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MICROBIOLOGIA DO SOLO AULA 1 Profª Fernanda Eliza Toscani Burigo 2 2 CONVERSA INICIAL Neste estudo, iremos compreender as características dos microrganismos, relacionando-os a um grande meio de cultura natural – o solo. Perceberemos as intrínsecas relações entre eles e como os seres vivos associados ao solo contribuem para a qualidade e a diversidade ambiental. Abordaremos desde o histórico da Microbiologia e a origem e evolução dos seres vivos na Terra, o metabolismo microbiano e a microbiota do solo, até o envolvimento dos microrganismos na qualidade do meio ambiente e no desenvolvimento, nas contribuições e no aprimoramento da Biotecnologia. De acordo com a Sociedade Brasileira de Microbiologia (SBM), “a Microbiologia do solo é o ramo da ciência que trata do estudo dos microrganismos que vivem neste ambiente, suas atividades e como eles afetam as propriedades do solo, tanto em ambientes naturais ou agrícolas”. Nesta etapa, apresentar-se-á um breve histórico da Microbiologia, apontando suas funções e importância. Ainda, iremos desvendar importantes eventos referentes à origem e à evolução da vida na Terra, apontando as principais similaridades bioquímicas e genéticas entre os seres vivos; em relação aos microrganismos, descreveremos a diversidade microbiana, compreendendo as diferenças entre seres procariontes e eucariontes. Percebendo o solo como um grande meio de cultura, no qual os seres vivos se desenvolvem, reproduzem- se e proliferam-se, abordaremos aspectos da formação dos solos e suas principais características, compreendendo o importante papel do solo no desenvolvimento de microrganismos. Assim, são objetivos desta etapa: • destacar eventos marcantes no desenvolvimento da microbiologia; • compreender a importância e as funções desta área; • abordar aspectos da origem e evolução da vida na Terra; • compreender as similaridades e diferenças entre os grupos de microrganismos; • descrever os processos da formação do solo e suas peculiaridades; • apresentar o solo como um importante meio de cultura para os microrganismos. 3 3 TEMA 1 – HISTÓRICO, FUNÇÃO E IMPORTÂNCIA DA MICROBIOLOGIA A Microbiologia é a ciência que estuda os microrganismos, ou seja, os seres microscópicos, invisíveis a olho nu, como os vírus, as bactérias, as algas unicelulares, os protozoários e alguns fungos. Popularmente chamados de micróbios, esses seres estão relacionados a inúmeras situações benéficas do nosso cotidiano, como a produção de alimentos, o desenvolvimento de antibióticos, a qualidade ambiental, e maléficas, como os microrganismos patogênicos, isto é, causadores de doenças. Antes dos microscópios, esses seres eram desconhecidos, mas um grande mundo invisível foi descoberto com o desenvolvimento e aprimoramento deste importante equipamento. Crédito: Robert Hooke/CC-PD. Sabe-se que os microrganismos se relacionam com os seres humanos há milhares de anos; no entanto, a ciência da Microbiologia é recente, tendo pouco mais de 200 anos. Apesar disso, importantes observações começam a ser feitas bem antes, no século XVII: a descoberta das células, por Robert Hooke, em 1665, utilizando um microscópio relativamente simples, marcou o início da 4 4 Teoria Celular, a qual propõe que todos os seres vivos são formados por células. Porém, a simplicidade do microscópio de Hooke, com baixa resolução, não permitia a visualização dos micróbios. Assim, a partir de 1673, os microscópios começam a ser aprimorados, por um dos nomes mais importantes da Microbiologia – Anton van Leeuwenhoek, um dos precursores da Microscopia e que, a partir de um microscópio com ampliação de até 300 vezes, constata a presença de seres diversos em amostras de água da chuva, fezes e de seus próprios dentes, denominando-os animálculos. Realizou desenhos esquemáticos de suas observações, os quais posteriormente foram identificados como sendo representações de bactérias e protozoários. A partir da descoberta do mundo “invisível” por Anton van Leeuwenhoek, inicia-se a discussão sobre a origem desses organismos. Até a segunda metade do século XIX, acreditava-se na abiogênese, isto é, que os seres vivos se originavam a partir da geração espontânea, ou seja, acreditavam que diferentes organismos poderiam surgir, espontaneamente, a partir da matéria-bruta ou inanimada (como alimentos, roupas sujas, solo, dentre outras), que continham uma força vital. Em 1668, antes mesmo das descobertas de Anton van Leeuwenhoek, Francesco Redi começa a contestar a abiogênese, demonstrando, através do experimento clássico contendo pedaços de carne em frascos separados, em que mantém um deles aberto e o outro coberto com gaze, que no frasco coberto não havia o desenvolvimento de larvas de moscas, ao contrário do frasco aberto, opondo-se à geração espontânea das larvas. Créditos: J. Marini/Shutterstock. 5 5 Apesar de sua importante contribuição, as comprovações de Redi não foram aceitas, pois os adeptos da Abiogênese continuavam alegando que os animálculos descritos por Leeuwenhoek eram pequenos o suficiente para se desenvolverem a partir da força vital de elementos inanimados. John Needham (1745) e Lazzaro Spallanzani (1765) também contribuíram com seus experimentos nas discussões sobre a origem dos seres vivos. O primeiro demonstrou, aquecendo um caldo nutritivo em um balão de vidro e o colocando em um frasco fechado após resfriado, que os microrganismos se desenvolviam espontaneamente. Já Spallanzani o contestou, refazendo seu experimento, fervendo o caldo após o frasco que o armazena ser lacrado, evidenciando que o caldo permanecia estéril – livre de microrganismos. Needham opõe-se à experimentação de Spallanzani, alegando que ele destruiu a força vital do caldo ao ferver o material. Créditos: J. Marini/Shutterstock. Em 1858, Rudolf Virchow desafia o conceito de geração