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Informe Laboratorio #1

Maria Camila Parra Santos 1015445313 Universidad Central. Facultad de Ingeniería, Ingeniería Ambiental, Biogeoquímica ___________________________________________________________________________________________________

Columna de Winogradsky Winogradsky column Resumen El propósito de este experimento es la caracterización y seguimiento de la columna de Winogradsky elaborada en el laboratorio con diferentes materiales orgánicos e inorgánicos fundamentales para el óptimo desarrollo durante el tiempo determinado. Los desechos orgánicos e inorgánicos fueron recolectados en el Rio Soacha. Luego de realizar el montaje, se hicieron diferentes determinaciones del a partir de los factores de sedimentación, aspecto, colores y olores presentes acorde a la evolución semanal de la columna, donde se encontraron diferencias significativas debido a la actividad microbiana y a las condiciones ambientales generadas en este sistema. Abstract The purpose of this experiment is the characterization and monitoring of the Winogradsky column elaborated in the laboratory with different organic and inorganic materials fundamental for the optimum development during the determined time. The organic and inorganic wastes were collected in the Rio Soacha. After the assembly, different determinations of the sedimentation factors, appearance, colors and odors were carried out according to the weekly evolution of the column, where significant differences were found due to the microbial activity and the environmental conditions generated in this system.

Palabras clave Ecosistema, Aeróbia, Microaerófila, Anaeróbia, reductor, fermentador, metabolismo, microorganismos, fotosíntesis, sulfuros. Keywords Ecosystem, Aerobic, Microaerophilic, Anaerobic, reducer, fermentor, metabolism, microorganisms, photosynthesis, sulfides. Introducción Todas las formas de vida existentes en la Tierra dependen de reacciones de oxidación y reducción que operan mediante transferencia de electrones (Fernández M, 2017). En los sistemas vivos, las reacciones redox aparecieron originalmente en microorganismos procariotas y forman en la actualidad un sistema complejo dentro de la biosfera. Para mantener este sistema vital a nivel planetario se necesita que las sustancias oxidantes y las reductoras estén de algún modo conectadas, permitiendo la continuidad del metabolismo global (Fernández M, 2017). La oxidación de la superficie terrestre es análoga a la ordenada formación de capas

microbianas que se forma en una columna de Winogradsky de abajo hacia arriba. En ella se desarrollan estructuras espacialmente organizadas que representan la evolución secuencial del metabolismo microbiano y que parecen recapitular los estados de oxidación biogeoquímica. En este sistema, los microorganismos de las capas microbianas se auto-organizan y cada grupo se sitúa en la columna acuosa a lo largo del potencial redox y de productos generados, como el oxígeno, dióxido de carbono, gases nitrogenados y azufrados o el hidrógeno. Mientras que en una columna de Winogradsky el fenómeno ocurre a escala local y en poco tiempo, lo mismo ha sucedido a escala global a lo largo de los tiempos. En el metabolismo microbiano se realizan una serie de procesos fisicoquímicos al interior de los microorganismos y con su entorno, permitiendo una regulación de las necesidades biológicas, obteniendo así la energía suficiente para sobrevivir (Álvarez S, 2016). La columna de Winogradsky es un sistema acuático en el que los microorganismos se establecen en regiones diferenciadas según su metabolismo y constituye un modelo de ecosistema, similar a los tapetes microbianos que se hallan en aguas dulces o saladas, donde proliferan microorganismos del medio acuático y de los sedimentos (Prada J, 2011). Es un instrumento que sirve para estudiar las relaciones entre microorganismos, comunidades mixtas y metabolismos energéticos variables. La columna de Winogradsky presenta diferentes estratificaciones. En la zona inferior, en ausencia de oxígeno, se desarrollan microorganismos anaeróbios de actividades fermentativas produciendo como subproductos de su metabolismo alcohol, ácidos orgánicos, ácido sulfhídrico, metano, hidrógeno y ácidos grasos que sirven como sustrato para el desarrollo de bacterias reductoras de sulfato. Los subproductos liberan productos sulfurados que se expanden a la capa superior creando intercambios de sulfuro de hidrógeno en diferentes concentraciones en cada capa; luego las bacterias rojas (bacterias rojas del azufre), púrpuras y verdes (bacterias verdes del azufre), se estratifican de acuerdo a su

tolerancia al sulfuro de hidrógeno, en el medio de esta zona se ubican bacterias rojas y verdes no del azufre. En la zona media, Microaerófila, se hallan bacterias oxidadoreductoras aerobias y bacterias fotosintéticas que usan los compuestos químicos para su metabolismo. Una capa superior, pueden hallarse organismos aeróbicos como algas verdes eucariotas y cianobacterias que liberan oxígeno y mantienen esta zona de la columna aeróbica, dichos organismos crecen rápidamente en esta capa de la columna (Moreno,2012) (Santos, 2009) La columna de Winogradsky presenta un enfoque sobretodo, al ciclo del azufre, pero se podría desarrollar igualmente a la reproducción de otros ciclos biogeoquímicos equivalentes para carbono, hidrogeno y otros elementos. Es un sistema complejo, y autónomo mantenido por energía lumínica. Materiales y Métodos Este experimento se ha realizado diferentes etapas que consisten en:

