Microbiologia_ambiental_2012-I

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MICROBIOLOGIA 
AMBIENTAL
Profa. Irene da Silva Coelho
Material de apoio: Apostila Microbiologia Geral - UFRRJ: 
Transformacoes biogeoquímicas na bioesfera Juliana Lopes 
Martins – pg 144
UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO
INSTITUTO DE VETERINÁRIA
DEPARTAMENTO DE MICROBIOLOGIA E IMUNOLOGIA VETERINÁRIA
IV-217 MICROBIOLOGIA GERAL
ECOLOGIA MICROBIANA X 
MICROBIOLOGIA AMBIENTAL
Ecologia microbiana é o 
estudo do comportamento 
e das atividades dos 
microrganismos nos seus 
ambientes naturais, ex., 
estuda as inter-relações 
dos microrganismos uns 
com os outros e com o seu 
meio ambiente
Microbiologia ambiental 
relaciona-se com os 
processos microbianos 
que ocorrem no solo, na 
água ou nos alimentos. O 
foco não é o ambiente no 
qual os microrganismos 
existem mas sim sobre os 
efeitos provocados por 
esses microrganismos no 
meio ambiente 
�Disponibilização de substâncias promotoras de crescimento 
para as plantas; 
� Aumento da eficiência da planta na absorção de fósforo, 
água e outros nutrientes;
� Controle biológico de doenças e pragas da agricultura;
� Degradação de compostos xenobióticos – Biorremediação;
�Participação dos ciclos bioquímicos - Ciclagem de nutrientes.
IMPORTÂNCIA DOS MICRORGANISMOS NOS 
DIFERENTES AMBIENTES
� A Terra é um sistema aberto energeticamente – Luz solar sempre 
renovável.
� A Terra é um sistema quase fechado materialmente – não ocorre 
surgimento de novas fontes de nutrientes.
� Os elementos necessários à vida - água, carbono, oxigênio, 
nitrogênio, etc.- passam por ciclos biogeoquímicos que mantêm 
sua pureza e a capacidade de serem aproveitados pelos seres 
vivos.
CICLOS BIOGEOQUÍMICOS
�Todos os elementos possuem reservatórios
� Bióticos – vivos ou não vivos
� Abióticos 
Classificação de acordo com a origem do reservatório abiótico:
Ciclos gasosos – reservatório atmosfera ou hidrosfera 
Carbono Grande reservatório está na hidrosfera, na forma de gás carbônico dissolvido, 
também está presente na atmosfera;
Oxigênio Reservatório é a atmosfera;
Nitrogênio Reservatório é a atmosfera.
Fósforo Os reservatórios são as rochas.
Enxofre O maior reservatório são as rochas e sedimentos.
Ciclos sedimentares – reservatório crosta terrestre
CICLOS BIOGEOQUÍMICOS
� Elemento básico da construção da vida
� Principal constituinte das moléculas orgânicas.
� Reservatórios:
�1°- Rochas sedimentares –carbonatos
�2°- Oceanos – CO2, CH4 dissolvido na água
�3°- Matéria orgânica – biota
�4°- Combustíveis fósseis (petróleo, gás e carvão)
�5°- Atmosfera – CO2, CH4
CICLO DO CARBONO
� Ciclo biológico
�Transformação de inorgânico em orgânico e vice-versa
� CO2 atmosférico é o reservatório mais biodisponível, mais rápido uso
CICLO DO CARBONO
(CH2O)n
(CH2O)n
CO2
AERÓBICO 
ANAERÓBICO
FOTOSSÍNTESE/
QUIMIOAUTROFIA
FOTOSSÍNTESE/
QUIMIOAUTROFIA
CH4
RESPIRAÇÃO
AERÓBICA
RESPIRAÇÃO
ANAERÓBICA/
FERMENTAÇÃO 
CH4
Metanotrofia
Metanogênese
CICLO DO CARBONO
FIXACAO DE CO2
� Processo de transformação de C inorgânico em orgânico
� Organismos autotróficos - Produtores primário
� FOTOTRÓFICOS – utilizam energia da luz
� Principal mecanismo – fotossíntese
� Plantas, algas, cianobactérias, outras bactérias
� Ambiente terrestre – plantas
� Ambientes aquáticos – bactérias fotossintetizantes.
� QUIMIOAUTOTRÓFICOS – utilizam a energia da oxidação de 
compostos químicos
� Somente procariotos.
TRANSFERÊNCIA DO CARBONO ORGÂNICO 
PELA CADEIA TRÓFICA
Processo de decomposição pelos microrganismos
Polímeros Complexos 
(celulose, hemicelulose, 
proteína)
Unidades monoméricas 
(açúcares, fenóis, aminoácidos)
Enzimas extracelulares
CO
2
+ H
2
O 
+ mais energia
+ mais biomassa
CO
2
+ CH
4
+ álcool +
ác.orgânicos+NH
3
+ H
2
+ 
menos energia – biomassa
Processo anaeróbicoProcesso aeróbico
DEGRADAÇÃO/RESPIRAÇÃO
� METANOGÊNESE
� Em ambientes aquáticos anóxicos – reduzem o CO2 - aceptor final de 
elétrons – “respiram” CO2
�Somente Archeae.
