apunte clases teoricas - Facultad de Ciencias Agropecuarias | UNC

COMPLEMENTO TEÓRICO DE
MICROBIOLOGÍA AGRÍCOLA
FACULTAD DE CIENCIAS AGROPECUARIAS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CÓRDOBA
ÍNDICE
UNIDAD TEMA
Página
I
Grupos microbianos
1
II
Metabolismo microbiano
41
III
Taxonomía y crecimiento bacteriano
67
IV
Ecología microbiana
79
V
Degradación de compuestos orgánicos en el suelo
93
VI
Disponibilidad de nutrientes para las plantas
113
VII
Fijación biológica de N2
129
VIII
Fertilizantes biológicos
143
IX
Degradación de residuos orgánicos
155
X
Microbiología del agua
163
XI
Procesos microbianos de la conservación y producción de alimentos
179
XII
Microbiología ruminal
203
Personal de la Asignatura que participó en la elaboración y corrección de este
Complemento Teórico
Ing. Agr. Dr. Enrique Iván Lucini
Dra. Carolina Merlo
Dra. Laura Belén Noé
Dra. Marina Bruno
Biol. Carolina Vázquez
Ing. Agr. Lucas Dubini
Ing. Agr. Aylen Ocampo
Ing. Agr. Boris Camiletti
Bioq. María Paula Martín
Ing. Agr. Soraya Salloum
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 1
UNIDAD I: GRUPOS MICROBIANOS
Importancia del estudio de la microbiología
La microbiología es una ciencia que trata el estudio de los microorganismos,
un extenso y variado grupo de organismos microscópicos que existen como
células aisladas o que viven formando agrupaciones celulares que se pueden
observar a simple vista. La microbiología también incluye el estudio de los
virus, ya que son organismos microscópicos, pero que no son considerados
células. Por lo tanto, la microbiología como ciencia se centra en dos temas
principales: a) la comprensión de los procesos vitales básicos que ocurren en
los microorganismos (metabolismos) y b) la aplicación de ese conocimiento
para beneficio de la humanidad.
El estudio de la microbiología es importante debido a que los
microorganismos están implicados en numerosos procesos y conflictos que
son importantes en la industria, la medicina y la agricultura. Los
microorganismos constituyen en conjunto la biomasa mayor del planeta y
realizan numerosos procesos que son necesarios para el desarrollo de otros
organismos. En ausencia de microorganismos nunca podrían haber surgido
otras formas de vida ni podrían mantenerse en la actualidad. Incluso el
oxígeno que respiramos actualmente es consecuencia de la actividad
microbiana del pasado.
Los microorganismos pueden ser benéficos o perjudiciales para el
hombre. Es importante destacar, que algunas de las enfermedades más
importantes
de
humanos,
animales
y
plantas
son
causadas
por
microorganismos, pero por otro lado, los microorganismos desempeñan
importantes funciones en la fertilidad de los suelos y en la producción animal.
Además, muchos procesos industriales a gran escala se basan en el uso de
microorganismos.
Como el estudio de los microorganismos abarca una gran cantidad de
tipos, morfologías, usos y características, la microbiología se encuentra
dividida en numerosas subdisciplinas. Particularmente, la Microbiología
Agrícola es una subdisciplina de la Microbiología que tiene como objetivo el
estudio de los procesos microbiológicos que se producen en el suelo, agua,
alimentos, etc. y que involucran a la producción agropecuaria.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 2
Los microorganismos contribuyen de manera global al funcionamiento
de los ecosistemas del planeta y ayudan al desarrollo sostenible de la biósfera.
En este sentido, desde un punto de vista ecológico, los microorganismos que
habitan el suelo (microorganismos edáficos) constituyen el estamento de los
descomponedores, que junto a los productores (plantas) y consumidores
(herbívoros y carnívoros) son la base del funcionamiento de los ecosistemas.
Los organismos descomponedores son los responsables de la degradación de
los restos orgánicos muertos y la liberación de nutrientes que servirán de base
para la productividad primaria del sistema, cerrando el ciclo de los elementos
(Figura 1).
Fig. 1: Cadena trófica en ecosistemas naturales
La actividad de los microorganismos edáficos es de suma importancia
en los sistemas agropecuarios, debido a que existe una elevada extracción de
nutrientes provocada por las cosechas y el pastoreo (Figura 2). En la
actualidad, el estudio de los microorganismos edáficos cobra especial
relevancia teniendo en cuenta que se persigue una productividad agrícola
sustentable, la preservación del ambiente y la producción de alimentos
orgánicos.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 3
Fig. 2: Cadena trófica en agroecosistemas
Desde el punto de vista industrial, los microorganismos son cultivados
a gran escala, para obtener productos comerciales o realizar importantes
transformaciones químicas. La industria pretende potenciar las reacciones
metabólicas que pueden realizar los microorganismos para producir en mayor
cantidad (alto rendimiento) el producto de interés. De esta forma, se pueden
producir biofertilizantes (inoculantes), productos farmacéuticos (antibióticos),
aditivos alimenticios (aminoácidos y vinagre), enzimas, productos químicos
(alcohol o ácido cítrico), y bebidas como el vino y la cerveza entre otras.
Características de los microorganismos
Se denomina microorganismo a la forma de vida que se desarrolla en una sola
célula. Aunque el organismo esté compuesto por más de una célula
(pluricelular), cada célula es funcionalmente autónoma en sí misma. Los
microorganismos no poseen tejidos ni órganos, es decir que no presentan
células especializadas en cumplir una única función como sucede en los
organismos superiores, por ejemplo células especializadas en el transporte
(xilema de las plantas), células especializadas en la absorción de nutrientes en
animales (células intestinales), etc.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 4
Hay una serie de características propias de los microorganismos que
les confieren particularidades de carácter funcional muy importantes:
 Tamaño reducido: en general, las células microbianas son muy pequeñas
particularmente las procariotas. Cada célula microbiana varía en general entre
1 y 15 m (entre 10 y 100 veces menor que una célula vegetal).
 Superficie de intercambio muy grande: tener mucha superficie en relación al
volumen corporal le otorga a las células alta capacidad de intercambio con el
medio. Esto significa que los organismos tienen una alta tasa de absorción (de
agua, gases, alimentos) y de excreción. Ser una célula de tamaño pequeño
tiene sus ventajas. Las células pequeñas poseen más área superficial en
relación al volumen celular que las células más grandes; es decir, tienen una
relación
superficie/volumen
mayor.
Además,
el
hecho
que
muchos
microorganismos presentan células de formas esféricas o cilíndricas les
confieren mayor superficie en relación al volumen del cuerpo.
 Alto metabolismo: es conocido que todos los organismos vivos muestran
alguna forma de metabolismo. Dentro del entramado del compartimiento físico
que define a una célula, se toman nutrientes del medio externo y se los
transforma químicamente. Durante este proceso se produce energía y se
eliminan productos de desecho. Una alta tasa de absorción determina una alta
disponibilidad de nutrientes, lo que favorece un metabolismo muy activo. Por
esta causa, se sabe que los organismos de tamaño reducido tienen una tasa
metabólica más elevada que los de mayor tamaño.
 Reducido tiempo de generación: todo organismo con alta tasa metabólica
tiende a tener también una alta tasa reproductiva. Este hecho, sumado a que
los microorganismos se reproducen generalmente de manera asexual (por
fisión binaria), hace que las divisiones celulares sean muy frecuentes (algunos
se dividen cada 15 minutos) y que el aumento de la población sea exponencial.
Esto se aprecia muy bien en la aparición y rápida difusión de enfermedades
provocadas por los agentes microbianos.
 Alta diversidad genética: cuando el ADN se duplica frecuentemente, tiene
altas probabilidades de sufrir mutaciones. Los microorganismos presentan altas
tasas de mutaciones lo cual provoca que la variabilidad genética sea muy alta y
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 5
que la variación genotípica en bacterias sea evidente en cortos períodos de
tiempo.
 Distribución muy amplia: el hecho de tener alta variabilidad genética confiere
a los microorganismos la posibilidad de adaptarse a ambientes muy diferentes
(ubicuidad). Prácticamente no existe ningún lugar en el planeta que no esté
habitado por microorganismos (salvo la sangre y órganos de animales sanos).
 Variabilidad metabólica: esta alta capacidad de adaptación lleva implícito
que los microorganismos puedan tener una enorme variedad de metabolismos
totalmente diferentes del resto de los organismos vivos. Esa particularidad hace
que sean los únicos responsables de procesos clave en los ecosistemas como:
la liberación y disponibilidad nutrientes para las plantas, la descomposición y
detoxificación de elementos contaminantes, etc. Además, esta amplia
variabilidad metabólica permite la utilización de muchos procesos metabólicos
microbianos en la industria.
Microorganismos: grupos microbianos
Desde el punto de vista morfológico-funcional se pueden diferenciar tres
grandes grupos de microorganismos: procariotas, eucariotas y virus.
Microorganismos procariotas
Son microorganismos que poseen células procarióticas. Dentro de este gran
grupo se encuentran las eubacterias (bacterias verdaderas), los actinomycetes,
las cianobacterias, y otros grupos de menor importancia para la microbiología
agrícola (por ejemplo: arqueas, rickettsias, mixobacterias, etc.).
Eubacterias
Las eubacterias pertenecen al dominio Bacteria y constituyen más del 90% de
la biomasa activa del suelo. Las eubacterias son microorganismos unicelulares,
Gram positivos o Gram negativos, aeróbicos o anaeróbicos, que pueden
presentar forma de cocos, bacilos o espirilos. El grupo de las eubacterias
contiene una enorme variedad de procariotas, algunos patógenos y otros no.
Muchos son descomponedores de la materia orgánica y responsables de la
liberación de nutrientes. Además, muchas especies de eubacterias son
patógenas de gran importancia en sanidad animal, humana y vegetal.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 6
Actinomycetes
Los actinomycetes forman un grupo de bacterias Gram positivas filamentosas
aeróbicas o anaeróbicas. Estas bacterias al crecer y ramificarse forman
estructuras en forma de redes semejantes a las de los micelios de los hongos
filamentosos pero mucho más pequeños (Figura 3). Son bacterias que forman
esporas asexuadas que suelen denominarse conidios y que no son análogas a
las de las endosporas (estructuras reproductivas de resistencia) de las
bacterias Gram positivas. Si bien pueden existir algunos actinomycetes
acuáticos, la mayoría son terrestres y tienen enorme importancia en los suelos,
ya que algunos pueden producir enzimas hidrolíticas extracelulares lo cual les
permite utilizar grandes moléculas orgánicas como polisacáridos (almidón,
celulosa y hemicelulosa), proteínas y lípidos. Algunos pueden descomponer
hidrocarburos, lignina y taninos. Causan habitualmente un olor semejante a
tierra mojada debido a un compuesto que presentan: la geosmina. Algunas
especies de actinomycetes son parásitos de plantas, como el agente de la
sarna de la papa (Streptomyces spp.) o de animales, por ej., el causante de la
tuberculosis y la lepra (Mycobacterium spp.). Además, pueden producir más de
60 tipos de antibióticos que son habitualmente utilizados en la medicina
humana y veterinaria.
Fig.3: Actinomycetes.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 7
Cianobacterias
Las cianobacterias son microorganismos fotosintéticos uni o pluricelulares
(filamentosos) que viven en ambientes terrestres y acuáticos (agua dulce o
marinos). La estructura de la pared bacteriana de cianobacterias es similar a la
de bacterias Gram negativas. Muchas cianobacterias producen cubiertas
mucilaginosas denominadas vainas, que unen entre sí grupos de células o de
filamentos (Figura 4). Filogenéticamente, las cianobacterias representan la
transición entre las bacterias y las plantas superiores, ya que los orgánulos
fotosintéticos de los eucariotas (cloroplastos), están relacionados con las
cianobacterias. Las cianobacterias han sido muy importantes para el desarrollo
de la vida en la tierra ya que fueron los primeros organismos con fotosíntesis
oxigénica (con producción de oxígeno) que aparecieron en la tierra. La
producción de oxígeno en la tierra primitiva permitió el posterior desarrollo de
organismos superiores como las plantas, animales y el hombre.
Las cianobacterias tienen pigmentos fotosintéticos como la clorofila a,
ficocianinas y ficobilinas que les otorgan un típico color azul-verdoso. La
importancia de las cianobacterias radica en que constituyen un componente
muy importante de la productividad primaria en ambientes acuáticos. En la
actualidad, estas bacterias tienen relevancia por su desarrollo masivo (sufren
explosiones poblacionales de gran magnitud) en ambientes lacustres ricos en
nutrientes (eutroficados), como es el caso del Lago San Roque (Córdoba). Las
cianobacterias pueden producir toxinas en estos sistemas que afecten al
hombre o animales, pero además, generan mal olor en el agua y su desarrollo
masivo muchas veces dificulta los procesos de potabilización.
Heterocisto
Fig. 4: Cianobacterias
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 8
Arqueas
Son microorganismos extremófilos, siendo capaces de crecer a valores
extremos de pH, mayores temperaturas y salinidades que cualquier otro
organismo conocido (Figura 5). Las arqueas son microorganismos constituidos
por células procarióticas que presentan varias modificaciones morfológicas,
principalmente la membrana celular, lo cual les otorgar mayor resistencia para
tolerar las condiciones ambientales extremas. Son organismos dominantes en
lugares de alta salinidad (salares), alta temperaturas (cráteres de volcanes),
baja cantidad de oxígeno (fondos marinos), etc. Algunas arqueas son muy
relevantes porque son metanógenas (producen metano) como parte integral de
su metabolismo.
Fig. 5: Arqueas
Microorganismos eucariotas
Son microorganismos constituidos por células eucariotas e incluyen a grupos
como las algas, protozoos y hongos.
Algas
Las algas son los típicos organismos eucariotas que realizan fotosíntesis
oxigénica y que habitan generalmente en ambientes acuáticos (de agua dulce y
marinos). Las algas pueden ser unicelulares microscópicas (constituyendo el
fitoplancton) o pluricelulares (filamentosas) y de gran tamaño viviendo fijas o
flotantes en el agua (Figura 6). Existen varios tipos y morfologías de algas, sin
embargo, las más conocidas son las algas verdes y las rojas. Las algas verdes
(clorófitas) crecen principalmente en agua dulce y tienen clorofila a y b pero
carecen de ficobilinas. Otras como las algas rojas (rodófitas) tienen clorofila a y
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 9
un pigmento llamado ficoeritrina que les otorga el color rojo característico.
Estas algas viven predominantemente en hábitats marinos. La importancia de
las algas radica en que son productores primarios en ecosistemas acuáticos.
Volvox
Micrasterias
Scenedesmus
Rodophyta: Gracilaria
Fig. 6: Fotomicrografía de algas verdes unicelulares típicas.
Protozoos
Los protozoos son microorganismos unicelulares que no presentan pared
celular. Pueden ser ameboidales, móviles (ciliados o flagelados) o inmóviles.
Pueden ser acuáticos (marinos o de agua dulce) y terrestres (Figura 7).
Muchos pueden ser predadores de bacterias, otros son saprofitos y también
pueden ser parásitos. Muchos juegan un importante rol en la salud humana ya
que son los responsables de importantes enfermedades como la enfermedad
de Chagas, donde el protozoo (Trypanosoma cruzi) es transmitido a través de
la vinchuca; o la malaria, donde el protozoo (Plasmodium spp.) es transmitido
por los mosquitos.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 10
Stentor
Vorticella
Paramecium
Sin pared
celular
Móviles o
inmóviles
Ameba
Predadores
Saprófitos
Parásitos
Didinium
Fig. 7: Protozoos más comunes en suelo y agua
Hongos
Los hongos constituyen un gran grupo de organismos, diversos y muy
extendido que incluye a los mohos, setas y levaduras. La mayoría de los
hongos son pluricelulares y forman un entramado de filamentos denominados
hifas. Las hifas a menudo crecen juntas formando unos ovillos compactos
denominados colectivamente micelios. Las hifas pueden ser septadas (con
paredes que la dividen en células separadas) o cenocíticas (muchos núcleos
sin formación de septos) (Figura 8). Los hongos forman esporas asexuadas
(conidios) a partir de hifas que se extienden desde el micelio. No obstante,
algunos hongos pueden formar estructuras reproductivas macroscópicas
denominadas setas (cuerpos de fructificación) que también producen esporas.
Sin embargo, hay hongos como las levaduras que son unicelulares y
microscópicos (Figura 9).
Los hongos tienen hábitats muy diversos, sin embargo la mayoría son
terrestres. Estos organismos habitan el suelo o sobre la materia vegetal muerta
y cumplen una importante función en la degradación de la materia orgánica.
Una función ecológica importante de los hongos es la descomposición de la
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 11
lignina (constituyente importante de plantas leñosas) y de la celulosa. Algunas
especies de hongos establecen simbiosis con algas superiores o con
cianobacterias, formando los organismos llamados líquenes.
Hifas: a) cenocítica, b) tabicada mononucleada, c) tabicada binucleada
Fig. 8: Tipos de hifas de hongos
Fig. 9: Hongos uni y pluricelulares. Levaduras y Aspergillus (derecha)
Muchos hongos son responsables de enfermedades con relevancia
económica de plantas cultivadas. Otros pueden causar enfermedades en
animales o en el hombre (micosis). Pero también algunos son importantes para
el hombre ya que son utilizados para la síntesis de antibióticos y para algunos
procesos fermentativos.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 12
Virus
Los virus representan una clase importante de microorganismos, sin embargo,
no son considerados células, debido a que carecen de muchos atributos
presentes en ellas. Por ejemplo, un virus sólo adquiere el atributo clave de
todos los sistemas vivos (reproducción), cuando infecta a una célula. Además,
a diferencia de las células, los virus no tienen capacidad metabólica propia. Por
lo tanto son considerados parásitos intracelulares obligados de células vivas.
Esta característica provoca que sean causantes de importantes enfermedades
en plantas, animales y el hombre. Sin embargo, también pueden infectar
bacterias (bacteriófagos) (Figura 9) y arqueas.
Los virus presentan una amplia diversidad de formas y tamaños y son
unas 100 veces más pequeños que las bacterias. Una partícula vírica
completa, conocida como virión, consiste en un ácido nucleico rodeado por una
capa proteica protectora llamada cápside. Las cápsides pueden tener forma
helicoidal o icosaédrica. Además, los virus pueden estar rodeados de una
envoltura que es una capa lipídica externa que rodea al virus (Figura 10).
Fig. 10: Estructura de bacteriófago
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 13
Fig. 10: Diferentes tipos de virus
Células microbianas
Un análisis detallado de la estructura celular interna de las células microbianas
y de otras propiedades permite diferenciar dos tipos de células: las procariotas
y las eucariotas.
Las células procariotas son las más simples estructuralmente (no
presentan orgánulos celulares) y también en general son las más pequeñas.
Como toda célula, están delimitadas por una membrana plasmática que
contiene pliegues hacia el interior (invaginaciones) que están relacionados con
diversas funciones. La célula procariota por fuera de la membrana plasmática
está rodeada por una pared celular. En el interior de la célula es posible hallar
una región más densa, llamada nucleoide, donde se encuentra el material
genético (ADN). Es decir que el ADN no está separado del resto del citoplasma
por una membrana nuclear como ocurre en eucariotas. Las células procariotas
pueden tener distintas estructuras que le permiten la locomoción y el
movimiento (Figura 11).
En cambio, las células eucariotas tienen un modelo de organización
mucho más complejo que las procariotas (Tabla 1). Su tamaño es mucho
mayor y en el citoplasma es posible encontrar un conjunto de estructuras
celulares rodeadas por membranas que cumplen diversas funciones y que en
conjunto se denominan organelas u orgánulos celulares. Entre las células
eucariotas podemos distinguir dos tipos de células que presentan algunas
diferencias: células animales y vegetales. Las células animales (Figura 13) no
poseen pared celular y las células vegetales presentan por fuera de la
membrana plasmática, una pared celular que les brinda protección y que tiene
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 14
una composición distinta (celulosa) (Figura 12) a las paredes que se
encuentran en las células procariotas (peptidoglicano).
Fig. 11: Estructura de una célula procariota típica
Fig. 12: Estructura de una célula eucariota vegetal
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 15
Fig. 13: Estructura de una célula eucariota animal
Tabla 1. Principales diferencias entre células procariotas y eucariotas
CELULA PROCARIOTA
Núcleo
CÉLULA EUCARIOTA
no envuelto por membrana
envuelto por membrana
un cromosoma circular
varios cromosomas
fisión binaria
mitosis
Aparato fotosintético
en membranas (tilacoides)
en cloroplastos
Aparato respiratorio
en membranas
en mitocondrias
70s
80s
Cromosomas
División celular
Tipo de ribosomas
Pared celular
Tamaño
Orgánulos
peptidoglicano
sin pared o con pared de
celulosa
<1 y 15 m
10-100 µm
no posee
si posee
Relaciones evolutivas entre los microorganismos
Aunque las células se puedan diferenciar entre procariotas y eucariotas, la
estructura celular no implica necesariamente una relación evolutiva. Sin
embargo, en la actualidad se pueden determinar relaciones filogenéticas
(evolutivas) entre los microorganismos a través de técnicas de la biología
molecular. Estos métodos se basan en comparaciones de la secuencia de
ácidos nucleicos, particularmente la secuencia del ARN ribosomal. Por lo tanto,
los cambios en la secuencia del ARN ribosomal pueden ser usados como una
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 16
medida para establecer relaciones evolutivas entre los organismos. En el caso
de los microorganismos, a partir de los estudios hechos sobre las secuencias
del ARN ribosomal 16S (para células procariotas) y 18S (para células
eucariotas), se pueden definir tres dominios o linajes celulares evolutivamente
diferentes. Dos de estos linajes presentan células procariotas y uno de ellos
presenta células eucariotas (Figura 14). Los grupos o linajes son:
- Dominio Bacteria: comprende a organismos unicelulares con células
procariotas y pared celular compuesta por peptidoglicano.
- Dominio Archaea: organismos procariotas unicelulares y cuya pared
celular no presenta peptidoglicano.
- Dominio Eukarya: comprende todos los organismos que presentan
células eucariotas (entre los Eukarya que son microorganismos encontramos a
los hongos, protozoos y algas).
Se piensa que estos tres linajes evolutivos se originaron muy pronto en
la historia de la vida sobre la tierra por divergencias a través un organismo
ancestral en común.
Fig. 14: Árbol filogenético de los seres vivos deducido a través de la secuenciación
comparativa del gen del ARN ribosomal. El árbol está formado por los tres
dominios: Bacteria y Archaea (organismos procariotas) y Eukarya (organismos
eucariotas). Solamente se muestran algunos organismos representativos dentro de
cada dominio.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 17
Morfología de los procariotas
En microbiología, el término morfología hace referencia a la forma de las
células. Las células procariotas presentan morfologías variadas. La mayor
parte de las bacterias tienen una forma característica, que permanece más o
menos constante, aunque puede estar influenciada por las condiciones
ambientales. Dentro de las morfologías más comunes encontramos bacterias
con formas esféricas u ovoides que se denominan cocos. Cuando las bacterias
presentan una forma cilíndrica se denominan bacilos. Algunos bacilos se
curvan en forma espiral y entonces se denominan espirilos (Figura 15). Sin
embargo, muchas veces, las células de los procariotas se mantienen juntas
después de la división celular formando grupos, y estas asociaciones
frecuentemente son características de los diversos géneros. En algunos casos,
los cocos forman cadenas como resultado de haberse dividido siempre en el
mismo plano. La longitud de tales cadenas puede ser corta (2 células) y en ese
caso se llaman diplococos o largas (estreptococos). Además, algunos cocos
pueden formar conjuntos parecidos a racimos de uva (estafilococos) y otros se
disponen en agrupaciones cúbicas tridimensionales llamadas sarcinas (Figura
15).
Cocos
Bacilos
Apendices bacterianos
Fig. 15: Morfología Bacteriana
Otros
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 18
Estructuras celulares de las células procarióticas
Los componentes estructurales de las células procariotas pueden dividirse en
dos grupos: elementos comunes (invariables), es decir, que se encuentran en
todos los procariotas y que son absolutamente esenciales para la vida, y
elementos no comunes (variables), que se encuentran en algunas células (no
en todas) y que están asociadas a funciones específicas (Tabla 2).
Tabla 2: Estructuras celulares de las células procariotas.
ELEMENTOS COMUNES
ELEMENTOS NO COMUNES
Pared celular
Plásmidos
Membranas
Flagelos
Mesosomas
Pilis
Tilacoides
Cápsulas
Vesículas
Pedúnculos
Zona nuclear
Vainas
Cromosoma
Ribosomas
Sustancias de reserva
Vacuolas
Pigmentos
Endosporas
Elementos comunes: Estructuras invariables
Pared celular: Mureína (Peptidoglicano)
Dada la gran concentración de solutos que se alcanza en el interior de la célula
bacteriana (gran presión de turgencia), las células bacterianas desarrollan
paredes celulares. Las paredes celulares de procariotas presentan una capa
rígida que es la que le otorga resistencia a la pared celular. La pared celular es
químicamente diferente a la de células eucariotas, siendo uno de los caracteres
distintivos entre los organismos procariotas y eucariotas.
La función de la pared, aparte de dar rigidez a la célula, también es
brindar protección ya que protege a las membranas de los detergentes y
tóxicos que pueden dañar a la células, es sitio diana (donde actúan) además de
los antibióticos. La capa que le confiere rigidez a la pared celular se denomina
peptidoglicano o mureína. La mureína es un heteropolímero que está formado
por dos derivados de azúcares: la N-acetilglucosamina (G) y el ácido N-
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 19
acetilmurámico
(M)
y
un
pequeño
grupo
de
aminoácidos.
La
N-
acetilglucosamina y el ácido N-acetilmurámico están conectados por uniones
glicosídicas β-1,4; pero además el ácido N-acetilmurámico se une mediante
uniones peptídicas a una cadena de 4 aminoácidos llamada tetrapéptido del
glicano: L-alanina, D-alanina, D-glutámico y lisina o ácido diaminopimélico
(DAP) (Figura 16).
Durante la síntesis de peptidoglicano se generan largas cadenas que
forman una lámina que rodea a la célula. Las cadenas se conectan entre sí por
enlaces peptídicos que se establecen entre los aminoácidos del tetrapéptido. El
tetrapéptido puede variar en un aminoácido (varía en lisina o alternativamente
en DAP).
La mureína (peptidoglicano) es un compuesto que solo se encuentra en
procariotas pertenecientes al dominio Bacteria. Sin embargo, no todos los
organismos procariotas tienen DAP en su tetrapéptido. Otro rasgo peculiar es
la presencia de dos aminoácidos de configuración D (D-alanina y D-glutámico)
ya que en las proteínas los mismos aminoácidos presentan siempre
configuración L.
Fig. 16: Estructura de la mureína
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 20
Pared celular de Gram positivas y Gram negativas
Las bacterias suelen dividirse en dos grandes grupos en relación a la estructura
y composición química de sus paredes celulares: las bacterias Gram positivas y
las bacterias Gram negativas. Es importante destacar que la distinción inicial
entre estos dos tipos se basa en una tinción diferencial: la tinción de Gram.
Gram positivas
La pared de las bacterias Gram positivas es estructuralmente más gruesa y
químicamente menos compleja que en Gram negativas. En las bacterias Gram
positivas hasta un 90% de la pared celular está constituida por mureina. Estas
bacterias pueden tener hasta 25 capas de mureina apiladas unas sobre otras.
Muchas bacterias Gram positivas presentan embebidos en su pared celular,
polisacáridos ácidos denominados ácidos teicoicos (Figura 17). El término
ácido teicoico hace referencia a toda la pared, membrana o polímeros
capsulares que contienen glicerolfosfato o residuos de fosfato de ribitol. Estos
polialcoholes están unidos por ésteres de fosfato y generalmente se les unen
otros azúcares. Algunos ácidos que contienen glicerol están unidos a los lípidos
de la membrana de bacterias Gram positivas: la íntima asociación de los ácidos
teicoicos con los lípidos justifica la denominación de ácidos lipoteicoicos. Los
ácidos teicoicos están cargados negativamente y por lo tanto contribuyen a la
carga negativa de la pared celular de las bacterias Gram positivas. También
pueden proporcionar soporte estructural a la pared celular.
Fig. 17: Diagrama global de la pared celular Gram positiva
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 21
Gram negativas
En las bacterias Gram negativas la pared celular está compuesta por mureína y
una membrana externa.
Sólo cerca del 10 % de la pared celular está
constituida por mureína y el resto consiste en lípidos, polisacáridos y proteínas
que forman una capa exterior que se denomina membrana externa. La
membrana externa es una segunda bicapa lipídica pero que además de
fosfolípidos y proteínas presenta polisacáridos en su constitución química.
Debido a que los lípidos y los polisacáridos se unen formando un complejo se
conoce también como capa de lipopolisacárido (LPS) (Figura 18). En la
membrana externa la capa de lipopolisacárido se asocia a varias proteínas
para formar la hemicapa externa de la misma, mientras que en la hemicapa
interna se encuentra el complejo de lipoproteína. Este complejo, son pequeñas
proteínas asociadas a lípidos, cuya función es la de anclaje entre la membrana
externa y la mureína. En la hemicapa externa de la membrana externa, el LPS
sustituye a los fosfolípidos, los que predominan en la hemicapa interna.
Fig. 18: Diagrama global de la pared celular Gram negativa
Aunque la función de la membrana externa es estructural, una
importante propiedad biológica es que resulta tóxica para animales y el hombre
debido a que en ella se localizan endotoxinas (toxina no liberada por la célula:
puede estar unida a la superficie celular o ser intracelular). Algunos de los
efectos tóxicos que provocan algunas de las bacterias patógenas Gram
negativas más conocidas (especies de los géneros Escherichia, Salmonella y
Shigella) se deben a las toxinas presentes en las membranas externas.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 22
Tinción de Gram: Es un tipo de tinción o coloración diferencial
empleada comúnmente en la microbiología para la visualización microscópica
de bacterias. Debe su nombre al microbiólogo Danés Christian Gram, que
desarrolló la técnica en 1884. Básicamente, la tinción de Gram (se desarrollará
completamente en los trabajos prácticos) es una tinción doble ya que se utilizan
dos colorantes (cristal violeta y fucsina). El fundamento de la tinción se basa en
las diferencias existentes en las paredes celulares de las bacterias Gram
positivas y Gram negativas. Las bacterias Gram positivas tienen pared celular
muy gruesa con muchas capas de peptidoglicano y las Gram negativas poseen
paredes delgadas con menos capas de peptidoglicano.
Durante la coloración, primero se agrega el colorante cristal violeta que
penetra en todas las células tiñendo a todas las células bacterianas (tanto
Gram positivas como Gram negativas) de color azul/violáceo. Luego se agrega
lugol que actúa como un mordiente haciendo que el cristal violeta se fije con
mayor intensidad a la pared de la célula bacteriana. El yodo penetra dentro de
las células y forma un complejo insoluble en solución acuosa con el cristal
violeta. Posteriormente el alcohol que se agrega sirve para realizar una
decoloración, ya que el complejo cristal violeta/lugol es soluble en alcohol. Los
organismos Gram positivos no se decoloran, pero sí los Gram negativos. Para
poner de manifiesto las células Gram negativas (ya que quedaron decoloradas)
se utiliza la fucsina como colorante de contraste. Después de esta decoloración
de contraste las células Gram positivas siguen de color azul/violáceo y las
Gram negativas adquieren un color rosado.
La diferencia en la tinción se observa en la resistencia a la
decoloración, esto se debe a que la membrana externa de las Gram negativas
es soluble en solventes orgánicos, como por ejemplo alcohol. La capa de
peptidoglicano que posee es demasiado delgada como para poder retener el
complejo cristal violeta/lugol que se formó previamente, y por lo tanto el
complejo se escapa de la célula, perdiéndose la coloración azul/violácea. Pero
por el contrario, en las Gram positivas, al poseer una pared celular más
resistente y con mayor proporción de peptidoglicanos, la célula no es
susceptible a la acción del solvente orgánico (alcohol), sino que este actúa
deshidratando los poros cerrándolos, lo que impide que pueda escaparse el
complejo cristal violeta/lugol y mantener de esta forma la coloración
azul/violácea.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 23
Células bacterianas que no presentan paredes celulares
Si bien la mayoría de las bacterias no pueden sobrevivir sin sus paredes
celulares, unos pocos organismos pueden hacerlo: son los micoplasmas. Los
micoplasmas constituyen un grupo de bacterias patógenas que causan
diversas enfermedades infecciosas en el hombre y otros animales. Estos
microorganismos son capaces de vivir sin paredes celulares porque viven como
parásitos en hábitats osmóticamente protegidos como el cuerpo humano.
Membranas bacterianas
La membrana celular o plasmática es una estructura delgada que rodea por
completo a la célula. Esta estructura vital es la barrera que separa el interior
celular (citoplasma) del exterior y actúa como una barrera selectiva que
capacita a la célula para concentrar metabolitos específicos en el citoplasma y
para poder excretar sus productos de desecho. Si se destruye la membrana se
rompe la integridad de la célula lo cual provoca su muerte. La membrana
celular tiene capacidad para sintetizar la pared celular y las cápsulas.
La estructura general de las membranas biológicas es la de una bicapa
lipídica. La bicapa está compuesta por fosfolípidos y proteínas embutidas
dentro de la bicapa. Los fosfolípidos están compuestos por componentes
hidrofóbicos (ácidos grasos) e hidrofílicos (glicerol-fosfato). Los fosfolípidos se
agregan en bicapas con los ácidos grasos orientados hacia el interior
(formando un ambiente hidrofóbico) y las porciones hidrofílicas expuestas a la
fase acuosa exterior o al citoplasma. La estructura de la membrana queda
estabilizada
mediante
enlaces
puentes de
hidrógeno
e interacciones
hidrofóbicas (Figura 19).
Las
proteínas
de
la
membrana
plasmática
presentan
zonas
hidrofóbicas en regiones que se incluyen en la membrana y zonas hidrofílicas
en las regiones que toman contacto con el medio exterior o con el citoplasma.
Las proteínas que se encuentran firmemente asociadas y embutidas a la
membrana se denominan proteínas integrales de membrana, mientras que las
que se asocian a ella en su superficie se denominan proteínas periféricas de
membrana (Figura 19). Por lo general, estas proteínas interaccionan con
proteínas integrales de membrana que son importantes en procesos
relacionados con el metabolismo energético y el transporte.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 24
Fig. 19: Membrana plasmática
Membranas de arqueas
Los lípidos de las membranas de los dominios Bacteria y Eukarya son
diferentes a los de Archaea. En Bacteria y Eukarya los lípidos presentan
enlaces de tipo éster entre el glicerol y los ácidos grasos mientras que los
lípidos de Archaea poseen enlaces éter entre el glicerol y las cadenas laterales
hidrofóbicas. Además, carecen de ácidos grasos y en su lugar tienen cadenas
laterales
compuestas de unidades repetidas de isopreno. Pese a estas
diferencias en la composición química, las membranas de estos grupos tienen
regiones hidrofóbicas internas y regiones hidrofílicas externas. Sin embargo,
debido a diferencias químicas en los lípidos que forman las membranas de
arqueas, en este grupo las membranas forman una monocapa en vez de una
bicapa lipídica (Figura 20). Estas monocapas son muy resistentes a la
disgregación razón por la cual por ejemplo las arqueas hipertermófilas pueden
soportar elevadas temperaturas.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 25
Fig. 20: Diferencias entre las membranas celulares de los dominios Bacteria y
Archaea.
Membranas internas
Además de la membrana situada en la periferia de la célula, la mayoría de los
procariotas poseen membranas internas. Estas membranas internas pueden
ser simplemente extensiones o invaginaciones de la membrana celular, o
pueden ser estructuras más complejas como por ejemplo:

Mesosomas: los mesosomas son invaginaciones de la membrana
plasmática asociadas con la replicación del ADN. Los mesosomas son los sitios
de anclaje del nucleoide bacteriano para empezar la duplicación del ADN y la
formación de del septo bacteriano (tabique que separa a las células que se
dividieron) en el proceso de fisión binaria o división celular.

Vesículas: son estructuras donde se localizan enzimas y pigmentos para la
realización de diferentes procesos metabólicos como respiración, fotosíntesis y
oxidaciones especiales.

