Interação bactéria – meio ambiente

Interação bactéria – meio ambiente
Ana Beatriz Santoro
SOLO COMO HÁBITAT
O solo constitui um sistema muito dinâmico e organizado e representa um
excelente meio para a sobrevivência e proliferação de uma variedade de
organismos representada por componentes macro e microscópicos
MICROORGANISMOS DO SOLO
Funções:
Decomposição
Ciclagem de nutrientes
FBN
Fotossíntese
Controle biológico
Interações: ... micorriza
COMPONENTES DA BIOTA DO SOLO
PROCARIOTOS:
• BACTÉRIAS:
ACTINOMICETOS
CIANOBACTÉRIAS
EUCARIOTOS:
• FUNGOS
• ALGAS
• MACROFAUNA: ANELÍDEOS, TÉRMITAS, FORMIGAS
• MESOFAUNA: ÁCAROS, COLÊMBOLOS
• MICROFAUNA: PROTOZOÁRIOS, NEMATÓIDES
BACTÉRIAS
 Procariotos = grupo mais numeroso do solo
 Rápido crescimento
Decomposição de vários substratos
 Participação na ciclagem de nutrientes
 Transformações bioquímicas específicas:
Ex: nitrificação/denitrificação, oxidação/redução de S
 Fixação Biológica de N2
 Ação antagônica aos patógenos
 Produção de substâncias promotoras de crescimento vegetal (BPCV)
PROTOZOÁRIOS (<0,2 mm)
Alta diversidade morfológica e de hábitos alimentares.
 Vida livre (a maioria) ou associados a outros seres vivos.
 Higrófilos - água para atividade metabólica.
 Condições desfavoráveis: cistos (estado inativo).
 Descritas 30.000 espécies vivas e muitos fósseis.
 Protozoários de vida livre: alimentam-se de substâncias orgânicas
dissolvidas e de outros animais, podem ser predadores (de bactérias,
leveduras, de outros protozoários, esporos de fungos e algas)
ALGAS
 ALGAS VERDES (as mais abundantes no solo)
 ALGAS VERMELHAS
• Distribuição ampla: sobre ou no solo; lama, areia, neve e presas a plantas
ou animais.
• São os principais microrganismos fotossintetizantes que vivem no solo
(alta luminosidade, umidade e baixa acidez).
FUNGOS
Eucariotos, a maioria com formas filamentosas
Células ou estruturas de repouso (esporos) e hifas
Quimiorganotróficos: saprófagos, parasitas e simbiontes (micorriza)
Aeróbios obrigatórios
Representam 70 a 80% da biomassa microbiana
Presença: teor de M.O., pH (5,5) e umidade
MICROBIOLOGIA
DA
RIZOSFERA
RIZOSFERA (Hiltner, 1904)
Volume de solo ao redor de raízes onde o crescimento bacteriano é
estimulado.
Na prática, como separar a rizosfera:
Esfera de maior atividade física, química e biológica
MICROORGANISMOS RIZOSFÉRICOS
• atividade nos ciclos biogeoquímicos de nutrientes
• transformações da matéria orgânica
• influência no enraizamento
• produção de substâncias promotoras de crescimento
• absorção de nutrientes
• proteção vegetal contra estresses, etc
ATIVIDADE FÍSICA
Ação agregante sobre as partículas do solo
A penetração das raízes no solo afeta a aeração
Alteração do potencial hídrico
ATIVIDADE QUÍMICA
Precipitação/acúmulo de sais
Variações no pH
Alteração da relação O2/CO2 (respiração)
Sinais moleculares, fatores de crescimento
ATIVIDADE BIOLÓGICA
Colonização radicular: 7 a 15% do rizoplano
(Superfície ativa da raiz ≠ superfície de contato)
Proliferação e atividade de microrganismos
Ecossistema microbiano complexo (efeito rizosférico)
EFEITO RIZOSFÉRICO*
Exemplo: rizosfera de trigo
Microorganismos
Relação R:S
Bactérias
23:1
Fungos
12:1
Actinomicetos
7:1
Protozoários
2:1
Algas
0,2:1
*Influência das raízes sobre os microorganismos
Densidade de propágulos na rizosfera
Densidade de propágulos no solo adjacente
Compostos comumente encontrados na rizosfera
Aminoácidos: todos os de ocorrência natural
Ácidos orgânicos: acético, butírico, cítrico, fumárico, lático, glicólico, oxálico,
propiônico, tartárico, valérico, etc.
