Microbiologia do solo, da água e ar

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Microbiologia do solo, da água e do 
ar- (MSAA) 
Prof. Dr. Francisco Rafael Martins Soto 
1 
MSAA 
• Microbiologia do solo 
– Diversidade e variedade de micro- 
organismos no solo é imensa 
– 1 cm3 de solo= milhões de 
bactérias de diferentes espécies, 
milhares de protozoários, centenas 
de metros de hifas de fungos 
– A partir da década de 70 do século 
passado esta população de micro- 
organismos passou a ser 
denominado de microbiomassa do 
solo 
 
2 
MSAA 
• Microbiologia do solo 
– Massa microbiana do solo é um ponto crítico, pois 
tem como funções: 
• Decomposição da matéria orgânica 
 
• Alteração de disponibilidade de nutrientes para as 
plantas 
 
• Influencia as propriedades físico químicas do solo 
3 
MSAA 
• Microbiologia do solo 
– Bactérias e fungos são responsáveis por 90% da 
atividade da biomassa do solo 
• Micro- organismos: 
–Procariotos 
 
–Eucariotos 
 
4 
MSAA 
• Microbiologia do solo 
• Principais atividades dos micro-organismos 
– Decomposição 
– Mineralização 
– Transformação 
– Patógenos 
– Biocontrole 
– Simbionte 
– Fotossintese 
– Fixação de nitrogênio 
5 
6 
MSAA 
• Microbiologia do solo 
– Solo como habitat ideal: 
• Composição volumétrica de: 
–25% de ar 
–25 % de água 
–50% de sólidos – ( 45% de matéria mineral e 
5% de matéria orgânica 
»5% de matéria orgânica: 4,5 % de matéria 
orgânica morta e 5% de micro- 
organismos vivos 
 
 
 
7 
 
8 
MSAA 
• Microbiologia do solo 
– Solo como habitat 
• Ambiente estressante para os micro- 
organismos 
• Fortemente limitado por nutrientes 
• Mas capaz de manter uma população de 
micro-organismos extremamente 
diversa 
 
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MSAA 
• Microbiologia do solo 
• Solo como habitat 
– Bactérias: espaços intramicroagregados 
– Fungos, protozoários: inter- intramicroagregados 
• Ocupam menos que 5% do espaço poroso do 
solo 
– Sua presença é resultado de: 
• Reação as condições ambientais do solo 
• Sua bagagem genética 
 
 10 
MSAA 
• Microbiologia do solo 
• Sua sobrevivência no solo pode ser: 
– Inativa ou dormente 
• Ativa 
– Saprófitas 
– Parasita 
– Simbionte 
 
 
 
11 
MSAA 
• Microbiologia do solo 
• Quanto a atividade microbiana no solo: 
– De 15 a 30 % do total das bactérias 
– De 2 a 10% do total dos fungos 
– Há ainda pouco conhecimento da diversidade 
microbiana no solo 
– Estima-se a existência de mais de 800 espécies de 
bactérias e 460 espécies de fungos no solo 
12 
MSAA 
• Microbiologia do solo 
– Fatores que afetam a microbiota 
• Físicos 
• Químicos 
• Biológicos 
• Manejo 
• Cobertura vegetal 
 
13 
MSAA 
• Microbiologia do solo 
– Fatores que afetam a microbiota 
• Físicos 
– Temperatura 
– Umidade 
– Aeração 
– Estrutura 
– Viscosidade 
– Tensão Osmótica 
– Componente gasoso 
 
14 
MSAA 
• Microbiologia do solo 
– Fatores que afetam a microbiota 
• Químicos 
– Carbono orgânico 
– Nutrientes 
– pH 
– Eh 
– Metais pesados 
– Xenobióticos 
– Antibióticos 
– Vitaminas 
 
15 
MSAA 
• Microbiologia do solo 
– Fatores que afetam a microbiota 
• Biológicos 
–Morfologia 
–Fisiologia 
–Genética 
–Reprodução 
– Interações biológicas 
–Presença de raízes 
 16 
MSAA 
• Microbiologia do solo 
– Fatores que afetam a microbiota 
• Manejo 
–Uso de fertilizantes 
–Corretivos e pesticidas 
–Manejos dos restos culturais 
–Preparo do solo 
–Erosão 
 
