Los microbios y la biotecnología

Transcripción

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

2 Actividad inicial Qué sabes sobre el ciclo del nitrógeno? Realiza la actividad inicial del apartado actividades de la wiki. Pregunta guía Qué función ocupan los microorganismos en los ecosistemas?

3 Relaciones entre los microorganismos y el hombre

4 Relaciones entre los microorganismos y la especie humana Al clasificar las relaciones que los microorganismos establecen con la especie humana en concreto, podemos encontrar tres posibilidades: - Inocuas: Podemos encontrar muchas especies de microorganismos que directamente no se relacionan con la humana, por lo que no le causan ni beneficio ni perjuicio. Sin embargo, como componentes importantísimos de todos los ecosistemas, siempre hay relaciones, aunque indirectas o más difíciles de delimitar. Un ejemplo de ello son los ciclos biogeoquímicos, como el del nitrógeno. - Beneficiosas: El hombre obtiene gran cantidad de beneficios de muchos microorganismos, utilizándolos para la depuración de aguas residuales, producción de combustibles, técnicas biotecnológicas o producción de alimentos, entre otros. - Perjudiciales: Hay muchos microorganismos causantes de enfermedades infecciosas y reciben el nombre de patógenos..

5 Funciones de los microbios en los ecosistemas La variabilidad genética presente en los distintos grupos de microorganismos les permite explotar muchos nichos ecológicos distintos. Tres son las funciones principales que los microorganismos juegan en los ecosistemas: - Productores: Las algas microscópicas y algunas bacterias usan clorofila captando la energía de la luz, mientras que las bacterias quimiosintéticas utilizan energía química. Ambos grupos transforman moléculas inorgánicas en orgánicas que pueden ser usadas por otros organismos como alimento. - Fijadores de nitrógeno: Algunas bacterias son capaces de captar el N 2 atmosférico y fijarlo en forma de nitratos que son utilizables por los productores. Otras bacterias producen nitratos a partir de nitritos. - Descomponedores: Estos microorganismos degradan los detritos (materia orgánica) liberando nutrientes inorgánicos de vuelta al ecosistema.

6 Funciones de los microbios en los ecosistemas

7 Ciclo biogeoquímico del nitrógeno El nitrógeno es un elemento básico para la vida de todos los seres vivos, siendo uno de los más abundantes en la materia viva, donde se encuentra formando parte de moléculas tan esenciales como las proteínas y los ácidos nucleicos. Los distintos grupos de seres vivos utilizan distintas formas de este elemento, que se reciclan en lo que conocemos como el ciclo del nitrógeno. Las bacterias juegan un papel muy importante en el proceso por el que el nitrógeno es reciclado en los ecosistemas. El nitrógeno es el gas más abundante (78%) en la atmósfera pero, cómo llega a los seres vivos? Animación1

8 Ciclo del nitrógeno 1. Fijación biológica del nitrógeno mediante la simbiosis leguminosas-rhizobium (bacteria) y por otras bacterias, como Azotobacter, de vida libre en el suelo. - Rhizobium crea un nódulo en las raíces de las leguminosas donde fija el N 2 atmosférico a amoníaco (NH 3 ) gracias a la enzima nitrogenasa. En esta simbiosis la planta se aprovecha de este nitrógeno a cambio de carbohidratos y un ambiente favorable. - Azotobacter no necesita un hospedador e inmoviliza el fija N 2 atmosférico en el suelo en forma de amoniaco (NH 3 ). - Constituye un 65% de la fijación anual de nitrógeno atmosférico.

9 Ciclo del nitrógeno 2. Fijación industrial del nitrógeno mediante la producción de amoniaco y abonos nitrogenados en la industria, constituyen otra fuente de nitrógeno. - El proceso de Haber-Bosch es la reacción entre el N 2 y el H 2 a lasta temperaturas para producir amoniaco. La importancia de la reacción radica en la dificultad de producir amoníaco a un nivel industrial. - Junto con la fijación biológica, constituye la principal fuente de entrada de nitrógeno en el ecosistema en forma de amoniaco (NH 3 ), constituyendo el 25% de la fijación anual de nitrógeno atmosférico.

10 Ciclo del nitrógeno 3. Fijación espontánea del nitrógeno mediante un proceso natural en el que descargas eléctricas de tormentas, radiación ultravioleta o incendios, entre otras causas, proporcionan la energía requerida para originar óxidos de nitrógeno e incluso amoníaco, a partir de N 2 atmosférico, que eventualmente son arrastrados por el agua de lluvia al suelo. - Constituye un 10% de la fijación anual de nitrógeno atmosférico.

