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

Transcrição

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

2 Módulo 1.Ecologia microbiana Parte 2. Ecologia microbiana 2.5 COMUNIDADE MICROBIANA DA ÁGUA Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 2

3 Conceitos 1 Em comparação com a taxa de difusão no ar, o oxigénio difunde-se na água a uma taxa lenta; esta característica é uma das mais importantes na definição das características da água como um ambiente para o crescimento e o funcionamento microbiano Depois de dissolvido na água, o oxigénio pode ser mais rapidamente usado pelos microrganismos do que a taxa a que é reposto: criação de zonas anaeróbias Se a luz penetrar nessas zonas anaeróbias, podem desenvolver-se grupos específicos de microrganismos fotossintéticos Também podem desenvolver-se comunidades microbianas especializadas na interface entre regiões anaeróbias e aeróbias Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 3

4 Conceitos 2 Os ambientes aquáticos, tanto marinhos como de água doce, incluem grandes volumes de água fria e de gelo Para além da água doce armazenada nos glaciares e nas regiões polares, o gelo marinho cobre aproximadamente 7% da superfície da Terra A água fria (2-3%) e as águas de elevadas pressões dos oceanos são locais importantes para a sobrevivência e o funcionamento microbianos Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 4

5 Conceitos 3 Os ambientes aquáticos permitem o desenvolvimento de muitos tipos únicos de microrganismos, incluindo microrganismos das nascentes hidrotermais dos fundos dos oceanos Outros microrganismos fazem a ligação entre recursos espacialmente separados, como nitrato e sulfato Continuam hoje a ser descobertos novos microrganismos nos ambientes aquáticos Os ciclos biogeoquímicos do carbono, do azoto, do enxofre e dos fósforo dos lagos e dos ambientes marinhos envolvem interacções locais e através de vastas distâncias Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 5

6 Conceitos 4 O fitoplâncton (organismos fotossintéticos procariotas e eucariotas) forma a base da produção primária na maioria dos ambientes marinhos e de água doce O fitoplâncton liberta matéria orgânica dissolvida e particulada que é usada pelos microrganismos heterotróficos Parte do fitoplâncton é consumida pelos predadores, libertando nutrientes que são reciclados e novamente usados pelo fitoplâncton (loop microbiano) O ferro e o azoto podem limitar a actividade do loop microbiano em diferentes ambientes marinhos Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 6

7 Conceitos 5 São constantemente adicionados à água microrganismos patogénicos e matéria orgânica que podem ser transportados ao longo de grandes distâncias, principalmente em rios, lagos e oceanos As poeiras atmosféricas e outros materiais como poluentes, podem ser transportados a regiões longínquas dos oceanos, dos corpos de água doce e das regiões cobertas de gelo Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 7

8 Muitos patogénicos humanos, como Shigella, Vibrio e Legionella, encontram-se na água Conceitos 6 Uns ocorrem normalmente e outros podem sobreviver durante períodos de tempo variáveis depois de serem adicionados à água Por serem seus predadores, os protozoários providenciam muitas vezes protecção para estes patogénicos, principalmente quando estão associados em biofilmes Os ambientes aquáticos são reservatórios e vectores de transmissão de microrganismos patogénicos. Um dos objectivos da gestão dos ecossistemas aquáticos é o controlo da sobrevivência e da transferência de microrganismos patogénicos Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 8

9 Conceitos 7 A água é um reservatório importante para a sobrevivência e para a disseminação de protozoários e de vírus, que não são controlados pela adição de cloro à água Protozoários patogénicos incluem Cryptosporidium, Cyclospora e Giardia A água subterrânea é uma fonte importante de água potável, principalmente em zonas suburbanas e rurais Em muitos casos, este recurso está contaminado por microrganismos patogénicos e por nutrientes, derivados principalmente de fossas sépticas Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 9

10 Diversidade de habitats Ambientes aquáticos diversos: corpo humano, bebidas, rios, lagos, oceanos, zonas saturadas dos solos, desde alcalinos a extremamente ácidos Temperaturas nas quais os microrganismos funcionam: -5ºC a mais de 121ºC Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 10

11 Géisers : Diversidade de habitats Alguns dos microrganismos mais intrigantes existem em ambientes de temperaturas elevadas termófilo Thermus aquaticus) Nascentes hidrotermais oceânicas: hipertermófilo Pyrolobus fumarii Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 11