�Produção de gás metano (CH4) – PERIGO – Efeito estufa!!!!
� Maior fonte de metano – mais que abiótica
� METANOTROFIA
� CH4 – regiões óxicas
� Oxidam CH4 – usam como fonte de E
� Somente CO2 é liberado à atmosfera
QUIMIOAUTOTRÓFICOS – usam energia da oxidação de compostos 
químicos. Somente procariotos!!!!
IMPACTO AMBIENTAL DO CICLO DO CARBONO
CICLO DO OXIGÊNIO
� Elemento importante –participa da H
2
O, do CO
2
e dos compostos 
orgânico.
�Essencial para a vida na Terra – O
2
respiração
� Ciclo altamente ligado com o do C.
�Respiração
�Fixação de CO
2
�Fotossíntese
�Decomposição
� Presente em grandes quantidades na atmosfera
CICLO DO NITROGÊNIO
� Importante para os seres vivos – Proteínas, ácidos nucléicos
� Pode ser encontrado no ambiente sob vários estados de 
oxidação
�Formas mais encontradas:
N-orgânico, íons amônio (NH
4
+), íons 
nitrato (NO
3
-) e gás nitrogênio (N
2
)
�Formas menos encontradas:
Óxido nítrico (NO), óxido nitroso (N
2
O) e 
nitrito (NO
2
-)
� Reservatórios:
� Rochas e sedimentos são os maiores reservatórios mas as 
formas de N estão não-biodisponíveis – não influenciam o ciclo
� Atmosfera é um grande reservatório de N (forma gasosa)
�Gás N2 é a forma mais estável do nitrogênio
�Gasto de muita energia para a quebra da ligação tripla no processo de 
fixação
�Poucos microrganismos capazes de tal transformação
CICLO DO NITROGÊNIO
Amonificação
Imobilização
Decomposição
Nitrificação
Redução 
assimilatória
do NO
3
-
Desnitrificação
Absorção 
pelas
plantas
Fixação
não-simbiótica
de N
2 Fixação
simbiótica de N
2
N orgânico NH
4
+
NO
3
-
N
2
CICLO DO 
NITROGÊNIO
Fixação do Nitrogênio Atmosférico
� Pode ocorrer quimicamente na atmosfera
� Descargas elétricas
� Industrialmente (fertilizante)
� A forma mais extensa de fixação de N2é a de origem biológica (85% de 
toda a fixação)
� 60% nos ambientes terrestres 
� 40%ambientes aquáticos
� Processo é parte do metabolismo assimilativo das bactérias 
CICLO DO NITROGÊNIO
N2→ NH3
Fixação Biológica do Nitrogênio
� A fixação biológica de N2 pode ser realizada por:
� Bactéria de vida livre e bactérias que participam de associações 
simbióticas
� Estabilidade da tripla ligação do N2 (N ≡ N) – muita E para a quebra e 
as reações de redução até amônia.
� Nitrogenases são inativadas pelo O2- proteção:
� Proteção respiratória – remoção do O
2
pela rápida respiração
� Cápsula
� Compartimentalização do complexo - especialização celular que ocorre em 
cianobactérias chamada heterocistos
� Produçao de proteínas que se ligam ao oxigênio
CICLO DO NITROGÊNIO
IMOBILIZAÇÃO
NH4
+ → N-orgânico
Amonificação
Imobilização
Decomposição
Nitrificação
Redução 
assimilatória
do NO
3
-
Desnitrificação
Absorção 
pelas
plantas
Fixação
não-simbiótica
de N
2
Fixação
simbiótica de N
2
N orgânico NH
4
+
NO
3
-
N
2
CICLO DO NITROGÊNIO
AMONIFICAÇÃO OU MINERALIZAÇÃO
N-orgânico→ NH4+
� Enzimas produzidas pela biomassa microbiana e por 
animais do solo;
� A produção final de amônio ocorre dentro da célula 
microbiana.
CICLO DO NITROGÊNIO
Polímeros Enzimas 
extracelulares
Monômeros
Enzimas 
intracelulares
NH4+ NH4+N-assimilado
N mineralizado
AMONIFICAÇÃO OU MINERALIZAÇÃO
CICLO DO NITROGÊNIO
“A amonificação, resultado da degradação microbiana de 
aminoácidos, açúcares aminados e ácidos nucléicos, é
dirigida pelas necessidades de carbono e energia dos 
microrganimosheterotróficos do solo. Dessa forma, a 
amônia liberada como resultado da amonificação pode ser 
considerada um subproduto do catabolismo.”