Tilacoides: son estructuras en forma de sacos aplanados o vesículas donde
se asientan los pigmentos fotosintéticos. Se considera que los tilacoides
bacterianos fueron los precursores de los cloroplastos de las células
eucarióticas (Figura 21).
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 26
Tilacoides
Membrana plasmática
Fig. 21: Microscopía electrónica de una cianobacteria. Se destacan las
membranas tilacoidales dispuestas en forma concéntrica alrededor del
citoplasma celular.
Citoplasma bacteriano
El citoplasma bacteriano es un sistema coloidal formado por un 85% de agua
que además contiene minerales y enzimas. En el citoplasma se pueden
observar inclusiones, gránulos, vacuolas, etc.
Zona nuclear
Los genomas (conjuntos de genes de un organismo) presentan una
organización diferente en organismos procariotas que en eucariotas. En las
células procariotas no hay un núcleo definido (no hay membrana nuclear) por lo
cual el ADN de doble cadena se presenta como una larga molécula llamada
cromosoma. Los procariotas presentan un único cromosoma circular que se
encuentra altamente plegado (superenrollado) conformando una estructura que
se denomina nucleoide (Figura 11). La composición química del ADN
bacteriano es la misma de las células eucarióticas, salvo que la carga negativa
de los grupos fosfatos es neutralizada por magnesio, mientras que en los
eucariotas es neutralizada por proteínas básicas llamadas histonas. El ADN
posee la información genética de la célula, es sitio diana para la acción de
antibióticos, permite establecer relaciones taxonómicas y permite el diagnostico
directo a través de técnicas moleculares.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 27
La replicación del ADN en las bacterias también es básicamente muy
parecida a la que sucede en células eucariotas. Debido a que el cromosoma es
circular, el proceso se inicia en un punto donde se localiza el mesosoma y se
desplaza alrededor del anillo. Después de replicado el ADN, el nuevo anillo se
traslada hacia una de las células en desarrollo y comienza la formación del
septo trasversal que separa las células. La división celular de las bacterias se
denomina fisión binaria porque da como resultado dos células hijas idénticas
entre sí e idénticas a la célula que les dio origen (Figura 22). En algunos casos
la velocidad de duplicación es muy alta y no se completa la separación de las
células por lo que se forman cadenas de células y otros agrupamientos
celulares.
ADN
replicación ADN
Elongación celular
Formación del septo
Terminación del septo y
formación de paredes
Separación celular
Fig. 22: División celular en bacterias: fisión binaria
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 28
Ribosomas
Los ribosomas están constituidos aproximadamente por un 60% de ARN y un
40% de proteínas. A diferencia de la célula eucariota, los ribosomas no se
asientan sobre un retículo endoplásmico sino que están libres en el
citoplasma. La función de los ribosomas es la misma que en las células de
organismos superiores, es decir la síntesis de proteínas funcionales (enzimas)
y proteínas estructurales.
Cada ribosoma está formado por dos subunidades de diferente
tamaño. Los procariotas poseen subunidades ribosómicas 30S y 50S, que al
unirse forman ribosomas 70S, mientras que los eucariotas tienen ribosomas
80S. Los valores “S” se refieren a las constantes de sedimentación de las
subunidades ribosómicas (30S y 50S) o del ribosoma completo (70S) cuando
se someten a una gran fuerza de centrifugación en una ultracentrífuga. Cada
subunidad ribosómica es un complejo ribonucleoproteico formado por ARN
ribosómico de distinto tipo y proteínas específicas. La subunidad más
pequeña (30S) está compuesta por una molécula de ARNr 16S a la que están
unidas más de 20 proteínas. En cambio, la subunidad mayor (50S) se
compone de ARNr 23S, 5S y más de 30 proteínas específicas. Se cree que
las proteínas de cada partícula están unidas al ARN y que la unidad entera
está envuelta dentro de una estructura globular (Figura 23).
ARN r
Proteínas
Subunidades
ribosomales
Ribosomas
Ribosoma
Procariota
Ribosoma
Eucariota
Figura 23. Diferencias entre las constantes de sedimentación de los
ribosomas de células procariotas y eucariotas
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 29
Elementos no comunes: Estructuras variables
Plásmidos
Muchos procariotas contienen pequeños trozos de ADN extracromosómico
dispuestos en forma circular conocidos con el nombre de plásmidos. El número
de plásmidos puede variar, desde una sola copia hasta algunos cientos por
célula. Los plásmidos son ADN de doble cadena (igual al ADN del cromosoma)
que se replican independientemente del cromosoma bacteriano (Figura 24).
Los genes contenidos en los plásmidos codifican para funciones no vitales
(propiedades especiales) para la bacteria, como por ejemplo la fijación de
nitrógeno atmosférico, la resistencia a antibióticos, etc. Otra característica de
los plásmidos es que pueden transmitirse de una bacteria a la otra, esta
particularidad hace que sirvan como una importante herramienta en
laboratorios de genética e ingeniería genética, donde son comúnmente usados
para multiplicar (hacer muchas copias) un gen en particular. Además, pueden
ser utilizados para generar organismos resistentes o con alguna función
metabólica especial. Muchos plásmidos ya están disponibles comercialmente
para dichos usos.
ADN bacteriano
Plásmidos
Fig. 24: Bacteria con ADN extracromosómico (plásmidos) en su citoplasma
Flagelos
Los flagelos bacterianos son apéndices largos y finos que se encuentran fijos a
la célula por uno de sus extremos y libres por el otro extremo. Los flagelos
(flagellum= látigo) permiten la movilidad de las células en medio acuoso. Son
tan finos que no es posible visualizarlos con el microscopio óptico y es
necesario recurrir a tinciones o microscopios especiales para su visualización.
La disposición de los flagelos varía según las bacterias. En la distribución polar,
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 30
los flagelos se localizan en un extremo (disposición monotrica) o en ambos
extremos de la célula (anfitrica). En ocasiones, de un extremo de la célula
puede surgir un penacho de flagelos, disposición que se denomina lofotrica
(lofos=penacho, tricos=pelo). En cambio, en la distribución peritrica, los flagelos
se insertan en varios lugares alrededor de la superficie celular (peri=alrededor)
(Figura 25 y 26).
Fig. 25: Disposición de los flagelos en células bacterianas
b
a
Fig. 26: a) Disposición monótrica en Vibrio cholerae. b) Disposición perítrica en
Escherichia coli
El crecimiento de los flagelos no se produce a partir de la base, sino a
partir de la punta. Los flagelos bacterianos están constituidos por una proteína
denominada flagelina. Cada flagelo es una estructura semirrígida incapaz de
flexionarse que se mueve mediante rotación de su base, como lo hace una
hélice. Los organismos de flagelación peritrica se mueven en línea recta y de
manera lenta, mientras que los organismos con flagelos polares, se mueven
dando giros periódicos (giran sobre sí mismos) y de una manera más rápida e
impetuosa.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 31
Como muchos procariotas son móviles aquellas células que puedan
desplazarse tienen una ventaja adaptativa en ciertas condiciones ambientales
frente a aquellas que no puedan hacerlo. Los procariotas entran en contacto en
la naturaleza con numerosos gradientes físico-químicos. El objetivo de las
células que presentan movilidad es responder a estos estímulos (en forma
positiva o negativa), es decir, dirigiendo el movimiento de la célula alejándose o
acercándose a estos gradientes.
Los movimientos dirigidos de las células se denominan taxias: la
quimiotaxia es la respuesta de los organismos frente a estímulos químicos y la
fototaxia es la respuesta de los organismos frente a la luz. En este sentido,
muchas bacterias presentan respuestas a diferencias en concentraciones de
diferentes sustancias químicas, otras bacterias fotosintéticas responden a la
diferencia de intensidad lumínica, pudiendo llegar a distinguir entre dos fuentes
de luz que difieran en solo un 5% de intensidad. Algunas veces la respuesta es
positiva (hacia las sustancia química o la fuente de luz) y otras veces es
negativa (alejamiento o repulsión). Asimismo, existen otras taxias como la
aerotaxia donde los organismos se mueven en relación a las diferentes
concentraciones de O2 en el medio (acercándose o alejándose).
Fimbrias
Las fimbrias presentan una estructura similar a los flagelos y son de naturaleza
proteica, pero no participan en la movilidad. Las fimbrias son bastante más
cortas que los flagelos y son mucho más numerosas (Figura 27). Su función es
favorecer la fijación a superficies (tejidos animales en el caso de algunas
bacterias patógenas), la formación de biopelículas (biofilms) o fijación a
superficies.
Pilis
Son estructuralmente similares a fimbrias, pero por lo general son más largos y
solamente existen unos o pocos pilis sobre la superficie (Figura 27). Los pilis
también participan en la adhesión a superficies y tienen una función muy
importante en el proceso de conjugación en procariotas (intercambio genético
entre bacterias).
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 32
Pili
Fimbrias
Fig 27: Fimbrias y pilis. Se observan dos bacterias intercambiando material
genético mediante un pili
Cápsulas, vainas y pedúnculos
Algunas bacterias y cianobacterias segregan materiales mucosos o gomosos
que les sirven para la adhesión y protección celular. Estas capas mucosas
están compuestas por polisacáridos, polipéptidos, o complejos de polisacáridos
y proteínas. Se denominan cápsulas (Figura 28) cuando la capa mucosa rodea
totalmente la célula de un modo compacto. En cambio, se llama vaina cuando
la capa mucosa engloba a varias células y se denomina pedúnculos cuando el
mucus se localiza en un extremo de la célula, lo que le permite adherirse a las
superficies como si tuviera un pie.
Las capas mucosas no son esenciales para la vida de los
microorganismos (cepas mutantes sin cápsula son capaces de crecer
normalmente), sin embargo les otorga gran poder adaptativo en el ambiente.
Las bacterias capsuladas tienen varias ventajas: son más difíciles de fagocitar
por los protozoos del suelo o por los leucocitos (glóbulos blancos) de un
huésped, tienen mayor resistencia a la desecación, mayor contacto con algún
sustrato específico (por ej. las bacterias que producen las caries en los
dientes), etc. Además, las cápsulas de las bacterias patógenas son asiento de
las toxinas que provocan la enfermedad en el huésped.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 33
Cápsula
Fig. 28: Cápsula viscosa de sustancias glucídicas que rodea a una bacteria
Sustancias de reserva
Muchos procariotas almacenan habitualmente diferentes sustancias en su
citoplasma (como gránulos o inclusiones) como mecanismo de reserva
energética o como reservorio para la construcción de macromoléculas. En
organismos procariotas, una de las sustancias de reserva (cuerpo de inclusión)
más frecuentes está compuesto por ácido poli-β-hidroxibutírico (PHB). El PHB
es un compuesto lipídico formado por monómeros de ácido β-hidroxibutírico
unidos por enlaces éster. La longitud de los monómeros varía entre 4 a 18 C.
Los polímeros de PHB se agrupan dentro del citoplasma celular formando
gránulos.
En menor medida las bacterias pueden acumular glucógeno. El
glucógeno es un polímero de subunidades de glucosa. Los gránulos de
glucógeno en general son más pequeños que los de PHB. Otras bacterias con
metabolismos especiales que utilizan otras fuentes de energía, pueden
acumular otras sustancias de reserva, como por ejemplo fósforo y azufre. En
este sentido, muchos organismos acumulan grandes reservas de fosfato
inorgánico en forma de gránulos de polifosfato. Por otra parte, algunos
procariotas son capaces de oxidar los compuestos de azufre reducido. En este
caso, estos microorganismos acumulan azufre elemental en el interior de la
célula en forma de gránulos.
La presencia de gránulos con sustancias de reserva tiene estrecha
relación con el estado nutricional de la célula. Cuando la bacteria absorbe más
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 34
de lo que metaboliza acumula compuestos químicos como reserva. Este
mecanismo es muy útil en condiciones naturales particularmente en el suelo,
donde la disponibilidad de recursos no es constante a lo largo del año.
Vesículas de gas
Las vesículas de gas son estructuras fusiformes, huecas pero rígidas. La
membrana de la vesícula gaseosa está compuesta exclusivamente de
proteínas que forman una estructura impermeable al agua y a los solutos, pero
permeable a los gases (Figura 29). La rigidez de la membrana es esencial para
que la estructura resista las presiones ejercidas desde el exterior. Una presión
hidrostática elevada puede hacer colapsar la membrana perdiendo la
capacidad de flotar.
Numerosos microorganismos que flotan en lagos y en el mar presentan
vesículas de gas que son responsables de la flotabilidad de las células en el
medio. Las vesículas de gas representan una forma de movilidad que permite
que las células floten a diferentes alturas en respuesta a diferentes condiciones
microambientales.
Vesículas de gas
Fig. 29: Fotomicrografía electrónica de una cianobacteria Microcystis sp. en
sección transversal mostrando las vesículas gaseosas en el interior celular.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 35
Particularmente, las cianobacterias, que son bacterias fotosintéticas
que viven en ambientes acuáticos presentan vesículas gaseosas que le
permiten ascender al a superficie de los lagos y con la ayuda del viento se
convierten en grandes acúmulos masivos (florescencias). En el caso de
organismos que realizan fotosíntesis, la presencia de vesículas es esencial ya
que les permite ajustar rápidamente su posición en el agua, hacia regiones
donde la intensidad de la luz es óptima.
Pigmentos
En general las bacterias carecen de pigmentos y son transparentes. Las
excepciones son las bacterias fotosintéticas que poseen diferentes tipos de
pigmentos para la realización de la fotosíntesis (carotenos, bacterioclorofila,
ficocianina, ficobilinas, etc.) y algunas bacterias que viven sobre la superficie de
las plantas expuestas a la radiación ultravioleta que tienen pigmentos
especiales que utilizan como mecanismo protector contra la radiación
(melaninas).
Endosporas
Ciertas bacterias pueden producir en su interior estructuras de resistencia
especiales llamadas endosporas o esporas bacterianas. Las endosporas son
células
diferenciadas
(formadas
dentro
de
una
célula
bacteriana)
extraordinariamente resistentes al calor y difíciles de destruir con productos
químicos incluso con aquellos extremadamente agresivos. Las endosporas
bacterianas son diferentes en su estructura y formación a las esporas
producidas por los hongos.
El descubrimiento de las endosporas fue trascendental para la
microbiología ya que el conocimiento de estas formas bacterianas de alta
resistencia al calor fue decisivo para el desarrollo de los métodos de
esterilización (eliminación total de los microorganismos). Las bacterias que
forman esporas se encuentran habitualmente en el suelo y se puede decir que
cualquier muestra de suelo seguramente contiene endosporas.
La estructura de la endospora es mucho más compleja que la de una
célula vegetativa porque posee varias capas. La capa más externa llamada
exosporium, es una cubierta fina y delicada de naturaleza proteica. Por debajo
se encuentra la cúticula formada por proteínas específicas. Por debajo de esta
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 36
se encuentra el cortex (corteza), que es una capa compuesta por
peptidoglicano con uniones laxas y hacia el interior del cortex está el núcleo
que contiene la pared celular, membrana celular, el citoplasma, nucleoide, etc.
Una de las sustancias químicas que es característica de las
endosporas y que no se encuentran en las células vegetativas es el ácido
dipicolínico que se localiza en el núcleo de la espora. Las esporas son ricas en
iones de calcio que en su mayoría se combinan con el ácido dipicolínico
formando complejos calcio-ácido dipicolínico (llamados dipicolinatos de calcio).
Los complejos de dipicolinato de calcio reducen la disponibilidad de agua
dentro de las endosporas, favoreciendo su deshidratación. Además, los
complejos se intercalan en el ADN, insertándose en las bases, y de esta
manera estabilizan el ADN frente a la desnaturalización por el calor.
El citoplasma de una endospora madura difiere mucho del de una
célula vegetativa de la cual se ha originado. La deshidratación incrementa
ampliamente la termoresistencia de la endospora y al mismo tiempo le confiere
resistencia a algunas sustancias químicas como el peróxido de hidrógeno
(agua oxigenada). Además, el citoplasma contiene gran cantidad de proteínas
pequeñas que se forman durante el proceso de esporulación (formación de la
espora) y que le otorgan a la espora resistencia al calor seco, radiación
ultravioleta y a la desecación. Sin embargo, otras de las funciones de estas
pequeñas proteínas es servir como fuente de C y energía para el desarrollo de
una célula a partir de la endospora, un proceso que se denomina germinación.
Para que ocurra la germinación de una endospora, primero debe ocurrir la
activación de la misma. La activación se acciona por calor y luego se produce
la germinación la cual implica una reactivación del metabolismo que rompe la
hibernación. Generalmente, un agente ambiental es el que actúa como
disparador de la germinación. Por ejemplo, temperaturas de 60-70°C durante
unos pocos minutos en presencia de nutrientes adecuados puede inducir la
germinación de la espora. La espora absorbe agua, se hincha y su cutícula se
rompe. La nueva célula vegetativa empuja hacia fuera de la cutícula y empieza
a dividirse.
No todas las bacterias tienen capacidad de formar endosporas. Los dos
géneros de bacterias más conocidos que producen esporas son: Bacillus y
Clostridium ambos Gram positivos y de amplia distribución en el suelo. Hasta la
actualidad no se ha encontrado ninguna arquea formadora de endosporas.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 37
Los factores que intervienen en la formación de las endosporas son
complejos, pero se conoce que la falta de alimento es un factor clave para
iniciar el proceso de esporulación. El primer paso para la formación de una
endospora consiste en que la célula vegetativa madre gasta toda la energía en
dividirse y formar las capas externas. El citoplasma queda reducido a un gel de
proteínas con escasa cantidad de agua. Aunque son resistentes al calor y a la
radiación extremos, las endosporas pueden ser destruidas mediante estos
tratamientos. Así, la exposición al calor extremo por periodos largos de tiempo,
así como la exposición prolongada a la radiación, (rayos gamma por ejemplo),
matan a las endosporas.
Las endosporas son difíciles de observar al microscopio debido a la
impermeabilidad de su pared que evita la entrada de los colorantes empleados
en las tinciones ordinarias. Mientras que el resto de la bacteria puede teñirse, la
endospora permanece no coloreada. Debido a esto surgieron varias técnicas
de tinción para poder teñir selectivamente las endosporas.
Proceso de formación de las endosporas: Esporulación
Etapas de la esporulación
El proceso de esporulación en bacterias sigue una serie de etapas
(Figura 30):
1. Duplicación del material genético (ADN) y división celular asimétrica.
2. Formación del septo de la endospora (se va aislando el ADN recién
replicado junto a una pequeña porción de citoplasma).
3. Formación de la pre-espora (el septo de la endospora rodea la porción
aislada).
4. Síntesis del exosporio, formación de una capa de peptidoglicano entre las
membranas (cortex) y deshidratación.
5. Incorporación de calcio y producción de ácido dipicolínico.
6. La espora se recubre de una cubierta (cutícula).
7. Maduración de la endospora.
8. Lisis de la célula vegetativa y liberación de la endospora.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 38
pared celular
Condensación
Condensación
del célula vegetativa
del
ADN
ADN
membrana plasmática
ADN
División
Divisióncelular
celular
asimétrica
asimétrica
Invaginación
Formacióndel
del
septo
septo
Endospora en
formación
Formación
dede
la la
Formación
pre-espora
pre-espora
Síntesis
dede
exosporio;
Síntesis
exosporio; formación
del cortex
entre
laslas
dos
formación
del cortex
entre
membranas
dos membranas
exosporio
cortex
Incorporación
dipicolinato de
Incorporación dede
dipicolinato
de calcio,
calcio, deshidratación
y y
deshidratación
formación
de de
cutícula
formación
cutícula
Maduración: desarrollo
dede
Maduración:
desarrollo
resistencia
al
calor
resistencia al calor
cortex
exosporio
Lisisdedela la
célula
Lisis
célula
y y
liberación
de
la
endóspora
liberación de la endospora
endospora libre
Fig. 30:Etapas de la esporulación en el género Bacillus
Durante el proceso de esporulación, la posición de la espora dentro de
la célula vegetativa varía según la especie de bacteria. En algunas, la
endospora es central y en otras es terminal (en los extremos). A veces la
espora tiene mayor diámetro que la célula madre por lo que se observa como
hinchada (Figura 31).
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 39
Central
Subterminal
Terminal
Endospora
central
Endospora
subterminal
Endospora
0
terminal
Fig. 31: Posición de la endospora dentro de la célula bacteriana
El conocimiento de las características de las esporas es de gran
importancia práctica, puesto que muchas de las bacterias que forman esporas
causan enfermedades muy graves en el hombre y animales (tétano, botulismo,
etc.).
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 40
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 41
UNIDAD II: METABOLISMO MICROBIANO
Se denomina “metabolismo” al conjunto de reacciones químicas que se
producen en las células para obtener energía y sintetizar los compuestos
vitales para los organismos.
Las sustancias nutritivas que las células toman del medio son
transformadas mediante una serie de reacciones enzimáticas consecutivas
llamadas vías metabólicas. Las vías metabólicas incluyen: a) la hidrólisis y
oxidación de sustancias nutritivas que se transforman en compuestos simples,
produciendo energía (catabolismo) y b) la utilización de sustancias simples y
energía, para sintetizar macromoléculas (ácidos nucleicos, proteínas, lípidos e
hidratos de carbono) que constituyen la estructura celular (anabolismo).
Los mecanismos de obtención de energía han ido evolucionando desde
el comienzo de la vida sobre el planeta. Toda liberación de energía implica una
reacción de óxido-reducción entre dos pares redox. La eficiencia metabólica
depende de dos aspectos claves: a) de la diferencia de potencial entre los
compuestos que se oxidan y los que se reducen y b) de la cantidad de
reacciones intermedias entre los pares redox. A mayor cantidad de reacciones
intermedias, la liberación de energía se hace más lenta y permite mayor
almacenamiento de energía química y menor pérdida de energía calórica.
Los hidratos de carbono (CH2O)n constituyen las sustancias nutritivas
más utilizadas por los organismos vivos para obtención de energía. Los
organismos superiores tienen el metabolismo más eficiente que se ha
desarrollado hasta el momento: la respiración aeróbica, que consiste en la
reacción de óxido-reducción entre los pares (CH2O)n-CO2 y O2-H2O, con una
serie de pasos intermedios (glucólisis, ciclo de Krebs y cadena respiratoria) que
permite almacenar gran cantidad de ATP.
Las primeras formas de vida en el planeta fueron microorganismos que
crecieron en ambientes con una atmósfera sin O2 y con elevada cantidad de
otros gases (NO2, H2S, SO y CO2) provenientes de las erupciones volcánicas
que originaron la corteza terrestre. Por tal motivo, los microorganismos poseen
además de la respiración aeróbica otros metabolismos con pares redox
diferentes (por ej., (CH2O)n-CO2 y H2S-SO4-2), con un salto de potencial menor.
Otros microorganismos poseen metabolismos con pocos pasos intermedios,
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 42
por lo que tienen escasa capacidad de almacenar energía (por ej. las
fermentaciones que sólo poseen glucólisis).
Para poder analizar los diferentes metabolismos microbianos se recurre
a una clasificación nutricional que consiste en agrupar los metabolismos según
3 características básicas:

Origen de la energía: luz solar (foto) o reacciones químicas (quimio).

Tipo de compuesto que provee el poder reductor: orgánico (órgano)
o inorgánico (lito).

Tipo de compuesto que provee el C para la biomasa celular:
orgánico (heterótrofo) o inorgánico, CO2 (autótrofo).
La combinación de estas tres características permite clasificar a los
organismos
como:
foto-órgano-heterótrofos,
quimio-órgano-heterótrofos,
quimio-lito-autótrofos, etc. Así las plantas son organismos foto-lito-autótrofos
(FLA), es decir, obtienen energía de la luz solar, el poder reductor del agua
(lito) y la fuente de C celular del CO2. Contrariamente los animales son quimioórgano-heterótrofos (QOH), obtienen energía de reacciones químicas y el
poder reductor y el C celular de compuestos orgánicos, (CH 2O)n. Los
microorganismos tienen numerosas variaciones metabólicas, combinando
estos tres aspectos, por ejemplo quimio-lito-autótrofos (QLA), foto-órganoheterótrofos (FOH), etc.
Metabolismos quimio órgano heterótrofos (QOH)
Los microorganismos QOH, obtienen la energía de reacciones químicas, y el
poder reductor y la fuente de carbono a partir de compuestos orgánicos, por
ejemplo la glucosa.
Dentro de los metabolismos QOH existe 4 tipos fundamentales
teniendo en cuenta cuál es el compuesto que establece el par redox con el par
(CH2O)n-CO2, es decir, el compuesto aceptor de los electrones liberados en la
oxidación. Todos estos metabolismos parten de la oxidación de una molécula
de hexosa. En general, las hexosas provienen de la hidrólisis externa de
macromoléculas de (CH2O)n mediante la acción de enzimas segregadas por los
microorganismos, que posteriormente absorben los monómeros. Los 4 tipos
metabólicos QOH fundamentales son:
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 43

Respiración aeróbica cuando el aceptor de e- es el O2.

Fermentación cuando el aceptor de e- es un compuesto orgánico (ácidos
orgánicos, alcoholes, etc.).

Respiración anaeróbica: cuando el aceptor de e- es un compuesto
inorgánico diferente al O2.

