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Aislamiento de una cepa de Kocuria rosea degradadora de plumas de aves de corral.

RESUMEN

Con el objeto de buscar un metodo biologico para el procesamiento de las plumas, se aislo un coco Gram positivo a partir de un deposito colector de una planta beneficiadora de aves, empleando un medio selectivo preparado con polvo de plumas como principal fuente de carbono, energia y nitrogeno. El microorganismo aislado, identificado como Kocuria rosea, fue capaz de degradar plumas enteras en medio de cultivo salino pH 7,5 a 40[grados]C en 72 horas. Se pudo observar que el incremento en el tiempo de esterilizacion por calor humedo del medio de cultivo favorece la accion del microorganismo sobre las plumas. La mayor degradacion de las plumas se obtuvo en cultivos de Kocuria rosea incubados entre 35-40[grados]C. La microscopia electronica de las celulas en cultivo revelo la presencia de planos de division asimetricos y granulos de reserva de tipo glucogeno y polifosfatos. Estudios posteriores permitiran establecer el potencial biotecnologico de la fermentacion de plumas por la cepa Kocuria rosea para la produccion de metabolitos microbianos de alto valor agregado.

Palabras clave: Kocuria, plumas, biodegradacion, ultraestructura.

ABSTRACT

In order to look for a biological method for feathers processing, a Gram positive coccus was isolated from a waste collector of a poultry processing plant using a selective media prepared with feather powder as the main source of carbon and energy. The isolated microorganism identified as Kocuria rosea, was able to degrade whole feathers in submerged cultures pH 7,5 at 40[grados]C in 72 hours. It was demonstrated that the increment in the time of autoclaving of the culture media enhances the action of the microorganism on feathers. The biggest degradation of feathers was obtained in cultures of Kocuria rosea incubated between 35 and 40[grados]C. The electronic microscopy of cells in cultivation revealed the presence of asymmetric division planes and granules of glycogen and polyphosphate. Later studies will allow to establish the biotechnological potential of feather fermentation by Kocuria rosea for the production of microbial metabolites of high added value.

Key words: Kocuria, feathers, biodegradation, ultrastructure.

Isolation of a Poultry Feather-degrading Kocuria rosea Strain

INTRODUCCION

El aumento sostenido en el procesamiento de las aves de corral a nivel industrial ha planteado el problema de la ubicacion de los desechos producto de su beneficio, en resguardo de la calidad del medio ambiente. En Venezuela existen 54 plantas beneficiadoras de aves de corral las cuales, en el ano 1995 generaron como subproducto aproximadamente 30.000 TM de plumas [10]. En la busqueda de una solucion a este problema, la industria avicola ha realizado esfuerzos para utilizar dichos subproductos (plumas, visceras, patas y cabezas) en la obtencion de insumos de mayor valor agregado.

Por muchos anos, las plumas han sido de interes en estudios nutricionales, dado que el 95% de su peso seco es proteina, de la que un 88% es queratina [8], La queratina, presente tambien en pelos, unas y cuernos, es una proteina fibrosa insoluble que en su estado nativo es muy resistente al tratamiento con enzimas proteoliticas, tales como tripsina, pepsina y papaina. Ello se debe al alto grado de enlaces disulfuro de la cisteina, enlaces de hidrogeno e interacciones hidrofobicas dentro de la molecula de queratina, que la hacen poco digestible cuando se suministra como fuente proteica en la dieta de animales [19].

A nivel industrial, gran parte de las plumas generadas en las plantas beneficiadoras de aves son recolectadas y sometidas a un proceso de coccion por vapor a alta presion y temperatura, obteniendose un hidrolizado proteico en forma de harina, el cual es incorporado en alimentos concentrados para animales como suplemento proteico. Este procesamiento resulta de la modificacion de la estructura proteica de las plumas, haciendolas mas susceptibles al ataque proteolitico de las enzimas digestivas, mejorando asi su digestibilidad y en consecuencia, su utilizacion como suplemento nutricional. La harina de plumas ha sido evaluada extensivamente como alimento para aves y se ha encontrado que, ademas de ser poco digestible, presenta un desbalance de algunos aminoacidos esenciales, tales como histidina, metionina y triptofano, debido a la naturaleza propia de la proteina queratinosa y a la destruccion parcial de algunos aminoacidos termolabiles durante el procesamiento [2, 3, 5, 18]. De alli el uso limitado de la harina de plumas en la elaboracion de alimentos concentrados y la busqueda de nuevas estrategias para el tratamiento de las plumas que, siendo mas rentables, resulten en un producto de mayor calidad nutricional.