17 
MSAA 
• Microbiologia do solo 
– Fatores que afetam a microbiota 
• Cobertura vegetal 
»Solo sem cobertura vegetal é um grande 
deserto para os micro- organismos 
• Nas raízes (rizosfera) 
• Presença de substratos para o 
crescimento microbiano 
 
18 
MSAA 
• Microbiologia do solo 
– Fatores que afetam a microbiota 
–Cobertura vegetal 
»Nas raízes (rizosfera) 
• Decomposição 
• Desnitrificação e nitrificação 
• Fixação biológica do nitrogênio 
• Interação entre as comunidades 
microbianas 
 
 19 
MSAA 
• Microbiologia do solo 
– Fatores que afetam a microbiota 
 
• Populações microbianas do solo sofrem elevada 
influência nas diferentes alterações ambientais 
 
• Pode ocorrer inibição de até 100 % em situações 
estressantes 
 
 
 
20 
Duração do impacto da perturbação ambiental 
nos micro-organismos e processos biológicos 
Causa do impacto Duração prevista 
Desmatamento Até 300 anos 
Mineração 50 a 100 anos 
Derramamento de petróleo > 10 anos 
Deposição de xisto betuminoso 2 a 16 semanas 
Derramamento de piridina ( refinarias) 3 a 4 semanas 
21 
Resumo dos principais fatores que afetam negativamente ou 
positivamente a diversidade microbiana no solo 
Fator Efeito 
Adição de carbono orgânico na forma de esterco, adubo verde 
 
 
 Positivo 
Aração, gradagem, inundação, irrigação, erosão, construção civil 
 
 
Positivo e 
negativo 
Uso de agrotóxicos, xenobióticos, agroquimicos, metais pesados 
 
 
Negativo 
Desinfestação, fumigação e esterilização do solo 
 
 
Negativo 
 
Desidratação, solarização, resfriamento, congelamento do solo 
 
 
Negativo 
 
22 
MSAA 
• Microbiologia do solo 
– Sucessão microbiana 
• Primeiros micro- organismos de um solo: 
– Pioneiros: tem como função fazer a colonização e 
gerar condições para o crescimento dos demais 
» Pode ser determinada inicialmente pelos 
autótrofos ou heterótrofos 
• Autotrofia: maior possibilidade de ocorrer 
em ambientes com abundância de energia 
solar 
• Ocorre produção biomassa 
 
23 
Microbiologia do solo 
 
• Sucessão microbiana 
 
24 
MSAA 
• Microbiologia do solo 
– Parâmetros utilizados para avaliação da atividade 
microbiana 
• Taxa de respiração 
• Produção de ATP 
• Biossíntese de macromoléculas(ácidos nucleicos) 
• Transformações especificas (amonificação) 
• Consumo de substrato ou acúmulo de produto 
• Atividade enzimática total e especifica 
• Taxa de mineralização: N, P, S 
• Dinâmica da matéria orgânica e do húmus 
• Densidade populacional e biomassa 
• Reações bioquímicas especificas 
• Observações microscópicas in situ 
25 
 
Microbiologia do solo 
26 
• Microbiologia do solo 
• Importância da matéria orgânica 
 
27 
MSAA 
• Microbiologia da água 
– Ambiente aquático é o maior do planeta 
– Ocupa 75% da superfície terrestre e o volume de água 
existente na Terra corresponde à 1,36x1018 m³: 
• 97% correspondem à água do mar 
• 2,2% geleiras 
• 0,8% água doce 
• 97% da água doce existente no planeta é subterrânea 
– Água é um recurso natural fundamental para a 
sobrevivência de todos os seres vivos (animais, 
vegetais e seres humanos) e para o equilíbrio do 
planeta, como um todo 
28 
 
