Columna de Vinogradski

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La columna de Vinogradski (o Winogradsky) es un dispositivo simple que permite el cultivo de una gran diversidad de microorganismos y que, como su nombre indica, fue un invento de Serguéi Vinogradski.

El aparato consiste en una columna llena de agua y fango con una fuente de carbono orgánico (papel de periódico, serrín, carne...) y otra de azufre (típicamente sulfato de calcio). Incubando esta columna bajo luz solar durante meses, se forma un gradiente de oxígeno y otro de sulfuros, que determinan una amplia variedad de ambientes en las que se disponen diferentes especies de microorganismos (algas, cianobacterias, clostridium, Desulfovibrio, Chlorobium, etc.).

Generalidades[editar]

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.

Funcionamiento General[editar]

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 reciclado, 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 origen (tiras de papel de periódico, serrín, restos de raíces de plantas, carne picada, etc). Se añade a la mezcla un suplemento compuesto de CaSO4 y CaCO3 (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:

Microorganismos implicados[editar]

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:

Procesos Microbiológicos[editar]

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)[editar]

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 H2S, 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 H2S en el proceso. Este H2S 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 H2S 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 H2S. Las ecuaciones simplificadas que siguen muestran el paralelismo de ambos procesos:

6CO2 + 6H20 -> C6H12O6 + 6O2 (fotosíntesis de las plantas) 6CO2 + 6H2S -> C6H12O6 + 6S (fotosíntesis de las bacterias anaerobias) 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)[editar]

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 H2S que será oxidado a sulfato por bacterias que oxidan azufre (como Beggiatoa y Thiobacillus). Estas bacterias obtienen energía oxidando el H2S 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.