El uso de sensores en la determinación del crecimiento de un microorganismo



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EL USO DE SENSORES EN LA DETERMINACIÓN DEL CRECIMIENTO DE UN MICROORGANISMO

Norma Cabrera Torres CCH Azcapotzalco UNAM

José Erazo Espinosa CCH Sur UNAM

Juan Manuel García Maldonado CCH Azcapotzalco UNAM


Resumen
Un problema que se presenta al incorporar el uso de la computadora como recurso es conocer las opciones de uso que ofrece como recurso. La computadora puede utilizarse para incorporar, y/o producir software a la enseñanza. Consideramos que el incorporar la computadora como una herramienta de trabajo más al equipo del laboratorio, nos permitiría reducir el tiempo de registro y procesamiento de la información obtenida de los experimentos que realizaban nuestros alumnos en la asignatura de Biología, para enfocar su atención al análisis e interpretación de la información. El uso de sensores, interfases y la computadora en la realización de actividades experimentales va encaminada hacia otro nivel de abstracción que incluye la relación entre las magnitudes involucradas en el fenómeno. Se presenta una estrategia que incorpora el uso de sensores para que los alumnos comprendan mediante un modelo de crecimiento poblacional microbiano, el crecimiento poblacional y valore las repercusiones del desarrollo humano sobre el ambiente y las alternativas para el manejo responsable de la biosfera

Palabras clave: sensores, modelos, crecimiento poblacional, curvas de crecimiento, desarrollo humano.




INTRODUCCIÓN
El Plan de Estudios Actualizado del Colegio de Ciencias y Humanidades, propone que los alumnos desarrollen conocimientos y destrezas en el uso de la computadora en los primeros semestres y en las demás asignaturas se pueden aprovechar y reforzar esas destrezas en beneficio de la enseñanza y en este aspecto utilizar la computadora en clase puede:


  • Ampliar el acceso a recursos educativos.

  • Ahondar la comprensión al hacer que los conceptos abstractos se vuelvan concretos.

  • Asistir a los estudiantes en la organización y el análisis de la información.

  • Amplificar el medio de expresión de los alumnos.

  • Promover la enseñanza cooperativa.

Dentro del complejo proceso de enseñanza-aprendizaje, existe un punto de suma importancia para el logro de los objetivos, directamente relacionados con la planeación y actuación de la enseñanza, que es la selección de los métodos y técnicas de enseñanza, la determinación de estrategias de aprendizaje que contemplen actividades donde el alumno sea el protagonista, así como introducir el uso de las TIC para promover en ellos las habilidades de generalización, pensamiento abstracto y flexibilidad de pensamiento.


Un problema que se presenta al incorporar el uso de la computadora como recurso es conocer las opciones de uso que ofrece como recurso. La computadora puede utilizarse para incorporar, y/o producir software a la enseñanza.
El Rector Dr. Narro1 menciona en los lineamientos para la elaboración de una propuesta académica 2007-2011:
“…la Universidad debe garantizar la eficiencia, la calidad y la pertinencia de las actividades docentes a todos nuestros alumnos. Es un imperativo colocar a los alumnos en el centro de la atención e interés de la institución, para lo cual se propone:

  • Expandir el uso y la aplicación de nuevas tecnologías, sobre todo de la información, la comunicación, la modelación y la simulación, para la formación más pertinente de los alumnos.

  • Proporcionar a todos los alumnos, en particular a los del bachillerato, una formación integral que incluya artes y humanidades, ciencia y tecnología, cultura y experiencias prácticas. ….

Por esas razones la Universidad debe prestar particular atención a los alumnos y a sus procesos de formación. Debe proporcionarles una preparación de carácter general de calidad que los capacite para la comprensión del mundo y de su entorno inmediato. Igualmente, para que cultiven habilidades que les permitan adquirir conocimientos nuevos, resolver problemas en los distintos campos del saber, localizar e interpretar información mediante la utilización de los instrumentos tradicionales y las nuevas tecnologías”
En consecuencia, resulta importante que los alumnos interactúen de forma activa (organizando, sistematizando, comparando, clasificando, analizando, explorando, argumentando, aplicando, etcétera) con la temática que van a conocer, de modo que además de favorecer una mejor comprensión de la misma, se les dote de herramientas intelectuales. Para ello, es de gran utilidad el uso de diversas versiones de software, entre las que destacan Excel , etcétera mediante los cuales pueden diseñarse estrategias de aprendizaje que contribuyen a la búsqueda de significados, a la sistematización, a la exploración, a la formulación de conjeturas y al desarrollo de la imaginación espacial, entre otros.

