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Recursos didácticos

Regalos Microbianos

Farmers grow food by cultivating plants and animals, with plants using sunlight for energy and water from the soil. Both plants and animals need nitrogen for protein production and phosphorus for genetic material and cell membranes. Since soil has little nitrogen or phosphorus in usable forms, farmers add fertilizers to boost crop yields. 

When we eat, our gut microbes also feed on these nutrients. The unused nutrients, along with microbes, are excreted in wastewater. Domestic wastewater contains organic matter, nitrogen, and phosphorus, which can be converted by microbes in anaerobic digesters into methane, a form of natural gas. Microbes also convert organic nitrogen into ammonium, which can be captured and reused as fertilizer. Phosphorus can also be recovered, and the water can be purified and reused after nutrient removal.

Recycling wastewater, recovering resources, and obtaining clean water contribute to sustainable development.

Recovery of Resources from Wastewater

Daddy: Our teacher told us this morning that we should not waste wastewater anymore but use our microbial friends to recover valuable resources

Image designed using resources from Freepik.com

Microorganisms, like humans, survive by using available substances as food, converting them into cell materials for growth and reproduction. Through trial and error, combined with natural selection, they adapt and specialize in specific tasks over time. 

In our industrial society, waste and byproducts require safe treatment. By studying natural processes, we can harness and enrich microorganisms to degrade waste or even recover raw materials from production. However, microorganisms act purely for their survival, not to benefit us. Bioengineers play a key role in creating systems where both humans and microorganisms benefit from waste processing and resource recovery.

While other frameworks discuss microorganisms in water treatment and biogas production, this one focuses on their role in promoting planetary sustainability through bioengineering.

Recycling and Biorecovery of Waste Materials

Dad: I want to become a bio-engineer and contribute to the survival of the planet. Where do I start?

Environmental pollution is a global issue caused by harmful substances from human activities. Everyday consumption and waste disposal, along with industrial operations such as mining, energy production, farming, manufacturing, and healthcare, contribute to pollution. The nuclear industry adds radioactive waste from energy, medicine, and weapons production. 

Cleaning up pollution is vital to protect human health, wildlife, and the environment. This framework explores how biology can remediate metal and radioactive pollution in soil and water (bioremediation), supporting Sustainable Development Goals for healthy environments and pollution elimination.

Metals and Radioactive Substance Bioremediation

Mummy, how can we clean up the horrible mess where the old factory was?

Modern life relies heavily on energy from fossil fuels like coal, natural gas, and crude oil—a mix of liquid petroleum hydrocarbons (LPHs). These organic molecules, made of carbon and hydrogen, are toxic, mutagenic, and carcinogenic. Formed 50–350 million years ago, crude oil is found deep underground and must be extracted and transported. Accidents during these processes can cause severe environmental contamination. 

Oil spills, the accidental release of LPHs into oceans from ships, refineries, or oil rigs, are among the most devastating marine disasters. They kill fish, marine mammals, and birds, and when oil reaches shores, it damages habitats, beaches, and human settlements. Notable spills, like the Amoco Cadiz, MT Haven, and BP/Deepwater Horizon disasters, have caused long-lasting environmental and economic damage, often requiring months or years of cleanup. 

To address these challenges, significant efforts focus on advanced technologies, especially biotechnology, to mitigate oil spills and support Sustainable Development Goals (SDGs).

Oil spills

Mum: Grandma and I watched TV today and heard that a ship accident at sea caused an “oil spill” that seriously damaged the environment. What does it mean, an “oil spill”?

Biogas is a mixture of methane and carbon dioxide produced by microorganisms during the decomposition of organic waste, such as sewage sludge, industrial wastewater, food scraps, and animal manure. It can replace fossil fuels for electricity, heating, cooking, and even vehicle fuel, as methane is the main component of natural gas. 

Producing biogas reduces waste and greenhouse gas emissions but requires strict control since it occurs in oxygen-free environments. The microorganisms involved need specific physical and chemical conditions to grow, making the process complex. Additionally, removing carbon dioxide from biogas improves efficiency but demands careful operation, and transporting biogas, like fossil fuels, adds to its carbon footprint. Despite these challenges, biogas offers significant benefits, contributing to various Sustainable Development Goals (SDGs).

Biogas

Mum: Today, granny and I took a bright green bus around the city. It said “biogas bus” on it. What does it mean?

