DiseƱo factorial

Problema a analizar

Se desean evaluar la actividad antimicorbiana de extractos en cuatro medios y en cuatro microorganismos. Es un diseƱo de 4x4x3. Siendo 4 del factor A los 4 tipos de medio de cultivo, 4 bacterias que serian factor B y 3 replcias.

Variable respuesta

Se desea encontrar la concentracion minima inhibitoria (CMI) del extracto, donde a menor valor de CMI mayor es la actividad antimicrobiana del extracto.

## Warning: package 'readxl' was built under R version 4.4.2
## [1] "Medio"    "Bacteria" "Replica"  "CMI"
## tibble [48 Ɨ 4] (S3: tbl_df/tbl/data.frame)
##  $ Medio   : chr [1:48] "Sabouraud" "Sabouraud" "Sabouraud" "Sabouraud" ...
##  $ Bacteria: chr [1:48] "S. aureus" "S. aureus" "S. aureus" "E. cloacae" ...
##  $ Replica : num [1:48] 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 ...
##  $ CMI     : num [1:48] 0.65 0.59 0.66 0.62 0.41 0.43 0.51 0.46 0.75 0.58 ...

Diagrama Box Plot

Este diagrama muestran la distribución de los valores de la CMI segun dos variables, correspondiente a los diferentes medios de cultivo y a las diversas bacterias evaluadas. Se evidencia que el medio Sabouraud es con la mediana mas baja lo que indica que el compuesto en este medio es mas efectivo, seguido del medio malta. Los medios PDB y Czapek tienen una dispersion mas alta, sugieriendo variabilidad alta en repsuesta del CMI al medio.

Con respecto al grafico por bacteria se observa que E. cloacae tiene una mediana ligeramente menor a las otras 3 sugiriendo que esta bacteria es mas suceptible. las bacterias como Pseudomonas aeruginosa y Staphylococcus aureus tienen mayor rango de CMI y teniendo variabilidad alta entre replicas o ensayos.

Calculo ANOVA y modelo lineal

En este se observa que para el factor A el p-valor es menor a 0,05 indicando que el medio si afecta al CMI, por el contrario el P-valor del factor B muestra que los datos no son significativos, es decir que las bacterias no generan una diferencia clara en la CMI. la interaccion entre el factor A y B tambien muestran que no hay diferencia significativa congunta importante entre el medio y la bacteria, ya que el P-valor es de 0.861.

##                 Df Sum Sq Mean Sq F value   Pr(>F)    
## FactorA          3 1.8273  0.6091  19.860 1.87e-07 ***
## FactorB          3 0.0573  0.0191   0.623    0.605    
## FactorA:FactorB  9 0.1390  0.0154   0.504    0.861    
## Residuals       32 0.9815  0.0307                     
## ---
## Signif. codes:  0 '***' 0.001 '**' 0.01 '*' 0.05 '.' 0.1 ' ' 1
##                 Df Sum Sq Mean Sq F value   Pr(>F)    
## FactorA          3 1.8273  0.6091  19.860 1.87e-07 ***
## FactorB          3 0.0573  0.0191   0.623    0.605    
## FactorA:FactorB  9 0.1390  0.0154   0.504    0.861    
## Residuals       32 0.9815  0.0307                     
## ---
## Signif. codes:  0 '***' 0.001 '**' 0.01 '*' 0.05 '.' 0.1 ' ' 1
## 
## Call:
## lm(formula = CMI ~ (FactorA + FactorB + FactorA:FactorB))
## 
## Residuals:
##      Min       1Q   Median       3Q      Max 
## -0.44667 -0.08500 -0.00333  0.09083  0.38333 
## 
## Coefficients:
##                                        Estimate Std. Error t value Pr(>|t|)    
## (Intercept)                            0.993333   0.101112   9.824 3.49e-11 ***
## FactorAMalta                          -0.283333   0.142994  -1.981  0.05619 .  
## FactorAPDB                            -0.020000   0.142994  -0.140  0.88964    
## FactorASabouraud                      -0.506667   0.142994  -3.543  0.00124 ** 
## FactorBE. coli                         0.080000   0.142994   0.559  0.57974    
## FactorBP. aeruginosa                   0.200000   0.142994   1.399  0.17153    
## FactorBS. aureus                       0.100000   0.142994   0.699  0.48940    
## FactorAMalta:FactorBE. coli            0.073333   0.202224   0.363  0.71926    
## FactorAPDB:FactorBE. coli             -0.030000   0.202224  -0.148  0.88300    
## FactorASabouraud:FactorBE. coli        0.006667   0.202224   0.033  0.97391    
## FactorAMalta:FactorBP. aeruginosa     -0.050000   0.202224  -0.247  0.80629    
## FactorAPDB:FactorBP. aeruginosa       -0.320000   0.202224  -1.582  0.12339    
## FactorASabouraud:FactorBP. aeruginosa -0.136667   0.202224  -0.676  0.50401    
## FactorAMalta:FactorBS. aureus         -0.063333   0.202224  -0.313  0.75617    
## FactorAPDB:FactorBS. aureus           -0.146667   0.202224  -0.725  0.47356    
## FactorASabouraud:FactorBS. aureus      0.046667   0.202224   0.231  0.81896    
## ---
## Signif. codes:  0 '***' 0.001 '**' 0.01 '*' 0.05 '.' 0.1 ' ' 1
## 
## Residual standard error: 0.1751 on 32 degrees of freedom
## Multiple R-squared:  0.6734, Adjusted R-squared:  0.5203 
## F-statistic: 4.399 on 15 and 32 DF,  p-value: 0.0002135

