Examinar cómo las bacterias pueden ser agentes ecológicos beneficiosos de descomposición pero que estropean los alimentos y agentes de enfermedades. Aprenda sobre las bacterias como agentes de descomposición, deterioro de los alimentos y enfermedades (patógenos). Encyclopædia Britannica, Inc. Ver todos los videos de este artículo
Crecimiento de bacterias culturas se define como un aumento en el número de bacterias en una población más que en el tamaño de las células individuales. El crecimiento de una población bacteriana ocurre de manera geométrica o exponencial: con cada ciclo de división (generación), una célula da lugar a 2 células, luego 4 células, luego 8 células, luego 16, luego 32, y así sucesivamente. El tiempo necesario para la formación de una generación, el tiempo de generación (G), se puede calcular a partir de la siguiente fórmula:
En la fórmula, B es el número de bacterias presentes al inicio de la observación, b es el número presente después del período de tiempo t , y norte es el número de generaciones. La relación muestra que el tiempo medio de generación es constante y que la velocidad a la que aumenta el número de bacterias es proporcional al número de bacterias en un momento dado. Esta relación es válida solo durante el período en el que la población aumenta de manera exponencial, lo que se denomina fase logarítmica de crecimiento. Por esta razón, los gráficos que muestran el crecimiento de cultivos bacterianos se representan como el logaritmo del número de células.
Seguir un Bacillus subtilis colonia a medida que pasa por las fases de crecimiento retardado, logarítmico, estacionario y de muerte Las colonias bacterianas progresan a través de cuatro fases de crecimiento: la fase de retardo, la fase logarítmica, la fase estacionaria y la fase de muerte. Video Encyclopædia Britannica, Inc .; fotos fijas A.W. Rakosy / Encyclopædia Britannica, Inc. Vea todos los videos de este artículo
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El tiempo de generación, que varía entre las bacterias, está controlado por muchas condiciones ambientales y por la naturaleza de las especies bacterianas. Por ejemplo, Clostridium perfringens , una de las bacterias de más rápido crecimiento, tiene un tiempo de generación óptimo de aproximadamente 10 minutos; Escherichia coli puede duplicarse cada 20 minutos; y el de crecimiento lento Tuberculosis micobacteriana tiene un tiempo de generación en el rango de 12 a 16 horas. Algunos investigadores han sugerido que ciertas poblaciones de bacterias que viven en las profundidades de la superficie de la Tierra pueden crecer a un ritmo extremadamente lento, reproduciéndose solo una vez cada varios miles de años. La composición de El medio de crecimiento es un factor importante que controla la tasa de crecimiento. La tasa de crecimiento aumenta hasta un máximo cuando el medio proporciona una mejor fuente de energía y más intermedios biosintéticos que la célula tendría que fabricar por sí misma.
Curva de crecimiento bacteriano Curva de crecimiento bacteriano generalizada que muestra las fases del crecimiento de colonias bacterianas. Encyclopædia Britannica, Inc.
Cuando las bacterias se colocan en un medio que proporciona todos los nutrientes necesarios para su crecimiento, la población presenta cuatro fases de crecimiento que son representativas de una curva típica de crecimiento bacteriano. Tras la inoculación en el nuevo medio, las bacterias no se reproducen inmediatamente y el tamaño de la población permanece constante. Durante este período, llamado fase de latencia , las células son metabólicamente activas y solo aumentan de tamaño celular. También están sintetizando las enzimas y los factores necesarios para la división celular y el crecimiento de la población en sus nuevas condiciones ambientales. Luego, la población entra en la fase logarítmica, en la que el número de células aumenta de forma logarítmica, y cada generación de células se produce en el mismo intervalo de tiempo que las anteriores, lo que da como resultado un aumento equilibrado de la constituyentes de cada celda. La fase logarítmica continúa hasta que se agotan los nutrientes o se acumulan productos tóxicos, momento en el que la tasa de crecimiento celular disminuye y algunas células pueden comenzar a morir. En condiciones óptimas, la población máxima de algunas especies bacterianas al final de la fase logarítmica puede alcanzar una densidad de 10 a 30 mil millones de células por mililitro.
Bacillus subtilis A Bacillus subtilis colonia bacteriana que entra en la fase logarítmica de crecimiento después de 18 a 24 horas de incubación a 37 ° C (98,6 ° F; aumentada aproximadamente 6 ×). A.W. Rakosy / Encyclopædia Britannica, Inc.
La fase logarítmica del crecimiento bacteriano es seguida por la fase estacionaria, en la que el tamaño de una población de bacterias permanece constante, aunque algunas células continúan dividiéndose y otras comienzan a morir. A la fase estacionaria le sigue la fase de muerte, en la que la muerte de las células de la población supera la formación de nuevas células. El tiempo antes del inicio de la fase de muerte depende de la especie y el medio. Las bacterias no necesariamente mueren incluso cuando carecen de nutrientes, y pueden permanecer viables durante largos períodos de tiempo.
