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Microbiologia Básica e Ambiental 5 • O que é microbiologia? • A importância dos Microrganismos • Contexto histórico e Evolutivo da Microbiologia • Classificação dos Organismos • O que são microrganismos? • Nomenclatura dos Organismos Leia atentamente o conteúdo desta unidade que possibilitará conhecer os conceitos básicos da Microbiologia, a importância dessa ciência e dos seres microscópios, os grandes grupos nos quais os seres vivos estão organizados e o sistema de nomenclatura utilizado para essa organização. Você encontrará, também, uma atividade composta por questões de múltipla escolha, relacionadas com o conteúdo estudado. Além disso, terá a oportunidade de trocar conhecimentos e debater questões no fórum de discussão. Nesta disciplina, Microbiologia Básica e Ambiental, você terá a oportunidade de aprender conceitos básicos em microbiologia: as características gerais dos microrganismos (bactérias, fungos, vírus, algas e protozoários); a interação desses organismos com os sistemas água, solo e ar; sua importância como indicadores de poluição ambiental; sua aplicação tecnológica em processos de degradação de poluentes e, também, na remediação de sistemas contaminados. Fundamentos da Microbiologia 8 Unidade: Fundamentos da Microbiologia O que é microbiologia? A Microbiologia (do grego micros: pequeno, bios: vida e logos: ciência), ciência do ramo da Biologia, tem como objetivo estudar todos os aspectos que envolvem os seres de um vasto e diverso grupo de organismos unicelulares de dimensões reduzidas (microrganismos), que podem ser encontrados como células isoladas ou agrupados em diferentes arranjos (cadeias ou massas) – sendo que as células, mesmo estando associadas, exibiriam um caráter fisiológico independente. Assim, com base nesse conceito, a microbiologia envolve o estudo de organismos procariotos (bactérias), eucariotos inferiores (fungos, protozoários e algas) e, também, dos vírus (Figura 1). Figura 1 – Os grandes grupos de microrganismos. Fonte: Thinkstock/Getty Images - Wikimedia Commons Essa ciência (a Microbiologia) estuda, também, a distribuição natural desses organismos, suas relações recíprocas e com outros seres vivos, seus efeitos benéficos e prejudiciais sobre os homens e as alterações físicas e químicas que provocam no meio ambiente. Ressalta-se que os princípios da Biologia podem ser demonstrados através do estudo da Microbiologia, pois os microrganismos têm muitas características que os tornam instrumentos ideais para a pesquisa dos fenômenos biológicos. Os microrganismos fornecem sistemas específicos para a investigação das reações fisiológicas, genéticas e bioquímicas, que são a base da vida. Eles podem crescer de maneira conveniente em tubos de ensaio ou frascos, exigindo, assim, menos espaço e cuidados de manutenção quando comparados às plantas superiores e aos animais. Além disso, crescem rapidamente e se reproduzem num ritmo muito alto – algumas espécies bacterianas podem apresentar cerca de 100 gerações num período de 24 horas. Os processos metabólicos dos microrganismos seguem os padrões que ocorrem nos vegetais superiores e nos animais; portanto, em Microbiologia pode-se estudar os organismos em grandes detalhes e observar seus processos vitais durante o crescimento, a reprodução, o envelhecimento e a morte. Modificando-se a composição do meio ambiente, é possível alterar as atividades metabólicas, regular o crescimento e até alterar alguns detalhes do padrão genético – tudo isso sem causar a destruição do microrganismo. 9 Contexto histórico e Evolutivo da Microbiologia A ciência da microbiologia iniciou a cerca de 200 anos, contudo a recente descoberta de DNA de Mycobacterium tuberculosis em uma múmia egípcia de 3.000 anos indica que os microrganismos têm estado por muito mais tempo ao nosso redor. Pode-se dizer que a microbiologia começou quando se aprendeu a polir lentes, feitas a partir de peças de vidro, e a combiná-las até que se produzisse o efeito de aumento necessário para a visualização dos microrganismos. Durante o século XIII, Roger Bacon postulou que a doença era produzida por seres vivos invisíveis. A sugestão foi novamente feita por Fracastoro de Verona (1483-1553) e por Von Plenciz, em 1762, mas esses cientistas não dispunham de provas. No início de 1658, um monge chamado Kircher se referiu a “vermes” invisíveis a olho nu nos corpos em decomposição, no pão, no leite e em excreções diarreicas. Em 1665, Robert Hooke viu e descreveu células em um pedaço de cortiça. A descoberta de Hooke marcou o início da teoria celular – a teoria em que todas as coisas vivas são compostas por células. Investigações subsequentes a respeito da estrutura e das funções das células tiveram como base essa teoria. Esses “pequenos organismos” foram, posteriormente, identificados em sua maioria como protozoários. Ao decorrer do século XVIII, novos microrganismos foram identificados com o auxílio dos microscópios, contudo, ainda não se estabelecia relação biológica desses organismos com outros seres. Registros ligados ao estudo da microbiologia são datados desde 1675, quando, na Holanda, Antonie van Leeuwenhoek escreveu uma série de cartas para a Sociedade Real de Londres descrevendo “pequenos animais” encontrados na água da chuva, observados por meio de seu microscópio caseiro. Figura 2 - Leeuwenhoek, seu microscópio e suas anotações. Fonte: Wikimedia Commons 10 Unidade: Fundamentos da Microbiologia Entretanto, o salto da microbiologia como ciência se deu em 1841, quando, empiricamente, Ignaz Semmelweis, em Viena, constata a possibilidade de transmissão interpessoal de agentes microscópicos por contato direto e a implicação desses em doenças para os seres humanos. O médico relacionou a falta de higienização das mãos durante a realização de partos com o grande aumento de infecção pós-parto, sendo que, após instituir medidas sanitárias, ele observou drástica redução das mortes também em outros hospitais. Ainda no século XIX, grandes descobertas contribuíram significativamente para o conhecimento da microbiologia, como: os estudos de Pasteur, em 1861, com os estudos do papel dos fungos na fermentação anaeróbia; a publicação da primeira classificação das bactérias, em 1875, por Ferdinand Cohn; a identificação da Neisseria gonorrhoeae como o primeiro patógeno causador de uma doença crônica, por Albert Neisser em 1879; o desenvolvimento de meios de cultura, colorações microbiológicas; o isolamento do bacilo da tuberculose por Robert Kock; e a publicação, em 1884, dos postulados de Koch, os quais norteiam atualmente o conceito de doença infecciosa. Esse período ficou conhecido como a idade de ouro da microbiologia. Vale destacar que os experimentos realizados no século XIX por diversos cientistas resultaram em muitos avanços para a microbiologia, como: • o conceito (defendido por Pasteur) de que a vida deveria surgir de uma vida pré- existente (Biogênese); • o conhecimento do processo biológico da fermentação (Pasteur); • o desenvolvimento de técnicas de esterilização, como, por exemplo, a pasteurização – tratamento térmico controlado que mata certos microrganismos, mas não elimina todas as bactérias presentes, utilizado para esterilizar alguns alimentos (Leite, queijos) e certas bebidas alcoólicas (cerveja e vinho). Esse processo foi baseado no tempo de morte térmica característica das espécies patogênicas (Mycobacterium tuberculosis) - 60ºC a 15 min.; • o desenvolvimento da teoria das doenças causadas por germes (Pasteur e Robert Koch); • o desenvolvimento de vacinas a partir do bacilo do carbúnculo (Bacillus anthracis) morto e do vírus da raiva (Pasteur) atenuado ou enfraquecido; • o desenvolvimento dos métodos de isolamento de microrganismos e cultivo na forma de cultura pura em meio nutritivo (Pasteur, Koch, Julius Petri e Frau Hesse); • o estabelecimento de um procedimento científico para provar a teoria das doenças causadas por germes,conhecido como postulados de Koch. A partir do século XIX, uma nova fase do desenvolvimento da microbiologia se inicia com a descoberta da penicilina por Alexandre Fleming – através do isolamento acidental da substância produzida por fungos Penicillium, que contaminaram sua cultura de Staphylococcus aureus e inibiram o crescimento dessa bactéria. Em 1939, inicia-se a terapia antimicrobiana em humanos com a descoberta das sulfonamidas, por Gerhardt Domagk. Em 1940, ocorre a produção em grande escala da penicilina para uso clínico. 11 Nas últimas décadas, a Microbiologia desenvolveu muitas pesquisas voltadas para o estudo do potencial biotecnológico dos microrganismos. Os resultados desses estudos têm mostrado a ampla capacidade de aplicação desses organismos para propiciar diversos benefícios em diversas áreas: farmacologia, alimentos, agricultura, indústria e meio ambiente. Na área industrial, por exemplo, os microrganismos são utilizados na síntese de uma variedade de substâncias químicas, desde no ácido cítrico até nos antibióticos mais complexos e enzimas. Certos microrganismos são capazes de fermentar resíduos orgânicos, produzindo gás metano que pode ser coletado e utilizado como combustível. A biometalurgia explora as atividades químicas de bactérias para extrair minerais, como o cobre e o ferro, de minérios de baixa qualidade. A indústria do petróleo tem utilizado bactérias e seus produtos para aumentar a extração do petróleo. Na área ambiental, os microrganismos e seus produtos, como as enzimas, são utilizados no tratamento de efluentes (esgoto) e na biorremediação de ambientes contaminados por substâncias tóxicas e recalcitrantes, como agrotóxicos e pesticidas. O que são microrganismos? Os microrganismos são seres microscópicos em sua maioria, invisíveis a olho nu, o que faz com que, nos estudos de microbiologia, seja necessário o uso de instrumentos específicos – como o microscópio. Esse grupo de organismos é considerado o de maior diversidade biológica conhecida – morfológica, fisiológica e ecológica. Podem apresentar formas celulares das mais variadas, são metabolicamente capazes de realizar todos os tipos de reações bioquímicas conhecidas e podem ser encontrados em praticamente todos os ambientes, dos mais simples aos mais extremos, interagindo com esses e com outros seres vivos. Cabe ressaltar que todas as células vivas, inclusive os microrganismos, são basicamente semelhantes, elas compõem-se de protoplasma (do grego: a primeira substância formada), um complexo orgânico coloidal constituído principalmente de proteínas, lipídeos e ácidos nucleicos. O conjunto é circundado por membranas limitantes ou parede celular, e todos contêm um núcleo ou uma substância nuclear equivalente. Todos os sistemas biológicos têm algumas características comuns, como: a) habilidade de reprodução; b) capacidade de ingestão ou assimilação de substâncias alimentares – metabolizando-as para suas necessidades de energia e de crescimento; c) habilidade de excreção de produtos de escória; d) capacidade de reagir a alterações do meio ambiente (algumas vezes chamada de “irritabilidade”); e e) suscetibilidade à mutação. Os principais grupos de microrganismos são as bactérias, os fungos, vírus, protozoários e as algas. 12 Unidade: Fundamentos da Microbiologia A importância dos Microrganismos Alguns microrganismos habitam o corpo humano, entre eles podemos destacar os “patógenos oportunistas”. São assim conhecidos porque, normalmente, não causam doenças em uma pessoa saudável; entretanto, em condições de baixa imunidade do hospedeiro, esses microrganismos podem se desenvolver além do normal, causando uma diversidade de patologias. Há, ainda, um grupo de microrganismos denominados patogênicos, pois são potencialmente capazes de provocar uma determinada doença nos seres humanos. Ressalta-se que, ao longo da história da humanidade, centenas de milhares de pessoas morreram em epidemias causadas por microrganismos – como a peste negra, febre tifoide, gripe espanhola, cólera, AIDS, ebola, gripe H1N1, dengue, febre amarela, entre outras – que, até então, não eram conhecidos ou, por falta de vacinas e/ou antibióticos, não tinham como ser combatidos. A elevada capacidade de biodegradação de alguns microrganismos também apresenta aspectos negativos quando provoca a deterioração de alimentos e outros materiais (equipamentos, monumentos, etc.) utilizados por nós, provocando grandes perdas e prejuízos socioeconômicos. Por outro lado, grande parte dos microrganismos desempenha um papel fundamental no equilíbrio e na manutenção da vida na biosfera (planeta Terra), realizando a decomposição da matéria (orgânica e inorgânica), propiciando a reciclagem de elementos essenciais para nutrir todos os seres vivos, independentemente de suas cadeias alimentares. Considerando que os microrganismos estão presentes em todos os ambientes (habitados ou não por outros organismos) e que são muito importantes (tanto nos aspectos negativos quanto nos positivos), estudar Microbiologia contribuirá para que você (futuro gestor ambiental) possa propor e aplicar técnicas e processos sustentáveis para a preservação da qualidade ambiental ou para a remediação de sistemas contaminados. Classificação dos Organismos Desde os tempos de Aristóteles, os organismos vivos eram classificados de duas maneiras: plantas ou animais. Em 1735, o botânico sueco Carolus Linnaeus apresentou um sistema formal de classificação dividindo os organismos vivos em dois reinos: plantae e animalia. Utilizou nomes em latim para estabelecer uma “linguagem” comum para a sistemática. Contudo, à medida que as ciências biológicas se desenvolveram, os biólogos começaram a procurar por um sistema de classificação natural – um sistema que agrupasse os organismos com base nas suas relações ancestrais e permitisse ver a organização da vida. Em 1857, Carl Von Nägeli, um contemporâneo de Pasteur, propôs que as bactérias e os fungos fossem colocados no Reino das Plantas. Em 1866, Ernest Haeckel propôs o Reino Protista para incluir bactérias, protozoários, algas e fungos. 13 Devido às discordâncias sobre a definição de protista, durante os 100 anos seguintes os biólogos continuaram a seguir a classificação de Von Nägeli, que colocava as bactérias e os fungos no Reino das Plantas. Os fungos foram classificados em seu próprio reino em 1959 (o irônico é que o sequenciamento recente do DNA posicionou os fungos mais próximos dos animais do que das plantas). Com o advento da microscopia eletrônica, as diferenças físicas entre as células ficaram evidentes. O termo procarioto foi introduzido em 1937 por Edward Chatton, para distinguir as células sem núcleo das células nucleadas das plantas e dos animais. Em 1961, Roger Stanier apresentou a definição atual dos procariotos: células nas quais o material nuclear (nucleoplasma) não é envolto por uma membrana nuclear. Em 1968, Robert G. E. Murray propôs o Reino Prokaryotae. Posteriormente, em 1969, Robert H. Whittaker criou o sistema de cinco reinos, no qual os procariotos foram colocados no Reino Prokaryotae, ou Monera, e os eucariotos constituíram os outros quatro reinos. O Reino Prokaryotae foi criado com base em observações microscópicas; posteriormente, novas técnicas de biologia molecular revelaram que existem na realidade dois tipos de células procarióticas e um tipo de célula eucariótica. Níveis taxonômicos Todos os organismos podem ser agrupados em uma série de subdivisões que formam uma hierarquia taxonômica. Linnaeus desenvolveu essa hierarquia para sua classificação das plantas e dos animais. Uma espécie eucariótica é um grupo de organismos intimamente relacionados que se reproduzem entre si. Um gênero consiste em espécies que diferem entre si em certas características, mas são relacionadas pela descendência – por exemplo, Tabebuia, o gênero do Ipê, consiste em todos os tipos de Ipês (branco, rosa, amarelo) e, mesmo sabendo quecada espécie de Ipê difere das outras, elas são relacionadas geneticamente. Como um grupo de espécies forma um gênero, gêneros relacionados formam uma família. Um grupo de famílias similares forma uma ordem, e um grupo de ordens similares forma uma classe. Por sua vez, classes relacionadas formam um filo. Portanto, um organismo específico (ou espécie) tem um nome de gênero e um epíteto específico, e pertence a uma família, uma ordem, uma classe e a um filo. Todos os filos ou divisões relacionadas entre si formam um reino, e os reinos relacionados são reagrupados em um domínio (Figura 4). 14 Unidade: Fundamentos da Microbiologia Figura 4 – Os níveis de classificação de um ser vivo (de espécie a Domínio) Fonte: Peter Halasz/Wikimedia Commons Os três Domínios A descoberta de três tipos de células teve como base a observação de que os ribossomos não são os mesmos em todas as células. Os ribossomos fornecem um método de comparação celular, pois estão presentes em todas as células. A comparação das sequências de nucleotídeos no RNA ribossômico (rRNA) de diferentes tipos de células mostrou que existem três grupos celulares diferentes: os eucariotos e dois tipos diferentes de procariotos – as bactérias e as arquibactérias. Em 1978, Carl R. Woese propôs elevar os três tipos de células para um nível acima de reino, chamado de domínio. Woese acreditava que as arquibactérias e as bactérias, embora similares em aparência, deveriam formar seus próprios domínios separados na árvore evolutiva. A Figura 5 mostra as relações entre os organismos vivos. As linhas mostram como cada grupo descende dos seus ancestrais. Destaca-se que os fundamentos da classificação e da taxonomia são necessários para entender a suscetibilidade dos diferentes microrganismos a vários métodos de utilização e controle. 15 Figura 5- Os três grandes domínios: Bacteria, Archea e Eukarya. Fonte: Adaptado de Tortora, Funke e Case (2002) Os organismos são classificados pelo tipo de células nos três domínios. Além das diferenças no rRNA, os três domínios diferem na estrutura lipídica da membrana, nas moléculas de RNA de transferência e na sensibilidade aos antibióticos. Nesse esquema amplamente aceito, animais, plantas, fungos e protistas são reinos do domínio Eukarya. O domínio Bacteria inclui todos os procariotos patogênicos, assim como muitos dos procariotos não patogênicos encontrados no solo e na água. Os procariotos autotróficos (fotossintetizantes) também estão nesse domínio. O domínio Archaea inclui procariotos que não têm peptideoglicana nas suas paredes celulares e que, frequentemente, vivem em ambientes extremos e realizam processos metabólicos incomuns. Archaea inclui três grupos principais: 1. Os metanógenos, anaeróbicos restritos que produzem metano (CH4) a partir de dióxido de carbono e hidrogênio; 2. Os halófilos extremos, que requerem altas concentrações de sais para sobreviver; 3. Os hipertermófilos, que normalmente crescem em ambientes quentes. A relação evolutiva entre os três domínios é assunto atual de diversos pesquisadores. Originalmente, achava-se que as arquibactérias eram o grupo mais primitivo, enquanto as bactérias foram tidas como mais relacionadas aos eucariotos; estudos de rRNA indicam que o ancestral universal dividiu-se em três linhagens, e essa divisão levou à Archaea, à Bacteria e ao que finalmente tornou-se o nucleoplasma dos eucariotos: Eukarya (Figura 6). 16 Unidade: Fundamentos da Microbiologia Os fósseis mais antigos conhecidos são os restos de procariotos que viveram há mais de 3,5 bilhões de anos. As células eucarióticas evoluíram mais recentemente – algo em torno de 1,4 bilhão de anos. De acordo com a teoria endossimbiótica, as células eucarióticas evoluíram a partir de células procarióticas vivendo uma dentro da outra, como endossimbiontes. Na verdade, as similaridades entre as células procarióticas e as organelas eucarióticas fornecem evidências fortes a favor dessa relação endossimbiótica (Figura 7). Figura 6 - Algumas características de Archaea, Bacteria e Eukarya. Fonte: Adaptado de Tortora, Funke e Case (2002). Figura 7 - Principais diferenças entre as células procarióticas e eucarióticas. Fonte: Adaptado de Tortora, Funke e Case (2002). 