Planctologa Bacteriologa

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PlanctologíaBacteriología

• Papel de las bacterias en el ecosistema
• Remineralizadoras de nutrientes y degradadoras de
  MO. Ciclos biogeoquímicos
• Productoras de biomasa-participación en las redes
  tróficas Microbial loop (interacciones bcas.
  comensalismo-competencia-predación)
• Productoras primarias fotosintéticas y
  quimiosintéticas.
• Importancia en estudios ecológicos ej.
  contaminación. Organismos indicadores.

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• Microbios componentes vitales del ecosistema
• Microorganismos marinos la mitad de producción
  primaria total del planeta. Bacterias
  fotosintéticas en el océano producen
  aproximadamente la mitad del O2 anual liberado.
  Microbios 1030 células presentes en los océanos
  95 de la respiración.
• Fijación de N2 sólo llevado a cabo por bacterias.
• Balance de elementos, estabilidad de la Tierra y
  océanos dependiente de las bacterias.
• 3.7 billones de años durante 2 billones fueron la
  única forma viva
• Capacidad de supervivencia en ambientes extremos,
  metabolismos flexibles.

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Características

• Alta versatilidad metabólica Aerobias/ anaerobias
• autótrofos/heterótrofos
• t de generación corto (2-20 días, 20 min en
  cultivo)
• Relación superficie/volumen favorable. Tamaño
  indicador del estado nutricional.
  Ultramicrocélulas.
• Gran diversidad. Columna de agua y sedimento
• Ambientes extremos fosas marinas, chimeneas
  hidrotermales, zonas hipersalinas,
  etc.

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Diversidad de bacterias acuáticas
Pernthaler, J. and R. Amann.Microbiology and
Molecular Biology Reviews, Sept. 2005, p. 440461
Reflejo de complejidad de hábitat a microescala
5
Representantes

• gt Gram negativas y móviles
• Aerobios o aerobios facultativos, Anaerobios
  estrictos.
• Autótrofos y Heterótrofos
• Ejemplos Heterótrofas
• Pelagibacter ubique 25 de las células
  planctónicas. La más abundante. Largo 0.37-0.89
  µm. Diámetro 0.12-0.20 µm. Mar de los Sargasos
  en 1990
• Vibrio
• Pseudomonas
• Flavobacterium
• Bacillus predomina en sedimentos marinos
• Anaerobias Desulfovibrio sulfatorreductora,
  Metanógenas
• Autótotrofas
• . Fotoautótrofas Cyanobacterias Prochlorococcus,
  Synechococcus
• . Quimiolitótrofas Nitrosococcus, Nitrosomonas,
  Nitrobacter, Thiobacillus.

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Distribución

• pH
• Condicionada por T
• factores ambientales O2
• nutrientes
• contaminación
• MO
• Abundancia mayor en zonas costeras (105-106
  bacterias/ml)
• . Disminuye con la profundidad
• . Aumenta en el sedimento (107-108 bacterias /g)
• Bacteriología de ambientes costeros regeneración
  de nutrientes y degradación de MO
• Aportes material terrigeno y contaminantes
• Residuos orgánicos

• tasa de sedimentación
• profundidad de la columna de agua
• condiciones hidrográficas locales
• luz

