Columna de Winogradsky: qué es, cómo funciona, aplicaciones
¿Qué es la columna de Winogradsky?
La columna de Winogradsky es un aparato utilizado para el cultivo de diferentes tipos de microorganismos. Fue creado por el microbiólogo ruso Serguéi Winogradsky. A lo largo de la columna, se podrá apreciar el crecimiento de los microorganismos, que crecerán en forma estratificada.
La estratificación se realiza con base en los requerimientos nutricionales y ambientales de cada grupo de organismos (lo que necesitan para vivir y reproducirse). Para ello se suministra al dispositivo diferentes tipos de nutrientes y de fuentes de energía.
La columna es un medio de cultivo enriquecido, donde van a crecer microorganismos de distintos grupos. Después de un período de maduración que puede durar entre varias semanas y varios meses, estos microorganismos se dispondrán en microhábitats específicos.
Los microhábitats creados van a depender del material empleado y de las interrelaciones entre los organismos que se desarrollan. Ilustra cómo los microorganismos desarrollan sus ciclos.
¿Quién fue Serguéi Winogradsky?
Serguéi Winogradsky (1856-1953) fue un microbiólogo ruso nacido en Kiev, actual capital de Ucrania. Además de microbiólogo, también era experto en ecología y en estudio de suelos.
Sus trabajos con microorganismos dependientes del azufre y de los procesos biogeoquímicos del nitrógeno le dieron gran renombre. Describió numerosos microorganismos nuevos, entre ellos, los géneros Nitrosomona y Nitrobacter. Fue también el descubridor de la quimiosíntesis.
Entre los numerosos reconocimientos recibidos por este microbiólogo están el ser nombrado miembro honorario de la Sociedad de Ciencias Naturales de Moscú.
También fue miembro de la Academia Francesa de Ciencias. Recibió en 1935 la Medalla Leeuwenhoek, reconocimiento que otorga la Real Academia Neerlandesa de las Artes y las Ciencias. Fue invitado por el mismo Louis Pasteur para que fuese Jefe de Microbiología del Instituto Pasteur.
¿En qué consiste la columna de Winogradsky?
Este dispositivo no es más que un cilindro de vidrio o plástico que contiene distintos materiales. El cilindro se llena a un tercio de su capacidad con fango o lodo rico en materia orgánica.
Posteriormente, se añade celulosa, tiras de papel periódico y cualquier otra materia orgánica, que van a servir como fuente de carbono orgánico.
Como fuente de azufre se añade sulfato de calcio y para mantener el equilibrio de pH se añade carbonato de calcio. La columna se termina de llenar con agua proveniente de un río, lago, pozo, etc. Finalmente, se tapa con papel de aluminio.
El dispositivo debe entonces ponerse a madurar o incubar bajo luz solar o artificial durante un lapso de unas semanas a unos meses. Tras ese tiempo la columna se estabiliza y se establecen microhábitats bien definidos.
En cada microhábitat se desarrollarán microorganismos específicos según sus requerimientos particulares.
¿Qué sucede en la columna?
Los primeros microorganismos en colonizar el espacio comenzarán a usar los elementos de la columna y a liberar gases y otras sustancias que inhibirán o favorecerán el desarrollo de otras especies.
A medida que transcurra el tiempo, la actividad de los microorganismos y los procesos abióticos van a producir gradientes químicos y ambientales a lo largo de la columna. Gracias a ello se van a generar diversos nichos para el crecimiento microbiano.
Dejando madurar o incubar esta columna bajo luz solar o artificial durante semanas o meses, se forman gradientes de oxígeno y sulfuros.
Esto permite el desarrollo de un ecosistema microbiano estructurado con una amplia variedad de microhábitats. De esta manera, en la columna se producen todos los procesos que permiten el mantenimiento de los ciclos de los nutrientes.
La zona superior de la columna, en contacto con el aire, va a ser la más rica en oxígeno, que va a difundirse lentamente hacia abajo.
Paralelamente, los productos generados en la porción inferior de la columna, producto de la degradación de la celulosa y del sulfuro de hidrógeno, se difundirán verticalmente hacia arriba.
Zonación de la columna de Winogradsky
Zona anaeróbica
La generación y difusión de metabolitos microbianos, debido a los diversos gradientes químicos, origina una distribución de grupos de organismos de acuerdo con sus requerimientos.
Esta distribución es similar a la establecida en la naturaleza. De esta forma, la columna de Winogradsky simula la distribución microbiana vertical encontrada en lagos, lagunas, entre otros hábitats.
La porción inferior de la columna carece por completo de oxígeno y, en cambio, es rica en ácido sulfhídrico. En esta zona, bacterias anaerobias como Clostridium degradan la celulosa. Producto de esta degradación se obtienen ácidos orgánicos, alcoholes e hidrógeno.
Los metabolitos producidos por Clostridium sirven de sustrato para especies reductoras de sulfato, por ejemplo, Desulfovibrio. Estas, a su vez, usan sulfatos u otras formas de azufre parcialmente oxidados.
Como producto final liberan sulfuro de hidrógeno y son los responsables de las elevadas concentraciones de ese gas en la base de la columna.
La presencia de bacterias reductoras de sulfato en la columna se muestra como áreas oscuras en la base de esta. Por encima de la banda basal parecen dos bandas de escasa profundidad, con especies que emplean el sulfuro de hidrógeno producido en la banda inferior. Estas dos bandas están dominadas por bacterias fotosintéticas anaeróbicas.
La más basal de estas bandas contiene a las bacterias verdes del azufre (Chlorobium). La siguiente banda está dominada por las bacterias púrpuras del azufre del género Cromatium.
Cerca de estas bandas, aparecen las bacterias que reducen el hierro, tales como Gallionella, Bacillus o Pseudomonas.
Zona aeróbica
Un poco más arriba, en la columna, comienza a aparecer el oxígeno, pero en muy bajas concentraciones. Esta zona se denomina microaerófila.
Acá, bacterias como Rhodospirillum y Rhodopseudomonas aprovechan el escaso oxígeno disponible. El sulfuro de hidrógeno inhibe el desarrollo de estas bacterias microaerófilas.
La zona aeróbica se divide en dos capas:
- La más basal de ellas, representada por la interfase lodo-agua.
- La zona más externa está conformada por la columna de agua.
En la interfase lodo-agua se desarrollan bacterias de géneros como Beggiatoa y Thiothrix. Estas bacterias pueden oxidar el sulfuro proveniente de las capas inferiores.
La columna de agua, por su parte, es colonizada por gran diversidad de organismos, incluyendo cianobacterias, hongos y diatomeas.
Usos de la columna de Winogradsky
La columna de Winogradsky tiene diversos usos, entre los más frecuentes están:
– Investigar la diversidad metabólica microbiana.
– Estudiar sucesiones ecológicas.
– Enriquecimiento o aislamiento de nuevas bacterias.
– Ensayos de biorremediación.
– Generación de biohidrógeno.
– Estudiar las influencias de los factores ambientales en la estructura y dinámica comunitaria microbiana y de los bacteriófagos asociados.
Referencias
- D.J. Esteban, B. Hysa, C. Bartow-McKenney (2015). Temporal and spatial distribution of the microbial community of Winogradsky columns. PLOS ONE.
- Sergei Winogradsky. Recuperado de en.wikipedia.org.