Fatores bióticos:Fatores bióticos:Interações Interações

microbianasmicrobianasInterações: espécies, populações e Interações: espécies, populações e

comunidades.comunidades.

Sucessão ecológica Sucessão ecológica

Fatores Bióticosbiótico (bio=vida)

Em ecologia, chamam-se fatores bióticos a todos os elementos causados pelos organismos em um ecossistema que condicionam as populações que o formam.

Exemplo: a existência de uma espécie em número suficiente para assegurar a alimentação de outra condiciona a existência e a saúde desta última.

Muitos dos fatores bióticos podem traduzir-se nas relações ecológicas que se podem observar num ecossistema, tais como a predação, o parasitismo ou a competição.Estrutura:

produtores microconsumidoresmacroconsumidores

Níveis de organização

(Odum, 1988)

• Indivíduos: são os organismos

• Populações: grupo de indivíduos com características comuns – origem comum (ancestralidade)

• Comunidades: consiste de um maior ou menor número de populações ocupando um habitat particular.Ex: comunidade da rizosfera, do rúmen

• Ecossistemas: compreende a comunidade junto com seu ambiente físico

• Biosfera: compreende todos os meios ambientes e organismos na superfície da Terra.

Escalas e conceitosEscalas e conceitos

EspécieEspécie

Membros de um agregado que trocam material genético em condições naturais

Estirpes que incluem cerca de 70 % ou mais de homologia no seu DNA.

PopulaçãoPopulação

Funcionam como UMA PARTE Funcionam como UMA PARTE da comunidade biológica.da comunidade biológica.

Grupo de microrganismos da mesma espécie que ocupam uma determinada área.

(mesma constituição genética, usam os mesmos substratos, ocupam o mesmo nicho ecológico).

Atributos das populaçõesAtributos das populações

1. Densidade

2. Velocidade de crescimento e mortalidade

3. Potencial biótico (máx. capacidade de reprodução: crescimento exponencial)

4. Padrões internos de distribuição

5. Estratégias de otimização energética (K e r)

6. Dispersão

Adaptações estruturais Lagos alcalinidade extremaLagos salinidade extrema

Emanações termaisSolos desérticos.

Adaptações nutricionais Populações K e r

 

Estratégias de crescimento e sobrevivência

Estratégia de reprodução r/K refere-se a um modelo de seleção de características biológicas que promovem o sucesso em determinados ambientes.

As pressões seletivas orientam a evolução para duas direções: à selecão r ou à seleção K. Estes termos derivam da álgebra ecológica padrão, como é ilustrado na simples equação da dinâmica populacional:

                     onde N = população, r = crescimento populacional e K = capacidade de carga (freio) do ambiente.

Em termos gerais, as espécies com estratégia demográfica “r” exploram nichos ecológicos vazios, e produzem um elevado número de descendentes a cada ciclo reprodutivo.

Por contraste, as espécies com estratégia demográfica “K” são tipicamente competidoras com outras espécies, em nichos já bem preenchidos, investindo mais numa descendência com uma maior probabilidade de sobrevivência.

Estrategias de crescimento e sobrevivênciaEstrategias de crescimento e sobrevivênciaEstrategista r Estrategista K

Elevada velocidade de reprodução Baixa velocidade de reprodução

Elevado nível nutricional permite competitividade

Baixo nível nutricional limitando populações

Elevadas populações Baixas populações

Amplas flutuações populacionais Números mais baixos, porém constantes

Ex:

“blooms” de cianobactérias quando aumentam os fosfatos

Pseudomonas quando aumenta fonte de C

Ex: Spirillum e Vibrio em águas marinhas

Bactérias que produzem prosteca em lagos oligotróficos

Interações dentro da Interações dentro da populaçãopopulação

Interações positivas- aumentam a velocidade de crescimento

Interaç

Interações negativas- reduzem a velocidade de crescimento

Princípio de Allee - interações dentro da população são dependentes da densidade

Baixas populações Altas populações

CooperaçãoCooperação

Patogenicidade associada a

DMI (dose minima

infectiva)

Na natureza são frequentemente observadas microcolônias em vez de células isoladas.

Uma célula raramente supera as barreiras de defesa

Na cooperação ocorremNa cooperação ocorrem

Um inibidor é MENOS eficienteem culturas densas do que em culturas

diluídasTransformação, conjugação e transdução são mais eficientes em altas densidades do que em baixas densidades celulares.

Trocas genéticas que permitem:• resistência a antibióticos• resistência a metais• a utilização de substratos orgânicos incomuns

Comunidade Comunidade

Conjunto de populações que ocorrem juntas no tempo e espaço.

Grupo de diferentes espécies que exploram de forma semelhante os mesmos recursos ambientais (Guildas)

(Existem muitas definições de comunidade)

Comportamento coletivoComportamento coletivo•Praticamente todos os conhecimentos

microbiológicos foram adquiridos a partir do estudo de organismos em culturas puras.

•Somente há alguns anos entendeu-se que a maioria das bactérias se encontra na natureza vivendo em comunidades.