Much of the energy powering our lives comes from non-renewable fossil fuels like coal, natural gas, and petroleum. These sources are depleting and pollute air, water, and soil, while their extraction and use contribute significantly to global warming. Transitioning to clean, renewable energy is essential for a sustainable future.

Microbes can produce biofuels from plant materials, offering renewable alternatives to fossil fuels. Expanding the biofuel industry can reduce carbon footprints and create quality rural jobs. While bioethanol and biodiesel are already available, advancements are paving the way for more sophisticated fuels.

Using Microbes to make Biofuels

Grandad: When we visited our relatives during the spring vacation, I saw a sticker on the airplane that said ‘sustainable biofuel’. What is biofuel and is it good for the environment?

Microbial polymers and bio-based plastics

Dad, why do you now wrap my sandwiches with paper? You were always using plastic

Concrete is crucial for modern construction, forming the foundation of buildings for healthcare, industry, education, and transport. However, its production has a significant environmental impact, contributing 4–8% of global CO2 emissions and driving climate change. 

Combining architecture with microbiology offers sustainable solutions. For instance, bacteria can be used to create "self-healing" materials, enhancing durability and reducing environmental costs. Innovations like biofilm communities and stone microbiomes could pave the way for eco-friendly buildings with self-repairing capabilities, transforming traditional construction methods.

Living Concrete

Mummy: how can concrete be alive?

Mushrooms are often linked to disease, decay, and death, as reflected in names like death trumpet, witch boletus, and devil's egg. While some fungi do harm trees—such as a honey mushroom in Oregon that killed many trees and is the largest organism on Earth—mushrooms are only the reproductive structures of fungi. Most of a fungus grows unseen as a network of thread-like hyphae called mycelium, which colonizes soil, wood, or living organisms and produces mushrooms to release spores when conditions are right. The Oregon honey mushroom’s mycelium spans 10 km² and has grown over thousands of years.

Mushrooms can also harm humans; about 1–2% are poisonous. For example, Roman Emperor Claudius was allegedly poisoned in AD 54 with a deadly mushroom, the sticky turnip amanita, hidden in a dish of Caesar’s mushroom. Yet mushrooms are not just harmful—they’re highly beneficial. They provide food, support health, and offer sustainable alternatives to materials like plastics, making them vital to achieving Sustainable Development Goals.

Uses of Fungi: Our world is molding!

Miss: I love mushrooms in food (especially in pasta), but I just heard of dresses made of mushrooms: can that be possible?

Image courtesy of Hanneke Wetzer

"Oil and water don’t mix!" While true, we often need to make them mix—like when washing dishes with detergent, which contains surfactants to remove oily residue. Similarly, microbes produce biosurfactants and bioemulsifiers to break oil into tiny droplets, increasing its surface area and "bioavailability" for degradation, such as during oil spill cleanup. 

These substances are crucial for microbial biology and ecology but also have broad applications for humans. They are used in food production, beverages, medicine, personal care products, textiles, construction, and many other industries.

Microbial biopolymers and surfactants

Dad: we learned at school that microbes can be used to clean up fatty wastes. When we wash up, we use detergents to remove fats from the dishes. Do microbes also use detergents?

El plástico, un grupo de materiales sintéticos fabricados a partir de polímeros orgánicos, está muy extendido en la naturaleza y plantea riesgos para la fauna y los seres humanos. Mientras que los polímeros naturales como la celulosa y la quitina pueden ser descompuestos por microorganismos que utilizan enzimas especializadas, el plástico sigue siendo en gran medida resistente. Algunos microbios han evolucionado para degradar el plástico, lo que ofrece esperanzas de encontrar soluciones a la contaminación plástica. Sin embargo, sus enzimas aún no son lo bastante eficaces para abordar el problema de los residuos plásticos a gran escala. Aunque las enzimas microbianas tienen potencial para las soluciones biotecnológicas, es necesaria una evaluación cuidadosa para equilibrar los beneficios medioambientales con nuestra dependencia de los plásticos duraderos.

Microbios que degradan el plástico

¿Por qué hay tanto plástico en la naturaleza, pero desaparecen árboles y animales muertos?

En 1928, Alexander Fleming descubrió un hongo que producía una sustancia capaz de matar bacterias, dando inicio a la era de los antibióticos. Desde entonces, se han hallado antibióticos en diversos microorganismos y plantas, revolucionando el tratamiento de enfermedades infecciosas y otros trastornos como el cáncer. Sin embargo, la resistencia bacteriana a los antibióticos representa un desafío continuo, subrayando la necesidad de descubrir nuevos antibióticos.

