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Columna de Winogradsky y sulfuro de hidrógeno

Columna de Winogradsky y sulfuro de hidrógeno


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Para un experimento científico para la escuela, he configurado 15 columnas de Winogradsky y estaré observando el crecimiento microbiano dentro de las columnas durante un período de 25 días.

He leído que, debido al gas producido por los microbios, es bueno dejar la tapa ligeramente cerrada para evitar una explosión por acumulación de gas. Sin embargo, también he leído que las bacterias reductoras de sulfato que crecen en la columna pueden producir gas sulfuro de hidrógeno tóxico. ¿No escaparía también el sulfuro de hidrógeno en pequeñas cantidades y representaría un riesgo para la salud? ¿Cuál sería el protocolo correcto a seguir aquí?


El sulfuro de hidrógeno puede ser tóxico en altas concentraciones, sin embargo, la cantidad que producirán sus columnas probablemente sea muy baja y es casi seguro que se degradará / oxidará en algo más seguro antes de dañar a alguien (¡que no sea un organismo pequeño en la columna!) . Olerá notablemente mal a niveles muy por debajo de lo que es peligroso. Entonces, tal vez solo asegúrese de que las columnas estén en un espacio ventilado.

Recuerde, lo que está sucediendo en la columna es básicamente materia orgánica en descomposición, como dejar un montón de desperdicios de comida en un ambiente sellado y altamente compactado. Es algo intrínsecamente asqueroso, pero no es más peligroso para tu salud que olvidarte de sacar la basura durante un mes (en realidad, ¡probablemente sea mucho menos peligroso que eso!).

Por ejemplo, esta guía dice lo siguiente (después de construir columnas con diferentes entradas como, por ejemplo, huevos):

Es posible que haya visto gusanos, caracoles, camarones u otros organismos pequeños en el agua, pero probablemente no muchos (si los hay) en la botella con la yema de huevo, ¡porque el sulfuro de hidrógeno es tóxico para la mayoría de los organismos!

Entonces, dependiendo de lo que coloque allí, es probable que un medio muy productivo de H2S cree suficiente H2S para matar animales diminutos que están atrapados dentro de la columna. Pero aparentemente no lo suficiente como para lastimar a animales grandes como tú, siempre y cuando no te enojes con la columna.


Columna Winogradsky

La columna Winogradsky es un dispositivo simple para cultivar una gran diversidad de microorganismos. Inventado en la década de 1880 por Sergei Winogradsky, el dispositivo es una columna de lodo de estanque y agua mezclada con una fuente de carbono como periódico (que contiene celulosa), malvaviscos ennegrecidos o cáscaras de huevo (que contienen carbonato de calcio) y una fuente de azufre como el yeso. (sulfato de calcio) o yema de huevo.

La incubación de la columna a la luz del sol durante meses da como resultado una gradiente aeróbico / anaeróbico así como un gradiente de sulfuro. Estos dos gradientes promueven el crecimiento de diferentes microorganismos como Clostridium, Desulfovibrio, Clorobio, Cromatio, Rhodomicrobium, y Beggiato, así como muchas otras especies de bacterias, cianobacterias y algas.

La columna proporciona numerosos gradientes, dependiendo de los nutrientes aditivos, a partir de los cuales puede crecer la variedad de organismos antes mencionados. La fase de agua aeróbica y la fase de lodo o suelo anaeróbico son una de esas distinciones.

  • Debido a la baja solubilidad del oxígeno en el agua, el agua se vuelve anóxica rápidamente (un agotamiento total en el nivel de oxígeno) hacia la interfaz de lodo y agua.
  • Los fotótrofos anaeróbicos todavía están presentes en gran medida en la fase de lodo y todavía hay capacidad para la creación de biopelículas y la expansión de colonias.
  • Las algas y otros fotótrofos aeróbicos están presentes a lo largo de la mitad superior de las columnas y la superficie y el agua. El crecimiento verde a menudo se atribuye a estos organismos.

¿Cómo hacer una columna de Winogradsky?

Fuente aquí.

La columna es una mezcla aproximada de ingredientes y las medidas exactas no son críticas.

  • Un tubo de vidrio o plástico alto (30 cm de largo, & gt5 cm de ancho) se llena un tercio de lodo del estanque, omitiendo los palos, escombros y burbujas de aire.
  • Se requiere una suplementación de -0,25% p / p de carbonato de calcio y -0,50% p / p de sulfato de calcio o sulfato de sodio (la cáscara de huevo y la yema de huevo molidas son ricas en estos minerales, respectivamente), mezcladas con algo de periódico triturado o heno (para celulosa) .
  • Una capa anaeróbica adicional, esta vez de barro sin suplementar, lleva el recipiente a dos tercios de su capacidad.
  • A esto le sigue el agua del estanque para saturar el lodo y ocupar la mitad del volumen restante.
  • La columna se sella herméticamente para evitar la evaporación del agua y se incuba durante varios meses con luz natural intensa.

Colonias vieron en la columna de Winogradsky

Después de que la columna esté sellada herméticamente,

  • Las bacterias anaeróbicas se desarrollarán primero, incluidas Clostridium spp. Estas bacterias anaeróbicas consumirán celulosa como fuente de energía. Una vez que esto comienza, crean CO2 que es utilizado por otras bacterias y así comienza el ciclo.
  • Eventualmente, aparecerán capas de color de diferentes bacterias en la columna.
  • En la parte inferior de la columna habrá bacterias anaeróbicas fotosintéticas de azufre verde.
  • La capa de arriba será de color púrpura, que es una bacteria anaeróbica de azufre.
  • Seguido de otra columna de bacterias anaeróbicas no azufradas de color púrpura.
  • Y en la parte superior habrá una capa de cianobacterias que son bacterias oxidantes del azufre. Esta capa superior de bacterias aeróbicas produce CO2, que se retroalimenta a la columna creando una reacción adicional.