en

Primer etapa, montaje: Se recolecto una cantidad de suelo determinada (500g) provenientes del Rio Soacha, calculando una capacidad 1/3 de volumen total para ocupar un envase plástico, se trituró 1g de cascaras de huevo, que fueron adicionados a la cantidad de suelo junto con dos tipos de sales determinadas por el docente (CaSO 4, KHPO4), papel finamente cortado y yema de huevo desmenuzada para luego generar una mezcla homogénea ocupando la capacidad de 1/3 del envase plástico. Luego, dentro del sustrato homogenizado se enterraron dos tornillos de hierro y se añadió agua hasta llegar a una altura de 10 cm por debajo del borde del envase marcando el limite sobre el envase para luego sellarlo con papel vinipel. Es importante agitar levemente la solución con una varilla de vidrio para eliminar las burbujas de aire (Gómez R, 2017). Segunda etapa, recuento de poblaciones microbianas: Se Marcaron diferentes cajas Petri y tubos de ensayo de NaCl con marcador, indicado las diluciones a cultivar y los demás datos del montaje. Se extrajeron 10 mL de la columna

de Winogradsky y fueron diluidos en 90 ml de NaCl (0,85%) en el Erlenmeyer esto fue mezclado. Esta suspensión representa la dilución 10-1, posteriormente se tomó 1 ml de la suspensión anterior con el pipeteador y se agregó a uno de los tubos de 9 ml de NaCl. Se agitaron los tubos de cada dilución una vez realizada. Posteriormente se realizó el mismo procedimiento hasta llegar a la dilución 10-4 . De las últimas dos diluciones se tomaron de cada una 100 µl sembrándolos de forma masiva en una caja Petri agar SPC que se utiliza para el crecimiento de bacterias y se repitió el procedimiento sembrando de forma masiva

en agar PDA utilizado para el crecimiento de hongos y levaduras es importante resaltar que el tiempo transcurrido entre la realización de las diluciones y la siembra de las muestras no excedió los 15 minutos para evitar la contaminación de las muestras, luego se dejó que la muestra se absorbiera con las cajas tapadas durante aproximadamente 15 minutos a temperatura ambiente antes de invertir, finalmente se Invirtieron las cajas e incubaron a 37 ± 2 ºC durante 48 h para las bacterias en el agar SPC y durante siete días para los hongos en el agar PDA. (Gómez R, 2017).

Resultados y Análisis Tabla 1. Seguimiento de los cambios presentados semanalmente en la columna de Winogradsky

Semana Columna

1

Observaciones Durante la primera semana se realizó el montaje con todos los materiales y el orden indicado por la docente. Las características principales que se pueden describir son: En este montaje inicial se observa que la muestra de suelo se sedimento, que al agregar el agua una parte del agua se mezcló con el suelo y por este motivo se veía turbia de lo que estaba principalmente debido a que el agua fue tomada del Rio Soacha, cabe resaltar que ya viene con una carga de microorganismos. Al finalizar el montaje se marcó y almaceno la columna en el laboratorio a temperatura ambiente, y con presencia de luz solar.

2

Semana Columna

3

En la segunda semana, se puede evidenciar poca turbidez en el agua, debido al estado de reposo en este periodo de tiempo. También podemos evidenciar que el nivel del agua supero el límite marcado anteriormente, debido a la actividad de microorganismos fototróficos diferentes procedentes del agua o del barro utilizado. 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 (UNAM, 2010).

Observaciones Durante la tercer semana de evolución, pudimos observar el cambio del color del agua debido a que se torna de un color amarillento, también se evidencia actividad biológica activa. Según la UNAM (2011) la actividad biológica se da debido a la degradación de la celulosa contenida en las tiras de papel, este proceso de fermentación se debe a bacterias del tipo Clostridium, bacterias estrictamente anaerobias.

4

Durante la cuarta semana de evolución se evidencia un cambio muy notorio en la coloración del agua, ya que pasa de un color amarillo claro a color negro intenso, esto se debe a que las bacterias reductoras del azufre utilizan los productos de la fermentación generando grandes cantidades de H2S que reaccionara con el hierro presente en la zona anaerobia para producir sulfuro ferroso (UNAM, 2011). También es importante resaltar que en el borde superior en la columna se presenta una formación colonial de color rojo- naranja, este tipo de característica se atribuye a las bacterias reductoras no del azufre.

Semana Columna

Observaciones

5

Durante la quinta semana de evolución se evidencia claramente el crecimiento abundante de una capa de color verde, esto se genera debido a la presencia de cianobacterias (organismos fotosintéticos). El olor característico durante esta semana es muy fuerte característico de la presencia de azufre.

6

En la semana 6 de evolución, se puede evidenciar un cambio de la capa aerobia en relación a la estructura que se evidenciada anteriormente en la semana 5, al borde del envase se puede observar la presencia de un color purpura, según Pérez, J (2008) la pigmentación naranja se debe a la presencia de bacterias del genero Rhodospirillum y Rhodopseudonomas que no se desarrollan completamente en presencia de H2S. El olor caracteristico en esta semana no es muy fuerte.

