Interação bactéria meio ambiente. Ana Beatriz Santoro

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1 Interação bactéria meio ambiente Ana Beatriz Santoro

2 SOLO COMO HÁBITAT O solo constitui um sistema muito dinâmico e organizado e representa um excelente meio para a sobrevivência e proliferação de uma variedade de organismos representada por componentes macro e microscópicos

3 MICROORGANISMOS DO SOLO Funções: Decomposição Ciclagem de nutrientes FBN Fotossíntese Controle biológico Interações:... micorriza

4 COMPONENTES DA BIOTA DO SOLO PROCARIOTOS: BACTÉRIAS: ACTINOMICETOS CIANOBACTÉRIAS EUCARIOTOS: FUNGOS ALGAS MACROFAUNA: ANELÍDEOS, TÉRMITAS, FORMIGAS MESOFAUNA: ÁCAROS, COLÊMBOLOS MICROFAUNA: PROTOZOÁRIOS, NEMATÓIDES

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6 BACTÉRIAS Procariotos = grupo mais numeroso do solo Rápido crescimento Decomposição de vários substratos Participação na ciclagem de nutrientes Transformações bioquímicas específicas: Ex: nitrificação/denitrificação, oxidação/redução de S Fixação Biológica de N 2 Ação antagônica aos patógenos Produção de substâncias promotoras de crescimento vegetal (BPCV)

7 PROTOZOÁRIOS (<0,2 mm) Alta diversidade morfológica e de hábitos alimentares. Vida livre (a maioria) ou associados a outros seres vivos. Higrófilos - água para atividade metabólica. Condições desfavoráveis: cistos (estado inativo). Descritas espécies vivas e muitos fósseis. Protozoários de vida livre: alimentam-se de substâncias orgânicas dissolvidas e de outros animais, podem ser predadores (de bactérias, leveduras, de outros protozoários, esporos de fungos e algas)

8 ALGAS ALGAS VERDES (as mais abundantes no solo) ALGAS VERMELHAS Distribuição ampla: sobre ou no solo; lama, areia, neve e presas a plantas ou animais. São os principais microrganismos fotossintetizantes que vivem no solo (alta luminosidade, umidade e baixa acidez).

9 FUNGOS Eucariotos, a maioria com formas filamentosas Células ou estruturas de repouso (esporos) e hifas Quimiorganotróficos: saprófagos, parasitas e simbiontes (micorriza) Aeróbios obrigatórios Representam 70 a 80% da biomassa microbiana Presença: teor de M.O., ph (5,5) e umidade

10 MICROBIOLOGIA DA RIZOSFERA

11 RIZOSFERA (Hiltner, 1904) Volume de solo ao redor de raízes onde o crescimento bacteriano é estimulado. Na prática, como separar a rizosfera: Esfera de maior atividade física, química e biológica

12 MICROORGANISMOS RIZOSFÉRICOS atividade nos ciclos biogeoquímicos de nutrientes transformações da matéria orgânica influência no enraizamento produção de substâncias promotoras de crescimento absorção de nutrientes proteção vegetal contra estresses, etc

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14 ATIVIDADE FÍSICA Ação agregante sobre as partículas do solo A penetração das raízes no solo afeta a aeração Alteração do potencial hídrico ATIVIDADE QUÍMICA Precipitação/acúmulo de sais Variações no ph Alteração da relação O 2 /CO 2 (respiração) Sinais moleculares, fatores de crescimento ATIVIDADE BIOLÓGICA Colonização radicular: 7 a 15% do rizoplano (Superfície ativa da raiz superfície de contato) Proliferação e atividade de microrganismos Ecossistema microbiano complexo (efeito rizosférico)

15 EFEITO RIZOSFÉRICO* Exemplo: rizosfera de trigo Microorganismos Relação R:S Bactérias 23:1 Fungos 12:1 Actinomicetos 7:1 Protozoários 2:1 Algas 0,2:1 *Influência das raízes sobre os microorganismos Densidade de propágulos na rizosfera Densidade de propágulos no solo adjacente