Carboidratos: frutose, glicose, maltose, sacarose, galactose, etc.
Derivativos de ácidos nucléicos
Vitaminas: biotina, inositol, ácido nicotínico, pantotênico, etc.
Enzimas: amilase, fosfatase, protease
Outros compostos: auxinas, glutamina, glicosídeos, ácido cianídrico,
peptídeos, saponinas, ácidos fenólicos, escopaletina, dióxido de carbono,
álcool, etc.
RIZOBACTÉRIAS PROMOTORAS DE CRESCIMENTO (RBPC)
Azotobacter,
Acetobacter,
Agrobacterium
Bacillus,
Pseudomonas,
Azospirillum,
Produção de SPC
Antagonismo com patógenos
RIZOBACTÉRIAS DELETÉRIAS DE CRESCIMENTO (RBDC)
Enterobacter, Klebsiella, Arthrobacter, Pseudomonas, ...
Substâncias tóxicas
Raízes
Germinação de sementes
Alguns efeitos dos microorganismos rizosféricos
Nutricionais
Ciclos biogeoquímicos
Mineralização da matéria orgânica
Nitrificação e denitrificação
Solubilização de fosfatos e micronutrientes
Redução do sulfato e elementos como Fe e Mn
Fixação Biológica de N2
nutrientes
Não nutricionais
Produção de vitaminas, hormônios, enzimas ...
Raízes laterais
Elongação radicular
Pêlos radiculares
Efeitos no florescimento
Efeitos na frutificação
Ação antagônica a patógenos
Manejo dos microorganismos da rizosfera
Principais enfoques
Patologia Vegetal
Germinação dos propágulos
Microbiologia e nutrição
Simbiontes
Mineralizadores
Solubilizadores
Colonização do hospedeiro
Ação antagonista
RBDC
RBPC
Modificação da população rizosférica
Manipulação da pop. presente (condições-solo/planta)
Introdução de microorganismos específicos
Devem ser capazes de:
Disponibilidade, aquisição e uso de nutrientes pela planta
Supressão de doenças (efeito controle biológico)
Produção vegetal pela liberação microbiana de SPC
EMBRAPA - inoculante: 5 tipos de RBPC
ECOLOGIA E ATIVIDADE
MICROBIANA NO SOLO
Ecologia microbiana do solo:
Estuda as relações entre os microorganismos do solo e seus
habitats e adaptações ao ambiente
Característica estrutural do solo
• Fase sólida - partículas inorgânicas (areia, silte e argila) e orgânicas
• Estabilização das partículas – agregados
• Estrutura - tamanho e arranjo espacial - sólidos e poros
Diâmetro ou espessura dos constituintes do solo:
Areia - 50-2000mm
Silte - 2-50 mm
Argila - <2 mm
Bactéria - 0,5-1,0 mm
Fungos - 0,3-10 mm
Pêlos radiculares - 10-14 mm
Microambientes no solo
Em 1cm2 de solo, podem
haver centenas ou milhares
de microambientes:
-os fatores ambientais nestes
espaços diferem entre si
-os microambientes distintos
podem ser habitados por
microorganismos distintos
Microbiota do solo
• Ocupam 0,5% do espaço poroso – maioria em dormência ou mortos.
• Ativos:
15 a 30% bactérias;
2-10% fungos.
• Relação intensa com o solo.
Arranjo espacial dos microorganismos em
relação às partículas do solo
Diversos fatores regulam a atividade microbiana
nos microambientes do solo:
- SUBSTRATO(alimento)
- Fatores de crescimento
- Nutrientes minerais
- Mineralogia do solo
- UMIDADE (água)
- Temperatura
- Radiação solar
- AERAÇÃO
- Composição da solução do solo
-pH
- Interações entre microorganismos
- Interações microorganismos-plantas
- Atividades antropogênicas
Substrato
Natureza fortemente heterotrófica das populações microbianas do solo elevada demanda por substratos orgânicos.
Tipos de substratos carbonáceos presentes no solo:
• resíduos complexos de plantas, animais e microorganismos,
• produtos da transformação de resíduos,
• materiais sintetizados pelo homem.
