Microbiologia ambiental

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Departamento de Microbiologia
Insti tuto de Ciências Biológicas
Universidade Federal de Minas Gerais
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Introdução à Microbiologia Ambiental 
 1
Introdução 
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A microbiologia ambiental é a interface entre as ciências ambientais e a ecologia microbiana. Estuda 
os microrganismos e suas funções na condução de processos nos sistemas naturais e prioriza os 
efeitos provocados pela presença e ati vidade desses no meio ambiente. Com os avanços da biologia 
molecular aumentou-se a habilidade de detectar e identi fi car microrganismos e suas ati vidades no 
ambiente.
A diretriz principal da vida microbiana é sua sobrevivência, manutenção, geração de ATP e cresci-
mento. A grande diversidade de habitats fez com que os microrganismos esti vessem sob diferentes 
pressões seleti vas o que resultou na seleção de grande variedade metabólica, fi siológica e molecu-
lar. Considerando-se que microrganismos ambientais podem afetar vários aspectos da vida, e são 
facilmente transportados entre ambientes, as interfaces do campo de microbiologia ambiental têm 
um número grande de diferentes sub-especialidades, incluindo solo, ambiente aquáti co, qualidade 
da água, saúde ocupacional e controle de infecções e microbiologia industrial. 
Impacto dos microrganismos no ambiente
Os microrganismos são agentes primários das mudanças geoquímicas. Algumas característi cas que 
possibilitam essa atuação ampla no ambiente são sua distribuição ubíqua devido à grande diversi-
dade metabólica e fi siológica, pelo fato de serem pequenos e possuírem grande área superfi cial e as 
altas taxas de ati vidade metabólica e de crescimento. 
Os microrganismos são elementos chave na ciclagem e liberação dos nutrientes e na manutenção 
da composição química do solo, água, sedimentos e atmosfera. Além disso, são importantes na de-
toxifi cação de poluentes orgânicos e inorgânicos, sendo a base de muitas tecnologias emergentes 
com aplicação ambiental e industrial.
É o estudo da distribuição da diversidade no tempo e no espaço. Desti na-se a revelar onde os orga-
nismos vivem, sua abundancia e o porque, ou seja, revela a diversidade e a ati vidade desses. 
Biogeografi a
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População microbiana
Os ecossistemas são formados pelas comunidades biológicas e pelos componentes abióticos. Cada 
ecossistema apresenta uma diversidade de microrganismos distribuídos em duas categorias: 
 1 – Autóctones ou indígenas, que são os microrganismos residentes e naturais daquele am-
biente.
 2- Alóctones ou não indígenas, que são os microrganismos transitórios. 
O ecossistema pode ser ocupado por microrganismos especializados metabolicamente e que são 
restritos a um ambiente distinto. 
Nicho Ecológico
O nicho corresponde ao papel funcional do microrganismo na comunidade e suas características de 
adaptação às condições ambientais. Cada espécie apresenta requerimentos nutricionais particula-
res, propriedades cinéticas e potenciais bioquímicos. As características do microrganismo são deter-
minantes da habilidade ou não de realizar uma função particular no ambiente (Figura 1).
Figura 1. Representação de diferentes nichos ecológicos determinados por re-
querimentos nutricionais
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Ecologia
É o estudo da estrutura e da função do ecossistema. A estrutura é a composição da comunidade 
biológica, a quantidade e a distribuição dos componentes abióticos e a faixa gradiente das condi-
ções ambientais. Já a função envolve processos relacionados com o fluxo de energia, a ciclagem de 
nutrientes e a regulação mútua dos organismos no ambiente.
Densidade Populacional
Corresponde ao número de indivíduos por área. Pode ser modificada por fatores abióticos, como 
modificações físico-químicas no meio, por fatores bióticos, especialmente por relações ecológicas 
como a competição, e pelas taxas de migração, mortalidade e natalidade.
Biofilmes
É uma forte associação de microrganismos atacados 
com a produção de uma matriz extracelular polimé-
rica (glicocálix). São sistemas microbianos organiza-
dos, que consistem em camadas de células microbia-
nas que se desenvolvem sobre superfícies sólidas. 
A complexidade de um biofilme é dependente dos 
recursos energéticos disponíveis. 