Oxidación incompleta: cuando los aceptores de e- son compuestos
orgánicos.
Respiración aeróbica
La respiración metabólica se define como la oxidación completa de una
molécula orgánica a CO2 y H2O, con la consecuente formación de energía
química en forma de ATP. En el caso en que el sustrato oxidable sea la
glucosa, la respiración consiste en la oxidación de una glucosa a través de la
vía de la glucólisis, originando dos piruvatos (3 átomos de C cada uno). Estos
piruvatos sufren decarboxilación oxidativa y forman 2 acetil-CoA (2 átomos de
C) que se unen al oxalacetato y a través de una serie de reacciones del ciclo
de Krebs, se oxidan completamente dando como resultado 2 CO2 , coenzimas
reducidas (NADH y FADH2) y GTP . Las coenzimas reducidas que se liberan
en los diferentes procesos oxidativos, van a cadena respiratoria donde se
reoxidan, dando lugar a la formación de ATP.
Vías oxidativas de las hexosas
Glucólisis: Es la vía metabólica por la cual la glucosa se oxida a compuestos
de menor número de C, originando la formación de 2 moléculas de piruvato (3
C), dando lugar a la formación de 2 NADH y 2 ATP. Esta vía metabólica ocurre
cuando la carga energética celular es baja (Fig. 1).
ATP
Glucosa
ATP
G6P
2 NADH
2 G3P
F6P
FDP
2 ATP
2 DPG
2 ATP
2 PG
Fig. 1: Vía de la Glucólisis
2 PEP
2 Piruvato
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 44
Vía de las pentosas fosfato A(PP)
La vía de las pentosas fosfato presenta 2 fases, la fase oxidativa donde la
glucosa-6-fosfato se oxida formando fosfogluconato que por decarboxilación
oxidativa origina una ribulosa-5-fosfato (Ru-5-P), en ambos pasos ocurre la
formación de NADPH. A continuación ocurre la fase no oxidativa que consiste
en reacciones de interconversiones entre moléculas de 3, 4, 5, 6 y 7 átomos de
C,
generando intermediarios utilizados para procesos de biosíntesis, tales
como la Ribosa5P y la Eritrosa4P. Los productos finales de la vía de las
pentosas se conectan finalmente a la glucólisis. (Fig. 2)
Glucosa-6P
NADP+
NADPH
Fase Oxidativa
Fosfogluconato
NADP+
NADPH
Ribulosa-5P
Ribulosa-5P
Xilulosa-5P
Gliceraldehido-3P
Xilulosa-5P
Sedoheptulosa-7P
Gliceraldehido-3P
Eritrosa-4P
Fructosa-6P
Fase No Oxidativa
Fructosa-6P
Fig. 2: Vía de las Pentosas Fosfato
Vía Entner-Doudoroff:
Esta vía metabólica es de importancia principalmente en los géneros
Zymomonas (bacterias fermentadoras de alcoholes) y Pseudomonas. La
glucosa-6-fosfato sufre en primer lugar una oxidación, similar a la vía PP, y se
convierte en 6-fosfogluconato. Posteriormente pierde una molécula de agua y
forma 2-ceto-3-desoxi-6-fosfogluconato, que se divide y origina piruvato y
gliceraldehido3P (G3P), el G3P continúa su metabolismo por la vía de la
glucólisis (Fig. 3).
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 45
Glucosa
ATP
G6P
NADPH
Fosfogluconato
H2O
2 ceto 3 desoxi 6 gluconato
Piruvato
G3P
NADH
ATP
Glucólisis
ATP
Piruvato
Fig. 3: Vía de Entner Doudoroff
La producción de ATP, NADH y NADPH es muy diferente entre las 3
vías de degradación. Por cada mol de glucosa oxidado hasta piruvato se
forman: a) 2 moles de ATP y 2 moles de NADH por la glucólisis; b) 2 mol de
NADPH y ningún ATP por la vía PP y c) 1 mol de ATP, 1 mol de NADH y 1
mol de NADPH por la vía Entner-Doudoroff.
Ciclo de Krebs o de los ácidos tricarboxílicos
Llamado así porque se ciclan compuestos de 4C con 3 radicales ácidos cada
uno. En su función catabólica estos ácidos se combinan con el ácido acético
activado (acetil-CoA) originado por decarboxilación del piruvato. El acetil-CoA
se oxida completamente a CO2, con la generación de poder reductor (NADH y
FADH2), este poder reductor va a ser transferido a cadena respiratoria para la
generación de ATP. La oxidación de un mol de acetil-CoA da lugar a 2 CO2, 3
NADH, 1 FADH2 y 1 GTP (Fig. 4)
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 46
Piruvato
CoA
NADH
CO2
AcetilCoA
OAA
NADH
Citrato
Malato
Isocitrato
NADH
Fumarato
CO2
α-cetoglutarato
FADH2
Succinato
NADH
GTP
CO2
Succinil-CoA
Fig. 4: Ciclo de Krebs, función catabólica
En su función anabólica el Ciclo de Krebs se alimenta por medio de
una vía anaplerótica, la que consiste en la síntesis de algún intermediario del
ciclo con la finalidad de poder utilizar alguno de los intermediarios del mismo
como precursores de
procesos anabólicos para la síntesis de esqueletos
carbonados (Fig. 5).
Piruvato
ATP
NAD+
ADP
NADH
CO2
CO2
Oxalacetato
AcetilCoA
Citrato
Isocitrato
+
NAD
CO2
NADH
NADPH
α-cetoglutarato
Glutamato
NH 4+
Función anabólica de Ciclo de Krebs
Fig. 5: Ciclo de Krebs, función anabólica
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 47
Cadena respiratoria
La cadena transportadora de e- o cadena respiratoria (CR), tiene la función de
reoxidar las coenzimas reducidas generadas en los distintos metabolismos,
dando lugar a la formación de energía en forma de ATP. La CR está
constituida por una serie de transportadores de e -, dentro de los cuales se
encuentran
algunos
de
naturaleza
proteica
(NADH
deshidrogenasa,
Citocromo reductasa, Citocromo c y Citocromo oxidasa) y uno no proteico,
una quinona (ubiquinona) que es altamente hidrofóbica y conjuntamente con
el citocromo c actúan como transportadores móviles de electrones (Fig. 6).
Los
electrones
del
NADH
son
cedidos
a
la
NADH
deshidrogenasa y se mueven a favor de un gradiente de óxido-reducción a
través de los diferentes transportadores hasta el aceptor final de e - que es el
oxígeno, el que se reduce para formar H2O. De la misma manera se comporta
el FADH2 quien cede los e- a nivel de la ubiquinona. Esta secuencia permite
que una parte considerable de la energía se convierta en ATP (energía
utilizable bioquímicamente) y sólo se pierda una cantidad mínima en forma de
calor.
NADH
deshidrogenasa
Succinato
deshidrogenasa
Ubiquinona
Citocromo
reductasa
Citocromo c
Citocromo
oxidasa
ATP sintasa
Fig. 6: Cadena respiratoria y fosforilación oxidativa
Conjuntamente con ese transporte de e- se produce un bombeo de H+
a través de los transportadores fijos de la CR (NADH deshidrogenasa,
citocromo reductasa y citocromo oxidasa), dando lugar a la generación de un
gradiente de H+ a través de la membrana (fuerza protomotriz).
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 48
La fuerza protomotriz al disiparse a través de la única parte permeable
de la membrana que es la subunidad F0 (canal de protones) de la ATP sintasa
permite la fosforilación del ADP dando lugar a la síntesis de ATP, proceso que
se conoce como fosforilación oxidativa.
La oxidación completa en condiciones aeróbicas de un mol de glucosa
degradada por la vía de la glucólisis genera 38 ATP.
Balance energético de la oxidación de un mol de glucosa
Glucosa
2 Piruvato
2 AcetilCoA
2 Piruvato
2 NADH
2 ATP
2 AcetilCoA
2 NADH
Ciclo de Krebs
6 NADH
2 FADH2
2 ATP
10 NADH
2 FADH2
30 ATP
4 ATP
CR y fosforilación oxidativa
2 CO2
4 CO2
38 ATP
Fermentación
La fermentación es un proceso catabólico que se da en ausencia de oxígeno
(anaerobiosis) y el producto final es un compuesto orgánico. Estos productos
finales son los que caracterizan los distintos tipos de fermentaciones. La
fermentación es un proceso de óxido-reducción, equilibrado internamente
donde el sustrato fermentable se oxida y reduce a la vez.
En la fermentación la síntesis de ATP se realiza mediante la
fosforilación a nivel de sustrato, en donde los enlaces fosfato ricos en energía
de un intermediario orgánico fosforilado se trasfieren directamente al ADP para
sintetizar ATP. El primer paso de toda fermentación es la glucólisis, en donde la
glucosa es oxidada hasta formar 2 piruvatos.
En condiciones anaeróbicas, el NADH producido por la glucólisis es
transferido a productos intermedios o a aceptores especialmente sintetizados
para regenerar el NAD+. Estos compuestos orgánicos reducidos son
segregados por las células y constituyen el producto de la fermentación. El tipo
de
producto
de
secreción
predominante
define
el
nombre
de
las
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 49
fermentaciones: a) alcohólica (etílica), b) láctica, c) propiónica, d) ácido mixta,
d) butírica, e) acética, etc.
Fermentación alcohólica
La fermentación alcohólica es una de las más comunes entre los
microorganismos y consiste en la fermentación de azúcares simples
produciendo etanol, CO2 y ATP (que es consumido por los mismos
microorganismos en su metabolismo). Luego de la glucólisis, la transformación
del piruvato a etanol abarca dos procesos: a) la decarboxilación del piruvato
dando acetaldehído y CO2, y b) la reducción del acetaldehído, que acepta los e del NADH producidos en la glucólisis, y se transforma en etanol. El balance
energético es sólo de 2 ATP generados durante la glucólisis (Fig. 7).
Glucosa
2 Piruvato
2 NAD+
2 NADH
2 Etanol
CO2
2 Acetaldehido
Fig. 7: Fermentación alcohólica
Los principales productores del etanol son las levaduras (hongos
ascomycotas unicelulares) y algunas bacterias.
Fermentación alcohólica por levaduras
Las levaduras, como la mayoría de los hongos, son organismos de
respiración aeróbica pero que en ausencia de O2 presentan fermentación
alcohólica (por la vía de la glucólisis). Debido a que la fermentación es un
proceso de escaso rendimiento energético, las levaduras en condiciones
anaeróbicas tienen una alta tasa de fermentación pero casi no se reproducen.
Contrariamente, en condiciones aeróbicas la fermentación disminuye hasta
reprimirse totalmente y aumenta la respiración aeróbica con alta tasa de
reproducción celular. La fermentación en las levaduras constituye un
mecanismo de sobrevivencia en condiciones anaeróbicas.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 50
La inhibición de la fermentación por la presencia de O 2 se denomina
“efecto Pasteur”, porque fue descubierto empíricamente por Luis Pasteur al
trabajar con cultivos de levaduras para producir vino. Este efecto tiene
enorme implicación práctica debido a que el hombre utiliza levaduras desde
tiempos históricos para la producción de alimentos y bebidas. Entre los
principales procesos industriales en que participan las levaduras se pueden
encontrar: panificación, producción de cerveza, producción de vino y de otras
bebidas alcohólicas como ser la aloja (chauchas de algarrobo), chicha (maíz),
vodka (papa) y el ron (bagazo de la caña de azúcar).
Fermentación alcohólica por bacterias
En general, las bacterias con fermentación alcohólica utilizan la vía EntnerDoudoroff para el metabolismo de la glucosa (a diferencia de lo que vimos
anteriormente que las levaduras lo hacen por la vía de la glucólisis).
Fermentación láctica
La fermentación láctica consiste en la producción de ácido láctico por
reducción del piruvato que acepta los e- del NADH generado en la glucólisis
(Fig. 8).
Glucosa
2 NAD +
2 NADH
Piruvato
Lactato
Fig. 8: Fermentación Láctica
Los microorganismos que tienen fermentación láctica son bacterias de
la familia lactobaciláceas. Si bien morfológicamente el grupo no es
homogéneo (presenta bacilos largos, cortos y cocos), todas las especies son
Gram positivas, no forman esporas, son inmóviles y anaeróbicas (o
microaerófilas).
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 51
Hay dos vías metabólicas dentro de la fermentación láctica: a) la
homofermentativa que produce un único producto fermentativo, el ácido
láctico o lactato (Fig. 9) y b) la heterofermentativa donde además de láctico se
produce etanol, CO2 y en algunos casos acético (Fig. 10).
Las bacterias lácticas homofermentativas degradan la glucosa por la
vía de la glucólisis dando lugar a la formación de 2 lactatos, con la síntesis de
2 ATP.
Mientras que las bacterias lácticas heterofermentativas no tienen
capacidad de descomponer la fructosa1-6 difosfato (FDP)
en triosas-P y
oxidan la glucosa por la vía de las pentosas fosfato, generando una pentosa
fosfato (xilulosa5P), que se convierte en G3P y acetil fosfato. El G3P se
convierte en lactato con la producción de ATP y el acetil fosfato se reduce
originando
etanol
sin
producción
de
ATP.
Además,
cuando
las
heterofermentativas decarboxilan el 6-fosfogluconato para formar ribulosa5P
dan lugar a la formación de CO2 (lo que constituye un método sencillo para
detectar una heterofermentativa en cultivos de laboratorio).
2 NAD+2 NADH 2 ADP 2 ATP
Glucosa
2 NADH 2 NAD+
2 Piruvato
Ganancia neta: 2 lactatos y 2 ATP por glucosa
fermentada
Fig. 9: Fermentación Láctica homofermentativa
2 Lactato
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 52
Glucosa
ATP
ADP
G6P
2 NADP+
Fase oxidativa de las PP
2 NADPH
CO2
Ribulosa5P
Ganancia
Xilulosa5P
neta: 1 ATP, 1 lactato,
1 etanol, 1 CO2 y 2
G3P
Acetil P
NADPH por molécula
NADH
NAD +
de glucosa fermentada
NAD +
NADH
ADP
Acetaldehido
ATP
NADH
Piruvato
NAD +
NADH
Etanol
NAD +
Lactato
Fig. 10: Fermentación Láctica heterofermentativa
Las lactobacterias poseen altas exigencias nutritivas en cuanto a
vitaminas y otros factores de crecimiento, por lo tanto en la naturaleza nunca
se las encuentra en el suelo o el agua. Están presentes en sustratos
altamente nutritivos como: a) leche, b) intestino y mucosas animales, c)
superficie de las hojas verdes por la presencia de exudados, y d) en hojas en
descomposición.
Las bacterias lácticas producen gran cantidad de ácido láctico y
poseen alta tolerancia a la acidez. Esta particularidad hace que desde
tiempos antiguos la fermentación láctica haya sido utilizada por el hombre
como proceso para la conservación de alimentos, como leche, vegetales y
forrajes, debido a que la acidez impide el desarrollo de otros organismos
degradadores.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 53
Fermentación propiónica
La fermentación propiónica consiste en la producción de ácido propiónico o
propionato a partir del piruvato. La reducción del piruvato se lleva a cabo por un
camino poco común. El piruvato es carboxilado hasta oxalacetato que acepta
los e- del NADH producidos en la glucólisis y se reduce a succinato, que es
decarboxilado generando propionato (Fig. 11).
Fig. 11: Fermentación Propiónica
A las bacterias que poseen fermentación propiónica se las agrupa
dentro de la familia de las propionibacterias. Son Gram positivas, no poseen
esporas y son anaeróbicas, aunque pueden soportar bajas presiones de O 2.
Las propionibacterias viven en el rumen de los rumiantes (vacas, ovejas, etc.) y
participan en la formación de los llamados ácidos grasos volátiles (AGV).
También pueden encontrarse en la leche, el suelo y el agua.
Fermentación ácido mixta
Se llama fermentación ácido mixta al proceso metabólico que incluye la
producción de diferentes ácidos con la formación de un compuesto metabólico
intermediario: el ácido fórmico. Por tal motivo también se la conoce como
fermentación fórmica, aunque este ácido no sea el producto final (Fig. 12).
La reducción del piruvato comienza con una hidrólisis originando ácido
fórmico y acetato. El ácido fórmico se hidroliza en CO2 y H2 y el acetil-CoA se
reduce utilizando el NADH generado en la glucólisis y pasa a etanol. Otra vía
alternativa que la realiza el género Aerobacter consiste en que además de
ácido fórmico como producto intermediario, se forma acetoína por la unión de 2
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 54
moles de piruvato y una doble decarboxilación. La acetoína (4 C) se reduce
aceptando los e- del NADH y forma butirato o butilenglicol. Durante esta vía
alternativa se produce gran cantidad de CO2, (lo que justifica el nombre de la
bacteria: Aerobacter aerogenes), debido a la hidrólisis del ácido fórmico y a la
doble decarboxilación después de la unión de los 2 piruvatos.
(Aerobacter)
NADH
CO2
Acetoina
2 ATP
Glucosa
Butanodiol
Piruvato
2 NADH
AcetilCoA
Ácido
Fórmico
NADH
ATP
H2
CO2
Acetato
Etanol
Fig. 12: Fermentación ácido-mixta
A las bacterias que poseen fermentación ácido mixta se las reúne en la
familia de las enterobacterias debido a que las especies más representativas
viven en el tracto intestinal (enterón) de los animales de sangre caliente. Son
bacterias Gram negativas, con forma de bacilo, móviles por flagelación perítrica
y sin esporas. Las enterobacterias son aeróbicas facultativas, es decir, pueden
obtener energía tanto por respiración aeróbica como por fermentación.
Géneros y especies de importancia dentro de la familia de las
Enterobacterias son:
-
Erwinia: incluye especies patógenas de vegetales que producen
podredumbre blanca en tallos, hojas y raíces.
-
Klebsiella pneumoniae: responsable de infecciones del aparato respiratorio (neumonía).
-
Salmonella typhimurium: causante de gastroenteritis.
-
Salmonella typhi: agente del tifus.
-
Shigella dysenteriae: causante de la disentería.
-
Escherichia coli: indicadora de contaminación fecal. E. coli O157:H7 es
causante del Síndrome Urémico Hemolítico (SUH).
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 55
Fermentación butírica
La fermentación butírica consiste en la producción de cantidades variables de
ácidos (butírico, acético y láctico), de alcoholes (butanol, etanol e isopropanol)
y gases (H2 y CO2). En general, las vías metabólicas son muy semejantes a la
fermentación ácido mixta, excepto en que: a) se produce CO2 y H2 sin formar
ácido fórmico como compuesto metabólico intermediario y b) se forma ácido
butírico por condensación de 2 acetil-CoA y no de 2 piruvatos (Fig. 13).
Glucosa
NADH
ATP
Piruvato
NADH
CO2
H2
ATP
ADP
AcetilCoA
Acetato
Acetaldehido
2 H+
Acetoacetato
Etanol
AcetoacetilCoA
2 H+
CO2
2 H+
2 H+
ADP
Acetona
ButirilCoA
Butirato
2 H+
2
Isopropanol
ATP
H+
2 H+
Butanol
Fig. 13: Fermentación Butírica
Las bacterias con fermentación butírica se engloban dentro del género
Clostridium. Son bacterias con forma de bacilo, Gram positivas, esporuladas y
móviles por flagelación perítrica. Son estrictamente anaeróbicas, ya que el O2
tiene un efecto tóxico: como no poseen cadena respiratoria, en presencia de O2
los H+ del NADH son aceptados directamente por el O 2 formando peróxido de
H (H2O2) cuya acumulación provoca la muerte celular. Crecen a temperaturas
cercanas a 37 °C y a un pH entre 7 y 7,4. Fisiológicamente, los clostridios se
diferencian de otras bacterias en que no sólo pueden utilizar azúcares simples,
sino que también hidrolizan compuestos polimerizados como almidón,
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 56
proteínas, etc. Por ese motivo suelen agruparse en clostridios sacarolíticos,
proteolíticos, amilolíticos, etc. La degradación de proteínas animales en
ambiente anaeróbico produce mercaptanos responsables del olor a “huevo
podrido” por actividad de los clostridios.
Muchas especies de clostridios provocan serias enfermedades en
animales y en el hombre porque sintetizan toxinas letales. Debido a que estas
bacterias viven en el suelo y que son estrictamente anaeróbicas, estas
enfermedades prosperan cuando se conjugan condiciones muy particulares.
Las clostridiosis se clasifican en 3 grandes grupos:
-
Gangrena gaseosa
-
Enterotoxemias
-
Enfermedades neurotópicas
Gangrena gaseosa:
Carbunclo sintomático producido por Clostridium chauvoei, es una bacteria
Gram positiva y sus esporas pueden permanecer vivas durante años en las
pasturas. El animal al alimentarse ingiere los clostridios que llegan al intestino y
al hígado, diseminándose rápidamente por sangre al tejido muscular, donde
produce lesiones traumáticas, con una deficiente circulación de sangre (falta de
oxígeno), lo que produce una rápida multiplicación de C. chauvoei, produciendo
la lesión característica.
Edema maligno producido por Clostridium septicum, la puerta de
entrada de la bacterias son diferentes tipos de heridas (descole, castración,
inyecciones de productos veterinarios, etc.), en esos lugares se crea una
condición de anaerobiosis permitiendo la multiplicación bacteriana y liberación
de las toxinas.
Enterotoxemias:
Riñón pulposo en ovinos, causada por C. perfringes (tipos A, B, C, D,
y E), el tipo D está presente en baja cantidad en el intestino de animales
sanos.
Cuando se generan determinados cambios en el intestino la bacteria
prolifera en grandes cantidades produciendo elevados niveles de toxinas, que
terminan generando la enfermedad.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 57
Hepatitis necrótica infecciosa, producida por C. novyi, las bacterias se
encuentran en el suelo y en el tubo digestivo de los animales, van a hígado
donde permanecen latentes durante largos periodos de tiempo. La muerte de
los animales se produce por la proliferación de las bacterias en el hígado, para
que esta proliferación ocurra es necesario que el hígado este afectado
previamente, por eso esta enfermedad es común en zonas donde prolifera
Fasciola hepática (parásito) o donde abundan plantas tóxicas que producen
lesiones hepáticas.
Enfermedades neurotópicas:
Tétanos, producidos por toxinas de C. tetani, la espora es introducida a
través de heridas, cuando se cierra la herida se crea una condición de
anaerobiosis que produce la proliferación bacteriana y generación de toxinas
que son transportadas al sistema nervioso central.
Botulismo,
producida por
C. botulinum,
bacilo
Gram
positivo,
esporulado y anaerobio estricto. En condiciones ambientales favorables
(humedad, temperatura, pH y concentración de sales) se produce la toxina,
esta toxina es relativamente estable y altamente letal. En bovinos la infección
se produce por ingestión de huesos, pastos o suplementos contaminados por la
toxina.
Respiración anaeróbica
La respiración anaeróbica consiste en un metabolismo con todas las vías
semejantes a la respiración aeróbica (glucólisis, ciclo de Krebs y cadena
respiratoria) pero que se desarrolla en ambientes sin O 2. Por tal motivo, al final
de la cadena respiratoria los aceptores de e- son compuestos inorgánicos con
O combinado (SO4-2 y NO3-) que se reducen cuando aceptan los e- del NADH.
Este metabolismo constituye un gran avance evolutivo respecto a la
fermentación, debido a la alta eficiencia en la obtención de energía en
ambientes anaeróbicos. La cantidad de ATP generados depende del
compuesto aceptor pero varía entre 15 y 34. Los productos de la respiración
anaeróbica son: CO2 y N2, NO2- o H2S, según el aceptor.
Respiración anaeróbica con aceptor NO3- (denitrificación)
La energía que se obtiene utilizando NO3- como aceptor de e- es tan sólo un
10% inferior a la que se obtendría utilizando O2. Las bacterias que tienen
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 58
respiración anaeróbica con aceptor NO3-, son anaeróbicas facultativas, que
sólo utilizan NO3- o NO2- cuando no hay O2, produciendo N2 y óxidos de N
(N2O, NO, etc.). Como todos estos productos de la reducción del nitrato son
gaseosos, se pueden perder con facilidad al ambiente, a través de un proceso
conocido como denitrificación. Estas bacterias son muy comunes en suelos
anegados, donde existe alta cantidad de restos orgánicos en descomposición,
abundancia de NO3- y escasez de O2. Las bacterias denitrificantes también se
encuentran en ambientes pantanosos, cultivos de arroz y aguas servidas con
las mismas características. Los géneros más comunes de bacterias
denitrificantes son: Pseudomonas (bacilos Gram negativos con flagelación
polar) y Bacillus (bacilos Gram positivos, esporulados y con flagelación
perítrica).
La volatilización del N por reducción de NO3- es un proceso muy útil en
la naturaleza porque permite el retorno de N a la atmósfera, cerrando el ciclo
del N. En la actualidad, el hombre ha modificado en gran medida el ciclo del N,
especialmente por la incorporación de grandes cantidades de fertilizantes en
los cultivos. Por tal motivo, el proceso de denitrificación no debe analizarse sólo
como pérdidas de N sino también como un mecanismo de descontaminación
de suelos y agua. El proceso de denitrificación es beneficioso para el
tratamiento de aguas residuales, porque convierte el NO3- en N2 y se disminuye
de esta manera la carga de nitrógeno en los vertidos de las aguas residuales
tratadas, que de otra forma estimularían el desarrollo de algas.
Respiración anaeróbica con aceptor SO4-2 (desulfatación)
La eficiencia energética de la respiración anaeróbica con aceptor SO 4-2 es
menor que la del aceptor NO3- debido al menor salto de potencial redox. Los
microorganismos que poseen este tipo de metabolismo constituyen un grupo
muy reducido de bacterias anaeróbicas estrictas que producen H 2S en
ambientes ricos en materia orgánica en descomposición y permanentemente
inundados como son los sedimentos de lagos y pantanos. Los géneros más
comunes de bacterias desulfatizantes son: Desulfovibrio (de forma espiralada)
y Desulfotomaculum (bacilo Gram positivo, esporulado y flagelado).
Oxidaciones incompletas (función anabólica del Ciclo de Krebs)
La oxidación incompleta es el proceso metabólico que presenta diferentes
aceptores de e-. Los aceptores de e- son diferentes compuestos orgánicos,
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 59
muchos de ellos intermediarios de Ciclo de Krebs. Por lo tanto, los productos
de este metabolismo son ácidos orgánicos (oxalacetato, fumarato, malato,
lactato, acetato, citrato, etc.) y CO2.
La oxidación incompleta es un metabolismo adaptado a las condiciones
nutritivas del medio. Generalmente, los microorganismos con capacidad de
realizar respiración incompleta, poseen respiración aeróbica completa pero
que, frente a una alta disponibilidad de alimentos, especialmente (CH2O)n,
aumentan la velocidad de degradación y eliminan el excedente desde el ciclo
Krebs. Debido a esto, algunos autores lo llaman “metabolismo de superávit” y
lo consideran un mecanismo de reserva para cuando haya escasez de
nutrientes en el medio. Además, muchos de los ácidos producidos son
derivados a vías anabólicas para formar material celular debido a la alta tasa
de crecimiento microbiano cuando las condiciones nutritivas son óptimas. El
caso típico de esta adaptación metabólica lo constituyen los hongos del suelo,
que cuando caen restos vegetales de manera concentrada (por ej. una cosecha
o las hojas de los árboles en otoño), producen gran cantidad de ácidos
orgánicos que pasan al suelo y son utilizados por otros microorganismos.
La oxidación incompleta es un metabolismo muy utilizado en la
industria para la fabricación de ácidos orgánicos. Esto se fundamenta en que el
proceso industrial es más simple en comparación a la fermentación, que
requiere condiciones de anaerobiosis. Mediante el manejo de las variables
ambientales (cantidad de (CH2O)n, pH, temperatura, etc.) se pueden obtener
industrialmente los diferentes ácidos.
Generalmente, en la industria se utilizan diferentes especies de hongos
pertenecientes a los Mucorales, Zigomicetes y Ficomycetes (géneros Rhizopus
spp, Mucor, Aspergillus, etc). Sin embargo, para la producción de ácido acético
para vinagre comercial se utilizan Acetobacterias (Acetomonas y Acetobacter),
que son bacilos Gram positivos flagelados. Estas bacterias oxidan el alcohol
producido en anaerobiosis por las levaduras y lo transforman en ácido acético
cuando las condiciones son aeróbicas. El proceso industrial consiste en utilizar
un medio con alto contenido de alcohol (generalmente vino) y someterlo a una
fuerte aireación, provocando un metabolismo de superávit que elimina el ácido
acético antes de entrar al ciclo de Krebs.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 60
Metabolismos quimio lito autótrofos (QLA)
Los microorganismos QLA, obtienen la energía de reacciones químicas, y el
poder reductor y la fuente de carbono a partir de compuestos inorgánicos.
El metabolismo QLA también es conocido con el nombre de
oxidaciones inorgánicas, debido a que la energía se obtiene por oxidación de
un compuesto inorgánico. Las vías metabólicas consisten en la liberación de H +
de diferentes compuestos inorgánicos (NH4+, H2S, H2, Fe+2, etc.), que son
transportados por el NADH hasta la cadena respiratoria, formando ATP. Los
aceptores de e- son: en aerobiosis el O2 produciendo H2O y en anaerobiosis el
NO3- y el CO2, produciendo N2 y metano (CH4), respectivamente.
Los organismos que poseen metabolismo QLA aeróbico son de mucha
importancia en los ecosistemas y particularmente en los agroecosistemas
debido a que muchos de sus productos constituyen la base de la nutrición
vegetal (NO3- y SO4-2).
Todos los organismos QLA utilizan el CO2 como fuente de C para la
síntesis celular. La vía metabólica utilizada para la reducción del CO 2 es la
misma de las plantas, es decir el ciclo de Calvin-Bassham.
Oxidación del NH4+ y NO2- (nitrificación)
La oxidación del NH4+ y el NO2- produce NO3- por lo que se denomina
nitrificación. Generalmente son dos reacciones en cadena realizadas por
bacterias diferentes (nitrificantes o nitrificadoras) en estrictas condiciones de
aerobiosis (Fig. 14)
Nitrosomonas:
NH4+
+
O2
NO2-
+
H2O
O2
NO3-
+
H2O
Nitrobacter:
NO2-
+
Fig. 14: Proceso de Nitrificación.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 61
Las
bacterias
nitrificadoras
pertenecen
a
la
familia
de
las
Nitrobacterias, son Gram positivas y crecen muy lentamente debido a la escasa
eficiencia metabólica en la obtención de energía (reducido salto de potencial
entre los pares redox y escasos pasos metabólicos intermedios).
Los organismos nitrificadores al realizar el paso de un catión a un anión
acidifican el suelo, lo cual incrementa la solubilidad de otros nutrientes
inorgánicos (K, Mg, Ca y P).
Oxidación del H2S (sulfatación)
La oxidación del S reducido (H2S, S0 o tiosulfato), se conoce como sulfatación
porque produce SO4-2 (Fig. 15). Las bacterias que realizan oxidación del S son
conocidas como
tiobacterias (tio=S), y son Gram negativas, de flagelación
polar. El género más conocido es Thiobacillus, que oxida diversos compuestos
de S produciendo SO4-2. Otras bacterias sulfatadoras son las “incoloras y
filamentosas del S” de los géneros Beggiatoa y Thiothrix. Estas bacterias
oxidan el H2S sólo hasta S0 que se deposita en las células como partículas de
reserva. Similarmente a la nitrobacterias, la producción de SO 4-2 acidifica el
suelo favoreciendo la solubilidad de los nutrientes para las plantas y el lavado
de sales calcáreas.
H2S
So
S2O3
SO4-2
Fig. 15: Proceso de sulfatación
A diferencia de la nitrificación, la oxidación del S puede realizarse en
condiciones aeróbicas o anaeróbicas. Por ej., T. dentrificans puede vivir en
anaerobiosis, siempre que exista NO3- en el medio que es utilizado como
aceptor de e- de manera similar a la respiración anaeróbica (Fig. 16).
a)
H2S
+
O2
SO4-2
NO3
SO4-2
+
H2O
b)
H2S
+
+
N2
Fig. 16: Sulfatación en condiciones aeróbicas (a) y anaeróbicas (b)
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 62
Esta alternativa metabólica generalmente crea confusión en el
entendimiento de los procesos microbianos, debido a que un mismo
metabolismo (QLA) puede producir NO3- (nitrificación) y consumir NO3(denitrifricación) según las condiciones ambientales. En los ecosistemas, los
procesos no deben sólo analizarse desde un punto de vista químico
estequiométrico debido a que los organismos vivos están influenciados por
factores adaptativos y de costo-beneficio.
Oxidación del H2
El H2 producido en numerosos procesos fermentativos en ambientes
anaeróbicos, puede ser oxidado por las bacterias QLA hasta H 2O en
condiciones aeróbicas o hasta metano (CH4) en anaerobiosis, utilizando al CO2
como aceptor de e- (Fig. 17). Las bacterias oxidadoras de H2 pertenecen a los
géneros Hidrogenomonas (aeróbicas) y Metanomonas (anaeróbicas).
a)
H2
+
O2
H2O
H2
+
CO2
CH4
b)
Fig. 17: Oxidación del H2 en condiciones aeróbicas (a) y anaeróbicas (b)
En la actualidad, las bacterias del CH4 son utilizadas para la producción
de biogás, que consiste en la fermentación de desechos orgánicos (industriales
o agrícolas) en estrictas condiciones de anaerobiosis para que el H 2 y el CO2
producidos sean transformados en CH4.
En algunas Hidrogenomonas existe una alternativa metabólica que
consiste en la obtención del C celular a partir de compuestos orgánicos simples
y no a partir del CO2. Estas bacterias se las considera que poseen metabolismo
quimio lito heterótrofas (QLH).
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 63
Metabolismos foto lito autótrofos (FLA)
Este metabolismo llamado comúnmente fotosíntesis, consiste en que los
organismos obtienen energía a partir de la luz, el poder reductor de un
compuesto inorgánico y el C celular del CO2.
Existen dos vías metabólicas muy diferentes dentro de la fotosíntesis
de los microorganismos dependiendo de: a) cuál es el compuesto inorgánico
que da el poder reductor y b) la cantidad de pasos metabólicos intermedios
para el almacenamiento de energía. Debido a que en una de ellas no se
produce O2 y en la otra sí, se las denomina: fotosíntesis cíclica o anoxigénica y
acíclica u oxigénica, respectivamente.
Fotosíntesis cíclica o anoxigénica
Es uno de los primeros mecanismos de obtención de energía desarrollado por
la vida en el planeta. Consiste en la utilización de la energía solar, mediante la
captación en un compuesto sensible a la luz (pigmento) y un sistema proteico
muy simple para transformarla en energía química. Como es un sistema poco
eficiente produce 1 ATP, y no produce NADPH, por lo que el H para la síntesis
de C celular, lo obtienen por oxidación de compuestos inorgánicos de S (H2S y
S0) (Fig. 18). La síntesis de C celular se lleva a cabo por reducción del CO 2
mediante el ciclo de Calvin. La fotosíntesis cíclica sólo produce un salto de e por activación del pigmento, ese e- una vez que trasladó la energía al ATP,
vuelve desactivado al pigmento cerrando el ciclo.
Los compuestos de S eran muy abundantes durante el desarrollo de la
corteza terrestre a causa de que la atmósfera era rica en gases de origen
volcánico y no tenía O2. En la actualidad este tipo de fotosíntesis se sigue
produciendo en ambientes con alto contenido de H2S, originado por la
descomposición de restos orgánicos en condiciones anaeróbicas como son los
pantanos y fondos de lagos.
La fotosíntesis cíclica la realizan arqueas fotótrofas que son Gram
negativas y móviles por flagelación polar. Se diferencian dos familias
dependiendo del tipo de pigmento que poseen: las Tiorrodáceas o bacterias
púrpuras del S (poseen carotenos) y las Clorobiáceas o verdes del S (poseen
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 64
bacterioclorofila).
2 H+
H+
Citosol
4 H+
Membrana
plasmática
2 H+
4 H+
Citocromo
Espacio
periplasmático
Centro de reacción P870
ATP sintasa
Citocromo bc1
Fig. 18: Fotosíntesis cíclica u anoxigénica
Dentro de las tiorrodáceas se encuentran bacterias de gran tamaño
como Chromatium okenii (5 μm de ancho y 20 μm de largo) y Thiospirillum
jenense (3.5 μm de ancho y 50 μm de largo) que se caracterizan por depositar
el S0 producido como gránulos de reserva en su citoplasma. En las bacterias,
los
pigmentos
fotosintéticos
intracitoplasmáticas
que
se
surgen
hallan
como
ligados
a
invaginaciones
las
membranas
vesiculares
o
tubuliformes de la membrana citoplasmática.
Fotosíntesis acíclica u oxigénica
Esta vía fotosintética también es conocida como “sistema II” o fotosíntesis
acíclica porque la luz del sol activa dos núcleos de pigmentos produciendo dos
saltos de potencial redox que generan 2 ATP y 1 NADPH. Los e- necesarios
para la síntesis de NADPH provienen de la fotólisis del agua (hidrolisis del agua
estimulada por la luz) proceso que además libera los H+ (utilizados para la
síntesis de ATP) y el O2 (Fig 19).
Los microorganismos que realizan fotosíntesis acíclica son: a) las
cianobacterias (procariotas) y b) las algas (eucariotas). Esta fotosíntesis es la
más evolucionada y eficiente, siendo el proceso ampliamente utilizado por las
plantas superiores. Si bien el proceso metabólico es igual, entre cianobacterias
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 65
y algas, las cianobacterias no poseen cloroplastos, por lo que las reacciones se
realizan sobre las membranas internas.
2 H+
Plastoquinona
H+
Estroma
Membrana
tilacoide
2 H+
Lumen
2 H+
Plastocianina
Clorofila
P680
Fotosistema II o
P680
Clorofila
P700
Citocromo bf
Fotosistema I o
P700
ATP sintasa
Fig. 19: Fotosíntesis acíclica u oxigénica
Metabolismo foto órgano autótrofo (FOA)
Este metabolismo fotosintético consiste en que los organismos obtienen
energía a partir de la luz y el C celular del CO2 mediante el ciclo de Calvin, pero
a diferencia de los FLA, el poder reductor proviene de compuestos orgánicos.
Las bacterias que poseen metabolismo FOA son conocidas como
bacterias purpúreas sin S o Atiorrodáceas, debido a que poseen carotenos
(púrpura) pero no utilizan compuestos de S como dadores de H.
Distribución de microorganismos fotótrofos
Todas las bacterias fotosintéticas (FLA, FOA y FOH) se encuentran en
ambientes acuáticos. Las bacterias purpúreas del azufre (tiorrodáceas) forman
a menudo una capa de color rojo oscuro que recubre los sedimentos del fondo,
mientras que las bacterias púrpuras sin S (atiorrodáceas) no son visibles como
una capa pero también están presentes en los sedimentos. La localización en
los sedimentos proviene de tres factores clave: a) que en los sedimentos existe
gran cantidad de restos orgánicos en descomposición que les provee H2S y
compuestos orgánicos como poder reductor para ambos grupos (FLA y FOA
respectivamente), b) que en el fondo hay condiciones anaeróbicas y c) que los
carotenos absorben luz con longitudes de onda larga (800-1100 nm) que no
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 66
son utilizadas por los organismos fotosintéticos superficiales como algas y
cianobacterias. A estas capas de bacterias sobre el fondo se las conoce como
epibentos o “mat”.
Las bacterias verdes del S (clorobiáceas) debido a que poseen bacterioclorofila
no se localizan en el fondo, sino que flotan en una zona donde se integran
condiciones anaeróbicas, H2S disuelto y penetración de longitudes de onda de
alrededor de 700-900 nm.
Las cianobacterias generalmente son flotantes o pueden estar depositadas en
el fondo de zonas poco profundas debido a que poseen ficocianinas además de
clorofila a. La ficocianina que otorga el color azulado a estos microorganismos
posee un pico de absorción alrededor de los 450 y 500 nm, situado entre los
dos picos de absorción de la clorofila a. Por eso a las cianobacterias también
se las denomina algas verde-azules. Cuando el “mat” tiene cianobacterias que
producen O2 toda la capa de bacterias comienza a flotar (por las burbujas del
O2) desprendiéndose del fondo.
Las cianobacterias son más tolerantes que las algas superiores a
condiciones extremas. Por ej. pueden vivir en aguas termales con alto
contenido de sales, etc. Esta capacidad adaptativa se debe a que están
recubiertas por vainas mucosas que les permiten regular los factores
ambientales externos. Muchas cianobacterias viven en ambientes terrestres
que se inundan periódicamente formando una capa superficial sobre el suelo
conocida como “crust”.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 67
UNIDAD III: TAXONOMÍA Y CRECIMIENTO BACTERIANO
TAXONOMÍA MICROBIANA
La taxonomía es la ciencia de la clasificación y está constituida por dos
subdisciplinas: la identificación y la nomenclatura.
Siguiendo el sistema binomial de nomenclatura, a todos los organismos
(incluidas las bacterias) se les asigna un nombre de género y otro de especie.
Los nombres de especies y géneros son derivados griegos o latinos de alguna
propiedad descriptiva apropiada a la especie en cuestión, y se escriben en
cursiva. Una particularidad en taxonomía microbiana es el concepto de cepa
que, en general, no se utiliza en organismos superiores. Debido a que los
microorganismos se dividen por fusión binaria, una cepa es una población
genéticamente idéntica obtenida a partir de una sola célula.
Cuando se aísla un nuevo organismo debe publicarse la descripción y
el nombre propuesto en la publicación oficial de registro para la taxonomía y
clasificación de los microorganismos: International Journal of Systematic
Bacteriology (IJSB), y depositarse en una colección de cultivos aprobada por la
World Intellectual Property Organization (WIPO). Los microorganismos
depositados se conservan congelados o liofilizados y constituyen la “cepa tipo”
de la nueva especie. El IJSB publica periódicamente la lista de nuevos
nombres aprobados en el “Manual Bergey´s”, uno de los principales tratados de
taxonomía de los procariotas que está permanentemente actualizado (on line).
Este manual es un componente de información clásica y molecular sobre todas
las especies reconocidas de procariotas y contiene claves dicotómicas que son
útiles para la identificación.
Taxonomía bacteriana convencional
La taxonomía bacteriana convencional consiste en clasificar las bacterias
mediante: a) características morfológicas (carácter Gram, esporas, flagelos,
etc.), b) tipo de metabolismo (QOH, QLA, FLA, etc.), c) características
bioquímicas (sustratos y productos metabólicos), d) tolerancia a condiciones
ambientales (diferentes gases, temperatura, pH, etc.), e) sensibilidad a los
antibióticos, f) patogeneidad, g) relaciones simbióticas, h) características
inmunológicas, e i) hábitat de origen.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 68
Para identificar un organismo se sigue una secuencia, desde las
características más generales a las más específicas, mediante claves
dicotómicas hasta llegar a definir la especie. Esta metodología de identificación
se emplea de rutina en microbiología clínica, pero a causa de la gran
variabilidad y adaptación de los microorganismos en ambientes naturales
resulta incompleta cuando se trabaja en condiciones de campo.
Ejemplo de una clave dicotómica utilizada en taxonomía bacteriana
convencional
Eubacterias: Unicelulares, pared rígida, no fotótrofas.
o Cocos
(Gram+): Lactobaciláceas (bacterias del ácido láctico).
Streptococcus, Leuconostoc, Micrococcus.
Micrococáceas
Aerobios: Sarcina, Micrococcus.
Anaerobios: Sarcina, Methanosarcina, Thiosarcina.
(Gram-): Neisserláceas.
Aerobios: Neisseria
Anaerobios:Veillonella
o Bacilos
• No formadores de esporas
(Gram+)
Aerobios----------------------Corynebacterium, Arthrobacter.
Anaerobios-------------------Propionibacteriáceas, Lactobaciláceas.
(Gram-)
Flagelación polar-----------Pseudomonas, Acetomonas, Acetobacter,
Nitrobacteriáceas,
Tiobacteriáceas.
Flagelación peritrica-------Enterobacteriáceas, Azotobacteriáceas,
Rizobiáceas.
Inmóviles---------------------Parvobacteriáceas, Bacteroidáceas.
• Formadores de esporas (Baciláceas)
Aerobios----------------------Bacillus
Anaerobios-------------------Clostridium, Desulfomaculum.
o Espirilos (Espiriláceas)-------------Spirillum, Vibrio, Desulfovibrio.
Bacterias próximas a las Eubacterias:
o Bacterias fotótrofas: con pigmentos fotosintéticos, luz como fuente de energía.
Bacterias purpúreas del azufre (Tiorrodáceas).
Bacterias purpúreas (Atiorrodáceas).
Bacterias verdes del azufre (Clorobiáceas).
o Bacterias pedunculadas: con pedunculos.
o Bacterias con vaina: vainas tubulares (Clamidobacterias).
o Actinomicetes: con micelios.
o Rickettsias: parasitismo obligado.
Bacterias que se diferencian de las Eubacterias por características importantes:
o Espiroquetas: pared celular delgada y flexible, movilidad por contracción de
filamento axial.
o Bacterias reptantes: móviles pero nunca por flagelos.
o Mixobacterias: pared celular delgada y flexible.
o Micoplasmas: sin pared celular.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 69
Taxonomía molecular
La taxonomía molecular consiste en clasificar a los organismos mediante las
características de las principales biomoléculas orgánicas, particularmente los
ácidos nucleicos. Tiene la ventaja de ser muy específica y sensible, por lo que
en la actualidad es una metodología excluyente para la identificación
taxonómica.
Los métodos biomoleculares más utilizados son: a) composición de
bases del ADN, b) secuenciación de nucleótidos, y c) hibridación del ADN.
Composición de bases del ADN
Consiste en establecer la proporción de las bases del ADN, expresadas en
porcentajes moleculares (mol%) de Guanina+Citosina (G+C). Este método se
fundamenta en que la cantidad relativa de G+C es característica para cada
especie y que existe escasa variación en la cantidad de G+C dentro de un
mismo grupo taxonómico (entre 3-5%). Además, existe una cierta correlación
entre la composición de bases y el tipo fisiológico, por ej. los organismos de
respiración aeróbica tienen una proporción de G+C entre 60-75% mientras que
los organismos fermentadores poseen valores muy inferiores.
Sin embargo, este método tiene algunas limitaciones porque lo que
define las características de un organismo no es la cantidad de algunas bases
sino la secuencia de las bases dentro del ADN. La determinación del
porcentaje de G+C aporta información sobre la proporción de cada nucleótido
del ADN de un organismo, pero no revela ningún dato sobre la secuencia de
esos nucleótidos. Dos organismos pueden tener idéntica proporción de bases y
sin embargo no estar relacionados entre sí (ni taxonómicamente ni
filogenéticamente), ya que es posible tener secuencias diferentes con una
misma composición global de bases del ADN. Por ejemplo, las especies del
genero Bacillus presentan un amplio rango de porcentaje de G+C, mientras
que bacterias de diferentes géneros dentro de las Enterobacterias tienen
proporciones de G+C prácticamente idénticas.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 70
Secuenciación de nucleótidos
El método consiste en establecer el orden en que están colocados los
nucleótidos dentro de las moléculas de ácidos nucleicos, basándose en el
proceso biológico de replicación del ADN, donde se utiliza un cebador o
“primer” para comenzar la amplificación. Luego de la amplificación se realiza
una electroforesis (técnica utilizada para la separación de moléculas cargadas
según la movilidad de éstas en un campo eléctrico) para obtener un patrón de
bandas del que se deduce la secuencia del ADN introducido. Esta información
es clave para la diferencia entre organismos.
Metodológicamente se trabaja con trozos cortos (pocos nucleótidos)
tanto de ADN como ARN. Para la taxonomía de bacterias las moléculas más
utilizadas son la fracción de 16S del ARN ribosómico (1500 nucleótidos) y el
ADN de los plásmidos. Este último es muy importante para organismos de
interés funcional como los fijadores de N2, cuya enzima nitrogenasa se informa
en el ADN de los plásmidos.
Para establecer la identificación de los microorganismos se aplica un
programa de similitud genética entre las secuencias de los nucleótidos
analizados y los de otras especies conocidas. En la actualidad, toda la
información sobre las secuencias de nucleótidos en especies identificadas está
disponible en la Web en lo que se conoce como “banco de genes”.
ADN
Secuencia de
ADN
Células
ADN
aislado
PCR
Análisis de
las
secuencias
Árbol
filogenético
Fig. 1: Pasos de la secuenciación de nucleóticos
Hibridación de ADN
La hibridación es la construcción artificial de ADN bicatenario a partir de dos
monocatenarios y por complementariedad de bases. El método consiste en
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 71
poner en contacto moléculas monocatenarias de ADN de organismos
diferentes para establecer su similitud a través del porcentaje de hibridación
que se produce. Generalmente, el ADN de una cepa desconocida se pone en
contacto con trozos de moléculas de una secuencia de nucleótidos conocida
denominados “primers”.
Este es un método muy versátil que permite estudiar el grado de
relación genética entre dos ADN. La proporción de similitud genética que se
acepta para asignar el nivel taxonómico a dos organismos es: a) 99% o 100%
pertenecen a la misma cepa (clon), b) mayor de 60% pertenecen a la misma
especie; c) mayor de 20% pertenecen al mismo género, d) entre 1 y el 5%
pertenecen a géneros no relacionados (Fig. 2).
Organismos a
comparar
Organismo 1
Organismo 2
Organismo 3
Organismo 4
ADN cortado
ADN cortado
ADN cortado
Preparación
del ADN
Cortar y marcar
Cortar y marcar
radiactivamente
Desnaturaliza
ción por calor
Experimento
de hibridación
Mezclar ADN de dos organismos y añadir un exceso de ADN no marcado:
ADN hibridado
ADN hibridado
ADN no hibridado
ADN hibridado
ADN no hibridado
ADN hibridado
ADN no hibridado
Porcentaje de hibridación
Resultados e
interpretación:
ADN control
(misma cepa)
1 y 2 son de la
misma especie
1 y 3 son del mismo
género
1 y son de distintos
géneros
Fig. 2: Esquema del método de hibridación del ADN
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 72
Crecimiento bacteriano
El crecimiento bacteriano se establece a través del incremento en el número de
células de una población y por el consiguiente aumento de la biomasa
microbiana.
La velocidad de crecimiento es el cambio en el número de células o
masa celular por unidad de tiempo. El tiempo requerido para que, a partir de
una célula se formen dos células, se denomina tiempo de generación. El
tiempo de generación varía ampliamente entre los microorganismos. Muchas
bacterias tienen tiempos de generación de 1-3 horas, pero las de crecimiento
rápido pueden hacerlo en 10 minutos, mientras que otras pueden tardar días.
Las bacterias tienen crecimiento exponencial debido a que el número
de células se duplica cada cierto período de tiempo. Si el crecimiento
exponencial se grafica en ejes de escala aritmética, se obtiene una curva en la
cual se va incrementando progresivamente la pendiente, lo que dificulta el
análisis sobre la velocidad de crecimiento. Generalmente, el crecimiento
bacteriano se grafica en escala logarítmica (base 10), que permite visualizar
directamente el tiempo de generación (Fig. 3).
Una característica del crecimiento exponencial es que la velocidad de
incremento en el número de células es lenta inicialmente, para después
incrementarse constantemente en una auténtica explosión del número de
Número de células
Logaritmo del número de células
células
Log N bacterias
------
N bacterias
Tiempo en horas
Fig. 3: Crecimiento bacteriano en función del tiempo.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 73
Cálculo de tiempos de generación
El incremento de número de células que tiene lugar en un cultivo creciendo
exponencialmente es una progresión geométrica del número 2. Al dividirse dos
células (para dar cuatro) podemos expresar esto como 2 1
para dar 8 se puede poner como 22
22. Al dividirse 4
23 y así sucesivamente. Debido a la
progresión geométrica, hay una relación directa entre el número de células
iniciales y las finales a un tiempo determinado:
N = N0 2 n
Donde N = número final de células, N0 = número inicial de células y n = número
de generaciones que han ocurrido durante el período de fase exponencial.
El tiempo de generación g de la población celular se calcula como t/n,
donde t son las horas o minutos de crecimiento exponencial. Conociendo las
poblaciones final e inicial es posible calcular el número de generaciones y a su
vez el tiempo de generación.
Para expresar la ecuación N= N0 2n en términos de n son necesarias
las siguientes transformaciones:
Se aplica logaritmo
log N = log N0 + n log 2
y se despeja el número de duplicaciones
n=
logN - logNo
log 2
También se puede calcular la velocidad de duplicación (v), o sea, el
número de duplicaciones en el tiempo, que es la inversa al tiempo de
generación: n/t ó 1/g.
Los tiempos de generación son a menudo indicadores del estado
fisiológico de una población microbiana y es muy utilizado en microbiología
industrial para el monitoreo del proceso de obtención de diferentes productos.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 74
Curvas de crecimiento
El crecimiento de una población no presenta un crecimiento constante en el
tiempo. Generalmente la velocidad de duplicación del número de células es
muy
lenta
inicialmente,
después
se
incrementa
constantemente
y
posteriormente disminuye. Por tal motivo la gráfica de la curva de crecimiento
presenta diferentes fases (Fig. 4):
1. fase de latencia.
2. fase exponencial.
3. fase estacionaria.
4. fase de muerte.
Exponencial
Exponencial
Estacionaria
Estacionaria
Muerte
Muerte
número
deldel
Logaritmo
Logaritmo
de células
número
de células
Latencia
Latencia
Tiempo
Tiempo
Fig. 4: Fases del crecimiento bacteriano
1- Fase de latencia
Cuando se traslada una alícuota de una población microbiana a un medio de
cultivo nuevo, no ocurre crecimiento inmediatamente, sino después de cierto
tiempo que se llama fase de latencia. Esta fase puede ser más larga o más
corta dependiendo de muchos factores. Por ej., será larga si el cultivo iniciador
es viejo, si la composición del medio fresco es diferente al original, etc. La fase
de latencia se produce porque los organismos deben adaptarse a las nuevas
condiciones antes de reproducirse. Generalmente si el cultivo es viejo o en
latencia, las células deben comenzar a sintetizar enzimas o factores de
crecimiento que ya no poseen. Similarmente, si el medio tiene una composición
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 75
diferente la célula debe sintetizar las enzimas necesarias para degradar los
nuevos compuestos. Con fines prácticos industriales, se persigue que esta fase
sea lo más corta posible para tener mayor eficiencia y productividad del cultivo.
2- Fase exponencial
Es la verdadera fase de duplicación celular. La pendiente de la fase exponencial
depende de las características genéticas de los microorganismos y de las
condiciones del cultivo. En general, los procariotas crecen más rápidamente que
los eucariotas y los eucariotas pequeños lo hacen más rápidamente que los
grandes. Si en la industria se persigue la obtención de gran cantidad de células
(por ej., producción de inoculantes), se manejan las condiciones de producción
tendiendo a que la fase exponencial sea larga y de mucha pendiente (medio
altamente nutritivo, control del pH, temperatura y aireación, etc.).
3- Fase estacionaria
Se denomina fase estacionaria al periodo de tiempo donde no se detecta
aumento o disminución en el número de células. Generalmente esta fase se
produce por agotamiento de los compuestos nutritivos del medio de cultivo o
por la producción de sustancias metabólicas que inhiben el crecimiento celular
(por ej., producción de ácido láctico que baja el pH). Que no se detecte
crecimiento no quiere decir que las células no se dividan, sino que la tasa de
muerte y la de división celular están balanceadas. Cuando se pretende obtener
un producto metabólico, se manejan las condiciones para que la fase
exponencial sea corta y de mucha pendiente y que el cultivo entre en fase
estacionaria rápidamente, donde se registra la mayor concentración del
producto buscado.
4- Fase de muerte
Cuando se desestabiliza el balance entre muerte y duplicación y se
producen más muertes que divisiones, comienza la fase de muerte del cultivo.
Esta fase tiene una pendiente exponencial negativa, que puede ser de la
misma magnitud que la fase de crecimiento exponencial. En la práctica
industrial esta fase es importante para evaluar el desarrollo de productos
desinfectantes y esterilizantes, que pueden ser: a) bacteriostáticos, b)
bactericidas o c) bacteriolíticos (Fig. 5). El efecto bacteriostático es el que
detiene el crecimiento pero no mata a la célula. Los agentes bactericidas matan
a la célula pero no se produce la lisis o ruptura de la célula, mientras que los
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 76
bacteriolíticos matan a la célula mediante la lisis lo que se observa como una
disminución en el número de células o de la turbidez después de añadir el
Tiempo
Logaritmo del
número de células
Logaritmo del
número de células
Logaritmo del
número de células
agente.
Tiempo
Bacteriostático
Tiempo
Bactericida
Bacteriolítico
Contaje de células totales
Contaje de células viables
Fig. 5: Efecto de productos desinfectantes y esterilizantes
Tres tipos de acción de agentes antimicrobianos. La flecha indica el tiempo
en el que se añadió una sustancia inhibidora del crecimiento a un cultivo en
fase exponencial de crecimiento.
Productos microbiológicos de carácter industrial
Los productos industriales obtenidos por procesos del metabolismo bacteriano
son de dos grandes grupos: alimenticios y farmacéuticos. En la actualidad
también existe un amplio desarrollo para la obtención de productos para la
agricultura como son los inoculantes y los bioinsecticidas como el Bacillus
turigiensis. Dentro de los productos alimenticios se incluyen los de consumo
directo como pan, cerveza, vino, etc. y los insumos para la industria alimenticia
(enzimas, alcoholes, ácidos, etc.).
Los productos farmacéuticos más importantes son los antibióticos. El
descubrimiento y producción de los antibióticos fue un hito en la lucha por la
salubridad
humana.
Los
antibióticos
son
productos
secundarios
del
metabolismo de algunos microorganismos, sintetizados para poder competir en
el suelo frente a las bacterias. Por tal motivo no afectan a las células
eucarióticas y pueden ser utilizados en organismos superiores sin dañar las
células del enfermo. Los antibióticos típicos son: la penicilina (inhibe la síntesis
de la pared celular de las bacterias) producida por el hongo Penicillium y la
estreptomicina (inhibe la síntesis de proteínas en bacterias) producida por el
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 77
actinomycete Streptomyces. En la actualidad muchos antibióticos son
sintetizados artificialmente y no a través de cultivos microbianos.
La producción de inoculantes es uno de los objetivos de la Microbiología
Agrícola y será extensamente desarrollado en otras unidades.
Todos estos procesos microbiológicos industriales se basan en la
potenciación de reacciones metabólicas que los microorganismos ya son
capaces de llevar a cabo, con el fin de aumentar la producción del compuesto
de interés.
Cultivos continuos
Para la producción industrial de cualquiera de los productos biológicos se han
desarrollado tecnologías de alta precisión para evitar contaminaciones y
optimizar el rendimiento. Los cultivos son realizados en equipos de
fermentación especiales con condiciones controladas estrictamente.
Un cultivo continuo es esencialmente un cultivo de volumen constante, y
para mantener los cultivos de manera continua en fase exponencial se han
desarrollado equipos denominados quimiostatos (Fig. 6), que consiste en evitar
la fase estacionaria y de muerte mediante la incorporación de medio de cultivo
fresco a medida que se va utilizando el sustrato original. Simultáneamente con
la incorporación de medio fresco se retira el cultivo bacteriano ya crecido. Se
denomina turbidostato cuando la incorporación de nuevo medio de cultivo se
realiza según la tasa de crecimiento, evaluada por densidad óptica.
Medio fresco del
reservorio
Regulador del flujo
Aire estéril u otro gas
Espacio con aire (gas)
Recipiente de cultivo
Cultivo
Rebosadero
Efluente con células
microbianas
Fig. 6: Métodos de cultivo continuo. Quimiostato
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 78
Fig 7: Métodos de cultivo continuo. Turbidostato
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 79
UNIDAD IV: ECOLOGIA MICROBIANA
La ecología microbiana trata sobre la relación de los microorganismos con el
ambiente donde habitan. El suelo superficial (0-20cm) es el ambiente donde
ocurren la mayoría de los procesos microbianos que influyen sobre la nutrición
de los cultivos, de los cuales se ocupa la Microbiología Agrícola. Desde un
punto de vista ecológico, un ambiente está constituido por: 1) una fracción
abiótica (el hábitat), y 2) una fracción biótica (los componentes vivos). La
fracción abiótica del suelo incluye: a) partículas minerales de diferente tamaño
y composición química, b) agua y solutos, c) gases y d) compuestos orgánicos;
mientras que la fracción biótica incluye: a) raíces vivas de plantas, b) fauna
(detritívoros) y c) microorganismos (descomponedores) (Fig. 1).
Materia
orgánica
4%
Materia viva
1%
Fig. 1: Constituyentes de la fracción abiótica del suelo
Los diferentes componentes del suelo no forman una masa homogénea
sino que están asociados otorgando una estructura particular. La base de la
estructura del suelo la constituyen los llamados agregados. Un agregado es
un conjunto de partículas minerales ligadas por compuestos orgánicos y
organismos vivos. El tamaño de cada agregado es de aproximadamente 2
mm. El espacio que queda entre los agregados son los poros del suelo, donde
circulan el aire y la solución del suelo (Fig. 2).
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 80
Fig. 2: Estructura de un agregado
Componentes vivos del suelo
a- Raíces de las plantas: es un componente muy importante en los suelos
agrícolas y constituyen el nexo entre el suelo y la planta. Las raíces vivas
modifican el ambiente edáfico porque absorben nutrientes y agua de la solución
del suelo, respiran e incorporan CO2 a la atmósfera del suelo, aportan restos
orgánicos por exudación y descamación de células epidérmicas, contribuyen a
la agregación de partículas minerales, etc.
b- Fauna: se considera fauna del suelo a aquellos animales que se alimentan
de los restos orgánicos existentes en el suelo. La fauna suele conformar cerca
del 15% de la biomasa total del suelo, pero es muy variable dependiendo de las
condiciones climáticas y de manejo de cada suelo. La fauna es considerada
detritívora, ya que consume restos orgánicos y los metaboliza mediante
respiración aeróbica (producen CO2 y H2O). Por lo tanto, a diferencia de los
microorganismos, la fauna no posee metabolismos especiales que les permitan
liberar nutrientes inorgánicos, vivir en anaerobiosis, degradar moléculas
recalcitrantes, etc. La fauna del suelo suele clasificarse según el tamaño de los
organismos en: micro, meso y macro fauna (Fig. 3).
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 81
Fig. 3: Componentes de la micro, meso y macrofauna del suelo
c- Microorganismos: son los verdaderos descomponedores de restos
orgánicos transformándolos en compuestos inorgánicos, cerrando el ciclo de
los elementos. Constituyen cerca del 85% de la fracción viva del suelo. Debido
a que son microscópicos muchas veces es difícil de estimar la significancia del
peso absoluto de microorganismos en un suelo. A modo de ejemplo, se puede
hacer un cálculo muy general que ayuda a visualizar que, si bien la biomasa
individual es muy pequeña, la gran cantidad de individuos hace que la biomasa
absoluta sea muy grande.
Biomasa microbiana del suelo
Biomasa de bacterias
Peso de una bacteria = Volumen x Densidad = 10-12 cm3 x 1.5g/cm3 = 1.5 x 10-12 g
Bacterias/g suelo = 109
Biomasa de bacterias/g suelo = 109 x 1.5 x 10-12 g = 1.5 x 10-3 g
Biomasa por ha
Peso de 1 ha = Volumen x Densidad
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 82
Volumen = 10.000 m2 x 0.2m = 2.000 m3
Densidad del suelo = 1 g/cm3
P = 2.000 m3 x 1.000 kg/m3 = 2 x 106 kg
Biomasa de bacterias por ha = 2 x 106 kg x 1.5 x 10-3 kg = 3.000 kg/ha
Este ejemplo sólo se refiere a la biomasa de bacterias, sin considerar el
resto de los microorganismos de importancia en el suelo como los hongos y
actinomycetes.
Distribución de los microorganismos en el suelo
De manera general se puede afirmar que los microorganismos se distribuyen
según las condiciones ambientales y la disponibilidad de alimento. Por ej., en
los primeros centímetros del suelo existe mayor cantidad de restos orgánicos y
O2, por lo que allí se dispone la mayor cantidad de organismos con
metabolismos aeróbicos. A mayor profundidad los microorganismos aeróbicos
se localizan donde se conjugan condiciones óptimas de humedad y aireación.
Exceso de humedad satura los poros y se crean condiciones de falta de O 2. En
las capas más profundas del suelo superficial existe mayor cantidad de
microorganismos tolerantes a la falta de O2 y/o anaeróbicos que degradan
compuestos derivados de
la actividad de
los microorganismos más
superficiales (Tablas 1, 2 y 3).
Tabla 1: Distribución de grupos microbianos en el perfil del suelo
Abundancia de microorganismos
Horizont
e
Prof.
(cm)
Bacterias
aeróbica
s
Bacterias
anaeróbica
s
Actinomycete
s
A0
0-10
1.116.915
1.000
11.335
1.111.000
70.000
16.000
317.640
181.000
11.950
19.750
700.000
463
10.000
A1
A2
B
C
1012
1220
2040
50100
Hongo
s
Algas
Protozoo
s
500
640
5.000
320
77.500
100
40
7.250
14.740
100
10
197
1.850
0
0
303.00
0
165.00
0
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 83
Tabla 2: Abundancia de microorganismos en relación a la humedad del suelo
Humeda
d (%)
%
de
capacidad
campo
6.5
la
de
Bacterias
totales
(miles/g)
% relativo a la
microflora total
30
9.980
33
10.0
50
11.890
40
16.1
65
16.140
55
17.4
70
29.960
100
21.7
100
25.280
84
Tabla 3: Abundancia de microorganismos en relación a la materia orgánica
del suelo
Horizonte
cm
Materia orgánica
(%)
Bacterias
Bacterias
aeróbicas
anaeróbicas
6
6
(10 /g)
(10 /g)
A0
0-6
8.00
149.2
1.0
A1
6-12
3.11
131.8
1.8
B1
12-24
2.41
108.3
10.0
B2
28-48
1.70
45.3
1.0
C
48-80
0.80
6.0
0.01
Hay otros factores de importancia que definen la distribución y
presencia de microorganismos en el suelo. Uno de ellos es el pH. Es bien
conocido que en ambientes ácidos predominan los hongos sobre las bacterias
y contrariamente en ambientes alcalinos predominan los actinomycetes. Las
bacterias en general están asociadas a suelos neutros (Tabla 4).
Tabla 4: Abundancia de microorganismos en relación al tipo de suelo y pH del
mismo
Suelo
pH
Bacterias
Actinomycetes
Hongos
Gris margoso
7.8
18.209
2.230.250
36.000
Pardo arcilloso
7.6
2.230.000
1.700.000
59.000
Arcilloso rojo
6.4
1.650.000
245.000
74.500
Suelo tropical
4.4
127.000
75.000
245.000
Podzol arenoso
3.8
16.000
22.000
125.000
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 84
Sin embargo, todos estos patrones generales de distribución son muy
rígidos porque en el suelo la distribución de los microorganismos es muy
heterogénea debido a la interacción de un sinnúmero de factores bióticos y
abióticos y a las prácticas de manejo. Las principales situaciones que definen la
distribución de microorganismos son:
1.
Presencia de raíces: es bien conocido que la cantidad de bacterias
aumenta exponencialmente en las cercanías de las raíces vivas de las
plantas. Este efecto denominado "rizosférico" se debe a que las condiciones
edáficas creadas por las raíces favorecen la disponibilidad de alimentos para
las bacterias (exudados, descamaciones, etc.) y condiciones ambientales más
adecuadas (protección, retención de agua, etc.) (Tabla 5).
Tabla 5: Abundancia de microorganismos en relación a la proximidad de las
raices
2.
Descripción de la muestra
Bacterias
(millones/g)
Suelo distante 15 cm
14.2
Suelo distante 0-15 cm
25.4
Suelo junto a raíces
122.0
Material superficial de la raíz
1315.6
Estructura de agregación: la agregación de partículas define diversos
microambientes internos y externos al agregado que poseen características
muy diferentes para el desarrollo de los microorganismos. Si un agregado es
totalmente cerrado, en su interior se crean condiciones de anoxia, por lo que
allí se localizan bacterias anaerobias inmóviles que se fijan sobre la materia
orgánica que liga las partículas inorgánicas. Contrariamente, en la superficie
exterior de los agregados se asientan organismos aeróbicos móviles en
contacto con la solución y la atmósfera del suelo.
3.
Prácticas de manejo agrícola: toda práctica agrícola conlleva grandes
cambios en las condiciones del suelo que afectan la vida y distribución de los
microorganismos. Por ej., el laboreo del suelo favorece la trituración, mezcla e
incorporación de los rastrojos superficiales a la vez que aumenta la aireación
del suelo. Estos factores determinan un crecimiento exponencial de los
microorganismos, especialmente de los aeróbicos. En los últimos años la
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 85
adopción
de
la
siembra
directa
(SD)
modificó
sustancialmente
el
funcionamiento del suelo agrícola, acercándolo más a las condiciones no
disturbadas. Bajo SD los restos vegetales están localizados superficialmente y
van siendo degradados gradualmente por los microorganismos que no sufren
un aumento exponencial de su población (Tabla 6).
Tabla 6: Abundancia de microorganismos en relación a las prácticas de
manejo
Microorganismo
Relación siembra
convencional
directa/laboreo
Prof. 0-7.5
Prof. 7.5-15
Aeróbicos
1.41
0.68
Anaeróbicos facultativos
1.57
1.23
Actinomycetes
1.14
0.98
Nitritadores
1.25
0.55
Nitratadores
1.58
0.75
Hongos
1.57
1.23
Una relación siembra directa/laboreo convencional mayor a uno estaría
indicando una mayor abundancia de esos grupos funcionales en la siembra
directa, mientras que una relación menor a uno indicaría mayor abundancia en
laboreo convencional.
Asimismo, debe tenerse en cuenta que el suelo está fuertemente
afectado por la heterogeneidad de la vegetación que soporta y por las
variaciones estacionales. Ambas situaciones modifican las características del
suelo espacial y temporalmente, afectando la distribución de microorganismos.
Interacciones biológicas de los microorganismos
Los microorganismos del suelo no actúan de manera aislada, sino que
establecen relaciones tróficas y ambientales con el resto de la vida del suelo.
Desde un punto de vista ecológico, las interacciones pueden ser de carácter
positivo (sinergismos) o negativo (antagonismos), según si los componentes de
la relación se benefician o perjudican mutuamente.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 86
Interacciones entre microorganismos
Sinergismos
1. Comensalismo: se denomina comensalismo a la interacción en la
cual un individuo se beneficia mientras que el otro no es afectado por la
relación, por ej. bacterias que utilizan como alimento compuestos producidos
mediante el metabolismo de otras. También se considera comensalismo
cuando la actividad metabólica de un individuo elimina sustancias inhibitorias
(remoción de sustratos), produce factores de crecimiento específicos o cambia
las
condiciones
ambientales,
favoreciendo
el
crecimiento
de
otros
microorganismos.
Un ejemplo de comensalismo es la relación entre los grupos de
bacterias Nitrosomonas y Nitrobacter en medio rico en amonio. Dentro del ciclo
biogeoquímico del nitrógeno, el proceso de nitrificación es la transformación del
amonio en nitratos. Estas oxidaciones se dan por la actividad conjunta de
bacterias autótrofas comunes en el suelo (Nitrosomas y Nitrobacter).En una
primer etapa, Nitrosomas toma el amonio (NH4+) presente en el suelo
oxidándolo a nitrito (NO2-). En una segunda etapa, Nitrobacter toma el nitrito
(producto del metabolismo de Nitrosomas) para oxidarlo a nitrato (NO 3-).
Nitrobacter es comensal de Nitrosomas, ya que se beneficia del producto de su
metabolismo.
Actinomycetes
-
hongos
micorrícicos:
existen
microorganismos
rizosféricos que promueven la formación de micorrizas. Ciertos acminomycetes
(Rhodococcus, Streptomyces, Arthrobacter) han sido identificados como
bacterias que se asocian al micelio de hongos ectomicorrícicos (comensal) y
mejoran la formación de la micorriza. Estos microorganismos presentan una
alta especificidad, dado que una misma bacteria puede ser benéfica para un
hongo y negativa para otros. Algunos de los mecanismos por lo que benefician
la micorrización son: promoción del establecimiento de la simbiosis por
estimulación de la extensión micelial; incremento del contacto y colonización
raíz – hongo; reducción del impacto de factores ambientales adversos sobre el
micelio del hongo.
2. Mutualismo: es la interacción entre individuos en la cual ambos
aportan un factor que beneficia al otro. Se establece una relación de costobeneficio que perdura mientras sea conveniente para ambos. Hay muchos
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 87
ejemplos de relaciones mutualistas entre microorganismos, el más notable es
la degradación de la pared celular de los restos vegetales donde actúan
simultáneamente microorganismos que rompen enlaces químicos diferentes de
las grandes moléculas y ambos se benefician con la liberación de los
monómeros.
En biodigestores anaerobios, la asociación de microorganismos
asegura la degradación de la materia orgánica y la liberación final de metano.
Un grupo de organismos (Syntrobacter) libera hidrógeno, necesario para el
accionar del otro grupo que lo consume (Methanospirillum). A su vez, el
segundo grupo mantiene concentración baja de H2 y promueve la fermentación
de los ácidos grasos y la producción de H2 que regula el funcionamiento del
biodigestor.
Syntrobacter
Methanospirillum
ác. Propiónico acetato + CO2 + H2
4 H2 + CO2 CH4 + 2 H2O
Otro ejemplo común de mutualismo son Streptococcus faecalis y
Lactobacillus arabinosus (organismos aislados de la leche). Cada una produce
el factor esencial / factor de crecimiento requerido por el otro. Así, en un medio
exento de ácido fólico y fenilalanina L. arabinosus produce el ácido fólico
requerido por S. faecalis, y L. arabinosus utiliza fenilalanina, que es producida
por S. faecalis.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 88
3. Simbiosis: a diferencia del mutualismo, esta interacción no es casual
sino que perdura en el tiempo y generalmente posee especificidad entre los
miembros.
El ejemplo más claro de simbiosis entre microorganismos lo
constituyen los líquenes, que es una simbiosis entre un hongo y un alga (o
cianobacteria) en un grado de estrechez tan estricto que suele considerárselos
como un solo organismo. Los líquenes son simbiosis microbianas entre un
hongo y un alga (o cianobacteria). El alga es el asociado fotótrofo y produce la
materia orgánica de la que se alimenta el hongo. El hongo, incapaz de
fotosintetizar, proporciona anclaje al alga protegiéndola de la desecación; y
además excreta ácidos y compuestos orgánicos que estimulan la disolución y
quelación de nutrientes inorgánicos que el alga necesita. Es por ello, que los
líquenes se establecen comúnmente en hábitats secos como rocas desnudas o
troncos de árboles, superficies donde otros organismos no crecen, y ellos son
capaces de colonizar gracias a su asociación.
Antagonismos
1. Competencia: es la interacción mediante la cual un individuo se
beneficia en desmedro de otro. En esta interacción se engloban muchos
mecanismos que utilizan los microorganismos para acceder al alimento y a
mejores condiciones de vida. Se considera que los microorganismos mejor
adaptados para competir son aquellos que presentan alta tasa reproductiva,
mayor tolerancia a factores abióticos, bajos requerimientos nutritivos,
capacidad de almacenar reservas y capacidad de movilizarse.
Competencia por nutrientes
El hongo, Fusarium oxysporum y la bacteria Agrobacterium radiobacter, son
microorganismos del suelo que compiten naturalmente por carbono, uno de los
principales factores limitantes en el suelo. Cuando los requerimientos de
carbono son cubiertos por el agregado de sustancias carbonadas fácilmente
degradables, se manifiesta competencia por otro factor esencial limitante, el
nitrógeno.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 89
Botrytis cinerea y Penicillium expansum son dos hongos de
poscosecha dependientes de los nutrientes de origen orgánico. Como hongos
necrotróficos colonizan la superficie de frutas heridas, ya que sus esporas
requieren de estas sustancias para germinar y comenzar el crecimiento de las
hifas antes de penetrar al sustrato. Aquí, la competencia microbiana puede
resultar en la inhibición del desarrollo de estos patógenos.
Competencia por espacio
Las levaduras son eficaces colonizadoras de la superficie de plantas,
produciendo materiales extracelulares (especialmente polisacáridos) que
restringen el espacio para la colonización por otros microorganismos.
2.
Amensalismo:
muchos
lo
consideran
un
tipo
especial de
comensalismo debido a que un organismos perjudica a otro mediante la
producción de sustancias tóxicas biocidas. Las sustancias biocidas más
comunes sintetizadas por los microorganismos son tanto inorgánicas (H2O2,
NH4+, NO2-, etc.) como orgánicas. Dentro de estas últimas se incluyen los
ácidos y alcoholes producidos en las fermentaciones (biocidas débiles) y los
antibióticos de alta toxicidad. Muchos hongos y actinomycetes producen
antibióticos que controlan las poblaciones bacterianas, lo cual favorece el
avance de otros organismos de menor tasa reproductiva y escasa eficiencia
metabólica.
Bacterias y hongos de la rizósfera pueden producir sustancias
aleloquímicas o antibióticos que impiden el desarrollo de enfermedades
causadas por patógenos edáficos en las plantas. Las bacterias producen
quitinasas principalmente para degradar quitina y usarla como fuente de
energía. Así, algunas bacterias quitinolíticas, son agentes potenciales para el
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 90
control biológico de enfermedades causadas por hongos fitopatógenos, ya que
degradan la quitina presente en la pared celular del hongo. En algunos casos,
también las bacterias fitopatógenas pueden ser controladas por estas enzimas
quitinasas, pudiendo degradar la pared bacteriana.
Bacteria productora de toxinas: Agrobacterium radiobacter K84 produce
la toxina Agrocina 84, efectiva en el control de Agrobacterium tumefaciens
(agente causal de la agalla de corona). Se trata de una bacteriocina, sustancia
que las propias bacterias elaboran para el control de las poblaciones, y por lo
tanto, inhibe el crecimiento de las cepas patógenas.
Bacteria productora de antibióticos: La bacteria Pseudomonas cepacia
es colonizadora de las raíces de muchos cultivos. Ésta produce antibióticos,
que son efectivos contra un diverso rango de hongos patógenos de las plantas.
Cuando se aplica a semillas, la bacteria coloniza el sistema de raíces en
desarrollo y por la producción de antibióticos protege las semillas de hongos y
nematodos patógenos para la planta.
3. Parasitismo: es la interacción entre dos organismos en los cuales
uno utiliza el material vivo del otro por largos periodos de tiempo, llevándolo en
algunos casos a la muerte. El ejemplo más significativo de parasitismo entre
microorganismos lo constituyen los virus, que necesitan bacterias vivas para
reproducirse (bacteriófagos).
Bacteria – bacteria: es el caso de Bdellovibrio bacteriovorus, una
bacteria gram negativa que habita en los suelos, especialmente en la zona
rizosférica de plantas y parasita otras bacterias. B. bacteriovorus forma un poro
en la pared celular de su huésped, penetra en ella y se desarrolla hasta
colapsarla; provoca desorganización de la zona nuclear y de la pared de
mureína de la célula huésped, digiriendo su contenido celular. Es por ello que
B. Bacteriovorus es utilizada para control biológico de enfermedades
provocadas por agentes bacterianos.
4. Predación: consiste en que un organismo se alimenta de otro
organismo vivo. En el ecosistema suelo, la predación más importante es la de
los protozoarios sobre las bacterias. Esta interacción está regulada por el
número de presas (bacterias) y el costo de energía para su captura. Es decir
que la predación cesa cuando el predador gasta más energía en buscar y
capturar una presa que la que gana por ingerirla.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 91
Dentro del ecosistema ruminal, se establecen numerosas relaciones
entre los microorganismos involucrados en el proceso metabólico. Una de ellas
es la predación de los protozoos sobre bacterias y hongos.
Interacciones microorganismo-planta (efecto rizosférico)
Las plantas y los microorganismos del suelo establecen casi las
mismas interacciones ecológicas que los microorganismos entre sí.
Sinergismos:
1. Comensalismo: es la interacción más conocida en la cual los
microorganismos se benefician con: a) los productos de exudación y
descamación de las raíces (aminoácidos, polisacáridos, etc.) y b) la regulación
de las condiciones ambientales alrededor de la raíz (pH, humedad, relación
CO2/O2, etc.).
2. Mutualismo: es la situación más común en la zona rizosférica, debido
a que si bien los microorganismos se benefician con la presencia de la raíz, las
plantas se benefician con la actividad microbiana de la rizosfera. Muchos
microorganismos rizosféricos fijan N2, producen fitohormonas que favorecen el
crecimiento
vegetal,
producen
antibióticos
que
controlan
organismos
fitopatógenos, degradan fitotoxinas, solubilizan nutrientes, etc.
3. Simbiosis: es una interacción muy estrecha en la cual los
microorganismos viven dentro de la raíz a expensas del aporte de fotosintatos
de la planta, produciendo un beneficio que justifica la relación costo-beneficio.
Los ejemplos más conocidos son: a) las micorrizas, donde el hongo que vive
dentro de la raíz contribuye al crecimiento vegetal mediante la solubilización,
absorción y concentración de nutrientes (particularmente P), y b) la simbiosis
rizobium-leguminosa, donde la bacteria alojada en un nódulo radicular aporta N
atmosférico en forma utilizable por la planta.
Antagonismos:
Muchas
de
las
relaciones
sinérgicas
de
la
rizósfera
pueden
transformarse en antagónicas cuando las condiciones ambientales se vuelven
limitantes.
Bajo
condiciones
de
estrés,
la
planta
compite
con
los
microorganismos por agua y nutrientes y en algunos casos los microorganismos
producen fitotoxinas (amensalismo) para disminuir el crecimiento vegetal.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 92
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 93
UNIDAD V: DEGRADACION DE COMPUESTOS ORGANICOS EN EL
SUELO
La actividad de los microorganismos del suelo depende de los restos orgánicos
que ingresan al suelo que son la fuente de energía y C para la mayoría de los
organismos edáficos. Los restos orgánicos en los ecosistemas terrestres y,
más particularmente en los agroecosistemas, son mayoritariamente (95%) de
origen vegetal (hojas, tallos, frutos, raíces, etc.) y en menor medida de origen
animal (cuerpos de organismos muertos y excrementos).
Tipos de materia orgánica del suelo (MO)
No existe un acuerdo general sobre la denominación de los diferentes tipos de
materia orgánica que se encuentra en el suelo y que pueden ser sustrato para
los microorganismos. La forma de denominación más difundida es la siguiente:
1- MO fresca: son los restos orgánicos en lo cuales, por su tamaño y
estado de conservación, es posible identificar su estructura y origen (por
ej. si es una hoja, un tallo, excrementos, etc.). En general la mayoría de
la MO fresca se localiza de manera superficial en el suelo, pero además
existe un aporte de MO fresca a partir de raíces, los cuerpos de los
microorganismos y los compuestos orgánicos exudados por las raíces
vivas.
2- MO en descomposición o no humificada: también llamada biodisponible
(se denomina así por el hecho de ser soluble y de bajo peso molecular).
En este tipo de MO se incluyen los compuestos orgánicos solubles de
bajo peso molecular originados de la degradación de la MO fresca
superficial y que se incorporan al suelo con el agua de lluvia o riego. Es la
fracción más fácilmente degradable por los microorganismos y por lo tanto
de poca persistencia en el suelo, por lo que se encuentra en la porción del
perfil con actividad biótica, principalmente en la superficie. La MO no
humificada por su característica de solubilidad se encuentra asociada a la
fracción líquida del suelo (en solución) en permanente circulación entre
los poros, principalmente desde la superficie hacia abajo.
3- MO nativa o humus: es la materia orgánica que se sintetiza en el suelo a
partir de los productos resistentes a la degradación de la MO fresca, por lo
que constituye una fracción muy estable. Es la fracción responsable de las
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 94
características de fertilidad del suelo. Debido a que la MO nativa esta
asociada a la fracción inorgánica (arcillas), formando los agregados, se
localiza en todo el perfil del suelo, generalmente con un gradiente de
concentración desde la superficie (mayor concentración) hacia la
profundidad (menor concentración).
Composición química de la MO fresca
Los compuestos orgánicos más abundantes en la MO fresca son:
1- Compuestos simples: sustancias solubles que provienen del citoplasma
de las células vivas. Por ej. aminoácidos, péptidos, azúcares, fenoles, etc.
2- Compuestos polimerizados, pueden provenir de :