Fatores de crescimento (FC)
Substâncias orgânicas requeridas em pequenas quantidades (1 mg a 100
mg/L), que são essenciais ou estimulantes para o crescimento dos
microorganismos.
Exemplos: vitaminas, aminoácidos, etc.
Principais fontes de FC: excreções de raízes e microrganismos, resíduos
orgânicos .
Nutrientes minerais
Função:
• componentes estruturais do protoplasma,
• fontes de energia para os quimiolitotrróficos,
• doadores de elétrons para fotolitotróficos e quimiolitotróficos.
Deficiência de minerais pode afetar:
• síntese de enzimas,
• mobilidade, interações simbióticas, etc.
Umidade (água)
• Afeta o metabolismo intracelular, a turgidez, o movimento de nutrientes,
produtos tóxicos e a aderência aos colóides.
• “Déficit” hídrico - estruturas de resistência a seca, aumento da
esporulação, alteração de outros fatores (salinidade, aeração).
• Geralmente, a atividade é ótima perto de -0,01MPa e decresce quando
o solo torna-se alagado ou mais seco
Temperatura
• Afeta a velocidade das reações fisiológicas e a maioria das
características físico-químicas do ambiente.
• Microorganismos do solo apresentam diferentes termotolerâncias: de -12
a 110°C.
• Maioria das espécies possui uma faixa de tolerância próximo de 30°C
(mesotérmicos).
Vermelho: archaea, azul: bactérias, verde claro: algas, amarelo: protistas,
marrom: fungos, verde escuro: plantas, roxo: animais
Radiação solar
• Efeito direto sobre algas, cianobactérias e bactérias fotossintetizantes
na superfície do solo.
• Efeito indireto através das plantas sobre os microorganismos – efeito
rizosférico.
Aeração
• A concentração de CO2 no solo é > que na atmosfera (10-100x) respiração das raízes e dos microorganismos.
• Crítica para a densidade e atividade microbiana (aeróbios, anaeróbios
facultativos e obrigatórios).
pH
Medição do pH - predição da capacidade do solo de suportar as reações
microbianas.
• nitrificação - reação pH sensível - pH < 6
• diversas enzimas - pH dependente (membranas)
• Doenças: sarna da batata - pH 5,5 e 6
Maioria das bactérias - pH 4 - 9
acidófilas - pH 1-6 (Thiobacillus),
Basófilas - pH 7,3 - 9,6 (Nitrosomonas)
Fungos - acidófilos moderados - pH 4 - 6
Vermelho: archaea, azul: bactérias, verde claro: algas, amarelo: protistas,
marrom: fungos, verde escuro: plantas, roxo: animais
Habitats pouco comuns
 Pseudomonas – encontrada viva
em folhas, que secretam solução
salina concentrada, de uma
planta no deserto Negev (Israel)
 Bacillus – encontrada na
cavidade nasal de iguanas onde
há glândulas que secretam
solução de alta [KCl]
Principais tipos de metabolismo encontrados
nos microorganismos do solo
Tipo
Fonte de Energia
Fonte de carbono
Exemplos
Fotolitotróficos
Luz
CO2
Plantas
Algas
Cianobactérias
Fotorganotróficos
Luz
Subst. Orgânica
Algas
Bactérias
CO2
Bactérias
Nitrificadores
Subst. Orgânica
Bactérias
Fungos
Protozoários
Quimiolitotróficos
Quimiorganotróficos
Subst. Mineral
Subst. Orgânica
Adaptação e seleção de populações
microbianas
Difícil interpretar as
independentemente.
interações
–
fatores
Efeitos aditivos - multiplicativos
• Comunidade microbiana - alta plasticidade...
• Seleção - adaptação a habitats diversos
raramente
atuam
INTERAÇÕES ENTRE ORGANISMOS
Microhabitat: células de diferentes espécies que interagem.
Interações POSITIVAS ou NEGATIVAS
NEUTRALISMO (ausência de interação): raro no solo !
-requerimento nutricional muito específico
SIMBIOSE: associação permanente ou prolongada entre organismos
diferentes e caracterizada por contato físico, troca de metabólitos e de
nutrientes, integração morfológica e fisiológica e regulação funcional entre
os parceiros. Ex: Rhizobium e leguminosas - fixação biológica de nitrogênio.