En este sentido, una posibilidad es el uso de metodos biologicos para el aprovechamiento de las plumas como sustrato fermentable de microorganismos capaces de degradarlas. La literatura reporta el aislamiento de una cepa termofila de Bacillus licheniformis degradadora de plumas, obtenida de un digestor anaerobico de desechos avicolas, la cual fue empleada para producir un hidrolizado de plumas [16, 17]. De manera similar, se ha aislado una cepa de Streptomyces fradie con capacidad queratinolitica e hiperproductora de metionina, con el objetivo de mejorar la calidad aminoacidica del hidrolizado producido [7].

De alli que, los procesos biotecnologicos representan para la industria avicola una forma alternativa de aprovechamiento de las plumas, al poder ser incluidas como fuente de nutrientes (C, N) en la formulacion de medios de interes industrial para la produccion de insumos de mayor valor economico, tales como proteasas tipo queratinasas y proteina unicelular de origen bacteriano. Una posibilidad es la utilizacion conjunta de la biomasa y del hidrolizado de plumas obtenido finalizada la fermentacion en la nutricion animal, pudiendo representar hasta un 7% de enriquecimiento proteico [15] y a nivel cualitativo, un cambio en el perfil aminoacidico del producto obtenido debido al aporte de los aminoacidos propios de la biomasa [17]. El objetivo del presente trabajo fue el aislamiento, identificacion y estudio de una cepa de Kocuria rosea capaz de utilizar plumas como sustrato fermentable.

MATERIALES Y METODOS

Para la preparacion de los medios de cultivo fueron utilizadas plumas blancas de pollo, lavadas con abundante agua, esterilizadas por autoclave (15 min), secadas en estufa a 60[grados]C y almacenadas a temperatura ambiente hasta su utilizacion. La harina de plumas comercial, fue gentilmente donada por la Planta Proagro de Protinal, Bejuma, Edo. Carabobo, Venezuela y obtenida mediante un proceso fisicoquimico de coccion por vapor a alta presion (90 Ib) y temperatura (100[grados]C) por 45 min en presencia de cal como acelerador de la hidrolisis. Las sales para la preparacion de los medios fueron de Sigma Chemicals (USA) y el extracto de levadura y el agar, de Difco Laboratories (USA).

Preparacion de polvo de plumas

El polvo de plumas fue obtenido a partir de plumas enteras a las cuales se les descarto con tijeras el raquis, quedando solo las barbas. Luego fueron lavadas con agua destilada, secadas a 60[grados]C y molidas por abrasion empleando un homogenizador de vidrio. El homogenizado obtenido fue centrifugado (2.000 g, 15 min) y el sedimento resultante fue lavado con agua destilada por centrifugacion bajo las condiciones descritas y secado a temperatura ambiente por 24 horas. El residuo seco resultante fue molido manualmente con un mortero y conservado en nevera a 4[grados]C hasta su empleo posterior.

Medios de cultivo

Los medios de cultivo contenian plumas (cuya presentacion dependia del tipo de medio) y una solucion de sales, ajustada su pH a 7,5 con KOH al 10%, preparada con:

N[H.sub.4]Cl 0,5 g

NaCl 0,5 g

K[H.sub.2]P[O.sub.4] 0,3 g

K[H.sub.2]P[O.sub.4] 0,4 g

Mg[Cl.sub.2].6[H.sub.2]O 0,1 g

Extracto de levadura 0,1 g

Agua destilada 1.000 mL

a) Para el aislamiento del microorganismo se utilizo la solucion salina basal suplementada con polvo de plumas 10 g/L) y agar (20 g/L).

b) El cultivo del microorganismo se realizo en tubos de ensayo que contenian una pluma entera y 5 mL de la solucion salina descrita anteriormente.

c) La conservacion de la cepa se realizo a 4[grados]C en estrias de medio solido. En este caso la solucion salina fue suplementada con harina de plumas comercial (20 g/L) y agar (20 g/L).

Todos los medios de cultivo fueron esterilizados por autoclave (121[grados]C, 15 min).

Aislamiento del microorganismo degradador de plumas

La seleccion del microorganismo se llevo a cabo en base a su capacidad degradadora de plumas en medios de cultivo que contenian estas como principal fuente de carbono y nitrogeno. Para ello, se tomaron muestras bacteriologicas en un deposito colector de desechos avicolas de una planta beneficiadora de aves ubicada en la ciudad de Caracas, D.F. donde las plumas, depositadas durante varios dias, se encontraban en estado de descomposicion. Las muestras fueron sembradas por agotamiento en placas de Petri con medio de polvo de plumas e incubadas a 40[grados]C por 48 horas a fin de realizar el aislamiento.

