Disciplina Biorremediao Aula 03 MICROBIOLOGIA BSICA APLICAO AMBIENTAL

Disciplina: Biorremediação Aula: 03 MICROBIOLOGIA BÁSICA APLICAÇÃO AMBIENTAL Prof. Elidamar Nunes de Carvalho Lima email: elidamarnunes@gmail. com São Paulo, 31 de Agosto de 2020 1

ROTEIRO 1. Microbiologia Ambiental 2. Definições de Microbiologia 3. Importância da Microbiologia Ambiental 4. Atuação da Microbiologia Ambiental 5. Perspectivas da Microbiologia Ambiental 6. Bioprospecção da Microbiologia Ambiental 7. Atuação da Microbiologia Ambiental 8. Introdução à Microbiologia 9. Histórico da Microbiologia 10. Classificando Microrganimos 11. Diversidade Microbiana 12. Impacto dos Microrganismos nos seres vivos 13. Tecnologias de Identificação Referências Bibliográficas 2

1. MICROBIOLOGIA AMBIENTAL 1. 1 INTRODUÇÃO • É uma subárea da microbiologia, estuda a composição e fisiologia das comunidades microbianas no ambiente; • Estudo genética, fisiologia, interações e funções dos microrganismos no ambiente (solo, água, ar e os sedimentos que cobrem a superfície terrestre (podem incluir os animais e plantas dessas áreas); • Combina a aplicação dos princípios químicos, biológicos e biotecnológicos, voltada para a manutenção da qualidade ambiental;

1. MICROBIOLOGIA AMBIENTAL 1. 1 INTRODUÇÃO • Os principais temas estudados pela microbiologia ambiental são: - Síntese de substâncias que auxiliem o cuidado meio ambiente; - Criar variedades adaptadas para o combate de poluentes; - Estudar adaptações de microrganismos e sua aplicação no tratamento de resíduos; - Utilizar microrganismos como inseticidas biológicos, não poluentes ao ambiente.

1. MICROBIOLOGIA AMBIENTAL 1. 1 INTRODUÇÃO • Apesar de microrganismos serem associados a doenças/patologias, afetando animais e humanos, estes seres minúsculos são fundamentais para a manutenção do equilíbrio ambiental. 1. 2 OBJETIVOS DA MICROBIOLOGIA AMBIENTAL • Utilizar os conhecimentos microbiológicos para manter a qualidade ambiental e contribuir com o desenvolvimento sustentável da sociedade moderna.

2. DEFINIÇÕES DE MICROBIOLOGIA • Microbiologia - Do grego mikros = pequeno, + bio = vida, + logos = ciência; • É classicamente definida como a área da ciência dedicada ao estudo de organismos visualizados ao microscópio; • Envolve o estudo de organismos procariótico (bactérias), eucarióticos (algas, protozoários, fungos) e seres acelulares (vírus); • Microrganismos possuem diversidade bioquímica o que os torna um grupo complexo e diversificado entre si, sendo que: uma espécie bacteriana pode possuir diversas cepas com diferentes metabolismos químicos e enzimáticos;

3. IMPORT NCIA DA MICROBIOLOGIA AMBIENTAL • A microbiologia ambiental atua descontaminando água, solo de um determinado local utilizando microrganismos que fazem a biorremediação dessa área (líquida ou sólida); • Microrganismos produzem enzimas que potencializam reações químicas (denominados biocatalizadores), e o entendimento é facilitado pelo uso de técnicas de biologia molecular; • Pragas comuns na agrícolas podem ser combatidas, sem exceder o uso de venenos; • Diversas espécies de vírus e bactérias atuam no controle de lagartas, percevejos e besouros; • Microrganismos com essa capacidade são denominados biopesticidas.

4. ATUAÇÃO DA MICROBIOLOGIA AMBIENTAL

5. PERSPECTIVAS DA MICROBIOLOGIA AMBIENTAL • Microrganismos “do bem” ganham espaço, sendo base de diversos produtos de valor inestimável; • O Brasil, devido a problemas ambientais crônicos (apesar de grande diversidade), está expandido sua atuação no setor, mas precisa interar ecologistas, geneticistas, químicos e biotecnologistas, para solução de problemas de qualidade ambiental;

5. PERSPECTIVAS DA MICROBIOLOGIA AMBIENTAL • Apesar dos avanços alcançados (softwares, algoritmos, etc), são as ferramentas da biologia molecular baseadas em DNA e novos métodos para o estudo de proteínas, que trazem compreensão desses seres; • Há uma grande ênfase na aplicação de abordagens “ômicas” (genômica, transcriptômica, proteômica e metabolômica) para identificar funções microbiológicas das espécies que habitam diferentes ambientes.