29 
 
30 
MSAA 
• Microbiologia da água 
• Nunca se encontra pura na natureza 
– Componentes que alteram o seu grau de pureza de origem: 
• Físicas, químicas e biológicas 
– Exemplos: origem natural no ciclo hidrológico (precipitação, 
infiltração, escoamento) ou provir de fontes antrópicas 
(efluentes domésticos e industriais, chorume, atividades 
agropecuárias) 
» Características físicas: associadas aos gases e sólidos 
presentes na água, estes podem ser suspensos, coloidais 
ou dissolvidos 
» Características químicas: classificadas em substâncias de 
natureza orgânica e inorgânica 
» Características biológicas: referem-se à presença de seres 
vivos na água, destacando-se os microrganismos 31 
MSAA 
• Microbiologia da água 
–A diversidade microbiana no meio aquático 
• Fatores que controlam as comunidades: 
–Mistura e movimento de nutrientes 
–Intensidade de luz 
–Oxigênio dissolvido 
–Produtos do metabolismo (excreção) 
32 
MSAA 
• Microbiologia da água 
– A diversidade microbiana no meio aquático 
• A relação entre todos esses fatores cria nichos 
exclusivos para microrganismos especializados. 
Ambiente com muita matéria orgânica e pouco oxigênio 
dissolvido: 
– Condições favoráveis para a predominância de bactérias 
anaeróbias 
• Ambientes rasos (alta intensidade de luz)e com 
abundância de nutrientes (ambiente eutrófico) 
favorecem a proliferação de organismos fotossintéticos, 
como algas e cianobactérias 
 
33 
MSAA 
• Microbiologia da água 
• Água doce 
– Águas paradas (lagoas e lagos) 
• Clara distinção entre as temperaturas das camadas 
superficiais e profundas: estratificação térmica 
– Aquecimento da camada superior, denominada epilímnio, pela 
radiação solar, tornando-a menos densa que a camada inferior, 
chamada de hipolímnio. 
» Essa diferença de densidade gera uma grande estabilidade e, 
dessa forma, não há mistura entre as águas das camadas 
superiores e inferiores. 
• O nome da camada intermediária é metalímnio. 
• Diferenças na penetração de luz e concentração de 
oxigênio geram profundas transformações nas 
características físicas, químicas e biológicas 
34 
MSAA 
• Microbiologia da água 
• Água doce 
– Águas paradas (lagoas e lagos) 
• Zona epilímnica: camada superior, mais quente, menos densa, 
com maior circulação de nutrientes. 
– Elevada atividade fotossintética, altas concentrações de 
oxigênio dissolvido e, normalmente, baixas concentrações de 
nutrientes. 
» Exemplos de microrganismos presentes: algas, 
Pseudomonas, Caulobacter, Hyphomicrobium. 
• Esta zona pode ser dividida em zona litorânea 
(próximas às margens e com vegetação presente, 
maiores níveis de nutrientes e diversos 
microrganismos) e, zona limnética (aberta e longe da 
costa) 35 
MSAA 
• Microbiologia da água 
• Água doce 
– Águas paradas (lagoas e lagos) 
• Zona profunda ou hipolímnica 
– Camada inferior, mais fria, mais densa, com maior 
estagnação 
» Baixas concentrações de oxigênio dissolvido 
(ambiente redutor) 
• A alta atividade respiratória eleva os níveis 
de dióxido de carbono, o que contribui para 
o abaixamento do pH 
• Exemplos de microrganismos presentes: 
bactérias sulfurosas, púrpuras e verdes 
36 
MSAA 
• Microbiologia da água 
• Água doce 
– Águas paradas (lagoas e lagos) 
• Zona bêntica ou hipolímnica 
– Zona de sedimentação, fundo de lagos 
» Concentração de matéria orgânica é alta e as taxas de 
decomposição também 
• Como praticamente não há oxigênio dissolvido, 
predominam seres anaeróbios 
• Exemplos de microrganismos presentes: 
Desulfuvibrio, Clostridium, bactérias 
metanogênicas 
37 
MSAA 
• Microbiologia da água 
– Diferentes zonas aquáticas 
38 
MSAA 
• Microbiologia da água 
– Água doce 
• Rios e ribeiros 
– A existência de corrente afeta de maneira dramática 
a composição microbiana nos rios 
»Maior parte dos microrganismos encontra-se 
aderido às superfícies expostas 
• Apenas nos rios grandes (coluna de água 
profunda e corrente lenta) existem 
microrganismos em suspensão 
39 
MSAA 
• Microbiologia da água 
– Água doce 
• Fontes de nutrientes 
– Produção interna (autóctone): 
» Micro-organismos fotossintéticos aquáticos sintetizam 
matéria orgânica utilizando como fonte de carbono 
matéria inorgânica e a luz como fonte de energia 
– Fonte externa (alóctone): 
» Nutrientes minerais e matéria orgânica provenientes das 
encostas dos rios e zona ripícola ou de atividades 
humanas (poluição difusa: fertilizantes agrícolas e 
poluição pontual: lançamento de esgotos não tratados) 
40 
MSAA 
• Microbiologia da água 
– Água doce 
• Rios possuem uma enorme capacidade de processar a 
matéria orgânica 
– Normalmente, a quantidade de matéria orgânica que entra no 
sistema não excede a sua capacidade de oxidá-la a ponto de 
causar deterioração dos cursos d’água. 
» Condições de extrema poluição: rios também podem tornar-
se anaeróbios. 
• Legislação brasileira prevê que o lançamento de esgotos 
domésticos e industriais em corpos d’água deve atender 
aos padrões de lançamento de efluentes e aos padrões 
do corpo receptor, de modo que as concentrações 
mínimas de oxigênio não sejam desobedecidas 
41 
MSAA 
• Microbiologia da água 
– Água doce 
 