Cultivo del microorganismo degradador de plumas

Los ensayos realizados en tubos con plumas enteras resuspendidas en solucion salina basal se realizaron sin agitacion a 40[grados]C durante 72 horas.

Efecto del tiempo de esterilizacion por calor humedo sobre las plumas

Lotes de plumas enteras fueron autoclavadas (1 bar-121[grados]C) durante diferentes tiempos: 5, 10 y 15 min. Para evitar problemas de contaminacion debido a un autoclavado insuficiente, aquellos lotes de plumas donde no se cumplio el tiempo de esterilizacion por calor humedo de 15 min, se completo su esterilizacion quimicamente empleando gas formaldehido. Para ello, cada lote fue envuelto en gasa y colocado en una campana de vidrio durante 12 horas, en donde previamente se introdujo un vaso de precipitado conteniendo 1 g/mL de KMn[O.sub.4] en solucion de formalina al 30%. Para verificar la esterilizacion, se tomaron muestras de plumas de cada lote y se incubaron a 40[grados]C en tubos con caldo nutritivo. La ausencia de turbidez en dichos medios fue indicativo de una adecuada esterilizacion.

Microscopia electronica

Un cultivo de medio con plumas de 72 horas de incubacion se utilizo para el procesamiento de la muestras. Estas fueron fijadas en glutaraldehido al 2,5% en tampon fosfato cacodilato 0,1 M, pH 7,2 a temperatura ambiente por 2 horas, lavadas 3 veces con tampon, postfijadas con 1% [O.sub.s][O.sub.4] en agua durante 2 horas a temperatura ambiente, deshidratadas gradualmente en etanol y oxido de propileno e incluidas en resina epoxica LX-112 (LADD Res. Inc, Burlington, USA). Las muestras fueron contrastadas con citrato de plomo y acetato de uranilo, observadas y fotografiadas en un microscopio electronico de transmision HITACHI H-7100 a 75 Kv.

Metodos analiticos y ensayos enzimaticos

A fin de realizar el seguimiento de la biomasa y la degradacion de las plumas, se tomaron muestras de los jugos de fermentacion al inicio y al final de la fermentacion (72 horas). La biomasa fue determinada por turbidimetria (600 nm) y convertido su valor en peso seco (g/L) mediante una curva de calibracion previamente realizada por gravimetria. La magnitud de la degradacion de las plumas se determino en base a la estimacion de la concentracion de los grupos amino libres en los sobrenadantes de los cultivos usando el metodo de ninhidrina de Rosen [12]. La actividad proteolitica fue estimada por el metodo Kunitz [11] utilizando caseina como sustrato. Una unidad de actividad caseinolitica equivale a la cantidad de enzima capaz de producir un incremento de absorbancia de 1,0 unidad en un minuto.

RESULTADOS Y DISCUSION

A partir de una muestra tomada en un deposito colector de desechos avicolas se logro aislar una colonia bacteriana de color rojo y bordes definidos, con un halo claro alrededor. El medio selectivo de polvo de plumas ha sido utilizado con exito para el aislamiento de microorganismos del genero Bacillus [4, 16]. El crecimiento de colonias en dicho medio y la presencia de un halo claro alrededor de las mismas, sugirio que el microorganismo secretaba proteasas capaces de degradar dicho sustrato, para luego aprovechar como nutrientes los productos de la hidrolisis.

La cepa bacteriana aislada, codificada como LPB-3, fue identificada como Microccocus roseus por el Centro Venezolano de Coleccion de Microorganismos (CVCM), del Instituto de Biologia Experimental de la Universidad Central de Venezuela y como Kocuria rosea, en el Instituto Pasteur, Francia. Esta bacteria aerobica, perteneciente al genero Micrococcus y reclasificada en 1995 dentro del genero Kocuria [13], ha sido objeto de estudios en relacion a la estructura y propiedades del pigmento carotenoide que ella produce [6, 9, 14]; sin embargo, la capacidad degradadora de plumas no habia sido reportada hasta ahora en este genero bacteriano.

La observacion al microscopio optico de un frotis tenido con Gram de la cepa LPB-3 crecida en medio con plumas enteras, evidencio la presencia de cocos Gram positivos que se disponen aislados, en duplos y racimos irregulares, FIG. 1. Ademas, se observaron cumulos de celulas adsorbidos a los restos de plumas, representando una ventaja estrategica para el microorganismo, al concentrar la cantidad de enzima secretada a un sitio especifico y lograr un mejor aprovechamiento del sustrato.