6. BIOPROSPECÇÃO - MICROBIOLOGIA AMBIENTAL Busca por micro-organismos com propriedades de interesse biotecnológico: • Solo • Areia • Plantas • Outros nichos Após isolar microrganismo: • Caracterizar morfologia • Macro e Micromorfologia • Identificar taxonômia • Isolar/caracterizar substância de interesse • Testar toxicidade • Patentear • Comercializar

6. BIOPROSPECÇÃO - MICROBIOLOGIA AMBIENTAL

7. ATUAÇÃO DA MICROBIOLOGIA AMBIENTAL • A Microbiologia Ambiental atua como área de estudos fundamental em diversos temas (biorremediação, biocatálise, biocombustíveis, controle biológico, fertilizantes, etc); 8. 1 Microbiologia Agrícola • Abrange fitopatologia de raízes; • Qualidade/sanidade de sementes; • Diagnóstico de doenças de plantas; • Identificação de populações de fitopatógenos; • Identificação de resistência dos fitopatógenos; • Caracterização/seleção de microrganismos fixadores de nitrogênio.

7. ATUAÇÃO DA MICROBIOLOGIA AMBIENTAL 8. 2 Biorremediação • Compostos tóxicos, introduzidos no ambiente pela atividade humana e exposição a estes contaminantes causa riscos (ambiente como à saúde humana); • Entender os riscos e desenvolver técnicas de remediação é de extrema importância; • A Biorremediação é um processo biológico que ocorre naturalmente (ação de bactérias, fungos e plantas), degradam/transformam/removem compostos orgânicos sintéticos de uma matriz ambiental, como água ou solo; • Utiliza-se métodos químicos/biológicos para avaliar estes processos;

7. ATUAÇÃO DA MICROBIOLOGIA AMBIENTAL 8. 3 Biocatálise • Área multidisciplinar, aplicações na fabricação de fertilizantes/defensivos agrícolas, fármacos (química fina), indústria de processamento de alimentos, petróleo, etc; • O uso de catalisadores biológicos com novas técnicas de biologia molecular, vem sendo desenvolvidas na obtenção de catalisadores com suas especificidades alteradas assim como a exploração da biodiversidade; • O maior desafio é o uso de catalisadores biológicos nativos disponíveis, pois apresentam limitações no uso dos processos industriais; • Essas limitações no uso dessas enzimas vem sendo contornadas pela alteração de termoestabilidade e técnicas moleculares (sítio mutação dirigida).

7. ATUAÇÃO DA MICROBIOLOGIA AMBIENTAL 8. 4 Microbiologia da Água • Análise microbiológica da água é muito importante na identificação de microrganismos patogênicos (bactérias indicam contaminação fecal de humanos ou animais ou por esgoto); • Contaminantes em água causam diferentes doenças (diarreia, febre tifoide e infecção intestinal, induzindo à morte); • Consumir água contaminada, resulta em novos casos de infecção; • Uma grande questão de saúde pública mundial é a qualidade da água oferecida aos consumidores que, associada à falta de saneamento básico, mata cerca de 1, 6 milhões de pessoas/ano; • No Brasil, o custo para o tratamento de doenças transmitidas pela água é de US$ 2, 7 bilhões/ano (M. S. ).

8. INTRODUÇÃO À MICROBIOLOGIA - Importância/uso dos Microrganismos • Ambiental e Aplicada • Biorremediação • Controle biológico • Biocorrosão • Qualidade da água • Segurança alimentar • Biotecnologia • Diagnóstico

8. INTRODUÇÃO À MICROBIOLOGIA Atuações da Microbiologia Ambiental - Microbiologia ambiental: estudo dos micro-organismos e suas atividades para entender seu papel na manutenção da biosfera e seu uso na remediação de locais modificados; - Microbiologia aplicada: explora micro-organismos, suas atividades/produtos para o benefício da sociedade; - Ecologia microbiana: estuda interações entre populações de microrganismos e entre organismos de outros níveis tróficos.

8. INTRODUÇÃO À MICROBIOLOGIA O que se estuda na Microbiologia? ü Classificação ü Estrutura ü Reprodução ü Hereditariedade ü Atividades bioquímicas ü Nutrição ü Atividades e relações entre si, com outros seres vivos ü Habilidade causar mudanças físicas e químicas no ambiente

9. HISTÓRICO DA MICROBIOLOGIA • Primeiro microscópio (Leeuwenhoek, 1632 - 1723 identifica seres unicelulares); • Processo de pasteurização que derruba a teoria aristotélica de geração espontânea da vida (Pasteur, 1822 – 1895); • Microbiologia Sanitária ou Saúde Pública, início em 1880’s, morte de pacientes por infecções cirúrgicas graves depois cirurgias; • Joseph Lister, médico cirurgião e pesquisador, usa teoria dos Germes de Pauster, introduz a antissepsia na rotina dos cirurgiões dos hospitais; • Descoberta do ácido fênico/fenólico - C 6 H 5 OH, como antisséptico.