Limitaciones de la columna de Winogradsky

Si bien la columna Winogradsky es una excelente herramienta para ver comunidades enteras de bacterias, no permite ver las densidades o colonias bacterianas individuales. También lleva mucho tiempo completar su ciclo. Sin embargo, su importancia en microbiología ambiental no debe pasarse por alto y sigue siendo una excelente herramienta para determinar las principales comunidades bacterianas en una muestra.

¿Qué biomolécula aportan el periódico, las cáscaras de huevo y el yeso a la columna de Winogradsky?

  • Periódicos: Fuente de carbono (celulosa).
  • Cáscara de huevo: fuente de carbonato de calcio
  • Yeso: fuente de azufre (sulfato de calcio)

Importancia de la columna de Winogradsky

Se pueden descubrir varias cosas interesantes en las columnas.

  • Las columnas de Winogradsky son modelos de ecosistemas microbianos.
  • Los microbios crean dos gradientes, uno de oxígeno y el segundo de sulfuro de hidrógeno. El oxígeno es más alto en la parte superior y más bajo en la parte inferior, el gas de sulfuro de hidrógeno es más alto en la parte inferior y más bajo en la parte superior.
  • Cuando se cultivan a la luz, diferentes bacterias tienen diferentes pigmentos que crecen en muchas capas diferentes, lo que les da a las diferentes capas diferentes colores.

(i) Las bacterias fotosintéticas verdes y las algas están en la parte superior,

(ii) A continuación, los descomponedores superiores (que utilizan respiración aeróbica),

(iii) Por lo general, hay una capa de lodo roja y de color óxido que incluye bacterias fotosintéticas que no producen oxígeno. (Excepto en la parte superior, las bacterias fotosintéticas solo están debajo del vidrio o plástico, no en lo profundo del lodo).

(iv) Los descomponedores inferiores (que utilizan respiración anaeróbica) y las bacterias quimiosintéticas que utilizan azufre se encuentran en las capas más bajas.

(i) El número de especies de bacterias en el ecosistema también se reduce, hay principalmente descomponedores superiores que usan respiración aeróbica y descomponedores inferiores que usan respiración anaeróbica, y organismos quimiosintéticos inferiores que usan azufre.


Columna Winogradsky

"estanque" en un ambiente controlado que contiene una variedad de procariotas
que coexisten en la naturaleza. La columna permitirá a los estudiantes estudiar algunos
de los muchos organismos que pueden obtenerse de una muestra de un
sedimentos y agua del estanque (o ambiente de agua salada o salobre).

Comenzando con una muestra de suelo y agua del medio ambiente, debería poder adquirir un

gran variedad de procariotas que florecerán en la amplia gama de
ambientes que podrían ser abastecidos colocando la columna en varios
ambientes externos. Internamente, si la columna está configurada
correctamente, debe obtener una capa aeróbica en el barro en la parte inferior, luego
una zona microaerófila, una zona aeróbica en el agua y una capa de
aire superficial en la parte superior. La concentración de oxígeno
disminuir a medida que desciende la columna y la concentración de sulfuro de hidrógeno se reducirá
disminuya a medida que asciende en la columna. Si los gases se mantienen dentro del
contenedor, el sulfuro de hidrgeno debe permanecer en la capa de gas y no
escapar.

El oxígeno se intercambiará con la capa superior de gas en el
columna, y se obtendrá del entorno externo si la tapa es
extraído (¡o si la columna no es hermética!). Otros gases como
El CO2, el metano y el sulfuro de hidrógeno también subirán a la capa de aire superior,
con el potencial de ser reciclado nuevamente en líquido / sólido
secciones de la columna si hay microbios que pueden utilizar estos
compuestos.

La tierra para macetas fabricada puede proporcionar algunos procariotas, pero probablemente no el surtido que puede
ser obtenido de la naturaleza. Algunas mezclas de suelo se pasturizan casi
todos no contienen ningún "suelo" en absoluto, pero otros productos de
descomposición (corteza de árbol triturada, desechos animales compostados).
El proceso de compostaje produce un calentamiento significativo.
Aunque su calor no es suficiente para esterilizar la tierra para macetas,
generalmente es suficiente calor para reducir seriamente el número y la variedad
de microorganismos presentes. Si el experimento se realizó
con tierra para macetas, la columna contendría microorganismos pero
probablemente tarde más en mostrar capas distintas. Tierra para macetas
probablemente no contendría tantos tipos de microbios anaeróbicos como los naturales
suelo, pero probablemente terminaría lo suficiente en la columna para iniciar el
capa anaeróbica.

Se agrega alguna fuente de carbono al suelo para proporcionar alimento a los
microbios, aunque mi fuente de suelo ciertamente ya tenía carbono
añadido en forma de hojas que no fueron totalmente eliminadas.
Dado que es posible generar compost satisfactorio comenzando solo con papel de periódico triturado, agua, algo de tierra para la fuente microbiana, calor y muchas veces un aditivo con alto contenido de celulosa como el periódico o el aserrín debería funcionar como fuente de alimento si tiene paciencia.


La mayoría de las otras fuentes de carbono contienen sustancias además del carbono que podrían alimentar a los microbios que prefieren algunas de estas sustancias, como azúcares, almidones y proteínas. La ventaja de un aditivo con alto contenido de celulosa es que contiene mucho carbono, aunque en una forma de digestión lenta.

Los entornos externos pueden suministrar luz solar o no, variaciones de temperatura y, en teoría, oxígeno reducido, aunque la mayoría de las situaciones fuera del laboratorio tendrían dificultades para suministrar el último entorno.

    Algún tipo de sedimento y agua del mismo entorno. El barro de invierno está bien.