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Interacciones entre columna de agua y sedimento
gt zonas litorales Zona activa
interfase Plancton costero gt interacción gt
riqueza Pelágica reciclado de nutrientes es lento
orgs se hunden y llevan nutrientes esenciales al
fondo. Toda la productividad primaria
algas microscópicas y bacterias Superficie
limitada por nutrientes Prof. rica en nutrientes
limitada por luz
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activas Bacterias de
vida libre en el ambiente
inactivas unidas a partículas
Microambientes Abundancia de bacterias
adheridas a partículas relacionada con MOP Son
más grandes, metabolicamente más activas y no
están limitadas por nutrientes. Liberan
exoenzimas solubilizan polímeros Marine snow
nieve marina. Agregados amorfos enriquecidos con
MO y microorganismos Origen pellets
fecales fragmentos de fitoplancton (ficosfera
fitoplancton ) mucus de diversos organismos.
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• Sólo una pequeña fracción unida firmemente
  muestreo difícil
• Alta diversidad
• Atractivo para predadores
• Presencia de microgradientes
• Dinámica de particulas poco estudiada
• Degradación
• Ingestión por otros organismos
• Variación estacional
• Mecanismo de transferencia genética
  potencialmente disponibles
• Microorganismos de superficie descienden hasta el
  sedimento adheridos a partículas.
• Gran abundancia
• bacterias heterótrofas 3x109 céls/m2/día
• cianobacterias 3x107 cels/m2/día

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Factores que regulan el crecimiento bacteriano .-
Tasas más lentas que su máximo potencial .-
Limitadas por C, P, N o T. Adaptación a la
disminución de la T bioquímicas

modificación de la composición de
spp. T regula el crecimiento bacteriano en
zonas templadas N no es una buena estimación
en ayuno miniaturización en exceso
de nutrientes N puede disminuir por
predación Ayuno pequeñas pero activas y
sintetizan DNA .Relación de Redfield 106161
crecimiento balanceado
T
Nutrientes
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Regulación del número de bacterias Grandes
incrementos en el fitoplancton originan poco
aumento en el número de bacterias Predación Limi
tación de recursos Virus impacto sobre la
mortalidad bacteriana, también sobre el
fitoplancton
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Redes tróficas microbianas
Microbial loop Fracción importante de la DOM
disponible para niveles tróficos superiores
ingresa al sistema a través del consumo por
bacterias que son predadas posteriormente por
flagelados y ciliados
Azam et al., 1983
13
En el microbial loop las bacterias
heterotrofas y el resto del picoplancton son
predados por flagelados y ciliados. Virus
controlan el N de bacterias ayudando a la
conservación de la diversidad. Bacterias más
eficientes que fitoplancton en la captación de
nutrientes.
Interacciones en el ambiente

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Comestibles
Selección de tamaño de las poblaciones
bacterianas sometidas a predación
Predadores mecanismos manipulación
Pernthaler, J. and R. Amann. MICROBIOLOGY AND
MOLECULAR BIOLOGY REVIEWS, Sept. 2005, p. 440461
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Virus

• Fagos o Bacteriofagos
• Genoma DNA o RNA
• Existencia de virus en agua de mar conocida desde
  hace mucho.

• Son las formas más abundantes y genéticamente
  diversas de los océanos.
• Principales patógenos de organismos planctónicos.
  
• Papel muy importante en el ciclo de los
  nutrientes y en el control
• de la composición de las comunidades planctónicas.

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• Myoviridae. Son los aislados
• más comúnmente. Tienen colas
• contráctiles, ciclo lítico y
• amplio rango de hospedadores
• Infectando distintas spp. de bacterias
• Son r-estrategas.
• b.Podoviridae. Menos
• comúmente aislados del agua
• de mar. Ciclo lítico, colas cortas
• no contráctiles. Rango estrecho de
• hospedadores.

Barra 50 nm
c. Siphoviridae. Intermedios. Colas largas no
contráctiles. Integración al cromosoma
bacteriano. Frecuentemente aislados en agua de
mar, rango relativamente amplio de hospedadores
y son estrategas K con largos t de generación y
baja tasa reproductiva.
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• FAGOS MARINOS LOS VIRUS MÁS ABUNDANTES DEL
  MUNDO?
• . Microscopio de epifluorescencia y Citometría de
  flujo 3x106 virus/ml en océano profundo y 108 en
  aguas productivas
• TEM 107 virus /ml
• Disminuye con la profundidad y distancia a la
  costa.
• Correlación con Productividad número de
  bacterias y contenido de clorofila
• Aumenta en sedimento y se han detectado hasta
  100m de profundidad en el mismo.
• Océano profundo son menos abundantes.
• Abundancia total no es indicativa de su
  infectividad.
• Poco estudiado. No hay buenas estimaciones de la
  mortalidad de origen viral.
• Ocasionan significativa mortalidad microbiana en
  un amplio rango de ambientes.
• Existen ambientes que no han sido adecuadamente
  muestreados. Ej. oligotroficos.
• Metagenoma en 200 l de agua miles de genomas
• en 1 kg de sedimento millones de genomas