espontânea, apresentando o conceito de Biogênese, no qual argumenta – embasado na teoria celular – que uma célula só poderia ser originada a partir de outra pré-existente. A discussão continua até 1861, quando Louis Pasteur, com seu importante experimento do frasco “pescoço de cisne”, demonstra que os organismos estão presentes em todos os ambientes, pondo fim à Abiogênese. Em um modelo único de frasco, Pasteur comprova que o ar (repleto de seres) penetra 6 6 no frasco, mas que o pescoço em “S” captura os microrganismos e mantém o caldo nutritivo desprovido de contaminação. Os trabalhos de Pasteur foram essenciais para o desenvolvimento das técnicas de assepsia, contribuindo para evitar inúmeras formas de contaminação, sendo, hoje, práticas rotineiras em procedimentos médicos e em laboratórios. Créditos: J. Marini/Shutterstock. Os avanços liderados por Pasteur e Robert Koch fizeram com que o período de 1857 a 1914 fosse chamado, apropriadamente, de Idade de Ouro da Microbiologia, estabelecendo a Microbiologia como uma ciência. Importantes descobertas foram descritas nesse período: • Agentes patogênicos e o papel da imunidade na prevenção e cura das doenças – microrganismos patogênicos – Teoria do Germe da Doença (um tanto desacreditada para a época, pois acreditava-se que as enfermidades eram uma forma de punição); • Desenvolvimento da Técnica de Lister (1860), a qual utilizava uma solução de fenol para matar bactérias, reduzindo expressivamente o número de infecções e mortes; • Koch (1876) comprova que as bactérias são causadoras de doenças – conseguiu isolar o Bacillus anthracis (causador da doença Antraz); 7 7 • Formulação dos postulados de Koch, ou seja, uma sequência de passos experimentais para correlacionar diretamente um micróbio específico a uma doença específica; • Atividades químicas de microrganismos, compreendendo os fenômenos da fermentação (Pasteur descobre a participaçãodas leveduras na produção do álcool) e pasteurização (compreensão da relação entre deterioração de alimentos e os microrganismos), dentre outras. Outro evento importante para a Microbiologia, que data de 80 anos antes de Koch descrever o bacilo antraz, é a vacinação, desenvolvida por Edward Jenner, em 1796. Ele criou um modelo para proteger contra a varíola, inoculando o vírus da varíola bovina em um menino de 8 anos, que apresentou uma forma amena de varíola, mas nunca mais a contraiu. À proteção contra uma doença, fornecida pela vacinação, denominou-se imunidade. A partir do estabelecimento de relações entre os microrganismos e doenças, há o direcionamento de pesquisas para a descoberta de substâncias que poderiam destruir os seres microscópicos. Dentre estas, destacam-se os antibióticos, substâncias sintetizadas por seres vivos e que inibem o crescimento bacteriano, sendo o principal a penicilina, descoberta, por acaso e acidentalmente, por Fleming, em 1928. Ainda, eventos como a descoberta do DNA como material genético (1944) e a descrição da sua estrutura (1953), a descoberta dos anticorpos (1962) e das enzimas de restrição – utilizadas na Tecnologia do DNA Recombinante (1971) – , o desenvolvimento da Engenharia Genética (1973), dentre outros, foram cruciais para o aprimoramento da Microbiologia e o estabelecimento de importantes relações entre os microrganismos e as inúmeras áreas do conhecimento. No Brasil, alguns tópicos se destacam: • 1892 – 1903: desenvolvimento do Laboratório de Bacteriologia do Instituto Bacteriológico (SP), com foco no estudo da Microbiologia e saúde pública; • Criação: Institutos sorológicos (fazenda Butantã – SP/1901, Fazenda Manguinhos/RJ – atual Fiocruz/1900, com a criação do Instituto Soroterápico Federal) – início do combate: o Peste bubônica (extermínio de ratos); o Varíola (vacinação); 8 8 o Febre amarela (eliminação do mosquito Aedes aegypti). • Grandes nomes da Microbiologia no Brasil, responsáveis por inúmeras contribuições: Adolph Lutz, Oswaldo Cruz (precursores), seguido por Vital Brasil, Rocha Lima, Gaspar Viana e Carlos Chagas. O jovem bacteriologista Oswaldo Cruz fundou o Instituto de Manguinhos, um local voltado à medicina experimental, pesquisando doenças tropicais. Esta foi uma iniciativa de grande contribuição para o êxito da ciência brasileira. Ainda, permitiu e permite o desenvolvimento de outras áreas de conhecimento, como Bacteriologia, Protozoologia, Hematologia, Imunologia, Helmintologia, Entomologia e outras. Assim, após observarmos tantos fatos relevantes envolvendo a Microbiologia, é possível compreender sua importância. Pesquisando os mais variados aspectos dos microrganismos, podemos estabelecer suas relações com o meio ambiente (por exemplo, sabe-se que em 1 grama de solo, há de 2.000 a 8,3 milhões de seres microscópicos), com a saúde humana (compreendendo-se a patogenicidade dos seres, visando a prevenção e as possíveis formas de tratamento, além da síntese de medicamentos), com a produção de alimentos e produtos comerciais, dentre outros. Ainda, os microrganismos são importantes vetores na Engenharia Genética, participando de pesquisas relacionadas à manipulação do DNA, gerando resultados e produtos importantes, como insulina obtida a partir de bactérias, os transgênicos, a terapia gênica etc. Em resumo, através da Microbiologia, foi possível aumentar a qualidade e a expectativa de vida dos seres humanos, descobrindo causas de patologias, formas de tratamento e possíveis métodos de prevenção (vacinas). Na tecnologia de alimentos, teve papel importante nos métodos de conservação e fermentação, além de evitar a propagação de doenças em animais e plantas, aprimorando técnicas de cultivo, com menor degradação dos solos e corpos aquáticos, fatores de extrema importância para a evolução dos seres vivos. TEMA 2 – ORIGEM E EVOLUÇÃO DA VIDA – SIMILARIDADES ENTRE OS SERES VIVOS Os experimentos e as contribuições