Microbiologia aplicada

1. Microbiologi
a
aPlicaDa
CEMAL- Meio Ambiente -Turma 0113
Prof.: Msc.Amanda Fraga
Disciplina: Microbiologia Aplicada

2. Microbiologia do Solo

3. 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
Introdução

5. Perfil do solo
Definição:
Em agricultura e geologia, solo é a
camada que recobre as rochas, sendo
constituído de proporções e tipos
variáveis de minerais de húmus
Solos minerais
Solos orgânicos
Centenas de anos

6. O solo como hábitat microbiano
Principais fatores que afetam a atividade:
- Umidade
- Status nutricional

7. O efeito rizosférico
Rizosfera
Região onde o solo e as raízes das plantas entram em contato

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

9. • Água
– livre: poros do solo
– adsorvida: ligada aos colóides (argilas)
• Gases:
CO2, O2, N2 ...
– composição variável em função dos processos
biológicos
Constituintes do solo

10. • Sistemas biológicos:
– plantas
– animais
– Microrganismos: grande diversidade e abundância
Dependendo de:
nutrientes
umidade
aeração
temperatura
pH
interações
Constituintes do solo

11. Presença de microrganismos nas várias profundidades do solo
Profundidade Umidade Mat. orgânica Bactérias Fungos
(cm) (%) (%) (x 106
)/g (m/g)
aeróbias anaeróbias
0 - 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

12. • 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
Gêneros mais freqüentes:
• Bacillus, Clostridium, Arthrobacter, Pseudomonas, Nocardia,
Streptomyces, Micromonospora, Rizóbios
• Cianobactérias: pioneiras, fixação de N2
A microbiota do solo
Streptomyces

13. • Fungos:
– 5 x 103
- 9 x 105
por g de solo seco
– limitados à superfície do solo
– favorecidos em solos ácidos
– ativos decompositores de tecidos vegetais
– melhoram a estrutura física do solo
Gêneros mais freqüentes:
• Penicillium, Mucor, Rhizopus, Fusarium, Aspergillus,
Trichoderma
A microbiota do solo

14. • Algas
– 103
- 5 x 105
por g de solo seco
– abundantes na superfície
– acumulação de matéria orgânica: solos nus, erodidos
• Protozoários e vírus
- equilíbrio das populações
- predadores de bactérias
- parasitas de bactérias, fungos, plantas, ...
A microbiota do solo

15. 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

16. O ciclo do carbono
Principais reservatórios de carbono na Terra
Reservatório Carbono (gigatons) % total de carbono na Terra
Oceanos 38 x 103
(>95% C inorgânico) 0,05
Rochas e sedimentos 75 x 106
(>80% C inorgânico) > 99,5
Biosfera terrestre 2 x 103
0,003
Biosfera aquática 1-2 0,000002
Combustíveis fósseis 4,2 x 103
0,006
Hidratos de metano 104
0,014

17. Transformações bioquímicas do carbono
• Fixação do CO2
• CO2 + 4H (CH2O) + H2O
– Plantas
– bactérias verdes e púrpuras fotossintetizantes
– algas
– cianobactérias
– bactérias quimiolitróficas
– algumas bactérias heterotróficas:
» CH3COCOOH + CO2 HOOCCH2COCOOH
ácido pirúvico ácido oxaloacético
O mecanismo mais rápido de transferência global do carbono ocorre pelo CO2

18. 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 glicose
β-glicosidase
Glicose + 6CO2 6CO2 + 6H2O

20. 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.
-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

21. • Fixação simbiótica: 60-600 Kg/ha.ano
• 90% pelas leguminosas
• Economia em fertilizantes nitrogenados
• Associações simbióticas fixadoras:
– Anabaena - Azolla
– Frankia - Alnus
– Rizóbios - Leguminosas
Transformações bioquímicas do nitrogênio
• Fixação do nitrogênio atmosférico
N2 NH3 aminoácidos

22. • etapas da formação de um nódulo:
– reconhecimento: lectinas
– disseminação:
• citocininas células tetraplóides
– formação dos bacteróides nas células
– leghemoglobina
– maturidade: fixação do nitrogênio
– senescência do nódulo: deterioração
Transformações bioquímicas do nitrogênio
Rizóbios - Leguminosas

23. Associação simbiótica rizóbios-leguminosas

24. Associação simbiótica rizóbios-leguminosas

25. Redução de acetileno: medida da capacidade fixadora

26. • 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

27. 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 agricultura
- Etapas:
Nitritação: oxidação de amônia a nitrito
2NH3+ 3O2  2HNO2 + 2H2O
(Nitrosomonas, Nitrosovibrio, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus)
Nitratação: oxidação de nitrito a nitrato
NO2- + ½O2  NO3-
(Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus, Nitrospira)

28. Utilização do nitrato:
• Redução assimilatória: plantas e microrganismos
– NO3
-
+ 8e-
+ 9H+
 NH3 + 3H2O
Transformações bioquímicas do nitrogênio
• 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.
- Por outro lado, é importante no tratamento de efluentes

29. Transformações bioquímicas do enxofre
• Oxidação do enxofre elementar:
– 2S + 2H2O + 3O2 2H2SO4
2H+
+ SO4
=
– ex. Thiobacillus thioxidans
• O S0
também pode ser reduzido pela respiração anaeróbia
As transformações do enxofre são ainda mais complexas que do nitrogênio:
- Devido à variedade de estados de oxidação (-2 a +6) (S-orgânico a sulfato)
- Porém, apenas 3 estados de oxidação se encontram em quantidade
significativas na natureza (-2, 0, +6)
Alguns componentes do ciclo:

30. 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

31. 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

32. Transformações bioquímicas do ferro
Um dos elementos mais abundantes
Naturalmente encontrado em apenas dois estados de oxidação
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

33. Máquina
decompositora
Húmus
MS
MS
MS
MS
MS
Decomposição de restos vegetais no solo: máquina decompositora
operada pelos microrganismos (Siqueira & Franco, 1988)
Microrganismo
operário
MS
Nitrogênio
Carbono
Fósforo
Potássio
Cálcio
Magnésio
Ferro
Enxofre
Manganês
Cobre
outros
Resíduos
orgânicos