Microbiologia Ambiental [Modo de Compatibilidade

Microbiologia 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

Introdução

nutritivas

• com grande abundância e diversidade de microrganismos

• 1 hectare de solo pode conter até 4 tons de microrganismos

Definição:Em agricultura e geologia, solo é a camada que recobre as rochas, sendo constituído de proporções e tipos variáveis de minerais de húmus

Perfil do solo

O solo como hábitat microbiano

Principais fatores que afetam a atividade:

- Umidade

- Status nutricional

Rizosfera

Região onde o solo e as raízes das plantas entram em contato

O efeito rizosférico

• Minerais: – sílica (SiO2), Fe, Al, Ca,Mg, K– P, S, Mn, Na, N ...

Constituintes do solo

• Matéria orgânica: origem vegetal, animal e microbiana

– insolúvel (húmus): melhora a estrutura, libera nutrientes

• efeito tampão, retenção de água

– solúvel: produtos da degradação de polímeros complexos:

• Açúcares, fenóis, aminoácidos

• Água– livre: poros do solo– adsorvida: ligada aos colóides (argilas)

Constituintes do solo

• Gases: CO2, O2, N2 ...

– composição variável em função dos processos biológicos

• Sistemas biológicos:

– plantas– animais– Microrganismos: grande diversidade e abundância

Constituintes do solo

– Microrganismos: grande diversidade e abundância

Dependendo de:nutrientesumidadeaeraçãotemperaturapHinterações

Presença de microrganismos nas várias profundidades do solo

Profundidade Umidade Mat. orgânica Bactérias Fungos(cm) (%) (%) (x 10 6)/g (m/g)

aeróbias anaeróbias0 - 8 18,2 4,4 24 2,7 280

8- 20 10,0 1,5 3,1 0,4 43

20-40 11,5 0,5 1,9 0,4 0

40-60 13,5 0,6 0,9 0,04 0

60-80 7,9 0,4 0,7 0,03 0

80-100 5,3 0,4 0,15 0,01 0

Fonte: Lindegreen & Jensen, 1973

• Bactérias: – grupo mais numeroso e mais diversificado

3 x 106 a 5 x 108 por g de solo seco

• limitações impostas pelas discrepâncias entre técnicas• heterotróficos são mais facilmente detectados

A microbiota do solo

• heterotróficos são mais facilmente detectados

Gêneros mais freqüentes: • Bacillus, Clostridium, Arthrobacter, Pseudomonas, Nocardia,

Streptomyces, Micromonospora, Rizóbios• Cianobactérias: pioneiras, fixação de N2

Streptomyces

• Fungos:

– 5 x 103 - 9 x 105 por g de solo seco

– limitados à superfície do solo

– favorecidos em solos ácidos

A microbiota do solo

– ativos decompositores de tecidos vegetais

– melhoram a estrutura física do solo

Gêneros mais freqüentes:

• Penicillium, Mucor, Rhizopus, Fusarium, Aspergillus, Trichoderma

• Algas– 103 - 5 x 105 por g de solo seco

– abundantes na superfície

– acumulação de matéria orgânica

A microbiota do solo

• Protozoários e vírus

- equilíbrio das populações- predadores de bactérias- parasitas de bactérias, fungos, plantas, ...

Microrganismos e os ciclos da matéria

• Terra: quantidade praticamente constante de matéria

Mudanças no estado químico produzindo uma grande diversidade de compostos.

• Ciclo carbono• Ciclo nitrogênio• Ciclo do enxofre• Ciclo do ferro

O ciclo do carbono

Principais reservatórios de carbono na Terra

Reservatório Carbono (gigatons) % total de ca rbono na Terra

Oceanos 38 x 103 (>95% C inorgânico) 0,05Rochas e sedimentos 75 x 106 (>80% C inorgânico) > 99,5Biosfera terrestre 2 x 103 0,003Biosfera aquática 1-2 0,000002Combustíveis fósseis 4,2 x 103 0,006Hidratos de metano 104 0,014

