Columnas de Winogradsky y Ciclo del Azufre Diego J. Comerci

Transcripción

1 Columnas de Winogradsky y Ciclo del Azufre Diego J. Comerci

2 Sergei Nikolaievich Winogradsky (Rusia 1856 Francia 1953) 1888 Crea un método original y simple para enriquecer poblaciones bacterianas Quiebra el paradigma del cultivo puro de la microbiología clínica (Koch Pasteur) Descubre una sorprendente variedad de procesos bioquímicos Describe por primera vez la quimioautotrofía (litotrofía) mediante el estudio de Beggiatoa Pionero y fundador de la Microbiología Ambiental y el concepto de Ciclo Biológico de los Elementos

3 ARMADO DE LA COLUMNA 200 g de sedimento superficial y subsuperficial de borde de acequia, lago, arroyo etc. CaCO 3 Fuente de CO 2 para los CLHT CaSO 4 Fuente de SO 4= para la reducción asimilatoria y disimilatoria K 2 HPO 4 Buffer y aporte de potasio Celulosa Fuente de C para los COHT iniciales Agua corriente 1 Semana de Oscuridad (promueve proliferación de COHT- Clostridium spp.) Se genera gradiente ascendente de SH 2 y CO 2 Luego Luz para promover la fotosintesis Al cabo de 2 meses, veremos un desarrollo estratificado de μorg que llevan adelante el proceso de EUTROFICACION

4 CO H 2 O (CH 2 O) + H 2 O + O 2 SH O 2 H 2 SO 4 2 SH 2 + O 2 2 S H 2 O 2 S 0 + O 2 + H 2 O S 2 O 3 = + 2 H + S 2 O 3 = + 2 O 2 + H 2 O 2 SO 4 = + 2 H + CO SH 2 (CH 2 O) + 2 S 0 + H 2 O CO SH 2 (CH 2 O) + 2 S 0 + H 2 O 3CO + 2 S H 2 O 3 (CH 2 O) + 2 H 2 SO 4 (CH 2 O) n + 2 S0 4 = + 8H + (CH 2 O) n-1 + CO 2 + S = + H 2 O

5 El ciclo del S es un modelo ideal para entender las biotransformaciones de la columna Estados de oxidación del S S = S 0 S 2 O = 3 SO = 3 SO = 4 (-2) (0) (+2) (+4) (+6) En el ciclo participan microorganismos con metabolismo fototrófico y quimiotrófico- obtienen carbono auto o heterotróficamente y usan compuestos orgánicos o inorgánicos como Fte. de poder reductor Sigue la dinámica del ecosistema de la SULFURETA

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7 Cubo Trófico Se definen 3 regiones dentro del cubo: Una fase representando la disponibilidad de O 2 del ambiente Una fase representando el estado REDOX del ambiente Una fase fisiológica representando la capacidad de asimilación biológica de carbono

8 Quedan definidos 4 subespacios que permiten describir las principales características metabólicas de cualquier organismo

9 Las plantas y microorganismos reducen Sulfatos y lo incorporan en varios compuestos orgánicos como aminoácidos. REDUCCION ASIMILATIVA del SULFATO SO ATP APS + ATP PAPS + NADPH SO NADPH H 2 S O-acetilserina + H 2 S Cisteina + Acetato En el semiplano vertical del cubo metabólico, entre las fases Hetero y Autróficas

10 En la región I del cubo ubicamos al metabolismo CHEMOLITOTROFICO Bacterias deslizantes del género Beggiatoa y Thiothrix (gliding motility) En la región donde están presentes O 2 y SH 2 compiten con la oxidación espontánea!!!! A ph neutro y en condiciones redox apropiadas el SH 2 tiene una vida media de 10min oxidándose espontaneamente a S 0.

11 CO 2 para biosíntesis ATP y NADPH por oxidación de sulfuro (CLAT- región I) 2 SH 2 + O 2 2 S H 2 O También Thiobacillus puede acumular S 0 o exportarlo al medio. SH 2 S 0 S 0 SO 3 = = = = S 2 O 3 S 2 O 3 S 4 O 6 APS Politionatos SO 4 = SO 4 = 8 e - y 184 Kcal/mol que van a síntesis de ATP Aunque pueden crecer bien como CLAT muchas veces no pueden usar CO 2 como Fte. de C, por lo tanto son CLMT y se pueden ubicar en zona IV o en el semiplano vertical dentro de la fase aerobia

12 Metabolismo Fototrófico Región II del cubo Anaerobios que requieren Luz y Compuestos inorgánicos reducidos Rosa Púrpura Violeta Anaranjado Verde Cyanobacteria (algas verde-azuladas) Rhodospirillaceae (púrpuras no-sulfurosas) Chromatiaceae (púrpuras sulfurosas) Chlorobiaceae (verdes sulfurosas) Tolerancia al SH 2 Chlorobium Chromatium Rhodospirillaceae 4-8mM mm mm

