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Microbiologia Ambiental Professor: Erica Costa Curso: Ciências Biológicas - Bacharelado Período: 5º Semestre 1 e 2 Aula Teórica: Conceitos de Microbiologia Ambiental. Papel ecológico dos microrganismos. Biofilmes. • Definição: A Microbiologia Ambiental é uma área da ciência que se dedica ao estudo da fisiologia, genética, interações e funções dos microrganismos no ambiente, e faz uso deste conhecimento com o objetivo maior de manter a qualidade ambiental e contribuir para o desenvolvimento sustentável da sociedade moderna. • Microbiologia Ambiental ≠ Ecologia microbiana Microrganismos de ambientes naturais e artificiais Interações entre microrganismos e o ecossistema Diversidade e adaptação a vários ambientes *efeitos provocados pelos microrganismos Importância no processo evolutivo Responsáveis por importantes alterações nas condições atmosféricas do planeta; Possivelmente, foram as responsáveis pelo acúmulo de O2 na atmosfera primitiva, o que possibilitou o aparecimento da camada de Ozônio (O3). 3,7 bilhões de anos: Origem da vida 2,7 bilhões de anos: Acúmulo de O2 produzido pelas cianobactérias BIOFILME DEFINIÇÃO: Nos últimos anos, com o progresso do conhecimento científico, reconheceu-se a formação de biofilmes e seus potenciais danos para a saúde, em diversos segmentos de atividades humanas. Os biofilmes microbianos são comunidades de células aderidas a uma superfície e entre si e embebidas por uma matriz de substâncias extracelulares poliméricas. Estas substâncias poliméricas são produzidas pelos próprios microrganismos, com a finalidade de aumentar a sua chance de sobrevivência em um determinado meio. Os biofilmes são comunidades biológicas com um elevado grau de organização, onde as bactérias formam comunidades estruturadas, coordenadas e funcionais. Estas comunidades biológicas encontram-se embebidas em matrizes poliméricas produzidas por elas próprias. Os biofilmes podem desenvolver-se em qualquer superfície úmida, seja ela biótica ou abiótica. A associação dos organismos em biofilmes constitui uma forma de protecção ao seu desenvolvimento, favorecendo relações simbióticas e permitindo a sobrevivência em ambientes hostis. As bactérias são ubiquitárias, logo, virtualmente, os biofilmes podem formar-se em qualquer superfície e em qualquer ambiente. Podem observar-se biofilmes em condutas de água, permutadores de calor, sanitas, cascos de navio, na pele e mucosas de animais (incluindo o homem), nos dentes, em próteses e em variadíssimas indústrias, desde a indústria química e farmacêutica à alimentar. FUNÇÃO: Obtenção dos nutrientes para crescimento e impedir o destacamento das células. MORFOLOGIA: Várias camadas de células em uma matriz de material poroso. Comunidade microbianas funcionais. Fisiologicamente, são resistentes a ação de agentes antimicrobianos. O biofilme pode apresentar uma ou mais espécies de microrganismos, dependendo do seu tempo de duração e sua localização. Pode envolver bactérias Gram-positivas, Gram-negativas e leveduras. COMO SE FORMAM? 1. A primeira fase da formação do biofilme é a adesão primária das bactérias plantônicas a uma superfície. Esta adesão irá depender tanto de elementos microbianos, como do tipo de superfície e do ambiente no qual a superfície está inserida. (reversível) A adesão das células microbianas a uma superfície pode se dar ao acaso ou ser induzida por quimiotaxia em função das características químico-físicas da superfície. A composição da superfície determina interações eletrostáticas ou hidrofóbicas que podem favorecer a formação de biofilmes. Portanto, determinados tipos de materiais predispõem à formação de biofilmes, como certos polímeros. Por outro lado, acredita-se que superfícies impregnadas com antimicrobianos ou prata poderiam produzir uma interação desfavorável à deposição celular. 2. Transição do estágio reversível para irreversível: adesão secundária (fímbrias) e secreção de substâncias ex; exopolissacarídeo (EPS). Nesta fase de adesão, a interação com estruturas do hospedeiro, como plaquetas e fibrinas, tendem também a favorecer a formação do biofilme. Contam para o processo de adesão alguns elementos de virulência de microrganismos, denominadas adesinas, que são os pilis e as fimbrias. A partir de então, ocorre a adesão secundária, também chamada de ancoragem, quando as células microbianas passam a produzir a matriz de polissacarídeo agregando os elementos ancorados no biofilme. Esta adesão secundária, portanto, gera uma firme camada de elementos sólidos, onde se encontram embebidos na matriz de polissacarídeo os elementos celulares bacterianos e os do hospedeiro. 3. Colonização (comunicação e crescimento): colonizadores secundários coagregados 4. Formação do biofilme maduro: apresentam estrutura semelhante a cogumelos, que são envoltos por diversas substâncias, principalmente açúcares e rodeados por poros e canais de água que funcionam como um sistema de troca de nutrientes, oxigênio e metabólitos que precisam ser secretados para fora do biofilme. 