11 Ciclo del nitrógeno 4. Nitrificación: Proceso mediado por dos bacterias del suelo que actúan de forma sucesiva. - Las Nitrosomonas convierten el amoniaco (NH 3 ) en nitrito (NO 2- ). - La bacteria Nitrobacter convierte el nitrito (NO 2- ) en nitrato (NO 3- ). Video1

12 Ciclo del nitrógeno 5. Transporte activo de iones nitrato: Los nitratos son transportado activamente al interior de las raíces mediante gasto de ATP. Los aniones (como el nitrato) no pueden difundir siguiendo el gradiente electroquímico, al estar también cargados negativamente, por lo que son introducidos mediante simporte.

13 Ciclo del nitrógeno 6. Cadena trófica: Las plantas utilizan el nitrato asimilado para fabricar sus proteínas. Los animales se alimentan de las plantas, digiriendo estas proteínas para crear las suyas propias. 7. Muerte y excreción: Los productos de desecho de la excreción y los cadáveres de plantas y animales están repletos de moléculas orgánicas que contienen nitrógeno. 8. Putrefacción: Los descomponedores como las bacterias y hongos degradan las proteínas hasta amoniaco o ión amonio (NH 4+ ), volviendo a estar disponible para las bacterias nitrificantes.

14 Ciclo del nitrógeno 9. Desnitrificación: Las bacterias como Pseudomonas denitrificans eliminan los nitratos del suelo y producen N 2 gas de vuelta a la atmósfera.

15 Condiciones que favorecen la nitrificación BI La conversión de amoniaco/amonio hasta nitrato tiene lugar en dos pasos sucesivos mediados por dos bacterias autótrofas beneficiosas para el medio ambiente. Las condiciones requeridas para que la nitrificación tenga lugar son: - Disponibilidad de oxígeno (la reacción es aeróbica). - ph neutro. - Temperatura cálida.

16 Condiciones que favorecen la desnitrificación BI La conversión de nitrato a nitrógeno gas tiene lugar en condiciones anaerobias, ya que la bacteria autótrofa Pseudomonas utiliza el nitrato como aceptor final de electrones en lugar del oxígeno. Las condiciones requeridas para que la desnitrificación tenga lugar son: - No disponibilidad de oxígeno (suelo compacto o encharcado). - Altos niveles de nitrato. La desnitrificación no es buena para los suelos, ya que elimina los nitratos beneficiosos que las plantas utilizan para crear sus proteínas. Por otro lado, también destruye la capa de ozono, así como contribuir al calentamiento global como gas menor de efecto invernadero.

17 Rotule un esquema del ciclo del nitrógeno BI N 2 Fijación industrial Fijación biológica por Azotobacter Fijación simbiótica por Rhizobium Fijación espontánea por relámpagos Bacterias desnitrificantes NH 3 NH 4 + NO 2 - Bacterias nitrificantes NO 3 - Muerte y excreción Cadenas tróficas

18 Relaciones entre los microorganismos y la especie humana Al clasificar las relaciones que los microorganismos establecen con la especie humana en concreto, podemos encontrar tres posibilidades: - Inocuas: Podemos encontrar muchas especies de microorganismos que directamente no se relacionan con la humana, por lo que no le causan ni beneficio ni perjuicio. Sin embargo, como componentes importantísimos de todos los ecosistemas, siempre hay relaciones, aunque indirectas o más difíciles de delimitar. Un ejemplo de ello son los ciclos biogeoquímicos, como el del nitrógeno. - Beneficiosas: El hombre obtiene gran cantidad de beneficios de muchos microorganismos, utilizándolos para la depuración de aguas residuales, producción de combustibles, técnicas biotecnológicas o producción de alimentos, entre otros. - Perjudiciales: Hay muchos microorganismos causantes de enfermedades infecciosas y reciben el nombre de patógenos..

19 Consecuencias de liberar aguas sin depurar BI La liberación de aguas residuales sin depurar a los ríos era una práctica habitual hasta que a mediados del siglo XIX se demostró que el cólera era transmitido en el agua con contaminación fecal. - La principal consecuencia de liberar aguas residuales no depuradas es la presencia de patógenos en el agua de baño o de consumo.