de Louis Pasteur permitiram compreender como surgem os seres vivos, refutando a geração espontânea. No 9 9 entanto, outra pergunta emerge: um ser surgiu a partir de outro preexistente, mas como surgiu o primeiro ser vivo? Quais as suas principais características? Para respondê-las, precisamos revisitar a Terra primitiva, para destacar alguns eventos importantes. Crédito: Wasteresley Lima. Acredita-se que o processo evolutivo que deu origem às primeiras células tenha iniciado há aproximadamente 4 bilhões de anos, época na qual a atmosfera terrestre era repleta de vapor d’água, amônia, metano, gás carbônico e outros gases, os quais reagiam com as descargas elétricas das intensas tempestades e com a radiação solar, originando importantes moléculas. É importante destacar que, no início, não havia oxigênio disponível para a formação da camada de ozônio. Associada às tempestades, uma grande quantidade de água formava os oceanos primitivos, que revestiam o planeta e continham os gases dissolvidos e outras moléculas inorgânicas. Assim, surgem as primeiras moléculas orgânicas (formadas por carbono), oriundas da combinação química de diferentes elementos. Acredita-se que nesse caldo primitivo tenham surgido importantes macromoléculas, como as proteínas e os ácidos nucleicos, polímeros de aminoácidos e nucleotídeos, respectivamente. Como somente os ácidos 10 10 nucleicos têm capacidade de autoduplicação, infere-se que estas seriam as primeiras moléculas a surgirem, sendo o RNA (ácido ribonucleico) capaz de evoluir para compostos de maior complexidade. Mas, para se formar a primeira célula, era necessário que tal molécula autorreplicável ficasse isolada do meio, para evitar a dispersão no líquido; assim, surgem moléculas lipídicas, com propriedades de formar um envoltório em torno das moléculas formadas, constituindo a membrana celular composta por uma bicamada fosfolipídica. Em seguida, supõe-se ter surgido o DNA (ácido desoxirribonucleico), estando os 2 tipos de ácidos nucleicos relacionados à determinação das proteínas a serem sintetizadas. Portanto, supõe-se que a primeira célula a surgir era extremamente simples, procariótica (vide Tópico 3), heterotrófica (incapazes de sintetizar seu próprio alimento – energia), anaeróbicas (não havia oxigênio disponível) e fermentativas (processo anaeróbico de síntese de ATP – energia), processos que serão descritos detalhadamente em etapa posterior. O processo de fermentação passou a gerar mais dióxido de carbono, favorecendo o aparecimento de organismos autotróficos (semelhantes às cianofíceas ou algas azuis), capazes de produzir moléculas orgânicas, a partir de moléculas simples e da luz solar. Tal processo, muito similar à fotossíntese que conhecemos hoje, liberava oxigênio, que foi se acumulando na atmosfera, produzindo profundas e fundamentais alterações, como a formação da camada de ozônio (O3), com grande capacidade de absorção dos raios ultravioletas, protegendo a Terra contra os nocivos efeitos dessa radiação. Tanto a fotossíntese quanto as modificações na atmosfera foram cruciais para o aprimoramento dos seres vivos; com a fotossíntese, a disponibilidade de oxigênio permitiu o aparecimento de células com metabolismo aeróbico. Admite-se que o processo seguinte no processo evolutivo foi o surgimento das células eucarióticas, compostas por um complexo sistema de endomembranas, formando diversos compartimentos intracelulares, as organelas membranosas, como o retículo endoplasmático, o complexo de Golgi e os lisossomos, que atuam como microrregiões, com composição enzimática e funcional diferentes, elevando a eficiência dos processos celulares. Para as organelas envolvidas no processo energético, como as mitocôndrias e os cloroplastos, acredita-se na Teoria Endossimbiótica, a qual propõe que tais organelas se originaram a partir de células que fagocitaram bactériase 11 11 estabeleceram uma relação simbionte entre si, com benefício mútuo, processo que se tornou irreversível com o passar do tempo; a presença de DNA próprio e dupla membrana (sendo a interna similar às membranas bacterianas) são evidências a favor dessa hipótese. TEMA 3 – DIVERSIDADE MICROBIANA Com o avanço da microscopia eletrônica, foi possível observar que, apesar da complexidade e diversidade, as células podem ser classificadas em 2 grandes grupos: eucariontes e procariontes. Os vírus, como não possuem organização celular, ou seja, são acelulares, não se encontram em nenhum grupo e, por essa razão, não são considerados, por vários estudiosos, seres vivos. Como dependem do metabolismo de uma célula para se reproduzirem e desempenharem suas funções básicas, são denominados de parasitas intracelulares obrigatórios. Basicamente, as células procariontes são mais simples estruturalmente e menores do que as células eucariontes. A diferença primordial entre elas é a ausência, nas células procariontes, de um envoltório ou membrana nuclear separando o material genético (cromossomo simples e circular) do citoplasma e, por essa razão, tais células não possuem organelas membranosas, apresentando um citoplasma pobre em organelas. Já as células eucariontes, por apresentarem uma membrana separando o material genético (cromossomos múltiplos) do citoplasma, desenvolveram um complexo sistema de membranas internas, com funções específicas, aumentando a especialização destas células. Somente bactérias e arquibactérias apresentam células procariontes; os demais seres, incluindo outros microscópicos – algas, protozoários e fungos, e pluricelulares –, plantas e animais, possuem células eucarióticas. A seguir, apresentaremos as principais características de cada tipo. 3.1 Células procariontes Os seres procariontes compreendem uma grande diversidade de organismos microscópicos, sempre unicelulares, autotróficos (fotossintetizantes e quimiossintetizantes) ou