Clasificación Metabólica y Obtención de Energía

Tipos de Nutrición Microbiana

• Quimiolitótrofos: Obtienen energía (E) de oxidar compuestos inorgánicos.
• Quimiorganótrofos: Obtienen su E de la oxidación de compuestos orgánicos.
• Autótrofos: Aquellos que usan CO₂ como fuente de carbono (C) para fabricar su biomasa.
• Heterótrofos: Aquellos que usan materia orgánica como fuente de C para fabricar su biomasa.

Procesos Catabólicos Clave

Fermentación

La fermentación es un proceso catabólico de obtención de energía (E) en ausencia de oxígeno (anaeróbico). Sus productos finales son compuestos orgánicos, que, dependiendo de si son etanol, lactato o CO₂, caracterizan los distintos tipos de fermentaciones. La fuente de carbono (C) y de E de este proceso es materia orgánica.

El primer paso de la fermentación es la glucólisis, donde la glucosa es oxidada hasta formar dos piruvatos. Se obtiene ATP mediante la fosforilación a nivel de sustrato, donde los enlaces fosfato se transfieren directamente al ADP para sintetizar ATP. El NADH producido por la glucólisis es transferido al piruvato para regenerar el NAD⁺ y continuar con la glucólisis.

Respiración

En la respiración, el aceptor de electrones (e⁻) es inorgánico, y la energía se obtiene mediante fosforilación oxidativa.

Mecanismos de Transferencia Genética Horizontal

La transferencia de material genético entre bacterias puede ocurrir mediante tres mecanismos principales:

• Transformación: Adquisición de ADN que está libre en el medio.
• Transducción: Un fago infecta la célula. Por errores en el ciclo de vida del fago, el ADN introducido en la célula no provoca su lisis, y por lo tanto el ADN del fago se replica con la bacteria, transmitiéndose a la descendencia.
• Conjugación: Transferencia de un plásmido conjugativo de forma unidireccional entre una bacteria y otra, mediante un pilus sexual.

Nota: En la transformación y transducción, el donador muere.

Ciclos Biogeoquímicos y Metabolismo Anaerobio

Acetogénesis

Realizada por bacterias anaerobias estrictas que usan el CO₂ como aceptor final de electrones (e⁻). Estos microorganismos pueden crecer de forma quimiorganótrofa o quimiolitótrofa usando H₂ como donador de e⁻. En cualquiera de los casos, el principal desecho de esta respiración anaerobia es el acetato (que es un ácido orgánico utilizable por muchos microorganismos y que, por lo tanto, está dentro del ciclo).

Metanogénesis y Emisiones de CH₄

Llevada a cabo por un grupo de arqueas anaeróbicas estrictas llamadas metanógenas. Usan CO₂ como aceptor de e⁻ y el donador de e⁻ es el H₂. Como producto final producen metano (CH₄). De esta forma obtienen energía del H₂ (quimiolitótrofos).

Estas arqueas son autótrofas, ya que la energía (E) que obtienen del H₂ la pueden usar para la fijación de CO₂ por la vía del acetil-CoA (por lo tanto, son autótrofos y quimiolitótrofos, ya que respiran H₂).

Desnitrificación y Contaminación Atmosférica

Proceso que da como resultado la producción de óxidos de nitrógeno (N). Estos óxidos de N (N₂O y NO) reaccionan con el agua atmosférica produciendo ácido nítrico (HNO₃), el cual precipita con la lluvia causando efectos fatales en el ecosistema. Además, los óxidos de N son gases que contribuyen al aumento del efecto invernadero, por lo que su liberación a la atmósfera no es deseable.

La mayoría del CH₄ emitido a la atmósfera es de origen biológico. Las arqueas metanógenas viven asociadas al rumen de los rumiantes o al sistema digestivo de las termitas. También se encuentran en suelos anóxicos. El CH₄ es un gas de efecto invernadero más potente que el CO₂, por lo que el aumento de emisiones por causas antrópicas, como en cultivos de arroz, es preocupante.

Ecología Microbiana y Estructuras

Interacciones Microbianas

Cometabolismo

El cometabolismo se da por la transformación metabólica innecesaria de una sustancia en otra por parte de un microorganismo que no la utiliza ni como fuente de carbono (C) ni como fuente de energía (E). Para que este fenómeno se produzca, el microorganismo debe estar creciendo a expensas de otro compuesto, que es el que realmente le sirve de fuente de E.

Ejemplo: Si un microorganismo que oxida compuestos aromáticos se encontrase en un entorno en el que también hubiese hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) como contaminante, podría transformarlo metabólicamente en un compuesto que sí fuese metabolizable por otro microorganismo.

Comensalismo

El comensalismo ocurre cuando una población se beneficia mientras que la otra no se ve afectada.

Casos comunes: Una población, durante su crecimiento y metabolismo normal, modifica las condiciones fisicoquímicas y/o nutricionales, beneficiando a otras.

Tapetes Microbianos vs. Biofilms

La principal diferencia entre un tapete microbiano y un biofilm es el nivel de agregación que existe entre los microorganismos que los conforman. A pesar de que en ambas situaciones se dan relaciones de sinergismo:

• En los tapetes microbianos, los microorganismos solo se encuentran dispuestos en capas ordenadas (productores arriba y recicladores abajo), sin que estén unidos.
• En los biofilms, los microorganismos que componen la colonia están embebidos en una matriz de exopolisacáridos y adheridos a una superficie, que puede ser inerte o de tejido vivo.

Anaerobios Estrictos

Los microorganismos anaerobios estrictos no pueden tolerar el O₂ debido a que no cuentan con mecanismos para protegerse frente a las formas tóxicas del O₂, ya sean las producidas por su ruptura o excitación espontáneas o las producidas por el metabolismo aeróbico.

Compostaje: Proceso y Fases

El compostaje consiste en el tratamiento de la fracción orgánica de los residuos sólidos, mediante la descomposición aeróbica controlada.

Factores de Control

Los factores más importantes a controlar son:

• Humedad (40-60%)
• Nutrientes
• pH
• Concentración de O₂ ([O₂])
• Temperatura (Tª)

Fases del Compostaje

1. Fase Mesófila

   El material apilado es colonizado por bacterias y hongos mesófilos, que usan los lípidos, carbohidratos y proteínas del sustrato como fuente de energía (E). A consecuencia de este metabolismo se produce calor, lo que hace que la temperatura aumente hasta el límite (45-55 ºC) y los microorganismos mesófilos mueren.

2. Fase Termófila

   Se produce un autocalentamiento hasta los 55-60 ºC, por lo que es colonizada por bacterias y hongos termófilos, que siguen degradando materia orgánica y aumentando la Tª. En esta fase mueren los microorganismos de la fase anterior, así como los patógenos. Esta fase es deseable por la eliminación de patógenos y la aceleración del proceso. Durante esta fase es necesaria la aireación y el volteo para evitar las condiciones anóxicas en el interior y una distribución heterogénea de la Tª.

3. Fase de Maduración

   Se produce un descenso natural de la Tª, debido al agotamiento de materia orgánica fácilmente degradable, quedando así únicamente la lignina, celulosa y compuestos húmicos. Los organismos mesófilos recolonizan la pila (hongos mesófilos y bacterias). Es un proceso lento en el que se van añadiendo consumidores como nematodos, rotíferos y, posteriormente, escarabajos, hormigas y otros invertebrados.

4. Fase de Secado

   Puede durar desde días a meses. El producto final consiste en un material húmico, y libre de patógenos. Es bueno como abono.