La Columna de Winogradsky
Bacterias y Archaeas (procariotas), exhiben una diversidad
metabólica tan sorprendente que difícilmente podremos encontrarla en animales,
plantas, hongos u otros organismos "superiores" (eucariotas). Los
procariotas, literalmente, mantienen su sistema biológico utilizando y
reciclando, una y otra vez, todos los elementos minerales necesarios para su
soporte vital.
Toda la vida sobre la Tierra podría clasificarse en
función de las fuentes de carbono y energía de las que depende cada organismo:
la energía puede obtenerse de reacciones luminosas (fotótrofos) o de
oxidaciones químicas (a partir de compuestos orgánicos o inorgánicos); el
carbono para la síntesis celular puede obtenerse del CO2
(autótrofos) o de compuestos orgánicos preformados (heterótrofos). Combinando
estas categorías tendremos las cuatro estrategias básicas de los seres vivos:
fotoautótrofos (plantas), quimioheterótrofos (animales, hongos),
fotoheterótrofos y quimioautótrofos. Sólo entre las bacterias se pueden
encontrar estas cuatro estrategias básicas de la vida.
Dos famosos microbiólogos fueron pioneros en el estudio de
estos procesos: Sergei Winogradsky (1856-1953) y Martinus Willen Beijerinck
(1851-1931). En contraste con los estudios sobre cultivos puros de otros
microbiólogos como Louis Pasteur o Robert Koch, estos investigadores se
centraron en estudiar las relaciones entre diferentes tipos de microorganismos
en comunidades mixtas.
La columna de Winogradsky es una demostración clásica de
cómo los microorganismos ocupan "microespacios" altamente específicos
de acuerdo con sus tolerancias medioambientales y sus necesidades vitales
(requerimientos de carbono y energía) y que, además, ilustra cómo diferentes
microorganismos desarrollan sus ciclos, y la interdependencia que llega a
existir entre ellos (las actividades de un microorganismo permite crecer a otro
y viceversa). Esta columna es un sistema completo y autónomo de reciclamiento,
mantenido sólo por la energía de la luz.
La columna aquí descrita se enfoca sobre todo al ciclo del
azufre, pero se podría desarrollar igualmente la reproducción de otros ciclos
biogeoquímicos equivalentes para nitrógeno, carbono y otros elementos.
El montaje consta de un
cilindro ancho de cristal que se llena con lodos ricos en materia orgánica
hasta 1/3 de su volumen. Se añaden restos orgánicos de diferente orígen (tiras
de papel de periódico, aserrín, restos de raices de plantas, carne piada, etc).
Se añade a la mezcla un suplemento compuesto de SO4Ca y CO3Ca
(que actúan como fuente de sulfato y tampón respectivamente). La mezcla, bien
apretada para que no queden burbujas de aire, se cubre con agua procedente de
un lago, estanque, acequia (o alguna fuente similar), se cubre con papel de
aluminio y se deja en una ventana donde reciba la luz del sol.
(gráfico a la izq modificado de: http://www.mbio.ncsu.edu/JWB/MB409/home.html).
A lo largo de la columna se desarrollan diversos organismos:
En la zona inferior de lodos se desarrollan organismos que
desarrollan procesos fermentativos que producen alcohol y ácidos grasos como
subproductos de su metabolismo. Estos productos de "desecho" son a su
vez el sustrato para el desarrollo de bacterias reductoras de sulfato. Como
resultado se liberan sulfuros que difunden a la zona superior oxigenada creando
un gradiente en el que se desarrollan bacterias fotosintéticas que utilizan el
azufre.
Por encima de esta zona pueden desarrollarse las bacterias
púrpura que no utilizan el azufre.
Cianobacterias y algas crecen en la parte superior y
liberan oxígeno que mantiene aerobia esta zona.
Vamos a ver estos procesos de forma un poco más
amplia:
Microbiología de la
columna de Winogradsky
Entre cuatro y seis semanas después de su instalación, la
columna debe estabilizarse en tres ambientes básicos distintos en los que se
desarrollarán comunidades bacterianas específicas en función de sus requisitos
medioambientales. Comenzando desde la parte más profunda de la columna:
Zona anaerobia
(sin Oxígeno)
Hay dos tipos de organismos que pueden crecer en
condiciones anaerobias: los que fermentan la materia orgánica o los que
realizan la respiración anaerobia. La fermentación es un proceso en el que los
compuestos orgánicos son degradados de forma incompleta (por ejemplo, las
levaduras fermentan los azúcares a alcohol). La respiración anaeróbica es un
proceso en el que los sustratos orgánicos son completamente degradados a CO2,
pero usando una substancia distinta del oxígeno como aceptor terminal de
electrones (Algunas bacterias, por ejemplo, utilizan nitratos o iones sulfato
en vez del oxígeno).
En el nivel más bajo de la columna, en un ambiente con
alta concentración de SH2, aparecen varios grupos diferentes de
bacterias:
En el fondo de la columna, dependiendo del tipo de barro
utilizado, puede aparecer una capa de color rosado formada por bacterias
púrpura del azufre portadoras de vesículas de gas. Una especie característica
es Amoebobacter.