Lunes, 16 de febrero de 2009

Columna Winogrsky

Las columnas de Winogradsky son un proyecto clásico de ecología / microbiología. La idea es crear un modelo

"estanque" en un ambiente controlado que contiene una variedad de procariotas
que coexisten en la naturaleza. La columna permitirá a los estudiantes estudiar algunos
de los muchos organismos que pueden obtenerse de una muestra de un
sedimentos y agua del estanque (o ambiente de agua salada o salobre).

Comenzando con una muestra de suelo y agua del medio ambiente, debería poder adquirir un

gran variedad de procariotas que florecerán en la amplia gama de
ambientes que podrían ser abastecidos colocando la columna en varios
ambientes externos. Internamente, si la columna está configurada
correctamente, debe obtener una capa aeróbica en el barro en la parte inferior, luego
una zona microaerófila, una zona aeróbica en el agua y una capa de
aire superficial en la parte superior. La concentración de oxígeno
disminuir a medida que desciende la columna y la concentración de sulfuro de hidrógeno se reducirá
disminuya a medida que asciende en la columna. Si los gases se mantienen dentro del
contenedor, el sulfuro de hidrgeno debe permanecer en la capa de gas y no
escapar.

El oxígeno se intercambiará con la capa superior de gas en el
columna, y se obtendrá del entorno externo si la tapa es
extraído (¡o si la columna no es hermética!). Otros gases como
El CO2, el metano y el sulfuro de hidrógeno también subirán a la capa de aire superior,
con el potencial de ser reciclado nuevamente en líquido / sólido
secciones de la columna si hay microbios que pueden utilizar estos
compuestos.

La tierra para macetas fabricada puede proporcionar algunos procariotas, pero probablemente no el surtido que puede
ser obtenido de la naturaleza. Algunas mezclas de suelo se pasturizan casi
todos no contienen ningún "suelo" en absoluto, pero otros productos de
descomposición (corteza de árbol triturada, desechos animales compostados).
El proceso de compostaje produce un calentamiento significativo.
Aunque su calor no es suficiente para esterilizar la tierra para macetas,
generalmente es suficiente calor para reducir seriamente el número y la variedad
de microorganismos presentes. Si el experimento se realizó
con tierra para macetas, la columna contendría microorganismos pero
probablemente tarde más en mostrar capas distintas. Tierra para macetas
probablemente no contendría tantos tipos de microbios anaeróbicos como los naturales
suelo, pero probablemente terminaría lo suficiente en la columna para iniciar el
capa anaeróbica.

Se agrega alguna fuente de carbono al suelo para proporcionar alimento a los
microbios, aunque mi fuente de suelo ciertamente ya tenía carbono
añadido en forma de hojas que no fueron totalmente eliminadas.
Dado que es posible generar compost satisfactorio comenzando solo con papel de periódico triturado, agua, algo de tierra para la fuente microbiana, calor y muchas veces un aditivo con alto contenido de celulosa como el periódico o el aserrín debería funcionar como fuente de alimento si tiene paciencia.


La mayoría de las otras fuentes de carbono contienen sustancias además del carbono que podrían alimentar a los microbios que prefieren algunas de estas sustancias, como azúcares, almidones y proteínas. La ventaja de un aditivo con alto contenido de celulosa es que contiene mucho carbono, aunque en una forma de digestión lenta.

Los entornos externos pueden suministrar luz solar o no, variaciones de temperatura y, en teoría, oxígeno reducido, aunque la mayoría de las situaciones fuera del laboratorio tendrían dificultades para suministrar el último entorno.

    Algún tipo de sedimento y agua del mismo entorno. El barro de invierno está bien.


Sergey Nikolayevich Winogradsky

Nuestros editores revisarán lo que ha enviado y determinarán si deben revisar el artículo.

Sergey Nikolayevich Winogradsky, Winogradsky también deletreado Vinogradsky, (nacido el 1 de septiembre de 1856 en Kiev, Imperio Ruso [ahora en Ucrania]; fallecido el 25 de febrero de 1953, Brie-Comte-Robert, Francia), microbiólogo ruso cuyos descubrimientos sobre la fisiología de los procesos de nitrificación y fijación de nitrógeno por las bacterias del suelo ayudó a establecer la bacteriología como una ciencia biológica importante.

Después de estudiar ciencias naturales en la Universidad de San Petersburgo en 1881, Winogradsky fue (1885) a Estrasburgo, Alemania. En 1887 estableció la fisiología específica de las bacterias del azufre, demostrando que la forma incolora de estas bacterias puede obtener energía oxidando el sulfuro de hidrógeno a azufre y luego a ácido sulfúrico en ausencia de luz.

En 1888, Winogradsky fue a la Universidad de Zúrich, donde descubrió (1889-1890) los agentes microbianos responsables de la nitrificación (la oxidación de las sales de amonio a nitritos y de los nitritos a nitratos). Estableció dos nuevos géneros:Nitrosomonas (formadores de nitritos) y Nitrosococcus ([Nitrobacter] formadores de nitratos), para los dos nuevos tipos de microorganismos implicados en el proceso. Regresó a San Petersburgo y trabajó para el Instituto Imperial de Medicina Experimental hasta su primera jubilación en 1905. Expulsado de Rusia por la Revolución de Octubre de 1917, reanudó su carrera en 1922 en el Instituto Pasteur de París, donde permaneció hasta se retiró nuevamente en 1940.


Winogradsky nació en Kiev (entonces en el Imperio Ruso). En esta primera etapa de su vida, Winogradsky estaba "estrictamente dedicado a la fe ortodoxa", aunque más tarde se volvió irreligioso.

Ingresó en el Conservatorio Imperial de Música de San Petersburgo en 1875 para estudiar piano. Sin embargo, después de dos años de formación musical, ingresó en la Universidad de San Petersburgo en 1877 para estudiar química con Nikolai Menshchutkin y botánica con Andrei Sergeevich Famintzin.

