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 2.3 ACTIVIDADES MICROBIANAS COM RELEVÂNCIA ECOLÓGICA Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 2

3 O papel dos microrganismos nos ciclos de nutrientes Ciclos biogeoquímicos envolvem processos físicos, químicos e biológicos Toda a matéria orgânica é decomposta pelos microrganismos quimioheterotróficos = mineralização (transformação de compostos orgânicos em componentes inorgânicos) A maior parte da produção primária não é consumida pelos animais = detritos Quimioheterotróficos: classificação quanto às fontes de energia, de electrões e de carbono, respectivamente. Quimio: fonte de energia e de e - = moléculas orgânicas; Hetero: fonte de carbono = moléculas orgânicas Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 3

4 A decomposição dos detritos orgânicos Mineralização Os minerais que não são usados para a formação de nova biomassa microbiana são libertados para o ambiente Processo pelo qual a matéria orgânica é decomposta libertando compostos inorgânicos mais simples (e.g. CO 2, NH 4+, CH 4, H 2 ) Imobilização Processo pelo qual os microrganismos adquirem os nutrientes de que necessitam para a síntese de biomassa a partir do seu meio ambiente Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 4

5 Principais formas de C, N, S e Fe nos ciclos biogeoquímicos Ciclo Forma gasosa Principais formas e valências Reduzida Estado intermédio Oxidada Carbono Abundante CH 4 (-4) CO (+2) CO 2 (+4) Azoto Abundante NH 4 + N orgânico (-3) Enxofre Abundante H 2 S, grupos SH (-2) Ferro Pouco abundante Fe 2+ (+2) N 2 (0) N 2 O (+1) S 0 (0) S 2 O 3 2- (+2) NO 2 - (+3) SO 3 2- (+4) NO 3 - (+5) SO 4 2- (+6) F 2 3+ (+3) Ciclos do carbono e do azoto: formas gasosas abundantes; menos no ciclo do enxofre Alguns microrganismos do solo e da água podem fixar as formas gasosas destes nutrientes Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 5

6 Ciclo do carbono Oxidação aeróbia e anaeróbia (mineralização) de compostos orgânicos: produção de CO 2, material básico para a fotossíntese Para manter a concentração de CO 2 baixa e constante (0.03%) é essencial que exista equilíbrio entre o consumo e a produção de CO 2 Sem a produção contínua, o CO 2 atmosférico seria esgotado pela fotossíntese em cerca de10 anos Em ambientes anaeróbios, parte do CO 2 entra na atmosfera como metano O CH 4 é oxidado quimicamente em CO 2 via CO ou biologicamente pela acção de bactérias Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 6

7 Reacções biológicas do ciclo do carbono FIXAÇÃO DE CARBONO Fotossíntse Quimiossíntese CO 2 RESPIRAÇÃO Oxidação do monóxido de carbono Plantas Algas Cianobactérias Produtores primários Consumidores de compostos orgânicos Respiração Mineralização CO Aerobiose Via cadeias alimentares Oxidação do metano Anaerobiose FIXAÇÃO DE CARBONO Fotossíntese CO 2 metanogénese Acetato CH 4 Respiração anaeróbia Fermentação Bactérias fototróficas Produtores primários Consumidores de compostos orgânicos Via cadeias alimentares Armazenados nos combustíveis fósseis Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 7

8 Ciclo do carbono Os dadores (e.g., H, um redutor forte) e os aceitadores (e.g., O 2 ) de electrões influenciam as reacções químicas e biológicas que envolvem C Metano atmosférico tem vindo a aumentar, constituindo actualmente cerca de 1.7 ppm plantações de arroz, ruminantes, minas de carvão, esgotos, pauis Fixação de C: cianobactérias, algas verdes, bactérias fotossintéticas e quimio-autotróficas aeróbias A disponibilidade de oxigénio influencia a decomposição da matéria orgânica, levando à produção de diferentes produtos finais consoante os substratos são mineralizados sob condições aeróbias ou anaeróbias: Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 8

9 Influência do oxigénio na decomposição da matéria orgânica Uso aeróbio do C com libertação de minerais Matéria orgânica complexa Oxidação de produtos reduzidos H 2 H 2 O NH 4 NO - 2 NO - 3 H 2 S SO 2-4 CO 2 Quimioheterotróficos Quimioautotróficos Uso anaeróbio do C com libertação de minerais Matéria orgânica complexa Vários quimiohetrotróficos Produtos orgânicos Produção de de fermentação metano NH + 4 H 2 S CO 2 CH 4 H 2 Metanogénicos Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 9

