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INGENIERÍA AMBIENTAL
Conceptos Generales
Tema 3. Conceptos básicos de
Microbiología y Ecología
David Sánchez Ramos david.sanchezramos@uclm.es
a) Conceptos generales
- Ingeniería Ambiental y Sanitaria: Origen, evolución y concepto
- Salud pública y demografía humana 3. Conceptos básicos de microbiología y ecología
- Conceptos básicos de química ambiental
b) Residuos Sólidos y contaminación
atmosférica
c) Calidad de las aguas
d) Potabilización de aguas
e) Tratamiento de aguas residuales
INGENIERÍA AMBIENTAL
- Conceptos generales
- Ecología
- Materia y energía
- Interacciones biológicas
- Microbiología
- Tipos de microorganismos
- Ciclos biogeoquímicos
- Agua
- Carbono
- Nitrógeno
- Fósforo
CONCEPTOS BÁSICOS DE
MICROBIOLOGÍA Y ECOLOGÍA
Bibliografía principal utilizada: Tejero et al., 2006. Introducción a la Ingeniería Sanitaria y Ambiental. Universidad de La Coruña
- CONCEPTOS GENERALES
Ecología = ciencia que estudia las interrelaciones entre los
organismos y el ambiente que los rodea
A diferencia de otras ciencias biológicas (bioquímica, anatomía, fisiología…), la ecología comprende los niveles de población , comunidad y ecosistema Ambiente: tanto los factores abióticos (medio físico) como los bióticos (seres vivos) La ecología interpreta la naturaleza en términos de materia , energía y organización
3. Conceptos básicos de microbiología y ecología
Ecosistema → unidad funcional compuesta de organismos
interdependientes que comparten el mismo hábitat
En un determinado ambiente físico se suelen desarrollar las mismas especies El biotopo condiciona la biocenosis que vivirá en él (la que esté adaptada a esas condiciones climáticas, edafológicas, hidrológicas…), si bien la biocenosis transforma su biotopo Gran diversidad de ambientes y de especies en la naturaleza Procesos que se dan en un ecosistema: Cadenas de alimentos o tróficas Flujo de materia y energía Ciclos de nutrientes Desarrollo y evolución del ecosistema
- ECOLOGÍA
Hábitat : espacio que ocupa un organismo o una población
Conjunto de condiciones ambientales características de los sitios específicos adecuados a las demandas de dicha población Río, bosque, fondo marino, ramas de un árbol… Distinta capacidad de movimiento de las especies + Estrategias de supervivencia variadas → gran variedad de hábitats Especies especialistas → requieren condiciones muy específicas y definidas para su supervivencia ( masiega , lince ibérico ) Especies generalistas → pueden sobrevivir en medios más variados, incluidos los más transformados por el hombre, al tener mayor capacidad de adaptación ( palomas, ratas, gaviotas )
3. Conceptos básicos de microbiología y ecología
- ECOLOGÍA
Materia y energía en los ecosistemas
Todos los organismos necesitan conseguir materia y energía del entorno para seguir con vida Materia → desarrollo de la biomasa Energía → realizar trabajos y ac7vidades Distintas estrategias para conseguirlo: Autótrofos (plantas y algunos microorganismos) → materia y energía por separado Heterótrofos (animales y otros microorganismos) → materia y energía de manera conjunta al alimentarse
- ECOLOGÍA
Teoría de sistemas
Sistema : conjunto de partes que interactúan y que puede ser descrito mediante formulaciones matemáticas Tipos de sistemas:
3. Conceptos básicos de microbiología y ecología
- ECOLOGÍA
Ecosistema → funciona como un sistema abierto cuyos componentes son los factores abióticos y los bióticos
Abiertos : dependen del ambiente exterior, procesan entradas para generar salidas Cerrados : no dependen del ambiente exterior, son autónomos Cibernéticos : sistemas abiertos con capacidad de autorregulación → parte de la salida sirve para controlar la entrada
Cadenas tróficas