En Biología, al igual que en otras disciplinas de la misma Área, se parte de las vivencias propias del estudiante y las situaciones recreadas en el laboratorio como fundamento de los aprendizajes, promoviendo así su aplicación a procesos reales; se promueven la explicación de los fenómenos naturales, las aplicaciones tecnológicas y la interpretación de los modelos que expliquen tanto la naturaleza de los fenómenos observados; y se propician aprendizajes útiles y de aplicación a su entorno. Un elemento importante en la formación de nuestros estudiantes radica en ofrecerle recursos tecnológicos actuales que le permitan conocer y comprender su entorno, que le permitan desarrollar habilidades paralelas como el mejorar su habilidad para observar el sistema de estudio, seleccionar aquellas magnitudes que le permiten describir mejor los sistemas biológicos y sus cambios, recolectar y sistematizar mejor la información que obtiene, así como la manera en que puede analizar e interpretarla de tal manera que formule hipótesis que le permitan verificar o no su validez para formular modelos, matemáticos o no, que le expliquen el fenómeno estudiado.


Consideramos que el incorporar la computadora como una herramienta de trabajo más al equipo del laboratorio, nos permitiría reducir el tiempo de registro y procesamiento de la información obtenida de los experimentos que realizaban nuestros alumnos en la asignatura de Biología, para enfocar su atención al análisis e interpretación de la información.

El trabajo que hemos desarrollado ha tenido como finalidades:



  • Motivar a nuestros estudiantes para interesarlos en el estudio de la Ciencia, particularmente en la Biología,

  • Incorporar el uso de recursos que nos proporciona la tecnología moderna para preparar mejor a nuestros egresados.

  • Apoyar a otros profesores tanto en su actividad docente cotidiana y contribuir en su actualización en empleo de nuevos recursos tecnológicos.

  • Producir materiales de apoyo para desarrollar la actividad experimental acorde a los enfoques y contenidos de nuestros programas en los grupos curriculares y para la realización de investigación de carácter extracurricular.

  • Fomentar el desarrollo de habilidades del pensamiento así como de algunas destrezas relacionadas con la investigación.

USO DE LOS SENSORES, LAS INTERFASES Y LA COMPUTADORA

El uso de sensores, interfases y la computadora en la realización de actividades experimentales va encaminada hacia otro nivel de abstracción que incluye la relación entre las magnitudes involucradas en el fenómeno.


Con este equipo pueden realizarse mediciones más precisas, en un tiempo más corto y el despliegue de gráficas que relacionan las magnitudes involucradas; adicionalmente se cuenta con herramientas que permiten el análisis de la información obtenida
Estrategia

Utilizando un enfoque constructivista del proceso enseñanza-aprendizaje y teniendo como marco referencial la dimensión ambiental, para el aprendizaje de valora los efectos del incremento de la población, se propone una actividad grupal, donde los alumnos, a través de una investigación con énfasis en las actividades prácticas y la experiencia cotidiana, combinen diversos ambientes de aprendizaje para contribuir a su formación y comprensión científica

Para partir de una concepción más sencilla se puede considerar que se trata el desarrollo sostenible es aquél que permite el progreso humano en armonía con la naturaleza. Esto quiere decir que toda política cuya finalidad equilibrar la sociedad, la economía y hasta la cultura con la naturaleza deberá considerar cuál será la magnitud de la intervención humana en términos de proteger el futuro de los recursos naturales para las generaciones venideras. Se presenta la unidad, propósito y aprendizajes de una estrategia que incorpora el uso de los sensores en un modelo de crecimiento microbiano, donde el alumno comprende los efectos del incremento poblacional.

CÓMO INTERACTÚAN LOS SISTEMAS VIVOS CON SU AMBIENTE?
PROPÓSITO: Al finalizar la Unidad el alumno describirá la estructura y el funcionamiento del ecosistema, a partir del análisis de las interacciones que se presentan entre sus componentes, para que valore las repercusiones del desarrollo humano sobre el ambiente y las alternativas para el manejo responsable de la biosfera.

Aprendizajes


Valora los efectos que el incremento de la población humana, sus actividades y formas de vida, producen en el ambiente.

Apertura
El profesor después de presentar el propósito y el aprendizaje presenta la siguiente




  1. Pregunta generadora ¿Cuántos humanos hay en el planeta?

Pide a los alumnos que reflexionen y que en el pizarrón escriban alguna frase alusiva a parir de la información se comparan las respuestas y se sacan conclusiones y temas a investigar considerando “¿Cómo impacta a otras especies, el número de la población humana?


Los alumnos realizan una investigación bibliografía en la web para la siguiente sesión. Se recomienda al profesor que en caso de que los alumnos aporten información que no es adecuada imprima la lectura la población en la siguiente dirección http://www.educa.madrid.org/web/cepa.arganda/sociedad_n1/TEMAS_PDF_NUEVOS/LA%20POBLACION.pdf
Desarrollo


  1. Con base en la información y la lectura los alumnos por equipo realizan un cuestionario con preguntas y respuestas que se intercambian y contestan se sugiere que estructuren 5 preguntas por equipo

  2. El profesor revisa los cuestionarios con las preguntas y define como se realizará la sesión de preguntas, por ejemplo el 1 al 6, el 2 al 4, el 3 al 5, se establece la regla de que si el equipo no contesta otro equipo puede hacerlo y acumular puntos. Esto permite que los alumnos socialicen el conocimiento.

  3. Al finalizar el profesor enfatiza los conceptos de población crecimiento, curvas de crecimiento, efectos de los recursos.