Transformações bioquímicas do carbono

• Fixação do CO2• CO2 + 4H (CH2O) + H2O

O mecanismo mais rápido de transferência global do carbono ocorre pelo CO2

– Plantas– bactérias verdes e púrpuras fotossintetizantes– algas– cianobactérias– bactérias quimiolitróficas– algumas bactérias heterotróficas:

» CH3COCOOH + CO2 HOOCCH2COCOOHácido pirúvico ácido oxaloacético

Transformações bioquímicas do carbono

• Degradação de substâncias orgânicas complexas• celulose (40-50% dos tecidos vegetais)• hemiceluloses (10-30% dos tecidos vegetais)• lignina (20-30%)

Celulose celobiose (n moléculas)celulases

Celobiose 2 glicoseβ-glicosidase

Glicose + 6CO2 6CO2 + 6H2O

Transformações bioquímicas do nitrogênio

O N é encontrado em vários estados de oxidação (-3 a +5)O nitrogênio gasoso corresponde a forma mais estável, assim a atmosfera é o maior reservatório (contrário do carbono)

- A alta energia para quebra de N2 indica que o processo demanda energia.demanda energia.

-Relativamente, um número pequeno de microrganismos é capaz disso

- Em diversos ambientes, a produtividade é limitada pelo suprimento de N.

- Importância ecológica e econômica envolvida na fixação

• Fixação simbiótica: 60-600 Kg/ha.ano• 90% pelas leguminosas• Economia em fertilizantes nitrogenados

Transformações bioquímicas do nitrogênio

• Fixação do nitrogênio atmosféricoN2 NH3 aminoácidos

• Economia em fertilizantes nitrogenados

• Associações simbióticas fixadoras:– Anabaena - Azolla– Frankia - Alnus– Rizóbios - Leguminosas

• etapas da formação de um nódulo:– reconhecimento: lectinas – disseminação:

Transformações bioquímicas do nitrogênio

Rizóbios - Leguminosas

– disseminação: • citocininas células tetraplóides

– formação dos bacteróides nas células– leghemoglobina– maturidade: fixação do nitrogênio– senescência do nódulo: deterioração

Associação simbiótica rizóbios-leguminosas

Associação simbiótica rizóbios-leguminosas

Redução de acetileno: medida da capacidade fixadora

• Proteólise:

Proteínas �Peptídeos � Aminoácidos

Transformações bioquímicas do nitrogênio

• Amonificação (desaminação)

– CH3-CHNH2-COOH + ½O2 � CH3-CO-COOH + NH3

» alanina ác. pirúvico amônia

» A amônia é rapidamente reciclada, mas uma parte volatiliza

Transformações bioquímicas do nitrogênio

Nitrificação: - produção de nitrato

- Solos bem drenados e pH neutro

Embora seja rapidamente utilizado pelas plantas, também pode ser lixiviado quando chove muito (muito solúvel).

Uso de inibidores da nitrificação na agriculturaUso de inibidores da nitrificação na agricultura

- Etapas:

Nitritação: oxidação de amônia a nitrito2NH3+ 3O2 � 2HNO2 + 2H2O

(Nitrosomonas, Nitrosovibrio, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus)

Nitratação: oxidação de nitrito a nitratoNO2- + ½O2 � NO3-(Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus, Nitrospira)

Utilização do nitrato:

• Redução assimilatória: plantas e microrganismos– NO3

- + 8e- + 9H+ � NH3 + 3H2O

Transformações bioquímicas do nitrogênio

• Desnitrificação: ocorre em condições de anaerobiose • Desnitrificação: ocorre em condições de anaerobiose como aceptor de elétrons.

redução de nitratos a N2 (nitrogênio atmosférico)– 2NO3 � 2NO2 � 2NO � N2O � N2

(Agrobacterium, Alcaligenes, Thiobacillus, Bacillus etc.)

- Como o N2 é menos facilmente utilizado que o nitrato como fonte de N, esse processo é prejudicial pois remove o N fixado no ambiente.

