CMicrobiologiaambiental CICLOS2013

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UNIVERSIDADE DO OESTE DE SANTA CATARINA
CAMPUS VIDEIRA
MICROBIOLOGIA AMBIENTAL
CICLOS BIOGEOQUÍMICOS
SABRINA SALAMONI
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Ciclos biogeoquímicos
Descreve o movimento e conversão de materiais por atividades bioquímicas através da atmosfera, hidrosfera e litosfera.
Transformações físicas e químicas incluem dissolução, precipitação, volatilização, fixação, biosíntese e biodegradação. 
Estas transformações, químicas e físicas, podem causar translocação espacial de materiais (água para sedimentos, do solo para atmosfera, da atmosfera pro solo).....
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Principais processos e mecanismos de transformações bioquímicas que regulam a ciclagem dos elementos nos sistema solo-planta-atmosfera.
Moreira & Siqueira, 2006
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Principais processos e mecanismos de transformações bioquímicas que regulam a ciclagem dos elementos nos sistema solo-planta-atmosfera.
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O maior reservatório de carbono encontra-se nos sedimentos e rochas da crosta terrestre, contido o tempo para a sua reciclagem e tão longo que a sua transferência deste compartimento e relativamente insignificante em escala humana. 
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Do ponto de vista dos seres vivos , uma grande quantidade de carbono orgânico é encontrada em plantas terrestres. Esse carbono de florestas, pastos e plantações constituem o principal sitio de fixação fotossintética de CO2.
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Parte do carbono presente no solo encontra-se na forma de matéria orgânica morta. O húmus é uma mistura complexa de compostos orgânicos , derivada de microrganismos de solo mortos, que resistiram a decomposição, juntamente com matéria orgânica vegetal. Algumas substâncias são relativamente estáveis, apresentando um tempo global de recilcagem de várias décadas.
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O mecanismo mais rápido de transferência global do carbono ocorre por intermédio do CO2 atmosférico. O dióxido de carbono é removido da atmosfera principalmente pela fotossíntese de plantas terrestres e microrganismos, sendo devolvido para a atmosfera. 
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Estima-se que metade do C fotoassimilado pelas plantas é consumido na respiração dos seres vivos par a manutenção e crescimento, o restante vai para serrapilheira , sofre rizodeposição ou é extraído como produto vegetal ou indiretamente como produto animal na caso de exploração agropastoril. Ao atingir o solo, os materiais sofrem decomposição, ocorrendo devolução da grande porção de C desses par aa atmosferaa, ficando parte desse no solo. 
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Transformações do Carbono no Ambiente
Gráfico2
		50
		20
		15
		8
		3
		1.35
		2
		1
Composição (%) da Biomassa Bacteriana
Plan1
		
		Carbono (C)		50.00
		Oxigenio (O)		20.00
		Nitrogenio (N)		15.00
		Hidrogenio (H)		8.00
		Fosforo (P)		3.00
		Enxôfre S		1.35
		Potássio K		2.00
		Ca,Cl, Mg,Fe, Micro		1.00
		Ferro Fe		0.25
		Microelementos		0.30
		
		
				4.9
Plan1
		
Composição (%) da Biomassa Bacteriana
Plan2
		
Plan3
		
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O Ciclo do Carbono
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O C entra na composição das moléculas orgânicas dos seres vivos, a partir da fotossíntese
 
O carbono fixado é eventualmente degradado pelos microrganismos e resulta em dois principais estados de oxidação:
	Dióxido de carbono (CO2) e Metano (CH4)
Estes dois produtos são formados a partir da atividade de microrganismos metanogênicos (CH4) ou de vários microrganismos quimiorganotróficos, por meio da fermentação, respiração anaeróbia e respiração aeróbia.
CICLO DO CARBONO
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Parte do carbono retirado da atmosfera passa a constituir a biomassa dos seres, que poderá ser transferida para um carnívoro
O carbono fixado pela fotossíntese vai passando de um nível trófico para outro. 
De forma SIMPLIFICADAS TEMOS.....
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CICLO DO CARBONO
Os fotoautotróficos utilizam o CO2 e o vapor de água da atmosfera para, na presença de luz solar, sintetizar compostos orgânicos de carbono, hidrogênio e oxigênio, tais como a glicose (C6H12O6)
Reação da fotossíntese:
6CO2 + 6 H2O + energia solar = C6H12O6 + 6O2
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CICLO DO CARBONO
	
A energia armazenada nas moléculas orgânicas é liberada no processo inverso ao da fotossíntese: a respiração. 
Quebra das moléculas com a conseqüente liberação de energia para a realização das atividades vitais dos organismos
Reação da respiração:
C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6 H2O + 640 kcal / mol de glicose
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CICLO DO CARBONO
 Os decompositores atuam sobre os detritos orgânicos liberando CO2, que retorna à atmosfera, reintegrando-se a seu reservatório natural
 
Detritos orgânicos ainda podem originar os combustíveis fósseis que, através da combustão, eliminarão CO2 de volta para a atmosfera. 
 
