Diversidade Microbiana e Metabolica

Microbiologia ambiental Engenharia do Ambiente

Escola Superior Agrária Instituto Politécnico de Coimbra

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2.5 COMUNIDADE MICROBIANA DA ÁGUA

Módulo 1.Ecologia microbiana

Parte 2. Ecologia microbiana

Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 2

Conceitos 1

• Em comparação com a taxa de difusão no ar, o oxigénio difunde-se na água a uma taxa lenta; esta característica é uma das mais importantes na definição das características da água como um ambiente para o crescimento e o funcionamento microbiano

• Depois de dissolvido na água, o oxigénio pode ser mais rapidamente usado pelos microrganismos do que a taxa a que é reposto: criação de zonas anaeróbias

• Se a luz penetrar nessas zonas anaeróbias, podem desenvolver-se grupos específicos de microrganismos fotossintéticos

• Também podem desenvolver-se comunidades microbianas especializadas na interface entre regiões anaeróbias e aeróbias


Conceitos 2

• Os ambientes aquáticos, tanto marinhos como de água doce, incluem grandes volumes de água fria e de gelo

• Para além da água doce armazenada nos glaciares e nas regiões polares, o gelo marinho cobre aproximadamente 7% da superfície da Terra

• A água fria (2-3%) e as águas de elevadas pressões dos oceanos são locais importantes para a sobrevivência e o funcionamento microbianos


Conceitos 3

• Os ambientes aquáticos permitem o desenvolvimento de muitos tipos únicos de microrganismos, incluindo microrganismos das nascentes hidrotermais dos fundos dos oceanos

• Outros microrganismos fazem a ligação entre recursos espacialmente separados, como nitrato e sulfato

• Continuam hoje a ser descobertos novos microrganismos nos ambientes aquáticos

• Os ciclos biogeoquímicos do carbono, do azoto, do enxofre e dos fósforo dos lagos e dos ambientes marinhos envolvem interacções locais e através de vastas distâncias


Conceitos 4

• O fitoplâncton (organismos fotossintéticos procariotas e eucariotas) forma a base da produção primária na maioria dos ambientes marinhos e de água doce

• O fitoplâncton liberta matéria orgânica dissolvida e particulada que é usada pelos microrganismos heterotróficos

• Parte do fitoplâncton é consumida pelos predadores, libertando nutrientes que são reciclados e novamente usados pelo fitoplâncton (loop microbiano)

• O ferro e o azoto podem limitar a actividade do loop microbiano em diferentes ambientes marinhos


Conceitos 5

• São constantemente adicionados à água microrganismos patogénicos e matéria orgânica que podem ser transportados ao longo de grandes distâncias, principalmente em rios, lagos e oceanos

• As poeiras atmosféricas e outros materiais como poluentes, podem ser transportados a regiões longínquas dos oceanos, dos corpos de água doce e das regiões cobertas de gelo


Conceitos 6

• Muitos patogénicos humanos, como Shigella, Vibrio e Legionella, encontram-se na água

• Uns ocorrem normalmente e outros podem sobreviver durante períodos de tempo variáveis depois de serem adicionados à água

• Por serem seus predadores, os protozoários providenciam muitas vezes protecção para estes patogénicos, principalmente quando estão associados em biofilmes

• Os ambientes aquáticos são reservatórios e vectores de transmissão de microrganismos patogénicos.

• Um dos objectivos da gestão dos ecossistemas aquáticos é o controlo da sobrevivência e da transferência de microrganismos patogénicos


Conceitos 7

• A água é um reservatório importante para a sobrevivência e para a disseminação de protozoários e de vírus, que não são controlados pela adição de cloro à água

• Protozoários patogénicos incluem Cryptosporidium, Cyclospora e Giardia

• A água subterrânea é uma fonte importante de água potável, principalmente em zonas suburbanas e rurais

• Em muitos casos, este recurso está contaminado por microrganismos patogénicos e por nutrientes, derivados principalmente de fossas sépticas