-

Transformações bioquímicas do enxofre

• Oxidação do enxofre elementar:

As transformações do enxofre são ainda mais complexas que do nitrogênio:-Alguns componentes do ciclo:

• Oxidação do enxofre elementar:

– 2S + 2H2O + 3O2 2H2SO4

2H+ + SO4=

– ex. Thiobacillus thioxidans

• O S0 também pode ser reduzido pela respiração anaeróbia

Transformações bioquímicas do enxofre

• Degradação (oxid/red) de comp. orgânicos sulfurados:

– cisteína + H2O ácido pirúvico + NH3 + H2S

• Utilização dos sulfatos:– plantas– microrganismos

• S é incorporado a aminoácidos:» cistina» cisteína» metionina

Transformações bioquímicas do enxofre

• Redução de sulfatos (por bactérias amplamente distribuídas na natureza)

– anaerobiose• CaSO4 + 8H H2S + Ca(OH)2 + 2H2O

» Desulfovibrio- Necessidade da presença de compostos orgânicos (doadores de e-)-

• Oxidação de sulfato

– bactérias fototróficas• CO2 + 2H2S (CH2O) + H2O + 2S

enzimas/luz

Transformações bioquímicas do ferro

Um dos elementos mais abundantesNaturalmente encontrado em apenas dois estados de oxidação

O O é o único aceptor O O2 é o único aceptor de elétrons que pode oxidar o ferro Fe2+, e em pH neutro.

Em condições ácidas ocorre o crescimento de acidófilos oxidantes do ferro.

Comum em solos alagados e pântanos

Precipitação de depósitos marrons de ferro

Máquinadecompositora

MSMS

MSMS

MS

NitrogênioCarbonoFósforoPotássioCálcioMagnésio

Resíduos orgânicos

Húmus

MS

Decomposição de restos vegetais no solo: máquina decompositoraoperada pelos microrganismos (Siqueira & Franco, 1988)

Microrganismooperário

MagnésioFerroEnxofreManganêsCobreoutros

Microbiologia do ArMicrobiologia do Ar

MICROBIOLOGIA DO AR

� COMPOSIÇÃO DA ATMOSFERA79% de nitrogênio,21% de oxigênio,21% de oxigênio,0,032% de dióxido de carbono e outrosgases (neônio, argônio e hélio);

� PARTÍCULAS DE PÓ E ÁGUA (sob forma devapor líquido ou cristais de gelo)

MICROBIOLOGIA DO AR

�População transitória e variável

�O ar é um portador de poeira e gotículas que podem ser carregadas de microrganismos

�Os microrganismos introduzidos no ar podem ser transportados por poucos centímetros ou muitos transportados por poucos centímetros ou muitos quilômetros.

�Alguns morrem em segundos outros sobrevivem por semanas ou anos

�Temperatura, umidade, luz solar, tamanho das partículas

NATUREZA DOS MICRORGANISMOS :

Microrganismos que formam esporos ou cistos provavelmente vivem no ar por um período longo.

MICROBIOLOGIA DO AR

♦♦Superfície da Terra ( solo e água) Superfície da Terra ( solo e água) representa a principalrepresenta a principalfonte dos microrganismos na atmosfera;fonte dos microrganismos na atmosfera;

MICROBIOLOGIA DO AR

Microrganismos do Ar Externo Microrganismos do Ar Externo (Atmosfera)(Atmosfera)

representa a principalrepresenta a principalfonte dos microrganismos na atmosfera;fonte dos microrganismos na atmosfera;

♦♦Gotículas d’água produzidas pela rupturaGotículas d’água produzidas pela rupturade bolhas de ar na de bolhas de ar na microcamadamicrocamada

microcamadamicrocamada (camada superficial da água)(camada superficial da água)

Microrganismos do Ar Externo (Atmosfera)Microrganismos do Ar Externo (Atmosfera)

Instalações industriais, agrícolas e municipaisInstalações industriais, agrícolas e municipaisque produzem aerossóis microbianos:que produzem aerossóis microbianos:

11--Irrigação de lavouras com efluentes de esgoto, Irrigação de lavouras com efluentes de esgoto, mediante o uso de mediante o uso de borrifadoresborrifadoresmediante o uso de mediante o uso de borrifadoresborrifadores

22--Operações de Operações de debulhamentodebulhamento

33-- Filtros gotejadores de despejo de esgotoFiltros gotejadores de despejo de esgoto