  4. Para la siguiente sesión se programa la actividad práctica con el uso de sensores.

2. Actividad experimental con sensores


Introducción
Entendemos por crecimiento microbiano el aumento del número de microorganismos a lo largo del tiempo. Por tanto, no nos referimos al crecimiento de un único microorganismo (ciclo celular) sino al demográfico de una población
El crecimiento microbiano se define como un incremento en el nº de células, es decir, se refiere al crecimiento de poblaciones. Este viene dado como consecuencia del crecimiento de cada célula individual y su división celular. El crecimiento de un microorganismo depende de varios factores como: el tipo de organismo, la composición del medio de cultivo y las condiciones de incubación.

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Existen varios métodos para medir el crecimiento microbiano:


Métodos directos: son aquellos en los que se cuenta el nº total de células en un volumen conocido y así se estima el nº total en la población. Los más utilizados son: el recuento directo del número de células al microscopio, contadores electrónicos, recuento de células viables.
Métodos indirectos: son aquellos que utilizan parámetros distintos del nº de células, pero que pueden relacionarse de forma directa con éste (masa celular, actividad metabólica, etc..). Ello es posible porque durante el crecimiento de un cultivo hay un aumento ordenado de todos los constituyentes celulares y así la velocidad de crecimiento de la población puede estimarse por la velocidad del incremento de cualquiera de estos parámetros. Entre los métodos indirectos se encuentran: Determinación del peso seco, Determinación del nitrógeno celular, Determinación del DNA, Determinación de una actividad metabólica y Medida de la turbidez del cultivo.
Determinación de una actividad metabólica, según el tipo de microorganismo: consumo de oxígeno (en aerobios), liberación de CO2 u otro producto de fermentación, aumento de la concentración de alguna enzima constitutiva, incorporación en la célula de algún material radiactivo, etc. Para ello se utilizará el sensor LESA de presión para determinar la liberación de CO2 en el proceso de fermentación.
Cálculo del tiempo de generación (Optativo)
El tiempo requerido para que una célula microbiana se divida dando lugar a dos células se denomina tiempo de generación (g). Por tanto, g es el tiempo que necesita una población para duplicar el nº de células. Si consideramos que entre un tiempo inicial (To) y otro final (Tf) han transcurrido n generaciones, el valor de g se expresará como:

g = (Tf - To)/n (A)
Si inicialmente tenemos en el cultivo No. células, después de la primera división el número de células será No. × 21; después de la segunda división No. × 22; después de la tercera división No. × 23…….; después de n divisiones, el número final de células (Nf) será N0 × 2n. Por tanto, se trata de una progresión geométrica cuya sucesión se puede expresar como:

Nf = No × 2n (B)
Despejando el valor de n se aplican logaritmos:
Log Nf = log (No × 2n) log Nf = log No + n log 2
n = (log Nf – log No)/log 2

Conocido el valor de n, lo sustituimos en la ecuación (A) y obtenemos el valor de g:


g = 0,3 (Tf - To)/ (log Nf – log No)
El crecimiento de una población en el que el número de células se dobla cada un tiempo g se conoce como crecimiento exponencial y está representado por la ecuación (B).

logaritmica

Aritmetica

Nº de Células

(escala logarítmica)



Nº de Células

(escala arítmetica)


Sin embargo, cuando seguimos el crecimiento de una población microbiana, midiendo por ejemplo su DO en función del tiempo, obtenemos su curva de crecimiento, que nos viene dada por una gráfica del tipo:



Latencia Exponencia

Turbidez (DO)

Viables

Estacionaria

Muerte

Fases de crecimiento

El incremento en el número de células es lento al principio y después llega a ser de forma exponencial. Esta gráfica es característica de un cultivo en un recipiente cerrado en el que los nutrientes son limitados.
En la curva se distinguen cuatro fases:

Fase de latencia. Fase de adaptación de las células a las nuevas condiciones del medio de incubación al que han sido transferidas. Las células no crecen inmediatamente sino después de este tiempo de latencia. Las células son metabólicamente activas, se adaptan al medio y eventualmente lo modifican. Para un mismo inóculo, esta fase de latencia varía dependiendo del medio al que se transfieren y de las condiciones de incubación.


Fase de crecimiento exponencial. Fase en la que las células se están dividiendo regularmente a ritmo constante. En condiciones apropiadas durante esta fase, el grado de desarrollo es máximo. Es en este periodo donde puede calcularse el tiempo de generación de un microorganismo.
Fase estacionaria. El nº de células no se incrementa más porque los nutrientes del medio se van agotando y posibles sustancias tóxicas pueden ir acumulándose. No hay incremento neto del nº de células, el nº de células que se originan es igual al nº de las que mueren.
Fase de muerte celular. Las células mueren a una velocidad mayor a la que se originan debido al agotamiento total de los nutrientes y/o excesiva acumulación de sustancias tóxicas. A veces la muerte va acompañada de lisis celular y esto disminuye la absorbancia del cultivo.
Objetivos
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