 Combustão: combustível + energia + O2 = CO2 + ...(detritos) 
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Carbono
Fotossíntese
Quimiossintese
Respiração
Combustão
Mat. Org. (CHO)
Biomassa
CO2 + H2O
Autótrofos
Heterótrofos
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Metabolismo Aeróbio
Carboidratos
Glicólise
Proteínas
Lipídeos
 oxidação
Ciclo de Kreb´s
NADH
FADH2
Cadeia Transporte de Elétrons
 O2 H2O
 ADP + Pi ATP 
 CO2 
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Ácido 
Propiônico
Ácido acético
Matéria Orgânica
..
Metano
 CH4
15%
65%
15%
20%
72%
13%
17%
35%
15%
Outros Ácidos
Metanogênicas 
Acidogências 
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O carbono fixado é eventualmente degradado a metano e dióxido de carbono
Em ambiente anóxico metano é produzido (METANOGÊNICOS) pela redução de dióxido de carbono pelo H2, ou a partir de compostos orgânicos como acetato.
O metano produzido em ambiente anóxico é transportado para ambientes óxicos onde é oxidado a CO2 por METANOTRÓFICOS.
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METANOGENESE
Dióxido de carbono é utilizado como aceptor final de elétrons na respiração anaeróbia, reduzindo-o a metano com H2.
SINTROFIA
Processo em que dois ou mais organismos cooperam na degradação anaeróbia de compostos orgânicos
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SINTROFIA	
Degradação de polissacarídeos, proteínas e gorduras.
Celulose é parcialmente hidrolisada à celobiose e glicose.
A glicose por sua vez é fermentada (fermentadores prímários) à acetato, propianato, butirato, succinato, álcoois, H2 e CO2
H2 pode ser consumido por metanogênicas, homoacetogenicas ou redutoras de enxofre
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Embora os níveis de metanogênese sejam elevados apenas em ambientes anóxicos, pântanos, sedimentos e rúmen por exemplo, existe produção de metano em hábitats óxicos. O metano é produzido em microambientes anóxicos como no interiro de partículas do solo. 
Metanogênese X acidogênese: ambientes anóxicos terrestres e de água doce.
Metanogênese X sulfetogênese:
	 Bactérias redutoras de sulfato abundante em sedimento marinho
	Sulfetogênese prevalece
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CICLO DO NITROGÊNIO
Reservatório – litosfera, rocha no fundo dos oceanos e sedimentos (98%)
Atmosfera – 78%
Biosfera – 96% do total do N orgânico – matéria morta
 4% organismos vivos (plantas)
Solo – NO2, N-orgânico, N-NH4 e N-NO3-
Plantas absorvem cerca de 40% N mineralizado
72% de nitrogênio é perdido por lixiviação, desnitrificação, imobilização
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Formas “disponíveis” de nitrogênio para a nutrição: combinações amoniacais (NH4), nítricas (NO3) ou orgânicas (R-NH2) que são metabolizadas.
Fonte de nitrogênio:
São provenientes do esgoto doméstico (uréia)
Dejetos animais 
Efluentes industriais altamente protéicos
Outros efluentes (insumos contendo amônio)
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Até entrada no tratamento 90% do N está na forma de amônia, em pH neutro encontra-se em meio aquoso na forma de íon amônio. 
Nitrogênio presente em proteínas, aminoácidos, bases nitrogenadas, vitaminas, hormônios.
Bactérias decompositoras transformam resíduos nitrogenados em amônia.
			 NH2
 	O = C + H2O ( 2 NH3 + CO2 
 NH2
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Perda
Adição 
Fixação biológica
Mineralização
Chuvas
FertilizaçãoLixiviação
Erosão
Volatlização
Desnitrificação
Imobilização
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Onde está a amônia? 
Esgoto industrial e doméstico
Agricultura (Fertilizantes)
Quais os impactos?
Toxicidade
Excesso de crescimento plantas e algas (eutrofização)
Ingestão em excesso (metamonoglobinemia) - reduz (transporte de O2)
Reação com outros ôrganicos - nitrosaminas
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Ciclo do Nitrogênio
N2 
NH4+ 
NO2- 
NO3- 
Fixação
Nitrificação curta
Nitrificação completa
Desnitrificação
ANAMMOX
Nitrogênio Orgânico
Amonificação
Redução dissimilativa de nitrato a amônia
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AMONIFICAÇÃO – Peptidades
Mecanismo de desaminação de porteína. Mecanismo ácido base. 
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NITRIFICAÇÃO
Amônio na forma reduzida é oxidado por bactérias nitrificantes em duas etapas:
Etapa – oxidação de amônio a nitrito 
 Etapa - oxidação de nitrito a nitrato
 
 Nitritação - Nitrosomonas
 Bactérias nitrificantes
 Nitratação - Nitrobacter
NH4+ NH2OH NOH NO2-
-3 -1 +1 +3
 hidroxilamina nitroxil nitrito 
N2O
N2O
NO2- NO3-
 
NOR 
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Gram negativas, formas variadas (basstones, espirilos, cocos)
 A maioria possui um sistema membranoso intracitoplasmático que forma várias camadas
Nitrosomonas spp , Nitrosococcus mobilis, Nitrosospira spp, Nitrosolobus spp, Nitrosovibrio spp, Nitrosococcus oceani, Nitrosococcus halofila
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Essas bactérias utilizam NO2- como fonte de energia
O gênero Nitrobacter capaz de utilizar também fontes orgânicas. 
A enzima que cataliza a passagem de NO2- a NO3- se denomina Nitrito oxidoredutase (NOR). 
 
