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• Marcelo Pillajo

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Complejo de factores externos que actúan sobre un sistema y determinan su curso y su forma de existencia, el cual debe interactuar necesariamente con seres vivos.

Ambiente

Ciencia que estudia los microorganismos, un amplio y diverso grupo de organismos microscópicos unicelulares o pluricelulares, que incluye también a los virus, viroides y priones.

Microbiología

Microbiología Ambiental

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Estudio de las interacciones entre microorganismos y los componentes bióticos y abióticos de su medioambiente para mantener una actividad continua imprescindible para la vida en la biosfera. Incluye estudios de ecología microbiana, geo-microbiología, diversidad microbiana y biorremediación.

Microbiología Ambiental

Constituye el principal componente de biodiversidad, pero se requiere de herramientas (avances tecnológicos e intelectuales) apropiadas para cuantificar esta diversidad, tanto en “modelos” como en las comunidades naturales.

Juegan un papel fundamental en los ciclos biogeoquímicos de la naturaleza.

La diversidad microbiana del suelo es la causa de la fertilidad del mismo.

Los mecanismos que mantienen la diversidad microbiana de la biosfera son la base de la dinámica de los ecosistemas terrestres, acuáticos y aéreos.

Diversidad microbiana

Microbiología Ambiental

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Antonij van Leeuwenhoek Holanda, 1632-1723

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Robert Hooke Inglaterra, 1635-1703

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• Creación del microscopio simple (1675). • Descubrimiento de bacterias y protozoos (1684), denominados animáculos.

• Creación del microscopio compuesto (1665). • Todos los organismos están compuestos por células. • Describe hongos filamentosos.

Desarrollo histórico de la Microb. Ambiental

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Microscopio compuesto Robert Hooke, 1665

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Microscopio simple Antonij van Leeuwenhoek, 1675

Desarrollo histórico de la Microb. Ambiental

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Carl Nilsson Linæus Suecia, 1707-1778

Pasteurización (1864). Refutación de la generación espontánea (1864). Creación de vacunas (18801885) y propagación de enfermedades. Creación del autoclave (1879). Descubrimiento de bacterias anaeróbicas.

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Loius Pasteur Francia, 1822-1895

Nomenclatura binomial de microorganismos (1735). Fundador de la taxonomía moderna. Uno de los padres de la ecología.

Desarrollo histórico de la Microb. Ambiental

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4. El microorganismo debe ser recuperable de nuevo a partir del hospedador inyectado experimentalmente.

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Heinrich Herman Robert Koch. Alemania, 1843-1910

3. La enfermedad específica debe reproducirse cuando un cultivo puro del microorganismo se inocula a un hospedador susceptible sano.

2. El microorganismo debe ser aislado del hospedador enfermo y obtenerse en cultivo puro en el laboratorio.

1. El microorganismo debe estar presente en todos los casos de la enfermedad.

• Fundador de la bacteriología. • Descubre la tuberculosis (Mycobacterium tuberculosis) 1882 y el cólera (Vibrio cholreae) 1883. • Importantes avances en microscopia. • Postulados de Koch (1905).

Desarrollo histórico de la Microb. Ambiental

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Martinus W. Beijerinck Holanda, 1851-1931

Sergei N. Winogradsky Rusia, 1856-1952

Padres de la Microbiología Ambiental

Desarrollo histórico de la Microb. Ambiental

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Martinus Willem Beijerinck. Holanda, 1851-1931

• Aísla bacterias del género Rhizobium y establece el principio de la fijación biológica del nitrógeno por leguminosas (1888). • Fundador de la virología (1892). • Iniciador de estudios de microbiología aplicada a industrias y a la agricultura (1895). • Aísla y describe bacterias del género Azotobacter (1901). • Aísla y describe Spirillum desulfuricans, primera bacteria reductora de sulfatos. • Inventa los medios enriquecidos para aislar microorganismos del ambiente.

Desarrollo histórico de la Microb. Ambiental

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• Pionero en estudiar a los microorganismos fuera del contexto médico. Ciclos biogeoquímicos • Identifica bacterias en el proceso de nitrificación (1888) y fijación de nitrógeno anaeróbica (1891). • Descubre el proceso de quimioautrofía. • Primer estudioso de la ecología microbiana y la microbiología ambiental. • Creo la llamada Columna de Winogradsky. la cual es una demostración clásica de la ocupación de Sergei Nikolaievich Winogradky diferentes ambientes por los Rusia, 1856-1952 microorganismos.