el citoplasma: proteínas, ácidos nucleicos, almidón, enzimas,
etc.

la pared celular: celulosa, hemicelulosas, pectina, lignina,
quitina, mureína, etc.
3- Compuestos hidrófobos: provienen de los tejidos de reserva de las células
y de la cutícula de las hojas (ceras, grasas, aceites, etc.)
La proporción de los distintos compuestos depende del origen (animal
o vegetal), de la especie, edad y estado fenológico de planta, de las
condiciones climáticas del lugar, etc. Por ej., hay mayor cantidad de
compuestos simples cuando en los restos orgánicos hay alta proporción de
células vivas (abonos verdes), contrariamente hay mayor cantidad de
compuestos de la pared celular en rastrojos y ramas de leñosas, en rastrojos
de maíz más que en los de soja, etc. (Fig. 1 y Tabla 1).
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 95
Tabla 1: Composición química de distintos vegetales
% de materia seca
Constituyentes
Centeno
joven
Alfalfa
Acículas de pino
Grasas y ceras
2.35
10.41
23.92
Solubles en agua
29.54
17.24
7.29
Hemicelulosas
12.67
13.14
19.98
Celulosa
17.84
23.65
16.43
Lignina
10.61
8.95
22.68
Proteínas
12.26
12.81
2.19
Cenizas
12.55
10.30
2.51
Fig. 1: Composición química de la cebada en diferentes estados fenológicos
Descomposición de la MO fresca
Los compuestos orgánicos solubles de bajo peso molecular son fácilmente
utilizados por los microorganismos que los incorporan directamente en la
célula, entrando en las vías catabólicas. Contrariamente, los compuestos
polimerizados, deben ser hidrolizados previamente fuera de la célula para
poder ser incorporados como monómeros (Fig 2).
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 96
A: Fenoles
B: Ceras
C: Lignina
D: Celulosa
E: Hemicelulosas
F: Azúcares
Fig 2: Velocidad de degradación de diferentes compuestos orgániccos
de la materia orgánica fresca
Muchos
microorganismos
producen
exoenzimas
o
enzimas
extracelulares, que son excretadas sobre las grandes moléculas para producir
su ruptura. Las exoenzimas tiene cargas eléctricas positivas por lo que pueden
quedar retenidas en las arcillas o ácidos húmicos con lo cual pierden su
funcionalidad. Asimismo las exoenzimas pueden sufrir degradación por otros
microorganismos. Por tal motivo muchas bacterias localizan las exoenzimas en
las cápsulas mucosas con las que además se adhieren a las grandes
moléculas a degradar. Existen enzimas específicas para cada tipo de polímero.
En general no todos los microorganismos segregan todas las enzimas, sino
que es un carácter funcional que los diferencia. Los microorganismos suelen
denominarse según la capacidad de hidrolizar compuestos polimerizados (por
ej. amilolíticos, proteolíticos, celulolíticos, etc.)
Hidrólisis de polímeros
Proteínas: son compuestos esenciales para la vida celular, tanto de
carácter estructural como funcional (enzimas). Son polímeros de aminoácidos
ligados por uniones peptídicas (OC-NH). Las enzimas proteolíticas (proteasas)
son muy comunes entre los microorganismos, sin embargo algunas proteínas
son difíciles de degradar debido a que poseen estructuras muy complejas, por
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 97
ej., la queratina (pelos y uñas) presenta su estructura cuaternaria ligada por
puentes disulfuro de difícil ruptura.
Almidón: es un polímero muy común en la naturaleza. Constituye la
sustancia de reserva de las plantas y muchos microorganismos. Es un
homopolímero de glucosas ligadas por uniones glicosídicas α 1-4 (lineal) y α 16 (ramificación) (Fig. 3). Las enzimas amilolíticas (amilasas) son muy comunes
en los organismos vivos, por lo que los microorganismos amilolíticos (bacterias,
hongos y actinomicetes) son muy diversos y abundantes en todos los rastrojos
y suelos.
Amilopectin
a
Amilosa
Fig. 3: Estructura del almidón
Celulosa: es el polímero esencial de la pared celular de las plantas y
algunos hongos y algas. Es un homopolímero de glucosas que, a diferencia del
almidón, están ligadas por uniones glicosídicas β 1-4 (Fig. 4). La enzima que
puede provocar la hidrólisis de las uniones β, es muy poco frecuente en la
naturaleza. Solamente algunos microorganismos tienen la posibilidad de
sintetizar celulasas. Los más comunes son algunos hongos superiores, los
actinomycetes y algunas bacterias deslizantes (mixobacterias) cuyas vainas les
permiten adherirse a las moléculas de celulosa para su degradación. Antes se
afirmaba que algunos protozoarios que habitan el rúmen eran celulolíticos, sin
embargo ha sido demostrado que la degradación de la celulosa por algunos
protozoarios se debe a que poseen bacterias celulolíticas endosimbióticas.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 98
Fibrillas de
celulosa
Pared celular
Microfibrilla
de
celulosa
Fibrilla de
celulosa
Célula vegetal
Molécula de celulosa
Fig. 4: Estructura de la celulosa
Microorganismos celulolíticos
Tabla 2: Especies de microorganismos celulolíticos
Clasificación
Eubacterias
Vibrio spp.
Cellvibrio spp.
Pseudomonas spp.
Mixobacterias
Cytophaga spp.
Sporocytophaga spp.
Características
Aerobios, mesófilos, espiralados
Aerobias Gram -, bacilos, pigmentados
Aerobias Gram +, bacilos
Anaerobias Gram +, suelos inundados, turbas
Aerobias, bacilos, suelos con abonos orgánicos
Aerobias, cocos
Actinomycetes
Micromonospora spp.
Crecen en agar mineral y celulosa, con pigmentos,
halo alrededor de la colonia
Phanerochaete spp.
Nocardia spp.
Streptomyces spp.
Entre los hongos celulolíticos podemos encontrar:
 Trichoderma reesei: hongo filamentoso y mesófilo. Utilizado industrialmente
por su capacidad de secretar gran cantidad de enzimas celulolíticas.
 Fusarium solani: comúnmente aislado del suelo y detritos vegetales.
 Penicillium funiculosum: hongo tolerante a la acidez, que crece en suelos
con pH ácido (pH 2), temperatura óptima de crecimiento 25 – 28 °C (rango de
crecimiento 8 – 45 °C).
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 99
Hemicelulosas: son polímeros que forman una matriz entre las fibras de
celulosa de la pared celular. Existen varios compuestos diferentes englobados
dentro de las hemicelulosas, pero todos son heteropolímeros de diferentes
azucares ligadas por uniones glicosídicas α 1-4. Los azucares más comunes
son xilosa y arabinosa (dentro de las pentosas) y manosa, galactosa y ácidos
urónicos (dentro de las hexosas) (Fig. 5). Según su composición, las
hemicelulosas se suelen denominar: xilanos, galactanos, mananos, etc. Los
organismos hemicelulolíticos son muy comunes y abundantes en todos los
suelos.
Fig. 5: Azúcares que forman parte de las hemicelulosas
Tabla 3. Especies de microorganismos hemicelulolíticos
Clasificación
Hemicelulosas
Manano
Galactomanano
Xilano
Galactano
Arabano
Eubacterias
Bacillus spp.
Cytophaga spp.
Erwinia spp.
+
+
+
+
+
Actinomycetes
Streptomyces spp.
+
+
Hongos
Alternaria spp.
Penicilium spp.
Glomerella spp.
Polyporus spp.
Aspergillus spp.
Fusarium spp.
Trichoderma spp..
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 100
Pectina: es el polímero que une las paredes celulares de una célula
vegetal con otra (laminilla media). Químicamente la pectina es un
homopolímero de ácido galacturónico con uniones glicosídicas α 1-4. La
enzima pectinolítica (pectinasa) es sintetizada por los organismos no solamente
para utilizar los ácidos urónicos, sino también como mecanismo para acceder a
las células vivas de las plantas, principalmente en los microorganismos
parásitos y simbiontes. Dentro de los microorganismos pectinolíticos se pueden
Figura 6. Estructura de la pectina
Quitina: es un compuesto polimerizado que se encuentra en la pared
celular de los insectos y de algunos hongos superiores. Es un homopolímero
de n-acetilglucosamina ligadas por uniones glicosídicas β 1-4 (Fig. 7). La
enzima responsable de degradar la quitina (quitinasa) es poco común en la
naturaleza y es secretada exclusivamente por algunos microorganismos
específicos. Por esta causa los exoesqueletos de insectos persisten por largos
períodos de tiempo en el suelo.
n-acetilglucosamina
Fig. 7: Estructura de la quitina
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 101
Mureína: es el compuesto característico de la pared celular de las
bacterias. Es un heteropolímero de n-acetilglucosamina y ácido murámico
ligados mediante uniones glicosídicas β 1-4, más un tetrapéptido (ver pared
celular capítulo 1). Al igual que la quitina es un compuesto de lenta
degradación. Generalmente la cadena de aminoácidos es degradada
rápidamente (uniones peptídicas) mientras que las uniones β 1-4 son más
persistentes.
Lignina: es el compuesto típico de las paredes secundarias de los
vegetales y de gran importancia en la constitución de leño (15-30%). La lignina
es una molécula muy compleja formada por diferentes monómeros de
estructura aromática (sustancias fenólicas: coniferol, sanapinol, cumarol)
unidos por varios tipos de enlaces y gran cantidad de cadenas laterales de 3 a
5 C. En los vegetales los anillos aromáticos constituyen la base química de
muchas hormonas, vitaminas, antibióticos y compuestos antiherbívoros
(fenoles, taninos). La lignina otorga rigidez a los tallos de las plantas
permitiéndoles elevarse sobre el suelo y constituye una adaptación evolutiva al
pasar del ambiente acuático al terrestre (las plantas acuáticas no poseen
lignina). Los microorganismos son los únicos seres vivos que sintetizan
enzimas capaces de degradar totalmente la lignina. Debido a la complejidad
química de la molécula, existen al menos tres procesos de degradación de la
lignina: a) la hidrólisis de anillos aromáticos b) degradación de cadenas
laterales y c) ruptura de los anillos aromáticos. Los dos primeros procesos
liberan sustancias fenólicas solubles y son procesos rápidos que lo realizan
numerosos microorganismos del suelo. Contrariamente, la ruptura de los anillos
aromáticos es un proceso lento, específico de un grupo reducido de
microorganismos, incluyendo algunos hongos superiores y actinomycetes. Por
esta causa los anillos perduran largo tiempo en el suelo (Tabla 4).
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 102
Tabla 4: Especies de microorganismos ligninolíticos
Clasificación
Efecto sobre la lignina
Hidrólisis de
anillos aromáticos
Degradación de
radicales libres
Ruptura de anillo
aromático
Eubacterias
Bacillus spp.
Azotobacter spp.
Pseudomonas spp.
+
+
+
+
+
+
Actinomycetes
Streptomyces spp.
Nocardia spp.
+
+
+
+
+
+
Hongos Basidiomycetes
Pleurotus spp.
Phanerochaete spp.
Coriolus spp.
Polyporus spp.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Hongos Ascomycetes
Xylaria spp.
Libertella spp.
Hypoxylon spp.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Sustancias grasas: forman el tejido de reserva en la mayoría de los
organismos vivos, incluyendo bacterias y hongos. Son sustancias de alto poder
energético por el elevado contenido de C y escaso O. Están formadas por un
alcohol y cadenas de ácidos grasos de diferente cantidad de C y tipos de
uniones. En los microorganismos la composición química de los ácidos grasos
es muy variable por lo que actualmente se la utiliza como un carácter
taxonómico molecular. En general las sustancias grasas simples son muy
fáciles de degradar por los microorganismos, sin embargo algunas ceras
poseen moléculas de hidrocarburos saturados que hacen que sean de lenta
descomposición en el suelo.
Sucesiones microbianas de la descomposición de la MO fresca
La degradación de los residuos orgánicos es un proceso gradual donde
intervienen numerosas especies de organismos de alta diversidad funcional,
que actúan interrelacionados, extrayendo el máximo rendimiento energético
posible. En el suelo se establece una cadena trófica en base a la sucesión de
poblaciones microbianas con características metabólicas propias, de tal
manera que los productos metabólicos de un grupo de organismos son
utilizados sucesivamente por otros. En base a estas sucesiones se observan
diferentes etapas en la descomposición de la MO fresca del suelo.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 103
1. Utilización de compuestos solubles de la MO fresca: las primeras
poblaciones que actúan sobre la MO fresca son las que habitan la superficie de
las hojas vivas (filosfera), que comienzan utilizando los compuestos solubles
del citoplasma celular. La presencia de paredes celulares con elevado
contenido de fibras insolubles (celulosa y lignina) y cutículas gruesas
(sustancias hidrófobas), dificulta la accesibilidad de los microorganismos a los
compuestos
solubles.
Por
esta
causa,
en
una
primera
etapa
de
descomposición, la fauna edáfica detritívora cumple un rol muy importante
fragmentado los restos lo que posibilita una mayor superficie para la acción
microbiana.
El acceso microbiano a las paredes celulares se logra principalmente por
la acción de hongos pectinolíticos que disuelven las laminillas medias. Una vez
logrado el contacto con las paredes celulares los microorganismos obtienen los
compuestos solubles del citoplasma que difunden desde las células muertas.
La mayoría de los organismos metabolizan los compuestos solubles mediante
respiración aeróbica hasta CO2 y H2O. Sin embargo, y debido a que en esta
etapa existe gran cantidad de alimento disponible, muchos hongos sacarolíticos
(generalmente Zigomycetes) metabolizan los azúcares solubles mediante
oxidaciones incompletas produciendo gran cantidad de ácidos orgánicos (Fig.
8).
2. Degradación de polímeros: en general la degradación de las paredes
celulares es un proceso lento donde actúan varios grupos microbianos de
manera sinérgica trozando los polímeros y utilizando los monómeros liberados.
Como las paredes celulares son muy complejas se establecen las siguientes
sucesiones: a) degradación de las hemicelulosas (proceso rápido), b) ruptura
de los puentes de H que soportan la estructura de la fibra de celulosa, c)
ruptura de los enlaces β1-4 (enzimas celulolíticas) con liberación de glucosas
(proceso lento), d) ruptura de las uniones y consumo de radicales de la lignina
con liberación de anillos aromáticos. Los microorganismos que hidrolizan los
polímeros no consumen todos los monómeros liberados sino que la mayor
parte pasa al medio donde son metabolizados por un gran número de
organismos. Simultáneamente a la ruptura de la pared celular, otros grupos de
microorganismos acceden al citoplasma hidrolizando los compuesto insolubles
(almidón, ácidos nucleicos, proteínas, etc.) y liberando gran cantidad de
monómeros (glucosas, aminoácidos, etc.) (Fig. 8).
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 104
3. Degradación de monómeros en el suelo: Una importante proporción
de los compuestos solubles liberados de la MO fresca (ácidos orgánicos,
glucosas, fenoles, aminoácidos, etc.), percolan y se incorporan a la solución
que circula en los poros del suelo constituyendo la MO no humificada. En el
suelo, los monómeros son metabolizados por los microorganismos localizados
en la zona externa de los agregados. En esta situación, predominan
organismos de respiración aeróbica, muy activos y de rápido crecimiento que
acumulan gran cantidad de C en su biomasa. A medida que la disponibilidad de
O2 del suelo disminuye, a causa de la actividad respiratoria, estas poblaciones
son reemplazadas por organismos fermentadores que producen ácidos
orgánicos y alcoholes. Cuando en los poros del suelo se restituye la
disponibilidad de O2, los productos de la fermentación son oxidados hasta CO2
y H2O. Ambos mecanismos, respiración y fermentación, se dan de manera
sucesiva o simultánea en el suelo, dependiendo de las condiciones
ambientales.
Los cambios en la concentración de O2 provocan gran mortandad de
individuos, cuya biomasa se transforma en una importante fuente de MO
fresca que es degradada internamente en el suelo mediante procesos
similares a la MO superficial (primero los compuestos solubles, después los
polímeros más simples y luego la mureína, quitina, etc.). Si la disponibilidad de
O2 no se restituye en el suelo (por ej. en suelos anegados), pero persiste gran
cantidad de MO no humificada o biodisponible, actúan microorganismos con
respiración anaeróbica, que utilizan NO3produciendo CO2 y N2, N2O y H2S
y SO4-2 como aceptores de H,
que se volatilizan (denitrificación y
desulfatación) (Fig. 8).
4. Degradación de compuestos recalcitrantes (resistentes al ataque
microbiano): cuando disminuye la cantidad de C fácilmente degradable (MO no
humificada), las poblaciones microbianas declinan en mayor o menor grado
dependiendo de la capacidad de adaptación y resistencia. Muchas bacterias
esporulan, pero otras sobreviven mediante estados de latencia y cambios en la
estructura de la pared celular. Bajo estas condiciones, organismos poco
competitivos que se han visto relegados frente al alto crecimiento de otros
microorganismos, tienen posibilidad de acceder a las fuentes de energía
remanentes. Estas fuentes son compuestos de difícil descomposición (anillos
aromáticos, grasas, ceras, quitina, mureína, etc.), que son metabolizados
lentamente. Por este motivo, los microorganismos que actúan en esta etapa
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 105
son de crecimiento lento, poco numerosos y son responsables de la síntesis y
condensación de las grandes moléculas orgánicas que constituyen la MO
nativa o humus del suelo (Fig. 8).
Descomposición
de MO fresca
POLÍMEROS
(almidón, celulosa, lignina)
COMPUESTOS
SOLUBLES
amilolisis
celulolisis
ligninolisis, etc
percolación
humificación
MONÓMEROS
(glucosa, aminoacido, fenol)
Fermentacion
ácidos orgánicos
+ alcoholes +
gases
oxidación
incompleta
ácidos orgánicos
+ H2O+ CO2
respiración
aeróbica
CO2 + H2O
HUMUS
deshumificación
respiración anaeróbica
NO3SO4-2
SH2
N2O/ N2
volatilización
Procesos bióticos (microbianos)
Procesos abióticos
Fig. 8: Proceso de descomposición de la materia orgánica
Materia orgánica nativa o humus
El humus del suelo está formado por polímeros muy complejos originados por
condensación y polimerización de moléculas orgánicas recalcitrantes (fenoles)
unidas por productos del metabolismo microbiano. Además de los anillos
aromáticos
provenientes
de
la
degradación
de
la
lignina,
muchos
microorganismos sintetizan sustancias fenólicas. Por ej., las melaninas
(producidas por los hongos) otorgan la típica coloración oscura al humus
(tierra negra). Muchos elementos minerales forman parte de las moléculas de
humus. El más importante es el N que puede presentarse dentro de grupos
aromáticos (pirroles) y como grupos amina en las cadenas laterales.
Debido a la presencia de radicales de carácter ácido, el humus se
encuentra estrechamente asociado a la fracción inorgánica del suelo,
formando los agregados. Entre ambas fracciones se establecen uniones
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 106
catiónicas (unión de un catión entre las cargas negativas de las arcillas y los
radicales ácidos del humus) y otras ligaduras más débiles como los puentes
H, interacciones de Van der Vaals, enlaces polivalentes (Fig. 9).
Arcilla
Ácido húmico
Fenol
Pirrol con N
M
Catión
Fig. 9: Estructura de un ácido húmico mostrando las interacciones físicoquímicas con una partícula de arcilla
La formación de agregados beneficia la fertilidad edáfica ya que otorga
mayor porosidad, aumenta la capacidad de retención de agua y favorece el
intercambio calórico y la circulación del aire en el suelo. Asimismo, los
radicales ácidos de las moléculas de humus contribuyen a la capacidad de
intercambio catiónico, la regulación del pH, y actúan como reserva de
nutrientes (NH4+, Ca+2, Mg+2, etc.).
Las sustancias húmicas son insolubles, con alta proporción de C y baja
cantidad de O. Son escasamente biodegradadas por los microorganismos, lo
que hace que sean muy estables en el suelo. La estabilidad de las sustancias
húmicas varía según el tamaño de la molécula y el tipo de uniones químicas.
Generalmente estas características están asociadas al grado de madurez del
humus. Normalmente se distinguen dos tipos de sustancias húmicas: ácidos
húmicos (Fig. 10) y ácidos fúlvicos (Fig. 11).
Los ácidos húmicos poseen moléculas de elevado peso molecular
(10.000 a 100.000) y uniones de alta complejidad resultado de largos
procesos de maduración. Contrariamente, los ácidos fúlvicos son de menor
peso molecular (1000 a 30.000), mayor proporción de cadenas laterales y con
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 107
uniones químicas menos estables, lo que los hace más susceptibles a la
degradación microbiana. Cuando en el suelo existe déficit de MO no
humificada o biodisponible, los microorganismos recurren a las sustancias
húmicas como fuente de C y energía. Bajo esas condiciones los
microorganismos utilizan los ácidos fúlvicos y solo degradan los ácidos
húmicos en situaciones de alto impacto productivo.
Fig. 10: Composición elemental de los ácidos húmicos
Fig. 11: Composición elemental de los ácidos fúlvicos
Tabla 5: Composición química de los ácidos fúlvicos y húmicos
Ácidos fúlvicos
Ácidos húmicos
C (%)
H (%)
N (%)
S (%)
O (%)
Cenizas (%)
OCH3 (%)
COOH (%)
Fenoles (%)
49.5
4.5
0.8
0.3
44.9
2.4
0.5
9.1
3.3
Acidez total (%)
12.4
56.4
5.5
4.1
1.1
32.9
0.9
10
4.5
2.1
6.6
Constituyentes
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 108
Balance humificación–deshumificación
La cantidad de humus de un suelo es resultado del balance que se establece
entre la síntesis y la degradación de las moléculas complejas. Estos procesos
pueden ser sucesivos o simultáneos y son afectados por numerosos factores
ambientales. Entre los más importantes se incluyen:
a) Cantidad de MO fresca aportada: el ingreso de MO al sistema suelo es
muy variable dependiendo de tipo y estructura de la vegetación. Por ej. las
leñosas caducas aportan mayor cantidad de residuos que las perennes, el
cultivo de maíz mas que el de soja, etc. Generalmente el aporte de MO
fresca se produce a manera de pulsos debido a que existen épocas del año
con mayor aporte (cosecha, defoliación, etc.). Por tal motivo, hay mayor
humificación cuando existe MO no humificada o biodisponible y mayor
deshumificación en las épocas de escasez de MO fresca.
b) Composición química de la MO fresca: es un factor de suma importancia
debido a las grandes diferencias en los procesos de degradación de los
compuestos de la MO fresca. Restos orgánicos con alta concentración de
lignina y celulosa tienen alto potencial de humificación (por ej. tallos
secundarios de leñosas, cañas de gramíneas, etc.). Contrariamente, hojas
frescas de plantas jóvenes aportan gran cantidad de compuestos solubles
de fácil degradación y bajo potencial de humificación.
Se suele utilizar un índice de calidad para establecer el potencial de
humificación de la MO fresca, el cual se calcula relacionando la cantidad de
compuestos fácilmente descomponibles con los más recalcitrantes:
compuestos solubles + hemicelulosas + proteínas
celulosa + lignina + ceras
a) Condiciones climáticas: en ambientes cálidos y húmedos (selvas
tropicales) se favorece la actividad microbiana, por lo que se consume toda
la MO fresca y no se produce humificación. Contrariamente, en ambientes
fríos o muy secos (tundras y desiertos), con escasa o reducida actividad
microbiana, los restos vegetales se acumulan sin degradar favoreciendo la
humificación.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 109
b) Prácticas de manejo: toda práctica de manejo que modifique la cantidad
y calidad de MO fresca que ingresa al suelo, altera los procesos de
humificación - deshumificación (por ej. talas, sobrepastoreo, monocultivos,
etc.). Algunas prácticas de manejo son de muy alto impacto y colocan al
suelo en situaciones de extremo estrés, lo cual desencadena procesos de
deshumificación irreversibles. La labranza continua en suelos agrícolas
ocasiona grandes pérdidas de humus debido a que el laboreo incorpora,
mezcla y tritura la MO fresca (rastrojo), activa la primera etapa de la
degradación de los residuos, destruye los agregados e impide la
descomposición gradual y la condensación de moléculas recalcitrantes
formadoras de humus. Otra de las prácticas de alto impacto es la quema de
la vegetación: el fuego elimina toda la MO superficial y, dependiendo de la
intensidad y duración, provoca la combustión de la MO nativa.
Para poder estimar la tendencia de un suelo a humificar o perder MO,
se suele utilizar un índice, denominado Índice de mineralización, que
relaciona la producción de CO2 (indicador de actividad microbiana) y la cantidad
de MO del suelo (MO fresca, en descomposición y nativa): C-CO2/C-MO. Los
valores de este índice varían entre 0.5 y 3.5. Valores = 1 indican un suelo con
un equilibrado balance humificación-deshumificación, valores inferiores a 1,
indican procesos de humificación, mientras que valores superiores a 1 indican
pérdidas de C por deshumificación.
Índice de mineralización =
CO2 / MO
CO2: dióxido de carbono liberado por respiración microbiana
MO: materia orgánica fresca, no humificada y humificada.
Tasa de descomposición de la MO fresca
El proceso de descomposición representa el principal flujo de C y nutrientes
en muchos ecosistemas terrestres, por lo que cuantificar la tasa de pérdida de
la MO fresca y los cambios en los nutrientes asociados a la MO fresca es un
aspecto importante para evaluar el funcionamiento del ecosistema. La
descomposición de la MO fresca juega un rol importante en la acumulación de
C y nutrientes, como así también en la tasa y sincronización de la liberación
de nutrientes en forma disponible para ser utilizado por las plantas y la biota
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 110
del suelo. La descomposición de la MO fresca es controlada por la cantidad
de MO fresca (morfología y química de los restos vegetales principalmente),
condiciones abióticas (temperatura, humedad, textura del suelo, etc.) y la
actividad biótica (microbiana y fauna). Los procesos de descomposición
pueden servir como una “variable integradora” para la evaluación del
funcionamiento
del
ecosistema,
para
la
comparación
de
diferentes
ecosistemas y para evaluar las prácticas de manejo u otras influencias
antrópicas.
La descomposición involucra no sólo la pérdida de biomasa, sino
también involucra el lixiviado o lavado de compuestos orgánicos solubles e
inorgánicos, la degradación de la MO y la trituración o fragmentación física de
la MO fresca. Teniendo en cuenta la gran cantidad de factores que inciden
sobre la degradación de los residuos orgánicos, la tasa de descomposición no
es un valor constante a lo largo del año. Generalmente la curva de
descomposición tiene una fase corta de máxima pendiente cuando la MO
fresca ingresa al suelo (cosecha, defoliación), y luego una fase larga de
menor pendiente. Estas fases se corresponden con las etapas de
degradación de compuestos fácilmente descomponibles y de compuestos
recalcitrantes respectivamente (Fig.12).
peso remanente (%)
120
100
80
60
40
20
0
0
3
6
9
12
meses
Fig. 12: Curva de descomposición teórica o convencional
Este patrón de curva convencional puede diferir sustancialmente
dependiendo del clima y las condiciones de manejo. Por ejemplo en zonas
áridas con inviernos secos y con caída de MO fresca durante el otoño, la
curva presenta dos fases de pendiente pronunciada: una correspondiente al
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 111
ingreso de MO y la otra mayor cuando las condiciones de humedad y
temperatura activan los procesos de
degradación microbiana (primavera-
verano)(Fig. 13).
Activación de procesos microbianos por
temperatura y humedad
120
500
400
80
300
60
200
40
lluvia (mm)
perdida de peso (%)
100
100
20
0
0
inicila i
invierno
primavera
verano
otoño
Fig. 13: Curva de descomposición en ambiente zona árida
La velocidad de descomposición anual de denomina tasa de
descomposición (k), y generalmente es un valor constante en ecosistemas no
modificados por el hombre. Se calcula mediante la siguiente ecuación:
Xt
 e -k.t
Xo

Xt = peso remanente al tiempo t
Xo = peso inicial.
k= pendiente.
En base a la constante k se puede calcular la tasa de retorno de C al
suelo:

tr =
1
k
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 112
Generalmente los ecosistemas de climas tropicales y los altamente
estacionales poseen tasas de descomposición altas, mientras que los de climas
fríos y/o desérticos tienen tasas muy bajas, lo que implica tasas de retorno de
C muy altas y muy bajas respectivamente.
Tabla 6. Tasas de descomposición de distintos ecosistemas:
Ecosistema
k
tr (años)
Chaco Árido (Argentina)
0.95
1.05
Sabana seca (Sudáfrica)
0.10/ 0.35
Bosque subtropical seco (India)
0.43/ 0.61
Bosque tropical seco (Costa Rica)
0.43 / 1.02
Bosque deciduo tropical (México)
0.73
1.37
Bosque seco tropical (Belize)
1.76
0.57
Bosque seco subtropical (Puerto Rico)
0.35
2.87
Bosque subtropical húmedo (Argentina)
0.47/ 0.79
Desierto Chihuahuan (México)
0.48 / 0.64
Chaparral arbustivo (USA)
0.20/ 0.23
2.33 / 1.64
4.88 / 4.55
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 113
UNIDAD VI: DISPONIBILIDAD DE NUTRIENTES PARA LAS PLANTAS
El término nutriente disponible se aplica a los minerales que están solubles en
la solución del suelo y que pueden ser absorbidos por las plantas. Los
nutrientes solubles en el suelo se originan de reacciones químicas inorgánicas
a partir de la roca madre o mediante procesos biológicos (reacciones
bioquímicas).
La mayoría de los procesos microbianos involucrados en la
disponibilidad de nutrientes están relacionados con la liberación de los
elementos minerales durante el proceso de descomposición de los restos
orgánicos que se depositan en el suelo. Muchas moléculas orgánicas poseen
elementos minerales mayoritariamente N, P y S, por ej. proteínas, ácidos
nucleicos, vitaminas, etc.
Durante el proceso de descomposición las cadenas carbonadas de
dichas moléculas orgánicas son utilizadas como fuente de energía y C,
mientras que los componentes minerales son liberados siguiendo diferentes
vías según el mineral de que se trate. El proceso de liberación de minerales de
las moléculas orgánicas se denomina mineralización (Fig. 1).
SO4 -2 / SO2
N2
Precipitación
Fijación Biológica
Precipitación
volatilización
Descomposición
de MO fresca
COMPUESTOS
SOLUBLES
asimilación
SH2
(microorganismos y plantas)
mineralización
POLÍMEROS
amilolisis
celulolisis
percolación
NH3
NH4+
PO4-3
adsorción
(arcillas)
solubilización
ligninolisis, etc
sulfoxidación
nitrificación
MONÓMEROS
SH2
SO4-2
NO3-
HUMUS
sedimentación
Fermentacion
oxidación respiración
incompleta aeróbica
volatilización
asimilación
(microorganismos y plantas)
lixiviación y/o
escorrentía
desulfatación
H2 S
respiración anaeróbica
denitrificación
N2 - N2 O
Procesos bióticos (microbianos)
Procesos abióticos
Fig. 1: Procesos microbianos de la liberación de nutrientes (N, F y S)
asociados a la degradación de materia orgánica fresca.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 114
Disponibilidad de Nitrógeno
El N es el elemento mineral más importante en la constitución de las
moléculas orgánicas. El N presente en el suelo proviene mayoritariamente de
la materia orgánica de los restos incorporados al suelo ya que el N no es un
componente geoestructural del suelo (no hay minerales con N en la roca
madre). La atmósfera constituye el mayor depósito de N en la naturaleza, el
aire tiene un 78% de N gaseoso en forma de N2, NO y N2O. El N atmosférico
puede ingresar al suelo por precipitación atmosférica y fijación biológica.
Debido a la gran versatilidad química del N (actúa con valencias desde
-3 a +5) los procesos biológicos que involucran al N son muy variados
permitiendo la oxidación y reducción de varios compuestos.
Los estados de oxidación más comunes del N son: -3 en el amoníaco
(o su ion amonio) y en las aminas de las moléculas orgánicas; 0 en el gas
biatómico en la atmósfera; +3 en el nitrito; y +5 en el nitrato. En menor
cantidad está como +1 y +4 en los óxidos de N gaseoso proveniente de la
quema de combustibles fósiles.
(OXIDACIÓN)
NITRIFICACIÓN
-3
-2
-1
0
+1
+2
+3
+4
+5
NH 3
N2H4
N2H2
N2
N 2O
NO
NO 2-
NO 2
NO 3-
(REDUCCIÓN)
ASIMILACIÓN (vegetales y m.o.)
DENITRIFICACIÓN
FIJACIÓN
Degradación de compuestos nitrogenados
La mineralización del N de los restos orgánicos en descomposición incluye
varios pasos:
Amonificación
La amonificación consiste en la ruptura del enlace amina y la
consecuente liberación de amonio. Los microorganismos amonificadores no
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 115
obtienen energía por la ruptura del enlace sino que la obtienen de la oxidación
de las cadenas carbonadas (metabolismos quimio-órgano-heterótrofos). Mucho
del amonio liberado es reutilizado por los microorganismos para sintetizar sus
proteínas estructurales y funcionales y el excedente es liberado al medio.
Los microorganismos que realizan amonificación son muy numerosos y
diversos: hongos, actinomycetes y bacterias aeróbicas y anaeróbicas,
esporuladas o no, etc. Dependiendo del tipo de microorganismo varía la
relación entre el N incorporado al citoplasma y el N liberado al medio. Por ej.
los hongos tienen menor proporción de N citoplasmático (C/N=10) por lo que
requieren proporcionalmente menor cantidad de N y liberan más N al medio
que las bacterias (C/N=5).
Los compuestos orgánicos con N más abundantes en el suelo son:
proteínas, urea, ácidos nucleicos, aminoácidos, quitina (pared celular de
hongos y exoesqueletos de insectos), mureína (pared celular de bacterias)
ácidos húmicos (en grupos pirroles y cadenas aminadas), etc.
El amonio liberado por los microorganismos en la solución del suelo
puede ser (Fig. 3):

Asimilado por las plantas y otros microorganismos

Fijado a la superficie de las arcillas (las arcillas poseen cargas
negativas)

Incorporado a los ácidos húmicos (ver composición de los ácidos
húmicos en la Unidad V).