heterotróficos, exemplificados pelas bactérias e arquibactérias (diferenças a serem destacadas em etapa posterior). Normalmente, se reproduzem por fissão binária (ou bipartição), na 12 12 qual há duplicação do DNA e a divisão da célula em duas, em um processo muito mais simples do que a divisão em células eucarióticas. É possível diferenciar os seres procariontes através de diversos aspectos, tais como forma, composição química, necessidades nutricionais, atividades bioquímicas e fontes de energia. Em relação à morfologia das bactérias, há uma grande variedade de formas e tamanhos. As formas básicas são: cocos (arredondadas), bacilos (bastão, alongadas) e espirais, descritas a seguir. • Cocos: são redondos, ovais ou achatados, podendo formar agrupamentos, como os diplococos (pares), estreptococos (forma de cadeia) e tétrades (grupos de 4 indivíduos). Caso dividam-se em 3 planos, formando um cubo, são denominados sarcinas; dividem-se em múltiplos planos, originando agrupamentos com formas de cachos de uvas, chamam-se estafilococos. Tais características favorecem a classificação das bactérias desse grupo. • Bacilos: apresentam forma de bastonete e, por se dividirem somente em seu eixo curto, têm menor número de agrupamentos. Quando aos pares, denominam-se diplobacilos; em cadeia, são os estreptobacilos; podem, ainda, ter aspecto ovalado, sendo chamados de cocobacilos. • Espiral: apresentam uma ou mais curvaturas; quando em forma de bastão curvo, denominam-se vibriões (pela semelhança a uma vírgula). Se apresentam forma helicoidal (como um saca-rolha), são chamadas de espirilos; se forem helicoidais, porém flexíveis, chamam-se espiroquetas. Há, ainda, outras formas menos comuns, como estrela, retangulares e planas e triangulares. É importante considerar que a forma dos procariontes é determinada geneticamente, sendo a maioria das bactérias monomórficas, ou seja, mantêm uma forma única. Algumas bactérias, como a do gênero Rhizobium, são pleomórficas, pois podem assumir muitas formas. Uma célula procariótica possui os seguintes componentes: estruturas externas à parede celular, parede celular e estruturas internas à parede celular. 13 13 Créditos: Sakurra/Shutterstock. 3.1.1 Estruturas externas à parede celular São elas: a) Glicocálice: revestimento composto por polissacarídeos e/ou polipeptídios, com aspecto viscoso e gelatinoso. É sintetizado no interior da célula e secretado. Caso se mantenha organizado e firmemente aderido à parede celular, constitui a cápsula, que confere proteção e contribui para a virulência bacteriana. Se não organizado e fracamente aderido, forma uma camada viscosa. Ainda, o glicocálice é um importante dos biofilmes, os quais auxiliam as células a se fixarem em seu ambiente- alvo e umas às outras, permitindo seu crescimento em diversas superfícies. Saiba mais Virulência: capacidade bacteriana de produzir efeitos graves ou letais, estando associada às propriedades bioquímicas, à síntese de toxinas e à capacidade de multiplicação. b) Flagelos: constituem apêndices filamentosos que propiciam o movimento bacteriano; podem ser petríqueos, quando se encontram distribuídos por 14 14 toda a célula, ou polares, quando localizados em um ou em ambos os polos da célula. Todo flagelo possui 3 partes básicas: filamento, longa região, mais externa, composta pela proteína flagelina; gancho, que adere o filamento, e corpo basal, que ancora o flagelo à parede celular e à membrana plasmática. Cada flagelo corresponde a uma estrutura helicoidal e semirrígida, que movimenta a célula pela rotação do corpo basal, propiciando vários padrões de mobilidade. Bactérias que não apresentam flagelos são denominadas de atríquias. c) Filamentos axiais: também chamados de endoflagelos, compreendem feixes de fibrilas oriundos nas extremidades das células sob uma bainha externa, realizando uma espiral em torno da célula. Um importante exemplo de bactéria que se move com os filamentos axiais é a Treponema pallidum, agente causador da sífilis. Nelas, a rotação dos filamentos promove um movimento em espiral, que garante a efetividade do movimento pelos fluidos corporais. d) Fímbrias e pilli: correspondem a apêndices mais curtos, retos e finos do que os flagelos, possibilitando a fixação e a transferência de DNA. As fímbrias podem ser distribuídas homogeneamente ou somente nos polos; são importantes na aderência, constituindo os biofilmes e outros agregados. Por exemplo, na bactéria Neisseria gonorrhoeae (causadora da gonorreia), as fímbrias auxiliam na colonização de mucosas e, caso haja uma mutação, e, portanto, a ausência desses apêndices, não há o desenvolvimento da doença. Já os pilli (singular pilus) são mais longos, ocorrendo de 1 a 2 por célula. Além da mobilidade, possibilitam a conjugação, uma forma de reprodução “sexuada” das bactérias, na qual há a transferência (troca) de DNA de uma célula a outra, aumentando a variabilidade genética, sendo chamados de pilli sexuais. 3.1.2 Parede celular A parede celular constitui uma estrutura complexa, semirrígida, que confere forma à célula e a protege. Clinicamente, contribui para a capacidade de causar doenças, além de ser o local de ação de alguns antibióticos. A composição da parede celular é essencial para diferenciar os principais tipos de bactérias, classificando-as em 2 grandes grupos: gram-positivas e gram-negativas. É formada por uma rede macromolecular, chamada de 15 15 peptideoglicana (PG) ou mureína, a qual consiste em um dissacarídeo repetitivo ligado por polipeptídeos. A porção dissacarídica é formada por monossacarídeos especiais, o N-acetilglicosamina (NAG) e o N-acetilmurâmico (NAM), organizados para compor um “esqueleto” de carboidratos (porção glicana). A cadeia polipeptídica inclui cadeias laterais de 4 aminoácidos ligados ao NAM no esqueleto.a) Paredes de Gram Positivas (Gram +): apresentam muitas