Bacillus subtilis fases de crecimiento bacteriano A Bacillus subtilis colonia bacteriana que muestra signos de crecimiento estacionario después de 48 horas de incubación a 37 ° C (98,6 ° F; aumentada alrededor de 9 ×). A.W. Rakosy / Encyclopædia Britannica, Inc.
Bacillus subtilis Fases de crecimiento bacteriano Después de 96 horas a 37 ° C (98,6 ° F), se Bacillus subtilis la colonia bacteriana se marchita, lo que indica que ha entrado en la fase de muerte (aumentada alrededor de 9 ×). A.W. Rakosy / Encyclopædia Britannica, Inc.
Los procariotas son ubicuo en la superficie de la Tierra. Se encuentran en todos los accesibles ambiente , del hielo polar al burbujeante aguas termales , desde las cimas de las montañas hasta el fondo del océano, y desde planta y animal cuerpos a suelos forestales. Algunas bacterias pueden crecer en el suelo o en el agua a temperaturas cercanas al punto de congelación (0 ° C [32 ° F]), mientras que otras prosperan en el agua a temperaturas cercanas al punto de ebullición (100 ° C [212 ° F]). Cada bacteria está adaptada para vivir en un entorno particular. nicho , ya sean superficies oceánicas, sedimentos de lodo, suelo o las superficies de otro organismo. El nivel de bacterias en el aire es bajo pero significativo, especialmente cuando se ha suspendido polvo. En cuerpos de agua naturales no contaminados, los recuentos de bacterias pueden ser de miles por mililitro; en suelo fértil, los recuentos bacterianos pueden ser de millones por gramo; y en las heces, los recuentos bacterianos pueden superar los miles de millones por gramo.
Estudiar el papel de las bacterias en la descomposición orgánica, desde los suelos de los bosques hasta los vertederos y las plantas de tratamiento de aguas residuales El papel de las bacterias en la descomposición orgánica es parte del proceso de eliminación de materiales biológicos no deseados de los vertederos y el agua. Encyclopædia Britannica, Inc. Ver todos los videos de este artículo
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Los procariotas son miembros importantes de sus hábitats. Aunque son de tamaño pequeño, su gran número significa que su metabolismo juega un papel enorme, a veces beneficioso , a veces dañino, en la conversión de elementos en su entorno externo. Probablemente todas las sustancias de origen natural y muchas sintético unos, pueden ser degradados (metabolizados) por algunas especies de bacterias. El estómago más grande del vaca , el rumen, es una cámara de fermentación en la que las bacterias digieren la celulosa de los pastos y piensos, convirtiéndolas en ácidos grasos y aminoácidos, que son los nutrientes fundamentales que utiliza la vaca y la base para la producción de leche de la vaca. Los desechos orgánicos de las aguas residuales o las pilas de compost son convertidos por bacterias en nutrientes adecuados para el metabolismo de las plantas o en metano gaseoso (CH4) y dióxido de carbono. Los restos de todos los materiales orgánicos, incluidos plantas y animales, se convierten eventualmente en suelo y gases a través de las actividades de bacterias y otros microorganismos y, por lo tanto, están disponibles para un mayor crecimiento.
Muchas bacterias viven en arroyos y otras fuentes de agua , y su presencia a bajas densidades de población en una muestra de agua no indica necesariamente que el agua no sea apta para consumo . Sin embargo, el agua que contiene bacterias como E. coli , que son habitantes normales del tracto intestinal de humanos y animales, indica que las aguas residuales o materia fecal han contaminado recientemente esa fuente de agua. Dichas bacterias coliformes pueden ser patógenos (organismos causantes de enfermedades) ellos mismos, y su presencia indica que también pueden estar presentes otros patógenos bacterianos y virales que se detectan con menos facilidad. Procedimientos usados en Purificación del agua Las plantas (sedimentación, filtración y cloración) están diseñadas para eliminar estos y otros microorganismos y agentes infecciosos que puedan estar presentes en el agua destinada a humano consumo. Además, el tratamiento de las aguas residuales es necesario para evitar la liberación de bacterias y virus patógenos de las aguas residuales a los suministros de agua. Las plantas de tratamiento de aguas residuales también inician la descomposición de materiales orgánicos (proteínas, grasas y carbohidratos) en las aguas residuales. La descomposición de material orgánico por microorganismos en el agua consume oxígeno ( demanda de oxigeno bioquímico ), provocando una disminución del nivel de oxígeno, que puede ser muy perjudicial para la vida acuática en arroyos y lagos que reciben las aguas residuales. Un objetivo del tratamiento de aguas residuales es oxidar la mayor cantidad de material orgánico posible antes de su descarga en el sistema de agua, reduciendo así la demanda bioquímica de oxígeno de las aguas residuales. Los tanques de digestión de aguas residuales y los dispositivos de aireación explotan específicamente la capacidad metabólica de las bacterias para este propósito. (Para obtener más información sobre el tratamiento de aguas residuales, ver obras medioambientales: control de la contaminación del agua .)