Oxidado por algunos microorganismos para obtener energía
(metabolismo quimio-lito-autótrofos)

Volatilizado como amoníaco en condiciones de sequía en el suelo
Si bien a la planta le significa menor gasto energético utilizar amonio en
vez de nitrato (no necesita ser reducido para incorporarlo a los aminoácidos), la
gran capacidad de las arcillas para fijar amonio a sus cargas negativas hace
que en la solución del suelo haya escasa cantidad de amonio disponible para
las plantas.
Debido a la gran diversidad de organismos amonificadores, la
amonificación es un proceso que no tiene factores limitantes en el suelo.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 116
Siempre habrá algún microorganismo capaz de amonificar en las condiciones
ambientales o de manejo que se presenten (Fig 1).
Nitrificación
La nitrificación consiste en la oxidación del amonio produciendo nitrito y
nitrato. Esta oxidación la realizan organismos de metabolismo quimio-litoautótrofo, es decir obtienen energía de la oxidación de un compuesto
inorgánico y sintetizan C orgánico a partir del CO2 del aire (por el ciclo de
Calvin).
Los microorganismos capaces de oxidar el amonio (Nitrobacterias) son
estrictamente aeróbicos muy poco abundantes y de escasa diversidad. Las
Nitrobacterias tienen forma de bacilos, cocos o espirilos, son Gram positivas,
flageladas, no forman esporas y presentan gran cantidad de membranas
intracitoplasmáticas. Debido a que la oxidación del amonio genera escasa
cantidad de energía, los microorganismos nitrificadores se reproducen muy
lentamente (tiempos de generación de 40 hs.), lo que hace que sea un grupo
funcional muy sensible a las variaciones ambientales y de manejo y que
cualquier cambio en el suelo afecte su abundancia y actividad.
La nitrificación la realizan dos grupos de microorganismos: los
nitritadores (gen. Nitrosomonas) que oxidan amonio a nitrito y los nitratadores
(gen. Nitrobacter) que oxidan nitrito a nitrato. Debido a las diferencias en el
salto de potencial redox, el primer grupo obtiene mayor cantidad de energía
que el segundo. Se estima que para fijar un mol de CO 2 por el ciclo de Calvin
los nitritadores requieren 35 moles de N, mientras que los nitratadores
requieren 100 moles de N.
Los microorganismos nitritadores soportan amplios rangos de pH (entre
5 y 9) debido a que transforman un catión en anión, mientras que los
nitratadores tienen rangos muy estrechos y son afectados por el pH alto. Este
aspecto es de suma importancia debido a que la alcalinización del suelo (por ej.
inmediatamente después de aplicar urea) puede hacer que el proceso de
nitrificación se interrumpa en su última etapa y se acumulen nitritos en el suelo
que son compuestos tóxicos para la mayoría de los organismos.
El nitrato originado por nitrificación es altamente soluble en la solución
del suelo y puede ser (Fig. 3):
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 117

Asimilado por las plantas y microorganismos

Utilizado como aceptor de protones por microorganismos de
respiración anaeróbica y transformado a gases de N (denitrificación)

Lixiviado hacia horizontes profundos del suelo y napas de agua.

Lavado por escorrentía

Acumulado en el suelo cuando hay escasa humedad y falta de
consumo por las plantas
Contrariamente a lo que sucede con el amonio, el nitrato debido a su
alta solubilidad, es la fuente nitrogenada más accesible para la planta aunque
su asimilación requiera un gasto energético (enzima nitrato reductasa).
La disponibilidad de nitrato en el suelo es muy variable y heterogénea
debido a su alta movilidad y es muy dinámica en el tiempo porque puede
transformarse rápidamente (lixiviarse, denitrificarse, ser asimilado, etc.). Por
tales motivos, cuando se requiere evaluar el contenido de nitratos en el suelo
se deben hacer muestreos periódicos y tomar gran cantidad de muestras.
Asimismo cuando se fertiliza con compuestos amoniacales debe tenerse muy
en cuenta la sincronización entre el momento de producción de nitrato y los
requerimientos del cultivo
Los factores clave para la disponibilidad de nitratos en el suelo son: a)
abundancia de amonio, b) presencia de O2 (los nitrificadores son estrictamente
aeróbicos) y c) humedad (60% de capacidad de campo). Debido a que la
cantidad de amonio disponible depende de los procesos de amonificación, un
factor de suma importancia es la presencia de restos orgánicos nitrogenados
en descomposición (Fig. 1).
Pérdidas de nitrógeno del suelo
El N disponible puede ciclarse dentro del suelo pero también puede
perderse. Los mecanismos más comunes de pérdida de N del suelo son: a)
volatilización del amoníaco (ver amonificación); b) lixiviación de nitrato (ver
nitrificación) y c) denitrificación de nitrato (Fig.3).
Denitrificación
Se llama denitrificación al proceso biológico de reducción de nitrato con
producción de N2 y óxidos de N gaseosos. Este proceso lo realizan
microorganismos con metabolismo quimio-órgano-heterótrofo de respiración
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 118
anaeróbica, es decir el nitrato (o nitrito) actúa como aceptor de e- al final de la
cadena respiratoria. Este metabolismo es típico de ambientes con escasez de
oxígeno como son los suelos anegados y los ecosistemas acuáticos. Los
microorganismos denitrificantes son muy eficientes en la obtención de energía
(aproximadamente 34 ATP/ glucosa), se reproducen rápidamente y son muy
competitivos.
Las bacterias que poseen la enzima para reducir el nitrato a N 2 u óxidos
de N son muy variadas y pertenecen a diversas familias taxonómicas. Se
pueden
diferenciar
generalmente
en
las
bacterias
ambientes
denitrificantes
acuáticos
estrictas
(Pseudomonas
que
viven
denitrificans,
Microccocus denitrificans y Thiobacillus denitrificans) y de las que denitrifican
de manera alternativa cuando falta oxígeno en el suelo (especies de los
géneros Bacillus, Azospirillum y Rhizobium). Estas últimas son muy
abundantes y si hay oxígeno en el suelo tienen metabolismo de respiración
aeróbica.
El factor clave para que se produzca pérdida de N por denitrificación es
la falta de oxígeno. Esta situación se produce cuando la humedad del suelo
supera el límite de saturación y en micrositios donde existen transitoriamente
condiciones de anoxia. Estos sitios son: el interior de los agregados del suelo y
la zona que rodea las raíces de las plantas (las raíces respiran y diminuye el O 2
para la actividad microbiana).
Otros factores muy importantes para la denitrificación son: la presencia
de restos orgánicos en descomposición (que proveen energía) y la abundancia
de nitratos. Si un suelo está permanentemente anegado la denitrificación se
detiene cuando todo el nitrato se ha transformado en gases de nitrógeno. Por
tal motivo, la situación en la que se produce mayor pérdida de N por
denitrificación es la que se conoce como “ciclo de inundación y sequía”. En
condiciones de sequía hay oxígeno en los poros del suelo y se produce
nitrificación y cuando hay exceso de humedad, falta oxígeno y se denitrifica el
nitrato formado (Fig. 2).
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 119
H2O limitante
O2 limitante
Denitrificación
Nitrificación
Amonificación
Espacio de poro ocupado por agua (%)
Fig. 2: Relación entre los procesos de amonificación, nitrificación y
denitrificación según el grado de saturación de agua de los poros del suelo
Si bien desde un punto de vista agronómico, la denitrificación puede
ser negativa, desde la perspectiva ambiental es un proceso imprescindible
para el ciclado de N en la naturaleza. Debido a que el mayor depósito de N es
el aire, el N que ingresa al suelo (por fijación y deposición) debe retornar en la
misma medida. En la actualidad se ha producido un desbalance en el retorno
de N a la atmósfera: ingresa mucho N por la aplicación de fertilizantes y
retorna muy poco debido a que se han eliminado muchas áreas inundadas
(humedales) donde naturalmente se produce la denitrificación. Además, el
conocimiento de los mecanismos de denitrificación es de suma utilidad para el
tratamiento de efluentes y residuos orgánicos. La eliminación de los
compuestos nitrogenados se realiza mediante tratamientos anaeróbicos para
favorecer la denitrificación. Sin embargo hay que considerar que, previo al
tratamiento anaeróbico debe necesariamente haber un proceso aeróbico para
que exista abundancia de nitratos en el agua de los efluentes.
En síntesis, en el caso del N, debido a su origen atmosférico
predominan los procesos de intercambio con la atmósfera: volatilización,
precipitación y fijación. Además a causa de la alta solubilidad del nitrato, es
muy importante la lixiviación (Fig. 3).
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 120
ATMOSFERA
N2
NH3
Fijación Biológica
Precipitación
Denitrificación
N2 - N2O
Volatilización
Mineralización = Amonificación
COMPUESTOS ORGANICOS
NITROGENADOS
COMPUESTOS INORGANICO
NH4+
Asimilación
(plantas/microorganismos)
Adsorción
(arcillas)
Incorporación
Nitrificación
SUELO
HUMUS
Escorrentía
NO3-
Procesos bióticos (microbianos)
Lixiviación y
escorrentía
Procesos abióticos
Mineralización: liberación de nutrientes de las moléculas orgánicas (proceso biótico: microorganismos).
Asimilación: incorporación de minerales en las moléculas orgánicas (proceso biótico: plantas y microorganismos).
Volatilización: transformación de compuestos solubles en gases (proceso biótico y abiótico).
Precipitación atmosférica: transformación de gases en compuestos solubles (proceso abiótico).
Fijación: transformación de gases en compuestos orgánicos (proceso biótico).
Lixiviación: movimiento de compuestos solubles hacia horizontes profundos del suelo y acuíferos (proceso abiótico).
Escorrentía: movimiento de compuestos solubles y sedimentos por corrientes de agua superficial (proceso abiótico).
Fig. 3: Procesos bióticos (microbianos) y abióticos involucrados en la
disponibilidad de nitrógeno
Disponibilidad de Fósforo
A diferencia del N, el P disponible para las plantas proviene mayoritariamente
de reacciones químicas inorgánicas y en menor medida de la actividad de los
microorganismos (procesos biológicos) del suelo. Esto se debe a que el mayor
depósito de P en la naturaleza lo constituyen los minerales que componen la
roca madre (apatitas) que liberan P durante los procesos de meteorización y
formación del suelo. Por tales motivos, la cantidad de P disponible depende en
gran medida de la geomorfología de cada suelo.
Si bien el P tiene los mismos estados de oxidación que el N (-3 a +5), en
el suelo se encuentra mayoritariamente como +5 (PO4-3): en las moléculas
orgánicas, en la solución del suelo y en la mayoría de los componentes sólidos
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 121
inorgánicos. El PO4-3 es poco soluble por lo que una gran proporción se
encuentra precipitado en los sedimentos o ligado a las partículas del suelo. Por
tal motivo, la cantidad de P disponible depende fuertemente del pH del suelo
que regula su solubilidad: pH menores de 6.5 favorecen que el P se ligue al Al
y al Fe, mientras que mayores de 8 provoca la precipitación como Ca3(PO4)2
Degradación de compuestos orgánicos fosforados
Durante el proceso de descomposición de restos orgánicos que se depositan
en el suelo, los microorganismos liberan P al consumir las cadenas carbonadas
de las moléculas que poseen P en su composición química (ATP, ácidos
nucleicos, fosfolípidos, etc.). Debido a que el P siempre tiene el mismo estado
de oxidación, ningún microorganismo oxida P para obtener energía. Esto hace
que el proceso de mineralización del P sea muy simple y lo realizan numerosos
microorganismos quimio-órgano-heterótrofos que poseen la enzima fosfatasa
(ruptura de la unión PO4-3).
El PO4-3 liberado de las moléculas orgánicas puede ser (Fig. 4):

Asimilado por las plantas y microorganismos

Incorporado al humus del suelo como fitatos

Precipitado en los sedimentos como Ca3(PO4)2 (pH > 8)

Ligado con Al o Fe (pH < 6.5)
El PO4-3 es muy poco móvil en la solución del suelo a causa de su
escasa solubilidad y por lo tanto es poco afectado por los procesos de
lixiviación, aunque puede ser arrastrado por escorrentías.
Además de la mineralización del PO4-3 los microorganismos juegan un
importante rol en la disponibilidad de P a través de procesos de solubilización.
Los microorganismos pueden producir ácidos orgánicos (mediante procesos
fermentativos y oxidaciones incompletas) y ácidos inorgánicos (quimio-lito
autótrofos) que bajan el pH del suelo favoreciendo la solubilización del
Ca3(PO4)2 precipitado.
Esta disminución del pH se localiza en microambientes con alta
actividad microbiana, por lo que la mayor dinámica en la disponibilidad de P
se produce en la zona rizosférica en estrecho contacto entre los
microorganismos
y
las
raíces.
Los
hongos
son
los
principales
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 122
microorganismos que participan de la dinámica del P en interacción con las
raíces de las plantas.
En síntesis y contrariamente al N, el P no tiene participación con la
atmósfera y los procesos más importantes son los relacionados con los
sedimentos y rocas del suelo: solubilización y sedimentación (Fig. 4).
ATMOSFERA
Mineralización de P
COMPUESTOS ORGANICOS
FOSFORADOS
COMPUESTOS INORGANICO
Asimilación
(plantas/microorganismos)
PO4 -3
Escorrentía
Incorporación
Ligado Al o Fe
Solubilización
Sedimentación
HUMUS
SUELO
Ca3 (PO4)2
Procesos bióticos (microbianos)
Procesos abióticos
Mineralización: liberación de nutrientes de las moléculas orgánicas (proceso biótico: microorganismos).
Asimilación: incorporación de minerales en las moléculas orgánicas (proceso biótico: plantas y microorganismos).
Escorrentía: movimiento de compuestos solubles y sedimentos por corrientes de agua superficial (proceso abiótico).
Sedimentación: precipitación de compuestos solubles (proceso abiótico).
Solubilización: liberación de nutrientes disponibles desde los sedimentos y roca madre (proceso biótico y abiótico)
Fig. 4: Procesos bióticos y abióticos involucrados en la disponibilidad de P
Micorrizas
Se conoce como micorriza a la estrecha relación simbiótica que se
establece entre algunos hongos y las raíces de las plantas (mico = hongo; riza
= raíz). Como toda interacción positiva, las micorrizas se mantienen mientras
existe un costo beneficio equivalente para ambos integrantes de la simbiosis. El
hongo se localiza dentro y fuera de la raíz lo cual facilita el intercambio de
fotosintatos (de la planta al hongo) y nutrientes (del hongo a la planta).
El P es el nutriente más involucrado en la relación micorrítica debido a
su escasa solubilidad y movilidad. Los mecanismos por los cuales los hongos
favorecen la nutrición fosfatada de las plantas hospedadoras son:
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 123




Exploración del suelo: las hifas cubren una área mucho más extensa
que los pelos radicales llegando a los lugares donde está el PO4-3 (Fig.
4).
Solubilización: los hongos micorríticos poseen metabolismo de
oxidación incompleta, debido a la alta disponibilidad de C, por lo que
producen ácidos orgánicos que solubilizan el P precipitado
Mineralización: los hongos micorríticos poseen enzimas fosfatasas
Concentración: los hongos pueden polimerizar los PO4-3 dentro del
citoplasma (ácidos pirofosfóricos) constituyendo una reserva para la
planta
Fig. 5: Raíces con y sin micorrizas
Se pueden diferenciar varios tipos de micorrizas según el grado de
interacción simbiótica y las especies de hongos y plantas involucradas. Los
tipos de micorrizas más conocidos son:
a) Ectomicorrizas: las hifas se localizan de manera externa modificando la
morfología de la raíz (raíces blancas, cortas y bifurcadas) y penetran
solo
en
los
espacios
intercelulares
de
la
corteza
radicular.
Generalmente este tipo de micorriza es la interacción entre hongos
superiores (basidiomicotas) y árboles de bosques templados (pinos,
robles, etc.). Debido a que las condiciones climáticas de los bosques
templados hacen que los procesos de descomposición sean lentos, la
función principal de las hifas de las ectomicorrizas es mineralizar y
transportar los nutrientes desde la hojarasca (restos vegetales que
forman parte de la materia orgánica fresca) hasta las raíces de las
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 124
planta. Las ectomicorrizas se reproducen mediante cuerpos de
fructificación que emergen en la base de los árboles hospedadores
(hongos de sombrero) (Fig. 6)
b) Endomicorrizas: las hifas no forman una capa externa ni modifican la
raíz pero penetran en las células corticales formando estructuras
llamadas arbúsculos (formas dendroides que facilitan el intercambio
con el hospedador) y vesículas donde se almacenan sustancias de
reserva (pirofosfato). Por tal motivo, también se las conoce con el
nombre de micorrizas vesículo-arbusculares (MVA). Este tipo de
micorriza es muy común entre los vegetales y participan especies de
hongos inferiores (zygomycotas) y se establecen principalmente en
suelos alcalinos o con bajo contenido de fósforo disponible. Las
endomicorrizas se reproducen mediante esporas localizadas en el
suelo sobre las hifas externas (no forman cuerpos de fructificación) (Fig
7).
ECTOMICORRIZAS
manto
hifas
Fig. 6: Corte de una raíz con Ectomicorrizas.
ediculares
pelos radiculares
Arbúsculos Arbúsculos
de arbúsculos
culos
Apresorio (punto
Apresorio (punto
de entrada) de entrada)
n manto
Hifa intercelular
Hifa intercelular
Hifa intracelular
Hifa intracelular
de hifas externas
externas
aber
ulas vesículas
Arbúsculos Arbúsculos
Hifas externas
Hifas externas
Vesícula
Vesícula
Esporas de paredes
Esporas de paredes
gruesas
gruesas
Fig. 7: Corte de una raíz con Endomicorrizas.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 125
Tabla 1: Diferencias entre ectomicorrizas y endomicorrizas
ECTOMICORRIZAS
ENDOMICORRIZAS
Presencia de manto
Presente
Ausente
Modificación de la raíz
Se acorta y ensancha
No se modifica
Invasión de la raíz
Penetra en los espacios
intercelulares
Ausente
Penetra dentro de la
célula
Presente
Crece pero no fructifica
No crece
Formación de vesículas
y arbúsculos
Crecimiento en cultivo
puro
Disponibilidad de Azufre
El S es el tercer elemento de importancia en la nutrición de las plantas. Los
procesos de disponibilidad de S presentan semejanzas tanto con los del N
como con los del P. Los estados de oxidación del S son muchos (-2 a +6) pero
solo tres tienen importancia en la naturaleza: -2 (sulfidrilo: SH-), 0 (S elemental)
y +6 (sulfato: SO4-2).
El mayor depósito de S está en los minerales de la roca madre como
sulfatos (yeso: CaSO4) y sulfuros (pirita: FeS2), pero también el S forma parte
de los gases de la atmósfera como H2S y SO2, producto de las erupciones
volcánicas y la quema de combustibles fósiles. Por tales motivos, el S
disponible para las plantas proviene en igual medida de reacciones químicas
inorgánicas y de la actividad de los microorganismos. El S puede ingresar al
suelo por precipitación atmosférica, por meteorización de la roca madre y por
descomposición de los restos orgánicos.
Degradación de compuestos orgánicos azufrados
Las principales moléculas orgánicas que poseen S en su composición química
son los aminoácidos (metionina y cisteina), las vitaminas (biotina, tiamina) y las
proteínas en los puentes disulfuro (queratina). Debido a los diferentes estados
de oxidación del S, la mineralización a partir de los restos orgánicos en
descomposición incluye varios pasos:
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 126
Sulfidrilación
La sulfidrilación consiste en la ruptura del enlace sulfridilo y la
consecuente liberación de H2S. Los microorganismos que realizan la
sulfidrilación no obtienen energía por la ruptura del enlace sino que la obtienen
de la oxidación de las cadenas carbonadas (metabolismos quimio-órganoheterótrofos). A semejanza de los microorganismos amonificadores, los
microorganismos que realizan sulfidrilación son muy numerosos y diversos:
hongos, actinomycetes y bacterias, aeróbicas y anaeróbicas, esporuladas o no,
etc.
El H2S liberado de las moléculas orgánicas puede ser:

volatilizado a la atmósfera (es un gas)

precipitado en los sedimentos como FeS2 (pH < 7)

oxidado por algunos microorganismos para obtener energía
(metabolismo quimio-lito-autótrofo)
Sulfoxidación
La sulfoxidación consiste en la oxidación del H2S produciendo S
elemental y sulfato. Esta oxidación la realizan microorganismos quimio-litoautótrofos (obtienen energía de la oxidación de un compuesto inorgánico y
sintetizan C orgánico a partir del CO2) y foto-lito-autótrofos (obtienen energía
de la luz, el poder reductor es un compuesto inorgánico y sintetizan el C celular
del CO2).
Los microorganismos capaces de oxidar el H2S son muy diversos y
abundantes e incluyen tres grupos muy diferentes:

Thiobacterias: son bacilos Gram positivos, no esporulados y móviles
por flagelación polar. Presentan metabolismo quimio-lito-autótrofo
tanto aeróbico como anaeróbico y son muy comunes en el suelo.

Sulfobacterias: son bacterias deslizantes filamentosas. Poseen
metabolismo quimio-lito-autótrofo estrictamente anaeróbico y habitan
ambientes acuáticos.

Thiorrodaceas y Chlorobiaceas: bacterias fotótrofas púrpuras y
verdes con metabolismo foto-lito autótrofo que viven en ambientes
acuáticos anaeróbios. Este grupo oxida el H2S hasta S elemental
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 127
(sólido), el cual es almacenado fuera o dentro del citoplasma como
gránulos. Los gránulos de S constituyen la sustancia de reserva de
las bacterias ya que cuando hay déficit de H2S completan la
oxidación pasando el S a sulfato.
Debido a la gran versatilidad de los microorganismos sulfoxidantes, el
proceso de liberación de sulfato casi no tiene condiciones limitantes. Se realiza
con muy variados valores de pH, de disponibilidad de oxígeno, de humedad,
etc. Por lo que es improbable que en un suelo no se realice sulfoxidacion y
exista deficit de sulfato disponible para las plantas.
El sulfato producido por oxidación del H2S puede ser:

asimilado por las plantas y microorganismos

precipitado en los sedimentos como CaSO4

utilizado como aceptor de protones por microorganismos de
respiración anaeróbica y transformado a gases de S (desulfatación)

lixiviado hacia horizontes profundos del suelo y napas de agua

lavado por escorrentía

acumulado en el suelo cuando hay escasa humedad y falta de
consumo por las plantas
Desulfatación
Se llama desulfatación al proceso biológico de reducción de sulfato con
producción de H2S gaseoso. Este proceso lo realizan microorganismos con
metabolismo quimio-órgano-heterótrofo de respiración anaeróbica, es decir el
sulfato actúa como aceptor de e- al final de la cadena respiratoria.
Las bacterias que poseen la enzima para reducir el sulfato a H 2S son
muy escasas y pertenecen a especies de los géneros Desulfovibrio y
Desulfomaculum. Ambos géneros son anaeróbicos estrictos y viven tanto en
ambientes acuáticos como en suelos anegados. Los factores condicionantes
para que se produzca desulfatación son: escasez de oxígeno, alta
concentración de sulfatos y presencia de compuestos orgánicos en
descomposición.
Como la liberación de sulfatos es el suelo puede realizarse con o sin
oxígeno, la desulfatación en suelos anegados es un proceso continuo y no
necesita pulsos de humedad y sequia como la denitrificación. En ambientes
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 128
acuáticos salinos con alto contenido de sales de S, como es la Laguna Mar
Chiquita de Córdoba, existe una elevada actividad desultatadora, que también
se ve favorecida por la presencia de gran cantidad de restos orgánicos
depositados en el fondo de la laguna donde existen fuertes condiciones de
anoxia (el agua salada es más densa y posee muy poco oxígeno disuelto).
En síntesis, el S es uno de los nutrientes más complejos, porque
participa de la atmósfera y la roca madre, por lo que presenta casi todos los
procesos mencionados excepto la fijación biológica a partir de la atmósfera
(Fig. 8).
ATMOSFERA
SO4-2 / SO2
Desulfatación
H2S
H2S
Precipitación
Volatilización
Mineralización = sulfidrilación
COMPUESTOS ORGANICOS
con AZUFRE
COMPUESTOS INORGANICO
H2S
Asimilación
(plantas/microorganismos)
sedimentación
Sulfoxidación
FeS2
Solubilización
SUELO
SO4 ( o S0)
sedimentación
Procesos bióticos (microbianos)
Lixiviación y
escorrentía
Procesos abióticos
CaSO4
Mineralización: liberación de nutrientes de las moléculas orgánicas (proceso biótico: microorganismos).
Asimilación: incorporación de minerales en las moléculas orgánicas (proceso biótico: plantas y microorganismos).
Volatilización: transformación de compuestos solubles en gases (proceso biótico y abiótico).
Precipitación atmosférica: transformación de gases en compuestos solubles (proceso abiótico).
Lixiviación: movimiento de compuestos solubles hacia horizontes profundos del suelo y acuíferos (proceso abiótico).
Escorrentía: movimiento de compuestos solubles y sedimentos por corrientes de agua superficial (proceso abiótico).
Sedimentación: precipitación de compuestos solubles (proceso abiótico).
Solubilización: liberación de nutrientes disponibles desde los sedimentos y roca madre (proceso biótico y abiótico)
Fig. 8: Procesos bióticos (microbianos) y abióticos involucrados en la
disponibilidad de S.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 129
UNIDAD VII: FIJACIÓN BIOLÓGICA DE N2
La fijación biológica de N2 (FBN) consiste en la transformación del N2 en NH4+,
el cual se incorpora inmediatamente a compuestos orgánicos (aminoácidos).
Es un proceso exclusivamente biológico realizado solo por algunos organismos
procarióticos que poseen la enzima Nitrogenasa (Nasa) conocidos como
diazótrofos, es decir consumidores de N2 (di=dos; azoto=N; trofo=comer). La
mayoría de los organismos diazótrofos tienen metabolismo quimio-órganoheterótrofo (aeróbicos y anaeróbicos), aunque también hay organismos fotolito-autótrofos (oxigénicos y anoxigénicos).
La FBN es un proceso reductor que consume gran cantidad de energía
(se estima entre 12 a 24 ATP por mol de N2 fijado) por lo que constituye una
vía metabólica alternativa para los microorganismos: solo la realizan si no
tienen otras fuentes de N que requieran menor costo energético, por ej. NH4+.
La FBN es la forma más importante de incorporación del N a la
superficie de la tierra. Se estima que del total de N ingresado solo el 10%
proviene de precipitación atmosférica (tormentas eléctricas) y el resto es por
proceso biológico. Sin embargo, en la actualidad mucho N atmosférico es
incorporado al suelo a través de los fertilizantes químicos. El mecanismo de
producción de fertilizantes se basa en una reacción química similar a la FBN
pero que en vez de utilizar la Nasa, se cataliza mediante altas temperatura
(1000°C) y presión (250 atmósferas). Este proceso industrial se conoce con el
nombre de Haber-Bosch y requiere un enorme gasto energético.
Enzima nitrogenasa
La enzima Nasa está integrada por dos sulfo-ferro-proteínas:
Unidad I (KP I): llamada dinitrogenasa o molibdo-ferro-proteína está
formada por 4 subunidades peptídicas con 24 átomos de Fe, 28 de S y 2 de
Mo. Tiene un peso molecular aproximadamente de 300 kDa. Esta unidad
constituye el sitio catalítico del N2 (ruptura del triple enlace N≡N) (Fig. 1).
Unidad II (KP II): llamada nitrogenasa reductasa es una ferro-proteína
posee dos subunidades peptídicas con 4 átomos de Fe y 4 de S. Tiene un peso
molecular de 60 kDa y participa en el transporte de e - desde las ferredoxinas a
la unidad I, donde se acoplan al N formando NH3 (Fig. 1)
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 130
Ambas unidades de la Nasa están codificadas en un gen llamado nif
que se localiza en un plásmido de las bacterias diazótrofas. El gen nif es un
complejo de varios genes que codifican la síntesis de ambas unidades de la
Nasa (nifD y nifK para la unidad I y nifH para la unidad II) y otros genes que
tienen funciones de regulación y control de la expresión de los genes fijadores.
El hecho de que los genes que codifican la FBN estén dentro de un plásmido
ha facilitado su manipulación genética lo que ha permitido grandes avances en
el conocimiento de las bases bioquímicas de la FBN y la generación de
organismos diazótrofos transgénicos.
Unidad II
Unidad I
NH3
Transporte de e-
Fe
Mo
ATP
N2
Fig. 1: Estructura de la nitrogenasa
La presencia de O2 es el principal factor que regula la actividad de la
Nasa debido a que los e- transferidos desde la ferredoxina pueden ser
captados por el O2 (Fig. 3) y no llegar a la unidad II de la Nasa. Además, una
característica constante de la FBN es que cierta cantidad de los H+ transferidos
son reducidos por la Nasa antes de llegar al N y se transforman en H 2 (gas). La
proporción de H2 formado varía según la cantidad de ATP y poder reductor que
tenga disponible la célula. Se menciona que con baja disponibilidad es mayor la
proporción de H2 y que, contrariamente, con alta disponibilidad predomina la
formación de NH4+.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 131
Mecanismo de acción de la nitrogenasa
Mo
Ferredoxina reducida
(Poder reductor)
KP II
Mg+2
KP II
N
KP I *
N
Mo
ADP + Pi
2 NH4+
e-
ATP-Mg
ATP-Mg
Mo
Ferredoxina
oxidada
N
KP II *
KP II *
KP II *
KP I *
N
KP I *
Mo
ATP-Mg
Mg+2
ATP
N2
Mo
Mecanismo de acción de la nitrogenasa
Fig. 2: Mecanismo de acción de la enzima Nitrogenasa.
La subunidad KP II (ferro-proteína), es la responsable de captar el poder
reductor a partir de la ferredoxina reducida, en este caso la ferro-proteína se
reduce y eso produce una disminución de su potencial redox que le permite
captar el complejo ATP-Mg+2, quien le permitirá acoplarse con la subunidad KP
I (molibdo-ferro-proteína). La molibdo-ferro-proteína, tiene un grupo prostético
molibdeno a quien se une el N2, al tomar los electrones provenientes de la
ferro-proteína, los transfiere al N2 que se reduce para formar NH4+, que queda
disponible para la planta.
La ecuación general más aceptada es:
N2 + 16 ATP + 8e- + 10 H+
2 NH4+ + H2 + 16 ADP + 16 Pi
El NH4+ formado por fijación inmediatamente se incorpora a cadenas
carbonadas, generalmente provenientes del ciclo de Krebs, formando
aminoácidos. Los procesos más comunes son:
α-cetoglutarato + NH4+ + NADPH
Glutamato + NADP+
Esta reacción se encuentra altamente restringida porque la enzima
responsable del proceso (Glutamato dehidrogenasa), tiene un Km para el
amonio muy elevado, necesitando concentraciones muy elevadas del mismo
para poder actuar y en esas concentraciones el amonio es tóxico para la
mayoría de los organismos.
Mo
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 132
Km (Constante de Michaelis-Menten), es la concentración de sustrato necesaria para alcanzar la
mitad de la velocidad máxima de la reacción. Es una medida de la afinidad de una enzima por un
sustrato y a menor Km mayor afinidad por el sustrato.
Esta reacción de fijación de NH4+ es sustituida por el proceso de
amidación o síntesis de Glutamina
Glutamato + NH4+ + ATP
Glutamina
Glutamina + α-cetoglutarato
2 Glutamato
Por tal motivo la presencia de NH4+ actúa como un fuerte inhibidor de
la fijación ya que provee los grupos amino para la formación de los
aminoácidos sin el gasto energético de la fijación. Este aspecto es de sumo
interés práctico debido al efecto de los fertilizantes químicos amoniacales sobre
la FBN (Fig. 3).
N2
vegetación
Disturbio
antrópico
humificación/
deshumificación
textura de
suelo
Estacionalidad
precipitación
calidad/cantidad
de MO fresca
calidad/cantidad
de MO nativa
MO
(+)
humedad
mineralización
asimilación
NH4+
(-)
humedad
Ecosistema
calidad/cantidad
de MO
Tipo de
sustrato
mineralogía
pH
Factores distales
o secundarios
intercambio
catiónico
respiración
aeróbica
(-)
O2
textura de
suelo
NH4+
Factores proximales
o principales
Fig. 3: Factores reguladores de la fijación biológica de N2. Signo positivo (+)
indica que activa o favorece la FBN y signo negativo (-) la inhibe o retarda.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 133
Organismos fijadores de N2
Como ya ha sido mencionado, los organismos diazótrofos pertenecen a grupos
bacterianos muy variados. En general la FBN es un carácter muy primitivo y
altamente adaptativo. Los primeros organismos vivos sobre la superficie del
planeta, sólo disponían del N atmosférico para sus funciones metabólicas, por
lo que la fijación era una condición imprescindible para la vida. Por tal motivo,
lo genes nif están presenten en muchas Archaeas y en otras bacterias que
evolucionaron a partir de ellas. Sin embargo, dadas las condiciones actuales, la
FBN pasó a ser un carácter alternativo que generalmente se expresa cuando
existe déficit de NH4+ en el ambiente. Además, teniendo en cuenta que en la
atmósfera primitiva del planeta no existía O2, las bacterias diazótrofas actuales
tuvieron que desarrollar muy variados mecanismos de regulación de la tensión
de O2 para permitir el funcionamiento de la Nasa.
Los principales grupos que presentan bacterias diazótrofas son:
Bacterias fotótrofas
Son
organismos
con
metabolismo
foto-lito-autótrofo,
con
fotosíntesis
anoxigénica. Es decir, utilizan la energía de la luz, el poder reductor del SH 2 y
fijan el CO2 del aire sin producir O2. Se considera que estas bacterias fueron
los primeros habitantes de la tierra debido a su capacidad de vivir solo a partir
de los gases atmosféricos producto de las erupciones volcánicas: CO 2, N2 y
SH2. Este grupo de diazótrofos no posee ningún mecanismo adaptativo de
protección de la Nasa porque viven en ambientes totalmente anaeróbicos con
alto contenido de SH2, como son los sedimentos y aguas profundas de lagos y
mares. En estos ambientes, las bacterias fotótrofas son los principales
organismos productores ya que realizan fotosíntesis y FBN.
Cianobacterias
Las cianobacterias también tienen metabolismo foto-lito-autótrofo pero con
fotosíntesis oxigénica (producen O2 a partir del poder reductor del agua).
Debido a la producción de O2, la fotosíntesis es totalmente incompatible con la
FBN, por lo que algunas cianobacterias filamentosas han desarrollado células
especiales para contener la Nasa en condiciones de baja tensión de O2. Estas
células especiales se denominan heterocistos y consisten en células más
grandes que las vegetativas, rodeadas por una pared celular multicapa. La
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 134
composición química de esta pared es muy variada: capas muy gruesas de
glicolípidos, mureína y polisacáridos que impiden la difusión del O 2. Los
heterocistos se conectan mediante poros con el resto de las células del
filamento para el intercambio de fotosintatos y compuestos nitrogenados (Fig. 4).
Fig. 4: Cianobacteria filamentosa
Las cianobacterias viven superficialmente en ambientes acuáticos o
inundados periódicamente (como por ej. en cultivos de arroz y costras de suelo
arcilloso). Generalmente son de vida libre aunque algunas especies establecen
simbiosis con plantas inferiores (helechos y gimnospermas) y con otros
microorganismos (hongos).
Es bien conocida la asociación de la cianobacteria Anabaena con el
helecho acuático del género Azolla. La cianobacteria se aloja dentro de las
hojas del helecho en cámaras que contienen aire para flotación. El helecho le
provee de fotosintatos y la cianobacteria libera los compuestos nitrogenados
que absorben las hojas del helecho.
La asociación con hongos (líquenes) es muy común en ambientes con
condiciones extremas y con déficit de N disponible para el hongo, por ej. rocas
y arenales. El hongo provee las condiciones de humedad y protección y la
cianobacteria aporta fotosintatos y compuestos nitrogenados.
La simbiosis con las Cycadaceas (gimnosperma primitiva) es muy visible
ya que la cianobacteria forma estructuras semejantes a nódulos en el cuello de
la planta. Las cianobacterias pierden su capacidad de fotosintetizar, utilizan los
fotosintatos de la planta y a cambio le proveen compuestos nitrogenados.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 135
Actinomycetes
Las bacterias de este grupo son Gram positivas, tienen forma de hifa y poseen
metabolismo quimio-órgano-heterótrofo de respiración aeróbica, por lo que las
especies fijadoras de N2 han desarrollado estructuras especiales para aislar a
la enzima Nasa del O2. A semejanza con las cianobacterias, las especies
diazótrofas poseen células de paredes engrosadas llamadas vesículas donde
se realiza la FBN.
Todos los actinomycetes fijadores de N2 viven en simbiosis con plantas
leñosas no leguminosas y se los agrupa dentro del género Frankia. Las
bacterias se alojan en grandes nódulos leñosos en estrecho contacto con el
sistema vascular de la raíz a través del cual se realiza el intercambio: la planta
provee fotosintatos y Frankia los compuestos nitrogenados. En un corte de
nódulo se puede ver claramente la presencia del micelio y las vesículas que
contienen la Nasa (Fig. 5).
La simbiosis es muy importante en ambientes de desierto, dunas y
suelos muy rocosos donde las plantas con actinomycetes (actinorrizas) son
pioneras en las sucesiones vegetales ya que pueden soportar condiciones
extremas de sequía, elevado pH y escasez de N en el suelo. Las plantas con
actinorrizas más conocidas son árboles de los géneros Casuarina y Alnus y
arbustos de los géneros Colletia, Ceanothus y Discaria.
el árbol Casuarina
glauca; B: glauca,
aspecto morfológico
de la bacteriamorfológico
Frankia en cultivo puro;
Fig. 5: A) elA:
árbol
Casuarina
B) aspecto
de la bacteria
C: actinorrizas de C. glauca.
Frankia en cultivo puro, C) actinorrizas de C. glauca
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 136
Eubacterias
Hay muchas especies de bacterias verdaderas capaces de fijar N2, todas son
quimio-órgano-heterótrofas (respiración aeróbica y fermentación) y viven tanto
libres como en simbiosis. Dentro de las bacterias de vida libre que viven en el
suelo es importante diferenciar las condiciones ambientales en que se
desarrollan por su relación con los mecanismos de protección de la Nasa.
1)
Bacterias diazótrofas aeróbicas de vida libre: son muy comunes y están
ampliamente distribuidas en el suelo. Generalmente se las agrupa dentro del
género Azotobacter y se caracterizan por ser bacterias Gram negativas,
móviles y de respiración aeróbica, por lo que para poder realizar FBN poseen
adaptaciones morfológicas y fisiológicas muy importantes.
En general son bacterias de gran tamaño con gran cantidad de
membranas intracelulares y capas mucosas externas. Se cree que estas
características ayudan a regular el paso del O2 desde el exterior y crear
condiciones de baja tensión en el centro de las células donde se localiza la
Nasa. La mayor adaptación fisiológica de Azotobacter es la presencia de ciclos
de respiración-fijación. Se conoce que la bacteria cuando tiene O2 disponible
respira muy activamente lo cual baja la tensión del O2 y puede actuar la Nasa.
Por tal motivo, la FBN en Azotobacter es muy variable y depende de la
disponibilidad de compuestos orgánicos fácilmente degradables que le
permitan tener una alta tasa de respiración. Además, teniendo en cuenta el alto
costo energético de la FBN, es muy común detectar gran cantidad de bacterias
fijadoras pero escasa actividad Nasa, lo cual indica que no existen las
condiciones adecuadas para la fijación (baja disponibilidad de NH 4+ y alta
cantidad de compuestos carbonados lábiles).
A causa de la gran variabilidad en la actividad fijadora, es muy difícil
de estimar la importancia de la FBN por diazótrofos de vida libre en el suelo. En
general se acepta que la cantidad de N fijado es de escasa magnitud pero se
ha podido detectar fijación de N2 en las hojas de las plantas y en los restos
vegetales en descomposición donde sería de mayor importancia debido a la
menor cantidad de N disponible.
2)
Bacterias diazótrofas micro-aeróbicas de vida libre: también son muy
comunes en el suelo pero se localizan exclusivamente en zonas donde existe
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 137
baja tensión de O2, particularmente la rizósfera de las plantas. El género más
conocido es Azospirillum que como su nombre lo indica, es una bacteria
espiralada curva, muy móvil y Gram negativa. Su alta movilidad le permite
localizarse en los lugares con la tensión de O2 más adecuada para la fijación.
Debido a ello, Azospirillum no posee mecanismos adaptativos para la
regulación de la tensión de O2, por lo que en condiciones aeróbicas no fija y
consume N orgánico (aminoácidos) o inorgánico (NH4+).
Azospirillum es considerado un organismo mutualista a causa de que
depende de los exudados de la raíz para su nutrición carbonada y porque el N
fijado puede quedar disponible para la planta. Aunque hay que destacar que
Azospirillum fija N para su célula y el N solo puede pasar a la planta cuando
muere la bacteria y es mineralizado por otros organismos rizosféricos. Por esta
causa, la cantidad de N que puede aprovechar la planta es muy relativa debido
a que el N mineralizado queda libre en el suelo y la planta debe competir con
otros microorganismos para poder asimilarlo.
3) Bacterias diazótrofas anaeróbicas de vida libre: son poco abundantes en el
suelo porque se localizan dentro de los agregados bajo estrictas condiciones
de anaerobiosis. Por tal motivo, no necesitan mecanismos de regulación de la
tensión de O2. Las especies más comunes pertenecen al género Clostridium:
bacilos Gram positivos, esporulados y con metabolismo fermentativo (butírico).
Debido a su capacidad de esporular, son muy abundantes en los compost (con
proceso termófilo) y son colonizadores en suelos recientemente quemados.
4) Bacterias diazótrofas simbióticas: son los organismos fijadores de N2 más
conocidos por su importancia en cuanto a la cantidad de N fijado. Salvo
escasas excepciones, estas bacterias establecen simbiosis sólo con plantas
leguminosas (fabáceas y mimosáceas) y se las agrupa con el nombre general
de rizobios que engloba a muchos géneros taxonómicos.
Los rizobios son bacterias Gram negativas que viven en el suelo,
flageladas, no esporuladas, con gran cantidad de sustancias de reserva
(ácido polihidroxibutírico) y capas mucosas. Como no poseen mecanismos
para regular la tensión de O2, solo fijan N2 cuando están en simbiosis con las
plantas.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 138
Interacción simbiótica rizobio-leguminosa
La interacción simbiótica rizobio-leguminosa es una de las más completas y
eficientes que se conoce, ya que no solo se produce un intercambio nutritivo
sino que también existe un estrecho acoplamiento genético entre ambos
organismos para la codificación de los procesos de infección, formación de
nódulos y protección de la Nasa. Por tal motivo la mayoría de estas simbiosis
son altamente específicas (una especie de rizobio para una especie de
leguminosa).
Infección
El proceso de infección comienza con la síntesis y excreción de una serie de
productos por parte del rizobio (exopolisacáridos y fitohormonas). Estos
productos están codificados en los llamados genes nod que solo se expresan
en presencia de lectinas específicas sintetizadas por la leguminosa. La función
de estos productos es hacer que se debilite la epidermis del pelo radicular
(curvatura) y pueda penetrar la bacteria. Una vez dentro de la corteza de la
raíz, las bacterias forman el conocido “cordón de infección” que consiste en la
formación de un canal por disolución de la laminilla media (pectina) debido al
avance de los rizobios.
Cuando los rizobios llegan a las células cercanas a la endodermis,
comienza una activa división de las células radicales y se diferencia un primordio
de nódulo. Este proceso es codificado por genes de la planta que controlan la
cantidad, tamaño y tipo de nódulo según la posición del meristema radical (Fig. 6).
Fig. 6: Proceso de formación del nódulo
Proceso de formación del nódulo
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 139
Estructura del nódulo
Los nódulos maduros están compuestos por células radicales infectadas por
rizobios, rodeadas por el tejido vascular y el meristema de la raíz. Dentro de las
células corticales los rizobios sufren fuertes modificaciones morfológicas y
fisiológicas y se transforman en morfotipos llamados “bacteriodes”. Estas
modificaciones se producen debido a que la bacteria se especializa sólo en fijar
N perdiendo todas las otras funciones vitales como son la reproducción (no
sintetizan pared celular por eso se deforman) y la nutrición (pasa a depender
de los fotosintatos de la planta). Sin embargo, los bacteroides mantienen las
enzimas del ciclo de Krebs y la cadena respiratoria para obtener el poder
reductor y los ATP necesarios para la FBN (Fig. 7).
Fig. 7: Estructura de un bacteroide
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 140
Los bacteriodes se encuentran
rodeados por una membrana
proveniente de la célula vegetal, donde se asienta una enzima reguladora de la
tensión de O2: la leghemoglobina. Esta enzima es sintetizada en parte por la
bacteria y en parte por la planta. La planta forma los grupos prostéticos hemo
(con Fe) y la bacteria sintetiza los 4 componentes peptídicos codificados por los
genes fix. La leghemoglobina transporta el O2 desde el citoplasma de la célula
vegetal hasta la cadena respiratoria del bacteroide, impidiendo que llegue a la
Nasa.
La forma de los bacteroides y la cantidad de bacteroides envueltos por
la membrana es muy variable entre las especies. Por ej. en alfalfa hay muchos
bacteroides envueltos por una sola membrana y los bacteroides son
ramificados y hasta 50 veces más grandes que las bacterias libres.
Contrariamente en soja solo hay un bacteroide por membrana y de tamaño y
forma muy semejantes a las bacterias libres.
Funcionamiento del nódulo
Desde la célula entran al bacteroide: a) fotosintatos de la planta que van al ciclo
de Krebs y cadena respiratoria del bacteroide para producir el poder reductor y
los ATP necesarios para la FBN, b) N2 y c) O2 regulado por la leghemoglobina.
Del bacteroide salen: a) CO2 producido en el ciclo de Krebs, b) H2 formado por
reducción de H+, y c) NH4+ formado por actividad de la Nasa (Fig. 7).
El NH4+ que pasa a través de la membrana se une a cadenas
carbonadas existentes en el citoplasma de la célula vegetal y forma
aminoácidos. Estos compuestos nitrogenados pasan al sistema vascular de la
raíz y se distribuyen por toda la planta a través del xilema. Algunas especies
como la soja pueden sintetizar compuestos nitrogenados con más de dos
grupos aminas (ureidos) para facilitar el transporte de N a la parte aérea de la
planta (Fig. 7).
Como toda simbiosis, esta interacción se mantiene siempre que haya
un costo-beneficio compartido entre las partes. Por lo tanto el hospedador tiene
mecanismos de control muy estrictos para que se mantenga un balance entre
costo (fotosintatos) y beneficio (compuestos nitrogenados). Los mecanismos de
regulación y control determinan el número de nódulos que depende de: a) la
eficiencia de fijación de las bacterias, b) la disponibilidad de N en el suelo y c)
los requerimientos nitrogenados de la planta. De tal manera, si las bacterias
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 141
son poco eficientes para fijar N la planta tendrá elevado número de nódulos
pequeños y si existe N disponible en el suelo o la planta no requiere más N
para su desarrollo, no enviará fotosintatos a los nódulos provocando su
senescencia y desprendimiento.
Taxonomía de los rizobios
En los últimos años y debido al avance de las técnicas biomoleculares,
la taxonomía de los rizobios ha sufrido grandes modificaciones, proceso que
sigue en permanente avance y revisión. La clasificación mas aceptada en la
actualidad comprende 4 familias y 6 géneros.
1. Fam: Rhizobiaceae
-
gen: Rhizobium. R. leguminosarum (simbionte de poroto, vicia, arveja)
-
gen: Sinorhizobium. S. meliloti (melilotus) y S. medicae (alfalfa)
2. Fam: Bradyrhizobiaceae
- gen: Bradyrhizobium. B. japonicum (soja)
3. Fam: Phyllobacteriaceae
-
gen: Mesorhizobium. M. ciceri (garbanzo) y M. chacoense (algarrobo)
-
gen: Allorhizobium. A. undicola (Neptunia sp.)
4. Fam: Hyphomicrobiaceae
-
gen: Azorhizobium. A. caulinodans (Sesbania sp.)
En general las especies de la fam. Rhizobiaceae agrupa a rizobios que
viven en zonas templadas, que poseen alta tasa de crecimiento (tiempo de
generación entre 3-4 hs) y que realizan oxidación incompleta cuando hay
exceso de fuente carbonada en el medio. Esto hace que produzcan ácidos
orgánicos y bajen el pH del medio. Contrariamente la fam. Bradyrhizobiaceae
agrupa a especies de rizobios de zonas tropicales, de crecimiento lento
(tiempos de generación entre 6 y 8 hs) y que no acidifican el medio. Las
especies de la fam. Phyllobacteriaceae presentan características intermedias,
se encuentran en muy variados lugares y presentan tiempos de generación
entre 4-5 hs. Por último la fam. Hyphomicrobiaceae agrupa a las escasas
especies de rizobios que forman nódulos en tallos de plantas tropicales.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 142
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 143
UNIDAD VIII: FERTILIZANTES BIOLÓGICOS
Se denomina fertilizante biológico a aquellos productos formulados con
organismos vivos que se utilizan para favorecer la nutrición de las plantas. Se
consideran fertilizantes no biológicos a los formulados con compuestos
químicos orgánicos (por ej. urea, compost, lombricompuesto, estiércol, abonos
verdes, etc.) o inorgánicos (por ej. fosfato de amonio, nitrato de amonio, etc.).
El término inoculante se utiliza en la práctica para referirse a un
fertilizante biológico que se aplica a la semilla en el momento de la siembra.
Esta es la forma más común de aplicar un fertilizante biológico porque las
bacterias adheridas al tegumento de la semilla infectan la radícula
inmediatamente a su emergencia, por lo que se favorece la nutrición de la
planta desde etapas fenológicas muy tempranas.
El uso de fertilizantes biológicos tiene muchas ventajas respecto a los
químicos debido a que no poseen riesgo de contaminación ambiental, su efecto
está fuertemente sincronizado con los requerimientos de la planta y
generalmente son de menor costo. Si bien los fertilizantes biológicos son
conocidos desde hace mucho tiempo, en la actualidad se han difundido en
mayor medida debido a la aplicación de nuevos criterios productivos como son
la agricultura sustentable y los cultivos orgánicos (sin uso de agroquímicos).
Microorganismos utilizados comof ertilizantes biológicos
Los microorganismos que se utilizan para la fabricación de fertilizantes
biológicos son aquellos que establecen interacciones positivas con las plantas
y que son de fácil manejo en condiciones industriales (medios de cultivo
baratos, crecimiento rápido, etc.). Dentro de los fertilizantes biológicos se
diferencian aquellos producidos con microorganismos que fijan N2 y los
conocidos como PGPR (promotores del crecimiento) que favorecen la nutrición
vegetal por otras vías, por ej. solubilización y traslado de P, producción de
hormonas de enraizamiento para mayor absorción de nutrientes, control de
patógenos, etc.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 144
Fertilizantes biológicos en base a microorganismos fijadores de N2
Los microorganismos de mayor uso son:
a)
Rizobios: este grupo incluye a los microorganismos más utilizados para
la fabricación de inoculantes. En Argentina, los rizobios más comercializados
son los que se aplican en cultivos de soja (Bradyrhizobium japonicum), y en
mucha menor escala en alfalfa y otras leguminosas forrajeras. Es muy difícil de
estimar cuanto puede aumentar el rendimiento de un cultivo por efecto de la
aplicación de un inoculante a base de rizobios. Generalmente se estima que
una soja bien nodulada puede fijar entre 100 y 150 kg de N ha, sin embargo
esto es ampliamente variable debido a las condiciones ambientales, las
técnicas de manejo del cultivo, la calidad del inoculante, la forma de
comercialización y aplicación del producto, etc. De cualquier manera, los
fertilizantes biológicos a base de rizobios son los de efecto más contundente e
indiscutido para los cultivos, debido a la alta eficiencia de la simbiosis.
b)
Azospirillum spp: en Argentina, la comercialización de fertilizantes
biológicos formulados con bacterias del género Azospirillum sigue en orden de
importancia después de los rizobios, principalmente para cultivos de trigo y
maíz. En los últimos años aumentó considerablemente la demanda de este tipo
de inoculantes debido a que se difundió que los Azospirillum en cultivos de
gramíneas provocan un efecto similar a los rizobios en leguminosas. Sin
embargo, no hay que olvidar que la interacción de las bacterias diazótrofas
rizósfericas con las plantas, es totalmente diferente a las simbióticas, por lo que
no es esperable obtener resultados equivalentes.
Es prácticamente imposible estimar la ganancia de N en los cultivos por
efecto de la aplicación de Azospirillum, debido a que el N fijado no se trasloca
directamente a la planta. La bacteria incorpora el N a su citoplasma por lo que
primeramente tiene que morir, dejar disponible el N a los organismos
mineralizadores para que recién pueda ser tomado por la planta. Estos pasos
implican riesgos de pérdidas de nitratos por lixiviación y fuerte competencia por
el N con el resto de los microorganismos del suelo. Por tales motivos, no puede
esperarse un mayor rinde de los cultivos de manera directa como en el caso de
los rizobios con las leguminosas. La principal ventaja de usar Azospirillum en
gramíneas radica en el aporte extra de N al suelo que puede ser utilizado por
un cultivo posterior y en una mayor expansión radicular debido a la producción
de hormonas vegetales por parte del microorganismo.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 145
c)
Anabaena: los fertilizantes biológicos en base a esta cianobacteria
simbiótica tienen una difusión muy regional y específica para cultivos de arroz.
Los inoculantes consisten en un cultivo de los microorganismos al cual se le
agregan las esporas del helecho acuático (Azolla) con el que establece la
simbiosis. Cuando el cultivo de arroz está inundado, el helecho se desarrolla
sobre la superficie del agua y la cianobacteria fija N para el helecho. Cuando se
seca el cultivo, el helecho muere y sus compuestos nitrogenados son
mineralizados y el N puede ser utilizado por el cultivo de arroz. Mundialmente la
“azolización” es una práctica muy común y en nuestro país se realiza con
bastante frecuencia en la zona arrocera de la mesopotamia.
Fertilizantes biológicos en base a microorganismos PGPR
Los microorganismos PGPR son bacterias de vida libre de gran importancia
agrícola, muestran un amplio rango de beneficios relacionados con el
crecimiento y la sanidad vegetal. El mecanismo de acción de estos
microorganismos es suprimiendo enfermedades causadas por patógenos,
acelerando la asimilación y disponibilidad de nutrientes o actuando sobre las
hormonas vegetales (responsables del crecimiento de las plantas). Además
pueden ayudar a compensar la presencia de malezas, el estrés hídrico, estrés
salino y otras situaciones desfavorables.
Entre los mecanismos de acción de los microorganismos PGPR
podemos
mencionar:
acción
antagónica
con
hongos,
producción
de
sideróforos, fijación de nitrógeno, solubilización de fosfatos, producción de AIA
(ácido indol acético, hormona vegetal del grupo de las auxinas) y giberelinas,
activación del sistema inmunitario de la planta y producción de enzimas (Fig.
1).
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 146
Microorganismos
fitopatógenos
Microorganismos
fitopatógenos
Microorganismos
benéficos
Activacion de
M.O. benéficos
Producción de
componentes
inhibidores de
patógenos
Referencias
IR: sistema inmunitario de la planta
Fig. 1: Actividad de microorganismos PGPR en la rizósfera.
Funciones de los microorganismos PGPR

