Trabajo Academico de Microbiologia Ambiental

Dirección Universitaria de Educación a Distancia Escuela Profesional de Ingeniería Ambiental 

TRABAJO ACADÉMICO CICLO ACADÉMICO 2013 - 3 - MÓDULO II

DATOS DEL CURSO: Escuela Profesional:

I NGENIERÍA AM BI ENTAL

Asignatura:

M I CROBIOLOG CROBIOLOGÍ ÍA AM BI ENTAL

Docente:

FERNANDO MERINO RAFAEL

Ciclo:

V

Periodo Académico:

2013- 3

DATOS DEL ALUMNO: UDED:

 Andahuaylas

Apellidos:

Sicha Navarro

Nombres:

 Alcides Silvestre

Código:

2011111911

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E sc scuel uela a Acadé A cadé mi ca Pr of ofes esii ona onall de I n geni genierí ería Ambi A mbi ental

CUESTIONARIO 1. Tomando un ejemplo en cada caso, describa las diferencias entre un microorganismo procariótico y un microorganismo eucariótico. Los términos Procariotas y Eucariota se deben a E. Chatton y se empezaron a usar a principios de 1950. MICROORGA NISMOS PROCA RIOTICO. RIOTICO.

La palabra procariota viene del griego ('pro' = previo a, 'karyon = núcleo) y significa pre-núcleo. Los miembros del mundo procariota constituyen un grupo heterogéneo de organismos unicelulares muy pequeños, incluyendo a las eubacterias, donde se encuentran la mayoría de las bacterias y las arqueas (arqueobacterias). Bacterias y arqueobacterias comparten la mayoría de sus características morfológicas, por lo que la existencia de éstas últimas como grupo diferenciado pasó desapercibida durante mucho tiempo. Las diferencias entre ambos grupos se encuentran sobre todo a nivel bioquímico y, en cierta medida, también ecológico. Entre las características bioquímicas que diferencian a ambos grupos destaca la presencia generalizada de intrones en los genes de las arqueobacterias mientras que en las bacterias son prácticamente inexistentes. Este rasgo de las arqueobacterias es compartido con las células eucariotas, lo que apoya la idea, previamente enunciada sobre la base del análisis de secuencias de algunos genes, de un parentesco evolutivo mayor entre ambos grupos que el que cualquiera de ellos exhibe en relación con las bacterias. Dicho de otro modo: existió un antepasado común de arqueas y eucariontes, que no lo fue de las bacterias. Tal circunstancia constituye un sólido apoyo argumental a favor de la clasificación filogenética que hemos llamado “de los tres dominios”.

El descubrimiento de las arqueobacterias se produjo a raíz del interés que suscitaron ciertos microorganismos, hasta entonces considerados bacterias ordinarias, que habitaban en ambientes con condiciones físico-químicas extremas.  Algunos de d e ellos e llos viven en fuentes f uentes termales terma les a temperaturas próximas a los 100ºC, otros en aguas con concentraciones salinas 10 veces superiores a las máximas toleradas por la mayoría de las células. En principio se consideró que este carácter “extremófilo” era una característica exclusiva de las arqueobacterias, pe ro pronto se vio que algunas especies de este grupo habitaban en ambientes con MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL

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condiciones mucho más suaves. Por otra parte también existen bacterias adaptadas a vivir en condiciones extremas. Los microorganismos procariontes han colonizado con éxito todos los ambientes susceptibles de albergar vida que existen en nuestro planeta. Habitan en las aguas oceánicas y continentales, en las partículas de polvo atmosférico y en los suelos de ecosistemas de todas las franjas climáticas. Muchos de ellos se han adaptado a vivir en el interior de organismos pluricelulares con los que han establecido relaciones de parasitismo, comensalismo e incluso de simbiosis. Por otra parte, los microorganismos procariontes han desarrollado muchas y variadas formas de obtener la materia y la energía de su entorno que necesitan para mantener el estado vital. Muchos de ellos, entre los que se encuentran los que habitan en el interior de otros seres vivos, son heterótrofos y obtienen la energía de la oxidación de los compuestos orgánicos que encuentran en el medio en que viven. Entre ellos los hay aerobios y anaerobios. Otros muchos son autótrofos fotosintéticos y un buen número autótrofos quimio sintéticos. Éstos últimos han desarrollado la capacidad de usar como dadores de electrones para sus procesos de biosíntesis, además del agua otras sustancias inorgánicas, como el ácido sulfhídrico, el metano o el hidrógeno, lo que les permite colonizar ambientes prohibidos para otros microorganismos. Además, los autótrofos quimio sintéticos tienen una gran importancia en el funcionamiento de los ciclos biogeoquímicos, ya que son responsables de algunas de sus etapas esenciales, las cuales quedarían bloqueadas en ausencia de ellos. MICROORGA NISMOS EUCA RIOTICO.