16 Compostos comumente encontrados na rizosfera Aminoácidos: todos os de ocorrência natural Ácidos orgânicos: acético, butírico, cítrico, fumárico, lático, glicólico, oxálico, propiônico, tartárico, valérico, etc. Carboidratos: frutose, glicose, maltose, sacarose, galactose, etc. Derivativos de ácidos nucléicos Vitaminas: biotina, inositol, ácido nicotínico, pantotênico, etc. Enzimas: amilase, fosfatase, protease Outros compostos: auxinas, glutamina, glicosídeos, ácido cianídrico, peptídeos, saponinas, ácidos fenólicos, escopaletina, dióxido de carbono, álcool, etc.

17 RIZOBACTÉRIAS PROMOTORAS DE CRESCIMENTO (RBPC) Azotobacter, Acetobacter, Bacillus, Pseudomonas, Azospirillum, Agrobacterium Produção de SPC Antagonismo com patógenos RIZOBACTÉRIAS DELETÉRIAS DE CRESCIMENTO (RBDC) Enterobacter, Klebsiella, Arthrobacter, Pseudomonas,... Substâncias tóxicas Raízes Germinação de sementes

18 Alguns efeitos dos microorganismos rizosféricos Nutricionais Ciclos biogeoquímicos Mineralização da matéria orgânica Nitrificação e denitrificação Solubilização de fosfatos e micronutrientes Redução do sulfato e elementos como Fe e Mn Fixação Biológica de N 2 nutrientes Não nutricionais Produção de vitaminas, hormônios, enzimas... Raízes laterais Elongação radicular Pêlos radiculares Efeitos no florescimento Efeitos na frutificação Ação antagônica a patógenos

19 Manejo dos microorganismos da rizosfera Principais enfoques Patologia Vegetal Germinação dos propágulos Microbiologia e nutrição Simbiontes Mineralizadores Solubilizadores Colonização do hospedeiro Ação antagonista RBPC RBDC

20 Modificação da população rizosférica Manipulação da pop. presente (condições-solo/planta) Introdução de microorganismos específicos Devem ser capazes de: Disponibilidade, aquisição e uso de nutrientes pela planta Supressão de doenças (efeito controle biológico) Produção vegetal pela liberação microbiana de SPC EMBRAPA - inoculante: 5 tipos de RBPC

21 ECOLOGIA E ATIVIDADE MICROBIANA NO SOLO Ecologia microbiana do solo: Estuda as relações entre os microorganismos do solo e seus habitats e adaptações ao ambiente

22 Característica estrutural do solo Fase sólida - partículas inorgânicas (areia, silte e argila) e orgânicas Estabilização das partículas agregados Estrutura - tamanho e arranjo espacial - sólidos e poros Diâmetro ou espessura dos constituintes do solo: Areia mm Silte mm Argila - <2 mm Bactéria - 0,5-1,0 mm Fungos - 0,3-10 mm Pêlos radiculares mm

23 Microambientes no solo Em 1cm 2 de solo, podem haver centenas ou milhares de microambientes: -os fatores ambientais nestes espaços diferem entre si -os microambientes distintos podem ser habitados por microorganismos distintos

24 Microbiota do solo Ocupam 0,5% do espaço poroso maioria em dormência ou mortos. Ativos: 15 a 30% bactérias; 2-10% fungos. Relação intensa com o solo.

25 Arranjo espacial dos microorganismos em relação às partículas do solo

26 Diversos fatores regulam a atividade microbiana nos microambientes do solo: - SUBSTRATO(alimento) - Fatores de crescimento - Nutrientes minerais - Mineralogia do solo - UMIDADE (água) - Temperatura - Radiação solar - AERAÇÃO - Composição da solução do solo -ph - Interações entre microorganismos - Interações microorganismos-plantas - Atividades antropogênicas

27 Substrato Natureza fortemente heterotrófica das populações microbianas do solo - elevada demanda por substratos orgânicos. Tipos de substratos carbonáceos presentes no solo: resíduos complexos de plantas, animais e microorganismos, produtos da transformação de resíduos, materiais sintetizados pelo homem.