El modelo lineal nos muestra con el \(R^2\) que el 67% de la variabilidad de la CMI es explicado por el modelo.Ademas el \(R^2\) ajustado de 0.520 muestra que la proporcion de la varibilidad es explicada por el modelo ya que este numero es mayor y cercano a 1. En cuanto al error estandar, el 0,17 indican que en promedio se desvia un ~19% de rango total, siendo un rango aceptable.

Graficas de efectos principales e interacciones

De las siguientes graficas podemos inferir que el medio Czapek tiene la media ajustada mas alta. Con respecto al factor B en este no se evidencia diferencias, ya que las diferencias entre las bacterias es menor entre ellas.

## Warning: package 'phia' was built under R version 4.4.3
## Cargando paquete requerido: car
## Warning: package 'car' was built under R version 4.4.2
## Cargando paquete requerido: carData
## Warning: package 'carData' was built under R version 4.4.2

Analisis de la idoneidad del modelo

Normalidad de residuos

La prueba de Shapiro-Wilk indica que no hay evidencia que los residuos no sean normales. Es decir ya que el p-valor es mayor o igual a 0,05, se acepta H0 y los residuos son normales indicando que el modelo tiene validez a los resultados estadistico.

## 
##  Shapiro-Wilk normality test
## 
## data:  rstandard(Modelo)
## W = 0.97793, p-value = 0.4957

Prueba de homocedasticidad o igualdad de varianzas

El valor de p=0,09 en esta prueba nos demuestra que el modelo es valido, ya que se acepta H0 al ser mayo que 0,05 indicando que los residuos tienen una varianza constante y son homocedasticos.

## Non-constant Variance Score Test 
## Variance formula: ~ fitted.values 
## Chisquare = 2.825985, Df = 1, p = 0.09275

Revision grafica de supuestos

La grafica de Residual vs Fitted nos muestra los residuos en funcion de los valores ajsutados, estos parecen estar distribuidos aleatoriamente al rededor de la linea horizontal en cero, lo que sugiere que no hay patrones evidentes, siendo un buen indicativo ya qu ele modelo se ajusta adecuadamente a lso dato.

El grafico de Q-Q Residuals nos muestra que los puntos se alinean cerca de la linea diagonal, indicando una normalidad de los residuos.

Calculo del efecto (ANOVA)

## Warning: package 'lsr' was built under R version 4.4.3
##                     eta.sq eta.sq.part
## FactorA         0.60806160  0.65057542
## FactorB         0.01908087  0.05519947
## FactorA:FactorB 0.04626715  0.12408803

Pruebas aposteriori(Comparaciones multiples de medias)

Prueba de Tukey

Esta prueba nos demuestra que Sabpuraud es el medio con mayor actividad antimicrobiana ya que su CMI es menor y se indica con una letra diferente (correspondiente a C), esto tambien se puede identificar en la grafica donde los medios Sab y Czapeck.Con respecto a el factor B (bacterias) esta prueba nos arroja que no hay diferencias significativas entre las bacterias, ya que todas se identifican con una misma letra (a).

