La ecología microbiana (o microbiología ambiental ) es la ecología de los microorganismos : su relación entre sí y con su entorno. Se refiere a los tres dominios principales de la vida (Eukaryota , Archaea y Bacteria ), así como a los virus . [2]
Los microorganismos, por su omnipresencia, impactan en toda la biosfera . La vida microbiana desempeña un papel primordial en la regulación de los sistemas biogeoquímicos en prácticamente todos los entornos de nuestro planeta, incluidos algunos de los más extremos , desde entornos helados y lagos ácidos hasta respiraderos hidrotermales en el fondo de los océanos más profundos, y algunos de los más familiares, como como el intestino delgado , la nariz y la boca humanos . [3] [4] [5] Como consecuencia de la magnitud cuantitativa de la vida microbiana (calculada como5,0 × 1030 células ; ocho órdenes de magnitud mayor que el número de estrellas en el universo observable [6] [7] ), los microbios, sólo en virtud de su biomasa , constituyen un importante sumidero de carbono . [8] Aparte de la fijación de carbono, los procesos metabólicos colectivos clave de los microorganismos (incluida la fijación de nitrógeno , la fijación de carbono , el metabolismo del metano y el metabolismo del azufre ) controlan el ciclo biogeoquímico global. [9] La inmensidad de la producción de microorganismos es tal que, incluso en ausencia total de vida eucariota, estos procesos probablemente continuarían sin cambios. [10]
Si bien los microbios se han estudiado desde el siglo XVII, esta investigación se realizó desde una perspectiva principalmente fisiológica más que ecológica. [11] Por ejemplo, Louis Pasteur y sus discípulos estaban interesados en el problema de la distribución microbiana tanto en la tierra como en el océano. [12] Martinus Beijerinck inventó el cultivo de enriquecimiento , un método fundamental para estudiar los microbios del medio ambiente. A menudo se le atribuye incorrectamente haber formulado la idea biogeográfica microbiana de que "todo está en todas partes, pero el medio ambiente selecciona", afirmada por Lourens Baas Becking . [13] Sergei Winogradsky fue uno de los primeros investigadores en intentar comprender los microorganismos fuera del contexto médico, lo que lo convirtió en uno de los primeros estudiantes de ecología microbiana y microbiología ambiental, descubriendo la quimiosíntesis y desarrollando la columna de Winogradsky en el proceso. [14] : 644
Beijerinck y Windogradsky, sin embargo, se centraron en la fisiología de los microorganismos, no en el hábitat microbiano ni en sus interacciones ecológicas. [11] La ecología microbiana moderna fue lanzada por Robert Hungate y sus compañeros de trabajo, quienes investigaron el ecosistema del rumen . El estudio del rumen requirió que Hungate desarrollara técnicas para cultivar microbios anaeróbicos, y también fue pionero en un enfoque cuantitativo para el estudio de los microbios y sus actividades ecológicas que diferenciaba las contribuciones relativas de las especies y las vías catabólicas . [11]
Los avances en la ecología microbiana han estado ligados al desarrollo de nuevas tecnologías. La medición de las velocidades de los procesos biogeoquímicos en la naturaleza fue impulsada por la disponibilidad de radioisótopos a partir de la década de 1950. Por ejemplo, 14 CO 2 permitieron el análisis de las tasas de fotosíntesis en el océano (ref). Otro avance significativo se produjo en la década de 1980, cuando se desarrollaron microelectrodos sensibles a especies químicas como el O2. [15] Estos electrodos tienen una resolución espacial de 50 a 100 μm y han permitido el análisis de la dinámica biogeoquímica espacial y temporal en tapetes y sedimentos microbianos. [ cita necesaria ]
Aunque medir las tasas de procesos biogeoquímicos podría analizar qué procesos estaban ocurriendo, eran incompletos porque no proporcionaban información sobre qué microbios específicos eran responsables. Se sabe desde hace tiempo que las técnicas de cultivo "clásicas" recuperaban menos del 1% de los microbios de un hábitat natural. Sin embargo, a partir de la década de 1990, ha evolucionado un conjunto de técnicas independientes del cultivo para determinar la abundancia relativa de microbios en un hábitat. Carl Woese demostró por primera vez que la secuencia de la molécula de ARN ribosomal 16S podría usarse para analizar relaciones filogenéticas. [16] Norm Pace tomó esta idea fundamental y la aplicó para analizar "quién está ahí" en entornos naturales. El procedimiento implica (a) aislamiento de ácidos nucleicos directamente de un entorno natural, (b) amplificación por