Microbiologia ambiental: objeto de estudo e aplicações

O Microbiologia Ambiental é a ciência que estuda a diversidade e função de microorganismos em seus ambientes naturais e aplicações de sua capacidade metabólica na biorremediação de solos contaminados e água. Geralmente é dividido nas disciplinas de: ecologia microbiana, geomicrobiologia e biorremediação.

Microbiologia ( mikros : pequeno, bios : vida, logotipos: estudo), estuda de maneira interdisciplinar um amplo e diversificado grupo de organismos unicelulares microscópicos (1 a 30 µm), visíveis apenas através do microscópio óptico (invisível ao olho humano) )

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Figura 1. À esquerda: microscópio óptico, um instrumento que permite que os microrganismos sejam vistos com ampliação (Fonte: https://pxhere.com/es/photo/1192464). À direita: micrografia eletrônica de bactérias amplamente distribuídas na natureza do gênero Pseudomonas (por: CDC, cortesia: Public Health Image Library).

Os organismos agrupados no campo da microbiologia são diferentes em muitos aspectos importantes e pertencem a categorias taxonômicas muito diferentes.Eles existem como células isoladas ou associadas e podem ser:

  • Procariontes principais (organismos unicelulares sem núcleo definido), como eubactérias e arqueobactérias.
  • Eucariotos simples (organismos unicelulares com núcleo definido), como leveduras, fungos filamentosos, microalgas e protozoários.
  • Vírus (que não são celulares, mas microscópicos).

Os microrganismos são capazes de executar todos os seus processos vitais (crescimento, metabolismo, geração e reprodução de energia), independentemente de outras células da mesma classe ou de classe diferente.

Características microbianas relevantes

Interação com o ambiente externo

Organismos unicelulares de vida livre são particularmente expostos ao ambiente externo. Além disso, eles possuem um tamanho de célula muito pequeno (que afeta sua morfologia e flexibilidade metabólica), além de uma alta relação superfície / volume, que gera interações extensivas com o ambiente.

Por esse motivo, a sobrevivência e a distribuição ecológica microbiana dependem de sua capacidade de se adaptar fisiologicamente a freqüentes variações ambientais.

Metabolismo

A alta relação superfície / volume gera altas taxas metabólicas microbianas. Isso está relacionado à sua rápida taxa de crescimento e divisão celular.Além disso, na natureza existe uma grande diversidade metabólica microbiana.

Os microrganismos podem ser considerados máquinas químicas, que transformam várias substâncias por dentro e por fora. Isto é devido à sua atividade enzimática, que acelera velocidades de reações químicas específicas.

Adaptação a ambientes muito diversos

Em geral, o microhabitat microbiano é dinâmico e heterogêneo no que diz respeito ao tipo e quantidade de nutrientes presentes, bem como às suas condições físico-químicas.

Existem ecossistemas microbianos:

  • Terrestre (em rochas e solo).
  • Aquático (em oceanos, lagoas, lagos, rios, fontes termais, aquíferos).
  • Associado a organismos superiores (plantas e animais).

Ambientes extremos

Os microrganismos são encontrados em praticamente todos os ambientes do planeta Terra, familiares ou não para formas de vida superiores.

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Os ambientes com condições extremas de temperatura, salinidade, pH e disponibilidade de água (entre outros recursos) possuem microrganismos “extremófilos”.Geralmente, são principalmente archaea (ou archaebacteria), que formam um domínio biológico primário diferenciado do de Bacteria e Eukarya, chamado Archaea .

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Figura 2. Habitats de microrganismos extremofílicos. À esquerda: Água termal no Parque Nacional de Yellowstone, onde foram estudados microorganismos termofílicos (Fonte: Jim Peaco, Serviço Nacional de Parques [Domínio Público], via Wikimedia Commons). À direita: local antártico onde foram estudados microorganismos psicrofílicos (Fonte: pxhere.com).