INTERAÇÕES POSITIVAS:
COMENSALISMO: (A) é beneficiada e (B) não é afetada.
Ex.: bactérias na pele - degradação de células mortas
PROTOCOOPERAÇÃO: (A) e (B) são beneficiadas, embora sem
obrigatoriedade (mutualismo facultativo).
Ex.: bactérias no intestino - quebra de substratos complexos
MUTUALISMO: (A) e (B) são beneficiadas, modo obrigatório. A ausência
prejudica ambas.
Ex.: líquens (fungos e cianobactérias)
INTERAÇÕES NEGATIVAS:
COMPETIÇÃO: concorrência por fatores vitais: fontes de C, nutrientes,
FC, oxigênio, água, espaço, etc.
Ex.: Plantas - bactérias endofíticas X patogênicas
AMENSALISMO: habilidade de excretar produtos
desenvolvimento de outra: toxinas, antibióticos, etc.
que
afetam
Ex.: Plantas - bactérias endofíticas X patogênicas
PARASITISMO: (A) é prejudicada e (B-parasita) é beneficiada.
Ex.: bactérias como agentes infecciosos (cólera, tuberculose,etc)
o
PREDAÇÃO: relação mais dramática entre organismos. Uma espécie é
fonte de alimento de outra (comum).
Ex.: Bactérias como Bdellovibrio atacando outras bactérias.
Predação X Parasitismo
Predação:
•Efeitos negativos sobre os indivíduos
•Efeitos positivos sobre populações: há uma tendência de predadores
capturarem mais freqüentemente indivíduos doentes e debilitados, o que
resulta em uma população de presas mais saudável e bem selecionada.
Outro aspecto é que a predação feita sobre populações
quantitativamente dominantes aumenta a possibilidade de outras
espécies menos adaptadas se instalarem no ambiente.
EFEITOS DAS INTERAÇÕES ENTRE
MICROORGANISMOS
• Decomposição e mineralização da matéria orgânica do solo e de
xenobióticos
• Controle biológico
• Equilíbrio ecológico
ENTRE MICROORGANISMOS E A FAUNA DO SOLO
• Decomposição e mineralização da matéria orgânica do solo e ciclagem de
nutrientes;
• Controle biológico.
ENTRE MICROORGANISMOS E RAÍZES (+)
• Influencia a disponibilidade e absorção de nutrientes;
• Estimula a produção de substâncias reguladoras do crescimento vegetal;
• Atua na sanidade das plantas
• Favorece a nutrição e produção de plantas;
• Atua na ciclagem de nutrientes;
• Reduz estresses bióticos e abióticos;
• Reduz a necessidade de insumos.
ENTRE MICROORGANISMOS E RAÍZES (-)
• Doenças: perdas na produção;
• Inviabiliza o cultivo em áreas infestadas.
Bactérias e os
ciclos de nutrientes
Bactérias e os ciclos de nutrientes
• A Terra é um sistema fechado com quantidades limitadas de C, O2, N2, etc.
Elementos devem ser convertidos de uma forma em outra para que sejam
compartilhados por outros organismos
• Bactérias têm papel fundamental na reciclagem dos elementos essenciais
aos sistemas biológicos.
Ciclos biogeoquímicos
Ciclos: representam a troca e a circulação de matéria entre
os componentes vivos e físico-químicos da biosfera.
Bio: os organismos interagem no processo de síntese
orgânica e na decomposição dos elementos.
Geo: o meio terrestre (solo) é o reservatório dos elementos.
Químico: ciclo dos elementos e processos químicos de
síntese e decomposição.
Classificação dos ciclos
1. Ciclo da água ou hidrológico.
2. Ciclos dos macro e micronutrinentes: minerais em geral.
3. Ciclos sedimentares: fósforo, enxofre, cálcio, magnésio e
potássio.