camadas de PG, formando uma estrutura rígida e espessa. Ainda, contém ácido teicoico (álcool + fosfato) em sua composição. Créditos: Ali DM/Shutterstock. b) Paredes de Gram Negativas (Gram -): uma ou poucas camadas de PG, além de uma membrana externa, composta por lipopolissacarídeos, lipoproteínas e fosfolipídeos (possui várias funções especializadas); não contém ácido teicoico. Devido à sua composição química característica, as bactérias gram-negativas são mais resistentes a antibióticos. Saiba mais As bactérias são classificadas em Gram + e Gram – devido ao método de coloração que as diferencia. A base está nas diferenças das estruturas da parede celular e como reagem a certos corantes (reagentes). Essa técnica de coloração envolve uma sequência: • Cristal violeta: cor de púrpura, penetrando no citoplasma dos dois tipos; 16 16 • Lugol (composto iodado): forma cristais com o corante, os quais são grandes demais para escaparem pela parede celular; • Aplicação de álcool – desidrata a PG das Gram +, tornando mais impermeável o complexo cristal violeta-iodo. Nas bactérias Gram -, dissolve a membrana externa, formando pequenos “buracos” na fina camada de PG, diluindo o complexo, tornando as células incolores; • Safranina (contracorante): cor rosa, as células Gram -, por estarem incolores absorvem o corante, adquirindo essa coloração; já as Gram +, devido à absorção do cristal violeta, assumem coloração roxa. Créditos: Schira/Shutterstock. c) Paredes celulares atípicas: algumas bactérias não apresentam parede celular ou esta possui composição incomum. Por exemplo, seres do gênero Mycoplasma, as menores bactérias, não possuem parede celular e apresentam membrana plasmática única entre as bactérias, na qual é observada lipídios denominados esteróis. As arquibactérias, por sua vez, apresentam parede diferenciada, contendo pseudomureína (sem NAM). Apresentam, assim, aspecto de Gram –, por não possuírem PG. Já as bactérias do gênero Mycobacterium possuem parede álcool-ácido resistentes, cuja composição contém 60% de ácido micólico, formando uma parede externa à fina camada de PG, impedindo a entrada de corantes. Podem ser coradas por carbolfucsina, sendo o aquecimento um facilitador da penetração do corante, o qual resiste à lavagem álcool- ácido, assumindo a cor vermelha. 17 17 É importante considerar que a síntese da parede celular é alvo de inúmeras drogas antimicrobianas. Uma forma de se danificar a parede celular é a sua exposição à lisozima (enzima natural dos eucariontes, presente nas lágrimas, saliva e muco dos seres humanos), a qual se torna ativa sobre os componentes da parede celular de bactérias Gram +, tornando-as vulneráveis à lise. Em Gram –, a parede celular não é destruída na mesma extensão; para efeito da lisozima sobre tais bactérias, deve-se, primeiro, aplicar o EDTA (ácido etilenodiaminatetracético), que enfraquece ligações iônicas da membrana externa, lesionando-a, permitindo o acesso à PG. 3.1.3 Estruturas internas à parede celular a) Membrana plasmática: situada abaixo da parede celular, reveste o citoplasma. É composta basicamente por fosfolipídios e proteínas. Diferentemente da membrana plasmática dos eucariotos, não possui esteróis (com exceção do Mycoplasma), o que a torna menos rígida. Como os fosfolipídios são moléculas anfipáticas, isto é, apresentam uma porção hidrofílica e outra hidrofóbica, a formação de uma bicamada lipídica é um processo natural. As proteínas inseridas podem ser periféricas, quando facilmente removidas, ou integrais (removidas com a ruptura da bicamada, pela ação de detergentes), as quais podem penetrar a membrana plasmática, formando canais. Dentre as funções da membrana plasmática nas células bacterianas, incluem-se: formar uma barreira seletiva (permeabilidade seletiva), regulando o que entra e sai da célula, digerir nutrientes e produzir energia, pois contêm enzimas que catalisam reações. A membrana plasmática também é um alvo para destruição por agentes antimicrobianos, uma vez que inúmeros compostos químicos a danificam, tais como álcoois, amônio quaternário (desinfetantes) e um grupo de antibióticos – polimixinas –, provocando o vazamento do conteúdo intracelular e, consequentemente, a morte da célula. Assim como na célula eucariótica, a membrana bacteriana também permite o transporte de substâncias, através de processos passivos (osmose, difusão simples e facilitada), nos quais não há consumo de ATP e ativos, onde se consome ATP. Um processo ativo importante, inexistentes nas células eucarióticas, é a translocação de grupo, no qual, resumidamente, ocorre a modificação química de moléculas durante 18 18 sua passagem pela membrana, como, por exemplo, a fosforilação da glicose, impedindo sua saída da célula (importante para o suprimento de energia para as atividades celulares). b) Citoplasma: na célula procariótica, o citoplasma, estrutura gelatinosa apropriada para a ocorrência de reações químicas, apresenta as seguintes estruturas: área nuclear (contendo o DNA), ribossomos, inclusões (depósitos de reserva) e proteínas filamentosas. Não apresentam citoesqueleto. Os ribossomos, organelas essenciais à síntese proteica, encontram-se aos milhares, conferindo um aspecto granular ao citoplasma. Nos procariontes, os ribossomos são menores e menos densos que nos eucariontes, sendo formados por 2 subunidades. Vários antibióticos atuam inibindo a síntese proteica nos ribossomos. As inclusões acumulam nutrientes, podendo armazenar polissacarídeos, lipídios e outras importantes substâncias. c) Nucleoide: representa a região que armazena uma molécula longa e contínua de DNA, arranjada em forma circular, que constitui o cromossomo bacteriano, o qual encontra-se disperso no citoplasma e não apresenta histonas (proteínas especiais) para a sua compactação. Ele está fixado à membrana plasmática. Além do cromossomo, há, imersas no citoplasma, pequenas moléculas de DNA circular, extracromossomial, denominadas plasmídeos, os quais apresentam replicação independente e conferem importantes vantagens à célula bacteriana – resistência a antibióticos, tolerância a metais tóxicos, produção de toxinas e síntese de enzimas. Podem ser transferidos de uma bactéria a outra, através dos pilli sexuais. Ainda, os plasmídeos são importantes vetores na tecnologia do DNA recombinante, podendo ser manipulados geneticamente, lhes atribuindo importância na Biotecnologia. 