Diversidade de habitats

• Ambientes aquáticos diversos: – corpo humano, – bebidas, – rios, – lagos, – oceanos, – zonas saturadas dos solos,

desde alcalinos a extremamente ácidos

• Temperaturas nas quais os

microrganismos funcionam: – -5ºC a mais de 121ºC


Diversidade de habitats Alguns dos microrganismos mais intrigantes existem em

ambientes de temperaturas elevadas

Géisers :

termófilo Thermus aquaticus) Nascentes hidrotermais oceânicas:

hipertermófilo Pyrolobus fumarii


• Principais factores que controlam as comunidades microbianas dos ambientes aquáticos – mistura e movimento de nutrientes, O2

e produtos de excreção

• Nos lagos e nos oceanos, a matéria

orgânica proveniente da superfície afunda-se, criando zonas ricas em nutrientes onde ocorre decomposição

• Os gases e os produtos solúveis produzidos por esses microrganismos nas zonas profundas podem difundir-se para as camadas superiores estimulando a actividade de outros microrganismos

Um objectivo da microbiologia é o isolamento e a cultura de microrganismos marinhos únicos, principalmente na busca de microrganismos que produzam antibióticos (ver diapositivo seguinte)


Novos agentes em medicina

• A maior parte dos antibióticos correntes: derivam de microrganismos do solo, principalmente ascomicetes, mas também de outros fungos e de bactérias Gram-positivas

• Mais de 100 produtos são hoje usados como antibióticos, agentes anti-tumorais e agro-químicos

• Alguns dos mais recentes agentes químicos são metabolitos de microalgas marinhas

• Também existe muito interesse na cultura de microrganismos marinhos simbióticos com hospedeiros macroscópicos

• Os microrganismos marinhos podem providenciar compostos bioactivos que não ocorrem nos microrganismos terrestres


Prochloron sp., um microrganismo unicelular marinho simbiótico com ascídias (tunicados marinhos). Descoberto em 1976. Contém clorofila a e b e carotenóides

http://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Image:Prochloron_l.jpg

Os gases e os microrganismos aquáticos

• A distância (à escala microbiana) até uma bolha de ar ou até à superfície limita a difusão de oxigénio na água

• Os ambientes aquáticos têm baixa difusão de oxigénio (1/10000 da taxa de difusão numa fase gasosa)

• Na figura seguinte, as setas largas representam o fluxo rápido de oxigénio através do ar; a diminuição da intensidade da cor azul representa a diminuição da concentração de oxigénio

• Depois de penetrar na água o oxigénio difunde-se lentamente (seta castanha mais estreita) e a sua concentração vai diminuindo até ser finalmente utilizado por um microrganismo

• De acordo com a figura, a concentração de oxigénio disponível para uma enzima pode ser apenas 1/1000 da concentração atmosférica de oxigénio



Dif

usã

o d

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a

100 000

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0.1 Concentr

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em

ppm

(escala

logarí

tmic

a)

Taxas de difusão e barreiras à difusão do oxigénio

Meio líquido

Interface da bolha

de ar (barreira)

Ar Água

Meio líquido Bolha de ar

Microrganismo

Enzima

respiratória

Célula

Célula microbiana

(barreira)

Concentração na

superfície da enzima

Efeito da temperatura da água e da altitude na concentração de O2 dissolvido (mg/litro)

Elevação acima do nível do mar (metros)

Temperatura (ºC) 0 1000 2000 3000

0 14.6 12.9 11.4 10.2

5 12.8 11.2 9.9 8.9

10 11.3 9.9 8.8 7.9

15 10.0 8.9 7.9 7.1

25 9.1 8.1 7.1 6.4

20 8.2 7.3 6.4 5.8

35 7.5 6.6 5.9 5.3

40 6.9 6.1 5.4 4.9


Solubilidade do oxigénio diminui com o aumento da temperatura e com a diminuição da pressão: formação de zonas hipóxicas ou anóxicas nos ambientes aquáticos, surgindo microrganismos quimiotróficos e fototróficos especializados

O CO2 dissolvido

• Importante em processos químicos e biológicos

• O sistema tampão do bicarbonato (figura seguinte) mantém o equilíbrio entre o dióxido de carbono, o bicarbonato e o carbonato, que controlam o pH da água