17 Obs.: Os vírus não são classificados como parte de nenhum dos três domínios. Eles não são compostos por células e utilizam a maquinaria anabólica dentro da célula hospedeira para se multiplicar (reproduzir). Nomenclatura dos Organismos Os organismos vivos (inclusive os microrganismos) são agrupados em níveis de classificação, ou taxon, de acordo com as características similares. A cada organismo é atribuído um nome científico. A ciência da classificação, especialmente a classificação dos seres vivos, é chamada de taxonomia (do grego: nível de um sistema de classificação ou arranjo ordenado). O objetivo da taxonomia é classificar organismos vivos – ou seja, estabelecer relações entre um grupo e outro de microrganismos e os diferenciar. Devem existir em torno de 100 milhões de organismos vivos diferentes, sendo que menos de 10% foram descobertos e, muito menos, classificados e identificados. Ressalta-se que novas técnicas de biologia molecular e genética têm fornecido uma nova visão para a classificação e a evolução. A taxonomia também fornece uma referência comum para identificar organismos já identificados – por exemplo, quando uma bactéria suspeita de ter causado uma doença específica é isolada, as características dela são comparadas com uma lista de características de bactérias previamente classificadas para identificar a isolada. A taxonomia é uma ferramenta básica e necessária para os cientistas, fornecendo uma linguagem universal de comunicação. Os organismos são classificados de acordo com seus graus de similaridade. Essas similaridades se devem ao parentesco – todos os organismos são relacionados pela evolução. Para classificar (e dar nome) um organismo, não podemos utilizar nomes comuns porque, muitas vezes, o mesmo nome é utilizado para muitos organismos diferentes em locais diferentes. Por exemplo, existem dois organismos diferentes com o mesmo nome: musgo espanhol, sendo que nenhum deles é realmente um musgo. Além disso, idiomas locais são utilizados para nomes comuns. Como os nomes comuns podem induzir ao erro e estão em idiomas diferentes, um sistema de nomes científicos – denominado nomenclatura científica – foi desenvolvido no século XVIII. Esse sistema de nomenclatura (nomeação), utilizado até hoje, foi estabelecido por Carolus Linnaeus (em 1735). Nesse sistema, cada organismo recebe dois nomes, ou um binômio, que são o nome do gênero e o nome da espécie –ambos são escritos sublinhados ou em itálico. O nome do gênero começa sempre com letra maiúscula e é sempre um substantivo. O nome da espécie começa com letra minúscula e geralmente é um adjetivo. Os nomes são latinizados porque o latim era a língua tradicionalmente utilizada pelos estudantes. Por convenção, após um nome científico ter sido mencionado uma vez, ele pode ser abreviado com a inicial do gênero seguida pelo específico. 18 Unidade: Fundamentos da Microbiologia Os nomes científicos podem, entre outras coisas, descrever um organismo, homenagear um pesquisador ou identificar os hábitos de uma espécie. Por exemplo, considere o Staphylococcus aureus, uma bactéria comumente encontrada na pele humana: Staphylo descreve o arranjo em cacho das células dessa bactéria; coccus indica que as células têm a forma semelhante a esferas; e, o específico, aureus, significa ouro em latim – a cor de muitas colônias dessa bactéria. A figura 8 apresenta outros exemplos. Figura 8 - Exemplos de nomes de microrganismos e seus respectivos significados Fonte do nome genérico Fonte do epíteto específico Salmonella typhimurium (bactéria) Em homenagem ao microbiologista de saúde pública Daniel Salmon Provoca estupor (typh-) em ratos (muri-) Streptococcus pyogenes (bactéria)Aparência de células em cadeia (Strepto-) Produz pus (pyo-) Saccharomyces cerevisiae (levedura) Fungo (-myces) que usa açúcar (saccharo-) Produz cerveja (cerevisia) Penicillium chrysogenum (fungo) Fungo de tufo ou pincel (penicill-) sob o microscópio Produz um pigmento amarelo (chryso-) Trypanosoma cruzi (protozoário) Aparência espiralada, como um saca-rolha (Trypano- bronca; Soma-corpo) Em homenagem ao epidemiologista Oswaldo Cruz Fonte: Adaptado de Tortora, Funke e Case (2002). Considerando-nos como organismos, os humanos, nosso gênero e a nossa espécie são: Homo e sapiens – o substantivo, ou gênero, significa homem e o adjetivo, espécie, significa sábio. 5 • Introdução • As Bactérias: tipos e formas • Nutrição das Bactérias • Reprodução das Bactérias Para que você tenha sucesso em seus estudos, é de extremante importância que, além de ler, atentamente, o conteúdo desta Unidade, consulte, ainda, os materiais complementares, pois são ricos em informações, possibilitando-lhe o aprofundamento de seus estudos sobre o assunto. Recomenda-se, também, que busque outras fontes que possam contribuir com o seu aprendizado. Assim, você se diferenciará das demais pessoas! · Nesta unidade, você terá oportunidade de aprender sobre os microrganismos bactérias, em relação às suas formas, o modo como elas se nutrem e se reproduzem. Desse modo, conhecerá a importância desses seres vivos para o meio ambiente. As Bactérias - Aspectos gerais e importância 7 Introdução Os microrganismos bactérias estão incluídos no grupo dos procariotos (do termo grego significando pré-núcleo), anteriormente classificados como eubactérias, representadas pelos organismos patogênicos ao homem, e bactérias encontradas nas águas, solos, ambientes em geral. Ainda, dentre esses organismos, temos as bactérias fotossintetizantes (cianobactérias) e outras quimiossintetizantes (como as Escherichia coli), enquanto as outras utilizam, apenas, substratos inorgânicos para seu desenvolvimento. De maneira geral, os seres classificados como procariotos são menos complexos e menores que os seres eucariotos. Os eucariotos possuem o seu material genético (DNA) organizado em núcleo envolvido por uma membrana (a carioteca), já o DNA dos procariotos não está “espalhado”, solto, pelo citoplasma celular. Ressalta-se que esses seres (os procariotos), também, não apresentam organelas celulares envolvidas por uma membrana. Além disso, possuem parede celular e, geralmente, sua reprodução se dá por meio de fissão binária. Procariotos e eucariotos são semelhantes quimicamente, pois os dois apresentem carboidratos, lipídeos proteínas e ácidos nucleicos. Utilizam, ainda, tipos semelhantes de reações químicas para formar proteínas, metabolizar o alimento e armazenar energia. Resumidamente, os procariotos e eucariotos se distinguem, principalmente pela ausência (nos procariotos) de organelas1 com membranas, estruturas encontradas, apenas, nos seres eucariotos. As Bactérias: tipos e formas Dentre o grupo das bactérias (procariotos), podemos encontrar diversos tipos e formas de organismos. Algumas, ainda, diferenciam-se por sua composição química, característica que pode ser observada através de reações de coloração, atividades bioquímicas que realizam, suas exigências nutricionais e de onde obtêm sua energia (fonte química ou física - luz solar). O conhecimento das bactérias, em nível molecular, expandiu-se a tal ponto que, agora, é possível classificar esses organismos, de acordo com o Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology, baseando-se em um sistema filogenético2. 1 Estruturas celulares (especializadas) com funções específicas. 2 Filogenia ou filogênese é o estudo da relação evolutiva entre grupos de organismos (por exemplo, espécies, populações), que é descoberto por meio de sequenciamento de dados moleculares e matrizes de dados morfológicos. O termo filogenética deriva dos termos grego File e Filon, denotando “tribo” e “raça”, e o termo genético, denotando “em relação ao nascimento”, da gênese “origem /nascimento”. O resultado dos estudos filogenéticos é a história evolutiva dos grupos taxonômicos, ou seja, sua filogenia. 8 Unidade: As Bactérias - Aspectos gerais e importância Em relação ao seu tamanho, o mesmo pode variar de 2 a 8 μm de comprimento e de 0,2 a 2,0 μm de diâmetro. Apresentam-se em algumas formas simples, como: cocos (“bolinhas” - que significa frutificação), bastão (ou bacilos), espiral e vibrião (Figura 1). Figura 1 - As diversas formas das bactérias. Cocos isolados Estreptococos Estafilococos Bacilos VibriãoEspirilo Fonte: Magic Numbers (2014). Disponível em: magicnumbers-parussolo.blogspot.com.br As bactérias do tipo cocos, são, na sua maioria, redondas (no formato de “bolinhas”), podendo se apresentar no formato oval, alongado ou achatado em uma das extremidades. Quando os cocos permanecem aos pares, após sua divisão (reprodução), são chamados de diplococos. Se muitos cocos ficam ligados uns aos outros, após a reprodução, formando uma “cadeia”; então, essa estrutura passa a ser chamada de estreptococos. As bactérias do tipo bacilo, ao se reproduzirem, “dividem”-se ao longo de seu eixo curto. Assim, é raro, encontrarmos agrupamentos de bacilos. Entretanto, quando se apresentam aos pares, são chamados de diplobacilos e, se, no agrupamento, tiveram muitos bacilos, passam a ser chamados de estreptobacilos (estrutura semelhante a um charuto). Ainda, os bacilos podem ser encontrados no formato ovalado, como os cocos; nesse caso, recebem a denominação de cocobacilos. Quando no formato espiral, as bactérias apresentam, em seu “corpo” curvaturas. Vale destacar que as curvaturas chamadas de espirilos apresentam-se no formato helicoidal, como se fosse um saca-rolha. Dentro do grupo das bactérias espiraladas, além do espirilo (com estrutura mais rígida) encontram-se, também, as espiroquetas, bactérias com o “corpo” mais flexível. Para se movimentarem, os espirilos utilizam uma flagela (tipo de “cauda”), as espiroquetas, por sua vez, não possuem flagelo e sim pequenos filamentos. Raramente, podemos, ainda, encontrar bactérias retangulares e planas, triangulares e no formato de estrela (gênero Stella; Figura 2). 9 Figura 2 - Outros formatos em que as bactérias podem se apresentar. a) Bactéria em forma de estrela b) Bactéria retangulares0,5 μm 0,5 μm Fonte: Adaptado de Tortora, Funke e Case (2002). O formato que uma bactéria apresenta está condicionado à sua ancestralidade (Genética). Na sua grande maioria, as bactérias são monomórficas, ou seja, mantêm uma única forma, através das gerações e gerações. Porém, adversidades do meio podem contribuir alterando a sua forma. Por outro lado, algumas bactérias podem ter muitas formas, isto é, são geneticamente pleomórficas, como a Corynebacterium e o Rhizobium. A figura 3 apresenta uma típica célula procariótica (bactéria) e suas estruturas. Figura 3 - Exemplo de uma bactéria e suas estruturas. Pilus Cápsula Cápsula Citoplasma Ribossomos Parede celular Parede celular Plasmídeo FlagelosFímbrias Inclusão 0,5 μm Membrana plasmática Membrana plasmática Nucleoide contendo DNA Fonte: Adaptado de Tortora, Funke e Case (2002). Obs.: Algumas bactérias não possuem todas as estruturas evidenciadas na figura. Ressalta-se que as estruturas, destacadas na cor vermelha, são encontradas em todas as bactérias. 10 Unidade: As Bactérias - Aspectos gerais e importância Nutrição das Bactérias Podemos encontrar bactérias autotróficas, ou seja, as que produzem seu próprio alimento (através da quimiossíntese ou da fotossíntese) e, bactérias heterotróficas, que obtêm seus nutrientes no meio externo, como as saprófitas (decompositoras - responsáveis pela reciclagem de produtos inorgânicos), ou que para se nutrir precisam parasitar outros seres vivos (o hospedeiro). No processo de quimiossíntese, ao contrário da fotossíntese, ou seja, sem a utilização de energia luminosa, ocorrea síntese (produção) de matéria orgânica a partir de gás carbônico (CO2), água (H2O) e outras substâncias inorgânicas. Assim, as bactérias quimiossintetizantes podem sobreviver em ambientes sem luminosidade e matéria orgânica, já que obtêm a sua energia através de oxidações inorgânicas. Duas etapas compõem o processo da quimiossíntese. Num primeiro momento (Etapa 1), ocorre a oxidação de substâncias inorgânicas: Substância Inorgânica + Oxigênio Substância Inorgânica oxidada + Energia Química Os produtos, resultantes da Etapa 1, serão os constituintes da Etapa seguinte (a Etapa 2), onde será aproveitada a energia ministrada por determinadas reações químicas de oxirredução que ocorrem no meio. Na Etapa 2, também conhecida como “fase escura” da fotossíntese, a redução do gás carbônico (CO2) levará à produção de substâncias orgânicas, através do processo de oxidação das substâncias inorgânicas. Nessa Etapa, as bactérias obtêm energia suficiente para reduzir o CO2 e sintetizar substâncias orgânicas, que poderão ser utilizadas síntese (produção) de outros compostos ou em seu próprio metabolismo: CO2 + água + Energia Química Compostos Orgânicos + O2 Bactérias dos gêneros Thiobacillus e Beggiatoa realizam a quimiossíntese e, por oxidarem compostos de enxofre, podem ser chamadas, também, de sulfobactérias. As bactérias dos gêneros Nitrobacter e Nitrosomonas, conhecidas como nitrobactérias, também são exemplos de seres quimiossintetizantes. Encontradas no solo, são responsáveis pela manutenção do ciclo do nitrogênio no ambiente. As Nitrosomonas obtêm sua energia por meio do processo de oxidação do íon amônio (NH4+), transformando-o em íon nitrito (NO-2). Já as Nitrobacter, por sua vez, oxidam o íon nitrito (NO-2), transformando-o em íon nitrato (NO-3). Esse último composto (o nitrato) será absorvido pelas plantas, através de suas raízes e utilizado no processo de síntese proteica (Figura 4). 11 Figura 4 - Esquema simplificado do ciclo do nitrogênio. Nitrogênio na atmosfera (N2) Plantas Decompositores (fungos e bactérias aeróbicas e anaeróbicas Amônia (NH4 +) Nitritos (NO2 -) Nitratos (NO3 -) Fixação Assimilação Nitri�caçãoAmoni�cação Bactérias �xadoras de N2 nos nódulos de raizes de legumes Bactérias desnitri- �cantes Bactérias nitri�cantes Bactérias nitri�cantes Bactérias �xadoras de N2 no solo Fonte: Alunos online (2014). Disponível em: alunosonline.com.br As Cianobactérias (bactérias fotossintéticas) As cianobactérias, chamadas assim devido à sua pigmentação azul-esverdeada (ciano) característica, já foram denominadas algas azul-esverdeadas. Embora se pareçam com as algas eucarióticas e, muitas vezes, ocupem os mesmos nichos ambientais, esse nome é equivocado, pois são bactérias e as algas não são. Contudo, as cianobactérias realizam fotossíntese, assim como as plantas e as algas eucarióticas. No processo de fotossíntese, a bactéria produz seu próprio alimento, constituído essencialmente por glicose, utilizando água (H2O), gás carbônico (CO2), captando a energia luminosa (sendo o sol a maior fonte) pela clorofila (espelhada no citoplasma) produzindo, também, o gás oxigênio (O2): 12 H2O + 6 CO2 C6H12O6 + 6 H2O+ 6 O2 12 Unidade: As Bactérias - Aspectos gerais e importância Para essas bactérias, a glicose é o seu principal combustível para manter suas funções metabólicas, ou seja, para elas, sem a glicose (produzida) seria impossível manter constante e, em equilíbrio, suas funções vitais. A vida para os seres aeróbios não seria possível se não fosse a contribuição dos seres fotossintetizantes - base da cadeia alimentar. Muitas das cianobactérias são capazes, também, de fixar o gás nitrogênio (N2). Na maioria dos casos, essa atividade é localizada em células especializadas chamadas de heterocistos, que contêm enzimas que fixam o gás nitrogênio (N2) em amônia (NH4 +), que pode ser utilizada pela célula em crescimento (Figura 5a). As cianobactérias são morfologicamente variadas. Elas vão, desde formas unicelulares que se dividem por fissão binária simples (Figura 5b), até formas coloniais que se dividem por fissão múltipla e formas filamentosas, as quais se reproduzem por fragmentação dos filamentos. Outras formas dos microrganismos bactérias. Figura 5.a - Cianobactérias filamentosas mostrando heterocistos, nos quais a atividade de fixação de nitrogênio é localizada Figura 5.b - Uma cianobactéria unicelular não filamentosa, Gloeocapsa. Grupos dessas células, que se dividem por fissão binária, são mantidos unidos por um envoltório de glicocálise. Heterocisto Fonte: Adaptado de Tortora, Funke e Case (2002). Algumas espécies, que se desenvolvem na água, geralmente, têm vacúolos gasosos que fornecem um meio de flutuação, ajudando a célula a se deslocar até um ambiente favorável. Outras cianobactérias, para se deslocarem por superfícies sólidas, realizam o processo de deslizamento. Estudos mostram que as cianobactérias tiveram um papel importante no desenvolvimento da vida em nosso planeta, pois, no início do processo evolutivo, a atmosfera terrestre apresentava muito pouco oxigênio livre (O2) para dar suporte à vida de seres aeróbios. Nesse aspecto, achados fósseis indicam que, quando as cianobactérias apareceram, a atmosfera continha somente 0,1% de oxigênio livre (O2). Mais tarde, quando as plantas eucarióticas (produtoras de O2) apareceram, a concentração de O2 na atmosfera terrestre subiu para mais de 10% (a atmosfera atual contém cerca de 20% de O2). Esse aumento, provavelmente, foi devido, também, em sua maioria, à atividade fotossintética das cianobactérias. 13 Algumas cianobactérias são extremamente importantes para o ambiente; especialmente, aquelas que fixam nitrogênio, disponibilizando esse nutriente para todos os organismos nos diversos níveis tróficos de uma cadeia alimentar. Entretanto, ressalta-se que esse processo pode se tornar prejudicial ao ambiente quando o enriquecimento nutricional dos corpos hídricos ocorrer em excesso; fenômeno esse chamado de eutrofização. Reprodução das Bactérias As bactérias, quando em um ambiente favorável, reproduzem-se rapidamente, podendo, a cada 20 minutos (tempo de geração), aparecer uma nova geração. Se inoculadas (“semeadas”) em um meio líquido de crescimento (meio de cultura ou de “cultivo”) e a população for contada em intervalos regulares, é possível representar graficamente a curva de crescimento bacteriano, que mostra o crescimento das células em função do tempo. Há quatro fases básicas de crescimento: a fase lag, a fase log, a fase estacionária e a fase de morte celular (Figura 6). Figura 6 - As fases do desenvolvimento bacteriano. Fase lag Lo g do n úm er o de b ac té ria s 1 2 0 10 3 4 Fase log 5 Tempo (h) Fase estacionária Fase de morte celular Legenda: 1) Intensa atividade de preparação para o crescimento populacional, mas sem aumento da população (fase lag); 2) aumento logarítmico ou exponencial da população (fase log); 3) Período de equilíbrio (fase estacionária): as mortes microbianas são equilibradas pela produção de novas células; 4) A população se reduz em uma taxa logarítmica (fase de morte celular). Fonte: Adaptado de Bragante (2014). Disponível em: bragante.br.tripod.com As causas da interrupção da fase log (crescimento exponencial) não são claras, porém aspectos como, esgotamento de nutrientes, acúmulo de resíduos e/ou mudanças no pH, contribuem. 14 Unidade: As Bactérias - Aspectos gerais e importância Formas de Reprodução: · Reprodução Assexuada · Bipartição ou cissiparidade Para a maioria das bactérias, a reprodução ocorre assexuadamente, por bipartição ou cissiparidade. Nesse tipo de reprodução, o DNA bacteriano é duplicado, seguido de uma bipartição (divisão em duas células) (Figura 7). Figura 7 - Reprodução de uma bactéria por bipartição. A B C D E Fonte: Adaptado de Sobiologia. Disponível em: sobiologia.com.br Na bipartição, não existe a formação do fuso de divisão,assim não ocorre o processo de mitose. A participação de pregas internas da membrana plasmática, nas quais existem enzimas que realizam a respiração celular (processo que liberar energia para a bactéria), estruturas chamadas de mesossomos são de extrema importância no processo de separação dos cromossomos irmãos (Figura 8). Figura 8 - A estrutura mesossomo numa célula bacteriana - destacado na parte superior. Mesossomo Nucleoide Plasmidio Ribossomos Parede celular Pêlos sexuais Membrana celular Fonte: Adaptado de Sobiologia (2014). Disponível em: sobiologia.com.br 15 Brotamento Ainda de maneira assexuada, algumas bactérias se reproduzem por brotamento. Nesse tipo de reprodução, a bactéria forma uma pequena região inicial de crescimento (o broto), que vai se alargando até atingir um tamanho similar ao da célula parental, e, então, separam-se dela. Algumas espécies simplesmente se fragmentam e os fragmentos iniciam o crescimento de novas células (Figura 9). Figura 9 - Reprodução de uma bactéria por brotamento. Fonte: Adaptado de Sobiologia (2014). Disponível em: sobiologia.com.br Esporulação O processo de esporulação se apresenta como uma estratégia reprodutiva (do tipo assexuada) e de sobrevivência para algumas espécies de bactérias. Além disso, em ambientes adversos, com calor intenso e falta de água, esporos são produzidos. Estas estruturas são resistentes a essas condições, por apresentarem parede espessa e atividade metabólica bem reduzida (Figura 10). Figura 10 - Reprodução de uma bactéria por esporulação. Nucleoide A B D E C Endósporo em formação Endósporo maduro Parede bacteriana vazia Fonte: Sala de Estudos Ursa Maior (2014). Disponível em: saladeestudosursamaior.webnode.com.br 16 Unidade: As Bactérias - Aspectos gerais e importância As características relacionadas à resistência, conferem a determinados esporos a capacidade de se manterem em estado de dormência por dezenas de anos. Assim, somente quando o ambiente passar a apresentar condições favoráveis, o esporo absorve água, reidratando-se. Então, originando, posteriormente, uma nova bactéria, que poderá se reproduzir por bipartição. Considerando que os esporos são muito resistentes a temperaturas elevadas, quando expostos à água fervendo, geralmente, não morrem. Por esse fato, laboratórios precisam manter absoluta assepsia (limpeza). Por isso, utilizam o processo autoclavagem3 para esterilizar instrumentos, utensílios e meios de cultura. Para se eliminar os esporos do Clostridium botulinum, bactéria causadora do botulismo (infecção que pode até matar), no processo de fabricação de alimentos envazados em latas, faz- se necessária a esterilização tanto dos alimentos, quanto dos vasilhames. Reprodução Sexuada Quando no processo reprodutivo ocorrer a transferência de fragmentos de DNA de uma bactéria para outra, considera-se que a reprodução é do tipo sexuada. Nesse processo, após essa transferência, o material genético (DNA) da “doadora” irá se recombinar com o DNA da bactéria “receptora”, originando cromossomos com novos genes. Quando a bactéria se reproduzir, esses novos cromossomos serão transmitidos às novas bactérias (células-filhas). Essa transferência de DNA entre as bactérias pode acontecer de três formas: transformação, transdução e conjugação. Transformação Durante o processo de reprodução por transformação, a bactéria recebe fragmentos de DNA dispersos no meio (proveniente de bactérias mortas) e os incorpora ao seu cromossomo. Figura 11 - Etapas da reprodução de uma bactéria por transformação. Célula bacteriana Moléculas de DNA livres Cromossomo Fonte: Sala de Estudos Ursa Maior (2014). Disponível em: saladeestudosursamaior.webnode.com.br 3 Processo de tratamento térmico que consiste em manter o material a ser esterilizado (contaminado) a uma temperatura elevada (sob determinada pressão) através do contato com vapor de água, durante um período de tempo. 