Recibió un diploma en 1881 y se quedó en la Universidad de San Petersburgo para obtener una maestría en ciencias en botánica en 1884. En 1885, comenzó a trabajar en la Universidad de Estrasburgo con el renombrado botánico Anton de Bary Winogradsky se hizo famoso por su trabajo. sobre las bacterias del azufre.

En 1888, se trasladó a Zurich, donde inició una investigación sobre el proceso de nitrificación, identificando los géneros Nitrosomonas y Nitrosococcus, que oxida el amonio a nitrito, y Nitrobacter, que oxida el nitrito a nitrato.

Regresó a San Petersburgo para el período 1891-1905, y dirigió la división de microbiología general del Instituto de Medicina Experimental durante este período, identificó el anaerobio obligado Clostridium pasteurianum, que es capaz de fijar nitrógeno atmosférico.

En 1901, fue elegido miembro honorario de la Sociedad de Naturalistas de Moscú y, en 1902, miembro correspondiente de la Academia Francesa de Ciencias.

Se retiró del trabajo científico activo en 1905, dividiendo su tiempo entre su propiedad privada y Suiza. En 1922, aceptó una invitación para dirigir la división de bacteriología agrícola en el Instituto Pasteur en una estación experimental en Brie-Comte-Robert, Francia, a unos 30 & # 160 km de París. Durante este período, trabajó en una serie de temas, entre ellos las bacterias del hierro, las bacterias nitrificantes, la fijación de nitrógeno por Azotobacter, bacterias que descomponen la celulosa y métodos de cultivo para microorganismos del suelo. Winogradsky se retiró de la vida activa en 1940 y murió en Brie-Comte-Robert en 1953.


Abstracto

La contaminación plástica en el escenario actual requiere un proceso de tratamiento sostenible y ecológico. Los plásticos de un solo uso acumulan más que los desechos plásticos reciclables. El polietileno de baja densidad (LDPE) es uno de la familia de plásticos con características inertes. El método tradicional, como el vertido en vertederos, desarrolla microorganismos resistentes a la contaminación. Está involucrado en la explotación de los microbios nativos al máximo. Se utilizó el suelo de Kodungaiyur, sitio de agricultura y vertedero de Otteri, lo que resultó en casi 22,97 ± 2,7115%, 15,91667 ± 2,73775% y 10,74 ± 0,502925% de degradación de LDPE en 30 días sin suplementos de nutrientes. El enriquecimiento de la columna con nutrientes orgánicos aumentó la degradación del LDPE. El enriquecimiento de la columna fue confirmado por las bacterias oxidantes de azufre (SOB) Escherichia coli y Pseudomonas stutzeri, que produjo 195 mg / mL de iones sulfato. El FTIR de la degradación del LDPE mostró la oxigenación del polímero, mientras que las imágenes de microscopio electrónico revelaron grietas. Además, se intentó encajar los datos experimentales de series de tiempo en modelos matemáticos adecuados para observar la predicción y el pronóstico elemental. Tres modelos matemáticos, a saber, el modelo de promedios móviles personalizado (CMAM), el modelo de regresión lineal simple (SLRM) y un modelo de regresión lineal modificado (MLRM) con un retraso, pudieron representar los datos experimentales reales de forma complementaria.


5. CONCLUSIÓN

Este estudio revela que dos factores de cambio ambiental (es decir, la temperatura y la disponibilidad de nutrientes) causaron una variación grande y no aditiva en la composición de las comunidades microbianas acuáticas y las condiciones abióticas del ecosistema. Las ventajas de este sistema incluyen alta paralelización y replicación, muestreo fácil y no destructivo, la versatilidad de condiciones y manipulaciones comprobables, y son de interés adicional además de los estudios de ecosistemas in situ. Creemos que estos conocimientos son solo la punta del iceberg de lo que se puede aprender de este modelo de microecosistemas con gradientes ambientales espaciales fuertes e incluso estratificados. Incluso en el estudio descrito, podríamos haber incluido muchos más elementos, como la caracterización de las condiciones en el sitio de muestreo, las mediciones de la composición de compuestos orgánicos en la columna de agua y el control sin celulosa. La investigación adicional con este nuevo sistema experimental podría tomar muchos caminos, incluido el estudio de la estabilidad de las comunidades a las perturbaciones de la presión y el pulso, y cómo esta estabilidad puede depender de aspectos de la composición de la comunidad, como la composición funcional y la diversidad intraespecífica, el alcance y la importancia de la evolución. procesos como la mutación y la selección para mediar los efectos del cambio ambiental y la observación de la composición de la comunidad a través de métodos metagenómicos, para capturar no solo el componente bacteriano de los microecosistemas, sino también para investigar el significado funcional de otros posibles habitantes, como los virus. Finalmente, se podría investigar por qué estos microecosistemas no se volvieron completamente óxicos o completamente anóxicos, y por qué hubo poca evidencia de las respuestas discontinuas al cambio ambiental que se predice para sistemas con fuertes retroalimentaciones positivas, como este.


Bacterias fototróficas

Las bacterias fototróficas son una categoría grande y diversa de bacterias que no representan un taxón sino, más bien, un grupo de bacterias que utilizan la luz solar como su principal fuente de energía. Este grupo contiene tanto proteobacterias como no proteobacterias. Usan energía solar para sintetizar ATP a través de la fotosíntesis. Cuando producen oxígeno, realizan fotosíntesis oxigenada. Cuando no producen oxígeno, realizan la fotosíntesis anoxigénica. Con la excepción de algunas cianobacterias, la mayoría de las bacterias fototróficas realizan la fotosíntesis anoxigénica.

