Download - Diversidade Microbiana e Metabolica
Microbiologia ambiental Engenharia do Ambiente
Escola Superior Agrária Instituto Politécnico de Coimbra
[email protected] www.esac.pt/abelho
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
Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 3
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
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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
Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 5
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
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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
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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
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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
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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
Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 10
Diversidade de habitats Alguns dos microrganismos mais intrigantes existem em
ambientes de temperaturas elevadas
Géisers :
termófilo Thermus aquaticus) Nascentes hidrotermais oceânicas:
hipertermófilo Pyrolobus fumarii
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• 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)
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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
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Prochloron sp., um microrganismo unicelular marinho simbiótico com ascídias (tunicados marinhos). Descoberto em 1976. Contém clorofila a e b e carotenóides
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
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Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 15
Dif
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a
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0.1 Concentr
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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
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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
Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 17
Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 18
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
ota
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
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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)
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Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 21
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
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• 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
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Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 24
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)
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.
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Sphingomonas sp.
A maior bactéria conhecida
Thiomargarita namibiensis
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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.
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Thioploca sp.
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Grânulos de
enxofre
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
Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 29
Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 30
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
Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 31
Os microrganismos como problema ambiental Pfiesteria piscicida: dinoflagelado que provoca a morte dos peixes Nos humanos pode causar perda de memória
Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 32
Dinoflagelados: grupo de
protistas com flagelos
http://pt.wikipedia.org/wik
i/Dinoflagelado
Os ambientes de água doce: lagos
Nos lagos criam-se gradientes verticais porque existe pouca mistura da água
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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
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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
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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
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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
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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
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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
Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 40
A curva SAG do oxigénio dissolvido
Carga de MO ↓
Crescimento dos organismos
heterotróficos (decompositores)
↓ Libertação de matéria
mineral ↓
Crescimento dos organismos
fotoautotróficos
Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 41
http://www.mp-
docker.demon.co.uk/environmental_chemistry/topic_4a/page_
6.html