Desarrollo histórico de la Microb. Ambiental

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MICROORGANISMOS Y ECOSISTEMAS

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Microorganismos y ecosistemas

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Picrophilus oshimae pH: -0.06 Óptimo 0.7

Thiomargarita namibiensis 0.75 mm

Psychromonas ingrahamii -12 a -20 °C

EXTREMÓFILOS

Microorganismos y ecosistemas

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Archaea Pyrolobus fumarii 90-113°C < 90°C no crece

Nanoorganismo acidofílico ARqueal (ARMAN) 200nm

Salinibacter ruber

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Shewanella Profundidad de 11000 m. ¿Que peso soportan?

Microorganismos y ecosistemas

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Deinococcus radiodurans Radiacione Sultravioleta y ganma emitidas por el sol. Materian a cualquier humano

COMSUMIDORES

DESCOMPONEDORES

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RECICLADO DE NUTRIENTES

PRODUCTORES PRIMARIOS

Hongos y bacterias

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Proltozoos, algas mixotrofas, bacterias

Bacterias quimiolitotrofas

Algas eucariotas Cianobacterias Anoxifotobacterias

MICROORGANISMOS Y EL FUNCIONAMIENTO DE COSISTEMAS

Microorganismos y ecosistemas

Flujo de Energía

Phytphthora infestans

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Alternaria solani

Microorganismos y ecosistemas

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Xanthomonas axonopodis pv. citri

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Colera aviar. Pasteurella multocida

Enfermedad de las Vacas Locas (encefalopatía espongiforme bovina). Priones

Microorganismos y ecosistemas

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Virus de inmunodeficiencia humana (VIH)

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Staphylococcus aureus

Microorganismos y ecosistemas

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Trichophyton rubrum

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INTERACCIONES MICROBIANAS Y CON ORGANISMOS SUPERIORES

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El mejor adaptado predomina o elimina completamente a los otros.

Los organismos que se establecen el mismo nicho ecológico. Necesitan los mismos alimentos y condiciones ambientales. Tienen gran influencia entre sí.

Competencia -/-

Interacciones Microbianas

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• En las fermentaciones lácticas al principio hay muchos tipos de bacterias pero al final predominan una Lactobacillus lactis

• En cuis Entamoeba histolytica es incapaz de producir amebiasis clínica cuando Escherichia coli está presente.

Interacciones Microbianas

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Staphylococcus aureus produce sustancias antifúngicas que causan alteraciones e hinchazón en las hifas de Aspergillus terreus.

Pseudomonas aeruginosa produce pigmentos que inhiben la germinación de Aspergillus terreus.

Antagonismo +/-

Interacciones Microbianas

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• Streptococcus cremoris y Streptococcus lactis, creciendo juntas producen mayor cantidad de ácido láctico que cuando crecen separadas.

• Cuando la relación no es obligatoria se le llama cooperación.

• Simbiosis en que ambos organismos resulta benefiados.

Mutualismo +/+

Interacciones Microbianas

Compuestos nitrogenados

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Carbono orgánico

CO2

Bacterias fijadoras de CO2, Thiobacillus ferroxidans

S, P y huellas de metales

O2 Triturado, mezcla y filtrado

Bacterias fijadoras de N2 Beijerinkia lactocogenes

N2

• Producción de metabolitos diferentes. Thiobacillus ferroxidans y Beijerinkia lactocogenes en la descomposición de triturado de metales sin fuente de nitrógeno y carbono. Aire

Interacciones Microbianas

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Líquen: • El hongo obtiene del alga productos metabólicos como glucosa y alcoholes. • El alga se beneficia de la capacidad que tienen las paredes del hongo para retener agua.

La Influenza Porcina sólo se produce si están presentes simultáneamente: • Tarpeia suis (virus) • Haemophilus suis (bacteria)

Interacciones Microbianas

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• Las asociaciones comensales permiten el desarrollo de especies anaerobias y facultativas en medios aeróbicos.

Levaduras/bacterias • Cuando el medio tiene alta concentración de azúcar las levaduras crecen pero no las bacterias.

Comensalismo +/0

Interacciones Microbianas

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• Hongos que parasitan hongos • Hongos que parasitan algas • Los virus son parásitos de hongos, algas y bacterias

El parásito depende del huésped y vive en contacto físico y metabólico con él. Eventualmente el huésped muere.

Parasitismo +/-

Interacciones Microbianas

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• Los protozoos se alimentan de: – Hongos – Algas – Bacterias • Los hongos mucilaginosos de bacterias.

Muerte e ingestión de microorganismos de una especie por los de otra especie

Depredación +/-

Interacciones Microbianas

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Interacciones Animal-Microbio Simbiosis Mutualista: Microflora benéfica del tracto intestinal de las termitas (protozoos).