44-- Abatedouros de animaisAbatedouros de animais

MICRORGANISMOS DO AR

•Fungos predominantes: Cladosporium,Alternaria, Penicillium, Aspergillus, Pullularia eAgaricus; maior parte da microflora aérea;• Bactérias: bacilos Gram-positivos esporulados

MICROBIOLOGIA DO AR

• Bactérias: bacilos Gram-positivos esporulados(Bacillus) e não-esporulados (Kurthia), bacilosGram-negativos (Alcaligenes) e cocos Gram-positivos (Micrococus e Sarcina);• Leveduras e actinomicetos têm sido detectadosem alguns locais, mas em baixa porcentagem.

Intensidade da contaminação microbiana é influenciada por:

• mecanismos de dispersão a partir da

MICROBIOLOGIA DO AR

• mecanismos de dispersão a partir dasuperfície da Terra,• a hora do dia,• a estação do ano,• situações de ordem climática

Técnicas de análise microbiológica do ar

Aparelhos de impacto sólido• os microrganismos são colhidos diretamente nasuperfície sólida de um meio a base de agar ou demembranas filtrantes;• inclusão da amostra• inclusão da amostra• desenvolvimento de colônias de microrganismos.

• Técnica de sedimentação em placa• Coletores do tipo crivo• Técnica da membrana filtrante• Amostrador automático de ar ( SAS)

APARELHOS DE IMPACTO SÓLIDO: Técnica de sedimentação em placa

• técnica muito utilizada, porém não se podeavaliar o volume de ar que foi efetivamenteanalisado;• somente os microrganismos presentes no arque possuem certas dimensões poderão ser

Aparelhos de impacto sólido – Técnica de sedimentação em placa

que possuem certas dimensões poderão serretidos;• obtém-se uma estimativa aproximada dacontaminação aérea e dos tipos demicrorganismos presentes numa determinadaárea.

APARELHOS DE IMPACTO SÓLIDO: Coletores do tipo crivo

APARELHOS DE IMPACTO SÓLIDO: Técnica da membrana filtrante

• os aparelhos são semelhantes aos usados para analisebacteriológica de água e apresentam a vantagem de retertodo tipo de partículas;• essa técnica permite medir o volume de ar amostrado enão é indicada para amostras de ar muito contaminadas• essa técnica permite medir o volume de ar amostrado enão é indicada para amostras de ar muito contaminadas

APARELHOS DE IMPACTO SÓLIDO: Amostrador automático de ar (SAS)

• ar é aspirado num amostrador, a uma velocidade etempo pré-fixados, através de um sistema móvel, quecontém em seu interior uma placa de Petri (com meio decultura especifico);cultura especifico);• a placa é retirada do aparelho e incubada;•contagem e identificação dos microrganismos;• sistema portátil;• amplamente empregado no controle microbiológico daqualidade do ar de ambientes hospitalares, industrias,farmacêuticas e de cosméticos em geral, etc...

AMOSTRADOR DE ANDERSEN DE 6 ESTÁGIOS

• a atmosfera de ar, sob aforma de fino borrifo,passa através de um caldonutritivo ou outro liquido,onde os microrganismos são

APARELHOS DE IMPACTO LIQUIDO:

onde os microrganismos sãoretidos;• alíquotas do líquidos sãoplaqueadas e cultivadas, afim de se determinar oconteúdo microbiano;

↓

→ saídade ar

● ● ● ● ● ● ●

● ● ● ● ● ● ●

● ● ● ●

⁄─ Pérolas de vidro

Microbiologia da água

• Os microrganismos podem:

• mudar a composição química da água• fornecer nutrientes para outros organismos aquáticos

Introdução

► CICLOS DA MATÉRIA

• representar um grande risco para a saúde humana e animal

► PATÓGENOS

Ciclo hidrológico

• Água atmosférica: nuvens, chuva, neve, geadas

• Água de superfície : lagos, riachos, rios, oceanos

Águas naturais

• Água de superfície : lagos, riachos, rios, oceanos

• Água subterrânea : lençol freático, poros do solo

- habitat para muitos microrganismos

Introdução

• No meio aquático os nutrientes estão diluídos- baixa diversidade de microrganismos