Microrganismos extremofílicos

Entre a grande variedade de microrganismos extremofílicos, existem:

  • Termófilos: com crescimento ideal a temperaturas acima de 40 ° C (habitantes de fontes termais).
  • Psicófilos: crescimento ideal em temperaturas abaixo de 20 ° C (habitantes de locais com gelo).
  • Acidófilos: de crescimento ideal em condições de pH baixo, próximo a 2 (ácido). Presente em fontes termais ácidas e rachaduras vulcânicas subaquáticas.
  • Halófilos: que requerem altas concentrações de sal (NaCl) para crescer (como em salmoura).
  • Xerófilos: capazes de suportar a seca, ou seja, baixa atividade de água (habitantes de desertos como Atacama, no Chile).

Biologia molecular aplicada à microbiologia ambiental

Isolamento e cultura microbiana

Para estudar as características gerais e as capacidades metabólicas de um microorganismo, ele deve ser: isolado de seu ambiente natural e mantido em cultura pura (livre de outros microorganismos) em laboratório.

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Figura 3. Isolamento microbiano em laboratório. À esquerda: fungos filamentosos que crescem em meio de cultura sólido (Fonte: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-2035457). À direita: isolamento de uma cepa bacteriana pela técnica de semeadura por depleção (Fonte: Drhx [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], do Wikimedia Commons).

Apenas 1% dos microrganismos que existem na natureza foram isolados e cultivados em laboratório. Isso devido ao desconhecimento de suas necessidades nutricionais específicas e à dificuldade de simular a grande variedade de condições ambientais existentes.

Ferramentas de biologia molecular

A aplicação de técnicas de biologia molecular ao campo da ecologia microbiana permitiu a exploração da biodiversidade microbiana existente, sem a necessidade de isolamento e cultivo em laboratório. Ele até permitiu identificar microorganismos em seus microhabitats naturais, isto é, in situ .

Isso é particularmente importante no estudo de microrganismos extremofílicos, cujas condições ideais de crescimento são complexas para simular em laboratório.

Por outro lado, a tecnologia de DNA recombinante com o uso de microrganismos geneticamente modificados permitiu a eliminação de substâncias poluentes do meio ambiente em processos de biorremediação.

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Áreas de estudo de microbiologia ambiental

Conforme indicado inicialmente, as diferentes áreas de estudo da microbiologia ambiental incluem as disciplinas de ecologia microbiana, geomicrobiologia e biorremediação.

-Ecologia microbiana

A ecologia microbiana funde a microbiologia à teoria ecológica, através do estudo da diversidade de papéis funcionais microbianos em seu ambiente natural.

Como os microrganismos representam a maior biomassa do planeta Terra, não é de surpreender que suas funções ou papéis ecológicos afetem a história ecológica dos ecossistemas.

Um exemplo dessa influência é o aparecimento de formas de vida aeróbicas, graças ao acúmulo de oxigênio (O 2 ) na atmosfera primitiva, gerado pela atividade fotossintética das cianobactérias .

Áreas de pesquisa em ecologia microbiana

A ecologia microbiana é transversal a todas as outras disciplinas de microbiologia e estuda:

  • Diversidade microbiana e sua história evolutiva.
  • Interações entre microrganismos de uma população e entre populações de uma comunidade.
  • As interações entre microorganismos e plantas.
  • Fitopatógenos (bacterianos, fúngicos e virais).
  • As interações entre microrganismos e animais.
  • Comunidades microbianas, seus processos de composição e sucessão.
  • Adaptações microbianas às condições ambientais.
  • Os tipos de habitats microbianos (atmosfera-ecosfera, hidro-ecosfera, litosfera e habitats extremos).

-Geomicrobiologia

A geomicrobiologia estuda as atividades microbianas que afetam os processos geológicos e geoquímicos (ciclos biogeoquímicos) na Terra.

Isso ocorre na atmosfera, hidrosfera e geosfera, especificamente em ambientes como sedimentos recentes, massas de água subterrânea em contato com rochas sedimentares e ígneas e na crosta terrestre desgastada.

É especialista em microorganismos que interagem com minerais em seu ambiente, dissolvendo-os, transformando-os, precipitando-os, entre outros.