17 Com o intuito de se produzir organismos geneticamente modificados como, por exemplo, obter plantas mais produtivas e mais resistentes às pragas, a engenharia genética vem imitando e utilizando essa técnica de introdução de genes em diferentes espécies. Transdução A transdução vai ocorrer quando, com a participação de vírus do tipo bacteriófagos, partes do DNA são transferidas de uma bactéria para outra. O vírus4, ao infectar outra bactéria, injeta o DNA da bactéria anterior junto com o seu DNA. Se sobreviver à infecção viral, a bactéria poderá incluir os genes de outra bactéria no seu DNA (Figura 12). Figura 12 - Etapas da reprodução de uma bactéria por transdução. Vírus transdutor DNA bacteriano bactéria doadora DNA da bactéria doadora DNA da bactéria recebedora célula transduzidabactéria recebedora DNA do vírus bacteriófago DNA bacteriano + DNA do vírus Fonte: Sala de Estudos Ursa Maior (2014). Disponível em: saladeestudosursamaior.webnode.com.br Conjugação No processo reprodutivo por conjugação, fragmentos de DNA são passados diretamente de uma bactéria doadora, considerada como o “macho”, para uma bactéria receptora, considerada a “fêmea”. Para que a conjugação ocorra, tubos constituídos de proteínas, (chamados de pili) apresentados na superfície das bactérias doadoras (“macho”), são imprescindíveis. Após a transferência do fragmento do DNA, este será recombinado com o DNA de bactéria receptora (a “fêmea”). No final, o novo DNA produzido será transmitido, na próxima bipartição, às novas bactérias (ou células-filhas) (Figura 13). 4 Estudaremos estes microrganismos na próxima unidade. 18 Unidade: As Bactérias - Aspectos gerais e importância Figura 13 - Etapas da reprodução de uma bactéria por transdução. DNA FemininoMasculino Plasmídeo Pelo sexual ou ponte citoplasmática Fonte: Adaptado de Sobiologia (2014). Disponível em: sobiologia.com.br Importância ambiental das bactérias Geralmente, associamos as bactérias às doenças que esses seres podem causar, como a pneumonia, meningite, e outras doenças. Ressalta-se que o grupo das bactérias patogênicas compõe, apenas, cerca de 1% destes organismos. Entretanto, por outro lado, a maioria desempenha funções imprescindíveis para a manutenção da vida no planeta. As bactérias pertencentes ao grupo das saprofágicas, ao se alimentarem de matéria orgânica morta, devolvem à natureza compostos inorgânicos, que serão novamente incorporados na cadeia alimentar pelos seres produtores (as plantas). Conforme já mencionado, outros grupos de bactérias, ainda, têm a habilidade de fixar nitrogênio (N2), fertilizando o solo. As bactérias do gênero Acetobacter, através do processo de fermentação, produzem o álcool etílico (biocombustível) e o ácido lático, importantes produtos como fonte de energia e matéria- prima em processos industriais. Ainda, outros grupos de bactérias fermentadoras, podem se desenvolver, de maneira harmoniosa, em nosso organismo, contribuindo para o controle de microrganismos patogênicos. Nas industrias, as bactérias contribuem, também, para a fabricação de antibióticos e de outras substâncias, tais como a acetona. Nos processos de melhoramento genético de plantas, os genes bacterianos são um dos mais utilizados. Por exemplo, as bactérias do gênero Agrobacterium ajudam a transportar novos genes ao genoma da planta indivíduo a ser melhorada. Em relação à contribuição desses microrganismos, na áreas de saneamento ambiental, destaca-se que eles auxiliam na eliminação de substâncias contaminantes, como o petróleo e seus derivados e, até mesmo, pesticidas. 19 As unidades de tratamento de esgoto (as ETEs5) utilizam as bactérias do tipo anaeróbicas para a fermentação matéria orgânica, transformando-as em compostos minerais inertes que, após tratamento, podem ser utilizados como adubo. Por outro lado, as bactérias aeróbicas, no processo de tratamento de esgotos (numa ETE), são responsáveis por degradar as partículas menores do esgoto, contribuindo para que a água residuária possaser tratada e, posteriormente, devolvida aos mananciais ou mesmo ser reutilizada em outros processos. 5 Estação de Tratamento de Esgoto. 5 • Aspectos Gerais • Classificação dos Vírus • A Importância dos Vírus Para que você tenha um excelente aproveitamento dos estudos, é de extrema importância que você, além de ler, atentamente, o conteúdo proposto, consulte, ainda, os materiais complementares. Além disso, assista ao vídeo sugerido. Não se esqueça, também, de buscar outras fontes que possam contribuir com o seu aprendizado. Afinal, conhecimento não ocupa espaço, não pesa! Sendo assim, ao se aprofundar no tema, enriquecendo seus conhecimentos, você se diferenciará dos demais! Nesta unidade, você terá oportunidade de aprender sobre os vírus, suas formas, tipos e como se reproduzem. Assim, conhecerá a importância desses “agentes”. Para que possa assimilar o máximo de conhecimento, leia com atenção a aula, faça um resumo do conteúdo teórico e, se necessário, pesquise outras fontes além das que estão apontadas. Assista, também, ao vídeo sugerido. Os vírus 7 Aspectos Gerais Somente com o avanço da tecnologia na área da microscopia é que os pesquisadores puderam passar a conhecer, de fato, esses “agentes”, atualmente, chamados de vírus. Primeiramente, a cerca de anos atrás, os cientistas classificaram esses “agentes” com sendo um tipo de fluido contagioso. Apenas depois de o pesquisador Wendell Stanley ter tido sucesso ao isolar o vírus do mosaico do tabaco é que se tornou possível o avanço nos estudos sobre a composição química e estrutural de um vírus. Assim, em meados do século XX, para se referir a esses “agentes”, a maioria dos cientistas passou a utilizar o termo vírus, que, em latim, significa toxina ou veneno. A grande questão, envolvendo esses “agentes”, é se os mesmos podem, ou não, ser considerados como seres vivos. Podemos, por um lado, dizer que, sim, os vírus são seres vivos, pois a maior das características que um organismo vivo apresenta é a de se reproduzir. Além disso, quando parasitam em uma célula viva (vegetal, animal ou microbiana), conseguem se “reproduzir” (replicar). Desse modo, devem ser classificados como seres vivos (parasitas intracelulares obrigatórios). Entretanto, por outro lado, como a vida, também, pode ser definida como resultante de uma ação incessante dos ácidos nucleicos, produzindo proteínas e os vírus, quando não estão parasitando uma célula viva, são inertes, não podem (neste estado de inércia) ser considerados, portanto, como seres vivos. Dependendo do aspecto considerado, os vírus podem ser considerados, apenas, com sendo um “aglomerado de elementos químicos” ou, seja, um microrganismo muito simples. Se considerado o seu poder de infecção, causando doenças em vegetais ou animais, os vírus podem, também, nesses casos patogênicos, serem considerados como seres vivos. Por essas características peculiares e, ainda, por não serem constituídos de células, os vírus (figura 1) não pertencem a nenhum reino. Com o passar dos tempos, os cientistas consideraram que tanto a organização estrutural simples, quanto o mecanismo de “reprodução” dos vírus são as características fundamentais que os colocam à parte, fora de qualquer reino. Assim sendo, resumidamente, os vírus apresentam as seguintes características: · a maioria é constituída por uma cápsula, ou invólucro, de proteína, onde se encontra o material genético (o ácido nucleico); · apresentam apenas um tipo de ácido nucleico (DNA ou o RNA); Capsômeros Cápsula Cápsula de proteína Vírus da poliomielite Vírus do tabaco Bacteriófago: vírus que ataca bactérias HIV, vírus da AidsVírus da gripe RNA Lipídios Lipídios Proteínas Enzimas RNA GlicoproteínaProteínas Proteínas e RNA CabeçaRNA DNA Cauda Fibras caudais Figura 1 - Alguns tipos de vírus. Fonte: UFPE (2014) 8 Unidade: Os vírus · reproduzem-se dentro de células vivas, utilizando a estrutura de síntese celular; · conseguem induzir a síntese de mecanismos que farão a transferência do material genético viral para outras células (hospedeiras); · podem sofrer mutações genéticas. Em relação às suas dimensões, os vírus são extremamente pequenos (figura 2), o maior tem menos que a quarta parte das dimensões de uma salmonela (tipo de bactéria) e milhares de vírus, de menor tamanho, poderiam ser colocados dentro da parede celular vazia de um estafilococo (outro ripo de bactéria). Além disso, sendo extremamente pequenos (figura 2), os vírus conseguem, com enorme facilidade, atravessar filtros, onde bactérias são retidas. Esses seres, portanto, somente podem ser observados através da utilização do mecanismo de microscopia eletrônica. Os vírus são tão pequenos, que a unidade de medida utilizada, ao se referir à suas dimensões, é o nanômetro1(nm). Ressalta-se que a unidade para se medir as dimensões das bactérias, organismos extremamente maiores, é o micrômetro2 (µm). Figura 2 - Comparação entre vírus, uma bactéria e uma hemácia em relação ao tamanho. 225 nm Bacteriófago T4 Adenovírus 90 nm Bacteriófagos f2, MS2 24 nm Poliovírus 30 nm Prion 200 . 20 nm Vírus da vaccinia 300 . 200 . 100 nm Rinovírus 30 nm Vírus do mosaico do tabaco 250 . 18 nm Viroide 300 . 10 nm Vírus Ebola 970 nm Eritrócito humano com diâmetro de 10.000 nm Membrana plasmática do eritrócito 10 nm de espessura E. Coli (bactéria) 3.000 x 1.000 nm Bacteriófago M13 800 . 10 nm Vírus da raiva 170 . 70 nm Corpúsculo elementar da Chlamydia 300 nm Fonte: Adaptado de Tortora, Funke e Case (2002) 1 Nanômetro (nm) - Um nm é o resultado ao se dividir 1 bilhão de vezes o metro (1m), ou seja, 1m = 1.000.000.000nm. Para ficar mais claro, 1 nm é o resultado ao se dividir 1mm, a menor divisão de uma régua, por 1 milhão de vezes. 2 Micrômetro (µm) - Um µm é o resultado ao se dividir 1 milhão de vezes o metro (1m), ou seja, 1m = 1.000.000µm. Para imaginar isso, pense em 1 mm, a menor divisão de uma régua, sendo dividido em mil de partes iguais. 9 Em relação a sua estrutura, conforme já relatado, cada vírus (ou vírion3) apresenta seu material genético (DNA ou RNA) envolto e protegido por um “envelope” ou o capsídio. Vale lembrar que essa estrutura, o capsídio, é composta por minúsculas unidades de proteína, chamadas de capsômeros, que darão o nome ao vírus, dependendo da sua composição química e forma espacial. Todos os vírus apresentam simetria em sua estrutura, podem ainda, ou não, apresentar envoltório (o “envelope”) formado por lipoproteínas ou lipídeos. Dessa forma, apresentam-se nas seguintes formas: · poliedro regular (representados pelos poliovírus e os adenovírus); · helicoidais (vírus do mosaico do tabaco, por exemplo); · envelopados, quando envolvidos por uma membrana não rígida4 (vírus da herpes, por exemplo) (Figura 3). Ressalta-se que alguns vírus podem se apresentar com seus capsídios não protegidos por “envelopes”. Então, são chamados de “não envelopados” (vírus poliédrico - figura 3). Quando “não envelopado”, a proteção do material genético é de responsabilidade do capsídio. Além de proteger, o capsídio é responsável, também, pela ligação do vírus às células que serão infectadas. Ainda, há tipos de vírus que se apresentam estruturados de maneira mais complexa, como por exemplo os do tipo bacteriófago (figura 3). Na figura 3, é possível observar que o capsídio desse tipo de vírus apresenta-se no formato poliédrico e a sua bainha está enrolada, ou seja, no formato de hélice (helicoidal). Apresentam, ainda, estruturas denominadas fibras da cauda, placa e pino (estruturas importantes no processo de “reprodução” – replicação). Assim, por se apresentarem com uma estrutura bem mais elaborada que os outros tipos de vírus, são chamados de “vírus complexo”. Figura 3 - Comparação entre alguns vírus, em relação a sua estrutura física. Capsômero Capsômero Capsômero Envelope Espículas Ácido nucleico Ácido nucleico Capsídeo Capsídeo Ácidonucleico Capsídeo (cabeça) DNA Fibra da cauda Placa basal Pino Bainha 65 nm Vírus Poliédrico Vírus Bacteriófago Vírus Helicoidal Vírus Envelopado Helicoidal Fonte: Adaptado de Tortora, Funke e Case (2002) 3 Partícula viral potencialmente infecciosa, que apresenta seu ácido nucleico envolvido por um tipo de cobertura proteica, que propiciará proteção à transmissão de uma célula (hospedeira) para outra. 4 Os vírus, com envelope, são muito sensíveis às soluções emulsificantes (detergentes e sais biliares), ao clorofórmio e éter, pois essas substâncias dissolvem lipídeos. 10 Unidade: Os vírus Classificação dos Vírus As categorias taxonômicas são necessárias não só para identificarmos/classificarmos os animais, os vegetais e os microrganismos, como também para organizar/classificar os vírus. Os primeiros critérios de classificação, utilizados pelos cientistas, eram apenas com base na sintomatologia. A princípio, um sistema conveniente, mas logo que se descobriu que, dependendo do tipo de célula ou tecido (infectado), um mesmo tipo de vírus poderia causar mais de uma doença, esse sistema passou a não ser mais aceito. No início da segunda metade do século XX, com a criação do Comitê Internacional de Taxonomia Viral (o CITV), os cientistas deram maior relevância a essa questão. Entretanto, ressalta-se que somente foi possível obter informações precisas a fim de se construir um sistema de classificação para esses “seres” (os vírus) após o avanço das tecnologias nas diversas áreas científicas, em especial, da microscopia eletrônica. Com os resultados de pesquisas, que buscaram conhecer mais sobre os vírus, tendo como base a morfologia, tipo de ácido nucleico e na estratégia de replicação, o CITV passou a agrupá- los em famílias. Assim, para se classificar um vírus, passaram a ser utilizadas características primárias e secundárias. As primárias estão relacionadas com: · o tipo de ácido nucleico apresentado (DNA ou RNA - se o mesmo está em fita única ou dupla e sua massa molecular); · estrutura física do vírus (poliédrico, helicoidal, envelopado; · número de capsômeros, diâmetro do nucleocapsídio); e · local de reprodução (se ocorre no núcleo ou no citoplasma da célula hospedeira). Entre as características secundárias, utilizadas para a classificação de um vírus, são consideradas: · hospedeiro (espécie, tecidos ou célula que é infectada); · modo de transmissão (pelas fezes, por exemplo) e; · estruturas específicas de superfície (como: propriedades antígenas5 - por exemplo). O CITV, através das diretrizes para a classificação, orienta utilizar o sufixo ales para representar a ordem. Ressalta-se que este Comitê reconhece apenas três ordens: a Caudovirales, a Mononegavirales e, a Nidovirales. Os vírus que infectam bactérias (bacteriófagos) estão inseridos na ordem Caudovirales, os que parasitam plantas e animais (invertebrados), na ordem Mononegavirales e, por fim, os que têm os animais vertebrados como seus hospedeiros, estão inseridos na ordem Nidovirales. 5 O antígeno, nesse caso, é formado por moléculas (parte de um vírus) que, na maioria, apresentam proteínas, polissacarídeos e/ou lipossacarídeos. Um antígeno desencadeia uma resposta imune (de defesa) na célula hospedeira. 11 O Comitê (CITV), ainda, orienta para a utilização do sufixo virus para se referir aos gêneros e, para as famílias, o sufixo viridae (por exemplo: Família Herpesviridae, Gênero Simplexvirus - Vírus do Herpes Humano). Para se referir a espécie do vírus, não são utilizados epítetos específicos. Assim, segundo as orientações do CITV, as espécies de vírus devem ser apresentadas por nomes descritivos usuais (“vulgares”), como por exemplo, o Vírus da Imunodeficiência Humana (HIV). As subespécies (se existirem), por sua vez, deverão ser apresentadas com um número, por exemplo: HIV-1, Vírus do Herpes Humano Tipo 2. Nesse aspecto, destaca-se que uma espécie de vírus compreende um grupo desses “seres” que apresentam o mesmo genoma (informação genética) e o mesmo espectro de hospedeiros. Replicação (“reprodução”) dos Vírus Conforme citado anteriormente, os vírus para se replicarem (“reproduzirem”) precisam infectar (parasitar) uma célula. A reprodução dos vírus ocorrerá por meio do processo chamado de replicação. Nesse processo, porções do ácido nucleico se multiplicam (replicam) no interior das células hospedeiras. Resumidamente, o processo de replicação dos vírus se dá através das seguintes etapas: · adsorção; · penetração e desnudamento; · replicação bioquímica; · maturação e; · liberação. Na primeira etapa, para se ligar (adsorção) a um receptor na membrana plasmática da célula que será infectada (parasitada), os vírus que apresentam “envelope”, o capsídio, projetam “pontas” (macromoléculas de glicoproteínas e de lipídeos), que serão responsáveis pela aderência do vírus na membrana da célula a ser infectada (futura hospedeira). Nos casos de vírus sem “envelopes”, o capsídio será o responsável por essa função. Após se adsorverem à célula que será infectada, ocorre a etapa da penetração e desnudamento, na qual, os vírus que possuem “envelope” fundem o seu “envelope” (lipoproteico) com a membrana citoplasmática da célula, resultando na liberação do material genético no citoplasma celular. Já os vírus, que não possuem “envelope”, realizam esse processo por fagocitose. Após injetar o material genético (DNA ou RNA) no interior da célula hospedeira, inicia-se o processo de replicação bioquímica. Para sintetizar proteínas e se replicarem, o DNA (ou RNA) viral assumirá o metabolismo da célula hospedeira. Para tanto, fará uso da energia (ATP) e de estruturas contidas na célula, como: enzimas, ribossomos, RNA de transferência. Na sequência, ocorrerá o processo de maturação, onde os novos componentes como os capsídios, que contêm o DNA (ou RNA) e as caudas (nos casos dos vírus do tipo bacteriófagos), serão organizados, formando, assim, o “novo vírus” (ou partícula viral). 