El término eucariota hace referencia a núcleo verdadero (del griego: 'eu' = buen, 'karyon = núcleo). Los organismos eucariotas incluyen algas, protozoos, hongos, plantas superiores, y animales. Este grupo de organismos posee un aparato mitótico, que son estructuras celulares que participan de un tipo de división nuclear denominada mitosis; tal como imnúmeras organelas responsables de funciones específicas, incluyendo mitocondrias, retículo endoplasmático, y cloroplastos. Los miembros del antiguo reino protistas, es decir, los eucariontes unicelulares se venían dividiendo tradicionalmente en tres grupos: protozoos, algas unicelulares y hongos unicelulares. Esta división se basaba en ciertas características como la presencia o no de pared celular, la estructura de los órganos del movimiento como cilios y flagelos, y la presencia o ausencia de pigmentos fotosintéticos. En la actualidad los estudios de secuenciación de DNA y MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL

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de la ultra estructura de distintos componentes celulares han “dinamitado” por completo el primitivo reino protistas arrojando unas 60 estirpes de microorganismos eucariontes a las que sólo en unos pocos casos parece posible agrupar en categorías taxonómicas superiores. Parece razonable pensar que cuando los organismos eucariontes evolucionaron, hace entre 1.500 y 2.000 millones de años, a partir de procariontes ancestrales, tuvieron un gran éxito adaptativo colonizando rápidamente multitud de hábitats diferentes. Ello trajo consigo una gran diversificación que ha quedado plasmada en la gran cantidad de estirpes que han llegado hasta nuestros días. Los microorganismos eucariontes presentan, aunque en menor grado que los procariontes, una considerable diversidad de modos de obtener la materia y la energía que necesitan. Muchos de ellos son heterótrofos, entre los que se encuentran algunos que son parásitos de algunos animales. Algunos son parásitos del ser humano y causantes de algunas enfermedades graves. Entre ellos cabe citar el Plasmodium falciparum, agente causante de la malaria, el Tripanosoma brucei gambiense, responsable de la enfermedad del sueño, Entamoeba hystolitica, causante de una de las variedades más graves de disentería. Otros muchos son autótrofos fotosintéticos, como la gran variedad de algas unicelulares que se encuentran formando parte del fitoplancton de todos los mares y aguas continentales del planeta. DIFERENCIAS:

La principal diferencia radica en que en los Procariotas el material genético no está separado del citoplasma y los Eucariotas presentan el material genético está organizado en cromosomas rodeados por una membrana que los separa del citoplasma. 1- Las Células procariotas se caracterizan por no poseer un Núcleo bien organizado y el material genético (cromosomas) al no tener Carioteca o Membrana Nuclear, se encuentra dispersos en el Citoplasma y ubicados en una región llamada Nucleoide. La Célula eucariota se caracteriza por poseer Núcleo con Membrana Nuclear o Carioteca que lo protege encontrándose dentro del Núcleo los Cromosomas que llevan en su interior al ADN. 2- Las Células Procariotas se componen de pared celular no celulósica, poseen pectidoglucanos. Las Células Eucariotas Vegetales poseen Pared Celular constituidas por Celulosa y las Células Eucariotas Animales no poseen Pared Celular. MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL

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3- Las Células Procariotas no poseen ningún organelo celular Membranoso. Las Células Eucariotas si poseen organelos celulares membranosos. 4- Algunas Células Procariotas producen enfermedades como la Tuberculosis (Bacilo de Koch). Las Células Eucariotas no producen enfermedades. 5- Las Células Procariotas utilizan la conjugación bacteriana para el intercambio de información genética. Las Células Eucariotas utilizan la División Celular por Mitosis y Meiosis. 6- Las Células Procariotas se dividen de forma Asexual por fisión binaria o  Amitosis, produciendo 2 células hijas diploides, iguales a la madre. Algunas Células Eucariotas se dividen de forma Asexual pero por Bipartición. También utilizan otros mecanismos como Regeneración, Fragmentación. 7- Una Célula Procariota como la Escherichia Colli, es beneficiosa porque habita en el tracto intestinal y produce simbiosis con el ser humano y absorbe los nutrientes del tracto digestivo y en recompensa sintetiza Vitamina K, que es un  Anticoagulante. Las Células Eucariotas no viven en Simbiosis con otros organismos, salvo el caso de los Líquenes. 8- Las Células Procariotas pueden ser aerobias (Prescinden del O2) y anaerobias (no necesitan del O2). Las Aerobias respiran a través del mesosoma (invaginación de la Membrana Plasmática). Las Células Eucariotas son Aerobias. 9- Las Células Procariotas como en las Bacterias poseen fimbrias, que son filamentos finos de proteínas que se distribuyen sobre la superficie de la célula y ayudan a la adherencia de las bacterias a las superficies sólidas o a otras células y son esenciales en la virulencia de algunos patógenos. Las Células Eucariotas no poseen Fimbrias. 10- Las Células Procariotas (Bacterias) poseen pilis, que son apéndices celulares ligeramente mayores que las fimbrias y se utilizan para la transferencia de material genético entre bacterias en un proceso denominado conjugación bacteriana. Las Células Eucariotas no poseen Pilis. 11- Las Células Procariotas como las bacterias autótrofas poseen Plastidios verdes parecidos a los cloroplastos llamados Laminillas membranosas o cromatóforos y pigmentos Fotorreceptores como la Bacterioclorofila son capaces de transformar sustancias inorgánicas sencillas y simples como el CO2, H2O, Sales minerales y los Fotones de luz solar en alimentos orgánicos (Carbohidratos, lípidos, proteínas) mediante la Fotosíntesis. Las Células Eucariotas Vegetales MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL

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poseen Plastidios de color verde llamados cloroplastos, para realizar la Fotosíntesis.