42 
MSAA 
• Microbiologia da água 
• Água marinha 
– Em ambientes marinhos há enorme abundância de 
ultramicrobactérias/nanobactérias (<0,2μm) 
• Podem atingir 10¹²-10¹³células/mL, como por exemplo, 
Sphingomonas sp 
– Há bactérias quitinolíticas, que são fundamentais 
para os ecossistemas marinhos: produzem a enzima 
conhecida como quitinase 
» Papel importante no processo de degradação da 
quitina, principal constituinte do exoesqueleto 
dos artrópodes e moluscos 
43 
MSAA 
• Microbiologia da água 
• Água marinha 
– Nesses ambientes a pressão aumenta em 1atm a cada 10m 
de profundidade, atingindo 1100atm nas zonas mais 
profundas (11000m) 
• Micro-organismos que se encontram em várias 
profundidades tem especializações diferentes para 
diferentes pressões e são classificados como: 
– Barotolerantes: podem crescer entre 0-400atm 
– Barofílicos moderados: ótimo crescimento a 400-
600atm, mas podem crescer a 1atm 
– Barofílicos extremos: apenas crescem a pressões 
>400-600atm 
44 
MSAA 
• Microbiologia da água 
• Água marinha 
– Micro-organismos são a base da cadeia alimentar marinha 
• Impactos em todo o planeta ao absorverem CO2 e produzirem O2 
 
• Maior parte da reciclagem de nutrientes ocorre até aos 300m de 
profundidade. 
 
• Assim como em ambientes de água doce, o fitoplâncton cresce nas 
camadas superiores, iluminadas, e estes organismos ou são 
consumidos por macro e microconsumidores ou, quando morrem, são 
decompostos nas camadas adjacentes mais profundas. 
 
• Abaixo dos 300m de profundidade, praticamente não há matéria 
orgânica para decompor e o ambiente é oligotrófico, em que apenas 
alguns microrganismos conseguem sobreviver nessas condições 
45 
MSAA 
• Microbiologia da água 
– Água marinha 
• Metano hidratado acumula-se no fundo dos oceanos devido às 
baixas temperaturas e à enorme pressão 
 
• A liberação deste metano do sedimento é sugerido como possível 
causa de aquecimento global em eras antigas na Terra, como à 55 
milhões de anos, no período Paleoceno-Eoceno 
 