• Com a presença de matéria orgânica ocorre:- aumento da atividade microbiana- aumento da atividade microbiana- inúmeros exemplos

• Uma gota d’água parece simples mas é bastante complexa:- diferentes substâncias químicas- diferentes tipos de microrganismos

• Temperatura• superfície:

» varia de 0 ºC nos pólos a 40 ºC nos trópicos

• sob a superfície:

Tipo de microrganismo presente depende:- condições físicas e químicas

• sob a superfície: » 90 % do ambiente marinho estão a 5 ºC

– PSICRÓFILOS

• mas, nas fendas oceânicas:– TERMÓFILOS

» Pyrodictium occultum (ótimo 105ºC, Itália)

• Pressão hidrostática– pressão no fundo de uma coluna d’água:

• 1 atm/10 m - no fundo dos oceanos é enorme:– danos às células

O ambiente aquático

– danos às células

– BAROFÍLICOS, encontrados a ≥ 2500 m de profundidade (possuem vesículas de gás)

– em profundidades acima de 4000 m, ocorrem os BAROFÍLICOS EXTREMOS

• Luz– a vida na água depende, direta ou

indiretamente, dos produtos da fotossíntese

O ambiente aquático

• algas e cianobactérias são os principais microrganismos fotossintetizantes encontrados nos ambientes aquáticos

- estão limitados às regiões superficiais

• Salinidade da água

– água doce: 0 %

– água do mar: 2,75 % de NaCl + outros sais = 3,3 - 3,7 %

O ambiente aquático

– água do mar: 2,75 % de NaCl + outros sais = 3,3 - 3,7 %

► HALOFÍLICOS

– lagos salgados (ex.: Salt Lake, EUA): 32 %

► HALOFÍLICOS EXTREMOS

• Turbidez– material suspenso:

• partículas minerais: erosão das rochas, solo• microrganismos suspensos

O ambiente aquático

• microrganismos suspensos• matéria orgânica: tecidos vegetais e animais

- superfície de adesão dos microrganismos- fonte de nutrientes

TURBIDEZ x LUZ

• pH– A maioria dos microrganismos aquáticos cresce

melhor próximo à neutralidade: 6,5 - 8,5

– pH dos oceanos: 7,5 - 8,5

O ambiente aquático

– pH dos oceanos: 7,5 - 8,5– organismos marinhos: 7,2 - 7,6– lagos e rios: variação ampla

• Archaea de lagos do sul da África: 11,5• Archaea de geisers: 1,0

• Nutrientes• orgânicos e inorgânicos

– nitratos e fosfatos: » algas eutrofização O2 crescimento

de outros organismos

• carga de nutrientes:

O ambiente aquático

– águas próximas à praia: variável (esgotos)– águas de mar aberto: estável e baixa

» baixo fitoplâncton (baixo N e Fe)» baixa atividade heterotrófica» atividade fotossintetizante: cianobactérias

• efluentes industriais: presença de antimicrobianos» alguns microrganismos convertem tais substâncias

em formas menos nocivas: Pseudomonas spp.: mercúrio metil mercúrio (volátil)

Microbiologia da Água Potável

• rios, riachos, lagos, – sujeitos a freqüente poluição:

• esgoto doméstico• agricultura• dejetos industriais• dejetos industriais

– reutilização da água• processo natural, parte do ciclo hidrológico• mas, atualmente, há enormes pressões

– � crescimento populacional– � uso industrial– � irrigação

Microbiologia da Água Potável

– necessidade de uma reciclagem mais rápida e eficiente da água

– necessidade de métodos de purificação

• Poluição– água pode ser límpida, inodora e sem sabor e

mesmo assim ser não potável devido à presença de contaminações

• Água potável: livre de microrganismos patogênicos e de substâncias químicas nocivas