4. Ciclos gasosos: carbono, nitrogênio e oxigênio.
Ciclos biogeoquímicos
• Ciclo do carbono
• Ciclo do nitrogênio
•Ciclo do enxofre
Modelo geral de compartimento do ciclo
dos elementos
Formas orgânicas
Processos biológicos,
mais rápidos e mais intensos
Animais
Detritos
Algas, plantas e bactérias
autotróficas
Micróbios
Assimilação,
fotossíntese
Formas inorgânicas
Processos geológicos,
mais lentos e menos intensos
Compostos orgânicos
indiretamente disponíveis
(turfa, carvão, óleo)
Erosão, queima de
combustíveis fósseis
Respiração, desassimilação e excreção,
lixiviação
Solo
Intemperização
Atmosfera
Água
Sedimentos
Erosão
Compostos inorgânicos
indiretamente disponíveis
(calcários, minerais)
Formação de rocha
sedimentar
O Ciclo do carbono e oxigênio
Três classes de processos fazem o carbono circular:
1.
Reações assimilativas e
fotossíntese e respiração
desassimilativas,
principalmente
2.
Troca de dióxido de carbono entre a atmosfera e os oceanos
- CO2 se dissolve na água
- Oceanos contêm ~50 vezes mais CO2 do que a atmosfera
3.
Sedimentação de carbonatos
CO2 + H2O → H2CO3
H2CO3 → H+ + HCO3- → 2H+ + CO32Ca2+ + CO32- ↔ CaCO3 (baixa solubilidade)
na
O Ciclo do carbono e oxigênio
1.
Reações assimilativas e desassimilativas do dióxido de carbono (CO2):
 removido da atmosfera pela fotossíntese e quimiossíntese
 retornado a atmosfera:
- pela respiração de animais e microrganismos
- pela decomposição microbiana de matérias orgânicas, incluindo
o húmus (matéria orgânica depositada no solo, resultante da
decomposição de animais e plantas mortas, ou de seus subprodutos)
- Pela combustão de combustíveis fósseis
- pela atividade humana
O Ciclo do carbono
Ciclo do carbono e oxigênio
 A única maneira pelo qual carbono orgânico é sintetizado na Terra é pela
fotossíntese e quimiossíntese (fixação de CO2 pelos microrganismos sem
luz).
6H2O + 6CO2 → 6O2 +C6H12O6
Ex: bactérias fotossintéticas
- Primeira etapa (Quimiossíntese)
Composto Inorgânico + O2 → compostos inorgânicos oxidados + energia
química
- Segunda etapa
CO2 + H2O + energia química → compostos orgânicos + O2
O Ciclo do carbono e oxigênio
• Respiração:
- aeróbica :
glicose + O2  H2O + CO2 + energia (ATP)
- anaeróbica/ fermentação:
glicose → energia (ATP) + CO2 + etanol.
...e o ciclo se completa
O Ciclo do Carbono e oxigênio: metano
Metano: CH4 – produzido por microorganismos
arqueas) em habitats anóxicos.
metanogênicos (só
CO2 + 4 H2 → CH4 + 2H2O
CH3COOH → CH4 + CO2
Metano formado em habitats anóxicos e migra para regiões óxicas onde é
oxidado para CO2 pela bactérias metanotróficas:
CH4 + O2 → CO2 + H2O
Conseqüentemente, todos os carbonos orgânicos eventualmente retornam
ao CO2 → impede a acumulação de carbono em ambientes anóxicos.
O Ciclo do carbono/oxigênio: metano
• Metanogenêse ocorre no intestino de
humanos e de outros animais,
especialmente ruminantes.
• No
rúmen, organismos anaeróbicos, incluindo metanogênicos,
transformam a celulose em uma forma que o animal pode usar - sem eles o
gado não poderia se alimentar de capim.
• Os produtos úteis da metanogênese são absorvidos pelo intestino, mas o
metano é liberado pelo animal principalmente pelo trato digestivo.
• Em média uma vaca emite 477- 480 litros de metano por dia.
• Metano e o aquecimento global: o potencial de
metano na atmosfera é 21 X maior que do CO2
aquecimento global do
O Ciclo do Nitrogênio
 O nitrogênio desempenha um importante papel na constituição das
moléculas de proteínas, ácidos nucléicos, vitaminas, enzimas e
hormônios, elementos vitais aos seres vivos.
 O maior reservatório de N2 na natureza é o ar atmosférico com 80% de
nitrogênio. As plantas não conseguem converter este N2 (gás) em
moléculas orgânicas. Reações de oxidação/redução são realizadas
quase exclusivamente por procariotos
 O ciclo do nitrogênio envolve três principais processos de transformação
microbiana:
– Fixação de nitrogênio
– Nitrificação e Denitrificação
– Amonificação
O Ciclo do Nitrogênio
 Fixação de nitrogênio:
Captação do nitrogênio atmosférico e conversão em compostos
nitrogenados.