Un gran grupo de bacterias fototróficas incluye las bacterias moradas o verdes que realizan la fotosíntesis con la ayuda de las bacterioclorofilas, que son pigmentos verdes, morados o azules similares a la clorofila en las plantas. Algunas de estas bacterias tienen una cantidad variable de pigmentos rojos o anaranjados llamados carotenoides. Su color varía de naranja a rojo, de púrpura a verde (Figura ( PageIndex <2> )), y son capaces de absorber luz de varias longitudes de onda. ¡Algunas bacterias verdes de azufre pueden realizar la fotosíntesis en el fondo del océano utilizando las longitudes de onda de luz emitidas por las rocas calentadas geotérmicamente alrededor de los respiraderos hidrotermales! 1 Tradicionalmente, las bacterias fotosintéticas se clasifican en bacterias azufradas y no azufradas y se diferencian aún más por el color (por ejemplo, bacterias azufradas púrpura).

Figura ( PageIndex <2> ): Las bacterias de azufre púrpura y verde que se muestran en esta columna de Winogradsky usan bacterioclorofilas para realizar la fotosíntesis.

Las bacterias del azufre realizan la fotosíntesis anoxigénica, utilizando sulfitos como donantes de electrones y liberando azufre elemental libre. Las bacterias que no contienen azufre utilizan sustratos orgánicos, como el succinato y el malato, como donantes de electrones.

Las bacterias de azufre púrpura oxidan el sulfuro de hidrógeno en azufre elemental y ácido sulfúrico y obtienen su color púrpura de los pigmentos, bacterioclorofilas y carotenoides. Bacterias del género Cromatio son Gammaproteobacterias de azufre púrpura. Estos microorganismos son anaerobios estrictos y viven en el agua. Utilizan dióxido de carbono como su única fuente de carbono, pero su supervivencia y crecimiento solo son posibles en presencia de sulfitos, que utilizan como donantes de electrones. Cromatio se ha utilizado como modelo para estudios de fotosíntesis bacteriana desde la década de 1950.

Las bacterias verdes del azufre usan sulfuro para la oxidación y producen grandes cantidades de bacterioclorofila verde. El genero Clorobio es una bacteria de azufre verde que está implicada en el cambio climático porque produce metano, un gas de efecto invernadero. Estas bacterias utilizan al menos cuatro tipos de clorofila para la fotosíntesis. El más común de estos, la bacterioclorofila, se almacena en orgánulos especiales similares a vesículas llamados clorosomas.

Las bacterias púrpuras sin azufre son similares a las bacterias púrpuras del azufre, excepto que utilizan hidrógeno en lugar de sulfuro de hidrógeno para la oxidación. Entre las bacterias púrpuras sin azufre se encuentra el género Rhodospirillum. Estos microorganismos son anaerobios facultativos, que en realidad son rosados ​​en lugar de morados, y pueden metabolizar (& ldquofix & rdquo) nitrógeno. Pueden ser valiosos en el campo de la biotecnología debido a su capacidad potencial para producir plástico biológico y combustible de hidrógeno.

Las bacterias verdes sin azufre son similares a las bacterias verdes de azufre pero utilizan sustratos distintos de los sulfuros para la oxidación. Cloroflexo es un ejemplo de una bacteria verde sin azufre. A menudo tiene un color naranja cuando crece en la oscuridad, pero se vuelve verde cuando crece a la luz del sol. Almacena bacterioclorofila en clorosomas, similar a Clorobioy realiza la fotosíntesis anoxigénica, utilizando sulfitos orgánicos (bajas concentraciones) o hidrógeno molecular como donantes de electrones, para que pueda sobrevivir en la oscuridad si hay oxígeno disponible. Cloroflexo no tiene flagelos pero puede deslizarse, como Cytophaga. Crece en un amplio rango de temperaturas, desde 35 ° C a 70 ° C, por lo que puede ser termofílico.

Otro grupo grande y diverso de bacterias fototróficas componen el filo Cyanobacteria; obtienen su color azul verdoso de la clorofila contenida en sus células (Figura ( PageIndex <3> )). Las especies de este grupo realizan la fotosíntesis oxigenada, produciendo megatones de oxígeno gaseoso. Los científicos plantean la hipótesis de que las cianobacterias desempeñaron un papel fundamental en el cambio de la atmósfera anóxica de nuestro planeta y rsquos hace 1 & ndash2 mil millones de años al entorno rico en oxígeno que tenemos hoy. Este grupo se analiza con más detalle en 3.1.3.1.

Figura ( PageIndex <3> ): (a) Microcystis aeruginosa es un tipo de cianobacteria que se encuentra comúnmente en ambientes de agua dulce. (b) En temperaturas cálidas, M. aeruginosa y otras cianobacterias pueden multiplicarse rápidamente y producir neurotoxinas, lo que resulta en floraciones que son dañinas para los peces y otros animales acuáticos. (crédito a: modificación del trabajo por el Dr. Barry H. Rosen / Servicio Geológico de EE. UU. crédito b: modificación del trabajo por NOAA)

La tabla ( PageIndex <2> ) resume las características de algunos grupos importantes de bacterias fototróficas.

Tabla ( PageIndex <2> ): Características de las bacterias fototróficas.
Filo Clase Ejemplo de género o especie Nombre común Oxigenico o Anoxigeno Deposición de azufre
Cianobacterias Cianofíceas Microcystisaeruginosa Bacterias verde azuladas Oxigenico Ninguno
Clorobi Clorobia Clorobio Bacterias de azufre verde Anoxigenico Fuera de la celda
Cloroflexi (División) Cloroflexi Cloroflexo Bacterias verdes sin azufre Anoxigenico Ninguno
Proteobacterias Alfaproteobacterias Rhodospirillum Bacterias púrpuras sin azufre Anoxigenico Ninguno
Betaproteobacterias Rhodocyclus Bacterias púrpuras sin azufre Anoxigenico Ninguno
Gammaproteobacteria Cromatio Bacterias de azufre púrpura Anoxigenico Dentro de la celda


