Experiencias e ideas para el aula

Experiencias
e ideas
para el aula
Efectos de la acción microbiana en el color de algunos
estratos. Estudio en un laboratorio de Educación
Secundaria
Effects of microbial action on the colour of some strata.
Study in the secondary education laboratory
José Pedro López Pérez1 y Raquel Boronat Gil2
1
IES “Ricardo Ortega”. 30320. Fuente Álamo. Murcia. Prof. Asociado Departamento de Didáctica de las Ciencias
Experimentales. Facultad de Educación. Universidad de Murcia. E-mail: [email protected]
2
IES “Antonio Menárguez Costa”. 30710. Los Alcázares. Murcia. E-mail: [email protected]
Resumen Este trabajo describe una actividad de laboratorio que reproduce la precipitación biológica
de sulfuro de hierro a microescala y el estudio básico del metabolismo microbiano. Esta
actividad ayuda a comprender al alumnado los motivos de la coloración grisácea de
algunas rocas sedimentarias.
Palabras clave: Cuencas sedimentarias, Educación Secundaria Obligatoria, Microbiología, rocas
sedimentarias, sulfuro de hierro.
Abstract This paper presents a laboratory activity that reproduces biological precipitation of iron
sulfide at microscale and the basic study of microbial metabolism. This activity helps
students understand why some sedimentary rocks have a grayish coloration.
Keywords: Sedimentary Basins, Secondary Education, Microbiology, sedimentary rocks, iron sulfide.
INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
Las excursiones de campo son un recurso muy
utilizado por el profesorado con el objetivo de profundizar diversos aspectos de las ciencias de la
naturaleza. Numerosas publicaciones destacan su
importancia basándose en (1) la inmersión en el entorno natural que permite al discente la captación
de la amplitud y diversidad del medio natural, así
como la multitud de variables que interaccionan con
él, (2) el ejercicio de todos los procedimientos científicos propios del trabajo de campo con motivo de
las múltiples actividades propuestas por el docente, (3) la dificultad en el abordaje del conocimiento
medioambiental regional, en relación a la geología
y biodiversidad, sin un contacto directo entre el
alumno y el medio, y (4) la motivación previa que se
libera en el discente en este nuevo lugar de trabajo,
haciéndolo más receptivo hacia el aprendizaje (Jaén
y Bernal, 1993; García de la Torre et al, 1993; LópezMartín, 2007; Zamalloa et al., 2014; así como citas
varias en estas referencias).
No obstante, y desde nuestra experiencia con
salidas al campo con alumnos de enseñanza secundaria, así como las clásicas referencias hacia estas
ideas abordadas por Brañas et al., (1998), todas
estas bondades se difuminan cuando la salida planificada por el docente intenta ser lo más completa
posible, abordando numerosos aspectos medioam-
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ISSN (edición impresa): 1132-9157 - (edición electrónica): 2385-3484 – Pags. 190-194
bientales sin un claro descubrimiento por parte del
alumnado y, por tanto, sin el consiguiente aprendizaje significativo. Por todo ello, y debido al reducido número de salidas previstas en un centro de estudios para un ciclo académico, así como el costo
económico sufragado por el alumno para promover
el transporte hacia el lugar de trabajo en el campo,
la recomendación más directa es descubrir los valores medioambientales cercanos y tradicionales que
rodean al centro de estudios, siendo de este modo
la planificación y recursos una metodología más
efectiva y natural para interiorizar el conocimiento
entre los discentes. De igual modo, y con el objetivo de potenciar aún más el trabajo del alumnado,
debemos tener presente que su papel en una salida al campo no puede ser pasivo, respondiendo a
cuestiones o haciendo preguntas que van surgiendo
sin constatar lo que se está viendo en ese momento,
o sin darle la posibilidad de poder descubrirlo por
ellos mismos.
En este trabajo proponemos complementar algunas de las observaciones realizadas en las salidas
de campo con una actividad en el laboratorio, con el
objetivo de comprender ideas o esquemas de difícil
entendimiento sobre conceptos científicos, en nuestro caso geológicos, con situaciones análogas de fácil dominio, según metodología descrita por Oliva et
al. (2001) y Raviolo et al. (2010), y otros autores referenciados en estos trabajos. Este tipo de actividades
fomentan la participación, ayudan a la comprensión
y el replanteamiento de las ideas previas del alumnado, favoreciendo el aprendizaje significativo.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA: EL COLOR
GRISÁCEO DE LAS ROCAS SEDIMENTARIAS
Aunque las rocas sedimentarias muestran un
amplio abanico de colores, los más abundantes son
los grisáceos y los amarillentos-rojizos. Las tonalidades grisáceas, más o menos oscuras, son generalmente consecuencia de la acumulación de varios
componentes minerales, como la pirolusita (MnO2)
o los sulfuros de varios elementos metálicos pesados formados bajo condiciones anóxicas. Los colores amarillentos y rojizos son derivados de la oxidación del hierro.
