Cianobactérias

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O nitrogênio é um elemento indispensável para os seres vivos, fazendo parte das moléculas de aminoácidos, proteínas, ácidos nucléicos. Acontece que embora esteja presente em grande quantidade no ar , constituindo o gás nitrogênio (N2), poucos seres vivos o assimilam nessa forma. Apenas algumas bactérias, principalmente as cianobactérias, conseguem captar o N2, utilizando-o na síntese de moléculas orgânicas nitrogenadas. Essas bactérias são chamadas fixadoras de nitrogênio. 
   Os microrganismos fixadores de nitrogênio, quando morrem, liberam no solo nitrogênio sob a forma de amônia (Nh4). As bactérias do gênero Nitrosomonas transformam essa substância em nitritos (HNO2), obtendo energia no processo. 
O nitrito (tóxico para as plantas) é transformado pelas bactérias do gênero Nitrobacter em nitratos (HNO3). O nitrato é a fonte de nitrogênio mais aproveitada. 
    fixação, entram as bactérias fixadoras de nitrogênio, entre elas as do gênero Rhizobium, que vivem em nódulos de raízes de leguminosas, que inclui o feijão, a soja, etc. Essa bactérias fixam o nitrogênio do ar e fornecem parte dele à planta hospedeira. Esta, oferece abrigo e substâncias que as bactérias necessitam. É um exemplo de mutualismo. 
14. Discuta possíveis aplicações da simbiose Azolla-Anabaena em Pernambuco 1 As espécies de Azolla são encontradas em todos continentes, distribuídas em regiões temperadas e tropicais. Em um levantamento florístico da caatinga Xavier (2007) identificou três espécies de Azolla com ocorrência no estado de Pernambuco: Azolla caroliniana, Azolla filiculoides, Azolla microphylla. O gênero Azolla é constituído por espécies de pteridófitas aquáticas que realizam simbiose com Anabaena, uma cianobactéria que fixa o N atmosférico. Essa simbiose possui grande importância agrícola, principalmente em países asiáticos, como a China e a Índia, na adubação verde ou consorciada com o cultivo de arroz, fornecendo N para a cultura, substituindo a adubação nitrogenada, além de atuar no controle de plantas daninhas. Por ser uma planta aquática, a Azolla necessita de condições de alta umidade e pluviosidade, não sobrevive em ambiente seco, por isso, deve ser cultivada em solos mal drenados, além de ser sensível a salinidade, exigentes em P (Modesto Júnior et al. 1999) tem preferência por água paradas ou pouco correntes. Conseqüentemente a simbiose é afetada nessas condições. Muitas dessas condições adversas são presentes no estado de Pernambuco, como baixa umidade, baixa pluviosidade e salinidade elevada, o que não favorece a aplicação dessa simbiose no estado. No entanto, uma possível a aplicação da simbiose Azolla-Anabaena no estado de Pernambuco é o uso com cana-de-açucar irrigada com vinhaça, principalmente na irrigação por gravidade. A vinhaça é um subproduto do beneficiamento da cana-de-açucar, rica em MO, possui nutrientes como K, S, N e P. Atualmente 100% da vinhaça produzida é utilizada na fertirrigação da lavoura da cana. Por ser rica em nutrientes, principalmente o K, a vinhaça pode servir para o cultivo de Azolla, que com a simbiose com Anabaena, serviria como fonte de N para a produção da cana, diminuindo os custos com adubação nitrogenada.
1 – As cianobactérias são conhecidas como colonizadoras primárias. Com base nas características metabólicas e fisiológicas deste grupo de micro-organismos explique essa afirmação.
R: As cianobactérias são organismos que apresentam diversos mecanismos de sobrevivência de suportar lugares inóspitos. Estes organismos são capazes de fazer fotossíntese oxigênica, ou seja, fazem uso dos de vários tipos de clorofilas para absorver luz que, consequentemente enviam energia aos fotossistemas I e II, ao mesmo tempo que absorvem CO2 e agua e liberam oxigênio. Além disso, outros mecanismos como a capacidade simultânea ou temporal de realizar processos autotróficos e heterotróficos. Isso somado a capacidade da maioria das cianobactérias capazes de realizar fixação biológica de nitrogênio através do complexo enzimático nitrogenase.