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Primeros virus secuenciados afectan Vibrio
parahaemolyticus Roseobacter Synechoco
ccus sp.
Transferencia de genes 1 de cada 108 infecciones
de fagos número de fagos gtbacterias Cantidad de
agua de mar Tasa de transducción más alta del
mundo
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Ciclos biogeoquímicos

• Papel primario de las bacterias en el ecosistema
• N proteínas, ácidos nucleicos
• S aa
• P RNA, DNA, ATP, ADP, AMP.
• C

20
. Formas con distinto estado de
oxidación. . Zonas aerobias
nitrificación anaerobias desnitrificación super
ficie /subsuperf. fijación
. N regula producción 1ria en el mar
21
Ciclo del Azufre
. Formas con distinto estado de oxidación. .
SO4 importante en el mar. .
Sulfatorreducción depende de la fermentación.
Anóxico y microambientes.
22
(No Transcript)
23
Albedo medida de reflexibilidad de una
superficie o cuerpo.
Vinculación entre plancton oceánico, azufre
atmosférico y clima
La emisión de gas DMS (azufre transformado por
los microorganismos marinos) implica más
nubosidad, más reflexión de la radiación solar y
la consecuente refrigeración del planeta.
DMSdimetil sulfuro
DMSPdimetilsulfonio propionato algas
osmorregulación
LAS ESTRECHAS RELACIONES ENTRE LA VIDA OCEÁNICA,
EL AZUFRE ATMOSFÉRICO Y EL CLIMA.Dr. Rafel Simó y
Dr. Carles Pedrós-Aliówww.dicat.csic.es Nature
25-11-1999.
Science 27 October 2006Vol. 314. no. 5799, p.
561
24
Comunidades de las chimeneas hidrotermales .
800-4000 m . ausencia de luz solar . bajos
nutrientes . biomasagtgtbiomasa del fondo marino. .
Comunidad sostenida por actividad quimiotrófica .
Energía geotermal Rocas basálticas calientes en
contacto con agua de mar fría p hidrostática T
5-400C
Alvin 1977
25
N y P representan los nutrientes limitantes de
la producción en el mar P qca. particular P
org. Fosfatasas Aerobios facilidad de
absorción formación de comp. insolubles con
metales Anaerobios acción bacteriana indirecta
solubiliza regeneración Reoxidación e
inmovilización lenta que regeneración. Sedimento
Microambientes Raramente en aguas PO42-
determinada por actividad bca.
26
(No Transcript)
27
BacteriasCómo se estudian?

• Entendimiento de estructura y funcionamiento del
  ecosistema depende del conocimiento de las
  relaciones entre poblaciones
• número
• biomasa
• actividad

28
Muestreo adecuado Procesamiento Medida DETECCIÓN
DE MICROORGANISMOS Fenotípica cultivo técnicas
microbiológicas tradicionales.
Enriquecimiento-aislamiento Inmunológica
anticuerpos marcados. VBNC.Vibrio
cholera Análisis del perfil de lípidoscomponentes
ubicuos de las membrana citoplasmática. Composici
ón lipídica característica de cada
microorganismos FAME (fatty acid methyl
ester) PLFA (phospholipid-linked fatty
acid) Técnicas que utilizan ácidos nucleicos
(ADN o ARN) Extracción de DNA, Sondas, PCR,
huellas genéticas (fingerprints)
29
Dominios
Secuenciación de genoma completo microbiano en el
Mar de los Sargasos (Venter et al., 2004 Science
30466-74).
30
DOMINIOS Caracteres que los definen
 
31
C. Pedrós Alió.Genomics and marine microbial
ecology INTERNATIONAL MICROBIOLOGY (2006)
9191-197
Enfoque molecular y genómico para estudiar
comunidades naturales de microorganismos.