N2 + 8H → 2NH3 + H2 (nitrogenases)
Realizada por pequeno número de microorganismos (bactérias
fixadoras de N2 e cianobactérias).
As bactérias fixadoras de N2 no solo podem ser de vida livre (ex:
Azotobacter) ou associadas a raízes de plantas (ex: Rhizobium) .
O Ciclo do Nitrogênio
 Nitrificação :
Bactérias no solo realizam a oxidação do nitrogênio, primeiro de
amônia para nitrito, depois de nitrito para nitrato.
NH3 → NO2- (Nitrosomonas e Nitrosococcus)
NO2- → NO3- (Nitrobacter e Nitrococcus)
O nitrito e o nitrato são mais facilmente assimilados pelas plantas
que a amônia, mas são solúveis em água e rapidamente lixiviados.
O Ciclo do Nitrogênio
 Denitrificação :
Em condições anaeróbicas o nitrato e o nitrito estão mais oxidados
do que o ambiente ao redor e podem agir como receptores de elétrons
levando a conversão de nitrato/nitrito em N2
2NO3- ↔ 2NO2- ↔ 2NO ↔ N2O ↔ N2
 Importante para a decomposição de matéria orgânica em ambientes
depletados de oxigênio mas resulta na perda de nitrogênio da circulação
biológica geral:
Prejudicial para os solos – importância de manter o solo aerado
Importante para redução do crescimento de algas – eutrofização
O Ciclo do Nitrogênio
 Amonificação:
Produção de amônia por bactérias decompositoras e outros
microorganismos no processo de decomposição do material orgânico fezes, plantas e animais mortos.
N orgânico → NH4+
O Ciclo do Enxofre
 Enxofre (S) - é componente de vitaminas e dos aminoácidos (metionina
e cisteína), portanto é essencial
 O ciclo do enxofre é mais complexo que o ciclo do nitrogênio - várias
reações de oxidação e algumas transformações do enxofre são
realizadas química e biologicamente.
 Enxofre na forma de sulfeto de hidrogênio (H2S), pode ser oxidado por
uma variedade de microrganismos, para transformá-lo em enxofre (S0) e
sulfato (SO42-).
 Sulfato é um nutriente chave para plantas.
O Ciclo do Enxofre
• Dois grupos de bactérias transformam H2S em S e S a SO42-:
H2S → S0 (bactérias sulfurosas púrpuras e verdes - anaeróbicas)
S0 → SO42- (bactérias sulfurosas incolores)
O ciclo do enxofre
Redução de enxofre e sulfato:
Enxofre e sulfato podem ser
reduzidos pelas atividades de
bactérias sulfato-redutoras, fechando
o ciclo biogeoquímico do enxofre pela
regeneração do sulfeto.
S0 → H2S
SO42-→ H2S
Desulfurilação:
Enxofre é assimilado em proteína bactérias podem remover o S das
proteínas durante a decomposição
fechando o ciclo.
S orgânico → H2S
Biorremediação
 O termo biorremediação se refere a limpeza por microrganismos de
petróleo (hidrocarbonetos), químicos tóxicos e outros poluentes.
 Biorremediação é um método efetivo de descontaminação de produtos
tóxicos e, em alguns casos, é a maneira mais prática de se realizar a
limpeza
Biorremediação
 Antropogênico: De ocorrência não natural em determinado ambiente.
Ex: Petróleo
– Fonte rica em material orgânico.
–Microrganismos (fungos filamentosos, leveduras, cianobactérias) digerem
prontamente hidrocarbonetos aerobicamente.
– Microrganismos fazem a biorremediação do óleo oxidando-o para CO2
Bactérias oxidantes de hidrocarboneto
em associação com gotas de óleo.
As bactérias estão concentradas na
interface óleo-água,
nunca no interior das gotas.
Bioremediação
 Xenobióticos
- São químicos sintéticos ou substâncias que não ocorrem naturalmente,
incluindo pesticidas, corantes, solventes e munições.
- Degradação extremamente demorada (podem persistir por mais de 10
anos)
- Algumas destas substâncias são fontes de carbono e doadores de
elétrons para alguns microorganismos