12 Unidade: Os vírus Depois de concluído o estágio de “maturação”, ocorrerá a liberação dos “novos vírus”. Esse processo (de liberação) pode variar dependendo do tipo de vírus e/ou célula infectada. Na maioria dos casos, a liberação dos “novos vírus” ocorrerá pelo processo de lise celular, onde a célula, cheia de vírus, rompe-se (estoura). Há casos, que a liberação ocorrerá de forma lenda e gradativa, onde a célula hospedeira não será destruída (figuras 4 e 5). Figura 4 - As fases da replicação de um papovavírus6 . Os vírions são liberados Vírions maduros Proteínas do capsídeo DNA Capsídeo Papovavírus Núcleo Citoplasma DNA viral Proteínas do capsídeomRNA Tradução tardia; as proteínas do capsídeo são sintetizadas O DNA viral é replicado e algumas proteínas virais são sintetizadas Uma parte do DNA viral é transcrita, produzindo mRNAs que codi�carão as proteínas virais “precoces” O vírion penetra na célula e seu DNA é desnudado O vírion se adere à célula hospedeira Legenda: 1 - Adsorção; 2- Penetração e desnudamento; 3, 4 e 5 - Replicação bioquímica; 6- Maturação e; 7 - Liberação. Fonte: Adaptado de Tortora, Funke e Case (2002) Replicação (“reprodução”) dos Vírus Bacteriófagos No início do século XX, os pesquisadores Twort e D’Herelle observaram, em seus experimentos, que colônias bacterianas, infectadas por vírus, em algum momento, desapareciam devido ao rompimento (lise) das células. Notaram, ainda, que esse efeito “lítico” era transmitido de uma colônia para outra. A este “agente viral”, causador do rompimento (lise) da célula bacteriana, foi dado o nome de bacteriófago. Os vírus do tipo bacteriófagos7 podem se replicar por dois processos, o ciclo lítico e o ciclo lisogênico. O primeiro termina com a lise da célula hospedeira, enquanto no segundo (ciclo lisogênico), ao final, a célula hospedeira permanecerá viva. Uma vez que os Vírus Bacteriófagos T são os mais estudados, será mostrada sua replicação utilizando a bactéria Escherichiacoli, como célula hospedeira (Figura 5). 6 Os papovavírus têm seu nome derivado de: papilomas (verrugas), poliomas (tumores) e vacuolização (vacúolos citoplasmáticos produzidos por alguns desses vírus). Ressalte-se que algumas espécies (deste tipo de vírus) podem causar câncer. 7 Nome que se dá ao vírus capaz de infectar bactérias e, também, destruí-las. 13 O ciclo lítico ocorre na maioria dos vírus do tipo bacteriófagos. Esse processo ocorrerá em cinco etapas: 1- ancoragem; 2- penetração; 3- biossíntese; 4- maturação e; 5- liberação (figura 5). Após a aderência, o material genético do vírus, inserido no citoplasma bacteriano, será transcrito (replicado), seguido da síntese de proteínas virais. Posteriormente, ocorrerá a maturação dos “novos vírus” (ou “partículas virais”) que serão liberados após a lise da célula bacteriana. O rompimento (lise) da célula bacteriana só é possível pela ação de uma enzima (a lisoenzima) sintetizada na fase tardia do processo de síntese proteica. Figura 5 - As fases da replicação (“reprodução”) de um vírus bacteriófago. DNA do fago (�ta dupla) O fago adsorve a célula hospedeira e injeta seu DNA Ocasionalmente, o profago pode ser removido do cromossomo bacteriano por outro evento de recombinação, iniciando um ciclo lítico Muitas divisões celulares A bactéria lisogênica se produz normalmente Por um processo de recombinação, o DNA do fago se integra ao cromossomo bacteriano e se torna um profago O DNA e as proteínas dos novos fagos são sintetizados e montados, formando novos vírions O DNA do fago circulariza e entra em ciclo lítico ou lisogênico Lise cecular e liberação de novos vírions ou Profago Cromossomo bacteriano Ciclo lítico Ciclo lisogênico Legenda: Etapas do Ciclo Lítico: 1 e 2 – Adsorção, Penetração e desnudamento; 3A - Replicação bioquímica; 4A- Maturação e Liberação. Etapas do Ciclo Lisogênico: 2 – Adsorção, Penetração e desnudamento; 3B – Recombinação Gênica; 4B- Divisão (reprodução) da Bactéria; 5 – Nova Recombinação – possível início do ciclo lítico. Fonte: Adaptado de Tortora, Funke e Case (2002) Os vírus bacteriófagos, que utilizam o ciclo lisogênico para a sua replicação (“reprodução”), são chamados de lisogênicos ou temperados. No ciclo lisogênico, a produção de componentes virais é desligada indefinidamente e o “vírus” (fago) permanece inativo. Nesse ciclo, os processos de adsorção e de penetração ocorrerão da mesma maneira que ocorre no ciclo lítico. Entretanto, em vez de ocorrer na sequência a biossíntese, o material genético do vírus será fundido (“recombinação”) ao material genético da bactéria, duplicando-se. Eventualmente, poderá ocorrer uma indução “espontânea” do material genético do vírus, permitindo assim que o mesmo possa se replicar (“reproduzir”) do ciclo lítico (Figura 5). Processo de Co Evolução (Vírus x Hospedeiro) Os vírus, assim como seus hospedeiros, buscam, incessantemente, o equilíbrio nesta relação. Com o passar dos tempos, esses seres (vírus e hospedeiros) têm desenvolvido mecanismos para sobreviverem e deixarem descentes, entre estes estão estratégias de defesa (por parte dos hospedeiros) e de ataque (por parte dos vírus). 14 Unidade: Os vírus Nesse processo evolutivo, os hospedeiros mais adaptados vão sendo selecionados, passando para as próximas gerações o genótipo que lhes permite resistirem ao “ataque” de um determinado vírus. Os vírus, por sua vez, também vão sendo selecionados. Assim, os mais adaptados somente é que terão sucesso em parasitar seus hospedeiros, podendo, assim, transmitirem aos seus descendentes essas habilidades. A essa constante “batalha” pela sobrevivência, onde um ser exerce sobre o outro uma pressão seletiva / evolução, chamamos de co-evolução. A Importância dos Vírus As Viroses Os vírus causam infecções (doenças) em microrganismos, plantas, seres humanos e em outros animais. Nos humanos, os vírus podem causar diversas doenças, entre elas: Gripe (Influenzavirus), Gripe Suína (Influenza H1N1), Resfriado (vírus da família dos Picornavirus e Coronavirus), AIDS (HIV), Poliomielite (Enterovirus poliovirus), Dengue (Flavivirus sp.), Febre Amarela (Flavivirus sp.), Catapora (Varicellovirus sp.), Caxumba (vírus da família dos paramyxovirus), Rubéola (Rubella virus), Sarampo (Morbillivirus sp.), Varíola (Orthopoxvirus sp.), Raiva (Lyssavirus sp.), Ebola (Filovirus sp.), Diarreia (Rotavirus sp., Norovirus sp., Astrovirus sp. e os vírus da família dos Adenovirus), Hepatite (Hepatovirus), Herpes (Simplexvirus sp.) , Verruga (Vírus do papiloma humano), SARS (Coronavirus sp.), Sarcoma de Kaposi (Rhadinovirus sp.). A maioria dessas enfermidades (viroses) se não tratadas, os sintomas podem levar o paciente a óbito. Atualmente, a maioria dessas viroses pode ser prevenida através do processo de imunização (utilizando as vacinas). As vacinas são substâncias que contêm vírus atenuados ou mortos, ou mesmo, partes deles (príons8). Assim, essas substâncias, ao serem introduzidas no organismo do animal (que pode ser o homem), estimularão o organismo, através do sistema imunológico, a produzir anticorpos (estruturas de defesa) que combaterão a infecção antes que a doença se instale. Uma vez estimulado, o organismo se tornará imune ao agente desse tipo de vírus. Uso dos Vírus no Controle de Infecções Bacterianas (Fagoterapia) Nos últimos anos, com a intensa seleção química de bactérias, que não podem mais ser controladas por antibiótico, para controlar essas bactérias, o processo de fagoterapia tem sido uma alternativa. Nesse processo, os vírus, do tipo bacteriófago são inoculados e irão se reproduzir dentro da bactéria alvo, destruindo-as. Esses agentes permanecerão ativos enquanto houver bactérias. Ressalta-se que esse procedimento não apresenta efeitos colaterais indesejáveis, tendo em vista que esses vírus são específicos, infectando apenas a bactéria-alvo. 8 Partícula (de um vírus) proteica infecciosa, não possuindo ácido nucléico. Possui propriedades incomuns, como a alta resistência à radiação ultravioleta e ao calor, ao contrário dos vírus convencionais. No entanto, são inativados pelo hipoclorito e autoclave. Assim como os vírus, reproduz-se dentro das células. É possível que as proteínas dos príons sejam codificadas por um gene encontrado no DNA de um hospedeiro normal. 15 Por outro lado, não se sabe, ainda, o quanto o processo de fagoterapia é, de fato, efetivo nas diversas situações em que poderia ser empregado como recurso de tratamento. Os vírus causadores de doenças em plantas (chamados de fitovírus), para infectar uma planta precisarão de “ajuda” de outros “agentes”. Nesse sentido, os fitovírus são transportados até uma planta por insetos, ácaros, fungos, ou mesmo por manipulação do homem. O vento e a água, também, podem realizar esse papel. Após infectar uma planta, os vírus parasitarão células das diversas partes do vegetal, podendo ocasionar quadro sistêmico de infecção. Alguns vírus podem causar apenas danos e lesões em determinados locais (folhas, raízes, caule). Os sintomas que a planta pode apresentar quando a infecção for considerada do tipo sistêmica, são: amarelamento, nanismo, superbrotamento, distorção foliar. Por outro lado, quando a infecção for considerada localizada, os sintomas podem ser lesões necróticas. Como consequência, tanto de uma infecção sistêmica quanto de uma localizada, a planta ficará debilitada podendo chegar até a morte. Entre as diversas técnicas de controle de viroses de plantas, pode-se citar: a eliminação dos vetores e de hospedeiros intermediários, o uso de variedades resistentes, destruição da planta infectada e imunização (inoculando o vírus atenuado na planta para estimular sua imunidade). Muitas vezes, os vírus, ao infectar uma planta, podem não produzir prejuízos. Por exemplo, os vírus, que infectam as tulipas, são responsáveis pela coloração variada apresentada nessas plantas. Salienta-se que as tulipas “sadias” são monocromáticas (de apenas umacor). Controle Biológico Utilizando Vírus A técnica de se controlar pragas sem o uso de produtos químicos, utilizando apenas outros organismos, é conhecida como controle biológico. Em lavouras de soja e de milho, os vírus da família Baculoriridae têm sido muito utilizados para controlar a população de insetos que atacam esse tipo de vegetal. Nessas lavouras, os vírus são pulverizados sobre as plantas contaminando e matando os insetos, ainda na sua forma de lagarta. Para se controlar biologicamente a contaminação de produtos derivados da carne por bactérias do tipo Salmonella e Listeria monocytogenes, a aplicação de soluções contendo bacteriófagos tem se mostrado eficaz. Destaca-se que os tipos de vírus, utilizados nessa técnica de controle, não causam nenhum dano à saúde humana. A utilização de vírus em processos de controle biológico apresenta algumas vantagens: risco mínimo ao se armazenar as soluções, especificidade elevada e não contaminam os seres humanos. Por outro lado, podem apresentar algumas desvantagens: elevado custo de produção, ação lenta e falta de formulações adequadas. Uso dos Vírus no Processo de Saneamento Básico Pode-se considerar que, nas Estações de Tratamento de Efluentes (ETEs), os vírus do tipo bacteriófagos líticos, logo após as bactérias, são os “agentes” mais importantes no processo de tratamento dos efluentes. 16 Unidade: Os vírus Esses “agentes” são utilizados no processo de redução de bactérias potencialmente causadoras de doenças em seres humanos. Ainda, são utilizados como indicadores da qualidade da água, pois sua existência indicará também a existência da contaminação fecal, ou seja, a presença de bactérias do tipo Escherichia coli. 5 • Introdução • Importância dos Fungos • Fisiologia e Nutrição dos Fungos • Associações dos Fungos com outros Organismos - Líquen Serão apresentadas as características gerais dos fungos, assim como a importância desses microrganismos. Para que você tenha sucesso em seus estudos, é de extrema importância que, além de ler atentamente o conteúdo desta Unidade, consulte ainda os materiais complementares, pois são ricos em informações, possibilitando-lhe o aprofundamento de seu entendimento sobre este assunto. Recomenda-se também que você busque outras fontes que possam contribuir ao seu aprendizado, assim, você se diferenciará das demais pessoas! Nesta Unidade você terá a oportunidade de aprender sobre os fungos, suas formas, o modo como esses microrganismos se alimentam, como se reproduzem, assim como compreender a importância desses seres vivos ao meio ambiente. Fungos: Aspectos Gerais e Importância 7 Introdução Os organismos considerados como fungos, tanto podem se apresentar em uma única célula, ou seja, unicelular (como as leveduras), ou contendo diversas células (multicelulares). Para a identificação dos fungos multicelulares (como os cogumelos e fungos filamentosos) seu aspecto, incluindo características da colônia e dos esporos reprodutivos, são considerados os da Figura 1. Figura 1 – Estruturas dos fungos: a) fungo carnoso (cogumelo); b) fungo filamentoso. Fonte: Adaptado de djalmasantos.files.wordpress.com, biologianosegundoano204.blogspot.com.br. Os fungos estão incluídos no grupo dos eucariotos (cuja origem é grega e significa núcleo verdadeiro). A principal diferença entre procariotos e eucariotos é que o primeiro grupo não possui estruturas celulares especializadas, mas sim funções específicas (organelas, como o núcleo e a mitocôndria). De maneira geral, pode-se considerar que os eucariotos possuem as seguintes características: • DNA encontrado no núcleo das células, separado do citoplasma por uma membrana (carioteca); • Apresentam organelas, ou estruturas celulares, envolvidas por membranas, tais como: aparelho de Golgi, retículo endoplasmático, lisossomos e mitocôndrias; • Composição química da parede celular, quando existente, é relativamente simples; • Ocorre mitose à multiplicação celular, produzindo células semelhantes. 8 Unidade: Fungos: Aspectos Gerais e Importância Fisiologia e Nutrição dos Fungos Esses organismos são encontrados nos mais variados ambientes, desde que exista matéria orgânica disponível. Porém, desenvolvem-se melhor em ambientes que apresentam umidade e ausência de luminosidade. Em condições adversas, por exemplo, com ausência de umidade (ambientes secos), esses organismos conseguem sobreviver produzindo esporos entrando em um “estado de repouso”, voltando a se desenvolver e reproduzir quando as condições voltarem a ser ideais. Em relação ao pH ideal para se desenvolverem, para a maioria das espécies 5,6 é ideal. Ressalte-se, porém, que algumas podem crescer em ambientes onde o pH varia de extremamente ácido à levemente alcalino (ou básico). pH é o símbolo para a grandeza físico-química potencial hidrogeniônica que, em uma escala de 0 a 14, indica a acidez (0 a 6,9), a neutralidade (7) ou a alcalinidade (7,1 a 14) de um meio. Muitos fungos podem crescer em soluções de sais ou de açúcares concentradas, onde bactérias não conseguem se instalar e se desenvolver. A temperatura ótima do meio para a maioria desses organismos crescerem está entre 22 e 30o C, porém, alguns conseguem sobreviver abaixo ou acima dessas temperaturas. Os fungos, quando obtêm seus alimentos decompondo organismos mortos, são considerados saprófagos. Quando se alimentam de substâncias que retiram dos organismos vivos nos quais se instalam, prejudicando-os, são considerados parasitas. Algumas espécies desses organismos podem, ainda, estabelecer associações mutualísticas com outros organismos, em que ambos se beneficiam, formando, por exemplo, líquens ou micorrizos. Sejam saprófitos ou parasitas, para a absorção de nutrientes esses organismos liberam enzimas (digestivas) para o meio externo, onde essas atuam diretamente na matéria orgânica, degradando-a em partículas (moléculas) mais simples, que posteriormente serão absorvidas pelo fungo. Juntamente com algumas bactérias, os fungos decompositores (saprófagos) são responsáveis pela degradação da matéria orgânica no ambiente, contribuindo com a reciclagem dessa (os nutrientes). Alguns, ainda, conseguem degradar a lignina (componente da madeira), o que permite a alguns fungos se desenvolverem sobre troncos de árvores, papéis, sapatos, entre outros objetos. Morfologia dos fungos De acordo com sua estrutura vegetativa, os fungos podem ser filamentosos ou carnosos (Figura 1). Suas colônias são descritas como estruturas vegetativas porque são compostas de células envolvidas no catabolismo e no crescimento. 9 Catabolismo também pode ser chamado de parte do metabolismo, referindo-se à assimilação ou processamento da matéria orgânica adquirida pelos seres vivos para fins de obtenção de energia. As hifas (pequenos filamentos) em conjunto formarão o talo e o micélio de um fungo. As estruturas chamadas de micélios podem servir tanto à reprodução (produzindo esporos), quanto à nutrição (vegetativa). Os fungos filamentosos, em sua maioria, possuem hifas com septos (chamadas de hifas septadas). Essas estruturas dividem as hifas em unidades celulares com um único núcleo (Figura 2a). Em alguns poucos fungos, as hifas podem não apresentar tais divisões (os septos). Assim, as hifas se desenvolvem como células contínuas com diversos núcleos – chamadas, portanto, de hifas cenocíticas (Figura 2b). Cenocítico vem do grego koinos (partilhar em comum) + kytos (compartimento), tratando-se de uma célula, tecido ou organismo multinucleado. As células cenocíticas resultam de repetidas divisões celulares sem a formação de paredes transversais, septos ou membranas que separem os respectivos núcleos das células-filhas adjacentes, Ou seja, uma célula, tecido ou organismo multinucleado. As hifas se desenvolvem (crescem) alongando suas pontas (Figura 2c). Ressalta-se que quando uma hifa é fragmentada, a extremidade que fica exposta pode se alongar para formaruma nova hifa. Em laboratório, os fungos geralmente crescem a partir de fragmentos obtidos de um talo do fungo. Em relação à extensão das hifas ou micélio, essas estruturas podem crescer até imensas proporções. Há casos que as hifas de um único fungo podem se estendem por mais de cinco quilômetros. Figura 2 – As características e crescimento das hifas. Parede celular Poro Núcleos Septo a) b) c) Esporo Legenda: a) hifa septada com parede cruzada, ou septos, dividindo as hifas em unidades tipo célula; b) hifa cenocítica que não contém septos; e c) crescimento das hifas por alongamento das extremidades. Fonte: adaptado de Tortora, Funke e Case (2012). 10 Unidade: Fungos: Aspectos Gerais e Importância A parte da hifa que é responsável pela obtenção de nutrientes é denominada de vegetativa, a parte responsável pela reprodução é denominada de aérea ou reprodutiva. As hifas aéreas frequentemente sustentam os esporângios, estruturas que contêm os esporos reprodutivos (Figura 3). Figura 3 – Hifas com esporângios (cheios de esporos). Esporângios Hifas Esporos Fonte: biologianosegundoano204.blogspot.com.br. Conforme já citado, em condições favoráveis, as hifas se desenvolvem formando o micélio (massa de filamentos – hifas), estrutura que pode ser identificada a olho nu (Figuras 1 e 4). Figura 4 – Rede de hifas formando o micélio. Fonte: adaptado de escolamirella.blogspot.com.br/p/biologia_27.htm Classificação dos fungos As características dos esporos, dos ciclos de vida e morfológicas de seus micélios vegetativos são as principais referências à classificação dos fungos. 11 Os fungos que não possuem todos os estágios sexuais conhecidos são denominados imperfeitos, enquanto os que possuem são chamados de perfeitos. Os micologistas, cientistas especialistas em fungos, dividiram o Reino Fungi em três partes, as quais: fungos limosos, fungos inferiores flagelados e fungos terrestres. Fungos limosos Podem não ser considerados como fungos – tipicamente dito, pois durante seu desenvolvimento, apresentam uma aparência similar à de um protozoário. Por não apresentarem parede celular, ingerem partículas de nutrientes e apresentam movimentos do tipo ameboide. Durante sua reprodução, esse tipo de organismo forma corpos de frutificação e esporângios, igualmente aos outros fungos. São encontrados em ambientes aquáticos (água doce), no solo (úmido) e em matéria orgânica (vegetal) morta. Fungos inferiores flagelados Os organismos que se enquadram neste grupo, em alguma fase de desenvolvimento, produzem células flageladas. Vivem no solo ou na água (doce) e, tal qual os demais tipos, ingerem seus nutrientes do meio externo, podendo ser parasitas ou saprófitas. Grande parte desses organismos é filamentosa, apresentando micélio cenocítico. Outros apresentam ainda estruturas semelhantes às raízes de plantas, os rizoides. Rizoide é uma estrutura que possui apenas a função de aderência ao substrato. Não é uma raiz, pois não desenvolve vasos condutores. A absorção de água e sais minerais ocorre diretamente através de suas células aéreas. Reproduzem-se assexuadamente através da produção de zoósporos ou, em alguns casos, também de forma sexuada. Zoósporo é um tipo de esporo flagelado. Possui movimentação própria em meio líquido. 