IMPORTANCIA Y UTILIDAD DE LOS MICROORGA NISMOS.

 Además del papel indispensable que los microorganismos desempeñan en el funcionamiento de los ecosistemas y de los ciclos biogeoquímicos, muchos de ellos presentan por añadidura un interés especial para el ser humano. A continuación algunos ejemplos. La industria de la alimentación viene utilizando, ya desde tiempos muy remotos, las peculiaridades metabólicas de distintos tipos de microorganismos para obtener una amplia gama de productos. Destaca en este aspecto el uso de microorganismos anaerobios que producen transformaciones en los alimentos a través de la fermentación. Así, ciertas bacterias fermentadoras, que transforman los azúcares de la leche en ácido láctico, son utilizadas para la elaboración de distintos tipos de derivados lácteos como yogures, cuajadas y otros similares. Otras se usan en la producción de encurtidos (coles ácidas, aceitunas, etc.). Por otra parte, las levaduras, que fermentan los azúcares de distintos productos vegetales dando lugar a etanol y CO2, son ampliamente utilizadas en la producción de una amplia variedad de bebidas alcohólicas y también en la fabricación del pan y productos de repostería. La industria farmacéutica también se ha beneficiado de la actividad de los microorganismos. Muchos de ellos producen sustancias que resultan tóxicas para otros con el objeto de poder competir más eficazmente a la hora de colonizar un hábitat determinado. Tales sustancias, conocidas como antibióticos, son ampliamente utilizadas en el tratamiento de las enfermedades infecciosas. Entre los microorganismos usados por la industria farmacéutica destacan los hongos filamentosos como el Penicillium notatum, del que se extrae la penicilina. La obtención de cantidades masivas de enzimas determinados a partir de cultivos bacterianos es otra de las posibles aplicaciones de los microorganismos. Estos enzimas se pueden utilizar, una vez extraídos en distintos procesos a gran escala de las industrias de la alimentación, textil, papelera y otras muchas.

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También la industria minera recurre a los microorganismos en el procesamiento de determinados minerales a través de un procedimiento denominado lixiviación microbiana. En la lucha contra la contaminación también se ha encontrado aplicación a distintos tipos de microorganismos capaces de metabolizar y degradar determinadas sustancias contaminantes. Este proceso, conocido como Biorremediación, ha sido aplicado con éxito en la eliminación del petróleo y sus derivados derramados en episodios de marea negra. Por último, las aplicaciones de los microorganismos en el campo de la biotecnología son muchas y, en parte, todavía insospechadas. Así, en la ingeniería genética se utilizan microorganismos como vectores para transportar e introducir en las células los genes objeto de manipulación.

2. A través de cualquiera de las cuatro situaciones planteadas, describa la dinámica poblacional y el crecimiento microbiano: - Rizósfera - Deterioro de los alimentos por acción microbiana - Enfermedades infecciosas Biocorrosión: 

La Biocorrosión es un proceso electroquímico que produce el deterioro de un material metálico en donde se encuentran involucrados microorganismos, la participación de los microorganismos en el fenómeno de corrosión puede darse de algunas de las siguientes formas:   Produciendo

sustancias corrosivas, producto del metabolismo bacteriano, que transforman un medio originalmente inerte en agresivo.  Originando celdas de aireación diferencial por efecto de un desigual consumo de oxígeno en zonas localizadas.  Destruyendo cubiertas protectoras sobre el metal, que son metabolizadas por microorganismos.   Consumiendo sustancias inhibidoras de la corrosión y facilitando de esa forma la acción de iones agresivos presentes en el medio o producidos por el metabolismo microbiano Todos los productos formados afectan las reacciones catódicas y/o anódicas alterando la electroquímica de la interface biopelículas metal, la Biocorrosión se debe entonces a los MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL

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diferentes metabolismos bacterianos que generan el desgaste en los metales debido a las enzimas, exo-polímeros, ácidos orgánicos e inorgánicos, además de compuestos como el sulfuro de hidrogeno y el amonio.

La presencia de microorganismos en un proceso de corrosión puede incrementar su velocidad en un orden de cien a mil veces. Los microorganismos comúnmente más encontrados en este tipo de corrosión son bacterias, hongos y algas, ya sea en forma individual o combinada. Generalmente este fenómeno está relacionado con efectos negativos en un material, aunque en algunos casos la presencia microbiana puede tener también un efecto de protección contra la corrosión. Los procesos metabólicos de los microorganismos llevados a cabo en la superficie metálica, incrementan la heterogeneidad de ésta. Destruyendo películas protectoras, produciendo ambientes ácidos localizados, creando depósitos corrosivos o alterando las reacciones catódicas y anódicas. También debe considerarse que las colonias de estos microorganismos forman n biofilm (biopelículas) el cual se adhiere a la superficie formando una matriz adherente donde los microorganismos están agregados bajo un exo-polímero producido por ellos mismos y estos empiezan a realizar sus diferentes actividades metabólicas. FUNDAM ENTOS DE MICROBIOL OGÍA : 

Los microorganismos son seres vivos unicelulares de dimensiones microscópicas, que representan las formas más elementales y simples de vida. Muchos organismos vivos fueron clasificados originalmente, como pertenecientes a los reinos animal o vegetal, sin embargo, los microorganismos no pueden ser clasificados en alguna de esas dos categorías. De esta manera, en 1866 Haeckel propuso una nueva categoría o reino, denominado protistas. Los protistas incluyen protozoos, algas, hongos, bacterias y virus. Con el avance en el conocimiento de la estructura celular los protistas fueron divididos a su vez en dos categorías: MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL

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Escuela Acadé mi ca Pr ofesional de I ngeniería Ambi ental • Protistas inferiores o eucariotas. • Protistas superior es o procariotas.

