Introdução à Microbiologia Ambiental

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1 Departamento de Microbiologia Instituto de Ciências Biológicas Universidade Federal de Minas Gerais Introdução à Microbiologia Ambiental Introdução A microbiologia ambiental é a interface entre as ciências ambientais e a ecologia microbiana. Estuda os microrganismos e suas funções na condução de processos nos sistemas naturais e prioriza os efeitos provocados pela presença e atividade desses no meio ambiente. Com os avanços da biologia molecular aumentou-se a habilidade de detectar e identificar microrganismos e suas atividades no ambiente. A diretriz principal da vida microbiana é sua sobrevivência, manutenção, geração de ATP e crescimento. A grande diversidade de habitats fez com que os microrganismos estivessem sob diferentes pressões seletivas o que resultou na seleção de grande variedade metabólica, fisiológica e molecular. Considerando-se que microrganismos ambientais podem afetar vários aspectos da vida, e são facilmente transportados entre ambientes, as interfaces do campo de microbiologia ambiental têm um número grande de diferentes sub-especialidades, incluindo solo, ambiente aquático, qualidade da água, saúde ocupacional e controle de infecções e microbiologia industrial. Impacto dos microrganismos no ambiente Os microrganismos são agentes primários das mudanças geoquímicas. Algumas características que possibilitam essa atuação ampla no ambiente são sua distribuição ubíqua devido à grande diversidade metabólica e fisiológica, pelo fato de serem pequenos e possuírem grande área superficial e as altas taxas de atividade metabólica e de crescimento. Os microrganismos são elementos chave na ciclagem e liberação dos nutrientes e na manutenção da composição química do solo, água, sedimentos e atmosfera. Além disso, são importantes na detoxificação de poluentes orgânicos e inorgânicos, sendo a base de muitas tecnologias emergentes com aplicação ambiental e industrial. Biogeografia É o estudo da distribuição da diversidade no tempo e no espaço. Destina-se a revelar onde os organismos vivem, sua abundancia e o porque, ou seja, revela a diversidade e a atividade desses. 1

2 População microbiana Os ecossistemas são formados pelas comunidades biológicas e pelos componentes abióticos. Cada ecossistema apresenta uma diversidade de microrganismos distribuídos em duas categorias: 1 Autóctones ou indígenas, que são os microrganismos residentes e naturais daquele ambiente. 2- Alóctones ou não indígenas, que são os microrganismos transitórios. O ecossistema pode ser ocupado por microrganismos especializados metabolicamente e que são restritos a um ambiente distinto. Nicho Ecológico O nicho corresponde ao papel funcional do microrganismo na comunidade e suas características de adaptação às condições ambientais. Cada espécie apresenta requerimentos nutricionais particulares, propriedades cinéticas e potenciais bioquímicos. As características do microrganismo são determinantes da habilidade ou não de realizar uma função particular no ambiente (Figura 1). Figura 1. Representação de diferentes nichos ecológicos determinados por requerimentos nutricionais 2