•O tipo de "ecologia" com células individuais crescendo de maneira planctônica raramente é encontrado na natureza. Sabe-se atualmente que as bactérias são encontradas em comunidades de diferentes graus de complexidade, geralmente compondo um biofilme.

Atributos Atributos (qualidades)(qualidades) das das comunidadescomunidades

Auto-regulação

Comunalismo Homeostasis

Sinergismo

Auto-regulação e sinergismoAuto-regulação e sinergismo

Auto-regulação (autopoiese)

Capacidade de definir espontaneamente uma estrutura (composição das espécies), uma arquitetura (arranjo espacial das espécies) e sua manutenção.

SinergismoSinergismo

Capacidade de conversão mais eficiente de recursos abióticos em recursos bióticos da comunidade quando em associação do que individualmente.

Quorum sensing

Comunalismo e homeostaseComunalismo e homeostase

Formação de ecótones (zonas de contato ou faixas de tensão entre diferentes populações de uma comunidade).

Constituição de um micro-ambiente favorável inserido em um macro-ambiente desfavorável.

Quando a luz solar é intensa e a temperatura atmosférica sobe, o fitoplâncton da superfície oceânica prolifera e produz mais dimetilo de enxofre, que age como núcleo de condensação de nuvens conduzindo à produção de mais nuvens e ao aumento do albedo do planeta.

QUORUM - número mínimo de participantes requeridos para que uma ação possa ocorrer.

Processo de sensoriamento químico dependente da densidade populacional

Qual o “gatilho” para a formação da comunidade?Qual o “gatilho” para a formação da comunidade?

Como funciona?Como funciona?

Sinais químicos

Agregação

Densidade

Quorum sensing - luminescência Simbiose entre animal marinho e Vibrio

Sinal-AHL (lactona)

O mecanismo de Quorum Sensing

Realizado por meio de pequenas moléculas, denominadas autoindutores (AI).

Em Gram negativos os autoindutores são do tipo N-acil homoserina lactonas (AHL), pequenas moléculas que se difundem livremente para dentro e para fora das células.Em Gram positivos, correspondem a pequenos petídeos que se ligam a receptores localizados na superfície das células bacterianas.

Etapas: Durante o crescimento, todas as células produzem e liberam uma pequena quantidade de autoindutores. Quando a população se encontra no meio da fase logarítmica ou no início da fase estacionária, a quantidade de autoindutor alcança uma concentração limite, suficiente para disparar o processo de alteração da expressão gênica.

Funções controladas por QSFunções controladas por QS

• Frutificação em fungos

• Produção de antibióticos por Streptomyces

• Competência genética em Streptococcus (a capacidade de captar DNA do meio)

• Diferenciação dos biofilmes de Pseudomonas aeruginosa

•Transferência de DNA para outros organismos

•Expressão de fatores de virulência

• Formação de heterocistos em Anabaena (fixação de N)

Como as comunidades se Como as comunidades se formam?formam?

Perspectiva Perspectiva ecológicaecológica

célula

População 1

População 2

Guildas

Redutor de sulfato

Oxidantes do S

ComunidadesComunidadesBiofilmesBiofilmes

• Sub-superfícies (profundezas terestres)

• Trato gastro-intestinal de mamíferos e insetos

• Bolsas sub-gengivais, dentes

• Ventarolas hidrotermais

• Rizosfera

• Ductos, tratamento de água e efluentes

• Implantes médicos (marca-passos, cateteres, orgãos artificiais: válvulas cardíacas e endocardites)

80 % infecções

hospitalares

Nem todo o Nem todo o mundo pretende mundo pretende

destruir os destruir os biofilmes ...biofilmes ...

Comunidades microbianasComunidades microbianas

BiofilmesComunidades complexas de microrganismos associadas à superfícies ou interfaces

Podem incluir bactérias, fungos, protozoários e outros microrganismos.

(Biofilm Institute - http://www.biofilm.org/)

Importantes na saúde,

indústria, biotecnologia e

ambiente

Formação do biofilmeFormação do biofilme5 estágios5 estágios

Início “Quorum sensing”

BIOFILMEBIOFILME(Http://www.edstrom.com/(Http://www.edstrom.com/waterqualitybulletins.cfm)waterqualitybulletins.cfm)

Biofilme Biofilme Klebsiella pneumoniaeKlebsiella pneumoniae e e Pseudomonas aeruginosaPseudomonas aeruginosa

Onde se formam os biofilmes?Onde se formam os biofilmes?

Superfícies úmidas

Superfícies dos tecidos em seres vivos

Interfaces líquido-ar

Algas

Bacteria

Região alpina

Polímero

““Tapetes” microbianosTapetes” microbianos

Tapetes microbianos são comunidades compostas principalmente de procariotos fotossintetizantes

The principle distinction between microbial mats and other biofilms is their dependence on photosynthesis as their primary source of energy.