De hecho, cuando los afloramientos tienen un
desarrollo importante en la vertical, bien porque
la erosión ha excavado taludes naturales de varios
metros, o cuando hay importantes excavaciones artificiales (canteras, taludes de carreteras o trenes,
etc.), es muy frecuente observar que algunas rocas
sedimentarias muestran dos colores principales
que, en la mayoría de los casos, suele ser grisáceo
en profundidad y amarillento-rojizo en superficie. El
contacto entre ambas tonalidades suele ser irregular, más o menos gradual y se sitúa a una profundidad muy variable (entre unos pocos metros y varias
decenas de metros).
Debido a los conocimientos limitados de química y bioquímica del alumnado de enseñanza secundaria, resulta complejo que vincule estas tonalidades de las rocas con las reacciones químicas
acontecidas en el antiguo ambiente sedimentario y
con las condiciones de depósito. No obstante, desde la creatividad y la ciencia recreativa en un laboratorio de Educación Secundaria, el alumnado puede
comprender conceptos muy complejos que en el
campo no son fáciles de interpretar: el estudio de
la formación y la coloración de estos estratos y el
papel de los microorganismos como principales artífices del proceso, junto a otros procesos químicos
espontáneos. En este trabajo desarrollamos una actividad conjunta de campo y laboratorio para que el
alumnado comprenda las tonalidades grisáceas de
las rocas sedimentarias.
ACTIVIDAD: ¿POR QUÉ LAS ROCAS SEDIMENTARIAS TIENEN TONALIDAD GRIS?
Trabajo de campo
Debido a la abundancia de rocas sedimentarias,
es relativamente sencillo encontrar en el entorno de
un centro educativo afloramientos de calidad donde se pueden observar tonalidades “grisáceas” que
en la parte más superficial, por meteorización, son
amarillentas o rojizas.
En nuestro caso, hemos elegido el puerto de “El
Garruchal” (Fig. 1), en el municipio de Murcia (España), que es uno de los lugares más emblemáticos
para las salidas con estudiantes por sus peculiaridades estratigráficas, tectónicas, geomorfológicas y
paleontológicas (Arana et al., 1999). En su recorrido
son frecuentes los depósitos de limolitas y margas
gris-azuladas del Tortoniense (IGME, 2008). Estas
rocas tienen minerales de la arcilla como illita, clorita y montmorillonita. A nivel elemental, las margas
presentan hierro, calcio, sodio y potasio, junto a una
importante cantidad de materia orgánica (Meléndez
y Fuster, 2003). Esta última puede llegar en forma de
carbón, así como de hidrocarburos formados en ambientes reductores y bajo condiciones anaeróbicas,
lo que le proporciona a los materiales estratificados
el color negro-grisáceo (Fig. 1).
Los responsables finales de la coloración oscura de los estratos son: (1) la oxidación de la materia
orgánica, con el objetivo de obtener poder reductor
a modo de coenzimas reducidas1 y energía2 para la
supervivencia de la microbiota presente en el ambiente, y (2) la reducción del sulfato.
La oxidación de esta materia orgánica, la reducción de sulfato y la precipitación de sulfuros de
elementos metálicos, por parte de bacterias, será
la base de trabajo y analogía para la posible explicación al color gris-oscuro de algunas rocas sedimentarias. Como actividad complementaria, se recomienda al profesorado que el alumnado consulte
Fig.1. Paraje del
“Puntarrón”. Lugar de
interés geológico en el
puerto de “El Garruchal”,
Murcia. Falla normal
que pone en contacto
los conglomerados
rojos (A) con bloques
de la formación
Relojero-Cresta del
Gallo (SerravallienseTortoniense inferior)
con las margas
limosas grises (B) de
la formación Atalaya
(Tortoniense inferior).
Obsérvese el color
oscuro-grisáceo de las
rocas sedimentarias
(Z2). En su parte
superficial, las rocas
muestran tonalidades
amarillentas (Z1) debido
a la oxidación.
1 Coenzimas reducidos: nicotín adenín dinucleótido reducido, NADH+H+, nicotín adenín dinucleótido fosfatado
reducido, NADPH+H+.
2
ATP. Adenosín trifosfato.
