Microbiologia ambiental
Engenharia do Ambiente
Escola Superior Agrária
Instituto Politécnico de Coimbra
[email protected]
www.esac.pt/abelho
Módulo 1.Ecologia microbiana
Parte 2. Ecologia microbiana
2.4 COMUNIDADE MICROBIANA DOS
SOLOS E ASSOCIADA A PLANTAS
VASCULARES
Manuela Abelho 2012
Microbiologia ambiental
2
Conceitos
1
Características dos
ambientes terrestres e dos
seus microrganismos
Manuela Abelho 2012
 Dominados por materiais sólidos inertes;
substâncias orgânicas, incluindo
microrganismos, são geralmente uma
pequena parte do solo
 Quando presente, a água ocorre
predominantemente como uma fina película
na superfície das partículas, onde os
microrganismos têm um bom contacto com
os gases do ar, incluindo oxigénio
 No solo o oxigénio está mais acessível aos
microrganismos do que na água, visto que a
taxa de difusão do oxigénio no ar é 10000×
superior à sua difusão na água
 Microrganismos que crescem nestes
ambientes com grande fluxo de oxigénio
desenvolveram complexos mecanismos
físicos e fisiológicos para lidarem com o
oxigénio potencialmente tóxico; alguns
fungos desenvolveram mesmo estruturas
impermeáveis ao oxigénio
Microbiologia ambiental
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Conceitos
2
Características dos
ambientes terrestres e dos
seus microrganismos
 Os solos podem conter zonas saturadas
de água que se tornam anaeróbias;
podem ser consideradas como
ambientes aquáticos isolados
 Existe uma enorme variedade de
ambientes terrestres: secos, frios,
temperados, tropicais e zonas
geotermicamente aquecidas
 Insectos e outros artrópodes,
nemátodes e outros organismos do solo
interagem com os microrganismos
influenciando os ciclos de nutrientes e
outros processos
 Subsolo: comunidade diversa de
microrganismos, mantida por fontes de
nutrientes como
 (1) materiais lixiviados da superfície,
 (2) decomposição de restos enterrados de
plantas, e
 (3) síntese de metano
Manuela Abelho 2012
Microbiologia ambiental
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 Os fungos são importantes no
funcionamento das plantas:
Conceitos
3
Características dos
ambientes terrestres e dos
seus microrganismos
 Ocorrem no seu interior e na sua
superfície e podem ter efeitos
negativos ou positivos;
 A maioria das raízes das plantas
tem fungos
 Os microrganismos do solo
interagem com as plantas e com
a atmosfera:
Produtos microbianos importantes:
óxido nítrico e metano, ambos
gases com efeito de estufa
Produzem clorometano e cianeto,
geralmente considerados
poluentes antropogénicos
Manuela Abelho 2012
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O solo como ambiente
para os microrganismos
Concentração de gases
Manuela Abelho 2012
 Oxigénio difunde-se mais rapidamente
no ar do que na água: geralmente não
ocorre falta de O2 nos solos, excepto em
zonas saturadas de água
 Concentração dos gases presentes no
solo depende muito das suas condições
de humidade; a concentração de
oxigénio diminui e a concentração de
dióxido de aumenta com a quantidade
de humidade presente nos solos
 Outro factor importante é a presença de
raízes de plantas, que tal como os
microrganismos também consomem O2
e libertam CO2, influenciando a
disponibilidade de gases no ambiente da
raiz
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Concentração de oxigénio e de dióxido de carbono num
solo tropical sob condições húmidas e secas
% Oxigénio
Profundidade do solo (cm)
% Dióxido de carbono
Húmido
Seco
Húmido
Seco
10
13.7
20.7
6.5
0.5
25
12.7
19.8
8.5
1.2
45
12.2
18.8
9.7
2.1
90
7.6
17.3
10.0
3.7
120
7.8
16.4
9.6
5.1
A atmosfera contém normalmente 21% de oxigénio e 0.035% de dióxido de carbono
Alterações na quantidade de água afectam as concentrações de gases presentes
nos interstícios do solo. Essas alterações são mais acentuadas nos pequenos
poros onde se encontra a maioria das bactérias
Em maiores profundidades existe menos oxigénio, principalmente nos solos mais
húmidos e menos permeáveis
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• 1.Fertilidade dos solos
Microrganismos no solo
Muito importantes em
vários processos
– Fixação de azoto atmosférico,
sozinhos ou em simbiose com
plantas