12 Um objectivo da microbiologia é o isolamento e a cultura de microrganismos marinhos únicos, principalmente na busca de microrganismos que produzam antibióticos (ver diapositivo seguinte) Principais factores que controlam as comunidades microbianas dos ambientes aquáticos mistura e movimento de nutrientes, O 2 e produtos de excreção Nos lagos e nos oceanos, a matéria orgânica proveniente da superfície afunda-se, criando zonas ricas em nutrientes onde ocorre decomposição Os gases e os produtos solúveis produzidos por esses microrganismos nas zonas profundas podem difundir-se para as camadas superiores estimulando a actividade de outros microrganismos Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 12

13 Novos agentes em medicina A maior parte dos antibióticos correntes: derivam de microrganismos do solo, principalmente ascomicetes, mas também de outros fungos e de bactérias Gram-positivas Mais de 100 produtos são hoje usados como antibióticos, agentes anti-tumorais e agroquímicos Alguns dos mais recentes agentes químicos são metabolitos de microalgas marinhas Também existe muito interesse na cultura de microrganismos marinhos simbióticos com hospedeiros macroscópicos Os microrganismos marinhos podem providenciar compostos bioactivos que não ocorrem nos microrganismos terrestres Prochloron sp., um microrganismo unicelular marinho simbiótico com ascídias (tunicados marinhos). Descoberto em Contém clorofila a e b e carotenóides Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 13

14 Os gases e os microrganismos aquáticos A distância (à escala microbiana) até uma bolha de ar ou até à superfície limita a difusão de oxigénio na água Os ambientes aquáticos têm baixa difusão de oxigénio (1/10000 da taxa de difusão numa fase gasosa) Na figura seguinte, as setas largas representam o fluxo rápido de oxigénio através do ar; a diminuição da intensidade da cor azul representa a diminuição da concentração de oxigénio Depois de penetrar na água o oxigénio difunde-se lentamente (seta castanha mais estreita) e a sua concentração vai diminuindo até ser finalmente utilizado por um microrganismo De acordo com a figura, a concentração de oxigénio disponível para uma enzima pode ser apenas 1/1000 da concentração atmosférica de oxigénio Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 14

15 Difusão do oxigénio na água Concentração de oxigénio em ppm (escala logarítmica) Bolha de ar Meio líquido Microrganismo Enzima respiratória Interface da bolha de ar (barreira) Ar Água Célula Meio líquido Célula microbiana (barreira) Taxas de difusão e barreiras à difusão do oxigénio Concentração na superfície da enzima Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 15

16 Efeito da temperatura da água e da altitude na concentração de O 2 dissolvido (mg/litro) Elevação acima do nível do mar (metros) Temperatura (ºC) Solubilidade do oxigénio diminui com o aumento da temperatura e com a diminuição da pressão: formação de zonas hipóxicas ou anóxicas nos ambientes aquáticos, surgindo microrganismos quimiotróficos e fototróficos especializados Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 16

17 Importante em processos químicos e biológicos O CO 2 dissolvido O sistema tampão do bicarbonato (figura seguinte) mantém o equilíbrio entre o dióxido de carbono, o bicarbonato e o carbonato, que controlam o ph da água O ph da água destilada (não tamponada) é determinado pelo CO 2 dissolvido em equilíbrio com o ar e é aproximadamente A água tamponada a ph 8.0 contém CO 2 absorvido do ar, principalmente sob a forma de bicarbonato (HCO 3- ) Quando os microrganismos autotróficos como as algas usam o CO 2 da água, o seu ph geralmente aumenta Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 17

18 Relação entre ph e CO 2 dissolvido Percentagem do carbono total Os gases atmosféricos afectam as características físicas da água. O ph da água é influenciado pela quantidade de CO 2 na água e também pelo equilíbrio entre o CO 2 dissolvido e os iões bicarbonato e carbonato 100 CO 2 dissolvido Bicarbonato (HCO 3- ) Carbonato (CO 3 2- ) Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 18 ph

19 Nutrientes nos ambientes aquáticos Concentração muito variável; muitos nutrientes nos ambientes poluídos e nos esgotos Taxa de reciclagem muito variável; nos ambientes marinhos pode demorar centenas a milhares de anos, nos pauis, sapais e estuários a taxa é rápida Uma das formas de ilustrar os gradientes de nutrientes e a sua exploração por diferentes microrganismos é a coluna de Winogradsky Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 19

