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Departamento de MicrobiologiaInsti tuto de Cincias Biolgicas

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Introduo Microbiologia Ambiental

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Introduo

Introduo microbiologia ambiental- www.icb.ufmg.br/mic

A microbiologia ambiental a interface entre as cincias ambientais e a ecologia microbiana. Estuda os microrganismos e suas funes na conduo de processos nos sistemas naturais e prioriza os efeitos provocados pela presena e ati vidade desses no meio ambiente. Com os avanos da biologia molecular aumentou-se a habilidade de detectar e identi fi car microrganismos e suas ati vidades no ambiente.A diretriz principal da vida microbiana sua sobrevivncia, manuteno, gerao de ATP e cresci-mento. A grande diversidade de habitats fez com que os microrganismos esti vessem sob diferentes presses seleti vas o que resultou na seleo de grande variedade metablica, fi siolgica e molecu-lar. Considerando-se que microrganismos ambientais podem afetar vrios aspectos da vida, e so facilmente transportados entre ambientes, as interfaces do campo de microbiologia ambiental tm um nmero grande de diferentes sub-especialidades, incluindo solo, ambiente aquti co, qualidade da gua, sade ocupacional e controle de infeces e microbiologia industrial.

Impacto dos microrganismos no ambiente

Os microrganismos so agentes primrios das mudanas geoqumicas. Algumas caractersti cas que possibilitam essa atuao ampla no ambiente so sua distribuio ubqua devido grande diversi-dade metablica e fi siolgica, pelo fato de serem pequenos e possurem grande rea superfi cial e as altas taxas de ati vidade metablica e de crescimento. Os microrganismos so elementos chave na ciclagem e liberao dos nutrientes e na manuteno da composio qumica do solo, gua, sedimentos e atmosfera. Alm disso, so importantes na de-toxifi cao de poluentes orgnicos e inorgnicos, sendo a base de muitas tecnologias emergentes com aplicao ambiental e industrial.

o estudo da distribuio da diversidade no tempo e no espao. Desti na-se a revelar onde os orga-nismos vivem, sua abundancia e o porque, ou seja, revela a diversidade e a ati vidade desses.

Biogeografi a

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Populao microbiana

Os ecossistemas so formados pelas comunidades biolgicas e pelos componentes abiticos. Cada ecossistema apresenta uma diversidade de microrganismos distribudos em duas categorias: 1 Autctones ou indgenas, que so os microrganismos residentes e naturais daquele am-biente. 2- Alctones ou no indgenas, que so os microrganismos transitrios. O ecossistema pode ser ocupado por microrganismos especializados metabolicamente e que so restritos a um ambiente distinto.

Nicho Ecolgico

O nicho corresponde ao papel funcional do microrganismo na comunidade e suas caractersticas de adaptao s condies ambientais. Cada espcie apresenta requerimentos nutricionais particula-res, propriedades cinticas e potenciais bioqumicos. As caractersticas do microrganismo so deter-minantes da habilidade ou no de realizar uma funo particular no ambiente (Figura 1).

Figura 1. Representao de diferentes nichos ecolgicos determinados por re-querimentos nutricionais


Ecologia

o estudo da estrutura e da funo do ecossistema. A estrutura a composio da comunidade biolgica, a quantidade e a distribuio dos componentes abiticos e a faixa gradiente das condi-es ambientais. J a funo envolve processos relacionados com o fluxo de energia, a ciclagem de nutrientes e a regulao mtua dos organismos no ambiente.

Densidade Populacional

Corresponde ao nmero de indivduos por rea. Pode ser modificada por fatores abiticos, como modificaes fsico-qumicas no meio, por fatores biticos, especialmente por relaes ecolgicas como a competio, e pelas taxas de migrao, mortalidade e natalidade.

Biofilmes

uma forte associao de microrganismos atacados com a produo de uma matriz extracelular polim-rica (glicoclix). So sistemas microbianos organiza-dos, que consistem em camadas de clulas microbia-nas que se desenvolvem sobre superfcies slidas. A complexidade de um biofilme dependente dos recursos energticos disponveis.