Interacciones Planta-Microbio Simbiosis mutualista: Rhizobium-leguminosas: convierte el nitrógeno a una forma que puede ser utilizado por las plantas. Simbiosis mutualista: Hongos MicorrizógenosPoaceae. Realiza economía del agua y nutrientes a las plantas.

Simbiosis +/+

Interacciones Microbianas

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FACTORES AMBIENTALES Y LA Microorganismos y ecosistemas. VIDA MICROBIANA

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BIOLÓGICOS

nutrientes, sustancias antimicrobianas

QUÍMICOS

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otros organismos (microorganismos, plantas, animales)

Luz, temperatura, gases, presión osmótica, pH

FÍSICOS

Factores ambientales

Factores ambientales y la vida microbiana

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40-70ºC

15-45ºC

0-20ºC

Rango

55ºC

35ºC

15ºC

Temperatura óptima

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-Las bajas temperaturas se emplean para conservar microorganismos.

-Las altas temperaturas se usan para esterilizar

Termófilos

Mesófilos

Psicrófilos

Clasificación

Temperatura

Factores ambientales y la vida microbiana

40

10

20

30

°C

39

40

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0

°C

13

Psicrófilo Flavobacterium

70

Temperatura (°C)

60

80

°C

°C

50

80

60

90

°C

105

Hipertermólfilo Pyrodictium

41

100 110 120

Termófilo Bacillus Hipertermólfilo stearothermophilus Termococcus Mesófilo Escherichia coli

Temperatura

Factores ambientales y la vida microbiana

Basófilos

Neutrófilos

Acidófilos

Clasificación

9-14

5-12

0-7

Rango

10

7

5

pH óptimo

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Regulador de: Procesos biológicos mediados por acidos nucleicos, enzimas, proteinas. Disponibilidad de nutrientes esenciales que limitan el crecimiento microbiano (NH4+, PO4, Mg2+

• Los microorganismos poseen mecanismos que les permiten desarrollarse en un amplio rango de pH

• El pH interno de las células microbianas es neutro

pH

Factores ambientales y la vida microbiana

C. ORGÁNICOS HETEROTROFOS

C. INORGÁNICOS C. ORGÁNICOS QUIMIOTROFOS

ORGANOTROFOS

C. ORGÁNICOS

FUENTE DE PODER REDUCTOR

FUENTE DE CARBONO

FUENTES DE ENERGÍA

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LITOTROFOS

C. INORGÁNICOS

AUTOTROFOS

CO2

LUZ FOTOTROFOS

Nutrientes

Factores ambientales y la vida microbiana

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Los requerimientos nutricionales incluyen: • Fuente de energía: luz, compuestos inorgánicos u orgánicos. • Fuente de nitrógeno: nitrógeno atmosférico, nitratos, nitritos, etc. • Fuente de carbono: dióxido de carbono, metano, compuestos orgánicos. • Fuente de oxígeno: oxígeno atmosférico

Autótrofa y heterótrofa

Nutrición de bacterias

Factores ambientales y la vida microbiana

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Hongos Saprófitos (o saprobios): viven sobre materia orgánica en descomposición. Hongos Parásitos: se alojan sobre algún ser vivo que los hospede, viviendo a expensas de éste sin ofrecerle ningún beneficio a cambio. Hongos Micorrízicos: viven en simbiosis con alguna especie vegetal obteniendo ambos un beneficio mutuo.

Nutrición de hongos filamentosos

Factores ambientales y la vida microbiana

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Aerobio

Anaerobio

Requerimientos de oxìgeno

Anaerobio Facultativo

Factores ambientales y la vida microbiana

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Plantas Animales Hombre Otros microorganismos

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• • • •

Factores biológicos

• Microorganismos

Factores ambientales y la vida microbiana

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LA ADAPTACIÓN AL AMBIENTE Y LA Microorganismos y ecosistemas. INFORMACIÓN GENÉTICA

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Determinada por el genotipo

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La expresión del genoma afectada por el medio ambiente

La información genética de cada individuo

Los microorganismos se adaptan a los cambios temporales del ambiente ADAPTACIÓN FENOTÍPICA

Fenotipo

Genotipo

Adaptación al ambiente e información genética

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¿POR QUE?

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SOLO LOS MEJORES ADAPTADOS LOGRAN SOBREVIVIR

Las condiciones ambientales determinan que diferentes tipos genéticos de microorganismos puedan competir con otros.

Adaptación al ambiente e información genética

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La capacidad de un microorganismo de adaptarse al ambiente es hereditaria, pero el estado fenotípico que resulta de la adaptación, puede no ser heredado.

Temperatura

Óptima

La capacidad adaptativa está entre los límites del genotipo.