20 A coluna de Winogradsky Microcosmos no qual os microrganismos e os nutrientes interagem num gradiente vertical de condições Os produtos da fermentação e sulfito sobem a partir da zona de redução inferior (condições semelhantes aos sedimentos ricos em nutrientes dos lagos) A luz permite o crescimento de microrganismos fotossintéticos, tanto aeróbios (zona superior) como anaeróbios (zona inferior) Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 20

21 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 sulfito de hidrogénio como dador de e - e CO 2 como fonte de C Chlorobium Clostridium (celulose produtos de fermentação) Desulfovibrio (produtos de fermentação+sulfato sulfito) Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 21

22 Ciclos de nutrientes nos ambientes aquáticos Fotossíntese, principalmente fitoplâncton = principal fonte de MO nas superfícies iluminadas E.g. cianobactéria Synechococcus sp.: pode atingir densidades de células/ml Picocianobactérias podem representar 20-80% da biomassa de fitoplâncton Para crescer o fitoplâncton necessita de N e de P A composição da água em nutrientes afecta a razão C:N:P das células 106C:16N:1P = razão de Redfield=razão óptima para o crescimento dos organismos foto-autotróficos Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 22

23 MO fixada pelo fitoplâncton entra no loop microbiano, onde é reciclada em CO 2 e minerais MO dissolvida libertada pelo fitoplâncton usada pelos microrganismos heterotróficos tornando-se parte da MO particulada Organismos heterotróficos consumidos por predadores (protozoários e metazoários) libertando CO 2 e minerais Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 23

24 O loop microbiano (setas amarelas) Grande parte da MO sintetizada na fotossíntese pelo fitoplâncton é libertada como MO dissolvida (DOM). DOM usada pelas bactérias tornando-se POM. Bactérias consumidas pelos protozoários; após digestão os nutrientes das bactérias e dos protozoários são mineralizados e voltam ao fitoplâncton (loop) Consumidores Zooplâncton POM Protozoários Bactérias Azoto (N) Fósforo (P) DOM Fitoplâncton CO 2 e minerais Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 24

25 Comunidades microbianas aquáticas Diversidade elevada Adaptações especiais a ambientes aquáticos particulares Enorme abundância de ultramicrobactérias/ nanobactérias (<0.2mm): dominantes nos ecossistemas marinhos, podem atingir células/ml; e.g. Sphingomonas sp. Sphingomonas sp. Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 25

26 Diâmetro mm Usa sulfito como fonte de energia e nitrato como aceitador de e - Acumula nitrato num enorme vacúolo interno (pode ocupar 98% do seu volume e atingir concentrações de 800mM) Tem grânulos de enxofre na camada de citoplasma A maior bactéria conhecida Thiomargarita namibiensis Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 26

27 A bactéria esparguete Thioploca sp. Adaptação: capacidade de ligar e usar recursos que se encontram espacialmente separados Na costa do Chile onde água pobre em O 2 mas rica em nitrato está em contacto com sedimentos ricos em sulfito Células mm largura e muitos cm comprimento (daí o nome esparguete ) Formam estruturas filamentosas na superfície e no interior dos sedimentos Usam o sulfito dos sedimentos anaeróbios e o nitrato da coluna de água aeróbia Constituem a maior comunidade de bactérias visíveis a olho nu Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 27

28 Grânulos de enxofre Thioploca sp. Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 28

29 Os fungos aquáticos Oomicetes (bolores aquáticos) Esporos assexuados móveis com 2 flagelos Quitrídeos Esporos assexuados móveis com 1 flagelo Decomposição da MO; agentes patogénicos e parasitas (e.g. Batrachochytrium dendrobatidis infecta a pele dos anfíbios, causando a sua morte) Hifomicetes aquáticos (Filo Deuteromycota) Esporulam dentro de águaconídeos em forma tetra-radiada ou de S transportados na água; ao contactar com uma folha, colam-se e começam a crescer formando micélio que penetra na folha e promove a sua decomposição Decomposição da matéria orgânica Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 29

30 Os hifomicetes aquáticos Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 30

31 Marés vermelhas: devidas a crescimento exagerado de algas (e.g. Pseudonitzschia) podem levar à morte dos consumidores por causa de neurotoxinas Impactos negativos na economia porque não se podem apanhar bivalves Os microrganismos como problema ambiental A diatomácea Pseudonitzschia (responsável pelas marés vermelhas) Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 31

