Fuente: Elizabeth Suter¹, Christopher Corbo¹, Jonathan Blaize^1
1 Departamento de Ciencias Biológicas, Wagner College, 1 Campus Road, Staten Island NY, 10301

La columna Winogradsky es un ecosistema en miniatura y cerrado utilizado para enriquecer las comunidades microbianas de sedimentos, especialmente las que participan en el ciclismo de azufre. La columna fue utilizada por primera vez por Sergei Winogradsky en la década de 1880 y desde entonces se ha aplicado en el estudio de muchos microorganismos diversos involucrados en la biogeoquímica, tales como fotocontautorátesis, oxidantes de azufre, reductores de sulfato, metanogenos, oxidantes de hierro, nitrógeno ciclistas, y más (1,2).

La mayoría de los microorganismos en la Tierra se consideran inculturables,lo que significa que no pueden aislarse en un tubo de ensayo o en una placa de petri (3). Esto es debido a muchos factores, incluyendo que los microorganismos dependen de otros para ciertos productos metabólicos. Las condiciones en una columna de Winogradsky imitan de cerca el hábitat natural de un microorganismo, incluyendo sus interacciones con otros organismos, y permite que se cultivan en un laboratorio. Por lo cual, esta técnica permite a los científicos estudiar estos organismos y entender cómo son importantes para los ciclos biogeoquímicos de la Tierra sin tener que cultivarlos de forma aislada.

Los ambientes de la Tierra están llenos de microorganismos que prosperan en todo tipo de hábitats, como suelos,agua oceánica, nubes y sedimentos de aguas profundas. En todos los hábitats, los microorganismos dependen unos de otros. A medida que un microorganismo crece, consume sustratos particulares,incluyendo combustibles ricos en carbono como azúcares, así como nutrientes, vitaminas y gases respiratorios como el oxígeno. Cuando estos recursos importantes se agotan, diferentes microorganismos con diferentes necesidades metabólicas pueden entonces florecer y prosperar. Por ejemplo, en la columna Winogradsky, los microbios consumen primero el material orgánico añadido mientras agotan el oxígeno en las capas inferiores de la columna. Una vez que se agota el oxígeno, los organismos anaeróbicos pueden tomar el control y consumir diferentes materiales orgánicos. Este desarrollo consecutivo de diferentes comunidades microbianas a lo largo del tiempo se denomina sucesión (4). La sucesión microbiana es importante en una columna de Winogradsky, donde la actividad microbiana cambia la química del sedimento, que luego afecta la actividad de otros microbios y así sucesivamente. Muchos microorganismos en suelos y sedimentos también viven a lo largo de gradientes,que son zonas de transición entre dos tipos diferentes de hábitats basados en las concentraciones de sustratos (5). En el punto correcto en el gradiente, un microbio puede recibir cantidades óptimas de diferentes sustratos. A medida que se desarrolla una columna Winogradsky, comienza a imitar estos gradientes naturales, particularmente en oxígeno y sulfuro (Fig. 1).

Figura 1: Representación de los gradientes de oxígeno (O₂₎y sulfuro (H₂S) que se desarrollan en una columna Winogradsky.

En una columna de Winogradsky, el barro y el agua de un estanque o humedal se mezclan en una columna transparente y se les permite incubar, normalmente en la luz. Se añaden sustratos adicionales a la columna para dar a la comunidad fuentes de carbono, generalmente en forma de celulosa, y azufre. Los fotosintetizadores suelen comenzar a crecer en las capas superiores del sedimento. Estos microorganismos fotosintéticos se componen en gran medida de cianobacterias,que producen oxígeno y aparecen como una capa verde o marrón-marrón (Fig. 2, Tabla 1). Mientras que la fotosíntesis produce oxígeno, el oxígeno no es muy soluble en agua y disminuye por debajo de esta capa (Fig. 1). Esto crea un gradiente de oxígeno, que va desde altas concentraciones de oxígeno en las capas superiores hasta cero oxígeno en las capas inferiores. La capa oxigenada se llama la capa aeróbica y la capa sin oxígeno se llama la capa anaeróbica.

En la capa anaeróbica, muchas comunidades microbianas diferentes pueden proliferar dependiendo del tipo y la cantidad de sustratos disponibles, la fuente de los microbios iniciales y la porosidad del sedimento. En la parte inferior de la columna, los organismos que descomponen anaeróbicamente la materia orgánica pueden prosperar. La fermentación microbiana produce ácidos orgánicos a partir de la descomposición de la celulosa. Estos ácidos orgánicos pueden ser utilizados por reductoresde sulfato, que oxidan esos orgánicos usando sulfato, y producen sulfuro como subproducto. La actividad de los reductores de sulfato se indica si el sedimento se vuelve negro, porque el hierro y el sulfuro reaccionan para formar minerales de sulfuro de hierro negro (Fig. 2, Tabla 1). El sulfuro también se difunde hacia arriba, creando otro gradiente en el que las concentraciones de sulfuro son altas en la parte inferior de la columna y bajas en la parte superior de la columna (Fig. 1).