Os biofilmes possibilitam a criao de microambientes e nichos na ausncia de um ambiente fsico estruturado e propiciam melhor condio de sobrevivncia nos ambientes naturais. Protegem con-tra flutuaes de pH, radiao ultravioleta, concentrao de sais, desidratao, predadores, fagoci-tose, biocidas e antimicrobianos. Aumentam a possibilidade de trocas de material gentico entre seus componentes e facilitam o estabelecimento de microconsrcios, possibilitando a utilizao de substratos de difcil degradao. Tambm aumentam a quantidade de nutrientes disponveis, atra-vs da deposio e concentrao desses na matriz polimrica.Biofilmes tm sido extensivamente estudados pelo seu papel no ciclo de nutrientes e controle de poluentes em ambientes aquticos, alm dos efeitos benficos ou prejudiciais sade humana.

A formao dos biofilmes (Figura 2) acontece da seguinte forma: 1- Formao de filme condicionado adsoro de substancias orgnicas a uma superfcie slida e colonizao inicial por um nico tipo bacteriano. 2- Associao transiente do microrganismo com a superfcie ou com outros microrganismos. Produo de EPS (protenas, carboidratos e polissacardeos) e biosurfactantes. Apndices externos, como adesinas e pilus tipo III, facilitam a associao. 3- Associao estvel adeso firme dos microrganismos superfcie. Reduo da motilida-de desses atravs da inibio do gene da flagelina. Sntese de exopolissacardeos e desenvolvimento de camadas compostas por diferentes microrganismos. 4- Maturao formao e estruturao de microcolnias. Formao de poros intersticiais e canais. Sntese de mais exopolissacardeos. Ocorrem interaes metablicas e genticas entre os microrganismos.

Figura 2. Etapas da formao do biofilme: Coloniza-o inicial por um nico tipo bacteriano (1) Desen-volvimento de camadas de diferentes microrganis-mos (2 e 3)


Lei do mnimo de Liebig

A ocorrncia e abundncia de um microrganismo em um ambiente depende no somente dos nu-trientes disponveis, mas tambm dos fatores qumicos e fsicos. O microrganismo apresenta um conjunto complexo de condies, dentro de uma faixa de tolerncia. Se qualquer condio exceder os limites mnimo ou mximo, o organismo falha e morre. Para todo fator abitico existe uma faixa de crescimento, com valores cardeais mnimo, timo e mximo.

Determinantes ambientais 1- Qumicos nutrientes, minerais, composio atmosfrica, pH, fatores de crescimento, fontes de carbono e energia, potencial de eletro-reduo. 2- Fsicos radiao, presso, salinidade, temperatura, atividade de gua, superfcie. 3- Biolgicos relaes espaciais, gentica do microrganismo e relaes ecolgicas.

Microrganismos extremfilosProsperam ou requerem condies extremas que excedem as condies timas para o crescimento e reproduo da maioria dos microrganismos. Sobrevivem em um leque de ambientes diferentes e utilizam uma gama de diferentes fontes de carbono e energia. Possuem estratgias para reter gua e manter suas membranas, protenas e cidos nuclicos funcionais.

Temperatura Afeta a taxa de crescimento por alterar a taxa das reaes qumicas. A elevao da tempera-tura, at certos limites, leva ao aumento do crescimento e das atividades metablicas at um ponto, a partir do qual as reaes de inativao comeam a atuar.Os microrganismos so classificados de acordo com a faixa de temperatura em que sobrevivem e crescem em (Grfico 1):

Os biofilmes podem ter as seguintes formas de disperso: Expansiva ocorre a liberao de clulas do interior das colnias aps a morte celular, a de-gradao da matriz por liases ou a restaurao da motilidade dos microrganismos. Fragmentao por foras mecnicas. Migrao superficial.

A formao do biofilme afetada pelas caractersticas da superfcie, pela cobertura polimrica da gua, pela presena de materiais particulados, pela qualidade e concentrao de nutrientes do meio circundante e pelas caractersticas da bactria e do fluido, se houver.