– Solubilização de fosfatos em
formas utilizáveis pelas plantas
e outros organismos
• 2.Estrutura dos solos
– Produção de polissacarídeos
que promovem a agregação
das partículas
• 3.Reciclagem de nutrientes
– Processo de
decomposição/mineralização
de nutrientes
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 Bactérias
Microrganismos no solo
Populações
microbianas do solo
são muito elevadas
3-10 toneladas/ha
 localizam-se nas superfícies das partículas
expostas a poros de 2-6mm de diâmetro e
necessitam que a água e os nutrientes se
localizem nas suas proximidades
 menor probabilidade de serem consumidas
por protozoários
 Protozoários
 localizam-se geralmente na superfície exterior
das partículas inorgânicas e orgânicas;
 actuando como predadores (de bactérias),
mantêm a estrutura e o funcionamento das
comunidades microbianas
 Fungos filamentosos
 ocupam geralmente áreas mais abertas onde
dispõem de elevados níveis de oxigénio;
 fazem a ligação entre partículas ou agregados
de partículas de solo
 Algas e cianobactérias
 ocupam camadas superficiais; colonizadores
primários;
 algumas cianobactérias fixam azoto
atmosférico
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Os fungos do solo
 São os mais abundantes em biomassa
 Importantes na decomposição da
matéria orgânica
– Penicillium; Mucor; Rhizopus; Fusarium;
Cladosporium; Aspergillus;
Trichoderma,…
Várias centenas de
metros de hifas/ g solo  Não são apenas os cogumelos
http://www.fs.fed.us/pnw/news/f
ungus.htm
http://www.nature.com/nature/j
ournal/v356/n6368/abs/356428a
0.html
http://www.crystalfalls.org/humo
ngou.htm
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macroscópicos, mas principalmente o
emaranhado de hifas subterrâneas
 Exemplo: Armillaria bulbosa – fungo
associado às raízes das árvores; um
único indivíduo (principalmente a sua
parte subterrânea…) pode cobrir 100 ha,
pesar 100 toneladas e ter 1500 anos de
idade
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O maior e mais
antigo organismo da
terra?
Armillaria
bulbosa
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As bactérias do solo
 Maioria:
quimioheterotróficas
 Muitos géneros e muitas
espécies:
 Bacillus; Clostridium;
Arthrobacter; Pesudomonas;
Rhizobium; Azotobacter;
Nitrobacter,…
• Muito abundantes:
– 108-109 células/g solo seco
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As bactérias do solo
Actinomicetes ou
bactérias filamentosas
(pseudo-filamentos)
 Muitos abundantes
 Muito importantes na
decomposição de matéria
orgânica recalcitrante: celulose,
lenhina, quitina, pesticidas…
– Nocardia; Streptomyces;
Micromonospora,…
 Género Streptomyces produz um
composto odorífero (geosmina)
que dá ao solo o seu odor
característico a terra molhada
http://transectpoints.blogspot.com
/2007/02/test.html
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No exterior: filosfera e rizosfera
No interior: simbioses e patogénicos
MICRORGANISMOS ASSOCIADOS A
PLANTAS VASCULARES
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Filosfera
Superfícies aéreas das
plantas e seu interior
Exemplo:
Sphingomonas sp.
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• Microrganismos que vivem
sobre as superfícies das
plantas expostas à radiação
solar
• Sobrevivem com elevados
níveis de radiação UV
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 As raízes das plantas libertam para
o solo álcoois, etileno, açúcares,
aminoácidos, ácidos orgânicos,
Rizosfera
polissacarídeos e enzimas, criando
Ambiente que rodeia a
um ambiente propício aos
microrganismos
raiz das plantas
 Muitos microrganismos da rizosfera
promovem o crescimento da planta
através da produção de sinais
químicos (auxinas, giberlinas,
citoquininas,…)
– e.g. Pseudomonas e Aerobacter
 Fixação de azoto:
– Azotobacter, Azospirillum,
Acetobacter
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Promovem o crescimento das plantas através da produção de
sinais químicos (auxinas, giberlinas, citoquininas,…)
Pseudomonas aeruginosa
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Aerobacter aerogenes
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Fixadores de azoto
Acetobacter sp.