• O pH da água destilada (não tamponada) é determinado pelo CO2 dissolvido em equilíbrio com o ar e é aproximadamente 5.0-5.5

• A água tamponada a pH 8.0 contém CO2 absorvido do ar, principalmente sob a forma de bicarbonato (HCO3

-)

• Quando os microrganismos autotróficos como as algas usam o CO2 da água, o seu pH geralmente aumenta



Rel

ação

en

tre

pH

e C

O2 d

isso

lvid

o

100

80

60

40

20

0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0

pH

Perc

en

tag

em

do

carb

on

o t

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l

Bicarbonato

(HCO3-)

Carbonato

(CO32-)

CO2 dissolvido

Os gases atmosféricos afectam as características físicas da água. O pH da água é influenciado pela quantidade de CO2 na água e também pelo equilíbrio entre o CO2 dissolvido e os iões bicarbonato e carbonato

Nutrientes nos ambientes aquáticos

• Concentração muito variável; muitos nutrientes nos ambientes poluídos e nos esgotos

• Taxa de reciclagem muito variável; nos ambientes marinhos pode demorar centenas a milhares de anos, nos pauis, sapais e estuários a taxa é rápida

• Uma das formas de ilustrar os gradientes de nutrientes e a sua exploração por diferentes microrganismos é a coluna de Winogradsky


A coluna de Winogradsky

• Microcosmos no qual os microrganismos e os nutrientes interagem num gradiente vertical de condições

• Os produtos da fermentação e sulfito sobem a partir da zona de redução inferior (condições semelhantes aos sedimentos ricos em nutrientes dos lagos)

• A luz permite o crescimento de microrganismos fotossintéticos, tanto aeróbios (zona superior) como anaeróbios (zona inferior)



A coluna de Winogradsky

Lama

Lama +

enxofre,

carbonato

e fonte de

celulose

Diatomáceas e cianobactérias (fotoautotróficos)

Algas e microrganismos aeróbios que oxidam

sulfato: Beggiatoa, Thiobacillus, Thiothrix. Usam

compostos reduzidos de enxofre como fonte de e- e

O2 como aceitador

Fotoheterotróficos: bactérias púrpuras não

sulfurosas Rhodospirilum, Rhodopseudomonas.

Usam MO como fonte de e- sob condições

anaeróbias

Chromatium

usam sulfito de hidrogénio como dador

de e- e CO2 como fonte de C

Chlorobium

Clostridium (celulose → produtos de fermentação)

Desulfovibrio (produtos de fermentação+sulfato → sulfito)

Camada de água

Camada de lama com O2 (castanho-claro)

Zona anaeróbia com H2S (preta)

Zona cor de ferrugem

Zona vermelha

Zona verde

Difusão de H2S

Ciclos de nutrientes nos ambientes aquáticos

• Fotossíntese, principalmente fitoplâncton = principal fonte de MO nas superfícies iluminadas – E.g. cianobactéria Synechococcus sp.:

pode atingir densidades de 104-105 células/ml

– Picocianobactérias podem representar 20-80% da biomassa de fitoplâncton

• Para crescer o fitoplâncton necessita de

N e de P

• A composição da água em nutrientes afecta a razão C:N:P das células – 106C:16N:1P = razão de Redfield=razão

óptima para o crescimento dos organismos foto-autotróficos


• MO fixada pelo fitoplâncton entra no loop microbiano, onde é reciclada em CO2 e minerais

• MO dissolvida libertada pelo fitoplâncton usada pelos microrganismos heterotróficos tornando-se parte da MO particulada

• Organismos heterotróficos consumidos por predadores (protozoários e metazoários) libertando CO2 e minerais



O loop microbiano (setas amarelas)

Consumi-dores

Zooplâncton

Protozoários

Bactérias

Fitoplâncton CO2 e

minerais

Azoto (N)

Fósforo (P)