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varios mapas geológicos a escala 1:50.000 del plan
MAGNA (IGME), en los que es frecuente encontrar
en la leyenda y en la memoria, en la descripción de
algunas litologías, adjetivos que hacen referencia
al color grisáceo de las rocas sedimentarias. Sin
embargo, se puede comprobar fácilmente visitando algunos de estos afloramientos, que los colores
dominantes en el paisaje suelen ser amarillentos y
rojizos, fruto de la oxidación. Los tonos grisáceos
sólo son visibles a partir de varios metros de profundidad, en excavaciones naturales o antrópicas.
Experimento en el laboratorio: cultivo de microorganismos de agua de albañal
En este artículo se presenta una experiencia de
laboratorio cuyo objetivo principal es la utilización
de la materia orgánica por la microflora, la oxidación
de esta materia orgánica, la reducción de sulfato y
la precipitación de sulfuros de elementos metálicos
por parte de bacterias observadas que en el experimento son análogas a lo que acontece en las cuencas sedimentarias y, por tanto, sirven para explicar
el colorido gris-oscuro de las rocas sedimentarias
observadas en el campo.
Tomando como base de trabajo en el laboratorio
la aportación de López et al. (2010), se procederá al
cultivo de microorganismos presentes en agua de
albañal, con el objetivo de expresar el crecimiento
microbiano e inferir lo que pudo ocurrir en aquellos
ambientes anóxicos donde se depositaron los sedimentos que hoy en día constituyen las rocas estudiadas. Para ello, el alumnado elaborará un medio
complejo de cultivo de microorganismos a base de
hidrolizado de carne y una fuente de azufre oxidado
(ver listado de materiales en la tabla I).
Metodología
En un matraz Erlenmeyer de 250 ml se añadirán
100 ml de agua del grifo, 1,0 g de triptona, 0,1 g de
sulfito de sodio, 0,1 g de citrato férrico, 0,5 g de glucosa y 1,0 g de agar. El pH de la disolución oscilará
entre 7,1 ± 0,2 (modificado de AENOR, 1995). Para
que el agar se disuelva en el agua la preparación se
llevará a ebullición durante 2 minutos. A continuación, y tomando las medidas oportunas de control y
precaución (ya que el medio está muy caliente), se
verterán 15 ml de medio de cultivo en tubos de ensayo de 10 x 150 mm, dejando unos 2 cm de cámara
de aire previos a la boca del tubo (Fig. 2A). El tubo
de cubrirá con un tapón de corcho o con plástico film
transparente dejándolo enfriar hasta 45°C.
Materiales
Matraz Erlenmeyer (250 ml)
Probeta (100 ml)
Tubos de ensayo provistos de tapón de corcho
Gradilla
Pipetas Pasteur de vidrio con tetina de látex
Mechero Bunsen
Trípode
Rejilla
Cucharillas
Portaobjetos y cubreobjetos
Microscopio óptico provisto de cámara fotográfica
Balanza digital
Solución de azul de metileno (1%)
Triptona (puede sustituirse por 1/4 de pastilla de
concentrado de caldo de carne)
Sulfito de sodio
Citrato de hierro (III)
Glucosa
Tabla I. Materiales
utilizados en la actividad
de laboratorio
Agar-agar
Agua del grifo
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Fig.2. (A) Vertido del medio de cultivo en el tubo de ensayo.
(B) Inoculación con la muestra de agua de albañal. Ambas
acciones realizadas por un grupo de alumnos de 4º ESO.
Cuando el medio haya alcanzado esta temperatura, sin solidificar, se puede inocular con 1 ml de
agua de albañal o depuradora (Fig. 2B) o con diluciones pertinentes de la muestra en agua del grifo
(en la proporción de 1 ml de agua residual y 9 ml de
agua del grifo estéril mediante tindalización, según
la metodología descrita por López, 2009), volteándose con cuidado (sin agitar) con ayuda de un tapón
de corcho e incubándose, posteriormente, a temperatura ambiente durante 48-72 horas.
La observación de los cultivos microbianos se
puede llevar a cabo en un frotis mediante un microscopio óptico de campo claro y objetivo 100x de inmersión en aceite, provisto de cámara digital y posterior
tratamiento de imagen con el software informático
adjunto a la misma. Los frotis de bacterias se contrastarán con una disolución de azul de metileno (1%).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La incubación, durante 72 horas, de los tubos
de ensayo provistos de medio de cultivo y muestra
a temperatura ambiente, determina la aparición de
unas esférulas negras consecuencia de la precipitación de sulfuro de hierro (Fig. 3). El metabolismo llevado a cabo por bacterias anaeróbicas determina la
oxidación parcial de la materia orgánica presente en
el medio liberando ATP y poder reductor (NADH+H+).
Este último es necesario en la reducción del ión sulfito (SO32-) dando lugar a sulfuro (S2-). El proceso
es llevado a cabo por microorganismos integrantes
de los géneros Desulfovibrio y Clostridium, gracias
a la presencia en su citoplasma de enzimas sulfito
reductoras (Fig. 4).