Os biofilmes possibilitam a criação de microambientes e nichos na ausência de um ambiente físico 
estruturado e propiciam melhor condição de sobrevivência nos ambientes naturais. Protegem con-
tra flutuações de pH, radiação ultravioleta, concentração de sais, desidratação, predadores, fagoci-
tose, biocidas e antimicrobianos. Aumentam a possibilidade de trocas de material genético entre 
seus componentes e facilitam o estabelecimento de microconsórcios, possibilitando a utilização de 
substratos de difícil degradação. Também aumentam a quantidade de nutrientes disponíveis, atra-
vés da deposição e concentração desses na matriz polimérica.
Biofilmes têm sido extensivamente estudados pelo seu papel no ciclo de nutrientes e controle de 
poluentes em ambientes aquáticos, além dos efeitos benéficos ou prejudiciais à saúde humana.
A formação dos biofilmes (Figura 2) acontece da seguinte forma:
 1- Formação de filme condicionado – adsorção de substancias orgânicas a uma superfície 
sólida e colonização inicial por um único tipo bacteriano. 
 2- Associação transiente do microrganismo com a superfície ou com outros microrganismos. 
Produção de EPS (proteínas, carboidratos e polissacarídeos) e biosurfactantes. Apêndices externos, 
como adesinas e pilus tipo III, facilitam a associação. 
 3- Associação estável – adesão firme dos microrganismos à superfície. Redução da motilida-
de desses através da inibição do gene da flagelina. Síntese de exopolissacarídeos e desenvolvimento 
de camadas compostas por diferentes microrganismos. 
 4- Maturação – formação e estruturação de microcolônias. Formação de poros intersticiais 
e canais. Síntese de mais exopolissacarídeos. Ocorrem interações metabólicas e genéticas entre os 
microrganismos. 
Figura 2. Etapas da formação do biofilme: Coloniza-
ção inicial por um único tipo bacteriano (1) Desen-
volvimento de camadas de diferentes microrganis-
mos (2 e 3)
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Lei do mínimo de Liebig
A ocorrência e abundância de um microrganismo em um ambiente depende não somente dos nu-
trientes disponíveis, mas também dos fatores químicos e físicos. O microrganismo apresenta um 
conjunto complexo de condições, dentro de uma faixa de tolerância. Se qualquer condição exceder 
os limites mínimo ou máximo, o organismo falha e morre. Para todo fator abiótico existe uma faixa 
de crescimento, com valores cardeais mínimo, ótimo e máximo.
Determinantes ambientais
 1- Químicos – nutrientes, minerais, composição atmosférica, pH, fatores de crescimento, 
fontes de carbono e energia, potencial de eletro-redução.
 2- Físicos – radiação, pressão, salinidade, temperatura, atividade de água, superfície.
 3- Biológicos – relações espaciais, genética do microrganismo e relações ecológicas.
Microrganismos extremófilos
Prosperam ou requerem condições extremas que excedem as condições ótimas para o crescimento 
e reprodução da maioria dos microrganismos. Sobrevivem em um leque de ambientes diferentes e 
utilizam uma gama de diferentes fontes de carbono e energia. Possuem estratégias para reter água 
e manter suas membranas, proteínas e ácidos nucléicos funcionais.
Temperatura
 Afeta a taxa de crescimento por alterar a taxa das reações químicas. A elevação da tempera-
tura, até certos limites, leva ao aumento do crescimento e das atividades metabólicas até um ponto, 
a partir do qual as reações de inativação começam a atuar.
Os microrganismos são classificados de acordo com a faixade temperatura em que sobrevivem e 
crescem em (Gráfico 1):
Os biofilmes podem ter as seguintes formas de dispersão: 
 Expansiva – ocorre a liberação de células do interior das colônias após a morte celular, a de-
gradação da matriz por liases ou a restauração da motilidade dos microrganismos.
 Fragmentação por forças mecânicas.
 Migração superficial. 
A formação do biofilme é afetada pelas características da superfície, pela cobertura polimérica da 
água, pela presença de materiais particulados, pela qualidade e concentração de nutrientes do meio 
circundante e pelas características da bactéria e do fluido, se houver.
A biomassa total de um organismo é determinada pelo nutriente presente no meio em menor con-
centração em relação a seus requerimentos. Em um dado ecossistema sempre haverá algum fator 
nutricional limitante.