DOM

POM

Grande parte da MO sintetizada na fotossíntese pelo fitoplâncton é libertada como MO dissolvida (DOM). DOM usada pelas bactérias tornando-se POM. Bactérias consumidas pelos protozoários; após digestão os nutrientes das bactérias e dos protozoários são mineralizados e voltam ao fitoplâncton (loop)

http://images.google.co.uk/imgres?imgurl=http://www.luckyoliver.com/photos/derived/blbePUb-Sr26chadbivJjM/LO-cartoon_sun_gradient_color-50758.jpg&imgrefurl=http://www.weblo.com/property/city/Sun/72620/&h=500&w=500&sz=39&hl=en&start=1&um=1&tbnid=pqRyxkeZGBuK4M:&tbnh=130&tbnw=130&prev=/images?q=sun&um=1&hl=en

Comunidades microbianas aquáticas

• Diversidade elevada

• Adaptações especiais a ambientes aquáticos particulares

• Enorme abundância de ultramicrobactérias/ nanobactérias (<0.2mm): – dominantes nos ecossistemas

marinhos, podem atingir 1012-1013 células/ml;

– e.g. Sphingomonas sp.


Sphingomonas sp.

A maior bactéria conhecida

Thiomargarita namibiensis


Diâmetro 100-300 mm Usa sulfito como fonte de energia e nitrato como aceitador de e-

Acumula nitrato num enorme vacúolo interno (pode ocupar 98% do seu volume e atingir concentrações de 800mM) Tem grânulos de enxofre na camada de citoplasma

A bactéria “esparguete”

• Adaptação: capacidade de ligar e usar recursos que se encontram espacialmente separados

• Na costa do Chile onde água pobre em O2 mas rica em nitrato está em contacto com sedimentos ricos em sulfito

• Células 15-40 mm largura e muitos cm comprimento (daí o nome esparguete…)

• Formam estruturas filamentosas na superfície e no interior dos sedimentos

• Usam o sulfito dos sedimentos anaeróbios e o nitrato da coluna de água aeróbia

• Constituem a maior comunidade de bactérias visíveis a olho nu

Thioploca sp.


Thioploca sp.


Grânulos de

enxofre

http://www.eurekalert.org/multimedia/pub/1519.php?from=81807

Os fungos aquáticos

• Oomicetes (bolores aquáticos)

– Esporos assexuados móveis com 2 flagelos

• Quitrídeos

– Esporos assexuados móveis com 1 flagelo

– Decomposição da MO; agentes patogénicos e parasitas (e.g. Batrachochytrium dendrobatidis infecta a pele dos anfíbios, causando a sua morte)

• Hifomicetes aquáticos (Filo Deuteromycota)

– Esporulam dentro de águaconídeos em forma tetra-radiada ou de S transportados na água; ao contactar com uma folha, colam-se e começam a crescer formando micélio que penetra na folha e promove a sua decomposição

– Decomposição da matéria orgânica



Os

hif

om

icet

es a

qu

átic

os

A diatomácea Pseudonitzschia (responsável pelas marés

vermelhas)

http://wdfw.wa.gov/science/articles/razor_clams/index.html

Os microrganismos como problema ambiental

Marés vermelhas: devidas a crescimento exagerado de algas (e.g. Pseudonitzschia) podem levar à morte dos consumidores por causa de neurotoxinas

Impactos negativos na economia porque não se podem apanhar bivalves




Os microrganismos como problema ambiental Pfiesteria piscicida: dinoflagelado que provoca a morte dos peixes Nos humanos pode causar perda de memória


Dinoflagelados: grupo de

protistas com flagelos

http://pt.wikipedia.org/wik

i/Dinoflagelado

http://pt.wikipedia.org/wiki/Dinoflagelado

http://pt.wikipedia.org/wiki/Dinoflagelado

Os ambientes de água doce: lagos

Nos lagos criam-se gradientes verticais porque existe pouca mistura da água


O aquecimento diferencial da coluna de água cria diferenças na temperatura que resultam na formação de camadas de água com diferentes densidades: Epilimnion Metalimnion (termoclino) Hipolimnion

Eutrofização

• Lagos oligotróficos

– Contêm muito poucos nutrientes dissolvidos e baixa população microbiana

– Saturados em oxigénio

• Lagos eutróficos

– Contêm muitos nutrientes dissolvidos

– Apenas a zona superior está saturada em O2 (fotossíntese)