Las relaciones alimenticias entre los distintos niveles tróficos permiten que la materia pase del medio físico a los organismos, y de estos a otros organismos → reciclaje permanente de materia
Materia inorgánica (agua, CO 2 , nutrientes) → absorción por Productores → la convierten en materia orgánica (tejidos vegetales, biomasa) → es aprovechada por herbívoros ( consumidores primarios ) que se alimentan de plantas → es aprovechada por carnívoros ( consumidores secundarios ) que se alimentan de herbívoros → los restos orgánicos de todos los organismos son aprovechados por descomponedores (bacterias y hongos) → transforman la materia orgánica en inorgánica (mineralización), que vuelve al medio físico
2.1. MATERIA Y ENERGÍA
Energía = capacidad de producir trabajo o de transferir calor
La circulación de energía en un ecosistema es distinta a la de materia, debido a los principios de termodinámica
3. Conceptos básicos de microbiología y ecología
2.1. MATERIA Y ENERGÍA
Para mantener el funcionamiento de un sistema ( ecosistema ) hay que proporcionarle energía desde el exterior → esa energía acabará disipándose al pasar al ambiente en forma de calor
Al utilizar una cierta cantidad de energía para producir un cambio, una parte de la energía no puede ser utilizada y se desprende al entorno en forma de calor → esa fracción de energía se desaprovecha, solo contribuye a aumentar la Tª del entorno
Energía en los ecosistemas
Fuente de energía → Sol La energía solar es aprovechada por las plantas mediante la fotosíntesis (aprovechamiento ≈ 1-6%) Parte de la energía se aprovecha para la transformación de materia inorgánica en orgánica (se incorpora a la planta acumulándose en sus tejidos y órganos), otra parte se desprende al exterior La fracción de energía incorporada en la biomasa es la que queda disponible para los consumidores primarios Los consumidores primarios aprovechan una fracción de la energía disponible en la biomasa vegetal (la acumulan en sus órganos), otra fracción se desprende al exterior Se repite el esquema con los consumidores secundarios y con los descomponedores, hasta que toda la energía disponible acaba desprendiéndose al exterior
2.1. MATERIA Y ENERGÍA
Transformación de energía en materia
Fotosíntesis : permite almacenar la energía radiante del Sol como materiales químicos orgánicos, principalmente como azúcares 6CO 2 + 6H 2 O + energía solar → C 6 H 12 O 6 + 6O 2
Respiración : es el proceso complementario a la fotosíntesis → la materia de los alimentos se desdobla y se libera la energía química que poseen (se almacena en forma de ATP en las células) C 6 H 12 O 6 + O 2 → 6CO 2 + 6H 2 O + energía
Dependencia entre organismos autótrofos y heterótrofos → los heterótrofos necesitan la energía y el O 2 (la mayoría) producidos por los autótrofos, y estos necesitan el CO 2 que producen los heterótrofos al respirar ( mecanismos recíprocos )
3. Conceptos básicos de microbiología y ecología
2.1. MATERIA Y ENERGÍA
Aprovechamiento de energía y productividad de un ecosistema
La biomasa que puede ser mantenida por una corriente continua de energía depende del tamaño de los organismos Los organismos pequeños respiran más rápido → desaprovechan más energía (“queman” más) Los organismos grandes respiran más lento → desaprovechan menos energía y acumulan más biomasa
2.1. MATERIA Y ENERGÍA
En los niveles tróficos bajos disponen de más energía → hay mayor número de individuos pero de menor tamaño; en los niveles altos, menor nº de individuos de mayor tamaño
Pirámides ecológicas : gráfico que representa la cantidad de una
variable determinada contenida en cada uno de los niveles tróficos de un ecosistema Permiten estimar el funcionamiento del ecosistema en términos de materia y energía → can7dad de materia y energía que pasa de un nivel trófico a otro (variables relacionadas entre si) Pirámide trófica : cantidad de materia orgánica (biomasa) o de energía contenida en cada nivel trófico Ecosistemas terrestres y de aguas someras → pirámide normal (base amplia de productores) Ecosistemas acuáticos (aguas profundas) → pirámide inver7da (autótrofos microscópicos, poca biomasa en los primeros niveles)