Las micrografias muestran diversos cortes de la cepa Kocuria rosea, FIG. 2, donde la ultraestructura del microorganismo se revela como la de una bacteria Gram positiva tipica. A saber, una pared celular gruesa y continua, constituida al menos por dos capas, que recubre la membrana citoplasmatica. La matriz protoplasmatica tiene aspecto granular y electron densa, siendo mas compacta hacia la periferia del coco y presentando zonas fibrilares centrales que podrian tratarse de cromatina. La alta densidad citoplasmatica observada puede ser debida a la elevada densidad de ribosomas, lo que sugiere una sintesis activa de proteinas, posiblemente proteasas. Ademas, se aprecian estructuras citoplasmaticas grandes, redondeadas y electron densas, de bordes difusos y sin membrana y otras mas pequenas, de bordes difusos y menor densidad electronica, que corresponden a granulos de polifosfato y de glucogeno, estructuras que constituyen reservas intracelulares de fosforo y carbono respectivamente.

Por otro lado, las micrografias destacan la presencia de planos de division multiples y asimetricos, en lugar de las divisiones binarias simetricas generalmente encontradas en los microorganismos. Una posible explicacion para este fenomeno es que sea un efecto fisiologico, debido a la presion selectiva impuesta y las restricciones nutricionales del medio de cultivo utilizado. Sin embargo, no se descarta que se trate de un mecanismo de division normal de Kocuria rosea, microorganismo que hasta la fecha ha sido poco estudiado.

La FIG. 3 muestra el estado fisico de las plumas de los medios de cultivo cuando son inoculados con el microorganismo LPB-3 e incubados a 40[grados]C durante 72 horas. Las observaciones diarias permitieron apreciar que la magnitud de la degradacion de la pluma aumenta de forma progresiva, hasta que todo el material queratinoso que conforman las barbas desaparece dejando el raquis como un residuo parcialmente digerido a las 72 horas de incubacion. La magnitud de la degradacion de las plumas pudo ser cuantificada y se observo un incremento en la concentracion de grupos amino libres a las 72 horas (4,5 mM) con relacion al valor estimado al inicio del experimento (1,6 mM).

Concomitante a la degradacion de las plumas, se observo un incremento de la turbidez del medio, indicativo de crecimiento bacteriano. Las estimaciones de peso seco celular mostraron valores superiores (0,55 g/L) a los obtenidos al inicio del experimento (0,20 g/L). Por otra parte, de acuerdo a la literatura [1] el 14% del peso seco celular de una bacteria corresponde a nitrogeno elemental; al revisar la formulacion del medio de cultivo utilizado y realizar los calculos correspondientes se obtiene que el cloruro de amonio del medio de cultivo (0,5 g/L) aporta 0,13 g/L de nitrogeno, cantidad que permite sustentar solo el 64% de la biomasa obtenida. Todo lo cual reforzo la afirmacion de que el microorganismo utiliza como sustrato fermentable, los productos de degradacion de las plumas (aminoacidos y peptidos), como fuente de carbono, energia y nitrogeno para su propagacion. En concordancia con lo anterior, la actividad caseinolitica estimada en los jugos de fermentacion, incremento de 0,002 a 0,19 U/mL, indicativo de induccion en la secrecion de proteasas al medio de cultivo por parte del microorganismo.

Ensayos similares con plumas enteras realizados a diferentes temperaturas de incubacion, mostraron que el intervalo de temperatura donde se observo mayor densidad celular, concomitante con una mayor degradacion de las plumas, correspondia a 35-40[grados]C.

Por otro lado, se observo que el tiempo requerido para lograr la biodegradacion de las plumas se redujo al incrementar el tiempo de esterilizacion por calor humedo (1 bar, 121[grados]C). Las plumas esterilizadas 5 min por calor humedo demoraron 16 dias en ser degradadas, mientras que las plumas esterilizadas 10 y 15 min demoraron 8 y 3 dias, respectivamente. Ello puede explicarse por el efecto de la alta presion y temperatura durante la esterilizacion por autoclave, lo cual resulta de la modificacion de la estructura de las fibras queratinosas, haciendolas mas susceptibles al ataque queratinolitico. No obstante, este tratamiento fisico resulta ser mas rapido y menos drastico que el empleado por la Planta Proagro de Protinal, Edo. Carabobo, Venezuela, en la elaboracion de la harina de plumas comercial (90 lb, 100[grados]C, 45 min).