10 Degradação da celulose Os detritos vegetais são principalmente compostos por polímeros estruturais das paredes celulares, dos quais a celulose é a mais abundante A degradação microbiana (bactérias e fungos) da celulose é um passo essencial no processo da mineralização e no ciclo do carbono Sob condições anaeróbias, a decomposição da celulose deve-se principalmente a clostrídeos mesófilos e termófilos Sob condições aeróbias nos solos e na água, os fungos têm o papel principal Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 10

11 Ciclo do azoto nitrogen cycle. [Art]. In Encyclopædia Britannica. Retrieved from m/ebchecked/media/6/th e-nitrogen-cycle Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 11

12 Ciclo do azoto Atmosfera Maior reservatório: atmosfera (79%); principal forma: N2 Deposição no solo e na água: precipitação Alguma fixação não biológica ocorre na atmosfera: redução a nitrato (NO3-) e amónia (NH4+) pela energia dos relâmpagos Também ocorre fixação por processos industriais (fabrico de amónia e fertilizantes ricos em azoto) Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 12

13 Processos biológicos no ciclo do azoto 1. Fixação do azoto atmosférico (N2) Precipitação: deposição de N2 no solo e na água Fixação biológica: bactérias fixadoras de azoto Bactérias fixadoras de vida livre (Azotobacter, Clostridium, bactérias fotossintéticas cianobactérias) Bactérias simbióticas com plantas superiores (e.g. Rhizobium leguminosas) Enzima nitrogenase: transforma o azoto praticamente inerte da atmosfera em amónia: NH 4 + Processo muito dispendioso em termos energéticos (gasta muito ATP) Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 13

14 Processos biológicos do ciclo do azoto 2. Nitrificação Embora as plantas possam usar amónia, a maior parte é transformada em nitrito e nitrato antes da sua utilização pelas plantas Bactérias nitrificantes (quimioautotróficas) Redução da amónia em nitrito 2NH O 2 NO H + + 2H 2 O Exemplo Nitrosomonas spp. Oxidação do nitrito em nitrato 2NO O 2 2NO3 - Exemplo Nitrobacter spp. Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 14

15 Processos biológicos do ciclo do azoto 3. Assimilação Transformação pelas plantas de azoto inorgânico (amónia, nitrito, nitrato) em compostos orgânicos NO 3 - NH 3 (redução) Compostos orgânicos (proteínas) Azoto orgânico passa através da cadeia alimentar Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 15

16 Processos biológicos do ciclo do azoto 4. Amonificação mineralização do azoto Morte dos seres vivos + Processos de excreção decomposição dos seus compostos orgânicos Microrganismos saprófitas libertam amónia (NH 4+ ) que é usada pelas plantas Em meio alcalino NH 4 + NH 3 NH3 NH4+ (combinação com H+) Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 16

17 Processos biológicos do ciclo do azoto 5. Desnitrificação Processo anaeróbio levado a cabo por bactérias desnitrificantes Redução de nitrato (NO 3- ) a N 2 e N 2 O (voláteis) Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 17

18 Reacções biológicas do ciclo do azoto N 2 Nitrificação NO 2 - Assimilação R-NH 2 nas proteínas Assimilação NH 4 + Desaminação Desaminação Aeróbios Anaeróbios NO 3 - Assimilação R-NH 2 nas proteínas Assimilação Amonificação do nitrato NO 2 - Respiração de nitrato/nitrito N 2 N 2 O Desnitrificação Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 18

19 A quantidade de azoto Distribuição do azoto na biosfera (toneladas) Atmosfera Biomassa das plantas terrestres Matéria orgânica morta terrestre Biomassa das plantas aquáticas Matéria orgânica morta aquática Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 19

20 Ciclo do enxofre Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 20

21 Ciclo do enxofre Principais formas É o 10º elemento mais abundante da Terra S: enxofre elementar H2S: sulfureto de hidrogénio ou gás sulfídrico SO2: dióxido de enxofre SO4-: ião sulfato FeS: sulfureto de ferro FeSO4: sulfato de ferro Formas orgânicas: em todos os organismos (proteínas, vitaminas, hormonas ) Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 21

22 Ciclo do enxofre Processos geoquímicos e meteorológicos: lixiviação das rochas Actividade vulcânica Em contacto com o ar: sulfato (SO4-) Plantas: conversão em formas orgânicas animais Excreção e morte: decomposição SO4- A maioria dos microrganismos e das plantas usam sulfato como a única fonte de enxofre, enquanto os animais dependem de enxofre reduzido Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 22

23 Ciclo do enxofre Algumas reacções do ciclo são apenas realizadas por organismos procariotas Beggiatoa & Thiobacillus: usam enxofre & O2 Desulfovibrio & Desulfomonas: usam enxofre sem O2 Chromatium & Chlorobium: usam enxofre e luz mas não O2 Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 23