3. Conceptos básicos de microbiología y ecología
2.1. MATERIA Y ENERGÍA
Pirámides ecológicas
Pirámide de individuos : nº de individuos de cada especie en los niveles tróficos (no suelen utilizarse por no ser muy indicativo al existir tanta variedad de tamaños entre especies)
2.1. MATERIA Y ENERGÍA
Pirámide de producción : cantidad de materia orgánica generada en cada nivel trófico en un tiempo determinado → permiten conocer lo rápido que funciona el ecosistema: los ecosistemas jóvenes aumentan su biomasa mucho más rápido que los maduros
Acumulación de tóxicos ambientales
3. Conceptos básicos de microbiología y ecología
2.1. MATERIA Y ENERGÍA
Algunas sustancias liberadas por el hombre en el medio ambiente son productos químicos que resultan tóxicos para muchos organismos Cuando los seres vivos ingieren estas sustancias, intentan eliminarlas de su organismo; si no lo consiguen, se acumulan en algunos órganos o tejidos, como el hígado o los tejidos grasos Los organismos situados en los niveles más altos de las redes tróficas consumen una mayor proporción de tóxico, porque comen todo lo que se ha acumulado en los organismos que les sirven de alimento → amplificación biológica Los depredadores están más afectados por la contaminación, aunque ellos no se hayan nutrido directamente de la sustancia tóxica → el ser humano (situado en un nivel alto de las redes tróficas) sufre considerablemente este efecto de acumulación de tóxicos
Tipos de interacciones biológicas
Competencia : cuando varias especies requieren recursos similares del ecosistema (alimento, nutrientes, agua, espacio…) que son insuficientes y por tanto compiten por ellos Cuando el nicho ecológico de dos especies en un ecosistema es muy parecido, se desencadena el fenómeno de competencia interespecífica , hasta que una especie pase a ser la dominante o elimine a su compe7dora → se alcanza un equilibrio ecológico Competencia intraespecífica → la que se da entre individuos de la misma especie por los recursos Introducción de especies exóticas → pueden entrar en competencia por un nicho ecológico con especies autóctonas; si se produce un desplazamiento de la especie autóctona, puede darse una plaga de la especie exótica que suponga un desequilibrio en el ecosistema
Depredación : un organismo satisface sus necesidades de alimento (materia y energía) a expensas de otro
2.2. INTERACCIONES BIOLÓGICAS
Tipos de interacciones biológicas
Mutualismo : asociación de organismos de especies diferentes para beneficiarse mutuamente en su desarrollo vital Esta asociación de especies les da ventajas frente a su desarrollo por separado
Comensalismo : asociación de organismos de especies diferentes en la que una especie se beneficia en su desarrollo vital, mientras que la otra no resulta perjudicada
Parasitismo : asociación de organismos de especies diferentes en la que un organismo (parásito) se beneficia en su desarrollo vital a costa de otro (huésped) que resulta perjudicado
3. Conceptos básicos de microbiología y ecología
2.2. INTERACCIONES BIOLÓGICAS
Microorganismos → seres ubicuos implicados en todos los
procesos de degradación y reciclado de la materia
Gran diversidad metabólica y plasticidad ecológica → actores principales de los ecosistemas y de la Ing. Sanitaria y Ambiental Papel fundamental en la transformación de materia → crean materia orgánica a partir de inorgánica (45-50% producción primaria debida a microorganismos) A diferencia de las plantas y animales, tienen una organización biológica elemental → la mayoría son unicelulares, aunque algunos son multicelulares