Las bacterias del suelo son extremadamente activas para efectuar cambios bioquímicos al transformar las diversas sustancias, humus y minerales, que caracterizan el suelo. Los elementos que son fundamentales para la vida, como el carbono, el nitrógeno y el azufre, son convertidos por bacterias a partir de gases inorgánicos. compuestos en formas que puedan ser utilizadas por plantas y animales. Las bacterias también convierten los productos finales del metabolismo vegetal y animal en formas que pueden ser utilizadas por bacterias y otros microorganismos. La ciclo del nitrógeno puede ilustrar el papel de las bacterias en la realización de varios cambios químicos. El nitrógeno existe en la naturaleza en varios estados de oxidación, como nitrato, nitrito, gas dinitrógeno, varios óxidos de nitrógeno, amoníaco y compuestos orgánicos. aminas (compuestos de amoniaco que contienen uno o más hidrocarburos sustituidos). Fijación de nitrogeno es la conversión de gas dinitrógeno de la atmósfera en una forma que pueda ser utilizada por organismos vivos. Algunos bacterias fijadoras de nitrógeno , como Azotobacter , Clostridium pasteurianum , y Klebsiella pneumoniae , son de vida libre, mientras que las especies de Rhizobium vivir en un íntimo Asociación con plantas leguminosas . Rhizobium organismos en el suelo reconocen e invaden el raíz los pelos de su planta huésped específica, ingresan a los tejidos de la planta y forman un nódulo de raíz. Este proceso hace que las bacterias pierdan muchas de sus características de vida libre. Se vuelven dependientes del carbono suministrado por la planta y, a cambio de carbono, convierten el gas nitrógeno en amoniaco, que es utilizado por la planta para su síntesis y crecimiento de proteínas. Además, muchas bacterias pueden convertir nitrato en aminas con el propósito de sintetizar materiales celulares o en amoníaco cuando se usa nitrato como aceptor de electrones. Las bacterias desnitrificantes convierten el nitrato en gas dinitrógeno. La conversión de amoníaco o aminas orgánicas en nitrato se logra mediante las actividades combinadas de los organismos aeróbicos. Nitrosomonas y Nitrobacter , que utilizan amoniaco como donante de electrones.
bacterias fijadoras de nitrógeno (derecha) Las raíces de una planta de guisantes de invierno austriaca ( Pisum sativum ) con nódulos que albergan bacterias fijadoras de nitrógeno ( Rhizobium ). (Izquierda) Los nódulos radiculares se desarrollan como resultado de una relación simbiótica entre las bacterias rizobianas y los pelos radiculares de la planta. Las bacterias reconocen los pelos de la raíz y comienzan a dividirse (A), ingresando a la raíz a través de un hilo de infección (B) que permite que las bacterias ingresen a las células de la raíz, que se dividen para formar el nódulo (C). (Izquierda) Encyclopædia Britannica, Inc .; (derecha) fotografía, John Kaprielian, The National Audubon Society Collection / Photo Researchers
En el ciclo del carbono, las plantas y los procariotas autótrofos convierten el dióxido de carbono en materiales celulares, y las formas de vida heterótrofas devuelven el carbono orgánico a la atmósfera. El principal producto de degradación de la descomposición microbiana es el dióxido de carbono, que se forma al respirar organismos aeróbicos.
El metano, otro producto final gaseoso del metabolismo del carbono, es un componente relativamente menor del ciclo global del carbono, pero de importancia en situaciones locales y como fuente de energía renovable para uso humano. La producción de metano es llevada a cabo por procariotas metanogénicos altamente especializados y estrictamente anaeróbicos, todos los cuales son arqueas. Los metanógenos usan dióxido de carbono como su aceptor de electrones terminal y reciben electrones del gas hidrógeno (H2). Estos organismos pueden convertir algunas otras sustancias en metano, incluido el metanol, ácido fórmico , ácido acético y metilaminas. A pesar de la gama extremadamente estrecha de sustancias que pueden utilizar los metanógenos, la producción de metano es muy común durante la descomposición anaeróbica de muchos materiales orgánicos, como celulosa, almidón, proteínas, aminoácidos, grasas, alcoholes y la mayoría de los otros sustratos. La formación de metano a partir de estos materiales requiere que otras bacterias anaeróbicas degraden estas sustancias en acetato o en dióxido de carbono e hidrógeno gaseoso, que luego son utilizados por los metanógenos. Los metanógenos apoyan el crecimiento de las otras bacterias anaeróbicas en la mezcla al eliminar el gas hidrógeno formado durante sus actividades metabólicas para la producción de metano. El consumo de hidrógeno gaseoso estimula el metabolismo de otras bacterias.
A pesar de que los metanógenos tienen una capacidad metabólica tan restringida y son bastante sensibles al oxígeno, están muy extendidos en la Tierra. Se producen grandes cantidades de metano en anaeróbicos. ambientes , como pantanos y marismas , pero también se producen cantidades significativas en el suelo y por los animales rumiantes. Al menos el 80 por ciento del metano en la atmósfera se ha producido por la acción de metanógenos, y el resto se libera de depósitos de carbón o pozos de gas natural.
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