32 Dinoflagelados: grupo de protistas com flagelos i/dinoflagelado Os microrganismos como problema ambiental Pfiesteria piscicida: dinoflagelado que provoca a morte dos peixes Nos humanos pode causar perda de memória Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 32

33 Os ambientes de água doce: lagos Nos lagos criam-se gradientes verticais porque existe pouca mistura da água O aquecimento diferencial da coluna de água cria diferenças na temperatura que resultam na formação de camadas de água com diferentes densidades: Epilimnion Metalimnion (termoclino) Hipolimnion Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 33

34 Eutrofização Quando é adicionada à água carga de nutrientes (N e P) ocorre crescimento pronunciado de plantas, algas e bactérias A morte e a decomposição desta grande quantidade de MO pode levar à anóxia nestes lagos Lagos oligotróficos Contêm muito poucos nutrientes dissolvidos e baixa população microbiana Saturados em oxigénio Lagos eutróficos Contêm muitos nutrientes dissolvidos Apenas a zona superior está saturada em O 2 (fotossíntese) A zona inferior (sedimentos) e o hipolimnion têm carga elevada de matéria orgânica e podem ser anaeróbios, com o desenvolvimento de microrganismos sulfurosos fotossintéticos como Chromatium e Chlorobium Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 34

35 Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 35

36 Variação sazonal do perfil de oxigénio dissolvido nos lagos oligotróficos e eutróficos Nos lagos oligotróficos depende apenas da temperatura Nos lagos eutróficos está relacionada com a carga de matéria orgânica Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 36

37 As cianobactérias Papel importante na acumulação de nutrientes mesmo na ausência de azoto porque muitos géneros fixam azoto atmosférico Anabaena, Nostoc, Cylindrospermum fixam azoto sob condições aeróbias Oscillatoria fixa azoto sob condições anaeróbias Pode ocorrer eutrofização mesmo sem adição de azoto, apenas com adição de fósforo Vantagens competitivas em relação às algas Não necessitam de azoto Funcionam mais eficientemente sob condições de ph elevado ( ) e de temperatura alta (30-35ºC) Usam CO 2 a taxas elevadas, aumentando o ph da água e tornando-a pouco propícia ao desenvolvimento das algas Muitas espécies produzem toxinas, sendo menos consumidas que as algas; as toxinas causam grandes problemas ambientais e de saúde pública na eutrofização por cianobactérias Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 37

38 Existem gradientes longitudinais (i.e., de distância) e temporais Rios e ribeiros 1 Existência de corrente: maior parte dos microrganismos aderentes às superfícies expostas; apenas nos rios grandes (coluna de água profunda e corrente lenta) existem microrganismos em suspensão Fontes de nutrientes: (1) Produção interna (autóctone) por microrganismos fotossintéticos aquáticos (2) Fonte externa (alóctone) através de escorrências terrestres ou das folhas e de outros detritos produzidos na zona ripícola MO metabolizada por microrganismos quimio-organotróficos, providenciando energia para as cadeias alimentares Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 38

39 Rios e ribeiros 2 Normalmente a quantidade de MO que entra no sistema não excede a sua capacidade de a oxidar: os rios possuem uma enorme capacidade para processar a MO Mas podem também tornar-se anaeróbios sob condições extremas Carga de esgotos (carga de MO) não tratados = poluição pontual: produz alterações previsíveis na comunidade microbiana e na concentração de O 2 (curva sag de oxigénio dissolvido) Carga de nutrientes provenientes dos fertilizantes usados na agricultura = poluição difusa Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 39

40 A curva sag do oxigénio dissolvido eng/biotech- Environ/AERATION/sag.html 80/voice/do/doSagCurve.html ment/gishydro/ferdi/webedu/webd osag/webdosag.html Os microrganismos e as suas actividades podem criar gradientes espaciais e gradientes temporais, quando existe carga de nutrientes nos rios. A curva sag do oxigénio dissolvido ocorre quando existe carga de matéria orgânica num rio limpo. Durante os estádios mais tardios da auto-depuração, a comunidade fotoautotrófica torna-se novamente dominante Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 40

41 A curva SAG do oxigénio dissolvido 6.html Carga de MO Crescimento dos organismos heterotróficos (decompositores) Libertação de matéria mineral Crescimento dos organismos fotoautotróficos Manuela Abelho 2012 Microbiologia ambiental 41