- MICROBIOLOGÍA
Intervención de los microorganismos en los ciclos
biogeoquímicos
3. Conceptos básicos de microbiología y ecología
- MICROBIOLOGÍA
Procariotas
Organismos unicelulares , células muy sencillas sin núcleo Se encuentran en todos los ecosistemas, grupo muy numeroso y con características muy diversas Grupos de procariotas: Arqueas ( Archaea o arqueobacterias): engloba a los organismos más antiguos del planeta Bacterias : gran mayoría de las procariotas actuales
Formas de las bacterias
3.1. TIPOS DE MICROORGANISMOS
Coco Bacilo^ Vibrión Espirilo
Bacterias
Consumen alimentos solubles → se encuentran donde haya alimento (materia) y humedad Tamaño muy variable según especie: Esféricas ( coco ): 0,5-1 μm Cilíndricas ( bacilo ): anchura 0,5-1 μm, longitud 1,5-3 μm Helicoidales ( espirilo ): anchura 0,5-5 μm, longitud 6-15 μm
Pueden encontrarse como individuos sueltos o formando colonias : Diplococos : bacterias redondeadas, agrupadas de 2 en 2 Diplobacilos : bacterias alargadas, agrupadas de 2 en 2 Estreptococos : cordones de bacterias redondeadas Estafilococos : masas laminares de bacterias redondeadas Sarcinas : conglomerados tridimensionales de bacterias redondeadas
3. Conceptos básicos de microbiología y ecología
3.1. TIPOS DE MICROORGANISMOS
Composición de las bacterias
3.1. TIPOS DE MICROORGANISMOS
Materia seca
Orgánica Inorgánica
Materia inorgánica
P2O5 SO3 Na2O CaO MgO K2O Fe2O
C 5 H 7 O 2 N → el C representa aproximadamente el 50% de la parte orgánica
80
20 90 10
La falta de cualquiera de estos elementos (P, S, Na, Ca…) puede limitar o alterar el crecimiento de las bacterias
Tipos de interacciones biológicas de las bacterias
Saprófitas : degradan materia orgánica en descomposición (papel esencial en el ciclo del C) Simbióticas : asociadas a otro ser vivo, de forma que se genera un beneficio mutuo ( bacterias de la flora intestinal → producen vitamina K ) Comensales : asociadas a otro ser vivo, sin generarse beneficio ni perjuicio para el hospedador ( bacterias que viven sobre nuestra piel → se alimentan de células descamadas ) Parásitas : sobreviven a expensas de otro ser vivo, al que causan un perjuicio
3. Conceptos básicos de microbiología y ecología
3.1. TIPOS DE MICROORGANISMOS
Aunque algunas bacterias son patógenas (causan enfermedades), la mayoría son inocuas o buenas para la salud humana
Tipos de bacterias según consumo de oxígeno
Respiración aeróbica : la oxidación de la materia orgánica (glucosa) libera parte de la energía acumulada, que pasa a las moléculas de ATP La energía se utiliza para realizar las funciones vitales de la célula Se desechan CO 2 y H 2 O, que salen de la célula (y del ser vivo)
Respiración anaeróbica : en lugar de O 2 , se utiliza como “aceptor de electrones” otra molécula inorgánica (NO 3 , SO 4 , etc.) Fermentación : proceso catabólico de oxidación incompleta que no requiere O 2 , cuyo producto final es un compuesto orgánico
3.1. TIPOS DE MICROORGANISMOS
3. Conceptos básicos de microbiología y ecología
3.1. TIPOS DE MICROORGANISMOS
Métodos de producción de
energía por organismos vivos
Factores ambientales que influyen en el desarrollo y muerte
de las bacterias:
Temperatura → clasificación de las bacterias según Tª óp7ma de desarrollo:
3.1. TIPOS DE MICROORGANISMOS
Tipo de bacteria
Rango Tª (ºC)
Tª óptima (ºC) Criófilas o psicrófilas
-2 – 30 12 – 18
Mesófilas 20 – 45 25 – 40 Termófilas 45 – 75 55 – 65
Hipertermófilas 90 – 113 100 – 106
Factores ambientales que influyen en el desarrollo y muerte
de las bacterias:
pH del medio → en el agua, debe estar entre 4-9,5 (desarrollo óptimo entre 6,5-7,5) Acidófilas : pH entre 0-5, Neutrófilas : pH entre 5,5-8, Alcalófilas : pH entre 8,5-
3. Conceptos básicos de microbiología y ecología
3.1. TIPOS DE MICROORGANISMOS
