Ecologia microbiana: história, objeto de estudo e aplicações

A ecologia microbiana é uma disciplina de microbiologia ambiental decorrente da aplicação da Microbiologia Ambiental (primeiros mikros : pequeno, bios : vida, logos: estudo).

Esta disciplina estuda a diversidade de microrganismos (organismos unicelulares microscópicos de 1 a 30 µm), as relações entre eles com o resto dos seres vivos e com o meio ambiente.

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Figura 1. Algas, bactérias e protozoários amebóides interagindo em amostras de água não tratada. Fonte: CDC / Janice Haney Carr, em: publicdomainfiles.com

Como os microorganismos representam a maior biomassa terrestre, suas atividades e funções ecológicas afetam profundamente todos os ecossistemas.

actividade fotossintética precoce de cianobactérias e consequente acumulação de oxigénio (O 2 ) na atmosfera cedo, representa um dos exemplos mais claros de influência microbiana na história evolutiva da vida na Terra.

Isso, dada a presença de oxigênio na atmosfera, permitiu o surgimento e a evolução de todas as formas de vida aeróbica existentes.

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Figura 2. Cianobactérias em forma de espiral. Fonte: flickr.com/photos/hinkelstone/23974806839

Os microrganismos mantêm uma atividade contínua e essencial para a vida na Terra. Os mecanismos que mantêm a diversidade microbiana da biosfera são a base da dinâmica dos ecossistemas terrestres, aquáticos e aéreos.

Dada a sua importância, a possível extinção de comunidades microbianas (devido à contaminação de seus habitats com substâncias industriais tóxicas) geraria o desaparecimento de ecossistemas dependentes de suas funções.

História da ecologia microbiana

Princípios de Ecologia

Na primeira metade do século XX, foram desenvolvidos os princípios da ecologia geral, considerando o estudo de plantas e animais “superiores” em seu ambiente natural.

Os microorganismos e suas funções ecossistêmicas foram então ignorados, apesar de sua grande importância na história ecológica do planeta, tanto por representar a maior biomassa terrestre quanto por serem os organismos mais antigos da história evolutiva da vida na Terra. .

Naquela época, apenas microorganismos eram considerados degradadores, mineralizadores de matéria orgânica e intermediários em alguns ciclos de nutrientes.

Microbiologia

Considera-se que os cientistas Louis Pasteur e Robert Koch fundaram a disciplina de microbiologia, desenvolvendo a técnica da cultura microbiana axênica, que contém um único tipo de célula, descendente de uma única célula.

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Figura 3. Cultura bacteriana axênica. Fonte: pixabay.com

No entanto, as interações entre populações microbianas não puderam ser estudadas em culturas axênicas. Foi necessário desenvolver métodos que permitissem estudar as interações biológicas microbianas em seus habitats naturais (essência das relações ecológicas).

Os primeiros microbiologistas a examinar interações entre microrganismos, no solo e interações com plantas, foram Sergéi Winogradsky e Martinus Beijerinck, enquanto a maioria se concentrou no estudo de culturas axênicas de microrganismos relacionados a doenças ou processos de fermentação de interesse comercial.

Winogradsky e Beijerinck estudaram em particular as biotransformações microbianas de compostos inorgânicos de nitrogênio e enxofre no solo.

Ecologia microbiana

No início dos anos 1960, na era da preocupação com a qualidade ambiental e do impacto poluidor das atividades industriais, a ecologia microbiana emergiu como uma disciplina. O cientista americano Thomas D. Brock, foi o primeiro autor de um texto sobre o assunto em 1966.

Entretanto, foi no final da década de 1970 que a ecologia microbiana se consolidou como área multidisciplinar especializada, uma vez que depende de outros ramos científicos, como ecologia, biologia celular e molecular, biogeoquímica, entre outros.

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Figura 4. Interações microbianas. Fonte: Biblioteca de Imagens de Saúde Pública, em publicdomainfiles.com

O desenvolvimento da ecologia microbiana está intimamente relacionado aos avanços metodológicos que permitem estudar as interações entre os microrganismos e os fatores bióticos e abióticos de seu ambiente.

Na década de 1990, as técnicas de biologia molecular foram incorporadas ao estudo in situ da ecologia microbiana, oferecendo a possibilidade de explorar a vasta biodiversidade existente no mundo microbiano e também conhecer suas atividades metabólicas em ambientes sob condições extremas.

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Figura 5. Interações microbianas. Fonte Janice Haney Carr, USCDCP, em: pixnio.com

Posteriormente, a tecnologia de DNA recombinante permitiu avanços significativos na eliminação de poluentes ambientais, bem como no controle de pragas comercialmente importantes.

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Métodos em ecologia microbiana

Entre os métodos que permitiram o estudo in situ de microrganismos e sua atividade metabólica, estão:

  • Microscopia confocal a laser.
  • Ferramentas moleculares, como sondas de genes fluorescentes, que permitiram o estudo de comunidades microbianas complexas.
  • Reação em cadeia da polimerase ou PCR (reação em cadeia da polimerase).
  • Marcadores radioativos e análises químicas, que permitem medir a atividade metabólica microbiana, entre outros.