3 Ecologia É o estudo da estrutura e da função do ecossistema. A estrutura é a composição da comunidade biológica, a quantidade e a distribuição dos componentes abióticos e a faixa gradiente das condições ambientais. Já a função envolve processos relacionados com o fluxo de energia, a ciclagem de nutrientes e a regulação mútua dos organismos no ambiente. Densidade Populacional Corresponde ao número de indivíduos por área. Pode ser modificada por fatores abióticos, como modificações físico-químicas no meio, por fatores bióticos, especialmente por relações ecológicas como a competição, e pelas taxas de migração, mortalidade e natalidade. Biofilmes É uma forte associação de microrganismos atacados com a produção de uma matriz extracelular polimérica (glicocálix). São sistemas microbianos organizados, que consistem em camadas de células microbianas que se desenvolvem sobre superfícies sólidas. A complexidade de um biofilme é dependente dos recursos energéticos disponíveis. Figura 2. Etapas da formação do biofilme: Colonização inicial por um único tipo bacteriano (1) Desenvolvimento de camadas de diferentes microrganismos (2 e 3) Os biofilmes possibilitam a criação de microambientes e nichos na ausência de um ambiente físico estruturado e propiciam melhor condição de sobrevivência nos ambientes naturais. Protegem contra flutuações de ph, radiação ultravioleta, concentração de sais, desidratação, predadores, fagocitose, biocidas e antimicrobianos. Aumentam a possibilidade de trocas de material genético entre seus componentes e facilitam o estabelecimento de microconsórcios, possibilitando a utilização de substratos de difícil degradação. Também aumentam a quantidade de nutrientes disponíveis, através da deposição e concentração desses na matriz polimérica. Biofilmes têm sido extensivamente estudados pelo seu papel no ciclo de nutrientes e controle de poluentes em ambientes aquáticos, além dos efeitos benéficos ou prejudiciais à saúde humana. A formação dos biofilmes (Figura 2) acontece da seguinte forma: 1- Formação de filme condicionado adsorção de substancias orgânicas a uma superfície sólida e colonização inicial por um único tipo bacteriano. 2- Associação transiente do microrganismo com a superfície ou com outros microrganismos. Produção de EPS (proteínas, carboidratos e polissacarídeos) e biosurfactantes. Apêndices externos, como adesinas e pilus tipo III, facilitam a associação. 3- Associação estável adesão firme dos microrganismos à superfície. Redução da motilidade desses através da inibição do gene da flagelina. Síntese de exopolissacarídeos e desenvolvimento de camadas compostas por diferentes microrganismos. 4- Maturação formação e estruturação de microcolônias. Formação de poros intersticiais e canais. Síntese de mais exopolissacarídeos. Ocorrem interações metabólicas e genéticas entre os microrganismos. 3

4 Os biofilmes podem ter as seguintes formas de dispersão: Expansiva ocorre a liberação de células do interior das colônias após a morte celular, a degradação da matriz por liases ou a restauração da motilidade dos microrganismos. Fragmentação por forças mecânicas. Migração superficial. A formação do biofilme é afetada pelas características da superfície, pela cobertura polimérica da água, pela presença de materiais particulados, pela qualidade e concentração de nutrientes do meio circundante e pelas características da bactéria e do fluido, se houver. Lei do mínimo de Liebig A biomassa total de um organismo é determinada pelo nutriente presente no meio em menor concentração em relação a seus requerimentos. Em um dado ecossistema sempre haverá algum fator nutricional limitante. Lei da tolerância de Shelford A ocorrência e abundância de um microrganismo em um ambiente depende não somente dos nutrientes disponíveis, mas também dos fatores químicos e físicos. O microrganismo apresenta um conjunto complexo de condições, dentro de uma faixa de tolerância. Se qualquer condição exceder os limites mínimo ou máximo, o organismo falha e morre. Para todo fator abiótico existe uma faixa de crescimento, com valores cardeais mínimo, ótimo e máximo. Determinantes ambientais 1- Químicos nutrientes, minerais, composição atmosférica, ph, fatores de crescimento, fontes de carbono e energia, potencial de eletro-redução. 2- Físicos radiação, pressão, salinidade, temperatura, atividade de água, superfície. 3- Biológicos relações espaciais, genética do microrganismo e relações ecológicas. Microrganismos extremófilos Prosperam ou requerem condições extremas que excedem as condições ótimas para o crescimento e reprodução da maioria dos microrganismos. Sobrevivem em um leque de ambientes diferentes e utilizam uma gama de diferentes fontes de carbono e energia. Possuem estratégias para reter água e manter suas membranas, proteínas e ácidos nucléicos funcionais. Temperatura Afeta a taxa de crescimento por alterar a taxa das reações químicas. A elevação da temperatura, até certos limites, leva ao aumento do crescimento e das atividades metabólicas até um ponto, a partir do qual as reações de inativação começam a atuar. Os microrganismos são classificados de acordo com a faixa de temperatura em que sobrevivem e crescem em (Gráfico 1): 4