Todos estes mecanismos de sobrevivência fazem das cianobactéria ser um microrganismos de colonização primária de um determinado ambiente ecológico. 
2 – Descreva de forma sucinta ao menos duas estratégias utilizadas pelas cianobactérias para a otimização do processo de fixação biológica do nitrogênio (FBN). 
R: 
Estratégia 1 = Apesar das cianobactérias realizarem fotossíntese oxigênica, a nitrogenase pode ser inibida na presença do oxigênio. Para isso, estes microrganismos criaram um mecanismo fundamental que é a separação temporal. Se a fotossíntese depende da presença de luz, pelo menos a fase clara da fotossíntese, aonde ocorre a liberação de O2, a nitrogenase é resintetizada quando tem luz.
Estratégia 2 = Existem mecanismos regulatórios de algumas linhagens unicelulares e homocitadas que impedem a transcrição do gene, a tradução e a produção final de uma nitrogenase ativa. Mas, mesmos esses organismos que lançam mão desses mecanismos de separação temporal, algumas delas podem fixar N em presença de luz e em presença de O2 lançando mão de estratégias fisiológicas. 
3 – Você está submetendo um projeto de auxílio à pesquisa junto à FAPEMIG cujo tema é “Utilização de cianobactérias fixadoras do nitrogênio como bio-fertilizantes”. Apresente uma JUSTIFICATIVA, contendo não mais do que 20 linhas, do potencial uso desses micro-organismos para este fim. Aborde os aspectos morfológicos, fisiológicos e ecológicos do grupo bem com dados econômicos e tecnológicos.
Morfologicamente, as cianobactérias detêm uma excelente variabilidade, reunindo os grupos: filamentosas, coloniais, unicelulares, filamentosas com ramificação, e com heterocistos. Estes microrganismos estão distribuídos no ambiente natural, inclusive os inóspitos. Sua nutrição é originaria da assimilação de amônio e nitrato. A maiorias das espécies são fototrófica, porém alguns assimilam orgânicos simples através de fotoassimilação. 
O uso da biomassa de cianobactérias tem chamado a atenção vários setores de produção. No setor tecnológico, essa capacidade de absorver e metabolizar compostos presentes no meio justifica o emprego das cianobactérias em bio-tratamentos. 
Ambientalmente, pesquisas com cianobactérias são relevantes, já que permitem retribuir os impactos naturais, de forma a fornecer produtos que originassem exaustão de outros recursos. Neste contexto, faz-se necessário a análise das cianobactérias como mediadora no fornecimento de bio-fertilizantes na agricultura, contribuindo assim na redução da superexplotação de minerais da natureza. 
Na agricultura a mais importante influência das cianobactérias é na fixação biológica de nitrogênio (N2) no cultivo de arroz em solo alagado. Esse processo pode suprir todo o nitrogênio requerido em alguns sistemas de cultivo tradicionais como os utilizados na China, Índia e Vietnam. Além disso, esse mecanismo de assimilação de nitrogênio contribui para a fertilidade dos solos nos quais cresce arroz híbrido de alto rendimento (METTING, 1994). A fixação do Nitrogênio é mediada pelo Fotossistema I (PSI) e pela geração de ATP e redução de ferredoxina. Contudo, a ausência do Fotossistema II (PSII) implica na importação de carboidratos das células vegetativas para a fixação de N2 e para manter a condições anóxicas nos heterócitos. A respiração também gera ATP e, dessa forma, cobre parcialmente a demanda de energia da nitrogenase em presença de luz, constituindo a única fonte de ATP (energia) no escuro. A fixação biológica do nitrogênio é realizada em condições anóxicas, seja em células especializadas (heterócitos) dotadas de paredes espessadas e fotossistema II (produtor de oxigênio) suprimido, seja por meio da separação temporal entre respiração e fixação de nitrogênio. 