8

Se presenta un mayor desarrollo referente a la composición de la capa verde característica de la actividad biológica de organismos fotosintéticos (cianobacterias) presentes en la zona aerobia de la Columna. Debido al movimiento generado durante la manipulación de la columna para el debido seguimiento, se notó la presencia de un olor fuerte característico del azufre. La presencia de burbujas en la imagen se debe a la presencia de H 2S necesario para las bacterias del genero Amoemobacter (Salazar A, 2014)

9- 10

Durante las semanas 9 y 10, no se presenta un cambio notorio referente a la semana anterior con respecto a la actividad biológica presente en la capa orgánica característica de la zona aerobia. El olor característico del azufre desaparece considerablemente, este fenómeno se debe a la baja concentración de H2S elemental para el metabolismo de las bacterias de genero beggiotoa y Thiobacillus(Salazar A, 2014).

11

En esta semana, se presenta una capa orgánica más sólida y de mayor grosor la actividad biológica presente en la zona Microaerofila y anaerobia es muy escasa debido a la ausencia de colores característicos de los géneros bacterianos presentes en cada una de las fases presentes en las zonas mencionadas, el olor presente en la columna es característico del agua estancada. La presencia de olores fuertes es nula.

12- 14

Durante estas semanas de finalización experimental, se pueden presenciar un cambio drástico en la capa orgánica de la columna, esta condición puede ser factor de movimiento generado por la manipulación del experimento. Aunque, se puede resaltar que este sistema tiende a estabilizar su actividad biológica en presencia de los elementos químicos esenciales para el metabolismo de los microorganismos, en este caso a la presencia de O 2 para organismos fotosintéticos presentes en la zona aerobia. No se percibieron olores al retirar el plástico protector del envase y el nivel del agua permanece en su punto de origen sin presentar cambios en su coloración y en la sedimentación de la columna.

Evidencia de microorganismos Tabla 2. Cultivo y seguimiento de poblaciones microbianas presentes en la columna de Winogradsky SPC CONCENTRACION 10^-4

OBSERVACIONES Forma circular, puntiforme Borde elevado Presenta elevación plana

SPC CONCENTRACION 10^-3

OBSERVACIONES

Se presenta crecimiento abundante (forma de la colonia). Borde ondulado Elevación plana

PDA CONCENTRACION 10^-3

OBSERVACIONES

Forma circular, puntiforme Borde filamentoso Colonias aterciopeladas, color verde, blanco(hongos) Colonias color crema y color rojo en menor cantidad PDA CONCENTRACION 10^-4

OBSERVACIONES

Forma puntiforme No presenta borde Presencia de hongos aterciopelados( verde, blanco) Colonias de color rojo( organismos unicelulares ggggggggg

Conclusiones 

La ausencia de luz es un factor indispensable en la evolución durante la fase de experimentación, por este motivo los procesos presentes en cada una de las zonas de la columna eran más lentos y la por ende, la actividad de microorganismos fotosintéticos no fue de gran desarrollo.

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La manipulación generada en el proceso de experimentación pudo alterar algunas fases durante la evolución, pero el sistema demostró que a lo largo del tiempo puede llegar a estabilizarse nuevamente.

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La estratificación en la columna de Winogradsky es un factor que

depende directamente de las condiciones ambientales presentes en cada una de las zonas, estas condiciones son fundamentales en el metabolismo y desarrollo de cada uno de los géneros bacterianos existentes en el sistema, ya que el ciclaje de los elementos presentes serán el producto para la aparición de nuevas especies de microorganismos y por consiguiente, el sistema seguirá evolucionando.

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La columna de Winogradsky es una demostración que explica la adaptación de microorganismos en espacios altamente específicos de

acuerdo con interacción con el medio ambiente y sus necesidades para la supervivencia de las diferentes especies.

Bibliografia 

Gacto M (2017), la Columna de Winogradskyhttp://www.um.es/acc/la-columna-dewinogradsky/

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Prada J (2011), informe columna de Winogradskyhttps://es.scribd.com/doc/211319139/ COLUMNA-DE-WINOGRADSKYINFORME-docx Alvares R (2016), análisis del metabolismo presente en microorganismos de la columna de Winogradskyhttp://www.colmayor.edu.co/archivos/ 110anlisis_del_metabolismo_de__pe 30g.pdf UNAM, Practica 9. Estudio de la diversidad microbiana en un ambientehttp://depa.fquim.unam.mx/amyd/arc hivero/DiversidadMicrobianaColumna Winogradsky_21554.pdf Mecias N (2011), Columna de Winogradskyhttps://es.slideshare.net/nelson1704/ columna-de-winogradsky? next_slideshow=1 Salazar A ( 2014), Columna de Winogradskyhttp://www.academia.edu/8201405/C OLUMNA_DE_WINOGRADSKY_1 Malajovich A (2009), Analisis de la columna de Winogradskyhttps://bteduc.com/guias_es/28_Anali sis_de_la_columna_de_Winogradsky .pdf

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