Dinám icas de p ob lación:

En la naturaleza los microorganismos no existen como cultivos puros más bien como mezclas. Cada microorganismo debe competir con su vecino para sobrevivir, el modelo de competencia y sobrevivencia en mezclas de microorganismos, el cual está agrupado entre ciertos límites. El primer factor es la competencia por el alimento y la más común es la habilidad del microorganismo de competir bajo un grupo fijado de condiciones ambientales es una función de las características metabólicas del microorganismo. Los que puedan procesar la máxima cantidad de alimento a una máxima tasa predominaran si dos especies de bacterias están situadas en una solución nutriente que ambas pueden utilizar, ambas crecerán. Si una de las especies no puede metabolizar el nutriente completamente, esta especie no podrá sobrevivir por carencia para obtener energía. Estas bacterias dan vía a las que tienen procesos metabólicos completos. En sistemas aeróbicos, las bacterias que oxidan la materia orgánica completamente a dióxido de carbono y agua pueden sobrevivir y predominar sobre bacterias con modelos metabólicos incompletos. Él crecimiento de una población bacteriana se compone de 4 fases. El crecimiento generalmente no principia de inmediato sino después de un cierto tiempo, llamado fase de retardo. Durante esta fase, las bacterias se adaptan al medio ambiente para iniciar el crecimiento, no hay por tanto multiplicación celular, la duración depende del microorganismo y del medio en que se encuentra. Al final de esta etapa se entra a la fase exponencial o logarítmica, en la cual la población aumenta a una velocidad constante, este es el período de más rápido crecimiento bajo condiciones óptimas. Cuando el número de células que son producidas igual a al número de células que mueren se establece un equilibrio dinámico en el cual no existe un mayor crecimiento, etapa denominada fase estacionaria y se debe principalmente al agotamiento de algún nutriente. La fase de muerte o declinación se alcanza cuando la tasa de destrucción supera la tasa de crecimiento. Crecimiento micro biano:

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El crecimiento puede ser definido como un incremento en los constituyentes celulares. Si el microorganismo es cenocítico, esto es un organismo multinucleado en el cual las divisiones nucleares no se acompañan de división celular, el crecimiento resulta en un incremento en el tamaño celular, pero no el número de células. El crecimiento lleva a un aumento en el número de células cuando los microorganismos se reproducen por un proceso como la fisión binaria. Al final, las células individuales se alargan y dividen dos hijas de aproximadamente igual tamaño. Usualmente no es conveniente investigar el crecimiento y reproducción de microorganismos individuales debido a su pequeño tamaño. Por lo tanto, cuando se estudia el crecimiento, los microbiólogos siguen normalmente los cambios en la población total. Cabe señalar que el medio marino, es siempre favorable al crecimiento microbiano. Influye favoreciendo o perjudicando el desarrollo bacterial por medio de los potenciales de reacción. El pH óptimo para bacterias aerobias se encuentra entre 7.5 y 8; en bacterias anaerobias oscila entre 5.5 y 8.5. Además para las ferrobacterias y thiobacterias les favorecen un pH de 3 a 4 y 0.2 a 0.6 respectivamente. Aclarando que las bacterias acidofilas tienen un pH acido. Desde el momento en que las partículas cargadas de microbios se depositan en la superficie de los metales para constituir la película microbiana (lo cual puede suceder en pocas horas), las bacterias entran en actividad y provocan la disminución del potencial redox. Las condiciones de corrosión se realizan in situ y el deterioro del metal aparece en unos días. Es importante señalar que si no existen las condiciones para que haya corrosión en un determinado medio, las bacterias pueden crearlas, a condición para las heterótrofas de que exista en el medio, materia orgánica. Cuanto mayor sea la cantidad de materia orgánica contenida en un electrolito, mayores serán los gérmenes y mayor y más intensa la actividad bioquímica, y por lo tanto, la corrosión. Las aguas de muchos puertos, lagunas y zonas costeras, fuertemente contaminadas por los desechos de las ciudades, son origen de graves problemas en las instalaciones portuarias, eléctricas, etc., que se encuentran en ellas. Todo microorganismo presenta una temperatura óptima, en la cual su desarrollo y su crecimiento se presentan de manera acelerada, estas temperaturas oscilan entre 25°C y 30°C, extremas bajo cero o superiores a 200°C, la estructura, las alteraciones de la superficie, por mínimas que sean, o del deterioro mecánico del metal son factores que permiten el inicio de la corrosión, la que a una vez iniciada continúa con la acción que desempeñan las bacterias el oxígeno y el dióxido de carbono contribuyen a la obtención de óxidos y carbonatos en sitios deteriorados. En agua, gracias a la presencia de          se genera el crecimiento de microorganismos aerobios mediante la síntesis de estos para la producción de MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL

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energía por ejemplo. Las bacterias Thiobacillus se caracterizan por crear una reacción fuertemente ácida en el medio donde se multiplican. Su pH óptimo de crecimiento se sitúa entre 3 y 4, aunque también lo es entre 0.2 y 0.6. Estas bacterias son el origen de la formación de  . En suelos que contengan sulfuros (piritas) pueden ocasionar fuertes corrosiones. Los representantes más conocidos de este grupo son: Thiobacillus thiooxidans, Thiobacillus thioparus, Thiobacillus denintrificans y Thiobacillus ferrooxydans. Existen diferentes técnicas microbiológicas útiles para evaluar el crecimiento microbiano dentro de un sistema donde se sospecha de problemas causados por microorganismos. Dentro de las cuales se mencionan las siguientes: a) Cuenta de colonias por vaciado en placa. b) Técnica del número más probable. c) Cuenta microscópica directa. d) Cuenta en ampoviales. Para el caso biótico se realizan conteos microbianos para la construcción de la curva de crecimiento microbiano.

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El crecimiento de una población se estudia analizando la curva de crecimiento de un cultivo microbiano. Cuando los microorganismos son cultivados en medio líquido usualmente son crecidos en cultivo batch o sistema cerrado, esto es, se incuban en un vaso de cultivo cerrado con sólo un lote de medio. Debido a que no se proporciona medio fresco durante la incubación, la concentración de nutrientes declina y la concentración de desechos se incrementa. El crecimiento de los microorganismos reproduciéndose por fisión binaria puede graficarse como el logaritmo del número de células contra el tiempo de incubación. La curva resultante tiene cuatro fases distintivas.    

Fase Lag. Fase Exponencial. Fase Estacionaria. Fase de Muerte.

1) Utilizando la columna de Winogradsky, haga un análisis de esa experiencia como modelo de ecosistema microbiano. Introducción. La biosfera de nuestro planeta contiene un gran número de ecosistemas en los cuales los microorganismos participan en forma muy importante, inclusive, existen ecosistemas, los cuales están ocupados exclusivamente por microorganismos (ejemplo: tapetes microbianos). La hidroecósfera comprende a todos los ambientes acuáticos, los cuales ocupan la mayor parte de la biosfera donde se llevan a cabo las transformaciones mediadas por microorganismos. Entre los sistemas acuáticos más importantes se encuentran los océanos, estuarios, lagos, charcas, manantiales y ríos subterráneos o superficiales. El tipo de estudio de la estructura de la comunidad microbiana acuática o de su actividad depende del objetivo de la investigación que se pretenda realizar. Los estudios microbiológicos tradicionales han sido la identificación taxonómica de la diversidad microbiana en la naturaleza, mientras que el campo de la ecología microbiana se busca identificar la función, bioquímica e interacciones de los microorganismos en la naturaleza como con la sociedad humana. La columna de Winogradsky, denominada así en honor del microbiólogo ruso Sergei Winogradsky, es un modelo de ecosistema que se utiliza para el estudio de MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL Página 12

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los microorganismos acuáticos y de los sedimentos. En la columna se desarrollan poblaciones bacterianas fotosintéticas que utilizan el sulfuro de hidrógeno como donador de electrones en su metabolismo fotoautrotrófico. Este modelo de ecosistema imita la situación de una columna anóxica de agua que recibe luz. Debido a lo anterior se produce una zonación semejante a los sedimentos naturales, pero en escala milimétrica. Estudió en particular los implicados en los ciclos del nitrógeno y del azufre, obteniendo resultados muy significativos. Fue el primero en aislar, tanto a la bacteria fijadora de Nitrógeno y desarrolló así el concepto de fijación bacteriana de N2, como a cultivos puros de bacterias nitrificantes demostrando que el proceso de nitrificación es consecuencia de la acción bacteriana. Asimismo estudió la oxidación directa del sulfhídrico por bacterias oxidantes del S en sus hábitats naturales. Además de demostrar que las bacterias pueden ser agentes biogeoquímicos, su gran aporte se debió a la visión de las consecuencias de los metabolismos bacterianos. Evidenció la autotrofía bacteriana, a través de experimentos que le demostraron que la cantidad de materia orgánica formada por las bacterias nitrificantes es proporcional a la cantidad de amoníaco o nitrito oxidada, cuando éstas crecen en un medio carente de materia orgánica, con amonio como única fuente de N2 y en ausencia de luz. A partir de ello, también reconoció que la oxidación de compuestos inorgánicos está acoplada a la liberación de energía utilizable y desarrolló el concepto de quimiolitotrofía, estableciendo las condiciones que debe cumplir un organismo para ser considerado quimio autótrofo. 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 origen (tiras de papel de periódico, aserrín, restos de raíces de plantas, etc.). Se añade a la mezcla un suplemento compuesto de SO 4Ca y CO3Ca (que actúan como fuente de sulfato y tampón respectivamente). La mezcla, bien apretada para que no queden 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. MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL

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 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. 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: Zon a anaer ob ia (sin Oxígen o) 

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 CO 2, 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: 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. MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL

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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, fermenta la glucosa para obtener la energía que necesitan, produciendo una serie de compuestos orgánicos simples (etanol, ácido acético, ácido succínico, 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 SH 2 en el proceso. Este SH 2 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 SH 2 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 sulfhídrico se desarrolla una zona de bacterias púrpuras del azufre, como Chromatium, caracterizada por su color rojo púrpura.