28 Fatores de crescimento (FC) Substâncias orgânicas requeridas em pequenas quantidades (1 mg a 100 mg/l), que são essenciais ou estimulantes para o crescimento dos microorganismos. Exemplos: vitaminas, aminoácidos, etc. Principais fontes de FC: excreções de raízes e microrganismos, resíduos orgânicos.

29 Nutrientes minerais Função: componentes estruturais do protoplasma, fontes de energia para os quimiolitotrróficos, doadores de elétrons para fotolitotróficos e quimiolitotróficos. Deficiência de minerais pode afetar: síntese de enzimas, mobilidade, interações simbióticas, etc.

30 Umidade (água) Afeta o metabolismo intracelular, a turgidez, o movimento de nutrientes, produtos tóxicos e a aderência aos colóides. Déficit hídrico - estruturas de resistência a seca, aumento da esporulação, alteração de outros fatores (salinidade, aeração). Geralmente, a atividade é ótima perto de -0,01MPa e decresce quando o solo torna-se alagado ou mais seco

31 Temperatura Afeta a velocidade das reações fisiológicas e a maioria das características físico-químicas do ambiente. Microorganismos do solo apresentam diferentes termotolerâncias: de -12 a 110 C. Maioria das espécies possui uma faixa de tolerância próximo de 30 C (mesotérmicos).

32 Vermelho: archaea, azul: bactérias, verde claro: algas, amarelo: protistas, marrom: fungos, verde escuro: plantas, roxo: animais

33 Radiação solar Efeito direto sobre algas, cianobactérias e bactérias fotossintetizantes na superfície do solo. Efeito indireto através das plantas sobre os microorganismos efeito rizosférico. Aeração A concentração de CO2 no solo é > que na atmosfera (10-100x) - respiração das raízes e dos microorganismos. Crítica para a densidade e atividade microbiana (aeróbios, anaeróbios facultativos e obrigatórios).

34 ph Medição do ph - predição da capacidade do solo de suportar as reações microbianas. nitrificação - reação ph sensível - ph < 6 diversas enzimas - ph dependente (membranas) Doenças: sarna da batata - ph 5,5 e 6 Maioria das bactérias - ph 4-9 acidófilas - ph 1-6 (Thiobacillus), Basófilas - ph 7,3-9,6 (Nitrosomonas) Fungos - acidófilos moderados - ph 4-6

35 Vermelho: archaea, azul: bactérias, verde claro: algas, amarelo: protistas, marrom: fungos, verde escuro: plantas, roxo: animais

36 Habitats pouco comuns Pseudomonas encontrada viva em folhas, que secretam solução salina concentrada, de uma planta no deserto Negev (Israel) Bacillus encontrada na cavidade nasal de iguanas onde há glândulas que secretam solução de alta [KCl]

37 Principais tipos de metabolismo encontrados nos microorganismos do solo Tipo Fonte de Energia Fonte de carbono Exemplos Fotolitotróficos Luz CO 2 Algas Plantas Cianobactérias Fotorganotróficos Luz Subst. Orgânica Algas Bactérias Quimiolitotróficos Subst. Mineral CO 2 Bactérias Nitrificadores Quimiorganotróficos Subst. Orgânica Subst. Orgânica Bactérias Fungos Protozoários

38 Adaptação e seleção de populações microbianas Difícil interpretar as interações fatores raramente atuam independentemente. Efeitos aditivos - multiplicativos Comunidade microbiana - alta plasticidade... Seleção - adaptação a habitats diversos

39 INTERAÇÕES ENTRE ORGANISMOS Microhabitat: células de diferentes espécies que interagem. Interações POSITIVAS ou NEGATIVAS NEUTRALISMO (ausência de interação): raro no solo! -requerimento nutricional muito específico SIMBIOSE: associação permanente ou prolongada entre organismos diferentes e caracterizada por contato físico, troca de metabólitos e de nutrientes, integração morfológica e fisiológica e regulação funcional entre os parceiros. Ex: Rhizobium e leguminosas - fixação biológica de nitrogênio.