Biofilmes em seres vivosBiofilmes em seres vivos

Microrganismos no intestino de ratos Placa dentária corada com iodo

PlantasPlantas

Rizobacteria

Como impedir a formação de Como impedir a formação de biofilmes?biofilmes?

Cobrir as superfícies com drogas anti-biofilmes

Sensibilizar as bactérias nos biofilmes aos antibióticos

Furanonas naturais (algas) interferem com AHL

Síntese de anti-biofilmes

Informações escassasInformações escassas

Dificuldades técnicas para análises in situ

Cultivo?

MetagenômicaMetagenômica(Análise funcional das seqüencias nucleotídicas da (Análise funcional das seqüencias nucleotídicas da

coletividade de genomas microbianos existentes em uma coletividade de genomas microbianos existentes em uma

determinada amostra ambiental)determinada amostra ambiental)

Estudo de microbiota não cultivável (99%) Sequenciamento “shotgun” do DNA total da amostra ambiental (WGS)

Construção de livrarias clonais

Seleção de sequências funcionais

filtroMicroarranjos

Proteômica

Outras

MetagenômicaMetagenômica Comunidades estudadas Comunidades estudadas

simplescomplexo

1,2 milhões novos genes,

148 novas espécies

O paradigma das culturas O paradigma das culturas puraspuras

Crescimento bacteriano em cultura pura em meio líquido

Patogênese

Fisiologia

ArtefatoArtefato

Koch, e a descoberta dos meios sólidos

Gerações de microbiologistas basearam suas descobertas em cultura puras.

NA NATUREZA raramente os microrganismos se encontram na forma de culturas puras

A evolução das A evolução das comunidadescomunidades

SucessõesSucessões

Sucessão na comunidadeSucessão na comunidade

UMA COMUNIDADE EVOLUI COM TEMPO

ESTABILIDADE

Depende: • Interações • Inter-relações • Adaptações

O que são sucessões?O que são sucessões?

Mudanças sequenciais organizadas nas Mudanças sequenciais organizadas nas populações de uma comunidade.populações de uma comunidade.

Primárias - habitat não colonizado

Ex: trato gastrointestinal de recém nascido

Secundárias - habitat com prévia colonização

Ex: Solo agrícola

Exemplo de sucessõesExemplo de sucessões

Comunidades do trato GI humano

• O trato GI do recém nascido é estéril. • Pioneiros (Lactobacillus) colonizam (sucessão primária) crescem e mudam

ambiente.• Anaeróbios facultativos (E. coli e S. faecalis) substituem os pioneiros

(sucessão secundária).• Bacteroides dominam a comunidade CLÍMAX – estágio final de equilíbrio,

depois da ingestão de alimentos sólidos.

Em RUMINANTES a comunidade clímax inclui decompositores de celulose (Bacteroides, Ruminococcus), degradadores de proteína (Veillonella), degradadores de amido (Selenomonas), e produtores de metano (Methanobacterium).

Atributos das sucessões Atributos das sucessões microbianasmicrobianas

Mudanças ambientais

Extinção Emigração

Interações (entre populações) nas Interações (entre populações) nas comunidades comunidades

NegativasNegativas CompetiçãoCompetição::

NutrientesNutrientes Inibição germinação dos esporos no solo (fungistase)Inibição germinação dos esporos no solo (fungistase) Modificações na composição da atmosferaModificações na composição da atmosfera

AmensalismoAmensalismo: p: produção de substâncias inibitórias rodução de substâncias inibitórias

ou tóxicasou tóxicas PredaçãoPredação por protozoários e invertebradospor protozoários e invertebrados ParasitismoParasitismo nas espécies pioneiras ou colonizadores nas espécies pioneiras ou colonizadores

subsequentessubsequentes

PositivasPositivas

SinergismoSinergismo (denominado sintrofismo ou (denominado sintrofismo ou protocooperação)protocooperação)Intercâmbio de compostos entre duas populações, Intercâmbio de compostos entre duas populações, favorecendo a ambos, sem ocorrência de simbiose.favorecendo a ambos, sem ocorrência de simbiose.

Animais e microrganismos degradadores de celuloseAnimais e microrganismos degradadores de celulose TérmitasTérmitas RúmenRúmen Algas-invertebradosAlgas-invertebrados

Outras:Outras:

Comensalismo Comensalismo (aproveitamento dos resíduos)(aproveitamento dos resíduos)

Mutualismo ou simbiose Mutualismo ou simbiose (fungos e algas)(fungos e algas)

Populações da comunidadePopulações da comunidadeinterações positivasinterações positivas

Protocooperação Protocooperação (mutualismo facultativo)(mutualismo facultativo)

Associação não é obrigatória

Traz benefícios a ambas populações A e B

Sinergismo- Síntese de um produto ou via metabólica (sintrofismo) que nenhuma das populações é capaz de fazer isoladamente.

Relações hospedeiro-Relações hospedeiro-microrganismosmicrorganismos

Comensalismo

Não danificam (ou clinicamente não aparente) após infecção primária (início da vida)

Parasitismo