Lei da tolerância de Shelford
Gráfico 1. Faixa de temperatura de crescimento de microrganismos psicrófilos, psicrotolerantes, mesófilos, termófilos 
e hipertermófilos.
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 1- Psicrófilos – crescem em temperaturas baixas, na faixa de 0oC a 200C, com temperatura 
ótima em torno de 15oC. Não toleram o calor e são encontrados em ambientes constantemente 
frios, tais como as regiões polares. 
 2- Psicrotolerantes – capazes de crescer a 0 oC, mas com crescimento ótimo na faixa de 20 
oC a 40 oC. São um problema na conservação de alimentos, sendo comumente encontrados em 
alimentos estragados. 
 3- Mesófilos – com temperaturas medianas como ótimas de crescimento (25 oC a 40 oC). 
São encontradas em animais de sangue quente e em ambientes terrestre e aquáticos de latitudes 
tropicais. 
 4- Termófilos – com crescimento ótimo em temperaturas superiores a 45oC. São encontra-
dos em ambientes quentes. Geralmente produzem esporos resistentes ao calor que sobrevivem 
inclusive aos tratamentos térmicos a que são submetidos os alimentos enlatados. Importantes tam-
bém em acúmulos de compostos orgânicos cuja temperatura pode ser bastante alta.
 5- Hipertermófilos - crescimento ótimo em temperaturas superiores a 80oC. encontrados em 
fontes termais, gêiseres e fendas hidrotermais. 
Estresse em baixas temperaturas:
 - Desestabilização da bicamada lipídica da membrana.
 - Despolimerização do citoesqueleto.
 - Citoplasma viscoso devido ao aumento da concentração de soluto, o que interfere na difu-
são.
 - Mudança de pH, muitas vezes levando à desnaturação de proteínas. 
 - Desidratação em decorrência da saída de água das células devido a formação de cristais de 
gelo no meio extracelular.
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Pressão hidrostática
Os microrganismos são classificados de acordo com a faixa de pressão hidrostática em que crescem. 
E são classificados em:
 1- Sensíveis – crescem bem a 1 atm.
 2- Barotolerantes – resistem a pressões bastante altas.
 3- Barofílicos – Precisam de grande pressão para crescer bem. Morrem a 1 atm. 
Pressão osmótica
Força com a qual a água se move através da membrana plasmática, de uma solução hipotônica para 
uma solução hipertônica. Pode causar desidratação, lise ou plasmólise. 
Salinidade
É a soma da concentração de todos os constituintes iônicos dissolvidos na água. A alta concentração 
de sal afeta a pressão osmótica, desnatura proteínas e desidrata a célula. De acordo com a salinida-
de os microrganismos podem ser classificados em (Gráfico 2):
 1- Não halofílicos – não necessitam de sal para crescer e não toleram sua presença no meio.
 2- Halotolerantes – não necessitam de sal para crescer, mas suportam certa quantidade no 
meio. O crescimento ótimo ocorre na ausência do sal. 
 3- Halófilos- requerem certa quantidade de sal para crescer. Podem ser discretos ou mode-
rados, necessitando de baixa concentração de sal no meio, ou extremo, necessitando de altíssima 
concentração de sal para crescer. 
O sistema de transporte de membrana dependente de sódio em bactérias marinhas é um exemplo 
de adaptação à salinidade. 
Gráfico 2: Faixa de salinidade de crescimento de microrganismos não halofílicos, halotolerantes, halófilos moderados 
e halófilos extremos.
Disponibilidade de água
A água é essencial para a atividade e crescimento dos microrganismos. Processos fisiológicos reque-
rem água para movimentação, trocas gasosas, trocas de soluto, excreção de resíduos, obtenção de 
nutrientes e outras funções. 
A atividade de água (Aa ou aw) é o parâmetro que mede a disponibilidade de água para o micror-
ganismo. Os valores de aw podem variar de 0 a 1. Representa a água que está livre para agir como 
solvente ou participar de reações químicas. É a água não ligada a macromoléculas por forças físicas. 