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41 INTERAÇÕES POSITIVAS: COMENSALISMO: (A) é beneficiada e (B) não é afetada. Ex.: bactérias na pele - degradação de células mortas PROTOCOOPERAÇÃO: (A) e (B) são beneficiadas, embora sem obrigatoriedade (mutualismo facultativo). Ex.: bactérias no intestino - quebra de substratos complexos MUTUALISMO: (A) e (B) são beneficiadas, modo obrigatório. A ausência prejudica ambas. Ex.: líquens (fungos e cianobactérias)

42 INTERAÇÕES NEGATIVAS: COMPETIÇÃO: concorrência por fatores vitais: fontes de C, nutrientes, FC, oxigênio, água, espaço, etc. Ex.: Plantas - bactérias endofíticas X patogênicas AMENSALISMO: habilidade de excretar produtos que afetam o desenvolvimento de outra: toxinas, antibióticos, etc. Ex.: Plantas - bactérias endofíticas X patogênicas PARASITISMO: (A) é prejudicada e (B-parasita) é beneficiada. Ex.: bactérias como agentes infecciosos (cólera, tuberculose,etc)

43 PREDAÇÃO: relação mais dramática entre organismos. Uma espécie é fonte de alimento de outra (comum). Ex.: Bactérias como Bdellovibrio atacando outras bactérias.

44 Predação X Parasitismo Predação: Efeitos negativos sobre os indivíduos Efeitos positivos sobre populações: há uma tendência de predadores capturarem mais freqüentemente indivíduos doentes e debilitados, o que resulta em uma população de presas mais saudável e bem selecionada. Outro aspecto é que a predação feita sobre populações quantitativamente dominantes aumenta a possibilidade de outras espécies menos adaptadas se instalarem no ambiente.

45 EFEITOS DAS INTERAÇÕES ENTRE MICROORGANISMOS Decomposição e mineralização da matéria orgânica do solo e de xenobióticos Controle biológico Equilíbrio ecológico

46 ENTRE MICROORGANISMOS E A FAUNA DO SOLO Decomposição e mineralização da matéria orgânica do solo e ciclagem de nutrientes; Controle biológico. ENTRE MICROORGANISMOS E RAÍZES (+) Influencia a disponibilidade e absorção de nutrientes; Estimula a produção de substâncias reguladoras do crescimento vegetal; Atua na sanidade das plantas Favorece a nutrição e produção de plantas;

47 Atua na ciclagem de nutrientes; Reduz estresses bióticos e abióticos; Reduz a necessidade de insumos. ENTRE MICROORGANISMOS E RAÍZES (-) Doenças: perdas na produção; Inviabiliza o cultivo em áreas infestadas.

48 Bactérias e os ciclos de nutrientes

49 Bactérias e os ciclos de nutrientes A Terra é um sistema fechado com quantidades limitadas de C, O 2, N 2, etc. Elementos devem ser convertidos de uma forma em outra para que sejam compartilhados por outros organismos Bactérias têm papel fundamental na reciclagem dos elementos essenciais aos sistemas biológicos.

50 Ciclos biogeoquímicos Ciclos: representam a troca e a circulação de matéria entre os componentes vivos e físico-químicos da biosfera. Bio: os organismos interagem no processo de síntese orgânica e na decomposição dos elementos. Geo: o meio terrestre (solo) é o reservatório dos elementos. Químico: ciclo dos elementos e processos químicos de síntese e decomposição.

51 Classificação dos ciclos 1. Ciclo da água ou hidrológico. 2. Ciclos dos macro e micronutrinentes: minerais em geral. 3. Ciclos sedimentares: fósforo, enxofre, cálcio, magnésio e potássio. 4. Ciclos gasosos: carbono, nitrogênio e oxigênio.