Adaptación al ambiente e información genética

Número de individuos

Respuesta a cambios temporales

Se lleva a cabo entre los límites del genotipo

Cambios del genotipo por selección

Se lleva a cabo por: • mutaciones espontáneas o inducidas • Intercambio genético

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Fenotípica o fisiológica

Evolutiva

Tipos de adaptación

Adaptación al ambiente e información genética

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• Hay oportunidades para un cambio en el genotipo como resultado de una mutación. • El mutante es un organismo cambiado permanentemente. • Si es capaz de prosperar en el ambiente, el mutante se perpeturará, de lo contrario perecerá.

AATGGATTGCTA

AATGCATTGCTA

AATGCATTGCTA

Mutación espontánea o inducida

Adaptación evolutiva

Adaptación al ambiente e información genética

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En este caso la transferencia de ADN de una bacteria a otra , se realiza a través de un virus bacteriófago, que se comporta como un vector intermediario entre las dos bacterias.

Transducción

Intercambio genético bacteriano

Adaptación evolutiva

Adaptación al ambiente e información genética

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Epiliton de las rocas en los ríos

Robert V. Miller, Scientifican american,1998

Adaptación al ambiente e información genética

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En este proceso, una bacteria donadora F+ transmite a través de un puente o pili, un fragmento de ADN, a otra bacteria receptora F-. La bacteria F+ posee un plásmido, además del cromosoma bacteriano.

Conjugación

Intercambio genético bacteriano

Adaptación al ambiente e información genética

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Consiste en el intercambio genético producido cuando una bacteria es capaz de captar fragmentos de ADN, de otra bacteria que se encuentran dispersos en el medio donde vive.

Transformación

Intercambio genético bacteriano

Adaptación al ambiente e información genética

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Robert V. Miller, Scientifican amarican,1998

Adaptación al ambiente e información genética

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http://193.146.205.151/web/articulos/articulos.htm

Adaptación al ambiente e información genética

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• Ocurren en todos los individuos de una población expuestos al cambio. • En altas temperaturas todos los microorganismos pierden sus flagelos y esta condición permanece por varias generaciones. • Cuando son incubados a temperatura normal, recuperan los flagelos.

Adaptación fenotípica o fisiológica

Adaptación al ambiente e información genética

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• Genoma variable– ambiente variable: EVOLUTIVA La supervivencia de los microorganismos mejor adaptados a los cambios permite la selección de un genoma más que otro. La naturaleza selecciona los mejores adaptados.

• Genoma variable– ambiente fijo: EVOLUTIVA por mutación espontánea o inducida o intercambio genético horizontal

• Genoma fijo – ambiente variable: FENÓTIPICA O FISIOLÓGICA Los microorganismos deben adaptarse a la variabilidad de las condiciones para sobrevivir.

Clasificación de la adaptación. Interacción genoma-ambiente

Adaptación al ambiente e información genética

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• Los microbios son el fundamento del sistema Tierra, porque son responsables de la mayoría de los ciclos de elementos. • Proporcionan un modelo simple para la comprensión de la evolución de la vida, ya que fueron los primeros en llegar a este planeta. • Las algas y cianobacterias contribuyen a la base energética de los ciclos mediante la fotosíntesis. • Los microorganismos reciclan la mayoría de los desechos orgánicos en recursos reutilizables. • Utilización de microorganismos en el tratamiento de las aguas residuales para reciclar nutrientes, recuperación del metano y el control de enfermedades. • Los microbios limpian los desechos producidos por los animales domésticos y de cría (Biogás).

Importancia de la Microbiología Ambiental

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• La degradación ambiental es una de las peores amenazas a la que debe hacer frente la humanidad. Mediante la biorremediación muchos problemas ambientales pueden tener cura con el uso de microorganismos. • Utilización de microorganismos para la microbiología de la digestión como prebióticos. • Utilización en procesos biotecnológicos como obreros en la producción de: •Combustible: etanol, metano. •Biocontroles y biofertilizantes para la salud publica y la agricultura. •Productos farmacéuticos.

Importancia de la Microbiología Ambiental

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•

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•Productos químicos. •Ingeniería genética. •Producción de biochips para PC (microprocesadores proteicos). •Explotación de la minería (lixiviación de Cobre y minería de Uranio) Descubrimiento de vida en otros planetas (Martes desde 1996).

Importancia de la Microbiología Ambiental

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Maier R.M, Pepper I.L and Gerba C.P. 2009. Environmental microbiology. Second Edition. Ed. Elseiver. UK. ISBN: 978-0-12-3705198. 527 pp.

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Bibliografía

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Bibliografía

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CONTAMINACION E IMPACTO DE LA MICROBIOLOGIA AMBIENTAL

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Muchas Gracias 68