Discusión

Estructura de la comunidad de columnas de Winogradsky

Las poblaciones microbianas de la columna Winogradsky pueden ser excepcionalmente diversas. Hasta 30 phyla y 323 géneros estaban presentes en una columna individual, y entre todas las columnas se identificaron 31 phyla y 414 géneros. De manera similar, se ha observado una alta diversidad en grupos taxonómicos en estudios anteriores de sedimentos, incluidos más de 40 phyla identificados en un estudio de sedimentos de marismas, y 18 phyla identificados en un estanque de agua dulce subóxica [29], [30]. El índice de Shannon también indicó una comunidad excepcionalmente diversa, entre 6 y 7 para SWI y capas más profundas. Este nivel de diversidad no tiene precedentes, pero es notable: un estudio previo de las comunidades microbianas de sedimentos de marismas indicó valores del índice de Shannon superiores a 7 [31]. Además, debido a que las curvas de rarefacción alcanzan una meseta, nuestro esfuerzo de secuenciación fue suficiente para capturar de manera efectiva la diversidad de las muestras incluso a una profundidad de muestreo baja.

Nuestros resultados muestran que estas comunidades de columnas de Winogradsky contienen pocos taxones muy abundantes y una gran cantidad de microbios más raros. La mayoría de los géneros identificados en las columnas de Winogradsky estuvieron presentes en menos del 1% de abundancia relativa, mientras que entre 19 y 30 géneros se encontraron con más del 1% de abundancia relativa. El índice de Berger-Parker demostró que el dominio de la comunidad era similar entre todas las muestras del subsuelo, y las curvas de rarefacción de la riqueza de OTU continuaron aumentando con secuencias adicionales por muestra (Figura 3). Esta distribución de pocos microbios raros abundantes y numerosos es típica del suelo y otras comunidades microbianas estudiadas utilizando técnicas de alto rendimiento [32] - [36]. En algunos casos, se han cultivado microbios raros o se ha demostrado que son funcionalmente importantes en el ecosistema [37], [38]. Sin embargo, el concepto de que las comunidades microbianas contienen una “biosfera rara” es controvertido, ya que varios estudios han sugerido que las mediciones de la biosfera rara y, por lo tanto, la diversidad, están infladas por errores de secuencia [39] - [43]. De hecho, con el aumento de la profundidad de muestreo y la frecuencia constante de error de secuenciación, se esperaría que las OTU de riqueza y singleton continúen aumentando indefinidamente debido únicamente al error. Por lo tanto, la diversidad de OTU de muy baja abundancia podría explicarse igualmente bien por microbios raros, artefactos de secuenciación o una combinación de ambos. Intentamos minimizar el impacto de los errores de secuenciación en nuestros datos agrupando las OTU al 97% de identidad (en lugar del 100%) y filtrando la calidad de nuestras secuencias mediante la detección de quimeras y la eliminación de secuencias extremadamente raras. Las OTU restantes se produjeron en al menos 2 muestras y estaban representadas por al menos 50 secuencias, lo que hace menos probable que estas OTU fueran el producto de errores de secuencia individuales o artefactos de secuenciación.

Efecto de las variables ambientales en la comunidad microbiana de Winogradsky

Nuestros resultados sugieren que la composición de la comunidad en una columna de Winogradsky está determinada por un efecto fundador seguido de diversificación en nichos estratificados. Cuando se recolecta sedimento del sitio del estanque, se captura una población fundadora y se vierte en la columna. La alta diversidad de comunidades de suelos y sedimentos asegura que haya microbios que pueden prosperar en la variedad de nichos que resultan en la columna, incluidos gradientes de oxígeno y sulfuro de hidrógeno a lo largo de la profundidad de la columna. Es probable que las propiedades químicas y físicas del sedimento también contribuyan al establecimiento de estos nichos. La colonización del microbioma humano también está sujeta a un efecto fundador similar seguido de diversificación. El modo de parto (vaginal versus cesárea) influye en la estructura de la población fundadora que coloniza al bebé [44] y, con el tiempo, se desarrollan comunidades específicas de sitios en la piel, el intestino y otros nichos en el cuerpo humano [45].

En nuestro estudio, encontramos evidencia del efecto fundador en las comunidades de Winogradsky, ya que la fuente de sedimentos fue un impulsor importante de la composición de la comunidad resultante. Las medidas de diversidad beta mostraron que, independientemente de la profundidad o la fuente de carbono orgánico, las columnas hechas de la misma fuente de sedimentos eran más similares entre sí que las columnas hechas de diferentes fuentes de sedimentos (Figuras 3 y 4). Los biomarcadores de fuentes de sedimentos indicaron que los mismos nichos en las columnas de Winogradsky pueden ser llenados por microbios filogenéticamente distantes de acuerdo con un efecto fundador. En general, hubo más biomarcadores para las columnas de Eph's Pond que para las de Buxton Pond (Figura 5B), de acuerdo con nuestros resultados de diversidad alfa, que mostraron que las columnas de Eph's Pond contenían comunidades microbianas más diversas y ricas. Los miembros anaeróbicos de las proteobacterias, incluidos los anaerobios del ciclo del azufre dentro de las deltaproteobacterias, eran más abundantes en las columnas de Eph's Pond en todas las capas que en las mismas capas de las columnas de Buxton Pond. Por el contrario, el filo anaeróbico Firmicutes (incluidos los reductores de sulfato dentro de este filo) fue más abundante en las columnas de Buxton Pond que en las columnas de Eph's Pond. Estos patrones sugieren que ambas columnas contenían nichos del ciclo anaeróbico y del azufre dominados por diferentes microbios según un efecto fundador.