52 Ciclos biogeoquímicos Ciclo do carbono Ciclo do nitrogênio Ciclo do enxofre

53 Formas inorgânicas Formas orgânicas Modelo geral de compartimento do ciclo dos elementos Processos biológicos, mais rápidos e mais intensos Processos geológicos, mais lentos e menos intensos Animais Detritos Compostos orgânicos indiretamente disponíveis (turfa, carvão, óleo) Algas, plantas e bactérias autotróficas Micróbios Erosão, queima de combustíveis fósseis Assimilação, fotossíntese Respiração, desassimilação e excreção, lixiviação Solo Intemperização Atmosfera Água Erosão Compostos inorgânicos indiretamente disponíveis (calcários, minerais) Sedimentos Formação de rocha sedimentar

54 O Ciclo do carbono e oxigênio Três classes de processos fazem o carbono circular: 1. Reações assimilativas e desassimilativas, principalmente na fotossíntese e respiração 2. Troca de dióxido de carbono entre a atmosfera e os oceanos - CO 2 se dissolve na água - Oceanos contêm ~50 vezes mais CO 2 do que a atmosfera 3. Sedimentação de carbonatos CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H 2 CO 3 H + + HCO3-2H + + CO 2-3 Ca 2+ + CO 2-3 CaCO 3 (baixa solubilidade)

55 O Ciclo do carbono e oxigênio 1. Reações assimilativas e desassimilativas do dióxido de carbono (CO 2 ): removido da atmosfera pela fotossíntese e quimiossíntese retornado a atmosfera: - pela respiração de animais e microrganismos - pela decomposição microbiana de matérias orgânicas, incluindo o húmus (matéria orgânica depositada no solo, resultante da decomposição de animais e plantas mortas, ou de seus subprodutos) - Pela combustão de combustíveis fósseis - pela atividade humana

56 O Ciclo do carbono

57 Ciclo do carbono e oxigênio A única maneira pelo qual carbono orgânico é sintetizado na Terra é pela fotossíntese e quimiossíntese (fixação de CO 2 pelos microrganismos sem luz). Ex: bactérias fotossintéticas 6H 2 O + 6CO 2 6O 2 +C 6 H 12 O 6 - Primeira etapa (Quimiossíntese) Composto Inorgânico + O 2 compostos inorgânicos oxidados + energia química - Segunda etapa CO 2 + H 2 O + energia química compostos orgânicos + O 2

58 O Ciclo do carbono e oxigênio Respiração: - aeróbica : glicose + O 2 H 2 O + CO 2 + energia (ATP) - anaeróbica/ fermentação: glicose energia (ATP) + CO 2 + etanol....e o ciclo se completa

59 O Ciclo do Carbono e oxigênio: metano Metano: CH 4 produzido por microorganismos metanogênicos (só arqueas) em habitats anóxicos. CO H 2 CH 4 + 2H 2 O CH 3 COOH CH 4 + CO 2 Metano formado em habitats anóxicos e migra para regiões óxicas onde é oxidado para CO 2 pela bactérias metanotróficas: CH 4 + O 2 CO 2 + H 2 O Conseqüentemente, todos os carbonos orgânicos eventualmente retornam ao CO 2 impede a acumulação de carbono em ambientes anóxicos.

60 O Ciclo do carbono/oxigênio: metano Metanogenêse ocorre no intestino de humanos e de outros animais, especialmente ruminantes. No rúmen, organismos anaeróbicos, incluindo metanogênicos, transformam a celulose em uma forma que o animal pode usar - sem eles o gado não poderia se alimentar de capim. Os produtos úteis da metanogênese são absorvidos pelo intestino, mas o metano é liberado pelo animal principalmente pelo trato digestivo. Em média uma vaca emite litros de metano por dia. Metano e o aquecimento global: o potencial de aquecimento global do metano na atmosfera é 21 X maior que do CO 2

61 O Ciclo do Nitrogênio O nitrogênio desempenha um importante papel na constituição das moléculas de proteínas, ácidos nucléicos, vitaminas, enzimas e hormônios, elementos vitais aos seres vivos. O maior reservatório de N 2 na natureza é o ar atmosférico com 80% de nitrogênio. As plantas não conseguem converter este N 2 (gás) em moléculas orgânicas. Reações de oxidação/redução são realizadas quase exclusivamente por procariotos O ciclo do nitrogênio envolve três principais processos de transformação microbiana: Fixação de nitrogênio Nitrificação e Denitrificação Amonificação

62 O Ciclo do Nitrogênio Fixação de nitrogênio: Captação do nitrogênio atmosférico e conversão nitrogenados. em compostos N 2 + 8H 2NH 3 + H 2 (nitrogenases) Realizada por pequeno número de microorganismos (bactérias fixadoras de N 2 e cianobactérias). As bactérias fixadoras de N 2 no solo podem ser de vida livre (ex: Azotobacter) ou associadas a raízes de plantas (ex: Rhizobium).