Tradicionalmente, microorganismos del suelo como *Streptomyces* y hongos han sido fuentes clave de antibióticos, pero el cribado repetido tiende a redescubrir compuestos ya conocidos. Explorar microorganismos no terrestres puede revelar antibióticos realmente nuevos. Los océanos, que cubren el 70% del planeta y el 95% de la biosfera, albergan microorganismos adaptados a condiciones extremas y contienen halógenos como bromuro e yodo. Esto sugiere que las bacterias marinas podrían producir sustancias químicas únicas. Así, la búsqueda de antibióticos y fármacos en bacterias marinas es un área de investigación y comercialización prometedora.

Nuevos medicamentos a partir de microbios de los océanos

El mar nos da peces para comer y agua para nadar; ¿obtenemos otras cosas útiles del océano?

Las células están rodeadas por una membrana de lípidos y proteínas que separa el citoplasma del entorno. Algunas proteínas se desplazan naturalmente hacia la membrana, decorando la superficie celular.

La visualización de la superficie microbiana implica fusionar una proteína elegida con las proteínas de membrana, extendiéndola al entorno. Esta técnica es útil en biotecnología para crear proteínas terapéuticas, mejorar enzimas y desarrollar pruebas diagnósticas.

La visualización en superficie facilita la evaluación de la actividad de las proteínas, acelerando la identificación de las mejores variantes. Esto agiliza los proyectos biotecnológicos, contribuye a soluciones sanitarias y medioambientales, y apoya los objetivos de desarrollo sostenible.

Visualización de superficies microbianas

Mamá, ¿los microbios son suaves como una pelota de playa o ásperos como una pelota de tenis?

Las proteínas son esenciales para los organismos vivos, pero su pequeño tamaño dificulta su estudio. Afortunadamente, algunas proteínas fluorescen o producen compuestos coloreados, lo que facilita su observación. Estas propiedades naturales en muchos organismos han sido fundamentales en la investigación microbiológica durante años. Las proteínas reporteras, que fluorescen o emiten luz, pueden fusionarse con otras proteínas de interés, revelando detalles de la biología molecular y microorganismos. Esto también permite desarrollar biosensores para detectar contaminantes o diagnosticar enfermedades.

Herramientas de estudio: Proteínas brillantes y coloridas

Abuelo, es cierto que los científicos hacen brillar a las bacterias utilizando partes de medusas?

La eficacia de los diagnósticos es crucial para responder a la contaminación de alimentos, agua y enfermedades. Estas herramientas detectan moléculas específicas, secuencias de ácidos nucleicos, proteínas y toxinas en muestras ambientales y biológicas, proporcionando información vital sobre peligros. Los diagnósticos utilizan diversos métodos microbiológicos para convertir estos analitos en resultados fácilmente interpretables, como cambios de color o lecturas digitales.

Cuando se usan adecuadamente, los diagnósticos aseguran la seguridad del agua y los alimentos, facilitan el diagnóstico y tratamiento médico, y ayudan a controlar enfermedades infecciosas como la COVID-19. Con la creciente adopción de pruebas "en el punto de atención" (realizadas en el lugar del paciente), es crucial gestionar su eliminación de manera responsable para minimizar impactos ambientales. El uso de diagnósticos afecta significativamente a los Objetivos de Desarrollo Sostenible.

Diagnósticos

Señorita: ¿Por qué me sacan sangre cuando voy al médico?

A menudo clasificamos los microbios como "buenos" o "malos". Los microbios buenos, o nuestra microbiota, viven en nuestro cuerpo, ayudando al sistema inmunitario, la nutrición y la protección contra patógenos. La mayoría de los microbios son beneficiosos o neutros, pero los patógenos pueden invadir, evadir el sistema inmunitario y producir toxinas dañinas. La distinción entre microbios buenos y malos no siempre es clara, ya que nuestra microbiota puede ser dañina si el sistema inmunitario está debilitado, y algunos patógenos pueden residir inadvertidamente. El efecto final depende del microbio y del huésped. Curiosamente, algunas toxinas patógenas pueden volverse beneficiosas.