Una vez que esa población fundadora se suma a la columna, la profundidad y, en menor medida, la fuente de carbono orgánico, permiten el crecimiento de bacterias específicas en los diferentes nichos que se crean. At the very top of the columns, the community, dominated by Cyanobacteria, was the least diverse and least rich (Figure 2). Samples collected by drilling into the SWI were the most variable but were no more diverse or rich than samples from greater depth. This indicates that, despite depth-based shifts in environmental conditions in Winogradsky columns, microbial diversity at all subsurface points remains high. Because we don't have information on the structure of the pond microbial community or the organic matter content of the sediments, we are unable to explain why supplementation caused only a minor shift in the population. The added leaf litter or vegetable scraps may have provided too little supplemental carbon to make a sufficient difference, or both sources may have provided similar supplements, changing the population from the founding pond sediments but not from eachother.

Using beta diversity analyses, we found separation of the phylogenetic and taxonomic composition of the communities by depth (upper layers: top surfaces and SWI, and lower layers: 4 cm, 8 cm, 12 cm). The separation of surface and SWI samples from deeper samples was more pronounced in weighted UNIFRAC, where relative abundance is taken into account. Weighted UNIFRAC has been suggested to be more appropriate in highlighting community differences based on shifts in abundance, such as those associated with differences in metabolite concentration [24]. We therefore propose that the differences seen between upper-level and lower-level samples reflect the major shifts in microbial community composition and structure that occur as conditions shift from oxic to anoxic. Similar patterns have seen in ponds receiving abundant organic matter and in flooded paddy soils, in which anoxic conditions rapidly develop close below the surface and anaerobic microbes produce methane and H2S [3], [29]. It will be interesting to determine if similarly high diversity as well as depth and sediment source effects are seen in Winogradsky columns prepared with materials from more distinct environments.

Composition of Winogradsky column communities

Proteobacteria, Firmicutes and Bacteroidetes made up more than 75% of the community of each sample. Proteobacteria were highest in abundance at the tops of columns and decreased in abundance with increasing depth. Proteobacteria are frequently identified as an abundant member of sediment microbial populations, and Alphaproteobacteria and Betaproteobacteria have been linked to oxic zones of vertical oxygen gradients in previous studies [3], [29], [46]–[48]. Our work shows that this association of members of the Proteobacteria with oxic zones is duplicated in Winogradsky columns. Interestingly, in both Eph's and Buxton Pond columns, in lower-depth samples, the communities were either abundant in Proteobacteria or Firmicutes, but not both, suggesting that local conditions favor growth of one or the other.

Firmicutes and Bacteroidetes were low in abundance at the tops of columns and increased in abundance with depth. Firmicutes, mainly Clostridium Cluster one, has previously been associated with anoxic zones in vertical oxygen gradients [3], [46] and the genus Clostridium has long been described as an abundant member of the bottom layers of Winogradsky columns. The high abundance of the class Clostridia at lower layers supports past culture-based associations between Clostridia and anoxic zones of sediment.

Bacteroidetes is another anaerobic phylum and its increasing abundance with depth is likely a reflection of decreasing oxygen concentration with depth. Certain members of the Phylum Bacteroidetes are capable of degrading complex organic compounds like cellulose [49] and chitin and are likely key to the carbon cycle in the Winogradsky column. The simpler carbon compounds produced by these decomposers can be utilized by other fermenting organisms. Overall the distribution of aerobic and anaerobic groups at different depths reinforces the implications of beta diversity analyses and strongly suggests a major impact of oxygen concentration on microbial communities in Winogradsky columns.

The sulfur cycle is a key biogeochemical cycle that is driven primarily by microbial processes. The Winogradsky column has been used to enrich for sulfur cycle organisms, and used as a teaching tool for demonstrating the sulfur cycle. High-throughput sequencing of Winogradksy columns allows for detailed analysis of the ecology and spatial distribution of sulfur cycle microbes and provides an example of taxonomically distant microbes filling the same niches in microbial communities. Dissimilative reduction of sulfur compounds is carried out by sulfur reducing bacteria for energy conservation. Anaerobic respiration of sulfate (SO4 2− ) generates hydrogen sulfide (H2S), which has a distinctive odor and spontaneously forms ferrous sulfide with iron, visible as a black coloration of the soil. The sulfur reducing bacteria are not a monophyletic group, but rather are defined physiologically. Many sulfur reducers are in the class Deltaproteobacteria, but some Firmicutes and Archaea are also capable of sulfate reduction [50]. In these columns, the particular sulfur/sulfate reducers found differed by sediment source used. The sulfate reducing Firmicutes in the family Peptococcaceae were identified as a biomarker for Buxton Pond columns while other sulfur/sulfate reducers were rare or absent (Figure 7). In Eph's Pond columns, sulfur/sulfate reducing organisms were more diverse and abundant and were almost exclusively Deltaproteobacteria, most of which were biomarkers for Eph's Pond columns (Figure 7). Deltaproteobacteria are commonly found in sediment communities and have been identified as an abundant member of black layer communities in wetlands [29], [51], [52]. The family Desulfobacteraceae was the most abundant sulfate reducer and was distributed throughout Eph's Pond columns. In the family Syntrophaceae about one third of the sequences classifiable to a genus belonged to Syntrophus, which cannot reduce sulfate however other sequences may belong to sulfate reducing members of this family. los Syntrophobacteraceae family is also comprised of a mix of sulfur reducers and non-sulfur reducers. The differences in sulfur/sulfate reducing communities between the two sediment sources demonstrate the functional overlap between highly divergent microbial groups.

