de la columna. La superficie del barro puede
presentar en esta zona un ligero color castaño. Esta es la parte de la columna más
rica en oxígeno y más pobre en azufre.
Sin embargo, también aquí llegarán por difusión, procedentes del barro de zonas
inferiores, ciertas cantidades de SH2 que será oxidado a sulfato por bacterias que
oxidan azufre (comoBeggiatoa y Thiobacillus). Estas bacterias obtienen energía
oxidando el SH2 a azufre elemental y sintetizan su propia materia orgánica a partir de
CO2. Por esto se les llama quimoautótrofas.
En las zonas superiores pueden crecer también cianobacterias fotosintéticas, lo que se
visualizaría cómo un tapete de césped de color verde. Éstas bacterias se caracterizan
por ser las únicas que realizan una fotosíntesis similar a la de las plantas. De hecho,
hay poderosas evidencias de que los cloroplastos de las plantas proceden de
cianobacterias ancestrales que se establecieron como simbiontes dentro de células de
algún eucariota primitivo. De forma paralela hay también evidencias igualmente
fuertes de que las mitocondrias de los eucariotas actuales se derivaron de bacterias
púrpuras ancestrales por un similar sistema de endosimbiosis.
Bibliografía:
http://www.danival.org/notasmicro/micro_winogradsky.html