5 Gráfico 1. Faixa de temperatura de crescimento de microrganismos psicrófilos, psicrotolerantes, mesófilos, termófilos e hipertermófilos. 1- Psicrófilos crescem em temperaturas baixas, na faixa de 0oC a 200C, com temperatura ótima em torno de 15oC. Não toleram o calor e são encontrados em ambientes constantemente frios, tais como as regiões polares. 2- Psicrotolerantes capazes de crescer a 0 oc, mas com crescimento ótimo na faixa de 20 oc a 40 oc. São um problema na conservação de alimentos, sendo comumente encontrados em alimentos estragados. 3- Mesófilos com temperaturas medianas como ótimas de crescimento (25 oc a 40 oc). São encontradas em animais de sangue quente e em ambientes terrestre e aquáticos de latitudes tropicais. 4- Termófilos com crescimento ótimo em temperaturas superiores a 45oC. São encontrados em ambientes quentes. Geralmente produzem esporos resistentes ao calor que sobrevivem inclusive aos tratamentos térmicos a que são submetidos os alimentos enlatados. Importantes também em acúmulos de compostos orgânicos cuja temperatura pode ser bastante alta. 5- Hipertermófilos - crescimento ótimo em temperaturas superiores a 80oC. encontrados em fontes termais, gêiseres e fendas hidrotermais. Estresse em baixas temperaturas: - Desestabilização da bicamada lipídica da membrana. - Despolimerização do citoesqueleto. - Citoplasma viscoso devido ao aumento da concentração de soluto, o que interfere na difusão. - Mudança de ph, muitas vezes levando à desnaturação de proteínas. - Desidratação em decorrência da saída de água das células devido a formação de cristais de gelo no meio extracelular. 5

6 Pressão hidrostática Os microrganismos são classificados de acordo com a faixa de pressão hidrostática em que crescem. E são classificados em: 1- Sensíveis crescem bem a 1 atm. 2- Barotolerantes resistem a pressões bastante altas. 3- Barofílicos Precisam de grande pressão para crescer bem. Morrem a 1 atm. Pressão osmótica Força com a qual a água se move através da membrana plasmática, de uma solução hipotônica para uma solução hipertônica. Pode causar desidratação, lise ou plasmólise. Salinidade É a soma da concentração de todos os constituintes iônicos dissolvidos na água. A alta concentração de sal afeta a pressão osmótica, desnatura proteínas e desidrata a célula. De acordo com a salinidade os microrganismos podem ser classificados em (Gráfico 2): 1- Não halofílicos não necessitam de sal para crescer e não toleram sua presença no meio. 2- Halotolerantes não necessitam de sal para crescer, mas suportam certa quantidade no meio. O crescimento ótimo ocorre na ausência do sal. 3- Halófilos- requerem certa quantidade de sal para crescer. Podem ser discretos ou moderados, necessitando de baixa concentração de sal no meio, ou extremo, necessitando de altíssima concentração de sal para crescer. O sistema de transporte de membrana dependente de sódio em bactérias marinhas é um exemplo de adaptação à salinidade. Gráfico 2: Faixa de salinidade de crescimento de microrganismos não halofílicos, halotolerantes, halófilos moderados e halófilos extremos. 6