20 Consecuencias de liberar aguas sin depurar BI Por otro lado, el agua procedente de los cultivos tampoco puede liberarse directamente a un río o acuífero, debido a su alta concentración en fertilizantes nitrogenados (nitratos), los cuales provocan: - Un enriquecimiento anormal en nutrientes que provoca la proliferación de algas. - La superficie cubierta de algas no deja pasar la luz, por lo que mueren las que se encuentran debajo. - Las algas muertas son descompuestas por bacterias aerobias, provocando un aumento de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO). - El aumento de la DBO reduce los niveles de oxígeno en el ecosistema acuático y los peces mueren. - Todo este proceso en conjunto se conoce como Eutrofización. Pero el agua con nitratos no solo afecta a los ecosistemas acuáticos, sino también a los humanos, al ser tóxicos a altas concentraciones.

21 Consecuencias de liberar aguas sin depurar BI Video2

22 Tratamiento de aguas residuales con bacterias saprofitas El tratamiento de las aguas residuales es imprescindible para el mantenimiento de la salud y consiste en una serie de procesos físicos, químicos y biológicos que tienen como fin eliminar los contaminantes presentes en el agua efluente del uso humano. En un primer paso, se elimina toda la materia inorgánica contenida en el agua residual. En segundo lugar, un 90% de la materia orgánica es eliminada mediante la utilización de bacterias saprofitas, que obtienen la energía de dicha materia. Dos tipos de sistemas usados en la actualidad son los lechos con filtros de goteo y los sistemas de cañaverales.

23 Tratamiento de aguas residuales usando lechos de filtros de goteo BI Dicho filtro consiste en un lecho de 1-2 m de ancho relleno de piedras que tienen las bacterias saprofitas adheridas en su superficie. El agua residual entra por arriba y es recogida debajo, ya depurada de materia orgánica. Las bacterias son eliminadas (desinfección) posteriormente en otro tanque.

24 Tratamiento de aguas residuales usando sistemas cañaverales BI Consiste en crecer la vegetación sobre un medio arenoso o con gravas, capaz de mantener un área oxigenada para las raíces de las plantas y las bacterias saprofitas. El agua residual fluye lentamente por el cañaveral, quedando los sólidos no degradables retenidos en el suelo, mientras que los degradables son metabolizados por las bacterias saprofitas, convirtiendo el amonio en nitratos y nitritos, usados por las plantas para crecer. Los nutrientes proporcionados posibilitan que las plantas crezcan, las cuales serán posteriormente recolectadas y usadas como biomasa. Video3

25 Tratamiento de aguas residuales usando sistemas cañaverales BI Aunque soluciona el problema de los altos niveles de nitratos y fosfatos en el agua, un inconveniente es que este sistema sólo puede usarse para pequeñas cantidades de agua contaminada o bien disponer de gran espacio para plantar un gran cañaveral. Este sistema de depuración es interesante para pequeños municipios con menos de 2000 habitantes, que por norma general presentan recursos económicos muy limitados. Además, los sistemas convencionales presentan una alta integración en el entorno natural. Video3

26 Uso de la biomasa para la producción de biocombustibles Encontrar fuentes de energía alternativas a los combustibles fósiles se hace imprescindible en este comienzo del siglo XXI. La biomasa procedente de bosques, productos agrícolas, productos animales y vegetales, incluyendo estiércol, pueden usarse como materia prima para la producción de combustibles tales como metano o etanol. La obtención de etanol (bioetanol) se realiza a partir de plantas ricas en azúcares (remolacha) o almidón (cereales), que tras su hidrólisis hasta azúcares, son fermentados por microorganismos (levaduras o bacterias) produciendo etanol, así como grandes cantidades de CO 2.

27 Generación de metano a partir de biomasa La generación de metano se domina metanogénesis, pudiéndose usar como materia prima distintos tipos de desechos orgánicos animales o vegetales. El metano producido se denomina biogás, compuesto de metano (60-70%) y CO 2 (30-40%).

28 Generación de metano a partir de biomasa Para completar el proceso de metanogénesis, se precisan ciertos grupos de bacterias en un fermentador/biorreactor en condiciones anaerobias: -Unas bacterias acidogénicas para digerir los residuos orgánicos hasta ácidos orgánicos y alcohol. -Otras bacterias acetogénicas para convertir estos ácidos orgánicos y el alcohol en acetato, CO 2 y H 2. -Por último, bacterias metanogénicas para generar el metano, bien mediante la reducción del CO 2 con el H 2 o por descomposición del acetato. Video4

29 Generación de metano a partir de biomasa BI Ciertas condiciones deben mantenerse constantes en el fermentador: - Ausencia de oxígeno. - Temperatura constante de 35 ºC para prevenir un amento de la misma que perjudique a las bacterias. - ph no ácido.