Microbiologia ambiental Engenharia do Ambiente. Escola Superior Agrária Instituto Politécnico de Coimbra

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1 Microbiologia ambiental Engenharia do Ambiente Escola Superior Agrária Instituto Politécnico de Coimbra

2 Módulo 1.Ecologia microbiana Parte 2. Ecologia microbiana 2.2 O AMBIENTE FÍSICO: BIOFILMES E AMBIENTES EXTREMOS Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 2

3 Ambientes extremos Qualquer ambiente no qual um ou mais parâmetros tenha valores próximos dos limites inferior ou superior conhecidos para a vida Os ambientes extremos são abundantes e apresentam uma grande variedade de características Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 3

4 Exemplos de parâmetros que limitam Parâmetro ambiental os processos biológicos Limite inferior Limite superior Notas Temperatura -18ºC 113ºC Temperatura média do corpo humano 37ºC Pressão Pa 130 Mpa Pressão atmosférica 101 KPa ph Negativo 13.2 ph neutro 7 Concentração de sal Nenhum 5 M Concentração de sais no corpo humano 3.5% Actividade da água Luz Escuridão Variável Níveis elevados de radiação podem causar foto-inibição e formação de radicais livres Radiação de elevada energia Nenhum 1.5 MRad 1.5 MRad é 3000 vezes o valor letal para os humanos Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 4

5 Ambientes marinhos extremos Local Localização Factores ambientais stressantes Notas Profundezas do oceano Fumarolas hidrotermais Margens continentais m de profundidade Regiões geoactivas dos fundos marinhos (profundidade variável) Zonas de colisão de placas Temperatura baixa Pressão muito elevada Luz inexistente Temperatura elevada Pressão elevada /muito elevada Luz baixa/inexistente Produtos tóxicos, pouco oxigénio ph baixo Temperatura elevada Pressão elevada/muito elevada Luz inexistente Produtos tóxicos, pouco oxigénio Procariotas e eucariotas Archaea: Pyrolobus fumarii (o mais termotolerante) Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 5

6 Ambientes marinhos e terrestres extremos Local Localização Factores ambientais stressantes Subsuperfície continental e marinha Debaixo da superfície terrestre ou marinha Temperatura baixa ou muito alta Pressão elevada ou muito elevada Luz inexistente Notas Muito pouca energia disponível Bacteria a 3200 m de profundidade Áreas costeiras intertidais Zona entre a maré baixa e a maré alta Temperatura, luz e secura muito variáveis com a exposição ao ar Ambientes muito dinâmicos, forte fluxo de água Meios hipersalinos Em terra, em lagos ou em mares Concentração de sal elevada Diferentes iões, consoante a geologia Ambientes terrestres: evaporação, UV e temperatura elevadas Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 6

7 Ambientes terrestres extremos Local Localização Factores ambientais stressantes Regiões polares Nascentes termais Altitude elevada e glaciares Sul do círculo polar Árctico e norte do Antárctico Zonas geoactivas Montanhas acima de 1500m Temperatura muito baixa Secura muito elevada Luz inexistente durante os 4 meses de Inverno Radiação de elevada energia Temperatura elevada/muito elevada Elevada concentração de produtos tóxicos Temperatura baixa Pressão atmosférica baixa Secura elevada Radiação de elevada energia Notas Temperatura mais baixa registada -89.2ºC Humidade média 0.03% no deserto da Antárctida Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 7

8 Ambientes terrestres extremos Local Localização Factores ambientais stressantes Desertos Ambientes ácidos Ambientes alcalinos Regiões quentes e secas Actividade vulcânica/ mineração Desertos e lagos Temperatura elevada; com elevada amplitude diária Secura elevada (falta constante de água) Luz elevada Temperatura moderada/elevada Elevada concentração de metais pesados ph baixo (<7) a negativo Elevada concentração de sal e de carbonato de cálcio ph elevado (7-14) Notas Alguns resultam da actividade metabólica dos microrganismos Microrganismos até ph 13.2 Peixes e camarões até ph 10 Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 8

9 Ambientes extremos: concentração de sal Salinas vermelhas devido ao crescimento de bactérias e algas halófilas Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 9