A atividade de água corresponde à pressão de vapor da solução dividida pela pressão de vapor da 
água pura. A atividade de água reduzida aumenta a fase lag do crescimento, inibe a produção de 
toxinas por alguns microrganismos e altera a permeabilidade da membrana celular, levando à perda 
de moléculas essenciais. 
Fatores que interferem nos efeitos da atividade de água:
 - Temperatura– quanto mais próximo à temperatura ótima de crescimento, maior a faixa de 
atividade de água em que o crescimento microbiano é possível.
 - Nutrientes – a disponibilidade amplia a faixa de atividade de água onde o crescimento mi-
crobiano é possível. 
Microrganismos que crescem em baixas atividades de água bombeiam íons inorgânicos para o in-
terior da célula ou sintetizam solutos orgânicos (chamados de solutos compatíveis). A quantidade 
máxima de solutos compatíveis acumulados corresponde a uma característica geneticamente deter-
minada. 
Adaptações aos períodos de dessecação:
 - Formação de esporos.
 - Formação de polissacarídeos extracelulares (cápsula, camada mucosa com trehalose).
 - Síntese de açúcares que formam uma fase de cristal não cristalino que se liga a proteínas, 
impedindo sua desnaturação.
 - A trealose forma ligações de hidrogênio com lipídeos, substituindo a molécula de água e 
mantendo o estado fluido da membrana.
Adaptações à grande quantidade de água:
 - Parede celular rígida para evitar a lise em bactérias.
 - Vacúolos contráteis em protozoários para bombear o excesso de água para fora da célula.
 - Excreção de água através de aquaporinas em algumas bactérias.
pH
Assim como na temperatura, cada organismo possui uma faixa de pH onde seu crescimento é possí-
vel, exibindo no entanto um pH ótimo definido. Esse pH ótimo corresponde ao pH do meio externo, 
sendo que o pH intracelular deve permanecer próximo a neutralidade, o que é possível devido a 
impermeabilidade da membrana plasmática aos íons. Alguns procariotos que vivem em pH extremo 
parecem manter a neutralidade interna bombeando prótons para fora da célula. 
A maioria dos ambientes tem o pH entre 5 e 9 e os organismos mais comuns são os que crescem 
nessa faixa, conhecidos como neutrófilos. Os organismos acidófilos crescem em pH menor que 5. 
Os fungos tendem a ser mais tolerantes à acidez, mas algumas bactérias também são acidófilas. Os 
microrganismos alcalifílicos crescem em valores elevados de pH.
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Valores de pH fora da faixa de crescimento tolerada pelos microrganismos pode levar à desnatura-
ção de proteínas, alterações na fluidez da membrana plasmática, a dissociação e solubilização de 
moléculas e à solubilidade de gás carbônico. Também afeta a força próton motora e a mobilidade de 
metais pesados.
Potencial de oxi-redução 
Mede a tendência de um composto doar ou receber elétrons. É uma escala útil para medida de ana-
erobiose. O oxigênio molecular é um poderoso agente oxidante. Ambientes com potenciais de oxi-
-redução positivos favorecem a oxidação e permitem o crescimento de microrganismos aeróbios. Em 
contrapartida,ambientes com potenciais de oxi-redução negativos favorecem a redução e permitem 
o crescimento de microrganismos anaeróbios. Os microrganismos aeróbios facultativos sobrevivem 
a uma ampla faixa de potencial de oxi-redução. À medida que o oxigênio vai sendo reduzido vão 
sendo formadas moléculas altamente reativas como o ânion superóxido (O2-) e o peróxido de hi-
drogênio (H2O2). Os microrganismos que crescem na presença de oxigênio sintetizam enzimas que 
transformam as moléculas reativas em moléculas inertes como a água e o oxigênio (O2). 
Enzimas que destroem espécies tóxicas de oxigênio:
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Literatura sugerida
MADIGAN, Michael T.; MARTNKO, John M.; PARKER, Jack. Microbiologia de Brock. 12 ed. Editora: 
Artmed. São Paulo. 2010.
PELCZAR, Michael Joseph; CHAN, E.C.S; KRIEG, Noel R. Microbiologia: conceitos e aplicações. 2.ed. 
São Paulo: Makron Books. 
MAIER, Raina M.; PEPPER Ian L.; GERBA Charles P. Environmental Microbiology. 2ª ed. Editora: Aca-
demic Press. 2009