Biofertilizantes: los microorganismos PGPR colonizan la zona de la
rizósfera (zona de influencia de la raíz, rica en microorganismos y nutrientes),
incrementando la superficie de la rizósfera, mejorando la disponibilidad de
nutrientes al alcance de las plantas.

Productores de vitaminas: una gran proporción de las bacterias
(benéficas) del suelo requieren de la presencia de vitaminas del grupo B,
algunas PGPR son capaces de sintetizar tiamina y/o biotina (vitaminas del
complejo B), permitiendo o facilitando la colonización de numerosas bacterias.

Productores de fitohormonas: los microorganismos PGPR, producen
fitohormonas responsables entre otros de inducir el enraizamiento, tasa
respiratoria de la raíz, metabolismo y crecimiento de la misma, aumentando
con ello la captación de agua y nutrientes; además pueden promover el
crecimiento vegetativo. Entre esas fitohormonas tenemos auxinas, giberelinas
y el etileno.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 147
Las auxinas (principalmente el AIA: ácido indolacético) influyen en el
crecimiento radical, elongación celular y en el crecimiento de la planta en
respuesta de la luz y la gravedad. Ejemplo de PGPR productores de auxinas
Bacillus megaterium, Azospirillum spp y Pseudomonas spp.
Las giberelinas son un tipo de fitohormonas capaces de influir en la
germinación de las semillas, la elongación del tallo y en procesos tales como la
floración y el desarrollo de los frutos. Por ejemplo Azotobacter produce ácido
giberélico.
El etileno, es un gas regulador del crecimiento, responsable entre
otras cosas de la absición (caída) de hojas y frutos.

Producción de sideróforos: estos compuestos, de bajo peso molecular,
son capaces de capturar y secuestrar el hierro del suelo. El hierro es
indispensable para la síntesis de numerosas enzimas necesarias tanto para la
planta como para el microorganismo. Cada bacteria genera una clase distinta
de sideróforo y cuando este secuestra el hierro, tan solo la bacteria que
genero el sideróforo podrá recuperarlo, de esta manera, los microorganismos
PGPR retiran el hierro impidiendo que los patógenos y oportunistas puedan
desarrollarse en la rizósfera y en algunas ocasiones colocan el hierro
disponible para la planta.

Fijadores de nitrógeno: existen microorganismos fijadores de nitrógeno
que no son endosimbiontes como Rizobium, como por ejemplo Azotobacter y
Azospirillum.

Solubilización de fósforo inorgánico: el fosfato (fósforo inorgánico) está
poco disponible para las plantas, los microorganismos PGPR son capaces de
solubilizar el fósforo dejándolo disponible para el cultivo.

Biocontrol:
el
potencial
de
los
microorganismos
PGPR
como
biocontroladores deriva de varios mecanismos, desde el control antagónico de
microorganismos hasta la producción de antibióticos, sideróforos o mejorando
la sanidad de la planta por medio de hormonas vegetales. Por ejemplo
bacterias
metanógenas
que
actúan
como
nematicidas,
mediante
la
producción de compuestos volátiles biocidas, como por ejemplo la acetoína.
Un ejemplo es la producción de un antibiótico 2,4-diacetilfloroglucinol (DAPG)
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 148
producido por algunas Pseudomonas (PGPR). En la Fig. 2 se puede observar
que cuando los microorganismos PGPR se establecen en el cultivo de trigo,
aunque el patógeno (Gaeumannomyces graminis) está en todo el campo, en
la zona derecha se ha realizado monocultivo que ha permitido la permanencia
de la Pseudomona evitando que el patógeno ataque, mientras que en la zona
izquierda la rotación de cultivos ha variado el equilibrio, permitiendo que el
Severidad de la enfermedad
patógeno ataque a la planta.
Años de monocultivo de trigo
Fig. 2: Efecto de Pseudomona para el control de patógenos en cultivo de trigo
En Argentina, la oferta comercial de estos fertilizantes es muy variada y
cambiante, aunque en los últimos años muestra una tendencia a un mayor uso.
Los microorganismos PGPR más utilizados en la producción de
inoculantes son:

Hongos micorríticos: son los inoculantes con microorganismos
PGPR de efecto más comprobado y reconocido. Sin embargo hay que
hacer una clara distinción si están formulados con hongos ectomicorríticos
o endomicorríticos, debido a las particularidades de cada uno de ellos.
Los inoculantes con ectomicorrizas son relativamente fáciles de
producir porque los hongos crecen muy rápidamente en medios de cultivos
simples y baratos y porque las esporas son muy fáciles de conservar en
cualquier sustrato y envase. Su uso está restringido a la producción de
plantines en viveros forestales, aunque muchos productores no compran
estos productos debido a que pueden obtener inóculos muy fácilmente
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 149
(esporas y restos de tejidos de los cuerpos de fructificación, micelio en el
suelo y mantillo de especies micorrizadas, etc.). La eficiencia de la
inoculación con ectomicorrizas es fácilmente comprobable por observación
de las raíces (blancas, cortas y gruesas con crecimiento dicotómico) (Ver
Unidad VI: Micorrizas).
Los inoculantes con endomicorrizas son muy difíciles de producir
comercialmente. En la actualidad todavía no se ha conseguido cultivar
endomicorrizas en medios artificiales de manera industrial. Además la
obtención de inóculos en gran escala es prácticamente imposible debido a
que las esporas están distribuidas en el suelo y no en cuerpos de
fructificación. Debido a ello en algunos países se comercializan inoculantes
con endomicorrizas en base a trozos de raíces infectadas con el hongo,
solo utilizables en cultivos de huertas hortícolas en pequeña escala. Sin
embargo en nuestro país, suelen aparecen en el mercado inoculantes para
cultivos extensivos (trigo) en cuyos marbetes se menciona que poseen
hongos endomicorríticos (a veces combinados con Azospirillum). La
eficiencia de la inoculación es muy difícil de comprobar porque no existen
cambios morfológicos visibles en las raíces.

Microorganismos solubilizadores de P de vida libre: en algunos
lugares del mundo (Canadá y Francia) se están comercializando
fertilizantes biológicos formulados con bacterias y hongos solubilizadoras
de P de vida libre. En nuestro país es una tecnología todavía muy
incipiente y solo algunas fábricas de inoculantes están tratando de incluirlos
dentro de sus productos.

Mezcla de microorganismos no definidos: son productos conocidos
vulgarmente como biofertilizantes y que se fabrican por enriquecimiento y/o
percolado de compost o vermicompost. Por tal motivo, poseen una enorme
cantidad y tipos de microorganismos no identificados en un medio con alta
proporción de compuestos orgánicos. A este tipo de fertilizante se les
adjudica una serie de beneficios para las plantas, como control de
patógenos, activación del crecimiento radicular, etc. Muchos de estos
productos son recomendados para aplicación foliar y en el suelo.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 150
Normas de calidad para los fertilizantes biológicos
Debido a que los fertilizantes biológicos están formulados con organismos
vivos, la calidad del producto cobra muy especial relevancia. No es lo mismo
producir, conservar, comercializar y aplicar un compuesto químico que
organismos vivos, de cuya sobrevivencia depende el éxito del producto.
Además, tampoco es posible que el comprador pueda comprobar la calidad del
inoculante a simple vista. Por tales motivos, el control de calidad por parte de
organismos estatales es imprescindible para evitar la comercialización de
productos engañosos o de calidad dudosa.
En nuestro país la ley de fertilizantes y enmiendas (N° 20.466)
normatiza sobre la calidad y comercialización de inoculantes. Esta ley ha sido
reglamentada por última vez en el año 1980 por lo que una gran cantidad de
diferentes productos más modernos no están considerados dentro de las
normativas. En la actualidad, solo se exige a las fábricas de inoculantes que se
registren (artículo 1) y que, para autorizar el producto, envíen una muestra a
analizar a Senasa para constatar la cantidad de bacterias del inoculante
(artículo 4). Sin embargo, no existen controles ni en las fábricas, ni en los
negocios que comercializan los inoculantes, para verificar si se cumplen las
normas de calidad del producto y del envase (artículo 6). Asimismo, no hay
instrumentado un servicio de policía para decomisar los inoculantes vencidos
que están a la venta (artículo 7).
MINISTERIO DE ECONOMÍA
Secretaría de Estado de Agricultura y Ganadería
LEY N°: 20.466 (fertilizantes y enmiendas)
DECRETO N°: 4830/73 (reglamentación de la ley 20.466)
DECRETO N° 1624/80 (modifica el 4830/73)
Resolución sobre Fertilizantes Biológicos:
Artículo 1°: inscripción en la Dirección Nacional de Fiscalización comercialización
Agrícola, para importar, exportar, elaborar, fraccionar y/o distribuir inoculantes.
Artículo 4°: prohíbe la comercialización de inoculantes que no tengan 10 x 10
6
bacterias por gramo de inoculantes sólido a la fecha del vencimiento de 180 días y
que no sean efectivas y específicas para la especie vegetal del envase.
Artículo 5°: para otros soportes deben garantizar, a la fecha del vencimiento
establecido 1000 bacterias por semilla.
Artículo 6°: la fecha de vencimiento debe estar visible y resaltada en el envase
Artículo 7°: Se deben retirar de la comercialización los inoculantes vencidos o serán
decomisados.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 151
Por tales motivos, es imprescindible que los Ingenieros Agrónomos
posean criterios claros no solo para asesorar sobre el uso de los inoculantes
sino también sobre aspectos prácticos que ayuden a elegir un producto de
buena calidad.
Características de un buen inoculante
Los inoculantes están compuestos por las bacterias y el soporte en el que
vienen incluidas.
Las bacterias: deben ser específicas para el cultivo donde se va a
utilizar. Este aspecto es de suma importancia en el caso de los rizobios
(especificidad rizobio-leguminosa) y es el de mayor dificultad de comprobar.
Solo se puede determinar si la bacteria es específica mediante un ensayo en
planta que demanda al menos 45 días.
Otro aspecto de calidad muy importante es que las bacterias a utilizar
como inoculante hayan sido previamente seleccionadas por su capacidad de
fijar N o su potencial PGPR. Generalmente los cultivos industriales se inician a
partir de cepas provistas por el Banco de Cepas de Microorganismos del INTA
Castelar, que vende las cepas ya seleccionadas. Si por ej. se necesita controlar
su capacidad fijadora de N de la cepa de un inoculante, deben realizarse
ensayos en planta donde se evalúa la cantidad, tipo, color y peso de los
nódulos, la actividad de la enzima Nasa y la cantidad de N fijado.
También es muy importante conocer si las cepas de los inoculantes
están adaptadas a las condiciones ambientales del lugar del cultivo. Es muy
común que las fábricas trabajen con cepas seleccionadas bajo las condiciones
de la pampa húmeda y los productores apliquen ese producto en suelos del
norte argentino. En la actualidad algunas fábricas producen inoculantes con
cepas de soja seleccionadas por INTA Castelar para zonas subtropicales.
El factor más importante para el éxito de la inoculación es que el
inoculante posea un número adecuado de bacterias que garanticen una buena
nodulación. Este factor es relativamente fácil de controlar (recuento en medio
sólido) y se recomienda hacer analizar una muestra antes de comprar una gran
cantidad de inoculante. Un problema muy común es que desde la fábrica salga
un producto con el número correcto de bacterias pero que en la cadena de
comercialización no se tengan los cuidados necesarios y que haya gran
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 152
mortandad de bacterias. De esta manera cuando llega al productor el
inoculante ha perdido su calidad original. Una práctica muy recomendable es
que los inoculantes se comercialicen con cadena de frío (como las vacunas y
productos lácteos), por lo que es importante ver si el proveedor almacena los
inoculante en heladera antes de su despacho.
Cuando se realiza el análisis de inoculantes para establecer la
abundancia de bacterias es muy importante que se solicite el informe sobre la
presencia y cantidad de bacterias contaminantes. Es común que las fábricas
tengan problemas de asepsia y que, sumados a la mala conservación en la
cadena de comercialización, hacen que al momento de aplicación el producto
pueda estar altamente contaminado.
El soporte: es el sustrato que provee los elementos imprescindibles
para la vida de las bacterias (alimento, oxígeno y humedad). Por tal motivo
debe tener compuestos orgánicos simples, alta difusión de O2 y capacidad de
retener humedad. Los soportes más adecuados son aquellos a base de turba
(suelo orgánico) que cumplen con todas estas características. Sin embargo,
debido a las dificultad que implica en una fábrica el manipuleo de la turba
(esterilización, molido, corrección de pH, etc.), en la actualidad la mayor
cantidad de los inoculantes que se comercializa son en base líquida. El
problema del soporte líquido es la escasa difusión del O2, por lo que deben
elegirse envases con volumen reducido y con cámara de aire que facilitan la
mezcla y aireación del producto. Son totalmente contraindicados soportes de
material inorgánico (por ej. dolomita) porque no poseen alimento y son
altamente desecantes, ni soportes orgánicos como por ej. cáscaras de arroz,
debido a que la celulosa no puede ser utilizada como alimento por los rizobios.
Frecuentemente, se encuentran en el mercado inoculantes mezclados
con fungicidas y/o insecticidas. Esto se debe a que a los productores les resulta
muy práctico aplicar el inoculante y el curasemillas en una sola operación, sin
embargo está totalmente comprobado que los agroquímicos utilizados
provocan alta mortandad de bacterias a partir de las 48 hs. de haber sido
realizada la mezcla.
Otro aspecto muy difundido en la actualidad es la incorporación de
sustancias conservantes en el soporte con la finalidad de preservar la
sobrevivencia de las bacterias por largos periodos de tiempo. Si bien se
garantiza el número de bacterias, los conservantes suelen retrazar la liberación
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 153
de los rizobios en el suelo y por ende demorar la infección. Esto provoca que
en los estadios tempranos no haya FBN y la planta deba proveerse de N del
suelo.
El envase: no es un aspecto menor para la calidad de un inoculante.
Un producto puede ser muy bueno pero su envase no ser lo suficientemente
adecuado para permitir la vida de las bacterias. La condición imprescindible es
que el envase permita el paso del O2, pero que impida la entrada de
contaminantes y la pérdida de humedad. Además, es recomendable que
posean filtros para los rayos UV. Debido a todo esto, los envases no pueden
ser de materiales plásticos comunes sino de algunos especiales que posean la
porosidad adecuada para cumplir con estos requisitos (polipropileno biorentado
mas polietileno blanco con aditivos para oxigenación).
Verificación a campo de la eficiencia de la inoculación
Es muy importante evaluar a campo el resultado de la aplicación de un
inoculante. Para ello deben tomarse muestras en el momento que la planta
tiene mayores requerimientos de N (al 50% de floración del lote). Si los
muestreos son tempranos, habrá escaso desarrollo nodular y si son tardíos
(por ej. a cosecha) los nódulos estarán muertos o se habrán desprendido. Debe
tenerse especial cuidado en no arrancar la planta sino extraerla con todo el pan
de tierra y luego lavarla suavemente para que no se desprendan los nódulos.
Los aspectos a observar son: a) lugar de formación de los nódulos (los
nódulos provenientes del inoculante se localizan en el cuello y raíz principal), b)
número de nódulos en raíz principal y raíces secundarias (provenientes del
suelo), c) color de los nódulos (el color rojo indica actividad de la
leghemoglobina), y d) relación entre peso de raíz y parte aérea de la planta. Si
es una leguminosa forrajera se recomienda realizar un análisis de contenido de
N en las hojas.
Cuando existen dudas acerca de la cantidad de nódulos originados por
el inoculante se pueden realizar pruebas serológicas con antígenos
específicos. Esta prueba da una certeza muy alta sobre el grado de
competitividad de la cepa del inoculante frente a los rizobios nativos del suelo.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 154
Cuando se evalúa la nodulación a campo debe tenerse muy en cuenta
la historia del lote y la forma de aplicación del inoculante. Por ej. lotes recién
desmontados o que hayan tenido un cultivo de leguminosa incorporado (vicia,
alfalfa, etc.) tendrán alta disponibilidad de N en el suelo y la planta presentará
escasa nodulación, aunque el inoculante y las técnicas de inoculación hayan
sido los adecuados.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 155
UNIDAD IX: DEGRADACIÓN DE RESIDUOS ORGÁNICOS
La acumulación de residuos de origen doméstico, agrícola e industrial es uno
de los más graves problemas ambientales de la actualidad debido a que la tasa
de degradación natural siempre es inferior a la tasa de generación de residuos.
Además, esta acumulación se ve agravada en mayor medida por el hecho de
que una gran proporción de residuos son productos sintéticos (plásticos y otros
polímeros) que no se degradan naturalmente.
Los tratamientos de residuos persiguen la aceleración de los procesos
de degradación natural con la finalidad de reducir la masa de residuo, eliminar
contaminantes y alternativamente producir energía (biogás) y otros compuestos
de interés (por ej. abonos orgánicos). Los tratamientos de residuos involucran
procesos físicos, químicos y/o biológicos. Estos últimos se utilizan en la
degradación de residuos orgánicos y consisten en la aplicación controlada de
procesos microbianos. Los residuos generados en establecimientos agrícolas
(tambos, criaderos de cerdos, aves, etc.) y en industrias agroalimentarias
tienen alto contenido de restos orgánicos lo que favorece la utilización de
mecanismos de degradación microbiana.
Tratamiento de residuos sólidos
Hay dos tipos de tratamientos biológicos de residuos sólidos según se utilicen
procesos aeróbicos o anaeróbicos:
Tratamientos aeróbicos de residuos sólidos
Compostaje:
consiste
en
manejar
un
proceso
aeróbico-termófilo
de
degradación microbiana con la finalidad de:

Reducir el residuo en un 50-80% del material original

Degradar sin producir olor ni gases de fermentación

Obtener un abono estable, con alto contenido de materia

Orgánica humificada y nutrientes disponibles

Eliminar los microorganismos patógenos que pudiera tener el
material de origen
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 156
Generalmente el compostaje se realiza en pilas al aire libre manejadas
con riego y ventilación. Las pilas deben tener dimensiones aproximadas de 30
m de largo x 1.5m de alto y 2m de ancho (no pueden ser más grandes para no
generar condiciones anaeróbicas que provoquen fermentaciones, olores y
gases). El proceso puede requerir entre 3 a 6 meses de tiempo. Menos común
es la obtención de compost dentro de reactores cerrados con un control estricto
de aireación, humedad y temperatura. En estos sistemas el proceso demora
solo 5 a 7 días.
Durante el compostaje se produce una sucesión microbiana en la cual
actúan hongos, bacterias y actinomycetes de metabolismo respiratorio que
degradan los compuestos lábiles del residuo. En la práctica se establecen dos
fases en la sucesión microbiana:
a. Fase hidrolítica: en la cual hay alta actividad microbiana (metabolismo de
respiración aeróbica) que provoca aumento de temperatura (puede llegar
hasta 75°C). Esta elevación de la temperatura hace que la degradación
continúe solo mediante organismos termófilos provocando la muerte de
los organismos patógenos propios de los residuos. La fase finaliza
cuando se agotan los compuestos lábiles y solo sobreviven bacterias
esporuladas.
b. Fase de maduración: consiste en la recolonización del compost por
organismos mesófilos del ambiente que degradan muy lentamente la
materia orgánica recalcitrante lo que favorece la formación de humus.
En la actualidad, existen inoculantes formulados con bacterias termófilas
que se incorporan a los compost para acelerar y controlar el proceso. Sin
embargo se menciona que los resultados son poco evidentes. El control más
eficiente de la producción de compost se logra mediante la regulación de las
condiciones ambientales.
Manejo de la pila de compostaje
Al hacer la pila, generalmente se realizan mezclas de diferentes tipos de
residuos, con la finalidad de obtener un proceso más uniforme. En las mezclas
se busca que exista un balance entre compuestos lábiles y recalcitrantes y
suficiente cantidad de N (C/N = 30). Las mezclas más comunes incluyen
residuos de cosecha (paja), virutas de aserraderos, estiércol y orín de
diferentes animales, orujos de industrias frutícolas, etc. También se suele
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 157
mezclar tierra arcillosa cuando la C/N es muy baja para que el exceso de NH4+
sea retenido en las arcillas y no se volatilice como NH3.
Otros factores que se controlan en el proceso de compostaje son: a)
tamaño del material (las mezclas se muelen), b) pH, c) humedad y d)
temperatura. Si el pH es muy bajo (menor a 6) suele agregarse cal pero
cuidando que no supere pH 8. Mientras que la humedad óptima debe estar
entre 50% y 60 % del peso del material al iniciar el compostaje y el 30% en la
etapa de maduración. Para lograr estos valores la pila se riega si falta humedad
y se remueve para que evapore si tiene humedad en exceso. Además, al
remover la pila se incorpora O2 que favorece la respiración microbiana en la
primera fase del compostaje. El control de temperatura es muy importante
porque indica la eficiencia del proceso: si las temperaturas son bajas indica que
hay poca actividad microbiana y si se eleva mucho hay riesgo que se arruine el
compost debido a la coagulación de proteínas. En esos casos hay que ventilar
la pila.
Utilización de los compost
Los compost se utilizan mayoritariamente como abono en cultivos intensivos
(hortícolas) porque deben colocarse altas dosis por ha para obtener resultados
evidentes, lo cual hace que sea muy dificultoso la movilización del material en
cultivos extensivos. También es muy utilizado en suelos pobres con la finalidad
de aumentar el contenido de
materia orgánica y en cultivos orgánicos en
reemplazo de los fertilizantes químicos.
Debido a las normativas que se aplican para cultivos orgánicos, existen
normas de calidad de compost que incluyen mayoritariamente aspectos
químicos (contenido de nutrientes, humedad, pH, presencia de metales
pesados,
etc.).
Los
requisitos
de
calidad
microbiológica
se
refieren
exclusivamente a aspectos de carácter sanitario (presencia de coliformes y
salmonelas), sin especificar las características y abundancia de los
microorganismos responsables de la fertilidad y estabilidad del compost.
Vermicompostaje: es una variación de la tecnología de compostaje donde se
utilizan lombrices para acelerar la degradación de los residuos en condiciones
mesófilas. La lombriz realiza importantes procesos físicos sobre los residuos
(tritura, mezcla, humedece, lubrica con mucus, incorpora sus excreciones
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 158
urinarias e intestinales formando agregados de partículas: coprolitos, etc.) que
favorecen la actividad microbiana y la retención de la humedad en el abono.
En general el vermicompost es un abono de mejor calidad que el
compost y se obtiene en menor tiempo, sin embargo requiere mayor cantidad
de mano de obra debido a que se debe controlar permanentemente que no
aumente la temperatura para evitar la muerte de las lombrices.
En contraposición a los fertilizantes químicos, el compost y el
vermicompost actúan como fertilizantes de liberación lenta y de acción
prolongada, lo cual favorece la sincronización con los requerimientos de los
cultivos.
Tratamientos anaeróbicos de residuos sólidos
Producción de biogás: consiste en la degradación de los compuestos orgánicos
en digestores herméticos sin aire y sin luz con la finalidad de obtener
metano.Los biodigestores poseen un conducto para la entrada de material
fresco y otro para la salida del residuo digerido con dispositivos de
hermeticidad para impedir la entrada de aire y una campana captadora del gas
para facilitar la salida del metano producido.
El biogás se produce por la actividad de microorganismos QOH y QLA
en dos etapas. En la primera etapa actúan QOH de fermentación butírica y
ácido mixta. En la segunda etapa los productos de dichas fermentaciones (CO 2
y H2) son utilizados por bacterias QLA oxidadoras de H2 (metanogénicas)
produciendo metano (gas).
El metano es una alternativa energética útil y barata particularmente en
establecimientos rurales donde se produce gran cantidad de estiércol (por ej.
tambos, feedlots, etc.) y que no disponen de fuentes de combustibles
accesibles. De esta manera se soluciona la eliminación de los residuos y a la
vez se utiliza la energía del biogás para calefaccionar y calentar el agua de
lavado del tambo. Además, en la mayoría de los casos el material digerido
(barros) es utilizado como abono en las pasturas del ganado.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 159
Fig. 1: Biodigestor
Tratamientos de efluentes líquidos
Los residuos líquidos con alta carga de compuestos orgánicos provienen
del uso domiciliario (efluentes cloacales) y agroindustrias. Los tratamientos
aplicados a este tipo de efluentes persiguen la eliminación de riesgos sanitarios
y la recuperación de la calidad original del agua para que pueda ser reutilizada
o vertida a causes superficiales o subterráneos. Para ello los tratamientos
deben reducir el contenido de materia orgánica y nutrientes a un nivel tal que
impida el crecimiento bacteriano.
Se utilizan diferentes tipos de sistemas de tratamiento que suelen
llamarse primario, secundario y terciario. Un tratamiento altamente eficiente
debe tener los tres tipos de sistemas:

Sistema primario: consiste solo en un tratamiento físico del efluente
ya que mediante filtración y decantación se elimina el material
grueso y pesado (lagunas de estabilización). No se produce
reducción del contenido de nutrientes ni de materia orgánica en
solución, ni disminuye la carga de microorganismos de riesgo
sanitario. El volcamiento a diferentes cursos de agua de este tipo de
tratamiento no está permitido en las normativas ambientales.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 160

Sistema secundario: consiste en la degradación aeróbica de la
materia orgánica del efluente mediante mecanismos de aireación
forzada para favorecer la respiración microbiana. No elimina los
nutrientes minerales. Después de la aireación, el efluente se decanta
para depositar el material en suspensión (barros) que contiene alta
cantidad de bacterias floculadas. Una cierta proporción de estos
barros se reincorpora a la pileta de aireación (como inóculo) para
acelerar el proceso, mientras que el resto se lo trata como residuo
sólido para la obtención de biogás y/o compost o se coloca a secar
en piletas con fondo de grava y arena.
El volcamiento del agua de salida del sistema secundario solo se
autoriza
si
recibe
un
tratamiento
de
Cl
para
eliminar
todos
los
microorganismos y oxidar los restos de materia orgánica soluble que pudieran
haber persistido. En las normas de calidad de efluentes suele controlarse la
cantidad de Cl residual que indica si se ha realizado la cloración. Como el Cl
se consume según la cantidad de compuestos orgánicos oxidados, en el
volcamiento siempre debe quedar un excedente para garantizar la eliminación
total de los microorganismos.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 161

Sistema terciario: es el proceso menos difundido en nuestro país
porque son sistemas caros y complejos. Sin embargo solo mediante
este sistema se logra eliminar los nutrientes del agua y se evita el
crecimiento de organismos vivos. Básicamente hay dos mecanismos
dentro del sistema terciario: el que somete al agua a condiciones
estrictamente anaeróbicas para favorecer la volatilización de los
nutrientes (denitrificación y desulfatación) y el que utiliza los
llamados biofilms. Los biofilms son partículas (plásticas o grava)
recubiertas
unicelulares)
por
por
microorganismos
donde
se
autótrofos
hace
pasar
el
(cianobacterias
efluente.
Las
cianobacterias producen gran cantidad de biomasa (debido a la alta
carga de nutrientes) y cuando todas las partículas están cubiertas
por biomasa se retiran, se lavan y las bacterias son secadas y
utilizadas como abono orgánico.
Biorremediación
Los
sistemas
convencionales
de
tratamiento
de
efluentes
implican
infraestructura, procesos costosos y descarga a acuíferos o cursos de agua
superficial. En los últimos años se han desarrollado tecnologías alternativas
para el tratamiento de efluentes, conocidas como biorremediación. Mediante
este tipo de tratamientos no quedan barros ni agua residual que requieran ser
retratados o volcados en cursos superficiales o subterráneos. Asimismo, se
mejora considerablemente el valor paisajístico del lugar debido a que no hay
ningún signo visible de que sea una planta depuradora de efluentes.
La biorremediación es el uso deliberado de la capacidad de organismos
vivos para eliminar contaminantes. Las prácticas de biorremediación más
difundidas
son
la
incorporación
de
bacterias
degradadoras
y
la
fitorremediación. Con la incorporación de bacterias altamente seleccionadas
y/o mejoradas genéticamente se pretende aumentar la velocidad de
degradación del contaminante. Mientras que la fitorremediación consiste en
utilizar vegetales como filtros depuradores teniendo en cuenta la capacidad de
las plantas para remover nutrientes.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 162
El fundamento de la biorremediación es utilizar la actividad de bacterias
aeróbicas y anaeróbicas del agua, el suelo y la rizósfera de las plantas, para
eliminar la materia orgánica y los nutrientes del efluente. Además, se
aprovecha la capacidad del humus y las arcillas para neutralizar compuestos
tóxicos como los metales pesados. El éxito de los tratamientos de
biorremediación depende no solo de la introducción de especies (bacterias o
plantas) sino también del manejo integrado del ecosistema. Por tal motivo las
metodologías deben adaptarse a las condiciones ecológicas de cada ambiente
en particular manejando las especies, el nicho ecológico y el estado fenológico
de las plantas.
Generalmente los sistemas de biorremediación incluyen lagunas y
canteros de inundación rodeados de vegetación palustre y ribereña por donde
circula el agua del efluente. Por tales motivos se adapta muy bien para al
tratamiento de efluentes de establecimientos rurales debido a que utiliza
prácticas agrícolas para la instalación del sistema (siembras, borduras, etc.) y
el manejo de las condiciones de aireación del suelo (laboreos).
Los sistemas de biorremediación tienen las siguientes limitaciones: a)
se requiere una amplia superficie de terreno, b) se debe esperar un cierto
tiempo para que funcionen a pleno, c) son poco adecuados para tratar grandes
volúmenes de efluentes y d) no pueden ser utilizado en lugares con
condiciones climáticas adversas (particularmente bajas temperaturas).
Sistema
de
biorremediación de efluentes en una fábrica de
electrodomésticos en Luque Provincia de Córdoba.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 163
UNIDAD X: MICROBIOLOGÍA DEL AGUA
El agua en nuestro planeta se encuentra en una variedad de ambientes, en
diferente estado, cantidad y calidad. La mayor parte del planeta está cubierta
por agua, sin embargo la mayor parte de la misma se encuentra en formas no
disponibles para los ecosistemas terrestres o dulceacuícolas. Menos de un 3%
es agua dulce para beber o regar cultivos y, de ese total, más de dos tercios
esta retenida en glaciares y cascos polares. Por lo tanto, a escala global el
agua de lagos y ríos es de un diez milésimo de toda el agua del planeta (Fig 1).
Fig 1: Distribución del agua en el planeta
Ciclo hidrológico
La distribución del agua sobre el continente depende del ciclo hidrológico, en el
cual la evaporación oceánica es contrarrestada por las precipitaciones sobre la
tierra. La energía solar conduce el ciclo hidrológico, evaporando el agua de la
superficie de los océanos, lagos y ríos, así como de los suelos y las plantas
(evapotranspiración). El vapor de agua se eleva hacia la atmósfera donde se
enfría, se condensa y eventualmente cae de nuevo como lluvia, nieve o
granizo. Las precipitaciones pueden ser interceptadas o transpiradas por las
plantas, pueden ser transportadas por escorrentía hacia lagos o ríos, o pueden
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 164
infiltrarse en el suelo. El agua infiltrada se puede almacenar temporariamente
como humedad del suelo antes de ser evaporada y una parte del agua puede
infiltrarse hacia zonas más profundas para ser almacenada en las napas
(tiempo medio de renovación 300 años). La mayor parte del agua que se
evapora en los océanos retorna como precipitaciones a los océanos y el resto
cae sobre los continentes. Debido a que la cantidad de lluvia que cae sobre la
tierra es mayor que la cantidad que se evapora de ella, el agua extra retorna a
los océanos a través de los ríos y acuíferos subterráneos (Figura 2).
La renovabilidad del agua es diferente en los distintos ambientes
hidrológicos debido a los diferentes tiempos de residencia, por lo que la
sustentabilidad en el uso del agua está basada en respetar las tasas de
renovación. El agua subterránea se recambia más lentamente que otras
reservas de agua, frecuentemente en cientos o decenas de miles de años,
aunque la variación en las tasas de recambio es grande. Ciertamente, la
mayoría del agua subterránea no se recambia o recarga del todo desde la
superficie de la tierra. En vez de esto, el agua subterránea existente es “agua
fósil” un relicto de las condiciones climáticas más húmedas de la antigüedad y
de la fundición de las láminas de hielo del Pleistoceno que se acumularon
durante decenas de miles de años. Una vez usadas, no pueden ser fácilmente
reabastecidas.
Fig. 2: Ciclo hidrológico
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 165
Microorganismos en los ecosistemas acuáticos
Entre los ecosistemas microbianos de agua se encuentran los océanos, aguas
subterráneas, lagos, ríos, etc. Estos ecosistemas pueden variar enormemente
en la estructura física, los recursos y las condiciones (Tabla 1), y todos estos
factores pueden influir en la diversidad y la abundancia de los microorganismos
presentes.
Tabla 1: Principales recursos y condiciones que gobiernan el crecimiento
microbiano en la naturaleza.
Recursos
Condiciones
Carbono (orgánico, CO2)
Nitrógeno (orgánico, inorgánico)
Otros macronutrientes (S, P, K, Mg)
Micronutrientes (Fe, Mn, Co, Cu, Zn,
Mn, Ni)
O2 y otros aceptores de electrones
(NO3-, SO42-, Fe3+, etc.)
Donadores de electrones inorgánicos
(H2, H2O, Fe2+, NH4+, NO2-, etc.)
Temperatura: frío – templado –
caliente
pH: 0 – 7 – 14
O2: óxico – microóxico – anóxico
Luz: brillante – atenuada –
oscuridad
Condiciones osmóticas: agua
dulce
–
agua
marina
hipersalinidad
En los ecosistemas acuáticos superficiales la energía entra en el
ecosistema en forma de luz solar, carbono orgánico y sustancias inorgánicas
reducidas. Los fotótrofos utilizan la luz para fabricar ATP y sintetizar nueva
materia orgánica que además de carbono contiene N, azufre, fósforo, hierro y
otros bioelementos. Los fotótrofos oxigénicos en suspensión libre en el agua se
llaman fitoplancton e incluyen algas y cianobacterias que viven en la columna
de agua (Figura 3). Los fotótrofos adheridos al fondo o a los lados de un lago o
corriente son especies bentónicas. Los procariotas fotosintéticos anoxigénicos
pueden también fijar el CO2 y formar materia orgánica pero no forman O2.
Este material orgánico recién sintetizado por los fotótrofos, junto con la
materia orgánica que penetra en el ecosistema desde el exterior (materia
orgánica alóctona) impulsa las actividades catabólicas de los organismos
heterótrofos. A continuación la materia orgánica se oxida a CO 2 mediante la
respiración o se fermenta en diferentes sustancias reducidas. Si están
presentes y metabólicamente activas en el ecosistema, los organismos QLA
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 166
obtienen energía de los donadores de electrones inorgánicos como H, Fe, S o
NH4+ y contribuyen a la síntesis de nueva materia orgánica a través de sus
actividades autótrofas (Figura 3).
Aunque el O2 es uno de los gases más abundantes en la atmósfera es
poco hidrosoluble y el intercambio con la atmósfera es lento. La producción
fotosintética significativa del O2 se produce solo en las capas superficiales
donde llega la luz. La materia orgánica que no se consume en las capas
superficiales va a parar al fondo, donde se descompone por la acción de los
organismos QOH anaerobios (Figura 3). Tanto los organismos productores de
O2 como los consumidores están presentes en los ambientes acuáticos, y el
equilibrio entre la fotosíntesis y la respiración controla el O2 y el ciclo del C en
la naturaleza.
Fig. 3: Comunidades microbianas de los ecosistemas acuáticos naturales
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 167
Contaminación de los ecosistemas acuáticos
Los ecosistemas acuáticos son particularmente vulnerables a la contaminación
antrópica y actualmente muchos están severamente degradados. Las
actividades humanas pueden alterar el balance de C, el ingreso de nutrientes y
los procesos microbianos, afectando al ecosistema de manera global. Las
fuentes de contaminación pueden ser naturales (generadas por el ambiente) o
artificiales (crecimiento demográfico, desarrollo industrial, urbanización) y los
compuestos contaminantes que ingresan a los ecosistemas lóticos provienen
de fuentes no puntuales (actividades agrícolas, urbanas e industriales) y
puntuales (descargas de efluentes industriales, pluviales y domésticos). Los
ingresos no puntuales de contaminantes son en general intermitentes y difíciles
de medir. Contrariamente, las fuentes puntuales de contaminación incluyen
descarga de efluentes que suelen ser continuas.
Es ampliamente conocido que la contaminación produce grandes
cambios en las condiciones biológicas alterando la estabilidad de los
ecosistemas. Una de las principales causas es el ingreso de altas cantidades
de materia orgánica y nutrientes por actividades agrícolas y urbanas. Los
desechos orgánicos que ingresan a los ríos se dispersan en el agua y/o
depositan en los sedimentos. En el agua los compuestos orgánicos son
metabolizados por microorganismos heterótrofos aeróbicos que aumentan su
biomasa y consumen el O2 disuelto liberando CO2 y nutrientes. El aumento de
nutrientes (alóctonos o provenientes de la degradación microbiana) en los
cursos de agua provoca eutrofización y consecuente proliferación de algas que
cuando mueren son degradadas por microorganismos aeróbicos. El resultado
de estos procesos es una marcada disminución de O 2 disuelto en la columna
de agua.
La descarga de efluentes domésticos es una de las principales fuentes
puntuales de contaminación de los ecosistemas acuáticos ya que presenta
gran cantidad de materia orgánica lábil, nutrientes y microorganismos
patógenos. La contaminación de origen cloacal implica alto riesgo para la salud
humana, no obstante la mayoría de los ríos presentan elevada cantidad de
indicadores de contaminación cloacal en los sedimentos y el agua.
Sin embargo, los ecosistemas acuáticos pueden autodepurarse de
manera natural mediante la descomposición de materia orgánica y la remoción
de contaminantes por actividad microbiana. El tiempo requerido para depurar el
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 168
agua depende del grado de contaminación y de las características del
ecosistema. Los ríos de aguas rápidas y turbulentas pueden autodepurarse en
menor tiempo que los de aguas lentas a causa del mayor ingreso de O 2
disuelto. No obstante, incluso aunque en un río se mezcle profusamente el O 2
debido al flujo rápido y las turbulencias, los aportes orgánicos elevados pueden
conducir a un notable déficit de O2 debido a la respiración bacteriana. A medida
que el agua se aleja del lugar donde se produce la descarga la materia
orgánica se consume gradualmente y la concentración de O 2 regresa a la
normalidad. Si a medida que un río empieza a recuperarse existen nuevas
entradas de contaminación, se supera la capacidad de autodepuración y se
revierten las condiciones aeróbicas. El agotamiento del oxígeno en los
ecosistemas acuáticos es indeseable porque muchos animales acuáticos
mueren incluso en intervalos breves de anoxia. Además la anoxia provoca el
crecimiento de bacterias anaerobias que producen compuestos odoríferos
(aminas, H2S, mercaptanos, ácidos) algunos de los cuales también son tóxicos
para los organismos superiores.
Las aguas subterráneas suelen ser más difíciles de contaminar que las
superficiales, pero cuando esta contaminación se produce es más difícil de
eliminar. Sucede esto porque las aguas del subsuelo tienen un ritmo de
renovación muy lento. Se calcula que mientras el tiempo de permanencia
medio del agua en los ríos es de días, en un acuífero es de cientos de años, lo
que hace muy difícil su purificación.
Cada ecosistema lótico no disturbado posee una determinada cantidad
de materia orgánica resultado del balance entre los procesos de incorporación
y descomposición microbiana. Por lo tanto el ingreso de mayor cantidad de
materia orgánica (y/o diferente calidad) y nutrientes por contaminación
antrópica puede hacer variar drásticamente la abundancia, actividad y
estructura de la comunidad microbiana y como consecuencia alterar los ciclos
biogeoquímicos a nivel global y particular.
La urgente necesidad humana de agua de razonable calidad requiere
del análisis y manejo de los recursos hídricos maximizando la eficiencia del
uso. Para lograr un uso eficiente se debe interpretar el funcionamiento de los
ecosistemas acuáticos ya que la calidad del agua depende fuertemente de
procesos biológicos.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 169
Carga microbiana del agua según su origen
Los microorganismos del agua pueden ser característicos de la masa de agua
natural, o transitorios cuando entran al agua en forma intermitente procedentes
del suelo, aire, procesos industriales, agrícolas o domésticos. En general los
ecosistemas naturales de agua dulce (ríos, lagos y aguas subterráneas) sin
contaminar presentan escaso contenido de carbono orgánico y nutrientes por lo
que la abundancia de los microorganismos es baja. Por otro lado los efluentes
domésticos, de origen pecuario y en algunos casos industriales, presentan una
elevada abundancia de microorganismos. Es por esto que los microorganismos
son ampliamente utilizados como indicadores de contaminación biológica.
Sanidad y calidad de agua
La calidad del agua no es una característica absoluta, sino que es más un
atributo definido socialmente en función del uso que se le piense dar; cada uso
requiere un determinado estándar de calidad. Por esta razón, para evaluar la
calidad del agua es necesario considerar el contexto del uso probable que
tendrá.
Las estimaciones de disponibilidad del agua no reflejan por completo el
problema de las necesidades de este recurso, ya que en la mayor parte del
mundo la calidad del agua está lejos de ser la adecuada. De acuerdo con la
Organización Mundial de la Salud (OMS), 1100 millones de personas no tienen
acceso a una fuente de agua potable, particularmente en áreas rurales donde
no existe posibilidad de que el agua tenga un tratamiento previo que mejore su
calidad y posibilite su uso general.
El agua libre de contaminantes biológicos y químicos es esencial para
la salud pública y, por lo tanto resultan necesarios procedimientos para
controlar y comprobar la calidad del agua. El agua es con frecuencia una fuente
potencial de enfermedades infecciosas y también de intoxicaciones químicas.
Esto se debe a que a menudo una única fuente de agua sirve para un gran
número de personas, como ocurre por ejemplo en las grandes ciudades. La
pureza del agua es, por consiguiente, el factor individual más importante para
asegurar la salud pública. Los métodos que normalmente se emplean para
determinar la calidad de agua dependen de técnicas microbiológicas y
químicas estandarizadas.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 170
Bacterias indicadoras de contaminación
Incluso cuando el agua parece totalmente limpia y transparente puede estar
contaminada con microorganismos patógenos y constituir un serio problema
para la salud. No resulta práctico analizar el agua para cada organismo
patógeno que pueda estar presente en un determinado abastecimiento de
agua, por lo tanto se utilizan microorganismos indicadores cuya existencia
señala una posible contaminación con patógenos.
Los microorganismos indicadores de contaminación deben cumplir los
siguientes requisitos: a) fáciles de aislar y crecer en el laboratorio, b) ser
relativamente inocuos para el hombre y animales y c) presencia en agua
relacionada (cuali y cuantitativamente) con la de otros microorganismos
patógenos de aislamiento más difícil. Tres tipos de bacterias califican a tal fin:
• Coliformes fecales: indican contaminación fecal.
• Aerobias mesófilas: determinan efectividad del tratamiento de aguas.
• Pseudomonas: señalan deterioro en la calidad del agua o una
recontaminación.
Desde el punto de vista bacteriológico, para definir la potabilidad del
agua, es preciso investigar bacterias aerobias mesófilas, coliformes totales y
fecales. La gran sensibilidad de las bacterias aerobias mesófilas a los agentes
de cloración, las ubica como indicadoras de la eficacia del tratamiento de
potabilización del agua. Las bacterias coliformes habitan el tracto intestinal de
mamíferos y aves, y se caracterizan por su capacidad de fermentar lactosa a
35-37 °C. Los géneros que componen este grupo son Escherichia, Klebsiella,
Enterobacter, Serratia, Citrobacter y Edwardsiella. Todas pueden existir como
saprofitas independientemente, o como microorganismos intestinales, excepto
el género Escherichia cuyo origen es sólo fecal. Esto ha llevado a distinguir
entre coliformes totales (grupo que incluye a todos los coliformes de cualquier
origen) y coliformes fecales (término que designa a los coliformes de origen
exclusivamente intestinal) con capacidad de fermentar lactosa también a
44,5°C. La existencia de una contaminación microbiológica de origen fecal se
restringe a la presencia de coliformes fecales, mientras que la presencia de
coliformes totales que desarrollan a 35°C, sólo indica existencia de
contaminación, sin asegurar su origen. El agua no constituye un buen medio de
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 171
cultivo por lo que la supervivencia y multiplicación de los microorganismos
patógenos es escasa, es por eso que la presencia en una muestra de agua de
coliformes fecales y especialmente de Escherichia coli indica contaminación
fecal que hace el agua no apta para consumo humano.
Código alimentario argentino
El Código Alimentario Argentino regula en todo el territorio de Argentina a todos
los alimentos, condimentos, bebidas o sus materias primas y los aditivos
alimentarios que se elaboren, fraccionen, conserven, transporten, expendan o
expongan, así como a toda persona, firma comercial o establecimiento que lo
haga. Tiene una serie de leyes que se deben cumplir para que un producto
elaborado se comercialice, de lo contrario el producto no puede ser consumido
ya que podría ser un elemento adulterado además de ser ilegal.
El Código Alimentario Argentino fue puesto en vigencia por la Ley
18.284, reglamentada por el Decreto 2126/71, y cuyo Anexo I es el texto del
Código. Se trata de un reglamento técnico en permanente actualización que
establece las normas higiénico-sanitarias, bromatológicas, de calidad y
genuinidad
que
deben
cumplir
las personas
físicas o jurídicas,
los
establecimientos, y los productos que caen en su órbita. Esta normativa tiene
como objetivo primordial la protección de la salud de la población y la buena fe
en las transacciones comerciales.
Definición de agua potable según CAA (Código Alimentario
Argentino)
AGUA POTABLE: Artículo 982 - (Resolución Conjunta SPRyRS y
SAGPyA N° 68/2007 y N° 196/2007) “Con las denominaciones de Agua potable
de suministro público y Agua potable de uso domiciliario, se entiende la que es
apta para la alimentación y uso doméstico: no deberá contener substancias o
cuerpos extraños de origen biológico, orgánico, inorgánico o radiactivo en
tenores tales que la hagan peligrosa para la salud. Deberá presentar sabor
agradable y ser prácticamente incolora, inodora, límpida y transparente. El
agua potable de uso domiciliario es el agua proveniente de un suministro
público, de un pozo o de otra fuente, ubicada en los reservorios o depósitos
domiciliarios. Ambas deberán cumplir con las características físicas, químicas y
microbiológicas siguientes:
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 172
Características físicas:

Turbiedad: máx. 3 N T U

Color: máx. 5 escala Pt-Co

Olor: sin olores extraños
Características químicas:

pH: 6,5 - 8,5

pH sat.: pH ± 0,2.
Sustancias inorgánicas:

Amoníaco (NH4+) máx.: 0,20 mg/l

Antimonio máx.: 0,02 mg/l

Aluminio residual (Al) máx.: 0,20 mg/l

Arsénico (As) máx.: 0,01 mg/l

Boro (B) máx.: 0,5 mg/l

Bromato máx.: 0,01 mg/l

Cadmio (Cd) máx.: 0,005 mg/l

Cianuro (CN-) máx.: 0,10 mg/l

Cinc (Zn) máx.: 5,0 mg/l

Cloruro (Cl-) máx.: 350 mg/l

Cobre (Cu) máx.: 1,00 mg/l

Cromo (Cr) máx.: 0,05 mg/l

Dureza total (CaCO3) máx.: 400 mg/l

Fluoruro (F-): para los fluoruros la cantidad máxima se da en función de la
temperatura promedio de la zona, teniendo en cuenta el consumo diario
del agua de bebida:
-
Temperatura media y máxima del año (°C) 10,0 - 12,0, contenido
límite recomendado de Flúor (mg/l), límite inferior: 0,9: límite
superior: 1, 7.
-
Temperatura media y máxima del año (°C) 12,1 - 14,6, contenido
límite recomendado de Flúor (mg/l), límite inferior: 0,8: límite
superior: 1,5.
-
Temperatura media y máxima del año (°C) 14,7 - 17,6. contenido
límite recomendado de Flúor (mg/l), límite inferior: 0,8: límite
superior: 1,3.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 173
-
Temperatura media y máxima del año (°C) 17,7 - 21,4, contenido
límite recomendado de Flúor (mg/l), Límite inferior: 0,7: límite
superior: 1,2.
-
Temperatura media y máxima del año (°C) 21,5 - 26,2, contenido
límite recomendado de Flúor (mg/l), límite inferior: 0,7: límite
superior: 1,0.
-
Temperatura media y máxima del año (°C) 26,3 - 32,6, contenido
límite recomendado de Flúor (mg/l), límite inferior: 0,6; límite
superior: 0,8.

Hierro total (Fe) máx.: 0,30 mg/l

Manganeso (Mn) máx.: 0,10 mg/l

Mercurio (Hg) máx.: 0,001 mg/l

Níquel (Ni) máx.: 0,02 mg/l

Nitrato (NO3-,) máx.: 45 mg/l

Nitrito (NO2-) máx.: 0,10 mg/l

Plata (Ag) máx.: 0,05 mg/l

Plomo (Pb) máx.: 0,05 mg/l

Selenio (Se) máx.: 0,01 mg/l

Sólidos disueltos totales, máx.: 1500 mg/l

Sulfatos (SO4=) máx.: 400 mg/l

Cloro activo residual mín.: 0,2 mg/l.
La autoridad sanitaria competente podrá admitir valores distintos si la
composición normal del agua de la zona y la imposibilidad de aplicar
tecnologías de corrección lo hicieran necesario. Para aquellas regiones del país
con suelos de alto contenido de arsénico, se establece un plazo de hasta 5
años para adecuarse al valor de 0,01 mg/l.
(Modificado por Resolución Conjunta SPReI N° 34/2012 y SAGyP N°
50/2012): Prorrogase el plazo de cinco (5) años previsto para alcanzar el valor
de 0,01 mg/l de arsénico hasta contar con los resultados del estudio
“Hidroarsenicismo y Saneamiento Básico en la República Argentina – Estudios
básicos para el establecimiento de criterios y prioridades sanitarias en
cobertura y calidad de aguas” cuyos términos fueron elaborados por la
Subsecretaría de Recursos Hídricos del Ministerio de Planificación Federal.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 174
Contaminantes orgánicos:

THM, máx.: 100 ug/l

Aldrin + Dieldrin, máx.: 0,03 ug/l

Clordano, máx.: 0,30 ug/l

DDT (Total + Isómeros), máx.: 1,00 ug/l

Detergentes, máx.: 0,50 mg/l

Heptacloro + Heptacloroepóxido, máx.: 0,10 ug/l

Lindano, máx.: 3,00 ug/l

Metoxicloro, máx.: 30,0 ug/l

2,4 D, máx.: 100 ug/l

Benceno, máx.: 10 ug/l

Hexacloro benceno, máx: 0,01 ug/l

Monocloro benceno, máx.: 3,0 ug/l

1,2 Dicloro benceno, máx.: 0,5 ug/l

1,4 Dicloro benceno, máx.: 0,4 ug/l

Pentaclorofenol, máx.: 10 ug/l

2, 4, 6 Triclorofenol, máx.: 10 ug/l

Tetracloruro de carbono, máx.: 3,00 ug/l

1,1 Dicloroeteno, máx.: 0,30 ug/l

Tricloro etileno, máx.: 30,0 ug/l

1,2 Dicloro etano, máx.: 10 ug/l

Cloruro de vinilo, máx.: 2,00 ug/l

Benzopireno, máx.: 0,01 ug/l

Tetra cloro eteno, máx.: 10 ug/l

Metil Paratión, máx.: 7 ug/l

Paratión, máx.: 35 ug/l

Malatión, máx.: 35 ug/l.
Características Microbiológicas:

Bacterias coliformes: NMP a 37 °C- 48 hs. (Caldo Mc Conkey o Lauril
Sulfato), en 100 ml igual o menor de 3.

Escherichia coli: ausencia en 100 ml.

Pseudomonas aeruginosa: ausencia en 100 ml.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 175
En la evaluación de la potabilidad del agua ubicada en reservorios de
almacenamiento
domiciliario
deberá
incluirse
entre
los
parámetros
microbiológicos a controlar el recuento de bacterias mesófilas en agar (APC 24 hs. a 37 °C): en el caso de que el recuento supere las 500 UFC/ml y se
cumplan el resto de los parámetros indicados, sólo se deberá exigir la
higienización del reservorio y un nuevo recuento. En las aguas ubicadas en los
reservorios domiciliarios no es obligatoria la presencia de cloro activo.
“Los tratamientos de potabilización que sea necesario realizar deberán
ser puestos en conocimiento de la autoridad sanitaria competente”.
Calidad de agua para riego
La calidad del agua para riego afecta tanto a los rendimientos de los cultivos
como a las condiciones físicas del suelo, incluso si todas las demás
condiciones y prácticas de producción son favorables/óptimas. Además, los
distintos cultivos requieren distintas calidades de agua para riego. Los
parámetros que determinan la calidad del agua para riego se dividen en tres
categorías: químicos, físicos y biológicos.
El principal problema relacionado con la calidad del agua para riego es
la salinidad del agua. La salinidad del agua se refiere a la cantidad total de
sales disueltas en el agua, pero no indica que sales están presentes, y se
originan por disolución y erosión de las rocas y minerales. El nivel alto de sales
en el agua de riego reduce la disponibilidad del agua para el cultivo (debido a la
presión osmótica), aunque el suelo puede parecer mojado, y causa la
reducción del rendimiento.
El contenido de sodio es la variable más negativa para los suelos
seguida de la alcalinidad. El parámetro utilizado para determinar el riesgo de
sodio es el RAS (Relación de Adsorción de Sodio). Este parámetro indica la
cantidad de sodio en el agua de riego, en relación con el calcio y el magnesio.
El calcio y el magnesio tienden a contrarrestar el efecto negativo de sodio.
Valores elevados de RAS (sodicidad) y pH (alcalinidad) conducen a la pérdida
de estabilidad estructural de los suelos que se produce fundamentalmente por
la dispersión y/o hinchamiento de las arcillas sensibles a estos procesos. Esta
pérdida de estabilidad de los suelos reduce su capacidad para transmitir agua,
se deterioran las condiciones físicas del suelo, ya que estas partículas son
arrastradas a pocos centímetros de profundidad, acumulándose y formando
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 176
una capa pesada u horizonte de acumulación, de estructura prismática o
columnar, poco permeable. La calidad del agua de riego también puede ser
determinada por la toxicidad de iones específicos para la planta como el boro,
cloro y sodio.
En cuanto a los parámetros biológicos se utilizan a las coliformes
fecales como indicadoras, particularmente cuando el agua para riego proviene
de aguas residuales las cuales contienen una gran cantidad de patógenos si no
son previamente tratadas adecuadamente.
Tratamiento de efluentes de origen pecuario
La intensificación de la producción animal se inició durante la década del
cincuenta y, en esencia, implica la concentración de animales por unidad de
superficie y el aumento en el uso de insumos. En Argentina la producción
lechera desde 1990 mostró una tendencia de reducción del número de tambos,
con un aumento en el tamaño del rodeo y producción por vaca. Asimismo, la
producción intensiva de ganado como los “feedlots”, generalmente consiste en
alimentar un gran número de animales en pequeñas áreas. Esta gran
concentración de animales genera una enorme cantidad de residuos. Los
residuos originados en las áreas de ordeñe y en los “feedlots” contienen
excretas, orina (materia orgánica y nutrientes), microorganismos patógenos,
agua de lavado de las instalaciones, además de restos de leche, detergentes y
otros productos químicos utilizados en la limpieza e higiene. Debido a ello, la
composición de los residuos es elevada en sólidos, nutrientes, materia orgánica
y microorganismos. Además, los residuos pueden ser colonizados con
microorganismos mesófilos provenientes del ambiente. Por lo tanto si los
residuos no son manejados correctamente afectan la calidad de aguas
superficiales y subterráneas, de los suelos, y la salud humana y animal.
El manejo de las excretas es un aspecto fundamental en la
sustentabilidad ambiental de los sistemas de producción animal intensivos o en
proceso de intensificación. El diseño de cualquier sistema de tratamiento debe
considerar la cantidad de estiércol producido y recolectable, su concentración
final en el efluente (incluyendo el agua de lavado) y las precipitaciones locales,
dado que por lluvias pueden colapsar las lagunas. Para comprender esta
situación, basta decir que un tambo de 400 vacas en ordeño genera una
contaminación localizada equivalente a 500 seres humanos. El tratamiento de
las excretas, en general, consiste en disminuir la carga orgánica que contienen.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 177
El tratamiento de estos residuos se puede realizar bajo condiciones
aeróbicas o anaeróbicas. Cuando se realiza en condiciones aeróbicas y se
separan los sólidos de la fase líquida, el estiércol resultante puede ser
estacionado en pilas o compostado, lo cual permite aumentar la proporción de
materia seca y la disponibilidad de nutrientes, y remover organismos
patógenos. Los líquidos pueden ser sometidos a tratamiento en lagunas
aeróbicas (con aireación forzada), donde los microorganismos aeróbicos
oxidan la materia orgánica. Si el tratamiento resulta exitoso, estos líquidos
pueden ser utilizados para su aplicación en cultivos y pasturas o vertirse a
cuerpos de agua. En el caso que aún fuese necesaria su depuración, se
debería continuar con un tratamiento terciario como filtros biológicos
organizados en franjas implantadas con especies forrajeras, plantas acuáticas
o árboles. Cuando se realiza tratamiento anaeróbico se produce biogás
(metano) que puede colectarse y utilizarse. Además, disminuyen la materia
orgánica, los nutrientes (remoción de N entre 62 y 72% y de P entre 50 y 75%)
y los patógenos.
Los nutrientes de los estiércoles también pueden ser reciclados
aplicando el estiércol en las tierras agrícolas. Sin embargo, la cantidad de
estiércol generado en los sistemas de ganadería concentrada a menudo
excede la capacidad de usar y retener estos nutrientes de las tierras agrícolas
cercanas. Por ej. se requiere un área agrícola cerca de 1.000 veces más
grande que el área de feedlot en sí misma para distribuir los nutrientes del
estiércol a un nivel igual al que puedan ser utilizados por los cultivos. Muchos
cultivos pueden no estar disponibles y el exceso de estiércol termina siendo
aplicado en áreas agrícolas pequeñas. Entonces el exceso de nutrientes se
incorpora al suelo, se va por escorrentía o se infiltra en las napas de agua o, en
el caso del N, puede entrar a la atmósfera.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 178
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 179
UNIDAD XI: MICROBIOLOGÍA DE ALIMENTOS: PROCESOS
MICROBIANOS DE LA CONSERVACIÓN Y PRODUCCIÓN DE ALIMENTOS
Los microorganismos pueden utilizar nuestros alimentos como fuente de
nutrientes para su propio crecimiento, lo que puede ocasionar una alteración de
los
mismos.
La
alteración
del
alimento
puede
ocurrir
porque
los
microorganismos se multiplican en él, porque utilizan sus nutrientes, porque
producen
modificaciones
enzimáticas
o
porque
le
producen
sabores
desagradables mediante el desdoblamiento de determinadas sustancias o
mediante la síntesis de nuevos compuestos.
Los principales factores de la composición de los alimentos que
influyen en la actividad microbiana son: a) pH, b) humedad, c) potencial de
óxido-reducción, d) nutrientes y e) presencia de sustancias inhibidoras o
barreras.
pH (concentración de iones hidrógeno)
Cada microorganismo tiene un pH mínimo, un pH óptimo y un pH máximo de
crecimiento. Las células microbianas son muy afectadas por el pH, debido a
que al parecer, carecen de mecanismos que les permita regular su pH interno.
En general, los hongos y las levaduras toleran mejor la acidez que las
bacterias, quienes se desarrollan mejor a pH cercanos a la neutralidad. Sin
embargo, algunas bacterias como las lactobacterias crecen bien a pH entre 4 y
4,5 o las bacterias con actividad proteolítica que se pueden desarrollar a pH
básico. Todo alimento que tenga un pH intrínsecamente bajo, tendería a ser
más estable desde el punto de vista microbiológico, que un alimento neutro.
Humedad (actividad agua)
Los microorganismos se caracterizan por la necesidad de agua para su
crecimiento, sin embargo la cantidad de agua que necesitan es variable. Esta
demanda de agua se expresa como agua disponible o actividad agua (aw). El
aw se define como la presión de vapor de la solución (sustancias disueltas en
agua en la mayoría de los alimentos) dividida por la presión de vapor del
disolvente (generalmente agua).
El agua pasa a quedar no disponible por: los solutos e iones que fijan el
agua de la solución, los coloides hidrófilos (agar) y la cristalización del agua.
Cada microorganismo tiene una aw mínima, una aw óptima y una aw máxima.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 180
Los factores que influyen sobre la aw de los microorganismos son los
siguientes:
Tipo de soluto utilizado para reducir la aw
Valor nutritivo del medio de cultivo: cuanto más apropiado es el medio
para el crecimiento del microorganismo menor es la a w limitante del
crecimiento.
Temperatura: cuando la temperatura esta próxima a la temperatura
óptima de crecimiento los microorganismos son más resistentes a valores bajos
de aw.
Aporte de oxígeno: en condiciones aeróbicas la multiplicación de los
microorganismos aeróbicos ocurre a valores de aw menores que cuando lo
hacen en un medio anaeróbico.
pH: a valores próximos a la neutralidad la mayoría de los
microorganismos son más tolerantes a una escasa aw.
Potencial de óxido-reducción
El potencial redox es una medida de la actividad de los electrones. El poder
oxidante o reductor de un alimento influye en el tipo de microorganismo que
crece sobre él y por lo tanto en las modificaciones que tendrán lugar en el
alimento. El potencial redox de un alimento está definido por: el potencial redox
del alimento originario y por la capacidad de compensación del alimento, es
decir, su resistencia a modificar su potencial, por la presión de oxígeno de la
atmósfera existente en torno al alimento y por el contacto que la atmósfera
tiene con el alimento.
Un potencial redox elevado (oxidante) favorece el crecimiento de los
microorganismos aerobios, aunque permitirá el crecimiento de los facultativos,
mientras que un potencial redox bajo (reductor) favorece el crecimiento tanto
de los microorganismos anaerobios como facultativos. El crecimiento de un
determinado microorganismo sobre el alimento puede modificar el potencial
redox del mismo impidiendo el desarrollo de otros microorganismos, así por
ejemplo, el desarrollo de microorganismos anaerobios puede reducir el
potencial redox que impediría el crecimiento de los aerobios.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 181
Por lo general, la mayoría de los alimentos frescos, ya sean de origen
vegetal o animal, tienen en su interior un potencial redox bajo y bien
equilibrado. Así los vegetales poseen sustancias reductoras como por ejemplo
el ácido ascórbico y azúcares reductores, y mientras que los animales poseen
radicales sulfhidrilo y otros grupos reductores. Esto conjuntamente con la
presión de oxígeno existente en torno al alimento, crea condiciones aerobias en
la superficie y sus proximidades, pudiendo permitir el crecimiento de bacterias
aerobias productoras de viscosidad o bacterias acidificantes, mientras que en
el interior se llevan a cabo procesos de putrefacción anaeróbica.
Nutrientes
Para determinar qué tipo de microorganismo puede crecer sobre un alimento
es necesario tener en cuenta la clase y la cantidad de nutrientes presentes en
el alimento. En base a ello tenemos que distinguir: a) alimentos energéticos, b)
alimentos plásticos y c) sustancias accesorias de los alimentos o vitaminas.
Alimentos
energéticos:
los
hidratos
de
carbono
normalmente
representan la fuente más comúnmente utilizada como energía por los
microorganismos. Un reducido número de microorganismos pueden utilizar
lípidos (grasas) como fuente de energía, siempre que no dispongan de un
alimento
energético
más
fácilmente
utilizable.
En
general,
en
la
descomposición de las grasas intervienen principalmente microorganismos
aeróbicos, al igual que para la descomposición de las proteínas.
Alimentos plásticos: también conocidos como formadores, son aquellos
que tienen altos contenidos proteicos. Los microorganismos se diferencian por
su capacidad de utilizar los diferentes compuestos nitrogenados como fuente
de nitrógeno para satisfacer sus necesidades de crecimiento. Algunos
microorganismos son incapaces de utilizar las proteínas, por ello necesitan que
previamente estas sean hidrolizadas por microorganismos proteolíticos (por
ejemplo algunos mohos). Otros microorganismos utilizan como fuente de
nitrógeno los péptidos, los aminoácidos, la urea, el amoníaco u otros
compuestos nitrogenados más sencillos.
Sustancias
accesorias de
los alimentos o
vitaminas:
algunos
microorganismos son incapaces de sintetizar algunas o todas las vitaminas que
necesitan, por eso se las deben suministrar los alimentos. Los distintos
tratamientos a los que se somete el alimento pueden reducir su contenido
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 182
vitamínico e incluso el almacenamiento por periodos prolongados (sobre todo a
temperaturas relativamente altas) puede disminuir la concentración de
vitaminas en el mismo. Cada una de las especies de microorganismos tiene
una escala definida de necesidades nutritivas. Para algunas especies la escala
es amplia y pueden crecer sobre una cantidad de sustratos muy diferentes,
como por ejemplo las bacterias coliformes y los clostridios, mientras que para
otras como por ejemplo las bacterias patógenas (Pseudomonas) ese rango es
bastante estrecho y estos microorganismos solo son capaces de crecer en un
escaso número de tipos de sustratos.
Sustancias inhibidoras:
Las sustancias inhibidoras existentes en el alimento original añadidas a él o
producidas en él, ya sea debidas al crecimiento de microorganismos o a los
distintos sistemas de tratamiento, pueden impedir el crecimiento de todos los
microorganismos o como ocurre más frecuentemente pueden impedir el
crecimiento de determinadas especies de microorganismos. Ejemplos de
inhibidores naturales son las lacteninas y el factor anticoliforme de la leche
recién ordeñada, la lisozima de la clara de huevo y el ácido propiónico
producido por las bacterias propiónicas en la elaboración del queso suizo que
inhibe el crecimiento de los mohos sobre la superficie del mismo.
Grupos de bacterias importantes en microbiología los alimentos
Las bacterias que tienen importancia en los alimentos se suelen agrupar en
base a alguna propiedad común, sin tener en cuenta su clasificación
sistemática.
Bacterias que producen ácido láctico o bacterias lácticas
La propiedad más importante de estos microorganismos es la capacidad para
fermentar los azúcares con producción de ácido láctico. Esta propiedad puede
ser beneficiosa para la elaboración de alimentos como conservas y quesos, en
el proceso de ensilado, pero puede ser perjudicial cuando produce alteraciones
en los vinos. Estas bacterias al producir cantidades importantes de ácido láctico
provocan una significativa disminución del pH, impidiendo el desarrollo de otros
microorganismos competitivos. Dentro de este grupo encontramos géneros
como Leuconostoc, Lactobacillus, Streptococcus y Pediococcus.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 183
Bacterias que producen ácido acético o bacterias acéticas
Dentro de este grupo encontramos principalmente dos géneros: Acetobacter y
Gluconobacter que oxidan el alcohol etílico a ácido acético, posteriormente las
bacterias del género Acetobacter oxidan el ácido acético a CO2. Este grupo de
microorganismos es muy importante por su capacidad de oxidar el etanol a
ácido acético, importante en la fabricación de vinagres y bebidas alcohólicas.
Bacterias que producen ácido butírico o bacterias butíricas
La mayoría de las bacterias de este grupo son anaeróbias esporógenas y
pertenecen al género Clostridium. Estas bacterias son responsables de los
olores desagradables que suelen aparecer en los silos de forrajes, cuando
durante el proceso de ensilado el contenido de azúcares en el forraje no es lo
suficientemente grande como para producir una cantidad de ácido láctico como
para garantizar un pH de 5 o menos.
Bacterias que producen ácido propiónico o bacterias propiónicas
La mayoría de las bacterias de este grupo pertenecen al género
Propionibacterium. Son Gram positivas, anaeróbicas, fermentan el ácido
láctico, carbohidratos y otros alcoholes, produciendo principalmente ácido
propiónico, pero también CO2 y ácido acético. Fueron descubiertas en los
quesos suizos, en los que produce, debido al CO2, los típicos agujeros, siendo
la presencia de estas bacterias la responsable del sabor de estos quesos.
Bacterias proteolíticas
Son un
grupo
heterogéneo de bacterias
que producen proteasas
extracelulares (enzimas que difunden al exterior de la célula). Se las divide en
aquellas que son aerobias o facultativas, pudiendo ser esporógenas (Bacillus
cereus) o asporógenas (no producen esporas) (Pseudomonas fluorescens), y
en aquellas que son anaeróbicas y esporógenas (Clostridium sporogenes).
Bacterias lipolíticas
Es un grupo heterogéneo de bacterias que generan lipasas que catalizan la
hidrólisis de los triglicéridos en glicerol y ácidos grasos. Muchas de las
bacterias proteolíticas son también lipolíticas como por ejemplo Pseudomonas
fluorescens. Las lipasas producidas por estas bacterias son responsables de la
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 184
rancidez y consiguiente deterioro de alimentos lipídicos. Estas bacterias
también son importantes en la elaboración de quesos, como por ejemplo el
queso Cotija (de origen mejicano), en el cuál estas bacterias son responsables
en gran parte del olor y sabor característico del mismo.
Bacterias sacarolíticas
Estas bacterias son responsables de la hidrólisis de polisacáridos o disacáridos
a azúcares más sencillos. Algunas especies como Bacillus subtilis y Clostridium
butyricum son amilolíticas, dado que producen una amilasa que puede producir
la hidrólisis extracelular del almidón.
Bacterias pectinolíticas
Las pectinas son carbohidratos complejos, responsables de la rigidez de la
pared celular de frutas y hortalizas, algunas pectinas se pueden utilizar como
gelificantes de diferentes productos. Estas bacterias producen enzimas
pectinolíticas o pectinasas que son responsables del ablandamiento o pérdida
de consistencia de los tejidos vegetales, como así también de la pérdida del
poder gelificante.
Bacterias termófilas
Estas bacterias cuya temperatura óptima de crecimiento es 55 °C o más
(mínimo45 °C) tienen importancia en aquellos alimentos que se mantienen a
temperaturas elevadas. Entre las bacterias termófilas se encuentran Bacillus
stearothermophilus y Clostridium thermosaccharolyticum.
Bacterias termodúricas
Son aquellas que son capaces de resistir el proceso de pasteurización. Algunas
especies de Bacillus son capaces de sobrevivir en los huevos líquidos
sometidos a pasteurización.
Bacterias psicotróficas
Estas bacterias pueden crecer a temperaturas normales de refrigeración. A
diferencia de las psicrófilas, la temperatura óptima de las bacterias psicotróficas
no coincide con las temperaturas de refrigeración. Normalmente la temperatura
óptima está entre los 25 y 30 °C. La mayoría de las bacterias causantes de la
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 185
pérdida de calidad de los alimentos refrigerados no estériles, excepto pescados
y mariscos, son psicotróficas. Dentro de este grupo se encuentran bacterias
pertenecientes a los géneros Pseudomonas, Flavobacterium, Achromobacter, y
Alcaligenes.
Bacterias halófilas
Estas bacterias para poder crecer necesitan concentraciones mínimas de NaCl
disuelto. Las bacterias halófilas pueden ser (1) débilmente halófilas: que
crecen en medios con concentraciones salinas entre 0,5 y 3 %, y se aíslan a
partir de pescados y mariscos (Pseudomonas, Moraxella, Flavobacterium,
Acinetobacter y Vibrio), (2) medianamente halófilas: se aislan en carnes y
hortalizas en salmuera y crecen mejor en medios con concentraciones salinas
entre 3,0 y 15 % (Bacillus, Micrococcus, Vibrio, Acinetobacter y Moraxella). (3)
extraordinariamente
halófilas:
crecen
en
alimentos
conservados
en
salmueras de elevada concentración salina (entre 15 y 30 %) (Halobacterium y
Halococcus) y (4) halotolerantes: crecen en medios con o sin sal, (Bacillus,
Micrococcus, Corynebacterium, Streptococcus y Clostridium).
Bacterias osmófilas o sacarófilas
Son aquellas que crecen en concentraciones elevadas de azúcar, sin embargo
la mayoría de las bacterias denominadas osmófilas son simplemente tolerantes
al azúcar, como es el caso de las especies de Leuconostoc.
Bacterias productoras de pigmentos
El color de los pigmentos producidos por bacterias que crecen en la superficie
o dentro del alimento abarca todo el espectro visible e incluye el blanco y el
negro. En algunos géneros, todas las especies producen pigmento, como es el
caso de los géneros Flavobacterium (pigmento de un color que varía de
amarillo a naranja) y Serratia (pigmento rojo).
Bacterias coliformes y grupo de coliformes fecales
Son bacterias aerobias o anaerobias facultativas que fermentan la lactosa con
producción de gas. Las principales especies de bacterias coliformes son
Escherichia coli y Enterobacter aerogenes. El grupo de coliformes fecales
incluye a los coliformes capaces de crecer a temperatura elevada (44.5 o 45
°C). Algunas de las características que determinan que las bacterias coliformes
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 186
sean importantes en las alteraciones que experimentan los alimentos son: (1)
su capacidad de crecer en sustratos muy distintos y utilizar como fuente de
energía algunos hidratos de carbono y otros compuestos orgánicos y como
fuente de nitrógeno algunos compuestos nitrogenados muy sencillos, (2) su
capacidad para sintetizar la mayoría de las vitaminas que necesitan, (3) la
capacidad de crecer dentro de un intervalo de temperaturas bastante amplio,
desde temperaturas inferiores a 10 °C hasta una temperatura próxima a los 46
°C, (4) su capacidad para producir cantidades importantes de ácido y gas a
partir de azúcares, y (5) su capacidad para producir sabores desagradables.
Aplicaciones biotecnológicas de las fermentaciones
La elaboración de productos fermentados se cree que se inició en pueblos
nómades de Turquía, Asia Central y Bulgaria que transportaban leche fresca
dentro del estómago de cabras. Por la acción de enzimas y bacterias presentes
en la leche se obtenía una masa coagulada que facilitaba el transporte y la
conservación de la misma. Con el transcurso de los años, el hombre intentó
conservar de alguna forma los alimentos que eran obtenidos en gran cantidad
en las épocas de abundancia, para poder ser consumidos en las épocas de
escasez. La fermentación de la leche y otros alimentos contribuyó a satisfacer
estos requerimientos. Luego, con la modernidad se realizaron numerosas
investigaciones de los microorganismos que intervienen en estos procesos y se
fueron desarrollando técnicas cada vez más complejas para la elaboración de
diferentes tipos de leche y sus derivados (leches ácidas, diferentes tipos de
yogur, quesos, etc.), la conservación de frutas y hortalizas, granos, forrajes,
etc.
Leche y sus derivados
Leche
La leche es el producto fresco del ordeñe completo e ininterrumpido, en
condiciones de higiene, de animales sanos, descansados y bien alimentados,
recogida higiénicamente y sin calostro. La leche es un líquido blanco, opaco,
más viscoso que el agua y de sabor ligeramente azucarado. Químicamente, se
puede considerar a la leche como una emulsión de materia grasa en solución
acuosa que contiene numerosos elementos, algunos en disolución y otros en
estado coloidal.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 187
La leche está compuesta principalmente por: materia grasa, lactosa,
proteínas (caseína y otras), minerales, sales, agua, vitaminas, enzimas y otros
componentes. La leche para ser comercializada debe cumplir con todas las
características físicas y bacteriológicas que se establecen en la legislación.
Caseína
Las caseínas son complejos proteicos fosforados de gran tamaño y que
constituyen la parte nitrogenada más característica de la leche. No existe
ninguna sustancia parecida en la sangre ni en los tejidos de mamíferos. La
caseína precipita solo cuando se acidifica la leche a pH 4,5; razón por la cual
se la ha llamado proteína insoluble de la leche.
Lactosa
La lactosa es el único glúcido libre que existe en cantidad importante en todas
las leches. La lactosa se sintetiza en la mama a partir de glucosa sanguínea y
es el componente de la leche más lábil frente a la acción microbiana.
Numerosas bacterias realizan la transformación por fermentación de la lactosa
a ácido láctico, proceso que provoca la acidificación de la leche.
Bacterias ácido- lácticas
Son un grupo de bacterias Gram positivas, comúnmente no móviles, capaces
de crecer en un rango de pH de entre 4 y 4,5; no esporuladas y que producen
ácido láctico como producto principal o único del metabolismo fermentativo.
Todas las bacterias del grupo son anaeróbicas facultativas o microaerófilas
(Tabla 1).
Las bacterias ácido lácticas son microorganismos auxótrofos, es decir
que requieren una serie de componentes (aminoácidos, purinas, pirimidinas,
vitaminas y péptidos) que no pueden ser sintetizados por ellos mismos, por lo
cual estos compuestos deben encontrarse en el medio en el cual están
creciendo. El elevado requerimiento nutritivo de estos microorganismos, los
condicionan a poder vivir solo en hábitats que le sean propicios: como la leche,
el intestino de animales (incluso el hombre), mucosas de animales o sobre
plantas intactas o en descomposición. Con respecto a las temperaturas a las
cuales se desarrollan estos microorganismos, los hay mesófilos y termófilos.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 188
Las bacterias ácido lácticas son fermentadoras y dependiendo de si el
producto de su metabolismo es solamente ácido láctico, o si el ácido láctico
está acompañado por otros productos se las denominan homofermentativas o
heterofermentativas,
respectivamente.
Las
bacterias
lácticas
homofermentativas generan como producto principal de su fermentación el
ácido láctico. Con respecto a las bacterias heterofermentativas, durante la
fermentación, además de ácido láctico producen: CO2, etanol y algunas acetato
(VER unidad metabolismo).
Tabla 1: Principales géneros de bacterias lácticas.
Morfología
Temperatura
de crecimiento
Tipo de
fermentación
Streptococcus
cocos
mesófilos
homofermentativa
Leuconostoc spp
cocos
mesófilos
heterofermentativa
Lactobacillus spp
bacilos largos
y delgados o
cortos y curvos
mesófilos o
termófilos
Lactococcus spp
cocos
mesófilos
Género
homofermentativa
o
heterofermentativa
homofermentativa
homofermentativa
Pediococcus spp
cocos
mesófilos
o
heterofermentativa
Carga microbiana de la leche
La calidad de la leche para producción de alimentos es muy importante desde
el punto de vista técnico y depende del número y naturaleza de los
microorganismos que contiene. Los microorganismos presentes en la leche
pueden provenir:
Del interior de la ubre: si la ubre está sana la leche obtenida es
prácticamente estéril. En cambio, si la ubre presenta mastitis (infección
bacteriana) se incrementa en gran cantidad el número de microorganismos
presentes en ella.
De los pezones: esta contaminación es peligrosa porque en la piel de
los pezones se encuentra un alto número de microorganismos esporulados.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 189
Cuando el sistema de producción es a campo, la carga microbiana total suele
ser baja.
De equipos y elementos de ordeñe: contaminación producida por
limpieza deficiente de los mismos.
De la conservación o el transporte: por conservación o transporte de la
leche a temperaturas inadecuadas.
Pasteurización
La pasteurización es un proceso térmico que recibe su nombre gracias a Louis
Pasteur, quien al desarrollar este proceso permitió mejorar la calidad de vida al
hacer posible que productos alimenticios básicos, como la leche, se pudieran
transportar largas distancias sin ser afectados por la descomposición
microbiana.
La pasteurización es un proceso realizado a líquidos (generalmente
alimentos), que se utilizó por primera vez para controlar la contaminación por
microorganismos en el vino. Uno de los objetivos de la pasteurización es la
eliminación de los microorganismos patógenos (especialmente los organismos
causantes de la Brucelosis, Tuberculosis, entre otros) y otro de los objetivos es
disminuir la carga microbiana presente en la leche cruda (disminuye
aproximadamente el 95%). Además, la pasteurización retrasa el crecimiento de
organismos alterantes, lo cual incrementa la vida útil de los líquidos
perecederos y no altera las características nutricionales del producto. Sin
embargo, la pasteurización no es sinónimo de esterilización, puesto que en ella
no se destruyen todos los microorganismos (excepto en el caso de la
ultrapasteurización).
Los dos objetivos principales de la pasteurización, se consiguen a
través de procesos industriales de distinta complejidad, en los cuales las
temperaturas de calentamiento son inferiores a 100°C. Una vez realizados
estos procesos no es necesario hervir la leche, aunque debe conservarse
siempre en un lugar frío y consumirse antes de la fecha de vencimiento
indicada. La pasteurización de la leche se realiza habitualmente pasando la
leche a través de un intercambiador de calor: la leche se bombea a través de
un tubo que está en contacto con una fuente de calor.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 190
Existen varios tipos de pasteurización según el tipo de tratamiento
empleado:
La pasteurización baja fue el primer método empleado, aunque la
industria alimentaria lo ha ido renovando por otros sistemas más eficaces. La
pasteurización alta es el método actualmente utilizado en la industria.
Además, también en la actualidad se utiliza mucho el método de
ultrapasteurización que comprende la esterilización de la leche. En general,
cuando la leche es calentada a más de 100°C se producen reacciones
indeseables, sin embargo la ultrapasteurización al exponer a la leche a tan
cortos tiempos de calentamiento, produce una mínima degradación del
alimento.
La leche según el Código Alimentario Argentino
Las empresas productoras que se encargan de la elaboración y
envasado de leche y sus derivados para consumo realizan, además del
proceso de pasteurización, controles sanitarios que garantizan que el producto
final cumpla con reglamentaciones correspondientes establecidas por el Código
Alimentario Argentino (CAA).
Para cada tipo de leche o alimento lácteo, el CAA indica diferentes
normas específicas en cuanto a las características físicas, químicas y
microbiológicas del producto. En este punto es importante destacar que para
cada producto existen límites y parámetros microbiológicos que nos indicarán si
la leche o alguno de sus derivados es apto para el consumo humano. Según el
CAA está prohibido comercializar leche cruda y numerosos organismos
oficiales (Ministerio de Salud y otros) recomiendan no consumir la leche sin
pasteurizar. La leche cruda sin control sanitario puede ser perjudicial para la
salud (en especial por la presencia de microorganismos patógenos) y también
cuando la misma es recogida en envases que no son aptos para contener
alimentos.
Derivados de la leche
La fermentación láctica acidifica el medio a valores de pH menores que 5, lo
cual elimina la posibilidad de crecimiento de los microorganismos que alteran
los alimentos. Esta práctica se emplea para la conservación y producción de
alimentos, y a estos alimentos se los denomina en conjunto “derivados de la
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 191
leche”. Si bien, existen numerosos derivados de la industria láctea a
continuación se desarrollan los más relevantes:
Yogur
De los derivados lácteos fermentados el yogur es el que presenta mayor
consumo a nivel mundial. El yogur es el producto obtenido por fermentación de
la leche pasteurizada, a través de la acción de los microorganismos
Lactobacillus delbrueckii subespecie bulgaricus y Streptococcus salivarius
subespecie thermophillus. Estos dos microorganismos homofermentativos
constituyen el cultivo iniciador del yogur (los que se presentan en más alta
proporción). S. salivarius se desarrolla acidificando fuertemente el medio y se
utiliza para la producción de ácido láctico y L. delbrueckii es mucho menos
acidificante que el anterior. Este último contribuye fundamentalmente al sabor y
al aroma del producto. Ambos microorganismos son microaerófilos y soportan
muy bien los pH ácidos.
En el yogur estas bacterias conviven en estrecha simbiosis. Cuando se
cultivan conjuntamente aumenta más rápido el número de células viables y el
contenido de ácido láctico. Para la fabricación del yogur el objetivo principal es
mantener un equilibrio adecuado entre el desarrollo de ambos microorganismos
con el objeto de obtener un producto final suficientemente ácido y aromático.
Al comienzo de la preparación el pH de la leche es favorable a S.
salivarius, razón por la cual inicialmente la acidificación es llevada a cabo
principalmente por estos microorganismos poniendo en marcha la fermentación
láctica. Además, L. delbrueckii también favorece el desarrollo de este
microorganismo ya que obtiene un aminoácido (valina) a partir de la caseína el
cual estimula el desarrollo de S. salivarius.
Luego del aumento de la acidez por acumulación de ácido láctico el pH
se vuelve poco favorable para S. salivarius, la relación se invierte y
progresivamente pasan a ser más dominantes L. delbrueckii. Cuando el pH se
acerca a 4,6 las caseínas se aglomeran formando la red tridimensional
responsable de la textura del producto y se obtiene un coágulo que retiene el
suero.
Los yogures firmes (consistencia semisólida) se preparan con leches
concentradas y se fermentan directamente en los recipientes de envasado. El
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 192
yogur líquido se incuba a una temperatura más baja y por un tiempo mayor,
luego se mezcla y se enfría antes del envasado. Los yogures batidos (menor
consistencia que los firmes) se obtienen al romper el coágulo antes del
envasado. Los yogures con frutas son preparados, batidos en frío a los cuales
se les agrega pulpa de diversas frutas previamente pasteurizadas.
Quesos
Los quesos son concentrados de proteínas especialmente caseínas, que se
obtienen por un proceso de coagulación de estas a pH ácido y un posterior
proceso de deshidratación. La coagulación de las caseínas resulta en la
generación de un gel en el que quedan retenidos la materia grasa, vitaminas y
minerales.
En general, el proceso ocurre por la acción del cuajo. El cuajo consiste
en un extracto enzimático de proteinasas ácidas como la renina que hidrolizan
la caseína. La acción enzimática, en conjunto con la acidificación desarrollada
por los microorganismos de la flora nativa de la leche o de cultivos iniciadores,
se denomina coagulación mixta. El producto resultante es la concentración de
la materia seca de la leche por coagulación a través de la acción microbiana.
Luego de la coagulación, se produce el proceso de deshidratación o
desuerado del queso que se inicia con el corte del gel formado por coagulación.
En este momento ocurre la liberación de lactosuero. Luego del desuerado, se
procede a moldear y prensar el queso. El moldeado le da forma a los quesos y
el prensado ayuda a eliminar el lactosuero remanente. El proceso de
elaboración se detiene en este punto en el caso de los quesos frescos,
mientras que en el caso de los demás quesos el proceso sigue mediante dos
partes: el salado y la maduración.
El salado favorece la disminución de la actividad del agua y actúa
controlando el crecimiento microbiano y la actividad enzimática. Además,
favorece la formación de la corteza del queso al seguir deshidratando.
La maduración se realiza en cámaras con temperatura y humedad
relativa controladas. En esta etapa ocurren procesos de lipólisis, proteólisis y
glucolisis que generan compuestos que otorgan sabor y aroma a los quesos y
también hay evaporación de agua, por lo cual se termina de formar la corteza
del queso. En esta etapa intervienen en forma más relevante los
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 193
microorganismos no iniciadores (aquellos que no intervienen en forma directa
en la acidificación).
En el caso de los quesos frescos estos no presentan una coagulación
mixta, sino que tienen una coagulación de tipo láctica. En estos quesos se
utilizan pequeñas cantidades de cuajo y se opera a bajas temperaturas para
evitar las condiciones óptimas de acción de la enzima. Estos quesos son
siempre muy húmedos (60-80% de agua). A causa de su gran contenido de
agua son muy poco conservables. Estos quesos precisan de una previa
pasteurización de la leche, ya que si existen microorganismos patógenos en la
leche, estos quedan intactos ya que no tienen un proceso madurativo.
En el caso de los quesos con “ojos”, estos se deben o bien al dióxido
de carbono que se genera al fermentar la lactosa o en algunos tipos especiales
de quesos al empleo de cultivos especiales del género Propionibacterium que
producen dióxido de carbono a partir de lactato. Estas bacterias también
producen ácido propiónico y acético a los cuales se les adjudica el sabor dulce
y picante de estos quesos.
Existen,
además,
innumerables
variedades
de
queso
que
se
clasificación por su textura, contenido de humedad, de materia grasa, etc.
Otras variedades de queso son los que tienen hongos en su superficie como
los quesos azules que presentan vetas azuladas debido al crecimiento de
hongos
del
género
Penicilium.
Las
vetas
azul-verdosas
observadas
corresponden a las hifas del hongo en crecimiento sobre el queso.
Manteca
Es el producto graso obtenido de la leche o nata de vaca pasteurizada. La
manteca se considera una emulsión de agua en aceite. Su preparación es en
parte microbiológica ya que es necesario un agriado inicial (acidificación) de la
leche por microorganismos del género Streptococcus. Luego, para la
producción del aroma se utilizan otros microorganismos que producen
pequeñas cantidades de acetoína (compuesto inodoro y sin sabor) que es
oxidada a diacetilo, compuesto responsable del aroma. Estos microorganismos
solo producen acetoína en medios ácidos por lo cual es necesaria la
acidificación previa.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 194
Conservación de frutas y hortalizas por fermentación láctica
Encurtidos
A través de la fermentación ácida se pueden conservar hortalizas de hoja,
hortalizas subterráneas y frutas. Los productos más utilizados son: pepinos,
zanahorias, repollos, cebollas y tomates verdes. El producto final se denomina
pickle o encurtido.
La fermentación es llevada a cabo por bacterias lácticas que se
encuentran sobre la superficie de los vegetales. Durante el proceso se procura
favorecer el desarrollo de las bacterias lácticas e impedir el desarrollo de otros
microorganismos que puedan alterar la calidad del alimento. Las condiciones
que favorecen el desarrollo de la flora láctica son: anaerobiosis y una
concentración de sal del 5%. En estas condiciones el proceso es el siguiente:
primero se realiza un proceso heterofermentativo a través del cual se produce
CO2, que desaloja el oxígeno del medio y se consigue de esta forma la
anaerobiosis. El ácido láctico generado baja el pH del medio, lo cual inhibe la
actividad de los demás microorganismos presentes en los vegetales.
Leuconostoc
mesenteroides,
Pediococcus
cereviseae,
Lactobacilllus
plantarum y Lactobacillus brevis son algunos de los microorganismos que
realizan este proceso.
Ensilados
Las explotaciones ganaderas pueden conservar los forrajes mediante técnicas
conocidas como heno y ensilado. El principio de cualquier conservación de
forraje está basada en tratar de obtener un producto lo más semejante posible
al material original a procesar en cuanto a cantidad (volumen) y calidad
nutricional.
Heno: consiste en la deshidratación del forraje hasta niveles de 14-15%
de humedad para inhibir el crecimiento microbiano. Un heno puede
confeccionarse de diferentes maneras y dependiendo de ello se los denomina
fardos, rollos o megafardos.
Silo: El ensilado es una técnica de conservación de forraje en estado
húmedo, sin luz ni oxígeno. El ensilado está basado en la inhibición de
procesos enzimáticos y microbianos no deseados a través de la disminución
del pH del medio. Dicha disminución es producida por la fermentación láctica
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 195
de los azúcares que presenta el material original o forraje (maíz, sorgo, alfalfa,
caña de azúcar, etc.), en condiciones de anaerobiosis. Existen múltiples
factores a tener en cuenta para lograr un silo de buena calidad.
Dependiendo la especie forrajera (material original), se determina el
momento fenológico óptimo para realizar la confección, en este punto se busca
el mayor volumen posible por hectárea, sin dejar de tener en cuenta la calidad
nutricional. En general, los mejores resultados se observan cuando los
vegetales tienen 30-35 % de materia seca y un contenido mínimo de 6 a 12%
de hidratos de carbono solubles para garantizar la fermentación láctica. Luego,
se procede al corte y picado del material original, procesos que normalmente
son simultáneos. Es importante el tamaño del picado ya que interviene en la
compactación del silo. Tamaños de picado muy grandes son difíciles de
compactar dejando “cámaras de aire”, lo que provoca un mayor tiempo de
respiración aeróbica (pérdida de valor nutritivo) e impide inicialmente los
procesos de fermentación deseados y en casos extremos la pérdida del
material ensilado. Por otra parte, debe haber una proporción mínima de trozos
de vegetal (no menor a 2 cm) para estimular la motilidad ruminal. En caso que
esto no suceda, se pueden ocasionar trastornos a nivel de rumen en el animal.
Esto puede suceder en aquellas dietas donde el silaje es el principal
componente y no intervienen otras fuentes de forrajes fibrosos como por
ejemplo heno de alfalfa.
En aquellos forrajes que al momento de ensilar poseen granos (maíz o
sorgo), es importante lograr una ruptura de esos granos (craker). Esto se logra
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 196
con maquinaria que posee rolos que ejercen el partido de los granos, dejando
expuesto el contenido de los mismos a los microorganismos para facilitar los
procesos fermentativos, como así también mejorar la disponibilidad de
nutrientes en el rumen del animal. El próximo paso es la compactación que
busca eliminar la mayor cantidad de oxígeno posible con el objetivo de
disminuir la respiración aeróbica y facilitar la posterior fermentación en el silo.
Acción de los microorganismos en el proceso de ensilado.
Al mismo tiempo que actúan las enzimas de la planta, se produce un desarrollo
de los microorganismos presentes en la superficie del forraje en el momento de
recolección. Estos microorganismos se desarrollan más o menos intensamente
en función de las circunstancias predominantes en el ensilaje. Algunos de estos
microorganismos que se desarrollan en ausencia de oxígeno (anaerobiosis)
son benéficos ya que acidifican la masa del forraje (disminuyen el pH). Otros
son perjudiciales, creciendo y multiplicándose en presencia de oxígeno
compitiendo con las bacterias lácticas por los azúcares.
En una primera fase del ensilaje se desarrollan bacterias aerobias
(Klebsiella y Acetobacter) que son más activas cuanto mayor es la cantidad de
oxígeno aprisionado en el forraje. Estas bacterias emplean como sustrato los
hidratos de carbono que pueden transformar en CO 2 o ácido acético, cuya
eficacia en la conservación del silo no es muy notable debido a su escasa
capacidad acidificante. En esta primera fase, y en condiciones normales, ocurre
un incremento de la temperatura en la masa del silo que puede oscilar entre 4 a
6°C por encima de la temperatura media del ambiente debido a la respiración
aeróbica (temperaturas superiores podrían estar indicando que el proceso de
respiración es excesivo).
En
condiciones
ideales
de
confección
del
silo
(cultivo
y
almacenamiento), el oxígeno debería ser eliminado de la masa en no más de 2
horas. En ausencia de oxígeno comienza una fase anaeróbica donde las
bacterias fermentan azúcares dando como resultado principalmente ácido
láctico, y en menor medida ácido acético, etanol, CO2, etc. Cuando el pH del
silo baja por debajo de 5 se inhibe el crecimiento de las bacterias acéticas,
proliferando las bacterias productoras de ácido láctico. Tras 24 y 48 horas se
desarrollan bacterias (Leuconostoc y Streptococcus) que transforman los
azúcares en ácido láctico ayudando a bajar el pH rápidamente. A medida que
las concentraciones de este ácido son más abundantes, estas bacterias
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 197
disminuyen, desarrollándose otras (Lactobacilus y Pediococcus) que forman
ácido láctico en grandes cantidades (3° y 5° día). Desde el 5º día hasta el día
17 a 21 el ácido se va acumulando en cantidades crecientes inhibiendo el
crecimiento de otras bacterias. Si durante este período se ha producido
suficiente cantidad de ácido como para llevar el pH a valores de 4,2 o
inferiores, existe la garantía de que el forraje se conservará perfectamente por
un período indefinido de tiempo, con un valor nutritivo semejante al que poseía
al ser puesto en el silo.
Es importante destacar que la fermentación láctica no solo estabiliza el
silo con la baja de pH, sino que consume menos azucares para lograr la
fermentación, alrededor de 3,8 a 4%, mientras que otras fermentaciones
demandan mayor porcentaje de azucares (acética 38%, butírica 24%). Por el
contrario, si el forraje es pobre en azúcares (leguminosas, plantas jóvenes) o
se ha empobrecido antes de ensilarlo (respiración aeróbica, fertilización
nitrogenada, etc.) o simplemente las bacterias aeróbicas de la primera fase los
han agotado, las bacterias lácticas no tendrán suficiente cantidad de azúcares
a su disposición para conseguir bajar el pH a 4,2. Esto permitirá el desarrollo
de otros microorganismos que pueden degradar el forraje. En este caso, en
primer lugar actúan los clostridios sacarolíticos que degradan los hidratos de
carbono formando ácido butírico (de olor desagradable) con escaso poder
acidificante. Estos microorganismos dificultan la actividad de las bacterias
lácticas, por lo cual la acidez de la masa disminuye permitiendo la proliferación
de
otros
grupos
bacterianos
(clostridios
proteolíticos).
Los
clostridios
proteolíticos degradan las proteínas originando amoníaco como producto final,
el cual termina por neutralizar la acidez residual. La masa sin mucho valor
alimenticio y posiblemente con sustancias de carácter tóxico, queda reducida a
un producto putrefacto que ha perdido su aspecto original, presentando un olor
desagradable y característico. A esto, debe sumarse el efecto destructor de los
hongos que se reproducen intensamente, en especial donde han quedado
bolsas de aire, completando la destrucción del producto que queda
prácticamente inservible.
Es necesario considerar las fermentaciones debidas a mohos y
levaduras, que tienen lugar por la presencia de oxígeno en el interior del
ensilado, ya sea por la falta de estanqueidad del silo o por que hayan quedado
bolsas de aire. Sin embargo, el oxígeno ingresará en el momento de la apertura
del silo provocando el deterioro del material ensilado (hongos y levaduras no
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 198
deseados). Este deterioro puede ser disminuido por pH de 4 o menores, y
algunos ácidos producidos en la fermentación que son tóxicos para hongos y
levaduras (butírico, acético y propiónico). Otros factores que ayudan es
extremar medidas de manejo y condiciones ambientales favorables como por
ejemplo bajas temperaturas.
Valor nutritivo
En cuanto al valor nutritivo, el ensilado no puede superar el valor del material
original, pues seguramente habrá pérdidas tanto en cantidad como en calidad.
Son inevitables las pérdidas en la formación de gases y drenaje; aunque
pueden aminorarse teniendo en cuenta una serie de puntos como por ejemplo:
estado fenológico del vegetal al momento del ensilado, especie a ensilar,
condiciones ambientales, tiempo en la confección del ensilado, etc. Para que
un silo sea estable y palatable para el ganado debe tener un nivel de acidez
que varíe entre 4,2 y 5. El rango de pH depende de varios factores: especie a
ensilar, estado fenológico del forraje al momento del corte y picado,
compactación, tiempo de confección, tiempos de fermentación, condiciones
climáticas en el momento de la operación del ensilado, etc.
Cuando se realice la apertura de un silo se puede evaluar su
confección a partir de indicadores organolépticos como aroma, color, grado de
humedad y textura. Esto nos informa sobre la confección del silo y por ende
una aproximación cualitativa en cuanto a su nivel nutricional. Los rangos son
los siguientes:
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 199
Característica
Organoléptica
Color
Excelente
Verde
aceituna
Aroma
Agradable a
fruta
madura
Textura
El forraje
conserva
sus
contornos
definidos,
hoja unida
al tallo
Humedad
No
humedece
la mano a
cierre de
puño y se
mantiene
suelto el
ensilado
CALIDAD
Regular
Buena
Verde
amarillento,
tallos más
pálidos que
las hojas
Verde oscuro,
tallos y hojas
con igual
tonalidad
Mala
Casi negro o
negro
Desagradable,
con olor
putrefacto y a
Agradable,
humedad.
ligero olor a
Deja un olor a
vinagre
manteca
rancia en las
manos por
horas
Las hojas se
No se aprecia
separan
diferencia
El forraje
fácilmente de los entre hojas y
conserva sus
tallos, bordes del
tallos, los
contornos
forraje mal
cuales forman
definidos,
definidos, hojas
una masa
hojas unida
transparentes,
amorfa y
al tallo
vasos leñosos
jabonosa al
amarillos
tacto
No
Al ser
Destila
humedece la
comprimido en
líquido, se
mano a
el puño gotea
compacta con
cierre de
líquido, con
facilidad y
puño y se
tendencia a ser
llega a tomar
mantiene
compactado y
la forma
suelto el
formar una masa
deseada
ensilado
Ácido, con fuerte
olor a vinagre.
Deja en las
manos un
permanente olor
a manteca
(ácido butírico)
Vinificación y elaboración de cerveza
Vinificación
La producción de vino es una industria muy importante en nuestro país y en el
mundo. El vino es una bebida obtenida de la uva mediante la fermentación
alcohólica. La fermentación se produce por la acción metabólica de levaduras
que transforman los azúcares del fruto en etanol y CO2.
La producción del vino comienza con la vendimia o la recolección de la
uva, que resulta ser un proceso delicado ya que tiene que pasar el menor
tiempo posible desde su recolección hasta su elaboración. A continuación las
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 200
uvas se prensan y se extrae el zumo resultante llamado mosto. Según el tipo
de uvas que se utilice y la manera de preparar el mosto, se producirá vino
blanco o vino tinto. El vino blanco se obtiene de uvas blancas o negras a la
cuales se les ha quitado la piel, ya que es la piel la que tiene la sustancia
colorante. En cambio, en la fabricación del vino tinto, pieles y semillas (lo que
se conoce como orujo) se deja dentro del tanque de fermentación. Esto hace
que el vino tinto presente mayor cantidad de taninos (sustancias químicas
presentes en la piel de la uva) por lo cual suele presentar aromas más fuertes.
Las levaduras utilizadas en la producción de vino pueden ser de dos
clases: a) levaduras silvestres presentes en las uvas cuando se recogen del
viñedo y que se transfieren al mosto y b) levaduras cultivadas del género
Saccharomyces las cuales se añaden al mosto para iniciar la fermentación. Las
levaduras silvestres presentan una menor tolerancia al alcohol que las
cultivadas y además las levaduras silvestres suelen producir compuestos no
deseados que afectan la calidad del producto final. Por ello, en muchas
bodegas se suelen destruir estas levaduras.
La fermentación del vino se puede realizar en fermentadores (tanques)
de 200 a 200.000 litros de capacidad según la bodega y que pueden estar
hechos de madera de roble, cemento, piedra o metal revestido de vidrio. El
fermentador está construido de tal manera que el dióxido de carbono pueda
escapar pero que no pueda ingresar aire dentro del recipiente.
Luego
de
la
fermentación,
los
vinos
se
dejan
envejecer
almacenándolos por algunos meses o varios años. Durante el envejecimiento
se suceden numerosos y complejos cambios químicos. El contenido final de
alcohol del vino oscila entre un 6 y 15% en función del contenido de azúcar de
las uvas, la duración de la fermentación y la cepa de levadura cultivada
utilizada. Finalizada la fermentación es necesario realizar el descube (paso del
vino a otro envase), para separarlo cuanto antes de levaduras y otras materias
depositadas en el fondo del recipiente de fermentación y cuyo contacto
prolongado produciría a la larga, olores e incluso sabores desagradables.
En el caso de los vinos espumantes, estos vinos tienen una segunda
fermentación en la botella y se caracterizan por presentar dióxido de carbono
de forma apreciable. Este gas presente en el vino es de origen endógeno,
producido en el seno del propio vino mediante una segunda fermentación de
azúcares añadidos.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 201
Elaboración de cerveza
Si bien, la elaboración de la cerveza tiene una muy larga historia, y las
evidencias históricas coinciden en que ya era empleada por los antiguos
egipcios, hoy en día la cerveza es una popular bebida alcohólica producida en
todo el mundo a partir de la fermentación alcohólica de distintos tipos de
cereales. En la actualidad el cereal más utilizado es la cebada, pero se pueden
llegar a ser utilizados otros granos como materia prima: arroz, trigo y maíz.
La elaboración de cerveza se divide en dos procesos principales: el
primero corresponde a la conversión del almidón del cereal en azúcares
fermentables por acción de las enzimas que se encuentran en la malta y la
posterior fermentación alcohólica de los mismos por la acción de las levaduras.
El primer paso que es la conversión de los granos de cebada en malta
se denomina malteado. La malta constituye uno de los elementos iniciales y
más importantes para la elaboración de la cerveza. En el proceso de malteado
los granos de cereales se dejan germinar y luego son secados y molidos. La
malta contiene enzimas naturales que degradan el almidón (amilasas). El
proceso de malteado es fundamental para la generación de sustancias
fermentables (azúcares simples) por las levaduras. Luego del proceso de
malteado se agrega lúpulo (inflorescencia femenina de una planta) que le da el
sabor amargo característico y que además actúa previniendo el desarrollo de
microorganismos no deseados (por la acción de una resina). Posteriormente,
se produce la fermentación de los azúcares por cepas seleccionadas de
levaduras del género Saccharomyces. En este momento se producen el etanol
y el CO2. Luego, la cerveza es almacenada a 0° C, momento en el cual
precipitan las proteínas y resinas y el líquido se aclara y luego se produce el
envasado.
Bebidas alcohólicas destiladas
Estas bebidas se fabrican a partir de la destilación de diversos líquidos
previamente fermentados. Esta destilación incrementa en gran medida el
contenido de alcohol de las bebidas. Así, la destilación de las bebidas de malta
da lugar a la fabricación del Whisky, la del vino al Brandy, la destilación de la
melaza fermentada produce Ron y la de papa o cereales produce Vodka, entre
otros.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 202
La bacteria Zymomonas mobilis es responsable de la fermentación del
jugo del agave (Agave atrovirens) para producir el “pulque”, bebida que por
destilación origina el tequila. Normalmente esta bacteria no se utiliza para la
fermentación de la cerveza o de la sidra por producir sabores u olores
desagradables, pero su capacidad para sobrevivir a elevadas concentraciones
de etanol la convierte en la bacteria ideal para la generación de etanol para
usos no comestibles (biocombustibles).
Factores que limitan la fermentación alcohólica