63 O Ciclo do Nitrogênio Nitrificação : Bactérias no solo realizam a oxidação do nitrogênio, primeiro de amônia para nitrito, depois de nitrito para nitrato. NH 3 NO 2- (Nitrosomonas e Nitrosococcus) NO 2- NO 3- (Nitrobacter e Nitrococcus) O nitrito e o nitrato são mais facilmente assimilados pelas plantas que a amônia, mas são solúveis em água e rapidamente lixiviados.

64 O Ciclo do Nitrogênio Denitrificação : Em condições anaeróbicas o nitrato e o nitrito estão mais oxidados do que o ambiente ao redor e podem agir como receptores de elétrons levando a conversão de nitrato/nitrito em N 2 2NO 3-2NO 2-2NO N 2 O N 2 Importante para a decomposição de matéria orgânica em ambientes depletados de oxigênio mas resulta na perda de nitrogênio da circulação biológica geral: Prejudicial para os solos importância de manter o solo aerado Importante para redução do crescimento de algas eutrofização

65 O Ciclo do Nitrogênio Amonificação: Produção de amônia por bactérias decompositoras e outros microorganismos no processo de decomposição do material orgânico - fezes, plantas e animais mortos. N orgânico NH 4 +

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67 O Ciclo do Enxofre Enxofre (S) - é componente de vitaminas e dos aminoácidos (metionina e cisteína), portanto é essencial O ciclo do enxofre é mais complexo que o ciclo do nitrogênio - várias reações de oxidação e algumas transformações do enxofre são realizadas química e biologicamente. Enxofre na forma de sulfeto de hidrogênio (H 2 S), pode ser oxidado por uma variedade de microrganismos, para transformá-lo em enxofre (S 0 ) e sulfato (SO 42 -). Sulfato é um nutriente chave para plantas.

68 O Ciclo do Enxofre Dois grupos de bactérias transformam H 2 S em S e S a SO 42 -: H 2 S S 0 (bactérias sulfurosas púrpuras e verdes - anaeróbicas) S 0 SO 4 2- (bactérias sulfurosas incolores)

69 Redução de enxofre e sulfato: Enxofre e sulfato podem ser reduzidos pelas atividades de bactérias sulfato-redutoras, fechando o ciclo biogeoquímico do enxofre pela regeneração do sulfeto. O ciclo do enxofre S 0 H 2 S SO 4 2- H 2 S Desulfurilação: Enxofre é assimilado em proteína - bactérias podem remover o S das proteínas durante a decomposição fechando o ciclo. S orgânico H 2 S

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71 Biorremediação O termo biorremediação se refere a limpeza por microrganismos de petróleo (hidrocarbonetos), químicos tóxicos e outros poluentes. Biorremediação é um método efetivo de descontaminação de produtos tóxicos e, em alguns casos, é a maneira mais prática de se realizar a limpeza

72 Biorremediação Antropogênico: De ocorrência não natural em determinado ambiente. Ex: Petróleo Fonte rica em material orgânico. Microrganismos (fungos filamentosos, leveduras, cianobactérias) digerem prontamente hidrocarbonetos aerobicamente. Microrganismos fazem a biorremediação do óleo oxidando-o para CO 2 Bactérias oxidantes de hidrocarboneto em associação com gotas de óleo. As bactérias estão concentradas na interface óleo-água, nunca no interior das gotas.

73 Bioremediação Xenobióticos - São químicos sintéticos ou substâncias que não ocorrem naturalmente, incluindo pesticidas, corantes, solventes e munições. - Degradação extremamente demorada (podem persistir por mais de 10 anos) - Algumas destas substâncias são fontes de carbono e doadores de elétrons para alguns microorganismos