• (Picture credits SEM by Carlos Pedrós-Alió
  Petri dishes by Laura Gómez-Consarnau Filter by
  Fernando Unrein.)

32
Diferentes aproximaciones utilizadas en genómica
ambiental A. Organismos aislados en cultivos
axénicos. B.. Grandes frag. de metagenoma
clonados en vectores especiales C. Pequeños frag.
clonados en vectores convencionales D.
Funcionalidad por clonado en E. coli E.
Secuenciación de aislamientos permite identificar
genes de interés F. Estudios realizados in
vivo G. Estudios de crecimiento y regulación sólo
a partir de aislamientos. (Picture credits SEM
of community by Carlos Pedrós-Alió SEM of pure
culture by Itziar Lekunberry )
C. Pedrós Alió. Genomics and marine microbial
ecology .International Microbiology (2006)
9191-197
PR.Proteorodopsina
33
DETERMINACIÓN DE BIOMASA ATP Componentes de
paredes celulares Acido murámico LPS
(lipopolisacáridos) Clorofila Algas y
Cianobacterias 665 nm Bacterioclorofila 850
nm DNA Proteínas
34
MEDIDAS DE ACTIVIDAD Potencial heterotrófico Tasa
de crecimiento basada en la incorporación de
nucleótidos (timidina tritiada) DNA sintetizado
en células en crecimiento en forma proporcional a
la biomasa---tasa de síntesis refleja tasa de
crecimiento Productividad y descomposición Fotosín
tesis-respiración incubación con 14CO2 medir
liberación de 14CO2 O2 electrodos Actividades
enzimáticas Fosfatasa Celulasa Qutinasa Nitrogenas
a ? y ?-glucosidasa
35
DETERMINACION DE NÚMERO DE MICROORGANISMOS Recuen
tos viables en medio sólido recuento en
placa en medio líquido NMP Recuentos
directos microscopio de epifluorescencia Coloran
tes fluorescentes se unen a ácidos
nucleicos Naranja de acridina (AO) Bacterias
rojo, naranja o verde Exc. 470 nm
Desechos naranja, rojo, amarillo DAPI
(46-diamidino-2 phenylindole) Bacterias
azul EXC. 365 nm Desechos
amarillo Más utilizado
36
Cálculos N bacterias/ml media bacterias
por campo. K Vol muestra K superficie de
filtración ?r2 superficie contada Rectángulo
o círculo

• Aguas método más sencillo y ampliamente
  utilizado.
• Sedimentos cambio en la concentración de óptima
  de colorante debido
• a unión a partículas y a mayor número de
  bacterias.
• Subestimación debido a que partículas pueden
  enmascarar bacterias.

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Microscopía de Epifluorescencia

• RECUENTO DIRECTO
•  .- Aumento considerable en el número de
  bacterias. Tiñen bacterias vivas y muertas (NV y
  VBNC)
•  .-Mantiene forma y tamaño celular. Permite
  determinar volumen celular real in situ.
• .- Pueden emplearse muestras fijadas. De rutina
  en estudios ecológicos de comunidades naturales.
• Requisitos
•  .- Todas las bacterias deben ser retenidas por
  el filtro.
• .- Todas las bacterias deben ser visibles en la
  superficie del filtro
• .- Teñido y las condiciones ópticas deben
  asegurar un alto contraste entre las bacterias y
  el fondo.
•  

38
RECUENTO VIABLE (en medio de cultivo) .-
Selectivo Fracción de la comunidad capaz de
crecer en el medio de cultivo y en las
condiciones elegidas   .- Variación en forma y
tamaño   .- Sencillo . Alta sensibilidad. Útil
con fines comparativos.   .- Procesamiento
rápido. Muestra debe ser conservada en hielo y
procesada en el día. Da material para estudios
posteriores.   .- Test de rutina en industria,
control sanitario, etc.   .- Subestiman (no
incluyen VBNC).    
39