5. Descolamento do biofilme maduro: ocorre quando o ambiente não é mais favorável à sua manutenção, e consiste no descolamento do biofilme maduro em forma de agregados celulares ou células planctônicas. Após desprendidas, as bactérias livres podem colonizar novos ambientes, reiniciando a formação de novos biofilmes. Diversos fatores contribuem para a velocidade da formação de biofilmes. Esta taxa de adesão depende primariamente do número e tipo de células presentes no líquido ao qual a superfície está exposta e da taxa de fluxo deste líquido através da superfície. As propriedades físico-químicas da superfície, a composição nutricional e temperatura do ambiente também irão interferir nesta velocidade. A presença de antimicrobianos no meio pode afetar a formação de biofilmes. Alguns microrganismos, pelas suas características fenotípicas e genotípicas, estão mais freqüentemente associados à produção de biofilmes. São eles: Candida albicans, Staphylococcus coagulase negativa, Enterococcus spp, Klebsiela pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa e Staphylococccus aureus. ONDE SE ENCONTRAM OS BIOFILMES? Qualquer superfície: natural ou artificial; outro organismo. Em camadas de solos e ambientes aquáticos eles ocorrem naturalmente. Nos ambientes urbanos, podem estar presentes em sistema de tubulações de água e esgoto, reservatórios de água e edificações. Basicamente, em qualquer ambiente que combine a presença de líquido + superfície + microrganismos. Como exemplo, temos a formação de placa bacteriana nos dentes, a formação de fibrose cística no pulmão, e a prostatite nas vias urinárias. Nestes casos, são as próprias estruturas corporais humanas. POR QUE ELES SÃO FORMADOS? Classificados como benéficos ou patogênicos. Existem muitas vantagens biológicas para os microrganismos no fato de poderem se organizar em biofilmes. A primeira vantagem é o fato de que a matriz de polissacarídeo oferece um ambiente protetor às células microbianas, dificultando a penetração de agentes germicidas. A matriz de polissacarídeo age como uma barreira de filtragem, gerando uma penetração lentificada ou reduzida de agentes antimicrobianos em geral, quer sejam antibióticos ou germicidas químicos. Esta forma de organização também favorece a captação de elementos necessários à sobrevivência, porque a sua morfologia é estruturada de modo a favorecer a circulação de água, oxigênio e nutrientes, assim, os elementos nutritivos presentes nos fluídos que circulam tendem a se depositar neste aglomerado celular. Embora esta aglomeração possa produzir um acúmulo de metabólitos tóxicos provenientes do processo devida celular, existe uma compensação para este problema, que é a capacidade de crescimento organizado dos microrganismos quando estão em biofilmes. QUORUM SENSING: Avaliação da densidade populacional. Garantia da presença de um número suficiente de células de uma determinada espécie para iniciar uma resposta (ativadora ou inibitória). A organização da vida em grupo no biofilme é chamada de “corum sense”. O corum sense pode ser entendido como um “sentido de grupo”, ou seja, trata-se de uma comunidade organizada, onde as células se comunicam entre si por meio de moléculas químicas, estimulando o processo de multiplicação e crescimento do grupo quando o ambiente é favorável e há nutrientes suficientes ou determinando a redução do metabolismo celular, quando há ausência de nutrientes ou excesso de metabólitos tóxicos. Estando as células em fase estacionária há uma conseqüente redução na atividade de antibióticos, dado que muitos destes agentes atuam justamente nas fases de multiplicação celular. CONTROLE DOS BIOFILMES: A prevenção de formação de biofilmes deve ser focada em dois aspectos principais: a) redução ao máximo da presença de microrganismos no ambiente; b) desenvolvimento de novos produtos com superfícies ou condições especiais que desfavorecem a adesão primária. - Redução do aporte de células (filtração/decantação) - Redução do aporte de nutrientes - Desenvolvimento de superfícies não adesivas - Remoção periódica por meio mecânico ou químico - Utilização de biocidas (ex., cloro)para redução de organismos viáveis EFEITOS POSITIVOS: ALIMENTOS: Produção: ex., vinagre (Acetobacter) MEIO AMBIENTE: Microrganismos no biofilme produtores de “detergente” para efluentes industriais (Biorremediação) Tratamento de águas residuais (descontaminação) EFEITOS NEGATIVOS: Corrosão e possibilidade de contaminação por patógenos. Placa bacteriana nos dentes Resistência a antibióticos. 