Acidez del sustrato: el pH es un factor limitante en la fermentación,
debido a que las levaduras crecen en un rango de pH óptimo entre 3,5 – 5,5. A
nivel industrial para mantener los niveles óptimos de acidez durante la
fermentación se utilizan soluciones buffers. Los ácidos de algunas frutas
(málico, tartárico) pueden limitar este proceso.

Concentración de azúcares: concentraciones demasiado bajas o
excesivas de monosacáridos o disacáridos pueden frenar el proceso. Los
valores límites dependen del tipo de hidrato de carbono y de la levadura
responsable de la fermentación. La concentración de azúcar afecta los
procesos de ósmosis dentro de la membrana celular.

Contacto con el aire: el contacto con el oxígeno (por mínimo que sea)
durante el proceso lo detiene por completo (efecto Pasteur). Por eso los
fermentadores se cierran herméticamente.

Temperatura: la fermentación es un proceso exotérmico. Las levaduras
son organismos mesófilos, con un régimen de funcionamiento dentro de rangos
de temperaturas óptimos. Temperaturas superiores a 55 °C producen la muerte
de las levaduras, la mayoría trabajan a temperaturas próximas a 30 °C.
Panificación
Se utiliza la levadura Saccharomyces cerevisiae con el objeto de airear la masa
mediante la producción de CO2. Los escasos azúcares simples que contiene la
masa son fermentados produciendo CO2, (que queda retenido debido a la
estructura fibrilar del gluten de la harina), y alcohol que se elimina en el proceso
de cocción del pan. El almidón de la harina de trigo no es utilizado por las
levaduras, ya que no tienen capacidad de hidrolizar moléculas complejas.
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 203
UNIDAD XII: MICROBIOLOGÍA RUMINAL
El estómago de los rumiantes se caracteriza por encontrarse dividido en cuatro
cavidades diferentes: retículo, rumen, omaso y abomaso. El abomaso es el
único que se caracteriza por ser glandular y es análogo al estómago de los no
rumiantes.
La degradación del alimento en los rumiantes se realiza principalmente
por digestión fermentativa y no por digestión enzimática. Este proceso de
digestión fermentativa (realizada por microorganismos que se ubican en los
divertículos estomacales) le permite al rumiante la degradación de los hidratos
de carbono estructurales, como así también de los demás componentes de la
dieta.
El ternero nace con el aparato digestivo adaptado a una dieta láctea,
en ese momento la gotera esofágica se cierra y conecta el esófago con el
abomaso, evitando de esa manera el efecto desfavorable que generaría el
paso del alimento por el rumen. La etapa de transición entre el lactante y el
rumiante, implica en el ternero una serie de cambios en la morfología, función
del aparato digestivo, desarrollo de microorganismos y procesos metabólicos.
Al nacimiento el ternero nace con una flora bacteriana que se
desarrolla a medida que se van desarrollando los divertículos estomacales, la
primer semana se encuentran bacterias celulolíticas, durante las primeras tres
semanas aumenta la flora productora de lactato (debido al escape esporádico
de leche desde la gotera esofágica que produce un descenso de pH en el
rumen) y recién a la sexta semana se encuentran presentes todas las especies
propias del animal adulto.
2
3
1
4
Fig. 1: Estomago de los rumiantes (1) retículo, (2) rumen, (3) omaso, (4)
abomaso
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 204
Ecosistema microbiano responsable de la digestión fermentativa
Dentro de los microorganismos responsables de la digestión fermentativa se
encuentran bacterias, protozoos y hongos.
Las bacterias son adquiridas por el animal por contacto directo con
otros bovinos o por contacto indirecto con elementos contaminados, como ser
el alimento o el agua de consumo.
Las bacterias se pueden clasificar en función de los sustratos que
utilizan y a los productos finales de su fermentación (se debe tener en cuenta
que una misma bacteria puede cumplir más de una función metabólica):
a) Bacterias celulolíticas: fermentan hidratos de carbono estructurales de la
pared celular (celulosa, hemicelulosa y sustancias pécticas), siendo el
producto de la fermentación ácidos grasos volátiles (AGV) (principalmente
acetato).
b) Bacterias amilolíticas: fermentan hidratos de carbono de reserva de
granos (almidón), generando principalmente propionato (AGV).
c) Bacterias sacarolíticas: fermentan hidratos de carbono simples y el
producto de la fermentación es butirato (AGV).
d) Bacterias
lactolíticas:
metabolizan
el
lactato
y
producen
AGV,
especialmente propionato.
e) Bacterias lipolíticas: metabolizan las grasas y producen ácidos grasos
libres y AGV principalmente propionato.
f) Bacterias proteolíticas: degradan proteínas, resultando de la misma la
liberación de AGV y amoníaco.
g) Bacterias metanógenas: producen metano.
h) Bacterias ureolíticas: hidrolizan la urea produciendo CO2 y amoníaco.
Los microorganismos ruminales actúan en sistemas cooperativos
dentro de un ecosistema muy complejo, donde simplemente sobresale la
actividad de alguna especie, pero la misma depende de las condiciones que
establecen en conjunto toda la biomasa.
Un factor muy importante que regula el desarrollo bacteriano es el pH
ruminal, dentro del rango fisiológico, las bacterias celulolíticas se desarrollan
mejor a pH entre 6,0 y 6,9 mientras que las amilolíticas lo hace a valores de
pH más ácidos (5,5 a 6,0).
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 205
La gran importancia que presenta la actividad bacteriana en el rumen
es que son responsables de la mayor parte de la actividad celulolítica y
además son capaces de sintetizar sus proteínas a partir de compuesto
nitrogenados no proteicos, principalmente amoníaco.
Además de las bacterias en el rumen encontramos los protozoos que
constituyen la microfauna ruminal, se desarrollan preferentemente a pH
superior a 6 y si bien están siempre presentes no son indispensables para la
función ruminal, ni para la supervivencia del animal. Se adquieren por
contacto directo con otros rumiantes y metabólicamente se diferencian de las
bacterias en que poseen menor actividad celulolítica y son incapaces de
sintetizar proteínas a partir de nitrógeno no proteico (NNP). Una función
importante de los protozoos es la de moderar la fermentación amilolítica,
debido a que consumen preferentemente bacterias amilolíticas y además
engloban trozos de almidón, que pasan con el protozoo al intestino, evitando
la fermentación ruminal.
Interacción entre los factores que afectan el pH ruminal
Ración rica en forraje
grosero (alto contenido de
hidratos de carbono
estructurales
Ración rica en concentrado
(alto contenido de almidón)
Largo tiempo de rumia
Corto tiempo de rumia
Alta producción de saliva
Baja producción de saliva
pH ruminal elevado (6 – 6.8)
pH ruminal bajo (5.5 - 6)
Concentración y velocidad
de absorción de AGV bajas
Concentración y velocidad
de absorción de AGV altas
Fig. 2: Interacción entre los factores que afectan el pH ruminal
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 206
Metabolismo ruminal de los hidratos de carbono
Los hidratos de carbono representan el componente más abundante en la
dieta de los rumiantes. Los principales hidratos de carbono presentes en la
dieta se pueden clasificar en polisacáridos de reserva como el almidón o
estructurales como la celulosa, hemicelulosa y pectinas. El tipo de
carbohidrato
predominante
va
a
determinar
el
desarrollo
de
los
microorganismos adecuados para su fermentación y el ajuste del pH a su
rango ideal.
Los factores que participan en la modificación del pH ruminal son:
a) la saliva (posee un pH de 8,1 a 8,3 que tiende a elevar el pH
ruminal), por eso ante dietas ricas en hidratos de carbono estructurales,
aumenta el tiempo de rumia, con ello aumenta la producción de saliva y por
ende el pH ruminal, alcanzando el valor óptimo para el desarrollo de las
bacterias celulolíticas.
b) producción de AGV, cuanto mayor es la producción de AGV más
bajo es el pH ruminal, cuanto más rica es la dieta en concentrados
energéticos mayor es la producción de AGV.
c) absorción de los AGV, la velocidad de absorción de la AGV tiene
una relación directa con su producción y una relación inversa con el pH, con
la finalidad de evitar su acumulación en el rumen.
El pH ruminal está relacionado al tipo de dieta y al tipo de
microorganismos que se desarrollen, estando también asociado al tipo de
AGV producido, aumentando la proporción de acetato cuando el pH se
aproxima a 6,9 y de propionato cuando se acerca a 5,5. Cuando el pH se
aleja de valores fisiológicos se desarrollan especies bacterianas anormales
que alteran el patrón fermentativo, cuando el pH baja de 5,5 se desarrolla
bacterias lactogénicas (generadoras de lactato) y se produce una acidosis
ruminal y por encima de pH 7 el rumen es colonizado por la flora de
putrefacción como Escherichia coli y Proteus spp.
El almidón, presente principalmente en los granos, que son
considerados un alimento concentrado energético debido a que poseen baja
concentración de agua, aportan mucha energía en poco volumen. Al ingresar
el almidón con la dieta es atacado principalmente por bacterias amilolíticas
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 207
que lo desdoblan para producir glucosa y AGV (principalmente propionato). La
digestibilidad del almidón en el rumen es elevada y la fracción que pasa al
intestino es atacada por la amilasa pancreática y se absorbe como glucosa.
Almidón
G1P
G6P
Succinato
Fumarato
Succinil CoA
MetilmalonilCoA
Glucólisis
Malato
Piruvato
Oxalacetato
Propionato
PropionilCoA
La digestibilidad del almidón depende de la facilidad con que pueden
acceder a él las bacterias amilolíticas. El almidón se ubica en el grano en el
endosperma y está protegido por dos barreras, por un lado el pericarpo
(cubierta que recubre al grano y prácticamente indigestible para los
microorganismos ruminales) y por una capa proteica gruesa y dura que rodea
y aísla completamente al almidón en el endosperma corneo y es laxa e
incompleta en el endosperma harinoso. Por ello para aumentar la
digestibilidad del almidón se utiliza en la dieta granos partidos, molidos o bien
se eligen aquellos granos con mayor proporción de endosperma harinoso.
Entre los hidratos de carbono estructurales tenemos la celulosa,
hemicelulosa y pectinas. Las uniones glicosídicas de tipo beta no pueden ser
atacadas por las enzimas digestivas, solo pueden ser degradadas por las
enzimas microbianas liberadas por los microorganismos ruminales, lo que
representa la base de la simbiosis entre las bacterias y el rumiante en los
procesos fermentativos.
Los pasos a seguir para la degradación de los hidratos de carbono
estructurales son: a) los microorganismos celulolíticos se adhieren a la
superficie de los fragmentos de fibra vegetal, que ha sido cortada durante la
masticación, mezclado y rumia, con la finalidad de exponer la pared celular, b)
los microorganismos liberan al medio las celulasas que realizan la digestión
extracelular
de
la
celulosa,
produciendo
residuos
más
pequeños,
principalmentecelobiosa (glucosa-glucosa con enlacesglicosídicos beta 1-4),
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 208
c) la celobiosa es incorporada por la bacteria y atacada por la celobiasa que la
desdobla en dos glucosas, d) la glucosa es utilizada por la bacteria para la
producción de energía y AGV (principalmente acetato) que se libera de la
bacteria.
La variabilidad en la digestibilidad de la celulosa y de la hemicelulosa
depende de la cantidad de lignina (estructura muy compleja y de alto peso
molecular). La lignina representa menos del 3% de materia seca en un forraje
tierno y alcanza valores superiores al 15 % en el forraje y no es degradada ni
por las enzimas digestivas del animal ni por las microbianas del rumen,
bloqueando de esa manera el acceso de los microorganismos a los hidratos
de carbono de la pared. Aquí se manifiesta la importancia de los hongos
presentes en el rumen, quienes son capaces de degradar celulosa unida a
lignina, debido a la invasión de las hifas en el interior la cutícula y paredes
celulares lignificadas, rompen las paredes celulares exponiendo los hidratos
de carbono estructurales.
Celulosa
Celobiosa
Glucosa
Glucolisis
CO2
Acetato
Acetaldehido
Piruvato
NADH NAD+
Cuando un animal consume forrajes tiernos (por ejemplo un rebrote de
primavera), la relación contenido celular:pared celular es suficientemente alta,
se crean condiciones de fermentación muy diferentes a cuando un animal
consume forrajes maduros con alto contenido de pared celular. En este último
caso, el predominio de hidratos de carbono no solubles (celulosa y
hemicelulosa), conduce al desarrollo de un ambiente celulolítico (pH mayor a
6 y baja producción y absorción de AGV, con predominio en la formación de
acetato). Por el contrario, cuando el contenido celular es de alta
disponibilidad, aun en el caso en que el animal se alimente de forraje, el
aporte de fibra es bajo y las condiciones ruminales serán semejantes a
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 209
aquellas de dietas suplementadas con almidón (pH menor a 6, mayor
producción de AGV, con predominio de propionato).
Al
ser
el
ambiente
ruminal
fuertemente
anaeróbico,
los
microorganismos para la producción de energía disponen solamente de la
glucólisis, produciendo AGV, ATP y NADH. Los microorganismos utilizan el
ATP como fuente de energía y eliminan los AGV como productos de
deshecho. Con la finalidad de oxidar la segunda glucosa a través de la
glucólisis necesitan que el NADH sea nuevamente oxidado a NAD +. Debido
como se dijo anteriormente que el metabolismo microbiano es anaerobio y por
ende no existe una cadena respiratoria como aceptora de H +, los
microorganismos los transfieren a distintos aceptores de H+, uno delos
aceptores más importantes es el C, dando lugar a la formación de metano
(CH4). Si bien este compuesto es rico en energía, esta no puede ser utilizada
por el rumiante, dado que no poseen una ruta metabólica para su degradación
y se pierde por la vía del eructo, lo que reduce la eficiencia en la utilización de
los hidratos de carbono (la pérdida puede llegar a ser del 18% de la energía
aportada por la dieta).
Las ecuaciones para la producción de los diferentes AGV a partir de la
glucosa son:
Glucosa
2 acetatos + 2 CO2 + 8 H+
Glucosa
butirato + 2 CO2 + 4 H+
Glucosa + 4 H+
2 propionato + 2H2O
Por cada 8 H+ generados por la oxidación de 4 NADH + H+ o 4 FADH2,
se forma 1 metano. Por lo que podemos observar que la formación de metano
será mayor con la producción de acetato, menor con la producción de butirato
y la formación de propionato consume hidrogeniones. Esto demuestra que
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 210
una dieta suplementada con almidón es más eficiente desde el punto de vista
energético.
Metabolismo de compuestos nitrogenados
La degradación de proteínas a nivel intestinal no presenta diferencias entre
rumiantes y no rumiantes, las proteínas son hidrolizadas por enzimas
proteolíticas dando oligopéptidos, los que son atacados por oligopeptidasas
que liberan aminoácidos, di y tripéptidos, los que son absorbidos.
La gran diferencia se encuentra en que la proteína que llega al intestino
del rumiante es diferente a la ingerida por la dieta, dado que los
microorganismos ruminales degradan más del 50% de la proteína consumida.
Debido a la presencia de proteasas en la membrana de las bacterias, las
proteínas son degradadas a aminoácidos y pequeños péptidos que son
absorbidos por el microorganismo. Una vez absorbidos los péptidos son
hidrolizados a aminoácidos y pueden ser empleados para la síntesis de
proteína microbiana, o bien pueden ser utilizados como fuente de energía. En
este caso se separa el grupo amino del aminoácido y se libera al medio
ruminal como producto de desecho y conel α-cetoácido resultante lo utilizan
para la producción de energía. El grupo NH2 liberado en el ambiente reductor
del rumen se convierte en NH4+, por lo que la concentración de NH4+, puede
ser utilizada como un indicador de la actividad proteolítica. Los protozoarios
tienen mayor actividad proteolítica que las bacterias, pero debido a que se
encuentran en menos cantidad son responsables solamente del 10 al 20 % de
la actividad proteolítica dentro del rumen.
Los protozoos no tienen capacidad de sintetizar proteínas a partir de
NH4+
y dependen de una fuente externa de aminoácidos, como ser la dieta u
otros microorganismos de los que se alimentan. Cuando los protozoos
consumen proteína bacteriana para sintetizar su propia proteína, elevan su
valor biológico, es decir que sintetizan una proteína con cantidad y tipo de
aminoácidos más próxima a la requerida por el rumiante (este proceso se
denomina animalización de las proteínas). Esto es beneficioso para el
rumiante, quien finalmente degradará al protozoario a nivel intestinal y
aprovechará sus proteínas. Sin embargo, los protozoos representan un
pequeño porcentaje (alrededor del 10%) de la biomasa microbiana ruminal y
aportan un porcentaje menor de la proteína microbiana que llega al intestino,
dado que utilizan su motilidad para alejarse de la zona de escape. Además,
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 211
los protozoos consumen microorganismos que ya son fuente de proteínas
para el rumiante, lo que hace que entre el 30 y 50% del nitrógeno proteico
microbiano se recicle en el rumen.
Los factores que afectan la cantidad de proteína que llega al rumen
son: a) tipo de dieta, una dieta balanceada aporta mayor cantidad de energía
lo que estimula la multiplicación microbiana, aumentando su concentración en
el rumen y por ende su llegada al intestino, b) balance entre cadenas
carbonadas y la fuente de N. Si existe un exceso de nitrógeno, como por
ejemplo en los forrajes durante el otoño (mantienen la concentración de
proteínas, pero disminuye significativamente la de hidratos de carbono
solubles) se produce una acumulación ruminal de amonio (faltan cadenas
carbonadas para la síntesis de proteínas) y ese exceso de amonio produce un
aumento de pH ruminal y por ende una alteración en el funcionamiento del
mismo.Además, el exceso de amonio es absorbido por el rumen y
detoxificado en hígado mediante la formación de urea, con el correspondiente
gasto energético para el rumiante.
En la mayoría de las especies la urea se elimina del organismo a través
de la orina (producto de desecho del metabolismo proteico). Los rumiantes,
en cambio, aprovechan la urea como fuente de nitrógeno para los
microorganismos ruminales. La urea llega al rumen secretada con la saliva o
directamente a través de la pared ruminal (difusión simple). Una vez en el
rumen es desdoblada por los microorganismos ureolíticos en CO2 y amoniaco,
cerrando el ciclo rumino-hepático de la urea.
Esto es importante, cuando la proteína es un elemento costoso de
suplementar, en estos casos el metabolismo ruminal permite reemplazar parte
de las proteínas de la dieta por alguna fuente de nitrógeno no proteico (NNP),
como puede ser la urea. Sin embargo esta alternativa va perdiendo
importancia a medida que el animal aumenta su nivel de producción y por lo
tanto aumentan también sus requerimientos proteicos.
Metabolismo de lípidos
En alimentos de origen vegetal, se encuentran bajas cantidades de lípidos, en
forrajes frescos se pueden encontrar lípidos celulares (fosfolípidos y
glicolípidos) y de superficie (ceras y cutina que carecen de valor nutritivo)
alcanzando un valor que varía entre 0,5 y 10 % de materia seca (MS). En el
Microbiología Agrícola – F.C.A. U.N.C - 212
caso de granos de oleaginosas (20 a 40 % de MS), tienen un elevado
contenido de triacilglicéridos. Tanto los forrajes como los granos tienen un
elevado porcentaje de ácidos grasos insaturados, de los cuáles es mínima la
cantidad que llega al intestino delgado, debido a la biohidrogenación que
ocurre a nivel ruminal.
Los 4 procesos que ocurren a nivel ruminal con los lípidos son:
hidrólisis, biohidrogenación,
saponificación (ocurren siempre y en forma
sucesiva) y síntesis de grasas a nivel ruminal (depende de la cantidad de
ácidos grasos consumidos).
a.
Hidrólisis: los microorganismos para la hidrólisis de las grasas tienen
en la superficie lipasas bacterianas, por lo cual las bacterias deben adherirse
a la superficie del alimento. Los principales productos liberados de la hidrólisis
son ácidos grasos y glicerol, además de alcoholes aminados (fosfolípidos) y
galactosa (galactolípidos), estos productos son convertidos en AGV que son
absorbidos por la pared ruminal.
b.
Biohidrogenación: luego de la hidrólisis, los ácidos grasos insaturados
sufren una hidrogenación microbiana (por bacterias adheridas al alimento),
esto es importante porque los ácidos grasos insaturados alteran la tensión
superficial y la permeabilidad de las membranas bacterianas, perjudicando
principalmente a los microorganismos celulolíticos. Esta biohidrogenación
afecta entre el 70 y 90 % de los ácidos grasos quedando una pequeña
proporción que pasa a formar parte del soma bacteriano, esto constituye una
fuente de ácidos grasos esenciales e insaturados para el rumiante al ser
absorbidos por el intestino.
c.
Saponificación: debido al pH ácido del rumen los lípidos se saponifican
formando jabones insolubles de Ca++ y Mg++, esto representa la forma en que
los lípidos abandonan el rumen.
d.
Síntesis de lípidos: los microorganismos no almacenan lípidos como
triglicéridos, pero si necesitan lípidos para sintetizar sus membranas
plasmáticas, para ello utilizan ácidos grasos que toman del rumen o bien que
sintetizan en su soma, generando una gran variedad de ácidos grasos,
algunos de ellos de cadenas impares y ramificadas, los que al reciclarse en el
rumen por muerte bacteriana, representar un factor de crecimiento importante
para otros microorganismos y una vez absorbidos pueden seguir alguna de
las vías comunes a los demás ácidos grasos (incluso contribuyen a
determinar las características organolépticas de la leche).