En la actualidad, en el Laboratorio de Procesos Biotecnologicos, UCV, se adelantan experimentos sobre la fisiologia de la cepa LPB-3 de Kocuria rosea, la caracterizacion de su cinetica de fermentacion y la optimizacion del medio de cultivo con plumas mediante analisis de estadistica inferencial.

CONCLUSIONES

El aislamiento de la cepa LPB-3 de Kocuria rosea capaz de utilizar plumas como sustrato fermentable, abre la posibilidad de valorizar este subproducto de las plantas beneficiadoras de aves para la produccion biotecnologica de insumos de alto valor agregado. La realizacion de ensayos en condiciones controladas de crecimiento (fermentadores) y la caracterizacion bioquimica de las proteasas (queratinasas) secretadas por K. rosea seran de utilidad en el escalamiento y optimizacion de este tipo de procesos. Los analisis bromatologicos del hidrolizado proteico obtenido, asi como ensayos de disgestibilidad in vitro son necesarios a fin de evaluar su uso potencial como suplemento en la nutricion animal .

AGRADECIMIENTO

El presente estudio fue financiado mediante fondos del proyecto 88 de transferencia inmediata del Programa de Nuevas Tecnologias del Banco Interamericano de Desarrollo y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologia y, 09-12-4044-97 del Consejo de Desarrollo Cientifico y Humanistico de la Universidad Central de Venezuela.

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Recibido: 09 /07/99. Aceptado: 14/02/2000.

Nereida Coello (1), Luis Vidal (1) y Antonio Bretana (2)

(1) Laboratorio de Procesos Biotecnologicos, Instituto de Biologia Experimental, Universidad Central de Venezuela, Apartado 47279. Caracas 1041A, Venezuela.

(2) Unidad de Microscopia Electronica, Centro de Estudios Biomedicos y Veterinarios. IDECYT, Universidad Nacional Experimental Simon Rodriguez. Caracas, Venezuela

Leyenda: FIGURA 1. IMAGENES DE MICROSCOPIA DE LUZ DE FROTIS TENIDOS CON GRAM DE LA CEPA Kocuria rosea CRECIDA EN MEDIO DE CULTIVO CON PLUMAS A 40[grados]C (1.000X). SE EVIDENCIA LA PRESENCIA DE COCOS GRAM POSITIVOS QUE SE DISPONEN AISLADOS, EN DUPLOS Y CUMULOS DE CELULAS ADSORBIDOS A RESTOS DE PLUMAS.

Leyenda: FIGURA 2. MICROSCOPIA ELECTRONICA DE TRANSMISION DE CELULAS DE LA CEPA Kocuria rosea: LAS MICROFOTOGRAFIAS MUESTRAN CORTES DE COCOS, EN LOS CUALES, SON VISIBLES PLANOS DE DIVISION MULTIPLE CON SIMETRIA VARIABLE (pd). LA PARED CELULAR (pe), ES GRUESA Y CONSTITUIDA DE AL MENOS 3 CAPAS (pc*). EN ALGUNOS COCOS, DEPENDIENDO DEL PLANO DE CORTE, PUEDE OBSERVARSE LA MEMBRANA PLASMATICA (mp), ASI COMO TAMBIEN GRANULOS (gp), DE ALTA DENSIDAD ELECTRONICA SIN MEMBRANA CIRCUNDANTE QUE PUDIERAN CORRESPONDER A ACUMULOS POLIFOSFATICOS. EL PROTOPLASMA CELULAR ES ELECTRON DENSO, HACIENDOSE MAS COMPACTO HACIA LA PERIFERIA CELULAR; EN SU INTERIOR PUEDEN VERSE ALGUNAS MICROFIBRILLAS (CABEZA DE FLECHAS). 2A (x26.000), 2B (x35.000 X); 2C (x52.000).

Leyenda: FIGURA 3. EFECTO DE LA ACTIVIDAD QUERATINOLITICA DE LA CEPA Kocuria rosea SOBRE LA INTEGRIDAD FISICA DE LAS PLUMAS A DIFERENTES TIEMPOS DE LA FERMENTACION EN MEDIO SALINO A 40[grados]C.
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Author:Coello, Nereida; Vidal, Luis; Bretana, Antonio
Publication:Revista Cientifica de la Facultad de Ciencias Veterinarias
Date:Mar 1, 2000
Words:4128
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