ecologia microbiana (biol 4365) d r. a r t u r o m ... -...
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ECOLOGIA MICROBIANA (BIOL 4365)D r . A r t u r o M a s s o l D e y á
a r t u r o . m a s s o l @ u p r . e d uB-338 / Ext. 3956
H o r a s d e O f i c i n a : L & M 2 : 3 0 a 4 : 0 0 P M
Tree of LifeCharles D
arwin
Microbial communities in natural and engineered ecosystems:
How to analyze their diversity and
structure, and understand their
genetic interactions
OrganismoGenes /
Genomas
Ambiente
GENOMICA
ECOLOGIAECOLO
GIA
DE GENES
Biol4365Dr. Arturo Massol
MICROBIAL ECOSYSTEMS
Soils: 1 g : ca. 108 bacteria - 1 µm/cel
100 m bacteria
: 1 kg : 100 km
: 1 hectare: 300.000.000 km
> Distance Earth-Sun!
(150.000.000 km)
Enormous numbers:
MICROBIAL ECOSYSTEMS
"Agriculture: + and - Bioremediation
"Water treatment/ hygiene"Air purification/ Transport
of pathogens
"Agriculture, food safety, health
Ecosystem Relevance/Applications
Chemical balance biosphere
Soil
WaterAir
Hosts: plants, animals,
humans
ECOLOGIA MICROBIANA (BIOL 4365)
L i b r o d e T E X T O ( R e f e r e n c i a P r i m a r i a )
M i c r o b i a l E c o l o g y : F u n d a m e n t a l s a n d A p p l i c a t i o n sA t l a s & B a r t h a , 4 t a E d i c i ó n ( 1 9 9 8 )
. . . p e r o s u l i b r o d e t e x t o d e m i c r o b i o l o g í a g e n e r a l “ B i o l o g y o f M i c r o o r g a n i s m s ” p u e d e a s i s t i r l e s e n e l
s e m e s t r e
¡Acceso a documentos de la clase!
• http://academic.uprm.edu/~amassol/biol4365/Pron4365(2009).pdf
• http://academic.uprm.edu/~amassol/biol4365/Propuesta.pdf
• http://academic.uprm.edu/~amassol/biol4365/Forney.pdf
Universal Phylogenetic Treebased on rRNA sequences
From: Woese (2000) PNAS 97:8392-8396.
micro-organisms:largest diversity, mostly unknown
2 species: <70% similar
multicellular, macroscopic organisms:small branches in the Eucarya-domain:
Homo sapiens -chimpansee: 98.4% similar!
Questions in Microbial Ecology
! Temporal Differences! Spatial Differences! Treatment Effects
! Measures of Diversity
1. ! = within site
2. " = between site
3. # = between regions! Descriptors of Diversity
1. species richness
2. species evenness
3. species composition
Diferencias TemporalesDiferencias EspacialesEfecto de Tratamientos
Medidas de Diversidad: 1. alfa-diversidad (dentro de un lugar) 2. beta-diversidad (entre lugares) 3. gama-diversidad (entre regiones)
Descripción de Biodiversidad: 1. Riqueza de especies 2. Equitabilidad de especies 3. Composición
Environmental Complexity
Selection
Heterogeneous Environment
Homogeneous Environment
Few GenotypesSuccessful
Many GenotypesSuccessful
‘Species’
Abundance
Richness Evenness Composition
Sp. IISp. I
RECURSOS
Sp. II Sp. IISp. I Sp. I
Sp. I Sp. I Sp. I Sp. I
GANA Especie I
Nutrientes
T (oC)
pH
bajo
alto
alto
alto
DNA
RNA
Proteínas
DogmaCENTRAL
Población 1
Población I1
COMPETITIVE EXCLUSION PRINCIPLE
No two species can occupy precisely
the same ecological niche
✓ If two species coexist in a stable environment, they do so by niche differentiation.
✓ Niche differentiation occurs through adaptive evolution. ✓ If there is no niche differentiation, then one species will eliminate
or exclude the other.
Nutrientes
T (oC)
pH
bajo
alto
alto
alto
DNA
RNA
Proteínas
DogmaCENTRAL
Población 1
Población I1
Sp. IISp. I
RECURSOS
Sp. II Sp. IISp. I Sp. I
InteraccionesMAYOR
DIVERSIDADSp. I Sp. I Sp. I Sp. I
ej. PATOGENOS/DEPREDADORES
Effect of limiting substrate on growth
Monod Growth Equation
µ = µmax
Survival under nutrient-limited conditions
SKs + S
µ = Growth rateµmax = Maximal growth rateS = Substrate concentrationKs = Substrate concentration where growth rate is one-half maximum rate
Growth of bacterial populations in the environment is typically limited by the availability of 1 or more nutrients
µ and KS Relationships
B
For any D (= µ), the organism with the lowest KS will out-compete an organism with a higher KS.
PANEL A. At all D, KSA < KSB and A is more competitive, i.e., µA > µb.
PANEL B. At low [S] KSA < KSB and µA > µb ∴ organism A is more competitive; while at other [S] KSB > KSA and µb > µA ∴ organism B is more competitive.
¿Quien eres y qué haces?
• Cultivo y caracterización
• Análisis de DNA (ej. 16S rRNA,
Phylochips)
• Microscopía/RAMAN
¿Cuán rápido trabajas?
• Process rate
• Enzyme activity
• RNA (no incubation necessary)
Métodos de cultivo¿Por qué sólo recuperamos 0.1% o menos de la diversidad microbiana?
Platos de Agar (Siglo 19)R. Koch, Walter Hasse & esposa & Juliius Petri
Cultivo de Microorganismos Fastidiosos
1. Agentes solidificantes
Agar y agentes inhibidores, uso de gellan gum como agente solidificante aumenta el número de microorganismos cultivables por un factor de 10.
2. Factores de crecimiento desconocidos (ej. quorum sensing) Necesidad de factores de crecimiento o alguien que remueva ciertos desperdicios (Growth Factors Network).Cultivo con sobrenadante filtro-esterilizado de otros donde este organismo “aun no cultivado” está creciendo.
3. Sintrofismo (ej. H2 Transfer: sintrofomonas y metanogénicas)“Interspecies requirements for growth of microbes in natural communities”.Agitación puede ser fatal al dispersar agregados o disipar gradientes necesarios para crecimiento.Paciencia: Se necesitan más estudiantes graduados y subgraduados...
4. Concentración de nutrientes (ej. N & P en los océanos en escala de µM: DOC es 1000X menos en la naturaleza que en LB)
5. El tiempo de generación en la naturaleza es en escala de días, semanas, meses o años [no minutos como en cultivos domesticados] Paciencia: Se necesitan más estudiantes graduados y subgraduados...