A biomassa total de um organismo determinada pelo nutriente presente no meio em menor con-centrao em relao a seus requerimentos. Em um dado ecossistema sempre haver algum fator nutricional limitante.

Lei da tolerncia de Shelford

Grfico 1. Faixa de temperatura de crescimento de microrganismos psicrfilos, psicrotolerantes, mesfilos, termfilos e hipertermfilos.


1- Psicrfilos crescem em temperaturas baixas, na faixa de 0oC a 200C, com temperatura tima em torno de 15oC. No toleram o calor e so encontrados em ambientes constantemente frios, tais como as regies polares. 2- Psicrotolerantes capazes de crescer a 0 oC, mas com crescimento timo na faixa de 20 oC a 40 oC. So um problema na conservao de alimentos, sendo comumente encontrados em alimentos estragados. 3- Mesfilos com temperaturas medianas como timas de crescimento (25 oC a 40 oC). So encontradas em animais de sangue quente e em ambientes terrestre e aquticos de latitudes tropicais. 4- Termfilos com crescimento timo em temperaturas superiores a 45oC. So encontra-dos em ambientes quentes. Geralmente produzem esporos resistentes ao calor que sobrevivem inclusive aos tratamentos trmicos a que so submetidos os alimentos enlatados. Importantes tam-bm em acmulos de compostos orgnicos cuja temperatura pode ser bastante alta. 5- Hipertermfilos - crescimento timo em temperaturas superiores a 80oC. encontrados em fontes termais, giseres e fendas hidrotermais.

Estresse em baixas temperaturas: - Desestabilizao da bicamada lipdica da membrana. - Despolimerizao do citoesqueleto. - Citoplasma viscoso devido ao aumento da concentrao de soluto, o que interfere na difu-so. - Mudana de pH, muitas vezes levando desnaturao de protenas. - Desidratao em decorrncia da sada de gua das clulas devido a formao de cristais de gelo no meio extracelular.


Presso hidrostticaOs microrganismos so classificados de acordo com a faixa de presso hidrosttica em que crescem. E so classificados em: 1- Sensveis crescem bem a 1 atm. 2- Barotolerantes resistem a presses bastante altas. 3- Baroflicos Precisam de grande presso para crescer bem. Morrem a 1 atm.

Presso osmticaFora com a qual a gua se move atravs da membrana plasmtica, de uma soluo hipotnica para uma soluo hipertnica. Pode causar desidratao, lise ou plasmlise.

Salinidade a soma da concentrao de todos os constituintes inicos dissolvidos na gua. A alta concentrao de sal afeta a presso osmtica, desnatura protenas e desidrata a clula. De acordo com a salinida-de os microrganismos podem ser classificados em (Grfico 2): 1- No haloflicos no necessitam de sal para crescer e no toleram sua presena no meio. 2- Halotolerantes no necessitam de sal para crescer, mas suportam certa quantidade no meio. O crescimento timo ocorre na ausncia do sal. 3- Halfilos- requerem certa quantidade de sal para crescer. Podem ser discretos ou mode-rados, necessitando de baixa concentrao de sal no meio, ou extremo, necessitando de altssima concentrao de sal para crescer.

O sistema de transporte de membrana dependente de sdio em bactrias marinhas um exemplo de adaptao salinidade.

Grfico 2: Faixa de salinidade de crescimento de microrganismos no haloflicos, halotolerantes, halfilos moderados e halfilos extremos.

Disponibilidade de guaA gua essencial para a atividade e crescimento dos microrganismos. Processos fisiolgicos reque-rem gua para movimentao, trocas gasosas, trocas de soluto, excreo de resduos, obteno de nutrientes e outras funes. A atividade de gua (Aa ou aw) o parmetro que mede a disponibilidade de gua para o micror-ganismo. Os valores de aw podem variar de 0 a 1. Representa a gua que est livre para agir como solvente ou participar de reaes qumicas. a gua no ligada a macromolculas por foras fsicas. A atividade de gua corresponde presso de vapor da soluo dividida pela presso de vapor da gua pura. A atividade de gua reduzida aumenta a fase lag do crescimento, inibe a produo de toxinas por alguns microrganismos e altera a permeabilidade da membrana celular, levando perda de molculas essenciais.