13 Cyanobacteria Son PLAT (clorofila A + ficobiliproteínas) Región Aeróbica o Microaerofílica de la Columna 6 CO H 2 0 C 6 H 12 O O 2 ZONA I del cubo sin participar del ciclo CO SH 2 C 6 H 12 O S0 4= + H2O ZONA II participando del ciclo Involucran los mismos reactivos y productos que los CLT pero mediante un proceso diferente Filamentos de Cyanobacteria que predominan en la region superior de la columna

14 Rhodospirillaceae (Alfa-Proteobacteria) Amplia Diversidad Metabólica Autotrofos facultativos Región II (PLAT) Pero también como PLHT en Región III haciendo el mismo uso del del SH 2 O como POHT usando orgánicos como dadores de e - en la fotosíntesis y usando C celular (Región III pero sin participar del ciclo) Rhodospirillum y Rhodopseudomonas pueden ser COHT aerobicamente, entonces ocupan la región IV sin participar del ciclo. Sistemas lamelares o esféricos contínuos con la MP donde se encuentra la bacterioclorofila a o b No metabolizan S 0 Purpuras No-Sulfurosas

15 Purpuras Sulfurosas Chromatiaceae y Ectothiorhodospiraceae (γ-proteobacteria) Amplia diversidad metabólica (PLAT- PLHT- POHT) ocupando subespacios II y III Son anaerobios estrictos Oxidan SH 2 a S 0, el cual se deposita como gránulos intracelulares en invaginaciones de la membrana plasmática. Eventualmente pueden oxidar S 0 a SO 4 2- o usar al H 2 como dador de e- Como las PNS, poseen sistemas esféricos o lamelares contiguos a la membrana donde se alojan los fotosistemas (bacterioclorofila a o b) Géneros Chromatium y Thiocapsa son comúnes en la columna

16 VERDES SULFUROSAS Chlorobiacea FotoAutotrofos estrictos (PLAT o PLMT) S = o S 0 como dador de e - en fotosíntesis Usan CO 2 en la asimilación pero también algunos orgánicos, en general acetato Ocupan espacio II o III, o en el semiplano vertical de la región anaeróbica Son inmóviles, anoxigénicos y anaerobios estrictos Usan SH 2 como dador de e-,oxidandolo a S 0 y luego a SO 4 2- como las PS, pero depositan S 0 en el exterior. Los fotosistemas estan en los clorosomas (bacterioclorofila a + c, d ó e) No poseen ciclo de Calvin, la autotrofía ocurre por el ciclo reverso del ácido cítrico!! Chlorobium, Pelodictyon, Prostechochloris

17 REDUCTORES ANAEROBICOS DE SULFATOS Respiración anaeróbica de SO 4= que cierran el ciclo del S COHT (región III) que aportan el SH 2 y utilizan el C orgánico provisto por los PLAT y CLAT Reducción Disimilativa del Sulfato Clostridium, Desulfovibrio y Desulfotomaculum SO C organic + 2H 2 O H 2 S + 2HCO 3

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19 Esta columna es bien sulfurosa gracias a que el sedimento arenoso permite la difusion del gas, en consecuencia es bien anaerobia. Observen el desarrollo de las purpura sulfurosas (Chromatium, en este caso) en la parte superior del sedimento, y verdes sulfurosas por debajo. La columna de agua tiene muy buen desarrollo de bacterias CLT oxidadoras de sulfuro, como Beggiatoa.

20 Observen la estratificación en la parte superior del sedimento y los manchones verdes y purpura. La capa blanquecina en la parte superior corresponde a los oxidantes de sulfuro (CLT), que marcan el límite entre la zona aerobica y anaerobica.

21 Esta en cambio contiene menos sulfuro ya que el sedimento es muy arcilloso y compacto, lo que dificulta la difusión del gas. En consecuencia, la fase acuosa es aerobia. Po eso observamos buen desarrollo de cyanobacteria filamentosas y algunas colonias de Purpuras Sulfurosas en lo profundo del sedimento. El color negro del sedimento se debe a la precipitacion de sulfuros (negro e insoluble) debido al exceso de SH 2 que no pueden ser canalizado a fotosintesis. Las burbujas de gas atrapado en el sedimento es probablemente metano.

22 Esta columna no contiene sulfuro y es pobre en materia organica; en consecuencia es completamente aeróbica. Es rica en cyanobacteria y en algae, genera mucho gas (probablemente oxigeno). Dada la ausencia de sulfuros tóxicos, la columna de agua es rica en protistas y crustaceos.

23 Conclusiones Cuando se logra establecer una sulfureta, no hay requerimientos cuantitativos de S para mantener el desarrollo de PLT y CLT, el sistema es autosustentable Así, el S0 4= producido en los subespacios I y II es vuelto a reducir por respiración anaeróbica en el subespacio III por las reductoras de sulfato, cerrando el ciclo. El único requerimiento es la fuente de C orgánico para generar los productos de la fermentación necesarios para las sulforeductoras Los procesos bioquímicos utilizados por estos μorg para obtener energía (ATP y poder reductor) y fuente de C son los mecanismos mas eficientes para sortear las condiciones fisicoquímicas adversas imperantes en estos habitats En cada paso del ciclo de los elementos siempre está implicado algun grupo de organismos Un μorg particular y sus productos metabólicos suele servir como fuente de nutrientes esenciales para otros organismos, generándose una red trófica