19 19 Créditos: OSweetNature/Shutterstock. 3.2 Células eucariontes Os seres eucariontes, representados por seres dos reinos Protoctista, Fungi, Plantae e Animalia, apresentam organização estrutural muito mais complexa do que os seres procariontes. São células maiores, com diversos compartimentos específicos, delimitados por membrana e possuem núcleo verdadeiro, com múltiplos cromossomos. Na Microbiologia, são importantes os eucariontes microscópicos, compostos por uma única célula, como os protozoários, as algas unicelulares e os fungos unicelulares, como as leveduras. Não destacaremos as peculiaridades de cada estrutura da célula eucariótica, as quais são abordadas na disciplina de Citologia. Aqui, apresentamos aspectos importantes e diferenciais para nosso estudo. Por exemplo, os flagelos e cílios – estruturas de movimento e locomoção – apresentam diferenças em relação aos flagelos dos procariontes. Nas células eucarióticas, os flagelos e cílios são formados por longos tubos ocos, os microtúbulos (ausentes nas células procariontes). Se as projeções forem longas e em baixa quantidade, representam os flagelos; se numerosas e curtas, são os cílios. 20 20 Em relação à parede celular (quando presente), a dos seres eucarióticos são muito mais simples do que a dos procariontes. Plantas e algasapresentam parede celular do polissacarídeo celulose; já nos fungos, a parede é composta por quitina, um importante polissacarídeo estrutural. Fungos unicelulares, como as leveduras, possuem parede de glicana e manana, também polissacarídeos. Em células desprovidas de parede celular, pode haver um envoltório externo à membrana, o glicocálice (similar ao bacteriano), estrutura fundamental para a aderência celular, para auxiliar a união das células e para o reconhecimento entre elas. A membrana plasmática de procariontes e eucariontes é muito similar quanto à composição, organização e função. Diferentemente das células procarióticas, a membrana plasmática eucariótica apresenta uma classe de lipídios, os esteróis, que reduzem a fluidez da membrana, conferindo-lhe maior resistência à lise celular. Ainda, um tipo de transporte que as bactérias não realizam é a endocitose, ou seja, a internalização de partículas sólidas (fagocitose) e diluídas em líquido (pinocitose); a fagocitose representa um importante mecanismo de defesa e alimentar para eucariontes. O citoplasma das células eucariontes é dividido em vários compartimentos, com funções altamente específicas – as organelas celulares. Um grande diferencial, além das organelas membranosas (inexistente nas células procariontes), é a presença do citoesqueleto na célula eucarionte. O citoesqueleto é um conjunto de proteínas que participam na sustentação e estruturação da célula; é formado pelos microtúbulos (formam cílios e flagelos e participam da divisão celular), pelos microfilamentos (atuam nos movimentos celulares – citoplasmáticos, como a ciclose e da célula como um todo – contração muscular) e pelos filamentos celulares (conjunto de proteínas específicas para cada tipo celular). Organelas como retículo endoplasmático (RE), complexo de Golgi (CG) e lisossomos (L) atuam na síntese, transporte e armazenamento de substâncias (RE), melhoramento e secreção de moléculas (CG) e digestão intracelular (L). Mitocôndrias e cloroplastos, por sua vez, participam do metabolismo energético, na síntese de ATP (respiração celular) e síntese de carboidratos (fotossíntese), respectivamente. Peroxissomos degradam peróxido de hidrogênio (água oxigenada), que é tóxico para as células. Por fim, o enorme vacúolo presente em 21 21 células vegetais, é responsável por armazenar substâncias e pela regulação osmótica. Ambos os tipos celulares apresentam ribossomos, uma vez que tais organelas atuam na síntese de proteínas, processo essencial às células. No entanto, nas células eucarióticas, os ribossomos podem se encontrar livres no citoplasma ou associados, aderidos à membrana do retículo endoplasmático rugoso. São mais largos e mais densos, mas apresentam a mesma composição que na célula procariótica – RNA ribossômico associado a proteínas. A estrutura mais característica da célula eucarionte é o núcleo, o qual armazena as informações genéticas, hereditárias, de um organismo. Normalmente, é único e central, o que pode variar de acordo com o tipo celular. No entanto, sempre será envolto por uma membrana dupla, repleta de poros – o envoltório nuclear – que delimita o núcleo, mas não impede sua comunicação com o citoplasma. O material genético, o DNA, está associado a proteínas específicas, as histonas, as quais possibilitam a compactação do DNA, formando a cromatina. A cromatina pode estar altamente compactada e, por essa razão, geneticamente inativa, sendo chamada de heterocromatina, ou apresentar menor compactação, o que a torna geneticamente ativa, denominada eucromatina. Ainda, há regiões mais densas, os nucléolos, pequenos corpúsculos esféricos, não delimitados por membrana, responsáveis pela síntese de RNA ribossômico e, consequentemente, pela síntese de ribossomos. Durante a divisão celular (mitose e meiose), que não ocorre nos procariontes, a cromatina se condensa ainda mais, formando os cromossomos e o nucléolo e o envoltório nuclear se desorganizam. Além disso, vale considerar que as células eucarióticas têm diferenças entre si, compondo 2 grandes grupos: células animais e células vegetais. As segundas apresentam características diferenciais, como a presença dos cloroplastos – para realizar a fotossíntese –, parede celular, reserva energética de amido (enquanto nas células animais a substância de reserva é o glicogênio) e a presença de um grande vacúolo, normalmente único, responsável pelo armazenamento de substâncias e pelo equilíbrio osmótico. A figura abaixo resume os dois tipos, além de ilustrar as características das células eucariontes. 