PCR de secuencias de genes de ARNr de subunidades pequeñas, (c) secuenciación de los amplicones y (d) comparación de esas secuencias con una base de datos de secuencias de ADN puro. Culturas y ADN ambiental. [17] Esto ha proporcionado información tremenda sobre la diversidad presente en los hábitats microbianos. Sin embargo, no resuelve cómo vincular microbios específicos con su función biogeoquímica. La metagenómica , la secuenciación del ADN total recuperado de un entorno, puede proporcionar información sobre el potencial biogeoquímico, [18] mientras que la metatranscriptómica y la metaproteómica pueden medir la expresión real del potencial genético, pero sigue siendo más difícil desde el punto de vista técnico. [19]
Los microorganismos son la columna vertebral de todos los ecosistemas , pero más aún en las zonas donde la fotosíntesis no puede realizarse por falta de luz. En dichas zonas, los microbios quimiosintéticos proporcionan energía y carbono a los demás organismos. Estos organismos quimiotróficos también pueden funcionar en ambientes carentes de oxígeno utilizando otros aceptores de electrones para su respiración. [ cita necesaria ]
Otros microbios son descomponedores , con la capacidad de reciclar nutrientes de los productos de desecho de otros organismos. Estos microbios desempeñan un papel vital en los ciclos biogeoquímicos. [20] El ciclo del nitrógeno , el ciclo del fósforo , el ciclo del azufre y el ciclo del carbono dependen de los microorganismos de una forma u otra. Cada ciclo trabaja en conjunto para regular los microorganismos en ciertos procesos. [21] Por ejemplo, el gas nitrógeno que constituye el 78% de la atmósfera de la Tierra no está disponible para la mayoría de los organismos, hasta que se convierte a una forma biológicamente disponible mediante el proceso microbiano de fijación de nitrógeno . [22] A diferencia de los ciclos del nitrógeno y del carbono, las especies gaseosas estables no se crean en el ciclo del fósforo en el medio ambiente. Los microorganismos desempeñan un papel en la solubilización del fosfato, mejorando la salud del suelo y el crecimiento de las plantas. [23]
Debido al alto nivel de transferencia horizontal de genes entre comunidades microbianas, [24] la ecología microbiana también es importante para los estudios de evolución . [25]
La ecología microbiana contribuye a la evolución en muchas partes diferentes del mundo. Por ejemplo, diferentes especies microbianas desarrollaron dinámicas y funciones CRISPR , lo que permitió una mejor comprensión de la salud humana. [26]
Los microbios, especialmente las bacterias, a menudo mantienen relaciones simbióticas (ya sean positivas o negativas ) con otros microorganismos u organismos más grandes. Aunque físicamente pequeñas, las relaciones simbióticas entre microbios son importantes en los procesos eucarióticos y su evolución. [27] [28] Los tipos de relaciones simbióticas en las que participan los microbios incluyen mutualismo , comensalismo , parasitismo , [29] y amensalismo [30] que afectan el ecosistema de muchas maneras.
El mutualismo en la ecología microbiana es una relación entre especies microbianas y humanos que permite que ambas partes se beneficien. [31] Un ejemplo de ello sería la sintrofia , también conocida como alimentación cruzada, [30] de la cual ' Methanobacterium omelianskii ' es un ejemplo clásico. [32] [33] Este consorcio está formado por un organismo fermentador de etanol y un metanógeno . El organismo fermentador de etanol proporciona a la arquea el H 2 que este metanógeno necesita para crecer y producir metano. [27] [33] Se ha planteado la hipótesis de que la sintrofia desempeña un papel importante en entornos con limitación de energía y nutrientes, como el subsuelo profundo, donde puede ayudar a la comunidad microbiana con diversas propiedades funcionales a sobrevivir, crecer y producir la máxima cantidad de energía. . [34] [35] La oxidación anaeróbica del metano (OMA) se lleva a cabo mediante un consorcio mutualista de una bacteria reductora de sulfato y una arqueona anaeróbica oxidante de metano . [36] [37] La reacción utilizada por la pareja bacteriana para la producción de H 2 es endergónica (y por lo tanto termodinámicamente desfavorable); sin embargo, cuando se acopla a la reacción utilizada por la pareja arquea, la reacción general se vuelve exergónica . [27] Por lo tanto, los dos organismos están en una relación mutualista que les permite crecer y prosperar en un ambiente, mortal para cualquiera de las especies por sí sola. El liquen es un ejemplo de organismo simbiótico. [33]