• É possível que as maiores extinções de vida ocorridas na história 
da terra seja devido ao incremento de metano na atmosfera 
devido a processos geológicos ou impactos de meteoritos que 
poderiam desestabilizar hidratos de gás dos oceanos 
46 
MSAA 
• Microbiologia da água 
• Fungos aquáticos 
– Atuam na decomposição da matéria orgânica 
» Estão presentes fungos dos Filos: 
• Chytridiomycota: podem ser de água doce ou marinhos, parasitas de 
plantas e insetos dípteros, ou saprófitos. A espécie Batrachochytrium 
dendrobatidisna parasita a pele dos anfíbios, causando até a sua morte 
Alguns parasitam algas 
• Oomycota: produzem esporos assexuados biflagelados e incluem os 
chamados bolores aquáticos 
• Deuteromycota: são chamados de fungos imperfeitos por não 
reproduzirem sexuadamente 
• Esporulam dentro da água; os esporos ou conídeos são transportados na 
água e, ao entrar em contato com uma folha, é desenvolvido o micélio, 
este penetra na folha e promove a sua decomposição 
47 
MSAA 
• Microbiologia da água 
– Vírus em ambientes aquáticos 
• Tanto em ambientes marinhos quanto de água doce, os vírus são o 
componente numericamente mais abundantes 
• Estão presentes em concentrações 10 vezes maior que bactérias 
(104-108VLP/mL) e a maioria são bacteriófagos, ou seja, infectam 
procariontes. 
• São responsáveis por grande parte da mortalidade bacteriana (10-
50%) e fitoplanctônica (2-10%), pelo término das florações e pelo 
aumento da disponibilidade de carbono e nutrientes. 
• Ao contrário da limitação no crescimento causada pela 
disponibilidade de nutrientes e pela predação do zooplâncton, 
normalmente os vírus afetam a composição e diversidade de 
espécies e não necessariamente a biomassa total de bactérias, 
devido à alta especificidade de hospedeiro 
48 
 
49 
MSAA 
• Microbiologia da água 
– Vírus em ambientes aquáticos 
• Atuam controlando a população dominante, 
permitindo o crescimento de outras espécies e assim,bactérias com diferentes taxas de crescimento co-
existem 
• A alta especificidade viral vem sendo descrita como um 
importante mecanismo para a manutenção da alta 
diversidade de bactérias e algas 
• O ciclo lisogênico é capaz de conferir propriedades 
metabólicas específicas ao hospedeiro e sobrevivência 
em ambientes extremos 
50 
MSAA 
• Microbiologia da água 
– Vírus em ambientes aquáticos 
 
• Perturbações ambientais na célula hospedeira, como luz e 
nutrientes, induzem o ciclo lítico 
 
• A lise celular causada pelos vírus faz com que todo o 
conteúdo (carbono, nitrogênio e fósforo) que estava na 
célula hospedeira retorne para o meio extracelular 
 
– Esses nutrientes são fontes de nutrientes para o 
crescimento de outras bactérias 
 
 
51 
MSAA 
• Microbiologia da água 
– Vírus em ambientes aquáticos 
• Lise viral pode ser um mecanismo chave para suprir o 
carbono para bactérias heterotróficas, especialmente 
em ambientes oligotróficos, onde a produção primária 
é pequena. 
• Número de vírus parece estar relacionado à 
disponibilidade de fósforo, à profundidade do lago, à 
entrada de luz (são vulneráveis aos danos causados 
pela radiação solar) e, principalmente à densidade 
bacteriana 
52 
MSAA 
• Microbiologia do ar 
– Composição do ar 
• 79% de nitrogênio 
• 21% de oxigênio 
• 0,032% de dióxido de carbono e outros gases (neônio, 
argônio e hélio) 
• Partículas de pó e água (sob forma de vapor líquido ou 
cristais de gelo) 
 
53 
MSAA 
• Microbiologia do ar 
– Micro- organismos do ar 
• Flora microbiana do ar: 
transitória e variável 
• Número e os tipos de agentes 
contaminantes do ar são 
determinados pelas várias 
fontes de contaminação 
existentes no ambiente 
• Podem ser encontrados em 
suspensão, em material 
particulado e gotas de água 
• Transporte: através de ventos, 
massas de ar e turbulências da 
atmosfera 
 
54 
MSAA 
• Microbiologia do ar 
– Bioaerossóis 
• Partículas biológicas finas de diâmetro de 0,05 a 
100mm 
–Microbiota dispersa no ar: 
»Fungos 
»Bactérias 
»Vírus 
»Pólens 
»Algas 
 