A ausência de oxigênio é requisito para a atividade da nitrogenase, enzima que reduz o dinitrogênio atmosférico à amônia. As cianobactérias crescem em quase todos os ambientes aquáticos e terrestres e, portanto, possuem distribuição ubíqua no planeta, sendo talvez os organismosfotossintéticos com maior amplitude de habitats. Assim sendo, são capazes de crescer em ambientes extremos como fontes termais, desertos quentes e gelados, e toleram temperaturas de até 730C, pH até 4,0 (WARD, 1997; CASTENHOLZ, 2001) e salinidade de 200 ppm ou mais. Possuem, também, mecanismos de proteção à elevada incidência de radiação solar nociva (UVB e UVC), ao mesmo tempo em que são adaptadas a baixas intensidades luminosas. Utilizam como substrato o plâncton, o bênton, plantas aquáticas, outros organismos, solo ou sedimentos.
A presença de características fisiológicas como a cinética de captação de carbono e nutrientes, a capacidade de fixação do nitrogênio atmosférico bem como de estruturas especiais, como o desenvolvimento de aerótopos em muitas espécies planctônicas, são a razão do seu sucesso ecológico. Os aerótopos, vesículas gasosas delimitadas por membrana protéica reunidas no interior da célula, favorecem a mobilidade vertical na coluna d´água a inúmeras cianobactérias de vida aquática. Cronberg & Annadoter (2003) citam que o nitrogênio tem particular importância não apenas para o metabolismo das cianobactérias mas, também, para a síntese de aerótopos. Desta forma, conseguem explorar recursos nutricionais depositados nas camadas mais profundas dos corpos d’água e a sua permanência nos extratos com condições ideais de irradiação solar, evitando dano celular por fotooxidação (WALSBY , 1994).
A diversidade morfológica das cianobactérias é ampla, abrangendo formas unicelulares, coloniais, filamentosas ou pseudoparenquimatosas, de dimensões micro a macroscópicas. Nas colônias, o arranjo das células ou filamentos pode ser irregular, radial ou em planos ordenados. O diâmetro celular varia de 0,5 µm em Prochlorococcus, o menor organismo fotossintético conhecido a mais de 100 µm (ADAMS & DUGGAN 1999). Algumas espécies podem mover-se por deslizamento promovido pela extrusão da mucilagem que recobre as células ou pela atividade de estruturas especiais chamadas pili, bem como ou estruturas semelhantes a cílios.
Cianobactérias são comuns em lavouras de arroz onde o fósforo, principal nutriente limitante do desenvolvimento desses organismos, é altamente suprido com a adubação e escoamento superficial de solos suscetíveis à erosão, e com o nitrogênio introduzido no ambiente pela adubação nitrogenada. Nesses ambientes é comum o desenvolvimento de espécies filamentosas com capacidade de formar densas massas de filamentos. Devido às lavouras de arroz permanecerem alagadas durante a maior parte do ciclo da cultura, ou durante todo o ciclo, porções de comunidades flutuantes estão sujeitas a um padrão de distribuição irregular influenciado pelo movimento da água e do vento, e também, pelo espaçamento entre plantas. Filamentos individuais ou porções de agregados de cianobactérias podem se mover também verticalmente e aderir às partes submersas e emergentes das raízes das plantas de arroz (METTING, 1994). 
Durante o período em que as fontes naturais de nitrogênio combinado são deficientes, as cianobactérias passam a fixar o nitrogênio molecular presente na atmosfera convertendo em amônia e, portanto, tornando-se mais competitivas e capazes de se desenvolver massivamente. Dentre os gêneros que possuem a capacidade de fixar nitrogênio atmosférico nestas condições encontram-se os gêneros Anabaena, Anabaenopsis, Aphanizomenon, Cilindrospermopsis, Gloeotrichia, Cilindrospermum e Nostoc.
O nitrogênio é um elemento importante no metabolismo tanto de algas como de cianobactérias, participando da composição molecular de proteínas e enzimas, das quais dependem as reações químicas celulares. Nos ecossistemas aquáticos, apesar de muito escasso, o nitrogênio ocorre em várias formas: nitrogênio molecular (N2, dominante), nitrato (NO3), nitrito (NO2), amônia (NH4 + , NH3 + , NH4 + OH), óxido nitroso (N2O), nitrogênio orgânico dissolvido (NOD) como uréia, purinas, etc. e nitrogênio orgânico particulado (NOP), representado por organismos e detritos.