Fatores que interferem nos efeitos da atividade de gua: - Temperatura quanto mais prximo temperatura tima de crescimento, maior a faixa de atividade de gua em que o crescimento microbiano possvel. - Nutrientes a disponibilidade amplia a faixa de atividade de gua onde o crescimento mi-crobiano possvel.

Microrganismos que crescem em baixas atividades de gua bombeiam ons inorgnicos para o in-terior da clula ou sintetizam solutos orgnicos (chamados de solutos compatveis). A quantidade mxima de solutos compatveis acumulados corresponde a uma caracterstica geneticamente deter-minada.

Adaptaes aos perodos de dessecao: - Formao de esporos. - Formao de polissacardeos extracelulares (cpsula, camada mucosa com trehalose). - Sntese de acares que formam uma fase de cristal no cristalino que se liga a protenas, impedindo sua desnaturao. - A trealose forma ligaes de hidrognio com lipdeos, substituindo a molcula de gua e mantendo o estado fluido da membrana.

Adaptaes grande quantidade de gua: - Parede celular rgida para evitar a lise em bactrias. - Vacolos contrteis em protozorios para bombear o excesso de gua para fora da clula. - Excreo de gua atravs de aquaporinas em algumas bactrias.

pHAssim como na temperatura, cada organismo possui uma faixa de pH onde seu crescimento poss-vel, exibindo no entanto um pH timo definido. Esse pH timo corresponde ao pH do meio externo, sendo que o pH intracelular deve permanecer prximo a neutralidade, o que possvel devido a impermeabilidade da membrana plasmtica aos ons. Alguns procariotos que vivem em pH extremo parecem manter a neutralidade interna bombeando prtons para fora da clula. A maioria dos ambientes tem o pH entre 5 e 9 e os organismos mais comuns so os que crescem nessa faixa, conhecidos como neutrfilos. Os organismos acidfilos crescem em pH menor que 5. Os fungos tendem a ser mais tolerantes acidez, mas algumas bactrias tambm so acidfilas. Os microrganismos alcaliflicos crescem em valores elevados de pH.



Valores de pH fora da faixa de crescimento tolerada pelos microrganismos pode levar desnatura-o de protenas, alteraes na fluidez da membrana plasmtica, a dissociao e solubilizao de molculas e solubilidade de gs carbnico. Tambm afeta a fora prton motora e a mobilidade de metais pesados.

Potencial de oxi-reduo Mede a tendncia de um composto doar ou receber eltrons. uma escala til para medida de ana-erobiose. O oxignio molecular um poderoso agente oxidante. Ambientes com potenciais de oxi--reduo positivos favorecem a oxidao e permitem o crescimento de microrganismos aerbios. Em contrapartida, ambientes com potenciais de oxi-reduo negativos favorecem a reduo e permitem o crescimento de microrganismos anaerbios. Os microrganismos aerbios facultativos sobrevivem a uma ampla faixa de potencial de oxi-reduo. medida que o oxignio vai sendo reduzido vo sendo formadas molculas altamente reativas como o nion superxido (O2-) e o perxido de hi-drognio (H2O2). Os microrganismos que crescem na presena de oxignio sintetizam enzimas que transformam as molculas reativas em molculas inertes como a gua e o oxignio (O2).

Enzimas que destroem espcies txicas de oxignio:


Literatura sugerida

MADIGAN, Michael T.; MARTNKO, John M.; PARKER, Jack. Microbiologia de Brock. 12 ed. Editora: Artmed. So Paulo. 2010.PELCZAR, Michael Joseph; CHAN, E.C.S; KRIEG, Noel R. Microbiologia: conceitos e aplicaes. 2.ed. So Paulo: Makron Books. MAIER, Raina M.; PEPPER Ian L.; GERBA Charles P. Environmental Microbiology. 2 ed. Editora: Aca-demic Press. 2009

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