 
Nitrobacter spp, Nitrococcus mobilis, Nitrospina gracilis , Nitrospira spp
2NO2- + 2H2O 2NO3- + 4H+ + 2e- 
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A desnitrificação constitui uma das principais etapas dentro do ciclo global do nitrogênio na natureza 
O processo é definido como a redução de nitrato ou nitrito a N2O ou N2 gasoso, sendo NO um intermediário
Este processo tem sido amplamente estudado devido as perdas econômicas em solos fertilizados com nitrato, a contaminação das águas subterrâneas com nitrato, a remoção do nitrato de águas residuárias e ao efeito estufa que produz o N2O
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DESNITRIFICAÇÃO
Redução bioquímica de formas oxidades a formas gasosos (N2 e N2O)
 Bactérias anaeróbias facultativas – Alcaligenes, Bacillus, Azozpirillum, Pseudomonas, Rhizobium
 2NO3- 2NO2- 2NO N2O N2
Principal via de “perda” de N para a atmosfera
 perda de sistema solo-planta benéfico pq remove o N antes que atinja oceano
Cerca de 20 a 30% do N aplicado a culturas agrícolas não é recuperado – perdido por desnitrificação e volatilização
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Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterim, Achoromobacter, Paracoccus, Corynebacterium, Acinetobacterium, Gluconobacter, Xanthomonas, Azospirillum, Chromobacterium, Bacillus, Wolinella, Rhizobium, Azospirilum, etc. 
As desnitrificantes encontram-se amplamente distribuídas nos ambientes incluíndo os ecossistemas aquáticos, solos e sedimentos. São isoladas dos ambientes empregando se meios anaeróbios com nitrato sendo as mais freqüentes os gêneros Pseudomonas seguido por Alcaligenes 
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A oxidação anaeróbia da amônia, conhecida por Anammox, é o processo bioquímico de conversão de amônio e nitrito a gás nitrogênio.
Apenas recentemente foi incorporado ao ciclo deste elemento. 
Apesar de ter sido reportado como um processo biológico desde 1996 apenas em 1999 se conseguiu identificar um microrganismo responsável por esse tipo de conversão 
A primeira bactéria capaz de realizar o processo anammox e que se conseguiu identificar a partir de enriquecimento, tendo em vista que não foi possível isolá-la por métodos convencionais, foi chamada de Candidatus “Brocadia anammoxidans”. 
Esse organismo foi identificado em um reator em escala piloto operado para desnitrificar meios sintéticos com altas cargas de nitrogênio, na Holanda. 
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ANAMMOX
	 Oxidação anaeróbia
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FIXAÇÃO BIOLÓGICA
 Nitrogênio gasoso (N2) o principal constituinte da nossa atmosfera o não é assimilável pela maior parte dos organismos. 
O N2 pode ser fixado por bactérias de vida livre ou simbiontes, por cianobactérias.
 O processo de fixação biológica do nitrogênio (FBN) requer uma energia de ativação muito alta, desta forma está longe de ser um processo espontâneo.
Diazotróficos – reduzem N2 a NH3
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Nitrogenase 
Duas subunidades – ferro proteína 
 ferro molibdênio
Microrganismos vida livre ou associação, aeróbios ou anaeróbios: Clostridium, Azospirillum, Rhodobacter, Azobacter, cianobactérias
N2 + 8+ + 16 ATP + 8e NH3+ + H2 +16 ADP + 16 Pi
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 Nitrogenase sensível ao oxigênio
 Pode-se ligar temporariamente ou permanente inibição, por ligar-se a porção ferro
Presença de amonia reduz a fixação
Mecanismos de adaptação
Proteção respiratória - Aumento respiração Azobacter
Produção de polissacarídeo
Células especializadas Anabaena, Nostoc – heterocisto
Locomoção - Azospirillum
Anabaena spiroides 
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Leg hemoglobina : são sintetizadas nas nodosidades da raiz das plantas leguminosas (onde pode representar 40 % das proteínas presentes) durante a fixação de nitrogênio molecular N2 por simbiose bacteriana.
 A parte globina é sintetizada pela planta hospedeira (essencialmente as leguminosas) e o hemo é produzido pela bactéria. Essa proteína permite proteger um complexo enzimático dos efeitos do oxigênio que o desativa. De cor vermelha, a leg-hemoglobina confere às nodosidades uma cor rosada característica.
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