• contaminantes:– químicos– físicos– biológicos

FísicosAsbestos Resíduos industriais CâncerArgila suspensa Precipitação Interfere com

tratamentos sanitáriosQuímicos

Metais pesados Indústrias Várias doençasSulfatos Algicidas e minas DiarréiasNitratos Fertilizantes MetemoglobinemiaSódio Amaciantes de água Retenção de fluidos

Doenças do coraçãoPesticidas Agricultura Várias doençasClorofórmio Indústria Câncer

Poluentes Possível fonte Efeitos adversos

Clorofórmio Indústria Câncer

BiológicosBactérias Fezes e urina Febre tifóide

ShigelosesSalmonelosesGastroenteritesTularemiaLeptospirose

Vírus Fezes HepatitePoliomieliteGastroenterites

Protozoários Fezes Disinteria amébicaGiardíaseBalantidíase

• Purificação da água– abastecimento residencial:

• áreas rurais: poços e fontes: filtração no solo

Microbiologia da Água Potável

• cidades: estações de tratamento:– sedimentação– filtração– cloração

• Bactérias–Salmonella spp . –Vibrio cholerae

» principais problemas associados à falta de cuidados sanitários

–Shigella spp.

Microrganismos patogênicos na água

–Yersinia enterocolitica: gastroenterite aguda–Escherichia coli: linhagens patogênicas: enterites–Clostridium perfringens: enterite, gangrena gasosa–Vibrio parahaemolyticus: gastroenterites–Pseudomonas aeruginosa: infecções nos olhos, ouvidos–Staphylococcus aureus: infecções cutâneas, garganta e intoxicações alimentares–Leptospira: hepatite, conjuntivite e insuficiência renal

• Fungos

• aquáticos: saprófitas, parasitas de peixes• oriundos do solo: leveduras

Microrganismos patogênicos na água

• oriundos do solo: leveduras– Candida albicans: infecções da pele, mucosas

• fungos dermatófitos– Geotrichum

• Protozoários

– ciliados • Giardia lamblia: esporos resistentes ao cloro

– amebas • Entamoeba hystolytica (amebíase-doença intestinal)

• Vírus

– Hepatites A e B– Gastroenterite infecciosa não bacteriana– Poliomielite

O monitoramento de todos os microrganismos patogêni cos é difícil e anti-econômico: meios e metodologias di ferentes,

dificuldade de analisar os resultados dificuldade de analisar os resultados

Microrganismos indicadores de qualidade da água

• o que é um microrganismo indicador?• o que é um microrganismo indicador?

• qual é o indicador ideal?

Escherichia coli e outros coliformes

• bacilos curtos, Gram -, fermentam a lactose com produção de ácido e gás, dentro de 48 h a 35ºC

– lac+

• Escherichia coli: coliforme fecal• Klebsiella pneumoniae: coliforme fecal• Klebsiella pneumoniae: coliforme fecal• Enterobacter aerogenes, Citrobacter, Klebsiella: (fezes,

vegetais e solo): coliforme ambiental

► a fermentação da lactose é a chave do teste

• Presença de coliformes totais não indica necessariamente contaminação fecal ou ocorrência de enteropatógenos.

• Análise bacteriológica da água

Teste da membranafiltrante

Colônias típicas: azuis

Colônias típicas: brilho metálico

Método substrato cromogênico/fluorogênico

Baseia-se na utilização de substratos análogos à lactose (glicopiranosídeos)

Específicos para Escherichia coli.

• Exemplos: ONPG (Orto Nitrofenil galactopiranosídeo)

MUG (Metil-Umbeliferone Galactopiranosídeo)

Ferramenta poderosa para identificação de Escherichia coli (teste confirmativo)

Classificação das águas interiores do território na cional

Classe Características microbiológicas DBO DO Utilizaçã ocolif. totais colif. fecais mg/L mg/L

1 < 1 < 1 ----- ------ Potável

2 ≤ 5.000 ≤ 1.000 ≤ 5 > 5 RecreaçãoIrrigação (frutas,Irrigação (frutas,hortaliças)

3 ≤ 20.000 ≤4.000 ≤ 10 > 4 PescaConsumo animal

4 > 20.000 > 4.000 > 10 >0,5 NavegaçãoIndústriaIrrigação (grandesculturas )