10 Ambientes extremos: ph baixo Crescimento em massa do acidófilo extremo Ferroplasma (Archaea) numa mina. Cresce a ph próximo de 0, tem uma membrana plasmática única e não tem parede celular Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 10

11 Ambientes extremos: ph baixo Escoamento ácido de uma mina para um rio. O solo e a água são avermelhados devido à presença de óxidos de ferro resultantes da actividade de Thiobacillus Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 11

12 Características de ambientes extremos nos quais os microrganismos crescem Tipo de stress Condições ambientais Exemplos Temperatura elevada 121ºC ºC (fossas marinhas) ºC (bacias marinhas) 85ºC (nascentes termais) 75ºC (nascentes termais sulfurosas) Geogemma barossi Pyrolobus fumarii Methanopyrus kandleri Pyrodictium abyssi Pyrococcus abyssi Thermus Sulfolobus Thermothrix thiopara Temperatura baixa -12ºC (gelo antárctico ) Psychromonas ingrahamii Stress osmótico 13-15% NaCl 25% NaCl Chlamydomonas Halobacterium Halococcus Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 12

13 Características de ambientes extremos nos quais os microrganismos crescem Tipo de stress Condições ambientais Exemplos ph ácido ph 3.0 ph 0.5 ph 0.0 ph básico ph 10.0 Bacillus Baixa disponibilidade de água Temperatura elevada e ph baixo a w = ºC, ph 1.0 Saccharomyces Thiobacillus Picrophilus oshimae Ferroplasma acidarmanus Torulopsis Candida Cyanidium Sulfolobus acidocaldarum Pressão elevada atm Colwellia hadaliensis Radiação elevada 1.5 rads Deinococcus radiodurans Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 13

14 Biofilmes AMBIENTE FÍSICO Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 14

15 Microambiente e nicho Microambiente localização física específica de um microrganismo Fluxo limitado dos agentes oxidantes e redutores e dos nutrientes necessários Difusão dos produtos de excreção lenta pode causar inibição do crescimento Estes fluxos criam um nicho único que inclui o microrganismo, o seu habitat físico, a utilização temporal dos recursos, e a disponibilidade de recursos para o crescimento e função microbiana Um dos exemplos da criação de microambientes e de nichos são os biofilmes Sistemas microbianos organizados que consistem em camadas de células microbianas que se desenvolvem sobre superfícies Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 15

16 Biofilmes Dependendo das condições ambientais (luz, nutrientes, taxas de difusão) podem existir microrganismos fotossintéticos à superfície, microrganismos quimioorganotróficos no centro e microrganismos redutores de sulfato em baixo Os biofilmes que se desenvolvem nas superfícies expostas em ambientes de água doce e salgada podem tornar-se extremamente complexos Podem desenvolver-se biofilmes mais complexos com agregados celulares, poros intersticiais, canais e uma matriz de polissacarídeos Esta estrutura permite o crescimento dos microrganismos que resulta na acumulação de mais células e na imobilização de organismos transportados na água; os canais formam-se devido ao movimento dos protozoários que comem bactérias Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 16

17 1.Colonização inicial por um tipo de microrganismo 2.Desenvolvimento de uma comunidade complexa com microrganismos de diferentes tipos 3. Biofilme completamente formado, com agregados celulares, poros intersticiais e matriz de polissacarídeos Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 17

18 Tapetes microbianos Biofilmes que se tornam macroscópicos e visíveis a olho nu, formados por camadas de comunidades microbianas Superfície das rochas ou dos sedimentos em lagos hipersalinos e de água doce e em ambientes marinhos Consistem em filamentos microbianos incluindo cianobactérias e apresentam gradientes de factores abióticos: Luz apenas penetra até 1 mm de profundidade Abaixo dessa zona fotossintética ocorrem condições anaeróbias onde as bactérias redutoras de sulfato têm o papel principal Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 18

19 Tapetes microbianos Através das suas actividades metabólicas os microrganismos podem criar gradientes ambientais que formam ecossistemas em camadas Tapetes microbianos podem encontrar-se, por exemplo, nas nascentes termais Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 19