En esta misma zona, en condiciones estrictamente
anaerobias al cabo de unas semanas, y utilizando la carga de celulosa aportada
por los restos de papel incorporados en el sedimento como fuente primaria para
su metabolismo, aparecen las bacterias del género Clostridium.
Todas las especies de este
género son anaerobias estrictas porque, aunque sus esporas pueden sobrevivir en
condiciones aerobias, las células vegetativas mueren si están expuestas al
oxígeno. Por eso no empiezan a crecer hasta que éste desaparece del sedimento.
Estas bacterias degradan la celulosa a glucosa y, a continuación, fermenta la
glucosa para obtener la energía que necesitan, produciendo una serie de
compuestos orgánicos simples (etanol, ácido acético, ácido succinico, etc) como
productos finales de esa fermentación.
Un poco por encima, las bacterias reductoras del azufre,
que se visualizan como una profunda capa negra y están representadas por Desulfovibrio,
pueden utilizar estos subproductos de la fermentación para su respiración
anaerobia, usando sulfato, u otras formas parcialmente oxidadas de azufre como
el tiosulfato, generando grandes cantidades de SH2 en el proceso. Este
SH2
reaccionará con cualquier hierro presente en el sedimento, produciendo sulfuro
ferroso, que da color negro. Es por esto que los sedimentos acuáticos son
frecuentemente negros.
Sin embargo, no todo el SH2 es utilizado. Como
veremos un poco más adelante, ciertas cantidades difunde hacia arriba a lo
largo de la columna de agua y son utilizados por otros organismos que crecen en
las zonas superiores.
Este crecimiento se visualiza bajo la forma de dos bandas
estrechas, brillantemente coloreadas, inmediatamente por encima del sedimento:
en una primera franja, las bacterias verdes del azufre (como Chlorobium)
procesan los sulfatos a azufre y aparecen en una franja verdosa. En otras zonas
cercanas, bacterias como Gallionella procesan el Hierro formando
una capa negra que se forma justamente por debajo de la anterior. Un poco más
arriba, algo más alejadas por tanto de las altas concentraciones de sulfídrico
se desarrolla una zona de bacterias púrpuras del azufre, como Chromatium,
caracterizada por su color rojo-púrpura.
Estas bacterias del azufre, verdes y púrpuras, obtienen
energía de las reacciones luminosas y producen sus materiales celulares a
partir de CO2. En gran medida, de manera muy similar a cómo lo hacen las
plantas aunque, sin embargo, hay una diferencia esencial: no producen oxígeno
durante la fotosíntesis porque no utilizan H2O como elemento
reductor sino SH2. Las ecuaciones simplificadas que siguen
muestran el paralelismo de ambos procesos:
|
|
6 CO2 + 6 H20 |
Un poco por encima de esta zona nos encontramos una franja
de bacterias púrpuras no del azufre, como Rhodospirillum y Rhodopseudomonas,
que adquiere un color rojo-anaranjado. Su mayor o menor abundancia dependerá de
la cantidad de sulfhídrico que se haya producido y de la cantidad que, no
utilizada por otros organismos, difunda hacia arriba, ya que su presencia
inhibe a estas bacterias. Son anaerobios fotoorganotrofos que sólo pueden
realizar la fotosíntesis en presencia de una fuente de carbono orgánico.
Zona aerobia (rica en Oxígeno)
La parte superior de la columna de agua puede contener abundantes
poblaciones de bacterias de diferentes tipos. Son organismos aerobios que se
encuentran habitualmente en los hábitats acuáticos ricos en materia orgánica
(estanques poco profundos, arroyos contaminados, etc). Suelen ser flagelados,
lo que les permite moverse y establecerse en nuevas áreas. Puede desarrollarse
también microorganismos fototróficos variados procedentes directamente del agua
o del barro utilizados originalmente en el montaje de la columna. La superficie
del barro puede presentar en esta zona un ligero color castaño. Esta es la
parte de la columna más rica en oxígeno y más pobre en azufre.
Sin embargo, también aquí llegarán por difusión,
procedentes del barro de zonas inferiores, ciertas cantidades de SH2
que será oxidado a sulfato por bacterias que oxidan azufre (como Beggiatoa
y Thiobacillus). Estas bacterias obtienen energía oxidando el
SH2
a azufre elemental y sintetizan su propia materia orgánica a partir de CO2.
Por esto se les llama quimoautótrofas.
En las zonas superiores pueden crecer también cianobacterias fotosintéticas, lo que se visualizaría cómo un tapete de césped de color verde. Éstas bacterias se caracterizan por ser las únicas que realizan una fotosíntesis similar a la de las plantas. De hecho, hay poderosas evidencias de que los cloroplastos de las plantas proceden de cianobacterias ancestrales que se establecieron como simbiontes dentro de células de algún eucariota primitivo. De forma paralela hay también evidencias igualmente fuertes de que las mitocondrias de los eucariotas actuales se derivaron de bacterias púrpuras ancestrales por un similar sistema de endosimbiosis.
Bibliografía:
http://www.danival.org/notasmicro/micro_winogradsky.html