Fig.3. Resultado de la incubación del medio de cultivo
inoculado con agua de albañal y recuento de bacterias
reductoras de sulfito en base a la precipitación de sulfuro
de hierro (negro). (A) Muestra original. (C, B) Dilución 1:10
y 1:100, respectivamente, de la muestra origen.
La precipitación de sulfuro de hierro (FeS, precipitado negro) tiene lugar en el interior del tubo de ensayo, alejado de la superficie donde la concentración de
oxígeno es importante (Fig. 3). Denótese que esta disposición también aparece en los estratos margosos
que recoge la figura 1. Las bacterias sulfito reductoras
analizadas en la muestra son microorganismos anaeróbicos estrictos. Carecen de un complejo sistema de
detoxificación de la molécula de oxígeno y derivados
oxidantes. De igual modo, el grupo microbiano carece de los sistemas citocrómicos y de los mecanismos
propios de una fosforilación oxidativa acoplada a una
cadena electrónica, indicativos de un sistema aeróbico, obteniendo energía (ATP) vital para su mantenimiento gracias a una fosforilación a nivel de sustrato,
caso de la fermentación (Madigan et al., 2004).
La figura 5 muestra el resultado de una observación bajo el microscopio óptico de un frotis de
una esférula negra tomada mediante una pipeta
Pasteur, observándose que los procesos descritos
de coloración son puramente biológicos. Se observa
en las preparaciones una gran cantidad de bacilos
portadores de endosporas, como mecanismo de resistencia frente a situaciones de estrés nutricional
(Brock y Madigan, 1991).
El modelo ensayado con el alumnado y presentado en este trabajo determina la precipitación, en
breve período de tiempo, de sulfuros de metales pesados en base a la reducción de sulfito u otra fuente
de azufre oxidado. La coloración que presentan los
tubos con la muestra ensayada es extremadamente
negra, bien distinta a la grisácea que presentan los
estratos visitados en la práctica de campo (Fig. 1).
Este hecho puede conducirle a error al alumnado si
no se matiza y se discuten los resultados que se han
obtenido: (1) la concentración de materia orgánica
que hemos empleado en la experiencia es, con creces, muy superior a la que puede mostrar un agua
natural no eutrofizada; (2) el sulfuro de hierro formado en la experiencia queda confinado a un espacio limitado, frente a los procesos de dilución y, por
ende, de disminución de la concentración en un mar
abierto con un volumen considerable y el comienzo
de los procesos de depósito y formación de las rocas
sedimentarias que observamos en el campo; finalmente, (3) los procesos de bioturbación sedimen-
Fig.4. Secuencia de
reacciones bioquímicas
básicas que conllevan
a la precipitación de
sulfuros metálicos. La
reducción bacteriana del
ión sulfito a sulfuro y la
presencia de cationes
metálicos en el medio
de cultivo determinan la
precipitación de sulfuro
de metales pesados
(sedimentos negros).
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1:50000. Hoja 934. Murcia. Instituto Geológico y Minero de
España. Madrid. España.
Fig.5. Imagen al
microscopio óptico de
campo claro y tinción con
azul de metileno (1%) de
un frotis de una esférula
negra de crecimiento
en el medio de cultivo.
Obsérvese la refringencia
de las esporas o formas
de resistencia frente a
situaciones adversas de
estrés nutricional.
taria y de diagénesis posterior al depósito también
pueden ser causantes de la oxidación parcial y la
consiguiente pérdida de color que pueden verse en
los estratos observados (Fig. 1).
CONCLUSIONES
Este trabajo presenta un experimento diseñado
para explicar la coloración grisácea de algunas rocas
sedimentarias. Se basa en la precipitación de sulfuro de hierro y otros elementos metálicos pesados,
por parte de la actividad de bacterias anaeróbicas.
Además, el modelo también explica el porqué de
la presencia de coloraciones grisáceas de algunas
rocas sedimentarias, frente a las tonalidades más
amarillentas y rojizas que muestran en superficie,
debido a los procesos de oxidación.
Agradecimientos
Los autores quieren expresar su agradecimiento al alumnado de 4º ESO (curso 2011-2012) del IES
“La Basílica” de Algezares (Murcia, España), por el
interesante trabajo realizado durante el curso académico que ha culminado en la elaboración de este
trabajo. De igual modo, a todos los revisores de la
revista Enseñanza de las Ciencias de la Tierra que
han participado con sus ideas en la elaboración final
de este trabajo.
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Este artículo fue recibido el día 27 de febrero de 2016 y
aceptado definitivamente para su publicación el 8 de mayo
de 2016.
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