Cerca del centro de la columna, los oxidantes de azufre aprovechan el suministro de oxígeno desde arriba y sulfuro desde abajo. Con la cantidad correcta de luz, los oxidantes fotosintéticos de azufre pueden desarrollarse en estas capas. Estos organismos se conocen como bacterias de azufre verde y púrpura,y a menudo aparecen como filamentos y manchas verdes, púrpuras o púrpura-rojos (Fig. 2, Tabla 1). Las bacterias de azufre verde tienen una mayor tolerancia al sulfuro y generalmente se desarrollan en la capa directamente debajo de las bacterias de azufre púrpura. Por encima de las bacterias de azufre púrpura, también se pueden desarrollar bacterias de nonsulfurpúrpura. Estos organismos fotosintetizan utilizando ácidos orgánicos como donantes de electrones en lugar de sulfuro y a menudo aparecen como una capa roja, púrpura, naranja o marrón. Los oxidantes de azufre no fotosintéticos pueden desarrollarse por encima de las bacterias púrpuras nonsulfur, y estos generalmente aparecen como filamentos blancos (Fig. 2, Tabla 1). Además, también se pueden formar burbujas en la columna Winogradsky. Las burbujas en las capas aeróbicas indican la producción de oxígeno por las cianobacterias. Las burbujas en las capas anaeróbicas son probablemente debido a la actividad de los metanogenos, organismosque descomponen anaeróbicamente la materia orgánica y forman metano como subproducto.

Tabla 1: Los principales grupos de bacterias que pueden aparecer en una columna clásica de Winogradsky, de arriba abajo. Se dan ejemplos de organismos de cada grupo, y se enumeran los indicadores visuales de cada capa de organismos. (2002) y Rogan et al. (2005).

1. Configuración

1. Para configurar una columna Winogradsky, necesitará algunos suministros básicos:
   • Una pala, un cubo y una botella para recoger las muestras en el campo
   • Un recipiente vertical y transparente, como un cilindro graduado o una botella de agua de plástico de aproximadamente 1L
   • Envoltura de plástico y bandas de goma
   • cuencos grandes y cuchara grande para remover
   • Una fuente de azufre (yema de huevo o sulfato de calcio)
   • Una f

En este experimento, el agua y los sedimentos fueron recogidos de un hábitat de agua dulce. Dos columnas Winogradsky fueron construidas y autorizadas para desarrollar: una columna clásica de Winogradsky incubada en la luz a temperatura ambiente (Fig. 2A) y una columna Winogradsky incubada en la oscuridad a temperatura ambiente (Fig. 2B).

Figura 2B: Una foto de la columna clásica de Winogra...

La columna Winogradsky es un ejemplo de un ecosistema microbiano interdependiente. Después de mezclar el barro, el agua y los sustratos adicionales de carbono y azufre en una columna vertical, el ecosistema estratificado debe estabilizarse en zonas separadas y estables durante varias semanas. Estas zonas están ocupadas por diferentes microorganismos que florecen en un lugar particular a lo largo del gradiente entre el sedimento rico en sulfuro en el fondo y el sedimento rico en oxígeno en la parte superior. Mediante l...

1. Zavarzin G. (2006). Winogradsky and modern microbiology. Microbiology 75(6): 501-511. doi: 10.1134/s0026261706050018
2. Esteban DJ, Hysa B, and Bartow-McKenney C (2015). Temporal and Spatial Distribution of the Microbial Community of Winogradsky Columns. PLoS ONE 10(8): e0134588. doi:10.1371/journal.pone.0134588
3. Lloyd KG, Steen AD, Ladau J, Yin J, and Crosby L. (2018). Phylogenetically novel uncultured microbial cells dominate Earth microbiomes. mSystems 3(5): e00055-18. doi:10.1128/mSystems.00055-18
4. Anderson DC, and Hairston RV (1999). The Winogradsky Column & Biofilms: Models for Teaching Nutrient Cycling & Succession in an Ecosystem. The American Biology Teacher, 61(6): 453-459. doi: 10.2307/4450728
5. Dang H, Klotz MG, Lovell CR and Sievert SM (2019) Editorial: The Responses of Marine Microorganisms, Communities and Ecofunctions to Environmental Gradients. Frontiers in Microbiology 10(115). doi: 10.3389/fmicb.2019.00115
6. Stomp M, Huisman J, Stal LJ, and Matthijs HCP. (2007) Colorful niches of phototrophic microorganisms shaped by vibrations of the water molecule. ISME Journal. 1(4): 271-282. doi:10.1038/ismej.2007.59
7. Perry JJ, Staley JT, and Lory S. (2002) Microbial Life, First Edition, published by Sinauer Associates
8. Rogan B, Lemke M, Levandowsky M, and Gorrel T. (2005) Exploring the Sulfur Nutrient Cycle Using the Winogradsky Column. The American Biology Teacher, 67(6): 348-356. doi: 10.2307/4451860