Aplicaciones de las toxinas microbianas y los factores de virulencia

Mamá, la tía Sarah solía tener esas graciosas líneas entre los ojos y parecía malhumorada, pero ahora han desaparecido. ¿Qué le ha pasado?

Los microorganismos prosperan en entornos hostiles como lagos salados mediante la producción de solutos compatibles, que retienen agua y protegen contra el estrés. Estos solutos protegen proteínas, membranas y células del calor, la sequedad, la congelación, la descongelación y la radiación. La ectoína, un soluto compatible clave, se utiliza en protectores solares, cosméticos y productos antiinflamatorios por sus propiedades protectoras. Además, puede prevenir el mal plegamiento de la proteína amiloide, relacionado con enfermedades como el Alzheimer y las priónicas, y mejorar la estabilidad de las vacunas, permitiendo un almacenamiento y transporte prolongados sin refrigeración.

Solutos Compatibles: Nuestros y sus protectores

Mamá: ¿Por qué te untas crema en la cara todos los días?

Foto por Karolina Grabowska y Shiny Diamond de Pexels

En la investigación forense, identificar pruebas en el lugar del delito, como testigos, huellas dactilares, ADN y rastros, es crucial. Los rastros, como la suciedad de un zapato o las fibras de ropa, pueden vincular a los sospechosos con la escena del crimen.

Recientemente, se ha explorado el uso de microbiomas para la identificación. Los humanos liberan millones de células microbianas únicas en su entorno, convirtiendo a los microbios en una herramienta prometedora para el rastreo y la elaboración de perfiles, similar a las huellas dactilares y el ADN. Esto podría ser un valioso recurso en la ciencia forense.

Microbiología forense

Mi microbioma no es como el de los demás, y hay pruebas que lo demuestran.

La protección de los alimentos es esencial para mantener nuestras comidas libres de contaminantes físicos, químicos o biológicos, que pueden entrar involuntariamente o por adulteración delictiva, convirtiendo una "golosina" en un "truco".

La adulteración de alimentos causa pérdidas de miles de millones de dólares y riesgos para la salud pública, a menudo involucrando ingredientes nocivos añadidos por motivos lucrativos o malintencionados, como el bioterrorismo. Afortunadamente, existen muchas estrategias de prevención, como el análisis del microbioma de los alimentos para identificar "firmas microbianas" y garantizar su autenticidad. 

¿Cómo verifican los científicos la autenticidad de un producto alimentario? ¿Es genuino ese queso caro con denominación de origen o se ha fabricado descuidadamente en otro lugar?

Autentificación de comida por análisis con microorganismos

Mamá: ¿Cómo es que papá puede oler a ese oloroso queso?

Autor desconocido, Public domain, vía Wikimedia Commons

Los aminoácidos y las vitaminas son esenciales para la vida. Los aminoácidos son los bloques constructores de las proteínas, fundamentales como enzimas y estructuras celulares. Las vitaminas, aunque necesarias en pequeñas cantidades, son clave en las reacciones metabólicas. Los humanos y los animales deben obtener ocho aminoácidos esenciales y la mayoría de las vitaminas de su dieta, ya que no pueden producirlos internamente.

Dado que puede haber deficiencias de estos nutrientes, se usan suplementos para cubrir las necesidades. En la industria, microorganismos producen casi todos los aminoácidos y algunas vitaminas. Por ejemplo, se producen millones de toneladas anuales de L-lisina, un aditivo para piensos. Incorporar aminoácidos biotecnológicos en piensos vegetales mejora la eficacia alimentaria y beneficia al medio ambiente.

Sumplementos alimenticios: aminoácidos y vitaminas

Mamá: hemos oído hablar de una desagradable enfermedad de los marineros de antaño llamada escorbuto: ¿qué es?

Proveer alimentos sanos y sostenibles a la creciente población mundial es un reto. El pescado y el marisco son fuentes de proteínas de alta calidad, pero las capturas salvajes se han estancado desde los años ochenta. La acuicultura, que ahora suministra la mitad de nuestro pescado, puede satisfacer esta demanda con menos emisiones de gases de efecto invernadero que la ganadería.

Sin embargo, las enfermedades infecciosas, principalmente bacterianas, afectan considerablemente a la acuicultura. Los antibióticos, utilizados para controlar estas enfermedades, provocan resistencia, amenazando tanto a los peces como a la salud humana. La OMS ha identificado la resistencia a los antibióticos como un problema global importante.