55 
MSAA 
• Microbiologia do ar 
– Principais doenças de transmissão aérea 
 
 
56 
MSAA 
• Microbiologia do ar 
• Principais doenças de transmissão aérea 
 
 
57 
MSAA 
• Microbiologia do ar 
– Micro-organismos externos do ar (atmosfera) 
 
• Superfície da Terra representa a principal fonte dos 
micro-organismos 
 
• Gotículas d’água produzidas pela ruptura de bolhas de 
ar na microcamada (contém maior número de micro-
organismos do que as camadas mais profundas) 
 
 
58 
MSAA 
• Microbiologia do ar 
• Micro-organismos externos do ar (atmosfera) 
– Instalações industriais, agrícolas e municipais que 
produzem aerossóis microbianos: 
• Irrigação de lavouras com efluentes de esgoto, 
mediante o borrifadores 
• Uso de filtros gotejadores de estação de tratamento de 
esgotos 
• Matadouros e instalações de distribuição 
• Incineradores mal operados e estações de tratamento 
de composto esgoto orgânico e lodo de esgoto 
 
 
 
59 
Fontes de contaminação microbiana do ar 
 
60 
MSAA 
• Microbiologia do ar 
• Micro-organismos externos do ar (atmosfera) 
• Algas, protozoários, leveduras, bolores e bactérias 
• Fungos predominantes: Cladosporium, Alternaria, 
Penicillium, Aspergillus, Pullularia e Agaricus; 
• Esporos de bolores constituem a maior parte da 
microflora aérea 
• Bactérias: bacilos Gram-positivos esporulados (Bacillus) 
e não-esporulados (Kurthia), bacilos Gram negativos 
Alcaligenes) Gram positivos negativos (e cocos Gram-
(Micrococus e Sarcina) 
• Leveduras e actinomicetos têm sido detectados em 
alguns locais, mas em baixa porcentagem 
 
61 
MSAA 
• Microbiologia do ar - externo 
– Intensidade da contaminação microbiana é 
influenciada por: 
 
• Mecanismos de dispersão terra a partir da superfície da 
terra 
 
• A hora do dia 
 
• A estação do ano 
 
• Situações de ordem climática 
 
62 
MSAA 
• Microbiologia do ar - externo 
– A habilidade do micro-organismo causar doenças 
depende da sobrevivência e infectividade ao 
hospedeiro suscetível. Mas dependem ainda de 
parâmetros ambientais: 
• Umidade relativa 
• Temperatura 
• Intensidade da radiação 
• Comprimento de onda 
• Tensão de oxigênio 
• Níveis de poluente 
 
63 
MSAA 
• Microbiologia do ar - interno 
– Fatores determinantes do 
grau de contaminação do ar: 
• Taxas de ventilação 
 
• Número de pessoas que 
ocupam o ambiente 
 
• Natureza e grau de atividade 
exercida por esses indivíduos 
 
64 
MSAA 
• Microbiologia do ar - interno 
– Micro-organismos: expelidos em gotículas do nariz 
e da boca durante o espirro, tosse, ou até mesmo 
pelo ato de falar 
• Dimensões das gotículas: 
–faixa micrométrica: podem permanecer em 
suspensão durante um tempo, 
–faixa milimétrica: depositam rapidamente, 
como poeiras, em diversas superfícies 
 
65 
MSAA 
• Microbiologia do ar - interno 
– Essa poeira pode ser veiculada pelo ar, nos 
períodos de atividade no interior do recinto ou 
através de correntes de ar 
– A sobrevivência dos micro-organismos por tempo 
relativamente longo na poeira cria importantes 
riscos, particularmente em áreas hospitalares 
– São frequentemente encontrados: bacilos da 
tuberculose, bacilos da difteria e estreptococos , 
hemolíticos 
 
66 
MSAA 
• Microbiologia do ar - interno 
– Síndrome do Edifício Doente (SED) 
• OMS: classificou como SED, uma série de 
sintomas gerais, que epidemiologicamente 
afetam ocupantes de um ambiente fechado 
–Sem origens determinadas 
–Quando os queixosos são afastados do 
ambiente, apresentam melhoras 
espontâneas dos sintomas 
 
67