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Azotobacter sp.
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 Benéficos:
No interior das plantas
Fungos e bactérias
endófitos: crescem
dentro das células das
plantas
 alguns fungos endófitos podem
torná-las menos susceptíveis ao
ataque dos insectos
 Parasitas:
 alguns fungos tornam as plantas
estéreis
 Cana do açúcar, batateira,
algodão têm bactérias endófitas
que podem ser patogénicas
 Mas em muitos casos não se
conhecem efeitos negativos ou
positivos
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No interior das plantas
Fixação simbiótica de
azoto atmosférico
Exemplo: Rhizobium
sp. e plantas
leguminosas
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 O rizóbio penetra nas células da raiz
das leguminosas, formando nódulos
 Dentro da raiz transforma-se num
bacteróide, a forma capaz de fixar
azoto mas incapaz de se reproduzir
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Formação de um nódulo pelo Rhizobium
1. Rhizobium livre
2. Rhizobium atraído pelo pelo
radicular
3. Início da infecção por
Rhizobium no pelo radicular
4. Pelos radiculares infectados
por Rhizobium
5 e 6. O cordão de infecção de
Rhizobium invade a matriz de
células corticais da raiz da
leguminosa
7. Rhizobium reproduz-se nas
células haplóides da raiz e perde
a sua parede celular
8. Dá-se a hipertrofia radical e
aparece o nódulo
9. Rhizobium sem parede
(bacteróide) fixa azoto
10. O nódulo com
leghemoglobina fixa N2
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Microbiologia ambiental
Nódulos da raiz
Bacteróides (MO
contraste de
fase)
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No interior das plantas
Micorrizas
Associações
simbióticas entre
fungos e raízes das
plantas superiores
 Existem mais de 5000 espécies
de fungos, principalmente
basidiomicetes, envolvidas em
simbioses micorrízicas
 As micorrizas melhoram a
competitividade das plantas,
aumentando a sua absorção de
água e de nutrientes,
principalmente fósforo
 Existem vários tipos de
micorrizas dentro de dois grupos:
 Endomicorrizas
 Ectomicorrizas
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Endomicorrizas
Exemplos:
Trigo, feijoeiro,
tomateiro, laranjeira,
etc.
• O fungo (geralmente um
zigomicete) não sobrevive sem a
planta; penetra nas células da
raiz e cresce lá dentro
• Um dos tipos são as micorrizas
arbusculares (AM)
– Crescem formando uma estrutura
intracelular semelhante a um
arbusto; hifas não septadas
• Os outros tipos de
endomicorrizas têm hifas
septadas e existem por exemplo
nas orquídeas
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Micorrizas
arbusculares
As micorrizas
arbusculares são
formadas por fungos
da classe
Glomeromycetes (Filo
Zygomycota), que
recentemente passou a
ser o filo
Glomeromycota
(http://www.mycolog.c
om/CHAP3b.htm)
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Árvore filogenética do filo Glomeromycota, baseada na
análise das sequências das subunidades dos ribossomas
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Ectomicorrizas
Micorrizas formadoras
de manto
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• Formam um manto que
cobre a ponta da raiz
• As hifas também penetram
no interior da raiz mas não
no interior das células
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Diagrama de uma endomicorriza e de uma ectomicorriza
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No interior das plantas
Actinorrizas
Associações
simbióticas de
actinomicetes do
género Frankia
(bactérias) com raízes
de plantas de oito
famílias nãoleguminosas
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 Formam nódulos onde se dá
a fixação de azoto
 Exemplo: amieiro (Alnus
glutinosa)
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Frankia sp.
O género Frankia tem uma associação simbiótica com árvores, como
o amieiro
As árvores com esta associação simbiótica são mais ricas em azoto
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No interior das plantas
Microrganismos
patogénicos
 Alguns fungos e bactérias
podem causar várias doenças
que diminuem a
produtividade das culturas
 Puccinia graminis – ferrugem
do trigo
 Phytophthora infestans –
doença das batatas
http://www.bbc.co.uk/history/british/victorians/fam
ine_01.shtml)
 Agrobacterium tumefaciens –
crescimento de tumores nas
plantas
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Ferrugem do trigo
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Doença da batata
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Tumores
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