La vacunación ha reducido el uso de antibióticos en algunas especies de peces, pero es ineficaz para las larvas y los crustáceos, que carecen de sistemas inmunitarios desarrollados. Los probióticos, microorganismos beneficiosos que mejoran la salud al aportar nutrientes, reforzar la inmunidad o inhibir patógenos, ofrecen una alternativa prometedora para controlar enfermedades en la acuicultura.

Acuicultura: Control de enfermedades en piscicultura a base de probióticos

Mamá: ¿Los peces se enferma como nosotros? ¿Cómo se curan?

En un mundo donde el microbioma intestinal y su relación con la salud humana son temas candentes, los alimentos fermentados se están volviendo cada vez más populares, con un aumento del 149% en su consumo en 2018, según FORBES. Estos alimentos no solo benefician la salud intestinal, sino que también ofrecen sabores únicos que no se pueden lograr de otra manera. Según la Universidad Rockefeller, "la fermentación es una explotación culinaria de un sistema microbiano". Además, los alimentos fermentados son ricos en nutrientes, tienen una vida útil más larga y presentan texturas y propiedades organolépticas únicas. Sin embargo, deben fabricarse y almacenarse en un entorno controlado para garantizar la seguridad, calidad y consistencia del producto final. También están asociados a múltiples objetivos de desarrollo sostenible.

Comidas Fermentadas

¿Cómo una bacteria covierte algo líquido, como leche, en algo sólido, como yogurt?

Foto por Gustavo Fring (Pexels)

Las sustancias químicas son esenciales en la sociedad moderna, utilizadas en alimentos, medicinas, tejidos, plásticos, combustibles y productos industriales. Muchos de estos provienen de la industria petroquímica, que depende de recursos fósiles como gas natural y petróleo crudo, contribuyendo al cambio climático y la contaminación. La producción química tradicional implica condiciones ambientales dañinas y métodos energéticamente intensivos con catalizadores metálicos.

Introducida en los años 90, la química verde promueve prácticas sostenibles basadas en 12 principios. Los microorganismos, con sus variados metabolismos, juegan un papel clave. Mediante la ingeniería metabólica, se utilizan para producir compuestos a partir de recursos renovables.

Las biorrefinerías están preparadas para reemplazar a las refinerías de petróleo tradicionales, adhiriéndose a los principios de la química verde. Además de reducir el impacto ambiental, contribuyen a los Objetivos de Desarrollo Sostenible.

Química verde

Mamá, ¿se pueden producir sustancias químicas ecológicas mediante la química?

Es importante usar crema solar para proteger nuestra piel de los dañinos rayos ultravioleta del sol. Sin embargo, muchos organismos no usan crema solar como los humanos; en su lugar, utilizan pigmentos. Los pigmentos tienen múltiples funciones en biología, como la comunicación visual, la protección y la regulación de la temperatura corporal. Actúan como filtros solares naturales, absorbiendo la radiación y disipándola en forma de calor. 

Un pigmento clave es la melanina, que se encuentra en la piel humana, plantas, hongos microscópicos y bacterias. La melanina no solo protege contra los rayos UV, sino también contra rayos X, rayos gamma y diversos estreses ambientales, incluido el térmico. Los científicos están investigando el uso de la melanina fúngica para beneficios como la limpieza de aguas residuales contaminadas y la protección de astronautas contra la radiación en el espacio.

Protectores solares microbianos

El índigo ha sido uno de los tintes favoritos desde la prehistoria y sigue siendo crucial en la industria textil, especialmente por la popularidad de los vaqueros. Este tinte es insoluble en agua y debe ser reducido químicamente a una forma soluble e incolora, conocida como blanco índigo, para su uso. Durante el último siglo, la industria ha utilizado ditionito de sodio alcalino (hidrosulfito de sodio) para este proceso, generando grandes cantidades de residuos de azufre. Antes de los métodos químicos, el índigo se disolvía en cubas de fermentación donde las bacterias anaerobias lo reducían. Este método aún se emplea a pequeña escala en la India. Utilizar bacterias para disolver el índigo a nivel industrial podría reducir el impacto ambiental de la producción de vaqueros azules.

Utilización de bacterias para disolver el índigo para teñir

Señor: He oído que el teñido de los vaqueros provoca mucha contaminación química. ¿Cómo se podría reducir?

Imagen por Louise Cornelissen, vía Pexels.com

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