Importante:
AMONIFICAÇÃO OU MINERALIZAÇÃO
CICLO DO NITROGÊNIO
NITRIFICAÇÃO
� Oxidação do amônio (NH
4
+) a nitrato (NO
3
-)
� Ocorre em duas etapas realizada por duas diferentes 
populações de microrganismos quimiolitotróficos:
CICLO DO NITROGÊNIO
Amônia (NH
3
) Nitrito (NO
2
-)
Nitrosomonas
Nitrobacter
Nitrato (NO
3
-)Nitrito (NO
2
-)
REDUÇÃO ASSIMILATÓRIA DO NO
3
-
NO3
- → NH4+
ATP
� Processo que demanda energia;
�É regulado pela disponibilidade de energia e pela 
concentração de amônio e compostos nitrogenados 
orgânicos;
�A redução assimilatória do nitrato por microrganismos é
muito pequena;
�As plantas variam quanto à capacidade e à preferência 
em absorver amônio ou nitrato.
CICLO DO NITROGÊNIO
DESNITRIFICAÇÃO
NO
3
-→ NO
2
-→ NO → N
2
O → N
2
�Compreende a redução do nitrato a gases de nitrogênio 
(principalmente N
2
e óxidos de nitrogênio, NO, N
2
O;
�É um tipo de respiração anaeróbica e e está acoplada à
produção de energia
�Aceptor de e- é diferente do O
2
;
2NO
3
- + 5H
2
+ 2H+→ N
2
+ 6H
2
O
�Equação geral:
CICLO DO NITROGÊNIO
�População de bactérias desnitrificantes correspondem de 0,1 a 
0,5% do total de bactérias presentes no solo
�Predomínio dos gêneros Pseudomonas, Alcaligenes, 
Flavobacterium e Bacillus
DESNITRIFICAÇÃO
CICLO DO NITROGÊNIO
� N2O: óxido nitroso: gás de efeito estufa
� Contaminação da água, eutrofização
IMPACTO AMBIENTAL DO CICLO DO 
NITROGÊNIO
� Elemento crítico para todas as formas de vida. Constituinte de 
ácidos nucléicos, fosfolipídeos e ATP;
� Mineral primário que contém P é o fosfato de rocha ou apatita;
� A intemperização da apatita libera ortofosfato (H
2
PO
4
-); 
Alguns microrganismos produtores de ácidos – fungos e bactérias
�Outras fontes de ortofosfato são os fertilizantes fosfatados e o P-
orgânico;
CICLO DO FÓSFORO
CICLO DO FÓSFORO
� PO
4
inorgânico solúvel assimilado pelos produtores primários
�Microrganismos e plantas
�Incorporado a matéria orgânica – cadeia trófica.
� PO
4
orgânico – decomposição.
� PO4 inorgânico solúvel no ambiente
� Novamente assimilado ou...
� Incorporado a minerais –não biodisponíveis
� Lixiviado para ambiente aquático
� Interferência antropogênica –fertilizantes
� Aplicação do fertilizante –móveis no solo – lixiviados
� Eutrofização – excesso de nutrientes limitantes (P e N)
Excesso de 
nutrientes 
Aumento na 
produção 
primária
Aumento 
da 
biomassa
Maior 
decomposição
Consumo 
de O2
Ambiente 
anóxico
IMAPCTO DO CICLO DO FÓSFORO NO 
AMBIENTE
CICLO DO ENXOFRE
�Importância – nutriente constituinte de alguns aminoácidos, alguns 
microrganismos usam como fonte de E e como aceptor final de elétrons 
(”respiração”)
� Ciclo global complexo
� Grande n° de estados de oxidação
�Transformações biológicas:
� SO4, H2S, S° e S orgânico
� Reservatório – rochas
� Sulfetos minerais – pirita (FeS2) e gipsita (CaSO4) –
liberação lenta
� Oceanos – maior fonte de SO4
CICLO DO ENXOFRE
Resumo da ação dos microrganismos no ciclo
CICLO DO ENXOFRE
�SO4 é a forma de S assimilado pelos seres vivos –
plantas e microrganismos
� Redução assimilativa do sulfato
�Incorporado a matéria orgânica –cadeia trófica.
�S orgânico – decomposição
� Desulfurização – H2S
CICLO DO ENXOFRE
�H
2
S - Forma mais reduzida
�Usado como fonte de E – oxidam H
2
S até S°e/ou SO
4
�Oxidação parcial (grânulos de S°) ou total do H
2
S –
�Bactérias quimiolitotróficas: Beggiatoa, Thiobacillus
CICLO DO ENXOFRE
�SO4 em ambientes anóxicos
�Usado como aceptor final de elétrons (“respira” SO4)
�Redução dissimilativa do sulfato - H2S
�Chuva ácida
� Queima de carvão e óleo combustível em indústrias e usinas 
termoelétricas
� Liberação de dióxido de enxofre SO
2
(gás) – vapor d’água –H
2
SO
4
IMPACTO AMBIENTAL DO CICLO 
DO ENXOFRE