12 Unidade: Fungos: Aspectos Gerais e Importância Fungos terrestres Neste grupo estão os fungos mais conhecidos, como os cogumelos, as orelhas-de-pau e as leveduras. A nutrição também se dá através da absorção de nutrientes do meio externo. Apresentam micélio constituído de hifas cenocíticas. Reproduzem-se de forma assexuada, produzindo esporangióforos ou conídios, ou ainda através de brotamento. Produzem, também, zigósporos, ascósporos ou basidiósporos (tipos de esporos sexuais) para realizarem a reprodução de forma sexuada. Esporangióforo é uma pequena formação do talo do fungo que suporta o esporângio (que contém os esporos). Já conídio é um esporo assexual. Entre os fungos terrestres, encontram-se quatro grupos: Zygomycetes, Ascomycetes, Basidiomycetes e Deuteromycetes. Algumas características desses grupos são apresentadas no Quadro 1: Quadro 1 – Características gerais e exemplos dos fungos Zygomycetes, Ascomycetes, Basidiomycetes e Deuteromycetes. Classes Exemplos Reprodução Assexuada Reprodução Sexuada Zygomycetes Bolor Preto do Pão Esporos não-movéis Zigósporos Ascomycetes Leveduras, Fungos em Forma de Taça, Trufas. Conídios desprendem- se dos conidióforos Ascósporos Basidiomycetes Cogumelos, Fungos da Ferrugem e do Carvao, Bufa-de- Lobo, Orelha-de-Pau Incomum Basidiósporos Deuteromycetes (Fungos Imperfeitos) Candida Albicans, Algumas Espécies de Penicillium e Aspergillus Conídios Estágio Sexual desconhecido Fonte: adaptado de Bossolan (2002). 13 Zygomycetes Esses fungos produzem esporos sexuais chamados zigósporos, que podem permanecem “dormentes” por algum tempo. Apresentam hifas cenocíticas (sem septo). Muitos se desenvolvem sobre matéria orgânica morta (saprófitas), porém, alguns são parasitas. Podemos encontrar cerca de seiscentas espécies, entre as quais destaca-se o Rhizopus stolonifer (“bolor do pão”). Quando em contato com o substrato (pão), as hifas se desenvolvem e absorvem os nutrientes disponíveis. Algumas hifas (estolões) se desenvolvem horizontalmente, outras (rizoides) dão suporte aos estolões. Algumas hifas, ainda, podem se desenvolver verticalmente, formando em suas extremidades o esporângio (“saco de esporos”). Os esporos são liberados ao meio, quando o esporângio se rompe. A reprodução sexuada ocorre quando dois tipos de hifas (a positiva e a negativa) se desenvolvem encostadas uma na outra (Figura 5). Figura 5 – Ciclo reprodutivo de um fungo filamentoso (Zygomycetes). Os esporos são liberados do esporângeo Os esporos germinam para produzir as hifas A hifa aérea produz o esporângio Crescimento vegetativo do miocélio Os esporos germinam para produzir hifas O esporângio se rompe para liberação dos esporos Esporângio Esporangióforo Esporangiósporos Reprodução assexuadaReprodução sexuada O zigoto produz um esporângio Cariogamia e meiose Formação do zigósporo Plasmogamia O gameta se forma na extremidade da hifa Fonte: adaptado de Tortora, Funke e Case (2012). Nesse grupo não há, morfologicamente, diferenciação sexual. Quando os dois tipos de hifas se encontram, são produzidos determinados hormônios que contribuem para o crescimento conjunto dessas hifas. O núcleo positivo (+) se une como o negativo (-), dando origem a um núcleo diploide (chamado de zigósporos). Essa estrutura, o zigósporos, pode ficar “adormecida” por meses. A meiose ocorre antes da germinação do zigósporo. Quando a germinação acontece, uma hifa (do tipo aérea) cresce, desenvolvendo em sua extremidade um esporângio (“saco com esporos”). Cada esporo, desenvolvido dentro do esporângio terá a capacidade de desenvolver um novo conjunto de hifas (Figura 5). Esses fungos são utilizados no processo de fabricação de diversos produtos como: anticoncepcionais, anti-inflamatórios, molho de soja etc. 14 Unidade: Fungos: Aspectos Gerais e Importância Ascomycetes Recebem esse nome por, em determinada fase da vida, apresentarem uma estrutura reprodutiva na forma de “vaso” (do latim ascus) ou “saco”, onde os esporos são desenvolvidos e armazenados. Nesse grupo estão identificadas cerca trinta mil espécies. Apresentam hifas, na maioria dos casos com septos, porém, com paredes perfuradas, permitindo o movimento do citoplasma de um septo para outro. Esses organismos variam na complexidade, apresentando-se desde a forma unicelular (como as leveduras), até multicelular, como os bolores e os fungos “no formato de uma taça”. Entre os bolores destacam-se as trufas comestíveis e os que estragam os alimentos – formando uma densa e esverdeada rede de hifas (Figura 6). Figura 6 – Alguns alimentos “embolorados”. Fonte: thinkstockphotos.com. Para se reproduzirde forma assexuada, a produção e propagação de esporos (ou conídios) são necessárias (Figura 7). Esses conídios são produzidos e armazenados nas extremidades de certas hifas, conhecidas como conidióforos. Ressalta-se que os conídios são um meio de rápida propagação do novo micélio, pois se desprendem dos conidióporos com certa “facilidade”. Conforme já relatado, essas estruturas podem apresentar a coloração esverdeada. Porém, cabe ressaltar que a cor do conídio dependerá da espécie do fungo, que poderá se apresentar nas seguintes cores: preta, azul, rosa ou mesmo verde (Figura 6). Quando duas hifas se desenvolvem juntas, unindo seus citoplasmas, de maneira que seus núcleos também possam ficar juntos (mas sem se fundirem), a reprodução do tipo sexuada pode ocorrer. Assim, novas hifas (com células dicarióticas – dois núcleos) se desenvolvem a partir dessa estrutura. Posteriormente, essas hifas formarão e estrutura chamada corpo de frutificação (o ascocarpo). Dando continuidade no processo, no interior de cada célula que se desenvolverá, os dois núcleos se unirão, formando o zigoto (contendo um núcleo diploide). Na sequência, cada zigoto originará quatro núcleos haploides, através do processo de meiose. Após, pelo processo de mitose, oito núcleos serão formados. Por fim, os ascósporos serão liberados, após a estrutura (o asco) que os contém ser rompida. A Figura 7 apresenta o esquema do ciclo de vida de um fungo ascomiceto. 15 Figura 7 – Ciclo reprodutivo de um fungo ascomiceto. O asco se abre para a liberação dos ascósporos Meiose seguida de mitose Cariogamia Plasmogamia A ascósporo germina para produzir a hifa O micélio vegetativo se desenvolve A hifa produz o conidióforo Conídio Reprodução assexuadaReprodução sexuada Conidióforo Conídios são liberados do conidióforo O conídio germina para produzir a hifa Fonte: adaptado de Tortora, Funke e Case (2012). Sobre a contribuição desses organismos para o meio ambiente, esses degradam moléculas orgânicas resistentes como a celulose, lignina e o colágeno, sendo assim reciclada a matéria nos sistemas naturais. As leveduras (ascomicetos) Esses organismos se apresentam formados apenas por uma única célula. Portanto, são unicelulares, no formato de esfera ou ovo. Estão distribuídos amplamente pelos diversos ambientes, até mesmo sobre frutas e folhas (como um pó branco). As leveduras podem se reproduzir por brotamento, formando células não semelhantes (Figura 8). Figura 8 – Micrografia de Saccharomyces cerevisiae em diversos estágios do brotamento. Fonte: adaptado de Tortora, Funke e Case (2012). 16 Unidade: Fungos: Aspectos Gerais e Importância Por brotamento, uma única célula de levedura chega a reproduzir cerca de 24 novas células. Nesse tipo de reprodução, a célula mãe forma, em sua superfície, uma pequenina saliência (o broto). À medida que o broto se desenvolve, o núcleo da célula mãe é dividido e, posteriormente um dos núcleos migra para o broto. Após ser sintetizada a nova parede celular, o broto se desprende da célula mãe. Quando os brotos não se separam, são produzidas as pseudo-hifas, processo que acontece somente com alguns tipos de leveduras. No caso da levedura Candida albicans, essa necessita se apresentar no formato de “fios” (pseudo-hifas) para ter sucesso em parasitar os tecidos mais profundos da pele humana. Quando leveduras se reproduzem por meio de fissão binária, como as Schizosaccharomyces, essas se dividem, produzindo duas novas células idênticas. Algumas leveduras apresentam a capacidade de se desenvolverem na presença ou não do gás oxigênio (O2). São, portanto, chamadas de anaeróbicas facultativas, podendo utilizar esse gás ou uma substância orgânica como aceptor final de e- (elétrons). Estratégia que possibilita que esses fungos possam sobreviver em diversos ambientes. Assim, se conseguem acessar o gás oxigênio (O2), esses fungos (leveduras) aerobicamente metabolizam compostos orgânicos. Caso contrário, na ausência de O2, fermentarão compostos orgânicos, produzindo o álcool etanol (C2H6O2) e o gás dióxido de carbono (CO2). Nesse processo a fermentação é utilizada para se fabricar pães, vinhos e cervejas. Basidiomycetes Nesse grupo, com cerca de 25.000 espécies, estão inseridos os cogumelos, as orelhas-de-pau, além de importantes parasitas de plantas, como a ferrugem, por exemplo. Para se reproduzirem de maneira sexuada, esses fungos desenvolvem seus esporos sexuais dentro de estruturas chamadas basídios. Nessas estruturas, em suas extremidades, são formados os basidiósporos. Os esporos, após serem liberados e, se as condições ambientais forem apropriadas, desenvolverão novos micélios. Quando ramificadas e entrelaçadas, geralmente abaixo do substrato, as hifas formam o corpo vegetativo, tal como o do cogumelo comestível Agaricus campestris (Figura 9). 17 Figura 9 – Características gerais. Fonte: Bossolan (2002). As hifas também formarão os chamados botões, e essas estruturas desenvolverão o corpo do “cogumelo” ou o basidiocarpo, que consiste de um estipe (haste) e de um “chapéu” (píleo) (Figura 9). Abaixo do píleo (chapéu), nas lamelas, ficam alojados, aos milhares, os basidiósporos. Cada uma dessas estruturas apresenta potencial para formar um novo micélio. A reprodução sexuada ocorrerá quando uma hifa e um esporo se juntarem, ou então quando duas hifas (de tipos diferentes) se juntarem (plasmogamia). Após essa união (ou fusão), poderá ocorrer a formação de uma célula dicariótica (com dois núcleos), que dará origem a outras células dicarióticas. Com o passar do tempo, a fase dicariótica se desenvolve e, posteriormente, ficará independente da forma unicariótica. Logo em seguida, ocorrerá a cariogamia, seguida da meiose, formando quatro núcleos haploides, que constituirão quatro basidiósporos na extremidade de pequenos pedúnculos. Os basidiósporos são lançados no ambiente para serem disseminados por animais ou pelo vento. Cariogamia corresponde a fusão de um núcleo + (haploide - 1n) com um núcleo - (haploide -1n), que darão origem ao zigoto (diploide – 2n). 18 Unidade: Fungos: Aspectos Gerais e Importância O ciclo de vida começa quando o basidiósporo germina, originando um micélio uninucleado e haploide. Quando as hifas se fundem, forma-se uma célula dicariótica que dará origem ao micélio dicariótico, onde ocorrerá a diferenciação dos basídios e consequente formação do basidiocarpo, esse que produzirá novos basidiósporos (Figura 10). Figura 10 – Ciclo reprodutivo de um fungo basidiomiceto. Os basidiósporos são formados por meiose Estrutura de fruti�cação (cogumelo) se desenvolve Plasmogamia Reprodução sexuada Reprodução assexuada Crescimento do micélio vegetativo O basidiósporo germina para produzir hifas Um fragmento de hifa se desprende do micélio vegetativo O fragmento cresce para produzir um novo micélio 20 μm Basidiósporos maduros Os basidiósporos são liberados Fonte: adaptado de Tortora, Funke e Case (2012). Conforme é evidenciado na Figura 10, a reprodução assexuada desses organismos ocorre a partir de um fragmento do micélio (hifas). Deuteromycetes Por não apresentarem o estágio sexuado em seu desenvolvimento, esses organismos são também chamados de fungos imperfeitos. São classificados como fungos deuteromicetos, representados por cerca de 25.000 espécies. Sobre a forma de reprodução dos deuteromicetos, em sua grande maioria, reproduzem-se por meio de esporos assexuais (os conídios) (Figura 11). 19 Figura 11 – Estruturas sexuais dos Deuteromycetes. Fonte: adaptado de Pelczar, Chan e Krieg (1997). Importante Os fungos que produzem esporos sexuais e assexuais atualmente são chamados de teleomorfos. Já os fungos que se reproduzem de maneira assexuada são chamados de anamorfos. Historicamente, os fungos cujo ciclo sexual ainda não havia sido observado eram colocados no grupo, de “categoria de espera”, ou Deuteromycetes. Atualmente, porém, os micologistas usamo sequenciamento de rRNA para classificar esses organismos. Muitos dos que foram previamente classificados como deuteromicetos são fases anamórficas dos ascomicetos e alguns são basidiomicetos. Os fungos Penicillium e Aspergillus estão entre os gêneros mais importantes economicamente. Cabe-se ressaltar que algumas espécies de Penicillium produzem a penicilina, enquanto que outras espécies contribuem na produção de alimentos, como os queijos com o Camembert e o Roquefort. Algumas espécies do gênero Aspergillus são empregadas no processo de fermentação na indústria alimentícia, além de contribuírem na produção do ácido cítrico. Por outro lado, alguns desses fungos são causadores de doenças, como a candidíase, que afeta a mucosa da boca ou da vagina – sendo o agente, o fungo Candida albicans. Associações dos Fungos com outros Organismos - Líquen É uma combinação de uma alga verde (ou cianobactéria) com um fungo. Os líquens fazem parte do Reino Fungi, são classificados de acordo com o fungo associado, na maioria das vezes um ascomiceto. 20 Unidade: Fungos: Aspectos Gerais e Importância Esses dois organismos convivem em uma relação mutualística, em que ambos se beneficiam. Os líquens são diferentes tanto das algas quanto dos fungos quando ambos crescem separadamente, e se as partes são separadas, o líquen deixa de existir. Cerca de 13.500 espécies de líquens ocupam habitats significativamente diversos. Por poderem habitar áreas onde nem os fungos nem as algas poderiam sobreviver sozinhos, os liquens são, frequentemente, a primeira forma de vida a colonizar solos ou pedras recentemente expostas – os chamados organismos pioneiros no processo de sucessão ecológica. Secretam ácidos orgânicos que quimicamente desgastam as rochas e acumulam nutrientes necessários para o crescimento das plantas sucessoras. Também encontrados em árvores, estruturas de concreto e telhados, os líquens são organismos que crescem de forma extremamente lenta. Podem ser agrupados em três categorias morfológicas (Figura 12a). Os líquens crustosos crescem “encrustados” no substrato, os líquens foliosos são mais parecidos com folhas, e os líquens fruticosos possuem projeções semelhantes a dedos. O talo de um líquen, ou corpo, forma-se quando a hifa do fungo cresce ao redor das células da alga para se tornar a medula (Figura 12b). A hifa do fungo projeta-se abaixo do corpo do líquen para formar rizinas, ou estruturas de fixação. A hifa do fungo também forma o córtex, ou capa protetora, em cima da camada de algas e às vezes abaixo dessa. Após a incorporação como um talo de líquen, a alga continua seu crescimento e a hifa em desenvolvimento pode incorporar novas células de algas. Geralmente, os líquens se reproduzem por fragmentação. Seus fragmentos apresentam hifas do fungo e algas ou cianobactérias. Figura 12 – Tipos de líquens e morfologia do talo. Fruticoso Folioso Crustoso a) Os três tipos de liquens b) Talo do líquen Fungo Alga Córtex Córtex Rizina Medula Camada de alga Hifa do fungo 2 cm Fonte: adaptado de Tortora, Funke e Case (2012). 21 Os líquens crescem em todos os lugares, exceto em ambientes que se apresentam poluídos. Assim, alguns tipos são considerados “bioindicadores” de ambientes saudáveis ou não. Por apresentarem compostos químicos incomuns, muitos são usados como matéria-prima (corantes e bases fixadoras) nas indústrias farmacêutica, de cosméticos e alimentícia. Micorriza Quando um fungo e uma raiz de uma planta vivem em uma associação reciprocamente benéfica, temos formado a chamada “raiz fúngica”, ou micorriza. Geralmente os simbiontes (parceiros) fúngicos são os basidiomicetos e zigomicetos (Figura 13). Figura 13 – Micorriza em uma planta ornamental. Fonte: adaptado de Tortora, Funke e Case (2012). Destaca-se que essa relação simbiótica para algumas plantas é imprescindível. Por exemplo, algumas orquídeas não conseguem se desenvolver a menos que suas raízes sejam “infectadas” por fungos. As “raízes fúngicas”, as micorrizas ampliam à planta a absorção de minerais como: fósforo (P), zinco (Zn), cobre (Cu) e outros. Em contrapartida, a planta disponibiliza carbono (C) ao fungo simbionte. Os efeitos da micorrização são atribuídos, principalmente, ao desenvolvimento extrarradicular do micélio, que acontece após a colonização radicular pelo fungo. A utilização de plantas leguminosas na agricultura, pela característica de apresentar simbiose com rizóbio e fungos micorrízicos, mais a grande capacidade de exploração do solo, é de fundamental importância tanto ao equilíbrio biológico, como à reciclagem de nutrientes. Com isso, há maior equilíbrio nutricional das plantas e maior resistência do sistema ao aparecimento de pragas e doenças. 22 Unidade: Fungos: Aspectos Gerais e Importância Trufas Algumas espécies de Ascomycetes crescem em associação com algumas árvores (o carvalho e a faia, por exemplo) e seus corpos tornam-se frutificantes (comestíveis), desenvolvendo- se abaixo da terra, formando a trufa. Esse corpo comestível é constituído por uma massa de ascósporos e micélios, recoberto por uma espessa casca do micélio (Figura 14). Figura 14 – Trufas. Fonte: thinkstockphotos.com. Nessa relação simbiótica, o fungo fornece nutrientes à planta e essa, em troca, fornece substâncias essenciais ao crescimento do fungo. As trufas apresentam algumas características especiais (agradáveis), que são apreciadas por diversos profissionais da área gastronômica (chefs gourmet), como gosto, odor e textura. Importância dos Fungos Os fungos desempenham funções indispensáveis à manutenção da vida de todos os seres. Assim como algumas bactérias, a maioria dos fungos são saprófitas, portanto, decompõem e reciclam a matéria (nutrientes) nos diversos ecossistemas. Os nutrientes disponibilizados pelo processo de decomposição serão novamente incorporados pelos seres vegetais e distribuídos ao longo das cadeias alimentares. Algumas espécies de formigas devem cultivar (“cuidar”) fungos para que esses possam degradar a lignina e celulose presentes nas folhas verdes, disponibilizando, assim, a glicose às formigas se alimentarem. Outros fungos podem, ainda, ser utilizados como alimentos (cogumelos) ou nas indústrias alimentícia (pão e ácido cítrico) e farmacêutica (álcool e penicilina). Os fungos também são utilizados na biotecnologia há muitos anos. Aspergillus niger, por exemplo, é usado para produzir ácido cítrico para alimentos e bebidas desde 1914. 23 O fungo Trichoderma é utilizado comercialmente para a produção da enzima celulase, que é aplicada na remoção da parede celular de plantas na produção de sucos de frutas. Os fungos, ainda, são utilizados para o controle biológico de pragas. Em 1990, o fungo Entomophaga se proliferou de maneira inesperada e eliminou as mariposas que estavam destruindo árvores no Nordeste dos Estados Unidos (EUA). Nesse aspecto, cientistas estão investigando o uso de diversos fungos para o controle de pragas, tais como: • Metarrhizium, que cresce em raízes de plantas e gorgulhos (inseto do tipo besouro) que morrem após se alimentarem das raízes; • Um fungo associado a insetos, esses que se alimentavam de berinjelas pode se tornar um novo agente de controle biológico à praga conhecida como “moscas brancas”, que ocasiona grandes prejuízos à agricultura; • O fungo Coniothyrium minitans se alimenta de fungos que destroem culturas de soja e de feijão; • Uma espuma com Paecilomyces fumosoroseus é utilizada como alternativa biológica a produtos químicos para matar cupins que permanecem escondidos no interior de troncos de árvores e em outros locais difíceis de serem alcançados. A levedura Saccharomyces cerevisiae é utilizada na produção de pão e vinho. É também geneticamente modificada para produzir diversas proteínas, incluindo a vacina para a hepatite B. O vinho é produzido a partir da fermentação do açúcar de frutas, a cerveja a partirda fermentação da cevada, o pão cresce através das bolhas de CO2 formadas a partir da fermentação propiciada por fungos. Em contraste a esses efeitos benéficos, os fungos também podem ter efeitos indesejáveis à agricultura devido às suas adaptações nutricionais, deteriorando vegetais, grãos e frutas. Entre os basidiomicetos, encontramos espécies comestíveis e outras venenosas. Entre os cogumelos venenosos, que se ingeridos podem matar uma pessoa, os mais conhecidos são: o “anjo da morte” (Amanita phalloides) e o “anjo destruidor” (Amanita virosa). Outros cogumelos, se ingeridos, podem causar alucinação. Por essa propriedade esses cogumelos (Conocybe e Psilocybe, por exemplo) são usados em rituais sagrados por algumas etnias da América Central. O estado de transe (“viagem alucinógena”) experimentado por quem utiliza esses cogumelos é propiciado por uma substância chamada psilocibina, parecida com o ácido lisérgico (LSD). 