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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 SH 2. Las ecuaciones simplificadas que siguen muestran el paralelismo de ambos procesos: 6CO2+6H20 6 CO2 + 6 SH 2

C6H12O6+6O2 C6H12O6 + 6 S

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.

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Escuela Acadé mi ca Pr ofesional de I ngeniería Ambi ental Zon a aero bia (rica en Oxígen o) 

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 utilizado 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 SH 2 que será oxidado a sulfato por bacterias que oxidan azufre (como Beggiatoa 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. Estas 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. 1. Describa detalladamente un c aso en don de se aprecie la aplicación de los c on cepto s d e la mic rob iolog ía ambiental en el desarro llo de proc esos b iotecnológicos d e aplicación am biental. Ámbito s d e actuación de la b iotecn olog ía amb iental

Los ámbitos de actuación de la biotecnología ambiental se relacionan con la gestión del medio ambiente y con el aprovechamiento de los recursos naturales. Las distintas acciones se realizan en los sistemas biológicos con un objetivo final de prevenir, mitigar o eliminar la presencia de compuestos contaminantes en el medio ambiente. Evidentemente se pueden utilizar, en ciertos casos, otras herramientas tecnológicas, como pueden ser tratamientos de tipo físico o químico, MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL

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pero hay una ventaja diferencial en la utilización de tratamientos biológicos viables, ya que éstos presentan un coste relativamente más bajo y comportan una menor alteración del medio ambiente. El principio básico de actuación de los métodos biológicos se basa en una degradación de los compuestos orgánicos contaminantes en compuestos inorgánicos, que en los casos ideales resultan inocuos por ejemplo, CO2, H2O, Cl, etc. Además, estos procesos biotecnológicos procuran realizarse en la medida de las posibilidades en el mismo lugar donde se ha producido el impacto contaminante y se evitan los costes asociados al desplazamiento del material contaminado a plantas de tratamiento específicas, a vertederos controlados o a otras ubicaciones. Esta característica también resulta diferencial respecto de los procedimientos físicos y/o químicos que a menudo simplemente transfieren el contaminante a una ubicación diferente con el fin de mitigar y/o controlarlo más adecuadamente. Tradicionalmente, las actividades biotecnológicas relacionadas con el medio ambiente se han fundamentado principalmente en la capacidad degradadora de los compuestos contaminantes por parte de la actividad metabólica de los microorganismos presentes en los ecosistemas naturales. Esta necesidad de utilizar la biodegradación microbiana ha hecho que durante mucho tiempo el esfuerzo tecnológico y de investigación de la biotecnología ambiental se orientara a aislar microorganismos del medio ambiente, clasificarlos y caracterizarlos fisiológicamente, analizar las capacidades enzimáticas degradadoras para desarrollar procesos tecnológicamente aplicables a gran escala e intentar, en determinados casos, una mejora genética de los microorganismos utilizados con el fin de obtener cepas más eficientes en la degradación de compuestos orgánicos contaminantes. Se ha observado que a menudo los microorganismos aislados no presentan las mismas capacidades degradadoras de los contaminantes que el conjunto de poblaciones microbianas tal como las encontramos en el medio natural. Este limitado conocimiento de la ecología microbiana y de las relaciones metabólicas entre los microorganismos constituyentes de estos consorcios microbianos ha hecho que los consideremos como “cajas negras” . En los últimos años, el desarrollo y la adaptación de nuevos métodos moleculares en los estudios de ecología microbiana nos han permitido constatar que las poblaciones microbianas del medio ambiente son mucho más diversas que los microorganismos aislados y estudiados en condiciones de cultivo puro en el laboratorio. Ac tivi dad es d e in teré s actu al en la b io tecn olo gía am bien tal

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Se diferencian cinco grandes ámbitos de aplicación de la biotecnología ambiental, en la que probablemente veremos las contribuciones más destacables durante los próximos años:

1. El cambio climático:  El control de las emisiones de CO2 por el suelo así como la posibilidad de secuestrar cantidades importantes de carbono en el suelo mediante cambios significativos en las prácticas agrícolas rutinarias pueden convertirse en una de las contribuciones de la biotecnología ambiental, y en particular de la biotecnología microbiana, a la regulación del cambio climático que tal vez nos podría afectar durante las próximas décadas. Otro aspecto relacionado con este ámbito es el control o la prevención de las emisiones de metano procedente de residuos, de prácticas agrícolas y de sistemas naturales. Aunque están en fase de estudio, existen algunas metodologías para intentar eliminar metano atmosférico a través de bacterias metanotróficas del suelo. 2. Energías alternativas: La disponibilidad de nuevas fuentes energéticas renovables se está convirtiendo en uno de los objetivos tecnológicos más destacables del siglo xxi, tal como hemos indicado anteriormente. Hay que indicar que hasta ahora las posibles contribuciones por parte de microorganismos son limitadas. Muchas de las propuestas se han quedado a escala experimental de laboratorio o como mucho en ensayos de planta piloto. No obstante, no podemos despreciar algunas aportaciones potenciales, como por ejemplo la síntesis de hidrógeno por parte de nuevas cepas de arqueobacterias o la producción de la llamada bioelectricidad mediante los generadores microbianos de energía dentro de una escala muy modesta. 3. Procesos de reciclaje: El reciclaje efectivo de muchos elementos y compuestos en los ecosistemas nos determina la sostenibilidad medioambiental de determinadas actividades humanas. La comprensión de la estructura y de las funciones de los consorcios microbianos nos puede proporcionar herramientas para la descontaminación de suelos y sedimentos, la eliminación de contaminantes en el aire y la degradación de compuestos recalcitrantes procedentes de diferentes actividades humanas. Podemos destacar en este ámbito la biodegradación microbiana de compuestos aromáticos derivados de las actividades industriales que resulta esencial para mantener el ciclo del carbono en el planeta. Muchos de los procesos de degradación de los compuestos aromáticos se han basado en la utilización de cepas del género Pseudomonas, aunque no exclusivamente, ya que no podemos descartar el uso de otros grupos bacterianos. 4. Los recursos hídricos: El aprovechamiento y la gestión optimizada de los recursos hídricos resultan un elemento clave en el desarrollo social y económico MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL

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de las sociedades actuales. Por un lado, existe una estrecha relación entre el crecimiento económico y la demanda de agua y, por otro lado, los recursos hídricos en términos cualitativos y/o cuantitativos de que se dispone no siempre pueden satisfacer la demanda de nuestras sociedades. El resultado es que la calidad en el suministro de agua potable con continuidad y de manera sostenible, el saneamiento de las aguas residuales por procesos eficientes y de bajo consumo energético y su potencial regeneración se están convirtiendo en un reto primordial para poder garantizar este recurso con la calidad adecuada que requieren las distintas actividades humanas en muchas zonas del planeta con recursos hídricos limitados o muy variables. La regeneración de aguas es un factor ambiental estratégico en muchos territorios, como por ejemplo en los casos de recuperación de acuíferos, la gestión integral de cuencas fluviales o zonas costeras, o el abastecimiento de recursos hídricos alternativos en las aguas potables de suministro para diferentes actividades industriales y de ocio. Resulta cada vez más importante la identificación de las contaminaciones de las aguas en su origen. Las aportaciones de materia orgánica se encuentran entre las contaminaciones más importantes que reciben las aguas y, dentro de esta aportación, tiene una proporción muy importante la contaminación fecal, que llega proveniente principalmente de las aguas residuales urbanas, los lixiviados y las escorrentías de actividades ganaderas, de efluentes de mataderos y de plantas de procesamiento y manufactura de alimentos de origen animal. En los últimos años se están haciendo esfuerzos importantes en el desarrollo de metodologías por detectar el origen de la contaminación fecal en las aguas superficiales detección del origen microbiano o microbial source tracking y poder detectar, contener y eliminar este tipo de contaminación fecal estrechamente ligado a las enfermedades de transmisión hídrica.

5. Salud y medio ambiente: El gran éxito del uso clínico de los antibióticos de manera universal, sobre todo en los países desarrollados, hizo que algunos analistas pensaran durante la década de los años setenta del siglo xx que en pocos años conseguiríamos la erradicación de las enfermedades infecciosas. Estas expectativas se han quedado sin cimiento en los últimos años, ya que se ha constatado la aparición de cepas microbianas resistentes a antibióticos por un uso intensivo o inapropiado de éstos en la medicina humana y veterinaria para el tratamiento y la prevención de enfermedades, o bien por usar los antibióticos como promotores de crecimiento en la producción ganadera. El uso excesivo de antibióticos ha dado como resultado la selección de resistencias a algunos de ellos por parte de algunas poblaciones bacterianas en el trato intestinal de los animales que se utilizan en la cadena alimenticia humana. Eso ha contribuido a la aparición MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL

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de cepas de patógenos resistentes a los antibióticos en la medicina humana. En consecuencia, el conocimiento y la gestión de las poblaciones bacterianas intestinales tanto de los humanos como de los animales relacionados con la cadena alimenticia y de otras poblaciones microbianas extra intestinales, ya sean simbiontes o comensales principalmente en mucosas y en la epidermis, que están directamente o indirectamente relacionadas con el estado sanitario, están adquiriendo un papel esencial.

APLICACIONES DE LA BIOTECNOLOGÍA AMBIENTAL B IORREM EDIA CIÓN

Cualquier proceso que utilice microorganismos, hongos, plantas o las enzimas derivadas de ellos para retornar un medio ambiente alterado por contaminantes a su condición natural. La Biorremediación puede ser empleada para atacar contaminantes específicos del suelo, por ejemplo en la degradación bacteriana de compuestos organoclorados o de hidrocarburos.

  uso de microorganismos naturales (levaduras, Tratamiento de su elos y aguas:  hongos o bacterias) existentes en el medio para descomponer o degradar sustancias peligrosas en sustancias de carácter menos tóxico o bien inocuas para el medio ambiente y la salud humana. Se usa, por ejemplo, la bacteria cupriavidus metallidurans que elimina metales pesados en aguas y suelo y se utilizan como biosensores MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL

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Escuela Acadé mi ca Pr ofesional de I ngeniería Ambi ental C o m p o s t a j e:  descomposición

de

materiales

biodegradables,

normalmente

mezclas de compuestos orgánicos para la estabilización de residuos orgánicos en el suelo. Esta degradación se debe a una intensa actividad microbiana. Ventajas: enriquecimiento del suelo, remediación de la contaminación, prevención de la contaminación y beneficios económicos.