## Warning: package 'agricolae' was built under R version 4.4.3
##   Tukey multiple comparisons of means
##     95% family-wise confidence level
## 
## Fit: aov(formula = Modelo)
## 
## $FactorA
##                         diff         lwr         upr     p adj
## Malta-Czapeck     -0.2933333 -0.48704427 -0.09962240 0.0014274
## PDB-Czapeck       -0.1441667 -0.33787760  0.04954427 0.2032337
## Sabouraud-Czapeck -0.5275000 -0.72121094 -0.33378906 0.0000001
## PDB-Malta          0.1491667 -0.04454427  0.34287760 0.1792523
## Sabouraud-Malta   -0.2341667 -0.42787760 -0.04045573 0.0128875
## Sabouraud-PDB     -0.3833333 -0.57704427 -0.18962240 0.0000396
## 
## $FactorB
##                                 diff        lwr       upr     p adj
## E. coli-E. cloacae        0.09250000 -0.1012109 0.2862109 0.5734858
## P. aeruginosa-E. cloacae  0.07333333 -0.1203776 0.2670443 0.7357894
## S. aureus-E. cloacae      0.05916667 -0.1345443 0.2528776 0.8409990
## P. aeruginosa-E. coli    -0.01916667 -0.2128776 0.1745443 0.9931245
## S. aureus-E. coli        -0.03333333 -0.2270443 0.1603776 0.9658949
## S. aureus-P. aeruginosa  -0.01416667 -0.2078776 0.1795443 0.9971865
## 
## $`FactorA:FactorB`
##                                                       diff          lwr
## Malta:E. cloacae-Czapeck:E. cloacae           -0.283333333 -0.813566448
## PDB:E. cloacae-Czapeck:E. cloacae             -0.020000000 -0.550233115
## Sabouraud:E. cloacae-Czapeck:E. cloacae       -0.506666667 -1.036899781
## Czapeck:E. coli-Czapeck:E. cloacae             0.080000000 -0.450233115
## Malta:E. coli-Czapeck:E. cloacae              -0.130000000 -0.660233115
## PDB:E. coli-Czapeck:E. cloacae                 0.030000000 -0.500233115
## Sabouraud:E. coli-Czapeck:E. cloacae          -0.420000000 -0.950233115
## Czapeck:P. aeruginosa-Czapeck:E. cloacae       0.200000000 -0.330233115
## Malta:P. aeruginosa-Czapeck:E. cloacae        -0.133333333 -0.663566448
## PDB:P. aeruginosa-Czapeck:E. cloacae          -0.140000000 -0.670233115
## Sabouraud:P. aeruginosa-Czapeck:E. cloacae    -0.443333333 -0.973566448
## Czapeck:S. aureus-Czapeck:E. cloacae           0.100000000 -0.430233115
## Malta:S. aureus-Czapeck:E. cloacae            -0.246666667 -0.776899781
## PDB:S. aureus-Czapeck:E. cloacae              -0.066666667 -0.596899781
## Sabouraud:S. aureus-Czapeck:E. cloacae        -0.360000000 -0.890233115
## PDB:E. cloacae-Malta:E. cloacae                0.263333333 -0.266899781
## Sabouraud:E. cloacae-Malta:E. cloacae         -0.223333333 -0.753566448
## Czapeck:E. coli-Malta:E. cloacae               0.363333333 -0.166899781
## Malta:E. coli-Malta:E. cloacae                 0.153333333 -0.376899781
## PDB:E. coli-Malta:E. cloacae                   0.313333333 -0.216899781
## Sabouraud:E. coli-Malta:E. cloacae            -0.136666667 -0.666899781
## Czapeck:P. aeruginosa-Malta:E. cloacae         0.483333333 -0.046899781
## Malta:P. aeruginosa-Malta:E. cloacae           0.150000000 -0.380233115
## PDB:P. aeruginosa-Malta:E. cloacae             0.143333333 -0.386899781
## Sabouraud:P. aeruginosa-Malta:E. cloacae      -0.160000000 -0.690233115
## Czapeck:S. aureus-Malta:E. cloacae             0.383333333 -0.146899781
## Malta:S. aureus-Malta:E. cloacae               0.036666667 -0.493566448
## PDB:S. aureus-Malta:E. cloacae                 0.216666667 -0.313566448
## Sabouraud:S. aureus-Malta:E. cloacae          -0.076666667 -0.606899781
## Sabouraud:E. cloacae-PDB:E. cloacae           -0.486666667 -1.016899781
## Czapeck:E. coli-PDB:E. cloacae                 0.100000000 -0.430233115
## Malta:E. coli-PDB:E. cloacae                  -0.110000000 -0.640233115
## PDB:E. coli-PDB:E. cloacae                     0.050000000 -0.480233115
## Sabouraud:E. coli-PDB:E. cloacae              -0.400000000 -0.930233115
## Czapeck:P. aeruginosa-PDB:E. cloacae           0.220000000 -0.310233115
## Malta:P. aeruginosa-PDB:E. cloacae            -0.113333333 -0.643566448
## PDB:P. aeruginosa-PDB:E. cloacae              -0.120000000 -0.650233115
## Sabouraud:P. aeruginosa-PDB:E. cloacae        -0.423333333 -0.953566448
## Czapeck:S. aureus-PDB:E. cloacae               0.120000000 -0.410233115
## Malta:S. aureus-PDB:E. cloacae                -0.226666667 -0.756899781
## PDB:S. aureus-PDB:E. cloacae                  -0.046666667 -0.576899781
## Sabouraud:S. aureus-PDB:E. cloacae            -0.340000000 -0.870233115
## Czapeck:E. coli-Sabouraud:E. cloacae           0.586666667  0.056433552
## Malta:E. coli-Sabouraud:E. cloacae             0.376666667 -0.153566448
## PDB:E. coli-Sabouraud:E. cloacae               0.536666667  0.006433552
## Sabouraud:E. coli-Sabouraud:E. cloacae         0.086666667 -0.443566448
## Czapeck:P. aeruginosa-Sabouraud:E. cloacae     0.706666667  0.176433552
## Malta:P. aeruginosa-Sabouraud:E. cloacae       0.373333333 -0.156899781
## PDB:P. aeruginosa-Sabouraud:E. cloacae         0.366666667 -0.163566448
## Sabouraud:P. aeruginosa-Sabouraud:E. cloacae   0.063333333 -0.466899781
## Czapeck:S. aureus-Sabouraud:E. cloacae         0.606666667  0.076433552
## Malta:S. aureus-Sabouraud:E. cloacae           0.260000000 -0.270233115
## PDB:S. aureus-Sabouraud:E. cloacae             0.440000000 -0.090233115
## Sabouraud:S. aureus-Sabouraud:E. cloacae       0.146666667 -0.383566448
## Malta:E. coli-Czapeck:E. coli                 -0.210000000 -0.740233115
## PDB:E. coli-Czapeck:E. coli                   -0.050000000 -0.580233115
## Sabouraud:E. coli-Czapeck:E. coli             -0.500000000 -1.030233115
## Czapeck:P. aeruginosa-Czapeck:E. coli          0.120000000 -0.410233115
## Malta:P. aeruginosa-Czapeck:E. coli           -0.213333333 -0.743566448
## PDB:P. aeruginosa-Czapeck:E. coli             -0.220000000 -0.750233115
## Sabouraud:P. aeruginosa-Czapeck:E. coli       -0.523333333 -1.053566448
## Czapeck:S. aureus-Czapeck:E. coli              0.020000000 -0.510233115
## Malta:S. aureus-Czapeck:E. coli               -0.326666667 -0.856899781
## PDB:S. aureus-Czapeck:E. coli                 -0.146666667 -0.676899781
## Sabouraud:S. aureus-Czapeck:E. coli           -0.440000000 -0.970233115
## PDB:E. coli-Malta:E. coli                      0.160000000 -0.370233115
## Sabouraud:E. coli-Malta:E. coli               -0.290000000 -0.820233115
## Czapeck:P. aeruginosa-Malta:E. coli            0.330000000 -0.200233115
## Malta:P. aeruginosa-Malta:E. coli             -0.003333333 -0.533566448
## PDB:P. aeruginosa-Malta:E. coli               -0.010000000 -0.540233115
## Sabouraud:P. aeruginosa-Malta:E. coli         -0.313333333 -0.843566448
## Czapeck:S. aureus-Malta:E. coli                0.230000000 -0.300233115
## Malta:S. aureus-Malta:E. coli                 -0.116666667 -0.646899781
## PDB:S. aureus-Malta:E. coli                    0.063333333 -0.466899781
## Sabouraud:S. aureus-Malta:E. coli             -0.230000000 -0.760233115
## Sabouraud:E. coli-PDB:E. coli                 -0.450000000 -0.980233115
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## Malta:P. aeruginosa-PDB:E. coli               -0.163333333 -0.693566448
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## Sabouraud:S. aureus-PDB:S. aureus             -0.293333333 -0.823566448
##                                                        upr     p adj
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## Malta:E. coli-Czapeck:E. cloacae               0.400233115 0.9998605
## PDB:E. coli-Czapeck:E. cloacae                 0.560233115 1.0000000
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## Malta:S. aureus-PDB:P. aeruginosa              0.423566448 0.9999882
## PDB:S. aureus-PDB:P. aeruginosa                0.603566448 0.9999999
## Sabouraud:S. aureus-PDB:P. aeruginosa          0.310233115 0.9684208
## Czapeck:S. aureus-Sabouraud:P. aeruginosa      1.073566448 0.0402177
## Malta:S. aureus-Sabouraud:P. aeruginosa        0.726899781 0.9880979
## PDB:S. aureus-Sabouraud:P. aeruginosa          0.906899781 0.4114325
## Sabouraud:S. aureus-Sabouraud:P. aeruginosa    0.613566448 0.9999996
## Malta:S. aureus-Czapeck:S. aureus              0.183566448 0.5444384
## PDB:S. aureus-Czapeck:S. aureus                0.363566448 0.9976786
## Sabouraud:S. aureus-Czapeck:S. aureus          0.070233115 0.1473639
## PDB:S. aureus-Malta:S. aureus                  0.710233115 0.9949009
## Sabouraud:S. aureus-Malta:S. aureus            0.416899781 0.9999744
## Sabouraud:S. aureus-PDB:S. aureus              0.236899781 0.7801417