Sulfur oxidizers complete the cycle by oxidizing H2S to elemental sulfur (S 0 ) and SO4 2− through phototrophy or chemolithotrophy. The Purple Sulfur Bacteria (PSB) use H2S, and sometimes other reduced sulfur compounds, as an electron donor in photosynthesis. They have red, orange, blue and yellow pigments, resulting in the red-violet zone of the Winogradsky column, in the upper-middle portion of the column. The process generates elemental sulfur that is stored in intracellular globules and can be later oxidized to SO4 2−. The PSB are all members of the class Gammaproteobacteria. Like the PSB, the Purple Non-sulfur Bacteria (PNSB) use H2S in photosynthesis, but generally have lower H2S concentration optima than the PSB. These are members of the Alphaproteobacteria and Betaproteobacteria. The Green Sulfur Bacteria (GSB) use H2S as an electron donor in photosynthesis, generating S 0 and SO4 2−. They are strict anaerobes, and are typically found in the “green zone” located in the lower-middle of the Winogradsky column. Neither the PSB nor the PNSB were found to be abundant in these columns (Figure 7). Although the GSB were more abundant, they were distributed unevenly in samples throughout the column rather than in the expected lower-middle zone. This is not surprising given that distinct green and red-violet zones were not apparent in these columns, although patches of color were present throughout at different intensities. Further, our sampling technique (drilling into the side of the column) may have excluded or destroyed surface-attached members of the microbial community.

Sulfur oxidation can also occur through chemolithotrophy, the use of a reduced sulfur compound as an electron donor in aerobic or anaerobic respiration. The chemolithotrophic sulfur oxidizer Thiobacillus was fairly abundant in the column, but especially in the upper-middle zones. They are shown in Figure 8 as Hydrogenophilaceae the vast majority of the sequences identified in this family belong to the genus Thiobacillus. Another important chemolithotrophic sulfur oxidizer is the filamentous non-photosynthetic Beggiatoa, [53]. This species is strongly associated with Sergei Winogradsky, as its isolation and characterization by Winogradsky led to the concept of lithoautotrophy [54]. No Beggiatoa sequences were found in these columns.

We also identified a collection of microorganisms in the 4 cm and 8 cm layers involved in methane cycling. The phylum Euryarchaeota, one of the two Archaeal phyla detected in the columns, was a biomarker for samples at 8 cm. A prior study of microbial community composition in suboxic freshwater ponds identified Euryarchaeota as the only archaeal phylum in the sediment [29]. Euryarchaeota includes methanogenic microbes. Interestingly, the methanotrophic Methylococcales (a Gammaproteobacteria) was a biomarker for 4 cm samples, suggesting that methane produced in deeper layers is being used by methanotrophs above. The detection of Methylococcales in this layer is interesting, given that the black coloration of the sediment (indicative of metal sulfide precipitation) suggests an anoxic environment.

Natural history of Eph's and Buxton Ponds

Both Buxton Pond and Eph's Ponds are located near Williams College, Willamstown, MA. Buxton Pond is entirely shaded and receives a substantial amount of leaf litter, while Eph's pond receives more direct sunlight. Buxton Pond is also closer to small roads. Both ponds have in the past experienced exposure to human waste. A sewer rupture in 1994 allowed raw sewage to flow into Eph's Pond for several days no remediation was performed. Until the mid-1990s Buxton Pond was the receiving water body for one of the Buxton boarding prep school's cesspools. Several fecal microbiome microbes were biomarkers for Buxton Pond (Bacteroides, Enterobacteriales, and Ruminococcus), perhaps reflecting past fecal contamination. However, these are also cellulose degraders, and may be present in greater abundance than in Eph's Pond due to the differences in the amount of leaf litter that falls on the ponds. Columns from both ponds have microbes associated with contamination with aromatic organic compounds (Dehalobacter, Desulfomonile, and Dechloromonas), consistent with their history and location in a lightly developed municipality.

Winogradsky columns as model communities

Microbial communities contribute critically to biogeochemical cycles, bioremediation, alternate fuel production, primary productivity, and numerous other processes critical in supporting ecosystems. They are also extraordinarily diverse and complex, containing numerous rare microbes, and are shaped by an enormous variety of factors including the presence or absence of other microbes, metabolic conditions, temperature, and pH. Studies of microbial communities in natural sediments are difficult to control for the impact of such variables. Here, we demonstrate the potential of Winogradsky columns for applying 16 s rRNA sequencing to the study of complex microbial communities. Winogradsky columns are easy to create, replicate, and manipulate, which allows for a degree of control not possible in field studies. We have demonstrated that Winogradsky column communities can be exceptionally diverse and display consistent patterns in microbial abundance based on depth, similar to natural ecosystems. Columns could also be manipulated to mimic the effects of changing temperatures, pollution, drought, or other effects relevant to current environmental challenges. Supplementing columns with different metabolites would offer a simple method for elucidating the effects of individual metabolites on stratified microbial communities. Time-course studies would offer insights in to the dynamics of communities over time as well as questions of succession and competition in sediment microbial communities. Winogradsky columns are self-contained and manipulatible ecosystems of diverse microbes and in combination with high-throughput sequencing could become a powerful tool for studies of microbial ecology.

Winogradsky columns in undergraduate education

Winogradsky columns are commonly used in undergraduate microbiology courses, for example as tools to teach principles of nutrient cycling [55]. Metagenomics is an increasingly important part of microbiology, and together, the two present a unique opportunity to introduce students to ground-breaking technology, laboratory techniques such as extraction of DNA and PCR, and analysis of large, complex datasets. Several successful programs have already integrated education and genomics research [56]. Some of the work presented in this paper was performed within introductory microbiology courses at Vassar College and Williams College, and we envision that short or more extensive units on Winogradsky metagenomics could be an effective component of undergraduate microbiology courses, or could be the focus of an advanced undergraduate course on microbial ecology or metagenomics. We have developed teaching materials to guide teachers on using wet-lab and bioinformatic techniques for Winogradsky metagenomics in their courses [57], and emphasize that the data generated in these studies are a publicly available resource that can be used to supplement laboratory instruction.


Ver el vídeo: Microbiologia de suelos columna de winogradsky-Luis Arcila (Febrero 2023).