Recuento de viables en placa
Recuento entre 30-300 colonias  
ufc/ml N/vol x dil. Ufc Unidades
formadoras de colonias, N promedio de colonias
obtenidas para una dilución dada, Vol Volumen
del inóculo, Dil dilución
40
Vibrio cholerae Influencia de los factores
ambientales y biológicos
Asociado al mar a lo largo de la línea de
costa Desarrollo marinos-pescadores Barcos
-descarga de agua de lastre
PATRONES 1991 Perú ene-91 Chancay 60 km al N de
Lima 7-2-91 desde Chile hasta Ecuador a lo largo
de 2000 km de costa 12-2-91 continente (lugares
interiores) y zonas altas den los
Andes. Bangladesh e India geográficamente
localizado estacionalidad ríos y
estuarios Nuevas metodologías permitieron
determinar patrones geográficos Microscopía de
epifluorescencia Anticuerpos monoclonales,
mejoramiento de colorantes
concentración de la muestra, Hibridización
PCR DVC
41
MICROCOSMOS ASW (agua de mar artificial).
Supervivencia en agua de mar aumento de
carbono disminución de nutrientes (N y
P) Explicación de aparición luego de largos
períodos de quiescencia (VBNC) Donde se encuentra
en el ambiente?
Copépodos 104 células. Blooms de plancton Papel
en el Ambiente producción de mucinasa,
quitinasa toxina osmorregulación melanina
y sus precursores necesaria para asentamiento
de larvas de invertebrados adhesividad de
biofilms Fenómeno de El Niño 1990-1995. Banglade
sh aumento de V. cholera aumento de copépodos
base de la persistencia en el ambiente Sensores
remotos blooms de fitoplancton.
Modelos-integración-predicción.
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• Comunicación en bacterias
• Tienen complejos sistemas de comunicación. Ellas
  pueden hablar entre ellas cooperar y colaborar.
• COMUNICACIÓN QCA. MOLÉCULAS SEÑAL
• Poblaciones bacterianas Pequeñas pocas
  moléculas señal. Grandes moléculas se
  incrementa.
• Una vez alcanzado un umbral se encienden
  mecanismos celulares a través de la población que
  resultan en una acción de conjunto. QUORUM
  SENSING.
• Comportamiento de una población compuesta por
  células análogo al comportamiento de organismos
  multicelulares.
• Sistemas extendidos participan en distintos
  procesos fisiológicos en mares y agua dulce.
  Crucial para el éxito de las bacterias.
• Controla 5-25 de los genes en los genomas
  bacterianos.
• Ayuda a mantener biofilms. Importante para
  controlar y entender el biofouling
• Procesos tan diversos como fijación de N2 o
  generación de luz en órganos luminosos de peces
  de profundidad.
• Es esencial para el mantenimiento de
  interacciones entre bacterias y hospedadores.

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COMUNICACIÓN ENTRE BACTERIAS Y ORGANISMOS
SUPERIORES?

• Formas reproductivas nadadoras de Ulva utilizan
  QS de bacterias para seleccionar una superficie
  adecuada para fijarse y crecer. En este caso el
  éxito de un organismo superior depende de su
  capacidad de detectar y responder a las
  conversaciones bacterianas

Ian Joint, Plymouth Marine Laboratory,,Prospect
Place, Planet Earth, spring 2005, pp30-32.
Zoosporas
44
Microscopio de epifluorescencia
Técnicas independientes del cultivo rRNA
PCR de genes rRNA del bacterioplancton
Primera secuenciación de genoma completo de
comunidad microbiana marina WGS
Secuenciación de genoma completo de comunidad
microbiana marina del Mar de los Sargasos WGS
Citometría de flujo. Virus marinos