– A zona inferior (sedimentos) e o hipolimnion têm carga elevada de matéria orgânica e podem ser anaeróbios, com o desenvolvimento de microrganismos sulfurosos fotossintéticos como Chromatium e Chlorobium

Quando é adicionada à

água carga de nutrientes

(N e P) ocorre

crescimento pronunciado

de plantas, algas e bactérias

A morte e a decomposição

desta grande quantidade de

MO pode levar à anóxia

nestes lagos


Variação sazonal do perfil de oxigénio dissolvido nos lagos oligotróficos e eutróficos

Nos lagos oligotróficos depende apenas da temperatura

Nos lagos eutróficos está relacionada com a carga de matéria orgânica


As cianobactérias

• Pode ocorrer eutrofização mesmo sem adição de azoto, apenas com adição de fósforo

• Vantagens competitivas em relação às algas – Não necessitam de azoto

– Funcionam mais eficientemente sob

condições de pH elevado (8.5-9.5) e de temperatura alta (30-35ºC)

– Usam CO2 a taxas elevadas, aumentando o pH da água e tornando-a pouco propícia ao desenvolvimento das algas

– Muitas espécies produzem toxinas, sendo menos consumidas que as algas; as toxinas causam grandes problemas ambientais e de saúde pública na eutrofização por cianobactérias

Papel importante na acumulação de nutrientes mesmo na ausência de azoto porque muitos géneros fixam azoto atmosférico

Anabaena, Nostoc, Cylindrospermum fixam azoto sob condições aeróbias

Oscillatoria fixa azoto sob condições anaeróbias


Rios e ribeiros 1

• Existem gradientes longitudinais (i.e., de distância) e temporais

• Existência de corrente: maior parte dos microrganismos aderentes às superfícies expostas; apenas nos rios grandes (coluna de água profunda e corrente lenta) existem microrganismos em suspensão

• Fontes de nutrientes: – (1) Produção interna (autóctone) por

microrganismos fotossintéticos aquáticos – (2) Fonte externa (alóctone) através de

escorrências terrestres ou das folhas e de outros detritos produzidos na zona ripícola

• MO metabolizada por microrganismos

quimio-organotróficos, providenciando energia para as cadeias alimentares


Rios e ribeiros 2

• Normalmente a quantidade de MO que entra no sistema não excede a sua capacidade de a oxidar: os rios possuem uma enorme capacidade para processar a MO

• Mas podem também tornar-se anaeróbios sob condições extremas

– Carga de esgotos (carga de MO) não

tratados = poluição pontual: produz alterações previsíveis na comunidade microbiana e na concentração de O2 (curva sag de oxigénio dissolvido)

– Carga de nutrientes provenientes dos fertilizantes usados na agricultura = poluição difusa


A curva sag do oxigénio dissolvido

• Os microrganismos e as suas actividades podem criar gradientes espaciais e gradientes temporais, quando existe carga de nutrientes nos rios.

• A curva sag do oxigénio dissolvido ocorre quando existe carga de matéria orgânica num rio limpo.

• Durante os estádios mais tardios da auto-depuração, a comunidade fotoautotrófica torna-se novamente dominante

http://www.rpi.edu/dept/chem-

eng/Biotech-

Environ/AERATION/sag.html

http://www.egr.msu.edu/classes/ce2

80/voice/do/doSagCurve.html

http://www.ce.utexas.edu/prof/maid

ment/GISHydro/ferdi/webedu/webd

osag/webdosag.html


http://www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/AERATION/sag.html





http://www.egr.msu.edu/classes/ce280/voice/do/doSagCurve.html

http://www.egr.msu.edu/classes/ce280/voice/do/doSagCurve.html

http://www.ce.utexas.edu/prof/maidment/GISHydro/ferdi/webedu/webdosag/webdosag.html



A curva SAG do oxigénio dissolvido

Carga de MO ↓

Crescimento dos organismos

heterotróficos (decompositores)

↓ Libertação de matéria

mineral ↓

Crescimento dos organismos

fotoautotróficos


http://www.mp-

docker.demon.co.uk/environmental_chemistry/topic_4a/page_

6.html

http://www.mp-docker.demon.co.uk/environmental_chemistry/topic_4a/page_6.html




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