El comensalismo es muy común en el mundo microbiano y significa literalmente "comer de la misma mesa". [38] Los productos metabólicos de una población microbiana son utilizados por otra población microbiana sin beneficio ni daño para la primera población. Hay muchos "pares" de especies microbianas que realizan reacciones de oxidación o reducción con la misma ecuación química. Por ejemplo, los metanógenos producen metano reduciendo el CO 2 a CH 4 , mientras que los metanótrofos oxidan el metano nuevamente a CO 2 . [39]
El amensalismo (también conocido comúnmente como antagonismo) es un tipo de relación simbiótica en la que una especie/organismo resulta perjudicado mientras que el otro no se ve afectado. [31] Un ejemplo de tal relación que tiene lugar en la ecología microbiana es entre las especies microbianas Lactobacillus casei y Pseudomonas taetrolens . [40] Cuando coexiste en un ambiente, Pseudomonas taetrolens muestra un crecimiento inhibido y una producción disminuida de ácido lactobiónico (su producto principal), muy probablemente debido a los subproductos creados por Lactobacillus casei durante su producción de ácido láctico. [41] Sin embargo, Lactobacillus casei no muestra ninguna diferencia en su comportamiento, por lo que esta relación puede definirse como amensalismo. [ cita necesaria ]
La biotecnología puede utilizarse junto con la ecología microbiana para abordar una serie de desafíos ambientales y económicos . Por ejemplo, se pueden utilizar técnicas moleculares como la toma de huellas dactilares comunitarias o la metagenómica para rastrear los cambios en las comunidades microbianas a lo largo del tiempo o evaluar su biodiversidad . Gestionar el ciclo del carbono para secuestrar dióxido de carbono y prevenir el exceso de metanogénesis es importante para mitigar el calentamiento global , y las perspectivas de la bioenergía se están ampliando con el desarrollo de pilas de combustible microbianas . La gestión de recursos microbianos aboga por una actitud más progresista hacia las enfermedades , por la que se prefieren los agentes de control biológico a los intentos de erradicación. Es necesario caracterizar mejor los flujos en las comunidades microbianas para que se pueda aprovechar el potencial de este campo. [42] Además, también hay implicaciones clínicas, ya que las simbiosis microbianas marinas son una fuente valiosa de agentes antimicrobianos nuevos y existentes y, por lo tanto, ofrecen otra línea de investigación en la carrera armamentista evolutiva de la resistencia a los antibióticos , una preocupación apremiante para los investigadores. [43]
Los microbios existen en todas las áreas, incluidos hogares, oficinas, centros comerciales y hospitales. En 2016, la revista Microbiome publicó una colección de diversos trabajos que estudian la ecología microbiana del entorno construido . [44]
Un estudio de 2006 sobre bacterias patógenas en hospitales encontró que su capacidad para sobrevivir variaba según el tipo: algunas sobrevivían sólo unos días mientras que otras sobrevivían meses. [45]
La vida útil de los microbios en el hogar varía de manera similar. Generalmente las bacterias y los virus requieren un ambiente húmedo con una humedad superior al 10 por ciento. [46] E. coli puede sobrevivir desde unas pocas horas hasta un día. [46] Las bacterias que forman esporas pueden sobrevivir más tiempo, y Staphylococcus aureus sobrevive potencialmente durante semanas o, en el caso de Bacillus anthracis , años. [46]
En el hogar, las mascotas pueden ser portadoras de bacterias; por ejemplo, los reptiles suelen ser portadores de salmonella. [47]
S. aureus es particularmente común y coloniza asintomáticamente alrededor del 30% de la población humana; [48] Los intentos de descolonizar a los portadores han tenido un éxito limitado [49] y generalmente implican mupirocina por vía nasal y lavado con clorhexidina , potencialmente junto con vancomicina y cotrimoxazol para tratar las infecciones intestinales y del tracto urinario. [50]
Algunos metales, particularmente el cobre , la plata y el oro , tienen propiedades antimicrobianas. El uso de superficies táctiles antimicrobianas de aleación de cobre es una técnica que ha comenzado a utilizarse en el siglo XXI para prevenir la transmisión de bacterias. [51] [52] Las nanopartículas de plata también han comenzado a incorporarse en superficies y tejidos de edificios, aunque han surgido preocupaciones sobre los posibles efectos secundarios de las pequeñas partículas en la salud humana. [53] Debido a las propiedades antimicrobianas que poseen ciertos metales, productos como dispositivos médicos se fabrican con esos metales. [52]
