Microbiologia para Engenharia Ambiental - POLI-USP - Aula 8 Ciclos biogeoquímicos

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Welington Luiz de Araújo
Departamento de Microbiologia
wlaraujo@usp.br
Ciclos biogeoquímicos
Origem dos Micro-organismos
 Origem: em ambientes extremos da terra
primitiva
 Evolução: 3,5 bilhões de anos (BA)
 Diversidade metabólica: ocupam todos os
nichos disponíveis
 Adaptação: Interação com diferentes
espécies
 Interação: Co-evolução com organismos
mais complexos
Estromatólito (3,5 bilhões de anos) - arqueano 
“Todos estão em todos os lugares, mas o ambiente 
seleciona” (Bass Becking, 1934; Beijerinck, 1913)
ou 
“Limitação na dispersão e eventos aleatórios 
determinam a estrutura da comunidade” (Hubbell, 
2001)
Comunidades microbianas
O conhecimento sobre a diversidade microbiana aumenta
• Novos filos
• Novas vias metabólicas
• Novos mecanismos de interação
Meio de cultivo 1 Meio de cultivo 2
Culturabilidade
Amostra ambiental
Inconsistência entre a Diversidade observada e a 
isolada
Baixa culturabilidade microbiana 
Seletividade dos meios de cultivo
Seletividade das condições de cultivo: CO2, O2, temperatura, 
fonte de C, N, fatores de crescimento e etc.
Pequena representatividade da comunidade in vivo (coleções 
de culturas) - identificação
Culturabilidade
Comunidade Bacteriana de Soja
Espécies observadas por isolamento Espécies observadas por DGGE
Pseudomonas spp. Pseudomonas spp.
Erwinia sp. Erwinia sp.
Pantoea sp. Pantoea sp.
Enterobacter sp. Enterobacter sp.
Acinetobacter sp. Acinetobacter sp.
Agrobacterium sp. Agrobacterium sp.
Caulobacter/Asticcacaulis
Ralstonia picketti
Burkholderia sp.
Klebsiella spp.
Bradyrhizobium spp.
Herbaspirillum sp.
Xanthomonas sp.
Stenotrophomonas malthophilia
Kuklinsky-Sobral et al., 2004
Culturabilidade
• Diversidade ≠ riqueza de espécies
• Riqueza de espécies: o número de espécies em uma área
• Diversidade: a variedade e a abundância relativa de espécies
Diversidade microbiana
• Existem três tipos de diversidade: alfa (α), beta (β) e gama (γ).
• Diversidade α ou local é a diversidade dentro de um habitat ou comunidade
(é restrito)
• Diversidade γ, ou regional, é a diversidade de uma grande área, bioma,
continente, ilha, etc.
• Diversidade β é a diversidade entre habitats ou outra variação ambiental
qualquer, medindo o quanto a composição de espécies varia de um lugar
para outro.
• Diversidade: necessário identificar e conhecer os grupos biológicos e o
ambiente
Edwards et al. (2015) PNAS. 112(8): E911–E92
Diversidade de bactérias associadas à planta de arroz
Funcionalidade do Ecossistema
Qual o papel dos micro-organismos no ambiente?
Interação micro-organismo-planta hospedeira 
Inibição de patógenos e controle de pragas, nodulação e micorrizas
Degradação de matéria orgânica
Importância animal e ambiental
Ciclos biogeoquímicos
Nitrogênio, carbono, enxofre, fósforo
Água
Ferro
Mn
Mg
Etc...
Importantes ciclos biogeoquímicos
Enxofre
Ciclo do Carbono
 Importante papel microbiano
 Feita por fungos e bactérias
 Fonte de energia
Ciclo do Carbono – degradação da celulose
Ciclo do Carbono
Ciclo do carbono no mar:
1) Fotossíntese: conversão de carbono inorgânico 
(CO2) a carbono orgânico;
2) Liberação de matéria orgânica dissolvida – DOM
(carbono orgânico dissolvido –DOC; nitrogênio 
orgânico dissolvido - DON; fósforo orgânico 
dissolvido - DOP) e matéria orgânica particulada 
– POM (carbono orgânico particulado – POC; 
nitrogênio orgânico particulado – PON; fósforo 
orgânico particulado - POP)
3) Consumo de fito-plâncton por zoo-plâncton e 
mineralização do carbono (liberação de CO2 via 
respiração;
4) Reciclagem de matéria orgânica por bactérias 
heterotróficas;
5) Transformação de carbono orgânico em carbono 
recalcitrante (DOC) – pode se manter 
sequestrado por milhares de anos;
6) Matéria orgânica particulada (POM) que 
permanece no fundo dos oceanos na forma de 
micro-organismos; 
7) Contribuição dos vírus para lise de células e 
liberação de DOM e POM.
 Importante em ambientes anaeróbios
 Feita por arquéias preferencialmente
 Fonte de energia
 Emissao de gases do efeito estufa
Ciclo do Carbono – metanogênese
Ciclo do Nitrogênio
Infecção da planta por Rhizobium
Ciclo do Nitrogênio
Ciclo do Nitrogênio
(amônia-monooxigenase)NH4
+ + 1 ½ O2  NH2OH + H
+
NH2OH  NO2
- + HOH + H+ em condições aeróbicas
Ciclo do Nitrogênio
(amônia-monooxigenase)NH4
+ + 1 ½ O2  NH2OH + H
+
NH2OH  NO2
- + HOH + H+ em condições aeróbicas
30-50% da produção de N2 nos oceanos!
Infecção da planta por Rhizobium
Matéria orgânica imobilizada no solo
Quorun sensing em Bactérias - biofilmes
Mecanismo pelo qual as bactérias
controlam coletivamente a 
expressão gênica
Genes controlados podem estar
envolvidos com:
virulência, competência, fase
estacionária, biofilme, colonização do
hospedeiro, conjugação
Ocorre apenas em
densidades celulares
elevadas;
Vários tipos de moléculas
(autoindutores) são liberados
no meio extracellular
Quando a concentração do
autoindutor exceed uma limite, ocorre
internalização, ativando um conunto
específico de genes em todas as
células da população