5 • Introdução • Os Ciliophoras (ou ciliados) • Os Sarcodíneos • Os Sporozoa (ou esporozoários) • Os Mastigophoras (ou Flagelados) • Importância ambiental dos protozoários Para que você tenha sucesso em seus estudos, é de extrema importância que, além de ler atentamente o conteúdo desta Unidade, consulte os materiais complementares e também assista aos vídeos sugeridos. Recomenda-se também que você busque outras fontes que possam contribuir ao seu aprendizado, pois ao ir além do conteúdo apresentado, você criará condições para um maior aprofundamento sobre o tema e, com isso, enriquecerá seus conhecimentos. Assim, você se diferenciará dos demais! Nesta Unidade você terá a oportunidade de aprender sobre os microrganismos protozoários, suas formas, tipos, como se nutrem e se reproduzem, assim como a importância desses seres vivos para o meio ambiente. Protozoários: Aspectos Gerais e Importância 7 Introdução O termo protozoan significa “primeiro animal”. Assim, os protozoários, por apresentarem “características semelhantes” as dos animais, recebem essa nomenclatura. Os protozoários são seres eucariotos, não possuem parede celular, a maioria se locomove e se nutre por ingestão (sendo, portanto, heterotróficos) e, em alguns casos, são seres saprófitos ou parasitas. Preferem os ambientes úmidos, com temperaturas entre 16 e 25oC, pH 6,0 a 8,0 (levemente ácido a alcalino), para melhor se desenvolverem. Porém, há espécies que toleram ambientes com pH 3,2 a 8,7. Algumas espécies são importantes no processo de nutrição de animais herbívoros, pois habitam (em simbiose) o rúmen - primeira cavidade do estômago dos animais vertebrados herbívoros. Nutrem-se digerindo a celulose das plantas e, como consequência, disponibilizam ao hospedeiro nutrientes necessários à sua sobrevivência. Para organizarem os grupos de protistas (protozoários), os pesquisadores tiveram como referência a história evolutiva. Entretanto, a classificação atual dos protozoários está embasada no sequenciamento do RNA ribossômico. Assim, é possível que à medida que mais informações forem obtidas, alguns grupos poderão ser classificados em reinos diferentes dos atuais, ou até poderão ser reagrupados em reinos já existentes ao protista (Domínio Eukarya). De maneira geral, seu modo de locomoção também é uma referência para que os protozoários possam ser classificados. Os que se movem através de mecanismos de expansões do citoplasma, formando “falsos pés” (os chamados pseudópodos) são classificados como Filo Sarcodina (as amebas, por exemplo). Já aqueles que apresentam uma “longa cauda” (flagelados), estão agrupados no Filo Mastigophora. Localizadas em uma das extremidades do corpo do protozoário, essas estruturas (os flagelos), em movimento de “chicote” permitem ao organismo se deslocar em meio líquido. Os que se movimentam através de apêndices finos (os cílios) são classificados como membros do Filo Ciliophora (o Plasmódium, por exemplo). Entre esses organismos há, também, os esporozoários, membros do Filo Sporozoa, que não possuem estruturas externas para locomoção (cílios ou flagelos), locomovendo-se, portanto, de maneira “semelhante” aos sarcodíneos (as amebas), ou seja, por deslizamento: 8 Unidade: Protozoários – Aspectos Gerais e Importância Figura 1 – Os diversos Filos dos Protozoários. Película Ocelo Flagelo Núcleo Citóstoma A - Esporozoítos B - Merozoítos Película Cloroplasto Flagelo pré-emergente Cili Citóstoma Vacúolo alimentar Vacúolo alimentar Núcleo Pseudópoles Vacúolo contrátil Macronúcleo Micronúcleo Poro anal Fonte: Adaptado de Tortora, Funke e Case (2012). Os Sarcodíneos Por sempre estarem alterando sua forma, a todo o momento, tanto para o deslocamento, quanto para ingerir nutrientes, com base na palavra grega amoibe (que significa “modificação”), os cientistas deram o nome de ameba aos principais representantes do Filo Sarcodina. Como citado, o deslocamento das amebas se dá pela expansão dos pseudópodos (“falsos pés”). Exemplo típico é a Amoeba Proteus, cuja célula chega a apresentar 0,5mm de diâmetro ao expandir seus pseudópodos. As amebas se alimentam, ingerindo protozoários e algas e também de protoplasma morto. Ao perceberem a presença de uma “partícula de alimento”, deslocam-se em sua direção, “abraçando-a” com seus pseudópodos, esse processo de ingestão de nutrientes é chamado de fagocitose: Figura 2 – Ameba se alimentando (fagocitose). Alimento Ameba Pseudópodos Fagossomo Fonte: nossomeioporinteiro.wordpress.com. 9 Após o alimento ser ingerido, esse ficará armazenado em um vacúolo alimentar (fagossomo). Em seguida, enzimas digestivas, que estão armazenadas nos lisossomos, agirão sobre o alimento, digerindo-o e formando a estrutura “vacúolo digestivo”. Com a contribuição das correntes citoplasmáticas, o vacúolo digestivo se desloca no interior da ameba. Com isso, o alimento digerido será distribuído por todo o corpo do organismo, ou seja, da ameba. Os resíduos (sobras) da digestão serão também armazenados em um vacúolo, que agora passa a ser chamado de “vacúolo residual”. Posteriormente, essas sobras serão eliminadas da ameba através do processo conhecido como “defecação celular”, ou clasmocitose. As amebas e outros protozoários de água doce se apresentam com células hipertônicas em relação ao meio externo. A diferença entre a concentração do suco celular (dentro da ameba) e da água doce (meio externo) é suficiente para saturar a célula (ameba) e consequentemente rompê- la para equilibrar as concentrações entre o meio interno e externo, ocorre o processo de osmose. Células hipertônicas possuem maior concentração de sais dissolvidos em água quando comparada à concentração de sais do meio externo. O processo de osmose é um movimento (sem gasto energético) de água entre os meios (interno e externo) com concentrações diferentes, separados por uma membrana semipermeável. O objetivo da osmose é, portanto, equilibrar as concentrações dos dois meios. Para contribuir com o processo de osmose e, consequentemente, não se romper (“estourar”) os protozoários de água doce, desenvolveram os chamados “vacúolos pulsáteis”, organelas citoplasmáticas contráteis que eliminam o excesso de água que entrar na célula: Figura 3 – Esquema de uma ameba. Plasmalema Ectoplasma Pseudópolo Núcleo Vacúolo digestivo Vacúolo contrátil Fonte: nossomeioporinteiro.wordpress.com. Por outro lado, os protozoários que vivem em meio líquido salgado geralmente não apresentam os “vacúolos pulsáteis”, pois nessa condição, a concentração do meio externo será igual à do citoplasma da célula (protozoário). 10 Unidade: Protozoários – Aspectos Gerais e Importância A reprodução assexuada, por meio da divisão binária, é o tipo mais comum de reprodução entre os sarcodíneos. Assim, durante a sua reprodução, esses organismos dividem-se ao meio, dando origem a uma “célula-filha” (novo protozoário) com a mesma informação genética da “célula-mãe”: Figura 4 – Reprodução de uma ameba por divisão binária. Ameba“Mãe” Ameba “Filha” Fissão (divisão) do núcleo e do citoplasma Fonte: cienciasvm.blogspot.com.br. Há algumas espécies de amebas que apresentam um tipo de estrutura de revestimento (carapaça), essas são, então, chamadas de “tecamebas”. A carapaça das tecamebas pode ser formada por pequenas partículas que se aglutinam ao redor da célula (ameba) ou mesmo por substâncias secretadas pela própria ameba. Algumas amebas são importantes ao homem por causarem doenças. Entre essas espécies algumas são parasitas, como as Entamoeba coli e. histolytica, que ocorrem no intestino. Ao parasitar o intestino humano, esses organismos causam a disenteria amebiana (amebíase), caracterizada por diarreias carregadas de sangue. Esse tipo de organismo também apresenta a capacidade de se encistar, sendo liberado nessa forma (em cistos ou “ovos”) pelas fezes do homem. Tais estruturas, os cistos, são resistentes, permitindo a “sobrevivência” do parasita (nesse estágio) fora do corpo do hospedeiro por um longo período. Os seres humanos podem ingerir esses cistos (ou “ovos”) ao se alimentarem de frutas ou verduras mal lavadas, ou ao beberem água contaminada. Novamente dentro do organismo humano, esses cistos se rompem liberando protozoários que se instalarão na mucosa intestinal, causando lesões e, consequentemente, diarreias com sangue. A profilaxia, ou meio de prevenção, dessa doença se dá através de práticas higiênicas e medidas eficazes de saneamento básico. Dentro do Filo Sarcodina, além das amebas, encontra-se também o conjunto de organismos denominados foraminíferos. Principalmente marinhos, esses apresentam carapaça formada por diferentes câmaras. Os foraminíferos possuem uma teca (concha ou carapaça) que pode conter uma ou mais câmaras (unilocular ou multilocular, respectivamente), sendo todas ligadas por uma pequena abertura chamada forâmen. Devido a essa abertura que esse grupo recebeu o nome de foraminíferos. 11 Suas carapaças podem ser formadas por carbonato de cálcio (CaCO3), secretado pelo próprio organismo ou por agregados de grãos de areia que se aglutinam ao redor do corpo. O formato da carapaça pode variar significativamente, dependendo da espécie, entretanto, muitas lembram minúsculos caracóis: Figura 5 – Formato e estruturas de uma carapaça. Parede perfurada Câmara Septo Prolóculo Sutura A B Face apertural Abertura (forâmen) Legenda: a) corte transversal de um foraminífero; b) vista apertural – onde se encontra a entrada (abertura). Fonte: www.phoenix.org.br. Representantes fósseis desses organismos (os foraminíferos), por serem bons indicadores da presença de petróleo, são importantes nas pesquisas de prospecção de jazidas desse óleo bruto. Os Mastigophoras (ou Flagelados) A origem do nome desse filo é justamente por esses protozoários apresentarem flagelos (mastix = flagelo; phoros = portar). Os flagelados estão divididos em dois grupos, os zooflagelados que não possuem clorofila e realizam sua nutrição de modo heterotrófico, e os fitoflagelados que geralmente apresentam clorofila e, portanto, realizam a fotossíntese para a obtenção de nutrientes, como por exemplo as euglenas: 12 Unidade: Protozoários – Aspectos Gerais e Importância Figura 6 – Esquema de uma Euglena. Fonte: www.educadores.diaadia.pr.gov.br. Na maioria dos casos, a reprodução dos flagelados se dá de maneira assexuada, por divisão binária. Alguns desses protozoários se locomovem livremente na água, utilizando, para tanto, os flagelos, enquanto outros vivem fixados a um substrato por meio de um pedúnculo. Nesse último caso, os flagelos são utilizados apenas à captura de nutrientes. Quando apresentam uma estrutura parecida a um “colarinho” ao redor da base do flagelo, são chamados de coanoflagelados (como o Trypanosoma cruzi): Figura 7 – Exemplos de protozoários flagelados. Flagelo Flagelos Núcleo com cariossoma central Cisto Disco ventral 20μm 10μm axonema núcleo Corpos medianosMitocôndria (com DNA) Núcleo Trypanosoma cruzi Giardia lamblia Fonte: armymedical.tpub.com. Entre os flagelados que parasitam do homem, destacam-se os gêneros Trichomonas, Leishmania, Giardia e Trypanosoma. O protozoário Trichomonas vaginalis parasita a genital feminina e/ou a masculina, causando a doença chamada tricomoníase. A transmissão dessa doença se dá através da relação sexual e, também, pela utilização de sanitários não higienizados. 13 A doença conhecida como “úlcera e bauru” ou leishmaniose é causada pelo protozoário Leishmania brasiliensis. Esses organismos parasitam as mucosas dos seres humanos, provocando ulcerações progressivas. Para infectar o ser humano, esse protozoário necessita de um vetor (transporte). Nesse caso, o papel de vetor é desempenhado pelo inseto Phlebotomus intermedius, mais conhecido como “mosquito palha” ou “birigui”. Existe tratamento específico para essa doença e a maneira de se prevenir consiste, essencialmente, em combater o mosquito transmissor. Outra patologia causada por esses protozoários e a giardíase. Provocada pelo protozoário Giardia lamblia (ou pelo G. intestinalis), essa doença causa disenteria no homem. Sua transmissão se dá pela ingestão de alimentos mal lavados ou de água contaminada. Após sua ingestão, esse protozoário, parasita intestinal, instala-se no jejuno-íleo e, frequentemente, pode se instalar na vesícula biliar, tornando o tratamento mais complexo. Jejuno e íleo correspondem a porções do intestino delgado. Logo após o estômago, a porção inicial do intestino delgado é chamada de duodeno, a seguir, o jejuno – ou parte central - e, por último, o íleo, já nas proximidades do intestino grosso. Como medidas de prevenção, as práticas de higiene pessoal e alimentar, assim como ações de saneamento básico eficazes estão entre as recomendadas. Uma das patologias causadas por protozoários mais importantes no Brasil é a “doença de Chagas”. Essa recebeu tal nome em homenagem ao pesquisador brasileiro Carlos Chagas, que estudou e descreveu o ciclo de vida do protozoário (parasita) causador da doença, o Trypanosoma cruzi (Figura 7). Por provocar a hipertrofia (“aumento”) e a flacidez no órgão infectado, essa doença é também chamada de “doença dos mega” (megacolo, megaesôfago etc.). O T. cruzi tem enorme preferência em parasitar o músculo do coração, causando, como consequência, o aumento desse órgão e provocando disfunções, podendo levar o portador da doença à morte. Não há cura para essa grave doença que, somente na América do Sul, acomete mais de sete milhões de pessoas. O vetor da doença, ou seja, o organismo que leva o protozoário para infectar o homem, é um inseto que se alimenta de sangue (um hematófago) do grupo dos triatomídeos. Esse inseto é conhecido popularmente como “barbeiro” ou “chupança” (Triatoma infestans, Panstrongylus megistus e outros). Para a sua sobrevivência, o Trypanosoma necessita de dois hospedeiros, o homem (ou outro mamífero) e o inseto (o “barbeiro”): 14 Unidade: Protozoários – Aspectos Gerais e Importância Figura 8 – Esquema do ciclo de vida do T. cruzi. O inseto pica e defeca ao mesmo tempo. O tripomastigota passa à ferida nas fezes. Os tripomastigotas invadem células onde se transformam em amastigotas. Os amatigostas multiplicam-se dentro das células assexualmente. Os tripanossomas então invadem novas células em regiões diferentes do corpo que invadem e onde se multiplicam como amastigotas. Os amastigotas transformam-se em tripomastigotas e destroem a célula sainda para o sangue. Tripanomastigotas sanguíneos são absorvidos por novo inseto em nova picada. Transformam-se em epimastigotas no intestino do inseto Multiplicam-se. Transformam-se em tripomastigotas. 1 2 3 4 5 6 7 8 Fonte: znrealiza.com. A maneira mais eficiente de controlar essa enfermidade é administrar a população do inseto “barbeiro” (o vetor) e melhorar as condições habitacionais em regiões de grande ocorrência da doença. Destaca-se que a doença do sono, transmitida pela moscatsé-tsé (o vetor) é também causada por protozoário do gênero Trypanosoma (T. gambiensis e o T. rhodesiense). 15 Os Ciliophoras (ou ciliados) Esses organismos possuem estruturas semelhantes aos cílios para se locomoverem e também capturarem alimento. Essas estruturas, os cílios, diferem dos flagelos em relação ao tamanho – os cílios são bem curtos –, número – os cílios são bem numerosos – e frequência de batimentos – os cílios batem com maior rapidez. Para a sua nutrição, conduzem, através dos batimentos de seus cílios, as partículas de nutrientes do meio externo, que são direcionadas a uma estrutura parecida a uma boca aberta, chamada de citóstoma (“boca celular”). Após essas partículas alcançarem a citofaringe, estrutura tubular que possui um tufo de cílios, forma-se o “vacúolo digestivo”, que levado pelas correntes citoplasmáticas circulará pelo interior do organismo, distribuindo, assim, os nutrientes. Os resíduos metabólicos serão eliminados através de uma região específica do corpo do protozoário, chamada de poro anal. Como em outros microrganismos unicelulares, o oxigênio entra no protozoário pela membrana celular, enquanto o CO2 se difunde para o meio externo (também através da membrana). O protozoário Paramecium caudatum (Figura 1) é um exemplo bem comum de um protozoário ciliado, sendo encontrado em lagos e açudes. Apresenta a forma de “solado de sapato”, sendo sua porção anterior (frontal) arredondada e a sua porção posterior levemente afilada (Figura 1). Outra característica do Parameciuem é a presença de dois diferentes tipos de núcleos: o micro e macronúcleo. Ressalta-se que nesses organismos o número de micronúcleos pode variar, existindo, no entanto, sempre um macronúcleo. A reprodução nos ciliados, em condições ambientais favoráveis, é do tipo assexuada, ocorrendo por fissão ou divisão binária. Nesse tipo de reprodução, o macro e o micronúcleo se dividem, ocorrendo a formação de um sulco transversal, separando a célula ao meio (Figura 9). Surge, então, uma nova célula (um novo protozoário), geneticamente idêntica a que lhe deu origem. Mantendo as condições ambientais favoráveis, esses organismos podem se dividir (reproduzir) de duas a três vezes em um único dia: Figura 9 – Meio de reprodução nos ciliados. Fonte: Adaptado de nossomeioporinteiro.wordpress.com. 16 Unidade: Protozoários – Aspectos Gerais e Importância Por outro lado, em condições ambientais não favoráveis, a reprodução acontecerá de forma sexuada. Nesse tipo de reprodução, dois indivíduos se juntam formando uma ponte citoplasmática, por meio da qual “trocarão” micronúcleos. Posteriormente, por diferenciação, os micronúcleos recém-formados darão origem a um macronúcleo. Esse tipo de reprodução recebe o nome de conjugação (Figura 9). Em relação à diversidade, os protozoários representantes do Filo Ciliophora podem apresentar cílios em apenas algumas regiões da célula (corpo) ou até mesmo recobrindo todo o corpo (célula), como é o caso do Paramecium (Figuras 1 e 9). Um grupo bem peculiar de protozoários ciliados é o chamado suctório, que recebe esse nome por apresentar estruturas adaptadas à sucção de substâncias nutritivas (figura 10). Figura 10 – Exemplos de ciliados suctórios. Fonte: Adaptado de Bossolan e Araújo (2002). Quando “adultos”, os cílios desses protozoários (os suctórios) caem e “tentáculos” se desenvolvem. Essas novas estruturas formadas (“tentáculos”), como responsáveis pela captura de partículas de nutrientes no meio externo, são de extrema importância à nutrição do protozoário. É bem comum os suctórios predarem outros protozoários, como por exemplo outros ciliados. Esse processo se dá pela atuação de estruturas de defesa (chamadas de tricocistos), dispostas nas extremidades de seus “tentáculos”, através das quais esses conseguem imobilizar suas presas. Posteriormente à captura, o protozoário predador (o suctório) sugará o citoplasma de sua presa. O “suco nutritivo” ingerido será, em seguida, digerido na estrutura interna do chamado vacúolo digestivo. Há, também, protozoários ciliados parasitas, como por exemplo, o Balantidium coli (Figura 11), que se aloja no intestino humano, sugando nutrientes do portador (hospedeiro). Esse parasita pode ser adquirido ao se ingerir água contaminada. 