24 Os microrganismos no ciclo do enxofre 24 2CH2O+2H + +SO4 2- Desulfovibrio Desulfomonas H2S+2CO2+2H2O H2S+CO2+O2 sulfato sulfureto de hidrogénio (anaerobiose) Beggiatoa Thiobacillus CH2O+4S+3H2O sulfureto de hidrogénio enxofre elementar (aerobiose) 2e - +2H + +2H2S+CO2 Chromatium Chlorobium CH2O+2S+2H2O sulfureto de hidrogénio enxofre elementar (na presença da luz mas em anaerobiose) Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental

25 Ciclo do enxofre Enxofre libertado da matéria orgânica morta como H 2 S, produzido principalmente através da redução de sulfato H 2 S usado como fonte de energia de bacilos quimioautotróficos e de Beggiatoa, Thiothrix e Thiovolum Bactérias que realizam dessulfurização: géneros Desulfovibrio, Desulfotomaculum e bactérias sulfurosas anaeróbias (Desulfuromonas, Desulfobacter, Desulfococcus, Desulfonema, Desulfosarcina) Existem nos solos e nos sedimentos e metabolizam ácidos orgânicos, etanol, ácidos gordos e hidrogénio Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 25

26 A coluna de Winogradsky Camada de água Diatomáceas e cianobactérias (fotoautotróficos) Lama Camada de lama com O 2 (castanho-claro) Zona cor de ferrugem Algas e microrganismos aeróbios que oxidam sulfato: Beggiatoa, Thiobacillus, Thiothrix. Usam compostos reduzidos de enxofre como fonte de e - e O 2 como aceitador Fotoheterotróficos: bactérias púrpuras não sulfurosas Rhodospirilum, Rhodopseudomonas. Usam MO como fonte de e - sob condições anaeróbias Lama + enxofre, carbonato e fonte de celulose Zona vermelha Zona verde Difusão de H 2 S Zona anaeróbia com H 2 S (preta) Chromatium usam sulfureto de hidrogénio como dador de e - e CO 2 como fonte de C Chlorobium Clostridium (celulose produtos de fermentação) Desulfovibrio (produtos de fermentação+sulfato sulfureto) Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 26

27 Reacções biológicas do ciclo do enxofre Oxidação de H 2 S S 0 Oxidação de S 0 Des-sulfurização R-SH nas proteínas Assimilação: redução de sulfato H 2 S Aeróbios Anaeróbios SO 4 2- Des-sulfurização Desassimilação: redução de enxofre R-SH nas proteínas S 0 Assimilação: redução de sulfato Desassimilação: redução de sulfato Oxidação de H 2 S Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 27 S 0 Bactérias fototróficas Oxidação de S 0

28 Desulfovibrio Redução de sulfato (desassimilação) Ciclo do enxofre simplificado Aeromonas; Clostridium; Desulfovibrio; Desulfotomaculum Redução de sulfato SO 4 2- SO 3 2- Oxidação de enxofre Matéria orgânica S 0 Mineralização Oxidação de enxofre H 2 S Aeróbios: Thiobacillus; Beggiatoa Thiothrix; fototróficos anoxigénicos Anaeróbios: Chlorobium; Chromatium Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 28

29 Microrganismos e ecossistemas Os microrganismos têm um papel vital nos ecossistemas, como produtores primários, decompositores e consumidores primários O carbono é fixado pelos produtores primários que usam a energia da luz ou das ligações químicas. As bactérias e os fungos quimioheterotróficos são os principais decompositores da matéria orgânica, disponibilizando minerais para os produtores primários Os protozoários ciliados e os flagelados (consumidores primários) comem bactérias e fungos Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 29

30 O papel vital dos microrganismos nos ecossistemas Consumidores terciários CO 2 Consumidores secundários CO 2 Consumidores primários CO 2 Fluxos de carbono Matéria orgânica Bactérias e fungos Matéria orgânica Produtores primários CO 2 (Quimioheterotróficos) (Fotoautotróficos, quimioautotróficos) Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 30

31 Funções dos microrganismos nos ecossistemas 1. Contribuem para a formação de matéria orgânica através dos processos fotossintéticos e quimiossintéticos 2. Decompõem a matéria orgânica, com a libertação de compostos inorgânicos (e.g. CO2, NH4+, CH4, H2) nos processos de mineralização 3. São uma fonte de alimento rica em nutrientes para outros microrganismos quimioheterotróficos, incluindo protozoários e animais 4. Contribuem para os ciclos biogeoquímicos através da modificação de substratos e de nutrientes 5. Alteram as quantidades de materiais nas formas solúveis e gasosas, directamente através de processos metabólicos ou indirectamente através da modificação do ambiente 6. Produzem compostos inibitórios que decrescem a actividade microbiana ou limitam a sobrevivência e o funcionamento de plantas e de animais 7. Contribuem para o funcionamento das plantas e dos animais através de interacções positivas e negativas Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 31