INDUSTRIA

Compañías industriales están desarrollando procesos en el área de prevención, con el fin de reducir el impacto ambiental como respuesta a la tendencia internacional al desarrollo de una sociedad sostenible.   se producen todo tipo de nuevos materiales, Producc ión d e biom ateriales:  biodegradables o no, y más eficientes. Tal es el caso de los bioplásticos, nuevos tejidos, materiales para la construcción (como tela de araña), etc.

Productos

de

consumo

h u m a n o :    La biotecnología puede aumentar del

rendimiento de los cultivos al manipular positivamente el material genético de los alimentos: reduciendo los pesticidas y mejorando la nutrición. B io m in er ía:   es el uso de microorganismos en diferentes aspectos de la

explotación de los minerales, abarcando desde la concentración de las especies de interés (a través de la bioflotación), la recuperación de los elementos presentes en ellas (biolixiviación y biooxidación), hasta su acción en tareas de remediación ambiental. La biolixiviación es una tecnología que usa bacterias específicas para extraer (lixiviar) metales de los minerales. Las ventajas de la tecnología microbiana (biominería) Poca inversión de capital.  Bajos costos de operación necesarios para las operaciones hidrometalúrgicas.   Relativa ausencia de polución o contaminación ambiental durante el proceso.   Permite el tratamiento de minerales con bajo contenido de metal en las minas, los que no pueden ser económicamente procesados por los métodos tradicionales y habitualmente se acumulan sin ningún tipo de tratamiento. 

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Permite explotar los recursos mineros en forma más limpia y más económica siendo esta otra ventaja competitiva.

BIODEGRADACION DE MATERIALES  es la característica de algunas sustancias químicas de poder La biod egradación:  ser utilizadas como sustrato por microorganismos, que las emplean para producir energía (por respiración celular) y crear otras sustancias como aminoácidos, nuevos tejidos y nuevos organismos. Puede emplearse en la eliminación de ciertos contaminantes como los desechos orgánicos urbanos, papel, hidrocarburos, etc. No obstante en vertidos que presenten materia biodegradable estos tratamientos pueden no ser efectivos si nos encontramos con otras sustancias como metales pesados, o si el medio tiene un pH extremo. En estos casos se hace necesario un tratamiento previo que deje el vertido en unas condiciones en la que las bacterias puedan realizar su función a una velocidad aceptable.

La degradación de estos compuestos puede producirse por dos vías:   degradación de organismos que necesitan oxígeno Degradación aerobia:  diatómico para vivir o desarrollarse. Degradación anaerobia:    degradación de organismos que no necesitan oxígeno

en su metabolismo.

DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL

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Las aguas residuales se generan como consecuencia del uso doméstico del agua y de diferentes actividades agrícolas e industriales. Mediantes drenaje y el acantilado estas aguas alcanzan los ríos, lagos y océanos. La contaminación del agua puede ser de naturaleza muy diversa, orgánica e inorgánica, y alteran la sanidad, el pH, la oxigenación o la temperatura del agua. Las aguas naturales tienen cierta capacidad de "amortiguación" ya que pueden auto purificarse: los microorganismos heterótrofos mineralizan los nutrientes orgánicos, el aminio se nitrifica y junto con los nutrientes inorgánicos son inmovilizados por las algas y las plantas superiores acuáticas. Las poblaciones bacterianas patógenas se rehúsen hasta q desaparecen por fenómenos de competencia y depuración. La consecuencia principal de una contaminación por las aguas residuales es el considerable descenso de oxígeno por la actividad de organismos heterótrofos en presencia de sustratos orgánicos abundantes. Esta falta de oxígeno mata a los organismos aeróbicos y se reduce la diversidad biológica.

CONCLUSION Las bacterias son microorganismos unicelulares, los cuales sólo pueden visualizarse adecuadamente a través del microscopio. Se presentan en las más diversas formas y su tamaño es tan diminuto que se miden en micrómetros, es decir, la millonésima parte de un metro. Además, las bacterias se encuentran en cualquier tipo de ambientes, sin excepción, existiendo muchos tipos de bacterias en nuestro planeta. En efecto, la vida en nuestro planeta no existiría sin los microorganismos, las cuales permiten muchas de las funciones esenciales de los ecosistemas. Un microorganismo de tamaño típico es tan pequeña que es completamente invisible a la vista. Los microorganismos son muy importantes para el ser humano, tanto para bien como para mal, debido a sus efectos químicos y al rol que juegan en diseminar enfermedades. Es decir que los microorganismos son una parte esencial de toda la vida en la tierra. La adición de antibióticos y compuestos antibacteriales está MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL

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cambiando a las poblaciones bacterianas del suelo, de las aguas y a nuestra propia micro biota. El reconocimiento de las numerosas e invaluables funciones de los microbios deberá disminuir la fobia a los gérmenes tan prevaleciente en las sociedades.

¡LAS BACTERIAS SON IMPRESIONANTES SERES VIVOS, PERO NO TODOS  AMIGOS!

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