## 
## Study: ANOVA ~ "FactorA"
## 
## HSD Test for CMI 
## 
## Mean Square Error:  0.03067083 
## 
## FactorA,  means
## 
##                 CMI       std  r         se  Min  Max    Q25   Q50    Q75
## Czapeck   1.0883333 0.1673773 12 0.05055594 0.81 1.41 0.9600 1.100 1.1900
## Malta     0.7950000 0.1339946 12 0.05055594 0.54 1.03 0.7225 0.820 0.8500
## PDB       0.9441667 0.2233407 12 0.05055594 0.48 1.31 0.8550 0.925 1.0600
## Sabouraud 0.5608333 0.1059553 12 0.05055594 0.41 0.75 0.4600 0.585 0.6275
## 
## Alpha: 0.05 ; DF Error: 32 
## Critical Value of Studentized Range: 3.831616 
## 
## Minimun Significant Difference: 0.1937109 
## 
## Treatments with the same letter are not significantly different.
## 
##                 CMI groups
## Czapeck   1.0883333      a
## PDB       0.9441667     ab
## Malta     0.7950000      b
## Sabouraud 0.5608333      c
## 
## Study: ANOVA ~ "FactorB"
## 
## HSD Test for CMI 
## 
## Mean Square Error:  0.03067083 
## 
## FactorB,  means
## 
##                     CMI       std  r         se  Min  Max    Q25   Q50    Q75
## E. cloacae    0.7908333 0.2561412 12 0.05055594 0.41 1.24 0.6275 0.790 0.9075
## E. coli       0.8833333 0.2370398 12 0.05055594 0.46 1.19 0.7800 0.880 1.0500
## P. aeruginosa 0.8641667 0.2682081 12 0.05055594 0.46 1.41 0.6775 0.885 1.0375
## S. aureus     0.8500000 0.2724969 12 0.05055594 0.48 1.31 0.6350 0.850 1.0150
## 
## Alpha: 0.05 ; DF Error: 32 
## Critical Value of Studentized Range: 3.831616 
## 
## Minimun Significant Difference: 0.1937109 
## 
## Treatments with the same letter are not significantly different.
## 
##                     CMI groups
## E. coli       0.8833333      a
## P. aeruginosa 0.8641667      a
## S. aureus     0.8500000      a
## E. cloacae    0.7908333      a

Conclusiones

El medio de cultivo es el principal determiannate de la actividad antimicrobiana en este estudio. Siendo Sabouraud el que msotro mejor actividad con menor CMI.En contraparte las bacterias no presentan diferencias claras en su sencibilidad frente al extracto. Pero fianlmente el modelo estadisticamente es vlaido y cumple con lso supuestos.