Áreas de pesquisa em geomicrobiologia

Estudos de geomicrobiologia:

  • Interações microbianas com processos geológicos (formação do solo, quebra de rochas, síntese e degradação de minerais e combustíveis fósseis).
  • A formação de minerais de origem microbiana, seja por precipitação ou por dissolução no ecossistema (por exemplo, em aqüíferos).
  • Intervenção microbiana em ciclos biogeoquímicos da geosfera.
  • Interações microbianas que formam aglomerados indesejados de microrganismos em uma superfície (bioincrustações). Essas incrustações biológicas podem causar deterioração das superfícies em que habitam. Por exemplo, eles podem corroer superfícies metálicas (biocorrosão).
  • Evidência fóssil de interações entre microrganismos e minerais em seu ambiente primitivo.

Por exemplo, estromatólitos são estruturas minerais fósseis estratificadas de águas rasas. Eles consistem em carbonatos, provenientes das paredes das cianobactérias primitivas.

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Figura 4. À esquerda: estromatólitos fósseis em águas rasas (Foto da fonte à esquerda: https://es.wikipedia.org/wiki/File:StromatolitheAustralie2.jpeg). À direita: detalhe dos estromatólitos (Foto da fonte à direita: https://es.m.wikipedia.org/wiki/File:StromatoliteUL02.JPG).
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-Biorremediação

A biorremediação estuda a aplicação de agentes biológicos (microorganismos e / ou suas enzimas e plantas), em processos de recuperação de solos e águas contaminados com substâncias perigosas para a saúde humana e o meio ambiente.

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Figura 5. Poluição com óleo na floresta amazônica equatoriana. Fonte: Ministério das Relações Exteriores do Equador [CC BY-SA 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0)], via Wikimedia Commons

Muitos dos problemas ambientais atuais podem ser resolvidos com o uso do componente microbiano do ecossistema global.

Campos de pesquisa de biorremediação

Estudos de biorremediação:

  • As capacidades metabólicas microbianas aplicáveis ​​aos processos de saneamento ambiental.
  • Interações microbianas com contaminantes inorgânicos e xenobióticos (produtos sintéticos tóxicos, não gerados por processos biossintéticos naturais). Entre os compostos xenobióticos mais estudados estão halocarbonetos, nitroaromáticos, bifenilos policlorados, dioxinas, alquilbenzil sulfonatos, hidrocarbonetos de petróleo e pesticidas. Entre os elementos inorgânicos mais estudados, são encontrados metais pesados.
  • A biodegradabilidade de poluentes ambientais in situ e em laboratório.

Aplicações da microbiologia ambiental

Entre as múltiplas aplicações dessa vasta ciência, podemos citar:

  • A descoberta de novas vias metabólicas microbianas com potenciais aplicações em processos de valor comercial.
  • A reconstrução das relações filogenéticas microbianas.
  • A análise de aqüíferos e abastecimento de água potável pubiana.
  • Dissolução ou lixiviação (biolixiviação) de metais no meio, para recuperação.
  • Bio-hidrometalurgia ou biomineração de metais pesados, em processos de biorremediação de áreas contaminadas.
  • Biocontrole de microrganismos envolvidos na biocorrosão de recipientes de resíduos radioativos dissolvidos em aqüíferos subterrâneos.
  • Reconstrução da história terrestre primitiva, do paleoambiente e das formas primitivas de vida.
  • Construção de modelos úteis na busca de vida fossilizada em outros planetas, como Marte.
  • Saneamento de áreas contaminadas com substâncias xenobióticas ou inorgânicas, como metais pesados.

Referências

  1. Ehrlich, HL e Newman, DK (2009). Geomicrobiologia Quinta edição, CRC Press. 630.
  2. Malik, A. (2004). Biorremediação de metais através de células em crescimento. Environment International, 30 (2), 261-278. doi: 10.1016 / j.envint 2003.08.001.
  3. McKinney, RE (2004). Microbiologia de Controle de Poluição Ambiental. M. Dekker pp 453.
  4. Prescott, LM (2002). Microbiologia Quinta edição, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. 1147.
  5. 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.
  6. 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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