Subdisciplinas

A ecologia microbiana é geralmente dividida em sub-disciplinas, como:

  • A autoecologia ou ecologia de populações geneticamente relacionadas.
  • A ecologia de ecossistemas microbianos, que estuda comunidades microbianas em um ecossistema específico (terrestre, aéreo ou aquático).
  • A ecologia biogeoquímica microbiana, que estuda processos biogeoquímicos.
  • Ecologia das relações entre o hospedeiro e os microrganismos.
  • Ecologia microbiana aplicada a problemas de poluição ambiental e na restauração do equilíbrio ecológico em sistemas intervenientes.

Áreas de estudo

Entre as áreas de estudo da ecologia microbiana, estão:

  • Evolução microbiana e sua diversidade fisiológica, considerando os três domínios da vida; Bactérias, Archea e Eucaria.
  • A reconstrução das relações filogenéticas microbianas.
  • Medições quantitativas do número, biomassa e atividade de microrganismos em seu ambiente (incluindo os não aráveis).
  • Interações positivas e negativas em uma população microbiana.
  • As interações entre diferentes populações microbianas (neutralismo, comensalismo, sinergismo, mutualismo, competição, amensalismo, parasitismo e predação).
  • As interações entre microrganismos e plantas: na rizosfera (com microrganismos fixadores de nitrogênio e fungos micorrízicos) e em estruturas aéreas aéreas.
  • Fitopatógenos; bacteriano, fúngico e viral.
  • Interações entre microrganismos e animais (simbiose intestinal mutualística e comensal, predação, entre outros).
  • Os processos de composição, operação e sucessão em comunidades microbianas.
  • Adaptações microbianas a condições ambientais extremas (estudo de microorganismos extremos).
  • Os tipos de habitats microbianos (atmosfera-ecosfera, hidro-ecosfera, litosfera e habitats extremos).
  • Ciclos biogeoquímicos influenciados pelas comunidades microbianas (ciclos de carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, enxofre, fósforo, ferro, entre outros).
  • Várias aplicações biotecnológicas em problemas ambientais e interesse econômico.

Aplicações

Os microrganismos são essenciais nos processos globais que permitem a manutenção da saúde ambiental e humana. Além disso, eles servem como modelo no estudo de inúmeras interações populacionais (por exemplo, predação).

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A compreensão da ecologia fundamental dos microrganismos e seus efeitos no meio ambiente nos permitiu identificar capacidades metabólicas biotecnológicas aplicáveis ​​a diferentes áreas de interesse econômico. Algumas dessas áreas são mencionadas abaixo:

  • Controle da biodeterioração por biofilmes corrosivos de estruturas metálicas (como tubulações, recipientes de resíduos radioativos, entre outros).
  • Controle de pragas e patógenos.
  • Restauração de solos agrícolas degradados devido a sobre-exploração.
  • Biotratamento de resíduos sólidos em compostagem e aterros sanitários.
  • Tratamento biológico de efluentes, através de sistemas de tratamento de águas residuais (por exemplo, por biofilmes imobilizados).
  • Biorremediação de solos e águas contaminadas com substâncias inorgânicas (como metais pesados) ou xenobióticos (produtos sintéticos tóxicos, não gerados por processos biossintéticos naturais). Entre esses compostos xenobióticos estão halocarbonetos, nitroaromáticos, bifenilos policlorados, dioxinas, alquilbenzil sulfonatos, hidrocarbonetos de petróleo e pesticidas.

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Figura 6. Poluição ambiental com substâncias de origem industrial. Fonte: pixabay.com
  • Biorremediação de minerais através da biolixiviação (por exemplo, ouro e cobre).
  • Produção de biocombustíveis (etanol, metano, entre outros hidrocarbonetos) e biomassa microbiana.

Referências

  1. Kim, MB. (2008). Progresso em Microbiologia Ambiental. Editor Kim Myung-Bo. pp 275.
  2. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA e Brock, T. (2015). Biologia de Brock de microrganismos. 14 ed. Benjamin Cummings pp 1041.
  3. Madsen, EL (2008). Microbiologia Ambiental: dos genomas à biogeoquímica. Wiley-Blackwell. 490.
  4. McKinney, RE (2004). Microbiologia de Controle de Poluição Ambiental. M. Dekker pp 453.
  5. Prescott, LM (2002). Microbiologia Quinta edição, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. 1147.
  6. Van den Burg, B. (2003). Extremófilos como fonte de novas enzimas. Opinião Atual em Microbiologia, 6 (3), 213-218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
  7. Wilson, SC e Jones, KC (1993). Biorremediação de solo contaminado com hidrocarbonetos aromáticos polinucleares (PAHs): Uma revisão. Poluição Ambiental, 81 (3), 229-249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.

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