17 Figura 11 – Esquema de um Balantidium. Citóstoma Macronúcleo Cílios Vacúolo Micronúcleo Fonte: Adaptado de aparasiteworld.blogspot.com.br. Os Sporozoa (ou esporozoários) Conforme citado, esses organismos se caracterizam, principalmente, pela ausência de estruturas relacionadas à locomoção. Conseguem se alimentar absorvendo nutrientes de outros organismos (hospedeiros). Portanto, são parasitas: Figura 12 – Esquema de um Sporozoa. Retículo Endoplasmático Aparelho de Golgi Mitocôndria Fonte: crv.educacao.mg.gov.br. 18 Unidade: Protozoários – Aspectos Gerais e Importância No processo de reprodução desses protozoários, a maioria apresenta duas fases: a assexuada e a sexuada. Na fase assexuada a reprodução se dá por esquizogonia ou divisão múltipla. Nesse processo (esquizogonia) a “célula mãe”, por mitose, sofrerá diversas divisões. Entretanto, seu citoplasma não é divido. Ao cessar as divisões da “célula mãe”, uma membrana plasmática passará a envolver cada núcleo juntamente com parte do citoplasma da “célula mãe”. Dessa maneira, serão formadas várias “células filhas”, que serão liberadas (os novos protozoários – chamados de merozoítos). Cada merozoíto (novo protozoário) gerado apresentará apenas um núcleo (pequeno). A reprodução sexuada por esporogonia é a responsável pelo nome do grupo, pois por se assemelharem a esporos, são chamadas de esporozoítos. Esse tipo de reprodução ocorre logo após a formação do zigoto, durante o ciclo reprodutivo dos esporozoários. O zigoto geralmente sofre um encistamento e, após uma divisão meiótica, origina quatro esporozoítos com metade do número cromossômico do zigoto. Em seguida, por mitoses sucessivas, essas células multiplicam-se originando muitos outros esporozoítos, que são finalmente liberados do cisto. Os esporozoários de maior importância para o homem são os do gênero Plasmodium, causadores da doença malária ou maleita. Você Sabia ? Por ano é estimado que, geralmente em regiões tropicais, cerca de cem milhões de pessoas contraem essa grave doença. Aproximadamente 1% (um milhão) que contrai a malária chega ao óbito. Para infectar e parasitar uma pessoa, o protozoário precisa ser transportado e esse papel (de vetor) é realizado pelo mosquito do gênero Anopheles: 19 Figura 13 – Ciclo de vida de esporozoário Plasmodium. Estágio sexual: forma masculina ou feminina de gametócitos Estágios do mosquito O mosquito consome o parasita durante a alimentação de sangue O mosquito injeta o parasita quando pica o ser humano Células do fígado humano fase do fígado humano Fase �nal do mosquito Células do sangue humano gametas oocineto oocisto esporozoítos ciclo de células sanguíneas humanas gametócitos merozoítos Fonte: Adaptado de medstnews.blogspot.com.br. Quando o mosquito contaminado pelo protozoário (Plasmodium) pica uma pessoa sadia, o protozoário (forma de esporozoítos) é introduzido. Dentro do homem (o novo hospedeiro), os esporozoítos, por meio da corrente sanguínea, chegam e se instalam no fígado. Nas células desse órgão se reproduzem (por esquizogonia) dando origem a novos protozoários, chamados de trofozoítos (Figura 13). Os trofozoítos, em grande quantidade, rompem as células, podendo novamente infectar outras células do fígado ou também caírem na corrente sanguínea, penetrando nos glóbulos vermelhos (as hemácias). Dentro das hemácias, inicialmente, os trofozoítos tomam a forma anelada (igual a um anel). Posteriormente, reproduzem-se por esquizogonia, originando diversos novos protozoários, chamados de merozoítos. 20 Unidade: Protozoários – Aspectos Gerais e Importância Não suportando comportar a enorme quantidade de merozoítos, as hemáciasse rompem (hemólise). Após liberados, os merozoítos se reproduzirão novamente, por esquizogonia e, posteriormente, infectarão novos glóbulos vermelhos (hemácias). Os merozoítos podem, ainda, não se dividir dentro do glóbulo vermelho (na hemácia). Nesses casos ocorrerá um processo de diferenciação, originando as células chamadas de gametócitos (Figura 13). O mosquito, ao picar um portador da malária, sugará as hemácias que contêm essas células (os gametócitos), iniciando, no interior do inseto, um novo ciclo de vida do protozoário. Uma vez no estômago do mosquito, os gametócitos diferenciam-se em gametas masculinos e femininos, ocorrendo em seguida a fecundação. O zigoto formado fixa-se na parede do estômago do inseto, formando um cisto, no interior do qual ocorre a esporogonia, onde o zigoto sofre meiose e as células haplóides resultantes multiplicam-se diversas vezes, dando origem a muitos esporozoítos que rompem o cisto. Esses cistos são liberados e penetram na glândula salivar do inseto. Por fim, ao picar um indivíduo sadio, o ciclo se reinicia (figura 13). É importante ressaltar que o ciclo de vida do plasmódio somente se completa se houver os dois hospedeiros: o mosquito (Anopheles) e o ser humano. No mosquito, conforme demonstrado, ocorrerá a reprodução sexuada, por isso, o inseto é considerado com “hospedeiro definitivo”. O homem, por sua vez, é considerado “hospedeiro intermediário”, pois ao parasitá-lo o protozoário realiza apenas a reprodução assexuada. A doença malária é caracterizada por episódios febris característicos, podendo levar o paciente até à morte. Quando tratada precocemente e de maneira adequada, essa doença tem cura. O objetivo maior do tratamento está em impedir o desenvolvimento do parasita, a dose dos medicamentos (antimaláricos) dependerá da severidade da doença, da espécie do protozoário (Plasmodium vivax, P. ovale, P. malariae, P. falciparum) e também da idade e peso (biomassa) do paciente. Cabe ressaltar que o protozoário P. falciparum é o parasita que pode causar a forma mais grave e complicada da doença. Para se prevenir da malária, a picada do mosquito vetor deve ser evitada, colocando-se telas nas janelas e portas das residências e mosquiteiros (véu) sobre a cama. Importante Outra doença que merece destaque e também é causada por um protozoário do tipo esporozoário é a toxoplasmose. Ocasionada pelo Toxoplasma gondii, tal patologia é comum em mamíferos e aves. No ciclo de vida desse parasita (T. gondii) são necessários dois hospedeiros, como no ciclo do Plasmodium. No chamado “hospedeiro definitivo”, geralmente gatos, ocorre a reprodução sexuada do protozoário (o parasita) e no “hospedeiro intermediário”, que pode ser o homem ou outro mamífero, ocorre a fase reprodutiva do tipo assexuada. 21 A infecção não ocorre diretamente, ou seja, de um mamífero doente para outro sadio. Assim, o parasita será transmitido por “contágio indireto” através da ingestão de “ovos” (os oocistos) presentes em gramados, alimentos e/ou objetos contaminados. Entre os alimentos, os ovos podem estar presentes em carnes mal cozidas (preferencialmente de carneiro e de porco). Quando o mamífero (fêmea) estiver contaminado pelo parasita e ainda estiver gestando um “filhote”, a transmissão poderá ocorrer para o feto ainda em desenvolvimento. Esse tipo de transmissão é chamada de congênita ou placentária, pois o protozoário consegue atravessar a placenta (estrutura materna) e contaminar o feto que, dependendo de seu estágio de desenvolvimento, poderá sofrer danos muito severos (cegueira, lesões no encéfalo e até o aborto). Manchas avermelhadas, temperatura corpórea elevada e constante inchaço de estruturas e/ ou órgãos (como gânglios, fígado e baço) estão entre os sintomas apresentados por um paciente com toxoplasmose. Não há ainda um medicamento eficaz para curar essa doença, dado que os existentes conseguem somente agir contra as formas proliferativas e não sobre os ovos (oocistos). Importância ambiental dos protozoários Encontrados em praticamente todos os ambientes, os protozoários podem ser utilizados como indicadores de condições ambientais. Ao se alimentarem de outros organismos, como as bactérias, por exemplo, realizam o chamado “controle biológico” de organismos potencialmente causadores de doenças ou de outros prejuízos. Neste aspecto, destaca-se o protozoário Nosema locustae, um parasita de insetos que, por esta “habilidade” apresentada, é cultivado e comercializado para controlar a população de gafanhotos que prejudicam as lavouras. Ao contribuírem com a reciclagem da matéria (quando saprófagos) e com a nutrição de outros organismos, consequentemente esses seres são também imprescindíveis à manutenção das diversas cadeias alimentares. 5 Para que você tenha um excelente rendimento nos estudos, é de extrema importância que, além de ler atentamente o conteúdo desta Unidade, você consulte, ainda, os materiais complementares e assista ao vídeo sugerido. Recomenda-se também que você busque outras fontes que possam contribuir ao seu aprendizado. Seja um(a) gestor(a) ambiental diferenciado(a), aprofunde-se no tema e enriqueça, ainda mais, seus conhecimentos! “O segredo de um grande sucesso está no trabalho e no contínuo estudo”. Nesta Unidade será apresentado o conceito de biorremediação, assim como o papel de diversos microrganismos nesse processo natural de remediação de sistemas contaminados. Biorremediação: A Contribuição dos Microrganismos • Introdução • O uso de microrganismos para remediar sistemas naturais • Fatores que interferem na biorremediação • Degradação de poluentes organoclorados em efluentes industriais 7 Introdução No final do século XIX os resultados das pesquisas dos microbiologistas Beijerinck e Winogradsky evidenciaram que microrganismos (neste caso, as bactérias) poderiam contribuir com a reciclagem da matéria (elementos químicos). Estes estudos deram origem ao ramo das Ciências Biológicas, a ecologia microbiana, que passou a estudar a relação entre os microrganismos e o meio em que vivem. Os elementos químicos como o oxigênio (O), o carbono (C), o nitrogênio (N), o fósforo (P), entre outros, são indispensáveis à manutenção da vida. Entretanto, na forma como esses elementos se encontram distribuídos (naturalmente) nos diversos sistemas naturais (solo, ar, água), os organismos mais complexos como as plantas e os animais não conseguem absorver tais elementos. Assim, para que esses organismos possam “utilizar” tais elementos, o papel de “transformação”, desempenhado pelos microrganismos, é imprescindível. Neste contexto surge a Biotecnologia, Ciência que pode ser conceituada como o conjunto de diversas técnicas que utilizam “agentes” biológicos (organismos, células, organelas, moléculas, enzimas) para obter bens (produtos), ou mesmo desempenhar processos de remediação de sistemas naturais contaminados por poluentes, ou tratamento de efluentes (esgotos). Entre as diversas técnicas que a Biotecnologia faz uso, a Engenharia Genética se destaca como uma tecnologia inovadora, que nos permite substituir métodos tradicionais de produção (moléculas, enzimas ou hormônios), assim como possibilita obter produtos inteiramente novos, como por exemplo os Organismos Geneticamente Modificados (OGM). Na área de saneamento e remediação ambiental, avanços na ecologia microbiana têm permitido um maior conhecimento das interações entre os microrganismos como a matéria e os seres vivos, além de suas contribuições nos processos de remediação ambiental. O uso de microrganismos para remediar sistemas naturais No final da década de 1980, os cientistas aperfeiçoaram alguns processos onde microrganismos utilizavam substâncias poluentes como fonte de energia, ou mesmo, através de suas enzimas, conseguiam degradar (“quebrar”) substâncias poluentes originais em outras pequenas, de menor potencial poluente (ou inertes). Após os resultados desses estudos e pesquisas,os cientistas passaram a utilizar com maior frequência os microrganismos (ou suas enzimas) para “limpar” (remediar) sistemas naturais contaminados. Esses processos são chamados de biorremediação. Importante Ressalta-se que outros organismos, além dos microrganismos, também apresentam potencial para remediar ambientes contaminados, como por exemplo, as algas e as plantas. 8 Unidade: Biorremediação: A Contribuição dos Microrganismos Alguns microrganismos que mostraram, em escalas laboratoriais, grande eficiência nos processos de remoção de poluentes, começaram a ser utilizados para remediar ambientes contaminados, como por exemplo, poços subterrâneos contaminados e em locais onde ocorrem acidentes com derramamentos de compostos químicos. Neste aspecto, no desastre com o petroleiro Exxon Valdez, ocorrido em 1989 no Golfo do Alaska (Figura 1), uma das técnicas para remediar (despoluir) as áreas contaminadas pelo petróleo derramado foi a utilização de microrganismos com potencial de degradar esse tipo de óleo. Figura 1 – Derramamento de petróleo no golfo do Alaska em 1989 – processos de contenção do óleo e de remediação. Fonte: cwu.edu - PH2 POCHE/ Wikimedia Commons A partir das evidências de sua eficiência, tanto em pesquisas como em campo, o processo de biorremediação é recomendado pelos cientistas como uma técnica viável à remediação (descontaminação) de sistemas (solo e água) poluídos, assim como para decompor resíduos especiais e efluentes industriais. Embora figurem outras técnicas de engenharia que, por meio de processos físicos e/ ou químicos recuperam ambientes poluídos, a técnica de biorremediação é natural, além de mais adequada e eficaz para restaurar sistemas naturais contaminados por substâncias xenobióticas recalcitrantes. Xenobióticos são compostos químicos não naturais, sintetizados pelo homem, que os microrganismos não degradam – esses compostos são “estranhos” para tais! Recalcitrantes são compostos químicos que não sofrem degradação e, assim, perduram por longo período nos sistemas naturais. Entre essas substâncias (tóxicos estranhos e persistentes) que vêm sendo lançadas nos sistemas ambientais há mais de cem anos, encontram-se os pesticidas, metais pesados, fármacos, corantes. Ressaltasse que muitos desses compostos ou de seus produtos de degradação causam danos enormes à saúde ambiental e humana. Algumas substâncias são potencialmente mutagênicas, de teratogênicas e carcinogênicas, consequências que vêm modificando a estrutura ecológica e funcional das comunidades biológicas, inclusive humana. 9 Mutagênico se refere ao agente que pode causar mutação, ou seja, dano no material genético (DNA) de um ser vivo. Esse dano no DNA pode ser transmitido às gerações seguintes. Teratogênico diz respeito ao agente capaz de causar malformações no feto ainda em desenvolvimento. Carcinogênico é o agente com potencial cancerígeno, isto é, com poder de iniciar o desenvolvimento de um câncer em um ser vivo. Nos processos de biorremediação, utilizam-se microrganismos autóctones ou introduzidos (modificados ou não geneticamente) com capacidade de degradar essas substâncias xenobióticas recalcitrantes, transformando-as em moléculas com menor potencial poluidor, ou ainda transformando-as em compostos químicos mais simples, como por exemplo: ( ) ( ) ( ) ( ) ( )2 22 2 3 4 4 , , , , .H O água CO gás carbônico NH amônia SO sulfato PO fosfato− − Microrganismos autóctones são seres que vivem no mesmo ambiente que é objeto da pesquisa ou intervenção. Entende-se por compostos químicos mais simples nesse processo a transformação de uma substância complexa em outra mais elementar (como água e gás carbônico), cuja operação é chamada de mineralização. Devido à combinação genética individual das diferentes espécies microbianas, ao longo das gerações, suas vias metabólicas evoluíram, assim como a capacidade de degradar compostos xenobióticos. Estudos sobre a adaptação dos microrganismos à exposição a esses compostos e aumento da eficiência dos processos de degradação estão cada vez mais desenvolvidos. Nesse sentido, ressalta-se que técnicas moleculares atuais têm contribuído para o avanço das pesquisas sobre adaptação na evolução dos microrganismos. Fatores que interferem na biorremediação Diversos fatores podem influenciar a capacidade de qualquer sistema microbiológico de degradação, entre os quais pode-se citar: o físico, o químico e o biológico. Fatores físicos Entre os fatores físicos destacam-se a luminosidade, a temperatura e o sistema onde ocorre o processo (água, solo, sedimento). Quando os compostos xenobióticos alcançam o solo, as partículas que compõem esse substrato (ou matriz), através da atração de cargas opostas, conseguem adsorver os compostos xenobióticos, processo que diminui a disponibilidade de substâncias poluentes (compostos xenobióticos) para que os microrganismos possam degradá- las. A taxa da atividade metabólica dos microrganismos pode ser reduzida quando o processo ocorre em ambientes que apresentam temperaturas baixas; como consequência, a taxa de degradação dos compostos xenobióticos também é reduzida. 10 Unidade: Biorremediação: A Contribuição dos Microrganismos Fatores químicos Diversos fatores químicos também podem influenciar na taxa de degradação de um composto xenobiótico, entre esses fatores destacam-se: a composição química e o pH da matriz (água ou solo), a concentração de oxigênio ( )2O , o potencial redox da matriz, a umidade e a estrutura molecular do composto xenobiótico (poluente). pH significa potencial hidrogeniônico, grandeza físico-química que indica (em uma escala de 0 a 14) a acidez (de 0 a 6,9), neutralidade (7) ou alcalinidade (de 7,1 a 14) de uma solução. As reduções-oxidações – ou redox – são reações de transferência de elétrons. Para que ocorra uma “reação redox”, deve haver um agente que perderá elétrons (redutor) e outro que os receberá (oxidante) Em relação à estrutura molecular do poluente, pode-se citar a alta persistência de compostos nitroaromáticos nos sistemas naturais, como os agrotóxicos e o Trinitrotolueno (TNT), por exemplo na Figura 2. Apesar de avanços nas pesquisas, os cientistas ainda se empenham para conseguir isolar microrganismos que possam degradar esses complexos compostos xenobióticos. Ainda há alguns metais, classificados como “pesados”, que podem inibir a atividade das enzimas (produzidas pelos microrganismos), e por conseguinte, reduzir também a capacidade de degradação de compostos xenobióticos. Por outro lado, em algumas condições os elementos químicos do tipo metais podem melhorar a capacidade de degradação do composto xenobiótico, atuando como cofatores enzimáticos. Atenção Os metais pesados apresentam massa entre 63,5 e 200,5 e densidade superior a 4,0 g/cm3 e estão situados na tabela periódica entre o cobre (Cu) e o chumbo (Pb). Para a manutenção de suas funções vitais, os organismos precisam (em pequenas quantidades) de alguns desses metais. Entretanto, em quantidades elevadas esses elementos podem se tornar tóxicos. Os metais pesados como chumbo (Pb), cádmio (Cd) e mercúrio (Hg) não possuem nenhuma bioquímica e a acumulação de qualquer um desses no organismo pode provocar doenças graves. Importante O processo de adsorção ocorre quando moléculas de um composto/substância (adsorvidas) aderem (fixam-se) a uma superfície sólida (adsorvente). Fonte: brasilescola.com Figura 2 – Estrutura molecular do TNT. 11 Se na matriz (água ou solo) estiverem presentes outros compostos xenobióticos quimicamente menos complexos, esses podem dificultar a degradação dos compostos xenobióticos mais complexos, pois no processo de degradação os microrganismos “darão preferência” a esses compostos de menor complexidade. Os compostos hidrocarbonetos alifáticos predominam como contaminantes de águas subterrâneas. Esses compostos estão presentes na composição do petróleo cru e também em seusprodutos combustíveis. Muitos desses compostos apresentam-se ainda como clorados ou alcanos e alquenos bromados, contendo de um a três elementos de carbono (C), como por exemplo: os haloalcanos, o etileno dibrometo (EDB), o tricloroetano (FCA) e o tricloroetileno (FCE). O composto hidrocarboneto alifático é constituído apenas por átomos de carbono (C) e de hidrogênio (H). Sua estrutura molecular não forma anel aromático, dado que é aberta. Haloalcanos são compostos químicos originados dos alcanos. Onde neste último ocorre a substituição de um ou mais átomos de hidrogênio (H) por igual número de átomos de halogênio (Cl, F, Br ou I). A degradação desses compostos pela ação de microrganismos é amplamente estudada, assim como os resultados dessas pesquisas têm servido como base para diversas tecnologias de biorremediação. Essas pesquisas têm sinalizado que no processo de biodegradação desses compostos a atividade de enzimas do tipo mono-oxigenases e a oxidação química são imprescindíveis. Os estudos afirmam ainda que compostos de cadeia longa são degradados de forma mais lenta se comparados aos de cadeia curta; compostos saturados são degradados mais rápido que seus análogos insaturados; a velocidade de degradação de uma molécula é inversamente proporcional ao grau de ramificação que essa apresenta. Importante Na estrutura molecular de compostos saturados são encontradas apenas ligações químicas do tipo simples. Fatores biológicos A presença e a disponibilidade de microrganismos que apresentam a capacidade de degradar os compostos xenobióticos (poluentes) é o primeiro passo para que o processo de biorremediação possa ocorrer. Fonte: guidechem.com Figura 3 – Exemplo de alguns hidrocarbonetos alifáticos. 