Ecosistemas en una probeta.
Entre los seres vivos hay varias formas de obtención de carbono y energía. Los animales estamos restringidos a usar compuestos orgánicos preformados y respirar oxígeno, mientras que los microorganismos despliegan una diversidad metabólica asombrosa. Las relaciones que se establecen entre los distintos modos de “alimentación” microbiana constituyen ecosistemas complejos pero se pueden observar, de forma sencilla, con una columna Winogradsky. 
La globalización nos ha permitido darnos cuenta de la amplia diversidad culinaria existente, hay comidas para todo tipo de gustos, sin embargo, desde el punto de vista metabólico, estamos bastante limitados en nuestra forma de alimentación: necesitamos una fuente de carbono que permite el crecimiento y, en nuestro caso, son compuestos orgánicos (cocinados con más o menos maña). También necesitamos oxígeno para obtener energía de esas moléculas orgánicas. Entre los seres vivos hay otras formas de obtención de carbono y energía: la energía se puede obtener de la luz (fotótrofos) o de oxidaciones químicas (quimiótrofos), mientras que el carbono se puede obtener desde el CO2 ambiental (autótrofos) o desde compuestos orgánicos preformados (heterótrofos). Según esta división nosotros seríamos quimioheterótrofos mientas que las plantas, por ejemplo, serían fotoautótrofas. El resto de modos de “alimentación” queda reservado para los microorganismos que despliegan una diversidad metabólica sorprendente.
En la naturaleza, las fuentes de carbono y energía fluyen en ciclos de tal manera que se determinan complejas interacciones entre los organismos, tanto a escala macroscópica como microscópica. Fueron Sergei Winogradsky y Martinus Beijerinck, a finales del siglo XIX y en la primera mitad del XX, los fundadores de la ecología microbiana y los ciclos biogeoquímicos. Y nos legaron la conocida columna Winogradsky que constituye una forma de aislar microorganismos con metabolismos energéticos muy variables, además de una estupenda práctica para comprobar cómo se establece un ecosistema microbiano.
La columna de Winogradsky consiste básicamente en un cilindro de vidrio de unos 5 cm de diámetro y unos 30 cm de alto que se llena hasta un tercio de lodo de algún lago o río rico en materia orgánica. Este lodo se mezcla con tiras de papel (celulosa), cáscara de huevo (carbonato cálcico) y yema de huevo hervido (sulfato cálcico) y se compacta bien para que no queden burbujas de oxígeno. Se termina de rellenar el cilindro con agua del mismo lago/río y se tapa bien. La columna se deja expuesta a la luz (pero no al sol directo) durante varias semanas para que se establezcan las relaciones entre distintos microorganismos y cada uno se localice en su nicho. Desde fuera se podrá constatar una estratificación con distintos colores.
En primer lugar se establece un gradiente de oxígeno. La zona más baja de la columna es la zona anaerobia (sin oxígeno) y adquirirá un color negruzco. En esta zona se desarrollan los anerobios estrictos como Clostridium que digiere la celulosa en glucosas y las usará mediante fermentación produciendo compuestos orgánicos simples como el etanol, ácido acético,… Éstos serán usados por bacterias del género Desulfovibrio como alimento mientras respira anaeróbicamente usando el sulfato que le hemos suplementado. Esto generará H2S que, en parte, reaccionará con el hierro del sedimento dando sulfuro ferroso, responsable del color negro. Otra parte del H2S difunde hacia arriba creando otro gradiente que se superpone al del oxígeno.
Por encima de este nivel podemos encontrar bandas verdes y rojizas que se corresponden con las bacterias verdes y púrpuras (respectivamente) del azufre. Estos microorganismos tienen un metabolismo muy parecido al de las plantas (fotoautótrofos) pero no producen oxígeno sino azufre elemental, ya que no usan agua sino el H2S proveniente del estrato inferior.
Por encima de estas franjas empiezan a crecer los fotoheterótrofos como Rhodospirillum y Rhodopseudomonas de color anaranjado. Estos microorganismos no crecen bien en presencia de H2S por lo que su nivel coincidirá con la menor concentración de éste. Y, por último, en la zona superior donde ya encontramos una cantidad suficiente de oxígeno, podremos encontrar los microorganismos aerobios, desde bacterias como Beggiatoa y Thiobacillus que oxidan el azufre a sulfato (cerrando el ciclo) hasta diatomeas y cianobacterias.
Esta columna describe las relaciones que se dan en el ciclo del azufre pero si modificamos los suplementos y el suministro de luz las relaciones que se establecen serán distintas. Esto hace que sea ésta una herramienta magnífica en la enseñanza y la investigación, que nos va a permitir desde una práctica sencilla en la que se constata cómo se crean los distintos estratos, hasta el estudio microbiológico de cada estrato o el aislamiento de un determinado tipo de bacteria partiendo desde una mezcla compleja como es el lodo de un lago.
Olga Zafra
CNB-CSIC
¿Me podrías enviar un cuadro de las ciencias naturales y los niveles de organización de la naturaleza?
Muy buena la descripcion de la columna de winograsky