22 22 Créditos: LDarin/Shutterstock. TEMA 4 – ORIGEM, FORMAÇÃO E COMPOSIÇÃO DO SOLO Até o presente momento, pudemos compreender um pouco sobre a história da Microbiologia e as principais características dos microrganismos. Em especial, nos aprofundaremos nos microrganismos que compõem o solo, um grande meio de cultura que abriga uma grande diversidade de seres vivos, como a variedade de bactérias, algas, protozoários e fungos. Mas, como ocorreu a formação dos solos? Qual sua composição? Para podermos relacionar de forma mais aprofundada os microrganismos ao solo, responderemos estas perguntas. A formação dos solos data de milhares de anos; ocorreu através do intemperismo causado por processos físicos, químicos e biológicos sobre as rochas. Alterações de temperatura, pressão, salinidade, chuvas ácidas, vegetação, microrganismos, lixiviação (erosão), dentre outros, formam um material não consolidado, disposto em camadas, resultando na origem dos solos. O desgaste das rochas ocorre por ação mecânica, contato com a água, ação do clima e dos ventos, atuação de microrganismos e topografia. A ação de todos esses fatores leva à geração do regolito, uma camada de material intemperizado que recobre a superfície terrestre. Saiba mais Intemperismo é o conjunto de alterações sofridas pelas rochas quando expostas na superfície terrestre. O processo de formação dos solos envolve 2 fases: alteração da rocha- mãe, a qual desintegra-se lentamente por processos físicos e químicos naturais, 23 23 levando milhares de anos, e contribuição da matéria orgânica, que se acumula ao longo do tempo, por decomposição e desintegração de seres vivos. O intemperismo pode ser físico, químico ou biológico, conforme resume o infográfico abaixo. O solo é formado por camadas, as quais se dispõem de forma horizontal e paralelas à superfície – os horizontes. O perfil do solo constitui a secção vertical do solo, que permite observar os horizontes sobrepostos. Cada horizonte apresenta composição e propriedades peculiares. A imagem abaixo resume essas informações. Créditos: snapgalleria/Shutterstock. INTEMPERISMO FÍSICO - Congelamento de água = dilatação = fragmentação; - Fogo e calor = Expansão = Tensão e fratura; - Vegetação = aumenta tensão = clivagem; - Disposição de sais; - Transporte de materiais = vento, chuvas; - Abrasão = fragmentação QUÍMICO - Reações de Hidrólise; - Quelação = interação entre moléculas orgânicas e íons metálicos = aumenta a solubilidade; - Reações de Oxidação e Redução - Trocas Iônicas BIOLÓGICO - Ação de microrganismos: bactérias, algas e fungos; - Atuação de plantas e animais; - Decomposição Horizonte O: Camada Orgânica, formada por materiais em Decomposição. Horizonte A: Fragmentos de rocha, matéria orgânica e húmus. Horizonte B: Camada mineral, pobre em matéria orgânica, rica em ferro, materiais argilosos, carbonatos e outros. Horizonte C: Rocha-mãe não consolidada, parcialmente alterada e fracamente fragmentada. Horizonte R: Rocha-mãe consolidada, não alterada. 24 24 Saiba mais O húmus é a matéria orgânica que se deposita no solo, formado a partir da decomposição de seres vivos. Promove grande fertilidade ao solo. A compostagem é uma formade se produzir húmus, a ser utilizado como fertilizante natural. Mas, e qual a composição do solo? É formado por 4 componentes principais: matéria inorgânica/minerais (maior proporção), água, gases/ar e matéria orgânica. Conforme descreveremos em etapa posterior, o ciclo do nitrogênio possui intrínseca relação com o solo, uma vez que o N2 não pode ser fixado diretamente pela maioria dos seres vivos. Crédito: Jefferson Schnaider. 25 25 Algumas propriedades dos solos, como a granulometria e textura, além da cobertura vegetal e diversidade ambiental, estão diretamente relacionadas ao sistema de classificação dos solos. Em relação à granulometria, sabe-se que os materiais que compõem o solo apresentam diferentes dimensões; por exemplo, a areia apresenta partículas grandes e visíveis a olho nu, ao passo que as partículas da argila apresentam dimensões microscópicas; já o silte, apresenta-se como um material de dimensão intermediária. Assim, em relação à granulometria, os solos podem ser classificados em: • Arenoso: boa drenagem e aeração, mas retém pouca água, embora se infiltre rapidamente (o que dificulta a absorção pelas raízes), sendo pobres em nutrientes; • Argiloso: baixa drenagem e aeração, o que os torna pesados e de difícil manuseio; • Margas: ideais para a agricultura, com proporções equivalentes de areia, argila e silte. O Brasil apresenta ampla variedade de solos, os quais são classificados em 13 classes, de acordo com suas características físicas, morfológicas e químicas. De acordo com o Sistema Brasileiro de Classificação dos Solos (SiBCS), são eles: Argissolos, Cambissolos, Chernossolos, Espodossolos, Gleissolos, Latossolos, Luvissolos, Neossolos, Nitossolos, Organossolos, Planossolos, Plintossolos e Vertissolos. • Mesmos gases atmosféricos = diferentes proporções; • Contém mais CO2 = Produto da respiração e oxidação dos seres vivos; • Habilidade em manter o AR = tamanho das partículas e compactação. GASES • Mantida no solo: absorção, adsorção e entre os poros; • Retirada: transpiração, evaporação, transporte (plantas) e gravidade (percolação). ÁGUA • Provenientes do desgaste das rochas; • Idade do solo também influencia na sua composição mineral; • Principais Cátions (H+, Ca2+, Mg2+, K+, Na+) e Ânions (HCO3-, HSO4-, Cl- e F-) MINERAIS MATÉRIA ORGÂNICA • Fontes primárias: materiais frescos ou em estágios de decomposição (folhas, galhos); • Carboidratos vegetais: amido e celulose; • Biomassa microbiológica; • Resíduos em diferentes estágios de decomposição. 