12 Unidade: Biorremediação: A Contribuição dos Microrganismos Não se pode afirmar que na natureza não figurem microrganismos (ou enzimas) que consigam degradar toda e qualquer molécula (composto químico) sintetizada por processos artificiais. Porém, os cientistas já sabem que vários compostos xenobióticos recalcitrantes podem ser degradados pela ação de microrganismos que apresentam enzimas com capacidade de decompor moléculas complexas. Às vezes o processo de degradação desses compostos ocorre através da atividade conjunta (consorciada) de microrganismos onde cada um pode atuar sobre diferentes fases do processo. Conforme já ressaltado, a degradação biológica (por microrganismos) pode ocorrer com maiores chances quando a estrutura molecular do composto xenobiótico é “parecida” à estrutura de compostos naturais, como a lignina, por exemplo. Quando isso ocorre é possível que, ao final do processo de biodegradação, produtos minerais e/ou nutritivos sejam aproveitados pelo próprio microrganismo (energia ou biomassa), ou mesmo disponibilizados no ambiente. No processo de biodegradação é possível também que a molécula do composto seja degradada apenas parcialmente, sem que os produtos resultantes venham contribuir à “nutrição” do microrganismo. Essa degradação (parcial) metabólica chamamos de cometabolismo. É possível que os produtos do processo cometabólico venham sofrer as ações de enzimas de outros microrganismos, o que poderá contribuir à completa degradação do composto xenobiótico, ou seja, sua mineralização (mineralização). Nas técnicas de biorremediação de sistemas (solo ou água) contaminados, considerar a contribuição de diversos tipos de microrganismos (cometetabolismo) nas variadas etapas do processo é necessário, pois é grande a dificuldade de se conseguir apenas um tipo de microrganismo que apresente todas as enzimas que serão necessárias para que ocorra a degradação total (mineralização) do composto xenobiótico. Ainda no ambiente, os microrganismos podem trocar material genético entre si, fator que contribui para aumentar o “potencial degradador” de uma microbiota. Mesmo que determinada microbiota apresente todos os requisitos (genéticos e bioquímicos) necessários à degradação de um composto xenobiótico, ressalta-se que se as características físicas e químicas do meio não estiverem de acordo com as necessidades nutricionais do microrganismo, o processo de degradação pode não ocorrer. Fica claro, portanto, que em qualquer sistema (solo ou água) todos os parâmetros físico- químicos (do meio e do composto xenobiótico), assim como os microbiológicos, devem ser considerados “conjuntamente” para que se possa conseguir que o processo de biodegradação seja bem-sucedido. Desafios da biorremediação Porém, devido à alta complexidade que essa biotecnologia apresenta, diversos desafios podem surgir no desenvolvimento de um processo de biorremediação. Entre os quais, destacam-se: baixa produção de enzimas necessárias no processo – frequentemente quando as concentrações dos compostos poluentes são significativamente pequenas ou elevadas; presença de diversos compostos poluentes, ao mesmo tempo, em uma matriz contaminada – o que demanda a seleção de diferentes microrganismos com metabolismos específicos para os diversos tipos de compostos poluentes; rápida adsorção dos compostos poluentes em partículas que constituem a matriz (solo ou água) – ficando assim, não acessíveis aos microrganismos (ou enzimas) para a degradação. 13 Frise-se que os resultados obtidos em escalas e condições controladas em laboratórios não asseguram a mesma eficiência em campo. Nesse aspecto, algumas questões merecem importância, tais como: os microrganismos sobreviverão e se reproduzirão nas condições naturais (em campo – in situ)? O processo terá impacto negativo (danos) ao ambiente? Etapas do processo de biorremediação Para se desenvolver um processo de biorremediação, alguns passos devem ser seguidos. Primeiro, deve-se caracterizar o tipo de matriz (solo ou água) que será remediada, descrevendo suas propriedades físico-químicas; na sequência, identificar os compostos poluentes e suas propriedades físico-químicas; após, selecionar e isolar microrganismos (preferencialmente os “nativos” – autóctones) com alto potencial para degradar os poluentes; após serem selecionados, através do “enriquecimento” das condições favoráveis à reprodução, a população de microrganismos deve ser aumentada, (bioaumentação) e estimulada (bioestimulação) para produzir enzimas degradadoras; em seguida, os microrganismos devem ser aplicados/inseridos na matriz a ser remediada, seguido do monitoramento do processo (Quadro 1). Os resultados do monitoramento poderão evidenciar que as condições físicas e químicas do substrato (matriz) não estejam mais tão favoráveis como no princípio do processo. Nesses casos, far-se-á necessário a “correção” dessas variáveis para que durante todo o processo a bioestimulação e bioaumentação sejam contínuas. Pesquisas mostram que essas “correções” são comuns nos processos de remediação de águas e solos contaminados com hidrocarbonetos aromáticos, solventes (como benzeno, tolueno e xileno), entre outros poluentes. Caracterização/ Diagnóstico da Mzatriz Contaminada (Solo/Água) Caracterização do composto popuente Monitoramento/ Ajustes De�nição/ Planejamento da Biorremediação Introdução dos Microrganismos sobre o subtrato Seleção/ Isolamento dos Microrganismos degradadores (Bioaumentação/ Bioestimulação) Fonte: Adaptado de Rosa, Fraceto e Moschini-Carlos (2012) Quadro 1 – Etapas do processo de biorremediação. 14 Unidade: Biorremediação: A Contribuição dos Microrganismos Processos de biorremediação Geralmente diversos métodos de biorremediação são utilizados apenas em áreas não muito extensas. Entretanto, alguns métodos podem ser empregados à remediação de grandes áreas agrícolas contaminadas. Para tanto, nessas extensas áreas, como alternativa mais viável (praticidade e eficácia), recomenda-se a utilização de rizobactérias ou de plantas (fitorremediação). Os processos de biorremediação podem ser do tipo in situ, onde os poluentes são degradados no próprio local (site ou sítio), ou do tipo ex situ,quando as matrizes (solo, água ou resíduos) são retirados do local de origem e tratados em locais ou estruturas especializadas, como por exemplo reatores (Figura 4). Figura 4 – Exemplo de reatores anaeróbios. Fonte: esagua.com.br Reatores fase lama (bioslurry) Nesse processo o solo contaminado com o composto xenobiótico (poluente) é retirado do local e transportado até os reatores (bioslurry). Antes de ser colocado no reator, são retiradas as partículas maiores através de um processo de peneiramento. No reator, ao solo é adicionada água e, através de agitadores, o solo se tornará uma lama. A essa lama é adicionado ar e nutrientes para manter o sistema em condições de aerobiose. Permitindo, assim, um aumento da comunidade microbiana aeróbia que utilizará, também, como fonte de recursos (nutrientes e energia) os compostos poluentes. Após o solo ser tratado, novamente seco poderá retornar ao local de origem, ou ser utilizado em outro local ou processo (Figura 5). 15 Figura 5 – Processo fase lama (bioslurry). Lodo/ Solo Descontaminado Lodo/ Solo Contaminado DescargaAgitador Clari�cadorBioReator/Lama Fonte: alken-murray.com Esse tipo de processo é ideal para remediação de solos que apresentam alto teor de argila, o que dificulta o tratamento in situ, devido a sua baixa permeabilidade. Esse sistema de remediação apresenta com vantagem o controle de diversos fatores, tais como: nutrientes; temperatura; pH; população microbiana; coleta e recuperação de possíveis gases emitidos. Landfarming Nesse processo de biorremediação a matriz (resíduos industriais) é transferida da área de origem e acondicionada em locais chamados de “células de confinamento” (pilhas). Ressalta-se que essa técnica de biorremediação é comumente utilizada para remediar matrizes poluídas com hidrocarbonetos e poluentes derivados das indústrias ou processos petroquímicos. Para se iniciar o processo de biorremediação utilizando-se essa técnica, a superfície que receberá a matriz poluída deve ser previamente preparada (com manta impermeabilizante e microrganismos). Após se colocar a matriz poluída na superfície, de forma esparrada e formando pilhas, os microrganismos poderão atuar sobre os compostos poluentes, degredando-os. De tempos em tempos, será necessário o revolvimento dos compostos, para inserir oxigênio no sistema. Pode-se também, e ainda, adicionar mais nutrientes para que a bioaumentação possa ocorrer, contribuindo para o aumento da eficiência do processo (Figura 6). Diversos estudos têm mostrado que essa técnica é eficaz para remediar esses tipos de poluentes, sendo que em alguns casos a redução da concentração dos poluentes chega a cerca de 100%, isso em apenas alguns meses. 16 Unidade: Biorremediação: A Contribuição dos Microrganismos Figura 6 – Processo de landfarming. Essa técnica, de baixo custo e de alta eficiência, entretanto, apresenta algumas desvantagens, tais como: aumento da poluição do ar devido a volatilização de compostos orgânicos; contaminação de áreas (solos e águas) ao entorno devido aos possíveis escorrimentos superficiais de poluentes. Ressalta-se que para se evitar esses fatores desfavoráveis, estudos na área de Engenharia Ambiental já mostram resultados positivos. Fonte: envirotech-inc.com Compostagem A utilização dessa técnica (compostagem) para degradar compostos orgânicos poluentes vem mostrando significativos resultados. Pesquisas têm mostrado a eficiência do processo de compostagem para se remediar matrizes (solos ou resíduos sólidos orgânicos) contendo poluentes como agrotóxicos, hidrocarbonetos derivados do petróleo, clorofenóis e hidrocarbonetos aromáticos policíclicos. Nesse processo de biorremediação, utilizam- se microrganismos (aeróbios) para degradar resíduos de matéria orgânica. Ao final do processo, resultam como produtos compostos orgânicos de menor massa molecular e, também, compostos inorgânicos. O processo de compostagem pode ser dividido em duas etapas, onde a atividade metabólica microbiológica, a temperatura e o pH sofrem alterações, propiciando mudanças significativas na estrutura do composto que é degradado (transformado). A primeira etapa é chamada de termofílica. Nessa, a temperatura se eleva devido a alta (e intensa) atividade microbiana; e a segunda é a mesofílica. Nessa última etapa a atividade microbiana já se encontra reduzida e, consequentemente, a temperatura do sistema abaixa consideravelmente, o pH se eleva, ocorrendo, ao final, a maturação do composto orgânico – rico em nutrientes (Figura 7). 17 Figura 7 – Etapas da compostagem. Fonte: Fundação Demócrito Rocha/ fdr.com.br O sucesso da compostagem estará condicionado ao monitoramento e controle das condições físicas e químicas, oferecendo as melhores condições à máxima atividade microbiana. Assim, durante o processo se faz necessário monitorar e controlar nas leiras (montes de compostos orgânicos) em processo de degradação, as seguintes variáveis: temperatura ( )ot C , taxa de oxigênio ( )2O , umidade, relação carbono e nitrogênio (C/N). O processo de compostagem tem se mostrado como uma alternativa viável (técnica, econômica e ambiental) para solucionar o problema gerado pela alta produção de resíduos orgânicos (nos diversos processos antrópicos). Pois, além de reduzir o volume dos resíduos, esses são transformados em compostos fertilizantes (adubo) de qualidade e que podem substituir produtos agroquímicos nos sistemas produtivos agroindustriais (Figura 8). Figura 8 – Manejo das leiras no processo de compostagem e composto orgânico final. Fonte: breakitdown.com.au, normanack/ Wikimedia Commons Processo de compostagem Fase termofílica Degradação e “higienização”S ól id os v ol át ei s (1 % ) Te m pe ra tu ra (o C) Fase 1 - 12 a 24 horas (aquecimento) Fase 2 - 70 a 90 dias (degradação ativa) Fase 3 - 2 a 5 dias (resfriamento) Fase 4 - 30 a 60 dias (maturação) Fase 1 Tempo de compostagem (dias) Fase 2 Fase 3 Fase 4 Formação de ácidos húmicos (produção do composto) Temp. sem controle80 70 60 50 9 8 7 6 5 4 40 30 20 10 0 Temperatura Sólidos voláteis PH PH Temp. sob controle Fase mesofílica 18 Unidade: Biorremediação: A Contribuição dos Microrganismos Ressalta-se que as indústrias produtoras de papel e celulose utilizam o processo de compostagem para tratar seus resíduos orgânicos, utilizando, ainda, o produto final (composto orgânico) como adubo em seus processos produtivos florestais. Destaca-se que a compostagem é considerada como referencial por organismos governamentais e de pesquisa à elaboração de novas propostas que simulem processos naturais na gestão de resíduos, garantindo assim a sustentabilidade. Compostos poluentes organoclorados são frequentemente encontrados em águas residuárias (efluentes) de processos industriais. Como os processos atuais (usuais) de tratamentos dos efluentes não foram desenvolvidos para eliminar (degradar) compostos poluentes complexos, e muito menos diversos desses poluentes na mesma matriz (esgoto) ao mesmo tempo, faz-se necessário que pesquisas em Engenharia de Saneamento sejam, cada vez mais, desenvolvidas. De forma geral, tem-se buscado uma alternativa que permita não apenas a remoção desses compostos poluentes, mas também sua completa degradação (mineralização). As principais técnicas de tratamento de efluentes industriais são apresentadas na Figura 9. Figura 9 – Processos de tratamento de efluentes. Fonte: scielo.br Por permitirem o tratamento de grande volume de efluentes, degradando e transformando compostos poluentes orgânicos em água ( )2H O e gás carbônico ( )2CO com baixos investimentos, os processos biológicos são os mais utilizados. O tratamento biológico de efluentes tem como fundamento o uso de compostos poluentes como fonte de energia e de nutrientes para que os microrganismos possam se desenvolver e se reproduzir. Degradação de poluentes organoclorados em efluentes industriais Tratamento de e�uentes industriaisBiológico Aeróbio POA*Anaeróbio Anaeróbio Incineração Fotocatálise Ozonização Fenton EletroquímicoDecantação Enzimático Adsorção Físico Químico 19 Nos processos biológicos do tipo aeróbios, o aceptor de elétrons ( )e− é gás oxigênio ( )2O . Ao final desse processo tem-se a formação de água ( )2H O e gás carbônico ( )2CO . Por outro lado, nos processos biológicos do tipo anaeróbios, o gás oxigênio ( )2O não está presente. Nesse contexto, participaram como agentes aceptores de elétrons ( )e− algumas formas de nitrogênio (N), enxofre (S) e carbono (C), como por exemplo: 3 2, 4NO SO− − e 2CO . Os compostos poluentes serão degradados até gás carbônico ( )2CO e gás metano ( )4CH . O principal objetivo do processo biológico de tratamento de efluentes é reduzir a carga de matéria orgânica presente. Como indicadores de eficiência de um processo de tratamento de efluente, utilizam-se: Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO); Demanda Química de Oxigênio (DQO), ou Carbono Orgânico Total (COT). Processo aeróbio Esse processo conta com a contribuição de bactérias e fungos que requerem o gás oxigênio ( )2O para sobreviverem. As duas técnicas mais usuais para o tratamento de efluentes industriais são as de lagoas aeradas e de sistemas de lodos ativados. Na primeira técnica (lagoas aeradas) o efluente é submetido à ação de diversos microrganismos que, de maneira consorciada, degradam os compostos presentes no efluente durante alguns dias. A técnica dos lodos ativados apresenta-se como o processo de biorremediação mais eficiente e versátil. Esse método foi desenvolvido no início do século XX, na Inglaterra, e é usado para tratar os mais diversos tipos de efluentes industriais, assim como efluentes domésticos. A operação de um sistema de lodos ativados exige pouco substrato auxiliar e, devido à existência de um grande número de microrganismos (bactérias, fungos e protozoários) presentes no lodo e que contribuirão com a degradação de diversos tipos de compostos poluentes, é possível ainda se remover a toxicidade crônica e aguda, em um tempo bem menor que no processo de aeração. O esquema de uma Estação de Tratamento de Efluente (ETE) que utiliza a técnica de lodo ativado é apresentado na Figura 10. Após o efluente chegar (no estado bruto) à ETE, esse é lançado no tanque de aeração, onde o processo de oxidação da matéria orgânica ocorrerá. Ainda nesse tanque, ao efluente é introduzida e misturada uma cultura microbiológica na forma de flocos (o chamado lodo ativado). Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO) é o indicador mais utilizado para medir a poluição dos corpos hídricos por despejos orgânicos. A DBO indica a quantidade necessária de gás oxigênio (O2) para degradar determinada carga de matéria orgânica em meio hídrico. Sua unidade de medida é mg/L. Demanda Química de Oxigênio (DQO) é a quantidade de oxigênio (O2) necessária para oxidar a matéria orgânica presente em um corpo hídrico. Nessa técnica utiliza-se o agente químico dicromato de potássio (K2Cr2O7). O aumento da DQO deve-se principalmente à efluentes, principalmente os industrias. Sua unidade de medida é mg/L. 20 Unidade: Biorremediação: A Contribuição dos Microrganismos Em seguida, já no tanque de sedimentação, devido à diminuição da concentração de oxigênio ( )2O , os flocos formados por agregados de microrganismos e partículas de compostos orgânicos (presentes no efluente), irão ao fundo, formando os sedimentos (sedimentação). Ressalta-se que, devido à baixa concentração de oxigênio ( )2O , é favorecido o desenvolvimento de microrganismos anaeróbios como as bactérias metanogênicas. Dessa maneira, o processo de tratamento de efluentes por lodo ativado se apresenta como uma técnica mais apurada, combinando processos de degradação aeróbios e anaeróbios. Ressalta-se que nesse processo a recirculação de grande parte da biomassa microbiana é uma importante característica do método que permitirá que os microrganismos permaneçam por mais tempo no sistema, aumentando, assim, a oxidação dos poluentes orgânicos, diminuindo o tempo de tratamento do efluente. Figura 10 – Processos de tratamento de efluentes por lodo ativado. E�uente industrial bruto Tanque de Aeração I Recirculação do lodo E�uente + Lodo Tanque de sedimentação II Descarte do excesso de lodo E�uente tratado Fonte: scielo.br O alto custo de implantação, assim como a formação de grandes quantidades de lodo (resíduo), podem ser considerados os principais inconvenientes dessa técnica. Por exemplo, não se pode utilizar esse lodo (biomassa rica em nutrientes) para fertilizar culturas na agroindústria, pois diversos estudos têm evidenciado que esse substrato possui uma grande capacidade para adsorver diferentes compostos poluentes orgânicos. Alguns estudos mostraram que aproximadamente 50% do poluente pentaclorofenol, presente em um efluente, pode ser retido nos lodos ativados pelo processo de adsorção. Outro fator que é considerado como negativo nesse processo é a liberação de poluentes na atmosfera devido à volatilização. Para resolver esse inconveniente, algumas ETE apresentam sistemas de biorreatores. Processo anaeróbio Devido ao fato de certos microrganismos, do tipo anaeróbio, mostrarem-se capazes de degradar grande número de poluentes clorados, transformando-os em moléculas não poluentes, a técnica de tratamento de efluentes por anaerobiose vem tendo grande destaque. Pesquisas têm evidenciado que compostos xenobióticos recalcitrantes com organoclorado (Figura 11) podem ser degradados por microrganismos em condições de anaerobiose. 21 Figura 11 – Processos de tratamento de efluentes por lodo ativado. Fonte: Instituto Nacional de Ecologia/ inecc.gob.mx Atualmente, pode-se considerar que os processos mais eficientes de biorremediação de efluentes utilizam, de maneira alternada (e complementar), a fase anaeróbia e anaeróbia. Processos enzimáticos Os processos enzimáticos, aliados com as técnicas de melhoramento genético, podem ser considerados com uma das mais atuais tecnologias à biorremediação de efluentes. As enzimas capazes de degradar a lignina, coma manganês peroxidase e a lignina peroxidase, destacam-se nesse cenário por conseguirem degradar diversos compostos poluentes (xenobióticos recalcitrantes). Lignina é uma macromolécula associada à celulose das plantas, que confere impermeabilidade, rigidez e resistência a ataques mecânicos microbiológicos e aos tecidos dos vegetais. Ressalta-se que a utilização dos processos enzimáticos, em larga escala, somente passou a apresentar viabilidade a partir do momento em que os cientistas conseguiram imobilizar as enzimas em uma matriz adequada. Pesquisas têm evidenciado que os processos enzimáticos têm enorme potencial à degradação de compostos poluentes presentes nos efluentes das indústrias de papel e celulose. Entre os resultados, destaca-se a degradação de efluentes provenientes do processo de branqueamento de polpa de celulose, onde é empregada a enzima lignina peroxidase, produzida pelo fungo Phanerochaete chrysosporium. Ressalta-se que essas enzimas são imobilizadas em matrizes da alginato e de troca iônica (compostas de resina).