7 Disponibilidade de água A água é essencial para a atividade e crescimento dos microrganismos. Processos fisiológicos requerem água para movimentação, trocas gasosas, trocas de soluto, excreção de resíduos, obtenção de nutrientes e outras funções. A atividade de água (Aa ou aw) é o parâmetro que mede a disponibilidade de água para o microrganismo. Os valores de aw podem variar de 0 a 1. Representa a água que está livre para agir como solvente ou participar de reações químicas. É a água não ligada a macromoléculas por forças físicas. A atividade de água corresponde à pressão de vapor da solução dividida pela pressão de vapor da água pura. A atividade de água reduzida aumenta a fase lag do crescimento, inibe a produção de toxinas por alguns microrganismos e altera a permeabilidade da membrana celular, levando à perda de moléculas essenciais. Fatores que interferem nos efeitos da atividade de água: - Temperatura quanto mais próximo à temperatura ótima de crescimento, maior a faixa de atividade de água em que o crescimento microbiano é possível. - Nutrientes a disponibilidade amplia a faixa de atividade de água onde o crescimento microbiano é possível. Microrganismos que crescem em baixas atividades de água bombeiam íons inorgânicos para o interior da célula ou sintetizam solutos orgânicos (chamados de solutos compatíveis). A quantidade máxima de solutos compatíveis acumulados corresponde a uma característica geneticamente determinada. Adaptações aos períodos de dessecação: - Formação de esporos. - Formação de polissacarídeos extracelulares (cápsula, camada mucosa com trehalose). - Síntese de açúcares que formam uma fase de cristal não cristalino que se liga a proteínas, impedindo sua desnaturação. - A trealose forma ligações de hidrogênio com lipídeos, substituindo a molécula de água e mantendo o estado fluido da membrana. Adaptações à grande quantidade de água: - Parede celular rígida para evitar a lise em bactérias. - Vacúolos contráteis em protozoários para bombear o excesso de água para fora da célula. - Excreção de água através de aquaporinas em algumas bactérias. ph Assim como na temperatura, cada organismo possui uma faixa de ph onde seu crescimento é possível, exibindo no entanto um ph ótimo definido. Esse ph ótimo corresponde ao ph do meio externo, sendo que o ph intracelular deve permanecer próximo a neutralidade, o que é possível devido a impermeabilidade da membrana plasmática aos íons. Alguns procariotos que vivem em ph extremo parecem manter a neutralidade interna bombeando prótons para fora da célula. A maioria dos ambientes tem o ph entre 5 e 9 e os organismos mais comuns são os que crescem nessa faixa, conhecidos como neutrófilos. Os organismos acidófilos crescem em ph menor que 5. Os fungos tendem a ser mais tolerantes à acidez, mas algumas bactérias também são acidófilas. Os microrganismos alcalifílicos crescem em valores elevados de ph. 7

8 Valores de ph fora da faixa de crescimento tolerada pelos microrganismos pode levar à desnaturação de proteínas, alterações na fluidez da membrana plasmática, a dissociação e solubilização de moléculas e à solubilidade de gás carbônico. Também afeta a força próton motora e a mobilidade de metais pesados. Potencial de oxi-redução Mede a tendência de um composto doar ou receber elétrons. É uma escala útil para medida de anaerobiose. O oxigênio molecular é um poderoso agente oxidante. Ambientes com potenciais de oxi- -redução positivos favorecem a oxidação e permitem o crescimento de microrganismos aeróbios. Em contrapartida, ambientes com potenciais de oxi-redução negativos favorecem a redução e permitem o crescimento de microrganismos anaeróbios. Os microrganismos aeróbios facultativos sobrevivem a uma ampla faixa de potencial de oxi-redução. À medida que o oxigênio vai sendo reduzido vão sendo formadas moléculas altamente reativas como o ânion superóxido (O2-) e o peróxido de hidrogênio (H2O2). Os microrganismos que crescem na presença de oxigênio sintetizam enzimas que transformam as moléculas reativas em moléculas inertes como a água e o oxigênio (O2). Enzimas que destroem espécies tóxicas de oxigênio: 8

9 Literatura sugerida MADIGAN, Michael T.; MARTNKO, John M.; PARKER, Jack. Microbiologia de Brock. 12 ed. Editora: Artmed. São Paulo PELCZAR, Michael Joseph; CHAN, E.C.S; KRIEG, Noel R. Microbiologia: conceitos e aplicações. 2.ed. São Paulo: Makron Books. MAIER, Raina M.; PEPPER Ian L.; GERBA Charles P. Environmental Microbiology. 2ª ed. Editora: Academic Press