3 e 4 Aula Teórica: Microbiologia do solo: Edafon MICROBIOTA DO SOLO • Solo: maior reservatório de microrganismos do planeta • direta ou indiretamente recebe todos os dejetos dos seres vivos • local de transformação da matéria orgânica em substâncias nutritivas • com grande abundância e diversidade de microrganismos • 1 hectare de solo pode conter até 4 tons de microrganismos • Sistema biológico dinâmico: heterogêneo e descontínuo • Presença de micro habitats (variações de características físicas e químicas e disponibilidade de nutrientes) • Formação dos micro habitats: agregados de solo (areia, argila e silte) – suporte físico – aderência microbiana* – condições diferenciadas de aeração e nutrientes. *microcolônias aderidas EDAFON Comunidade de animais incluindo microrganismos do solo e plantas. CARACTERÍSTICAS: Diversidade genética Nichos ecológicos e funções específicas, ex. bactérias e fungos -> transformações biogeoquímicas Representada por 5 grandes grupos: • Bactérias • Actinomicetos • Fungos • Algas • Protozoários FATORES QUE INFLUENCIAM A MICROBIOTA BIOMASSA E FUNÇÕES Biomassa microbiana: componentes vivos (15% - 30% bactérias; 10% fungos) Atividade: 90% PROCESSOS IMPORTANTES: 1.Decomposição e ressíntese de matéria orgânica 2.Ciclagem 3.Transformações bioquímicas específicas (nitrificação, desnitrificação, oxidação e redução de enxofre) 4.Fixação do nitrogênio 5.Ação antagônica aos patógenos 6.Promoção de substâncias (ativadoras ou inibidoras) BACTÉRIAS Numeroso e diversificado OLIGOTRÓFICAS (k estrategistas): concentração de substrato, crescimento lento e utilização de formas mais complexas de carbono. COPIOTRÓFICAS (r estrategistas): concentração de substrato, crescimento rápido e utilização de formas mais simples de carbono. Função: Muito importantes na decomposição de matéria orgânica recalcitrante: celulose, lignina, quitina, pesticidas. Heterotróficos em sua maioria. Gêneros mais frequentes: Bacillus, Clostridium, Arthrobacter, Pseudomonas, Nocardia, Streptomyces, Micromonospora, Rizóbios Caianobacterias pioneiras, fixação de N2. ACTINOMICETOS Bactéria com crescimento semelhante aos fungos e funções semelhante a ambos. Produzem compostos que proporcionam ao solo um aroma típico. Gênero Streptomyces produz um composto odorífero que dá ao solo o seu odor característico a terra molhada. Função: Produção de antibióticos (80 tipos) Gênero Streptomyces. Controle biológico de fitopatógenos. Fixação de nitrogênio (Actinorrizas) – gênero Frankia – (não-leguminosas). Degradação de hidrocarbonetos (petróleo) Compostagem - degradação de moléculas complexas :celulose, lignocelulose, xilana e lignina. Formiga cortadeira. FUNGOS São os mais abundantes em biomassa. Solos com pH ácido. Importantes na decomposição da matéria orgânica. Penicillium; Mucor; Rhizopus; Fusarium; Cladosporium; Aspergillus; Trichoderma,… Macroscópicos e hifas subterrâneas. Função: Ciclagem de nutrientes (Penicillium e Aspergillus). Decomposição de matéria orgânica simples (açucares) e complexas (celulose e lignina). Desenvolvimento estrutural do solo (retenção pelas hifas). Degradação de pesticidas -Phanerochaete chrysosporium. Micorrizas. ALGAS Primeiras a colonizar a superfície de solos desprovidos de matéria orgânica Função : Importantes na formação do solo em áreas inóspitas (ex. Vulcânicas). PROTOZOÁRIOS: Próximos a raízes com alta densidade de bactérias Principais: flagelados, amebas e ciliados. Função: Equilíbrio da microbiota e decomposição da matéria orgânica. QUALIDADE DO SOLO Definição: a capacidade do solo em manter a produtividade, a biodiversidade e a saúde humana. Indicadores: Físicos: textura, porosidade, infiltração, facilidade de enraizamento Químicos: teor de carbono,nitrogênio, fósforo (fertilidade) acidez Biológicos (bioindicadores): massa microbiana, respiração microbiana, associação de micorrizas, enzimas, diversidade de invertebrados. *BIOINDICADORES: São fatores bióticos empregados para o reconhecimento de condições (passadas, presentes ou futuras) de ecossistemas. As espécies estão adaptadas para sobreviver, se reproduzir e realizar relações ecológicas em condições ambientais específicas. Desta forma, a presença de cada tipo de ser vivo indica características físicas, químicas e estruturais do ambiente em que se encontra. Avaliação macro e microscópica. Por que usar bioindicadores? 1) Eles fornecem sinais rápidos sobre problemas ambientais, mesmo antes do homem saber sua ocorrência e amplitude; 2) Permitem que se identifiquem as causas e os efeitos entre os agentes estressores e as respostas biológicas; 3) Oferecem um panorama da resposta integrada dos organismos e modificações ambientais; 4)Permitem avaliar a efetividade de ações mitigadoras tomadas para contornar os problemas criados pelo homem. Floresta primária Também conhecida como mata virgem ou floresta clímax, a floresta primária é aquela que nunca foi tocada ou que sofreu pouquíssima intervenção do homem, não apresentando alterações em sua estrutura como um todo e em sua população animal e vegetal. Partes de florestas primárias podem ser encontradas em algumas partes da Amazônia. Floresta secundária Uma floresta secundária, por sua vez, é aquela que sofreu grandes alterações pela mão do homem, mas conseguiu se regenerar. Um bom exemplo deste tipo de floresta pode ser visto em regiões que sofreram com o desmatamento para a prática da agricultura ou pecuária e, após serem abandonadas, começaram a formar uma nova vegetação.
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