26 26 Saiba mais Conheça as características e localização de cada um dos tipos de solo. No site, também está disponível, em formato de e-book, todo o sistema de classificação. Disponível em: <https://www.embrapa.br/tema-solos- brasileiros/solos-do-brasil>. Acesso em: 14 fev. 2023. De acordo com o Portal da Embrapa, Predominam os Latossolos, Argissolos e Neossolos, que no conjunto se distribuem em aproximadamente 70% do território nacional. As classes Latossolos e Argissolos ocupam aproximadamente 58% da área e são solos profundos, altamente intemperizados, ácidos, de baixa fertilidade natural e, em certos casos, com alta saturação por alumínio. Também ocorrem solos de média a alta fertilidade, em geral pouco profundos em decorrência de seu baixo grau de intemperismo. Estes se enquadram principalmente nas classes dos Neossolos, Luvissolos, Planossolos, Nitossolos, Chernossolos e Cambissolos. TEMA 5 – O SOLO COMO MEIO DE CULTURA Na Microbiologia, os meios de cultura representam importantes ferramentas para o cultivo dos mais variados seres vivos. São formulações químicas que fornecem as condições ideais para o crescimento e o desenvolvimento microbiano. Dependendo do objetivo da análise, há diferentes 27 27 meios de cultura, com condições específicas para nutrir, estimular e/ou inibir o crescimento de microrganismos. Algumas características, tais como fonte de carbono e nitrogênio, sais minerais, pH e temperatura adequada são condições essenciais para o desenvolvimento de bactérias e fungos, especialmente. Assim, um meio de cultura ideal tenta mimetizar as condições do ambiente natural dos seres vivos que ali habitam. Dessa forma, de acordo com as propriedades supracitadas, é possível perceber como o solo atua como um grande meio de cultura. O conjunto de macro e micronutrientes, a constante reciclagem de compostos químicos – através dos ciclos biogeoquímicos, a disponibilidade de água, a aeração, a luz solar, pH próprio, além dos microrganismos, plantas e animais, compõem um grande sistema, extremamente favorável e propício para o crescimento e a proliferação dos mais diversos seres microscópicos. Os solos correspondem à base de todo ecossistema; atuam como reservatório da diversidade biológica, nos quais sua microbiota (conjunto de microrganismos) exerce papel crucial na agricultura, regulação do clima e produção de alimentos. Portanto, a preservação da vida no solo está diretamente relacionada à sua saúde, produtividade e sustentabilidade. O solo é considerado um recurso natural não renovável, estando atrelado a importantes funções ecossistêmicas. De acordo com o site CropLife Brasil, Na agricultura, o solo ideal é aquele que apresenta profundidade para o armazenamento de água e crescimento das raízes, suprimento adequado de nutrientes, drenagem, atividade biológica e equilíbrio entre as partes mineral (45%), líquida (25%), gasosa (25%) e orgânica (5%). Para se ter uma ideia, os microrganismos do solo estão envolvidos em cerca de 90% de todos os processos que ocorrem neste ambiente. FINALIZANDO Você conseguiu compreender a importância da Microbiologia? E a relação dessa importante ciência com o solo? Pois é, os conhecimentos e as relações entre essas áreas ampliam as possibilidades de melhoria da biodiversidade e da qualidade do meio, favorecendo a tomada de ações efetivas. O infográfico abaixo resume os tópicos desta etapa. Bons estudos! 28 28 MICROBIOLOGIA E O SOLO Solo: formação, características, atuação como meio de cultura Origem e evolução da vida e a diversidade microbiana Histórico e importância da microbiologia 29 29 REFERÊNCIAS ALCÂNTARA, F. A. de; MADEIRA, N. R. Manejo do solo no sistema de produção orgânico de hortaliças. Circular Técnica n. 64, Brasília, DF, jul./2008. Disponível em: < https://www.infoteca.cnptia.embrapa.br/infoteca/bitstream/doc/769977/4/ct64.pd f>. Acesso em: 14 fev. 2023. BASE.DIGITAL. Microrganismos do solo: essenciais para produção agrícola. Disponível em: <https://croplifebrasil.org/conceitos/microrganismos-do-solo- essenciais-para-producao-agricola/>. Acesso em: 14 fev. 2023. JUNQUEIRA, L.C; CARNEIRO, J. Biologia Celular e Molecular. 7. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2000. MEIO DE CULTURA. Disponível em: <http://gmicsesalq.com.br/meio-de- cultura/>. Acesso em: 14 fev. 2023. MICROBIOLOGIA DO SOLO – SBM. Disponível em: <https://sbmicrobiologia.org.br/areas/microbiologia-do- solo/#:~:text=A%20Microbiologia%20do%20solo%20%C3%A9,em%20ambient es%20naturais%20ou%20agr%C3%ADcolas>. Acesso em: 14 fev. 2023. RAFAEL, A.; DE SOUSA. Química dos Solos -parte I. [s.l: s.n.]. Disponível em: <https://www.ufjf.br/baccan/files/2012/11/Aula-8-Qu%C3%ADmica-dos-solos- parte1.pdf>. Acesso em: 14 fev. 2023. SOLOS DO BRASIL. Portal Embrapa. Disponível em: <https://www.embrapa.br/tema-solos-brasileiros/solos-do-brasil>. Acesso em: 14 fev. 2023. TORTORA, G; FUNKE, B.; CASE, C. Microbiologia. 10. ed. Porto Alegre: Artmed, 2012. CONVERSA INICIAL TEMA 1 – HISTÓRICO, FUNÇÃO E IMPORTÂNCIA DA MICROBIOLOGIA TEMA 2 – ORIGEM E EVOLUÇÃO DA VIDA – SIMILARIDADES ENTRE OS SERES VIVOS TEMA 3 – DIVERSIDADE MICROBIANA 3.1 Células procariontes 3.1.1 Estruturas externas à parede celular 3.1.2 Parede celular 3.1.3 Estruturas internas à paredecelular 3.2 Células eucariontes TEMA 4 – ORIGEM, FORMAÇÃO E COMPOSIÇÃO DO SOLO TEMA 5 – O SOLO COMO MEIO DE CULTURA FINALIZANDO REFERÊNCIAS
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