9. HISTÓRICO DA MICROBIOLOGIA

9. HISTÓRICO DA MICROBIOLOGIA

9. HISTÓRICO DA MICROBIOLOGIA Antes do século XVIII, a que se atribuía as doenças? - Maldição divina - Teoria dos miasmas (vapores ou venenos) - Mau odores - O ar como meio de transmissão

9. HISTÓRICO DA MICROBIOLOGIA ROBERT KOCH (1843 -1910) ü Descobriu a etiologia do Antraz; ü Fez o primeiro isolamento bacteriano; ü Descobriu/isolou o bacilo causador da tuberculose; ü Desenvolveu o primeiro tratamento contra a tuberculose; ü Revolucionou a medicina para diagnóstico e tratamento de doenças (aumentou a expectativa de vida em décadas).

9. HISTÓRICO DA MICROBIOLOGIA POSTULADOS DE KOCH (1843 -1910) üOs microorganismos devem estar presentes em todos os casos de doenças; ü Os microorganismos devem ser isolados em cultura pura no laboratório ü Os mesmos sintomas devem surgir se o microrganismo for inoculado em um hospedeiro saudável e susceptível; ü O mesmo microorganismo deve ser re-isolado do hospedeiro inoculado

10. CLASSIFICANDO MICRORGANISMOS 5. 1 NOMENCLATURA • Sistema de nomenclatura criado em 1735 por Carolus Linnaeus; • Primeiro nome: Gênero; • Segundo nome: Espécie (primeira letra minúscula); EX: Escherichia coli, - o primeiro nome homenageia o cientista Theodor Escherich - coli lembra que o E. coli vive no colo/Intestino Grosso;

10. CLASSIFICANDO MICRORGANISMOS 5. 2 HIERARQUIA TAXONÔMICA • Domínio • Reino • Filo • Classe • Ordem (Grupo de família similares) • Família (Gêneros relacionados); • Gênero (spp. diferem entre si em certas características, mas relacionam-se pela descendência); • Espécie

10. CLASSIFICANDO MICRORGANISMOS • Procariontes: não apresentam organelas envolvidas por membranas (Bactéria e Arqueas); • Eucariontes: apresentam organelas envolvidas por membranas (Algas, fungos e Protozoários); • Vírus: não apresentam natureza celular nem atividade metabólica independente.

11. DIVERSIDADE MICROBIANA • DIVERSIDADE FISIOLÓGICA • Fontes de energia: compostos orgânicos, compostos inorgânicos e energia luminosa; • Produção de energia apenas na presença de Oxigênio : Aeróbio; • Produção de energia na ausência de oxigênio: Anaeróbio; • Fonte de Energia: • Fototróficos Fonte de Carbono Orgânicos CO 2 • Heterotróficos Autotróficos (Produtores Primários) • Extremófilos, procariontes que necessitam de condições ambientais extremas para sobreviver.

11. DIVERSIDADE MICROBIANA ● BACTÉRIAS ● FUNGOS ● VÍRUS ● PROTOZOÁRIOS ● ALGAS

11. DIVERSIDADE MICROBIANA

11. DIVERSIDADE MICROBIANA • A vida microbiana é incrivelmente diversificada, microrganismos cobrem literalmente o planeta; • Estima-se que conheçamos menos de 1% das espécies microbianas da Terra; • Microrganismos podem sobreviver em alguns dos ambientes mais extremos do planeta (altas temperaturas acima de 100 ° C, como os encontrados em gêiseres, fundos de lagos e lagoas quentes e oceanos, poços de petróleo; • Alguns são encontrados em habitats extremamente frios, outros em águas salinas, ácidas ou alcalinas.

11. DIVERSIDADE MICROBIANA • Um grama de solo pode conter aproximadamente um bilhão (1. 000) de micróbios, que contém milhares de espécies; • Microrganismos impactam toda a biosfera e são fundamentais, especialmente em zonas de pouca luz (bactérias quimiossintéticas fornecem energia e carbono aos outros organismos); • Alguns micróbios são decompositores e têm capacidade de reciclar outros nutrientes, assumindo papel especial nos ciclos biogeoquímicos; • As bactérias são de grande importância no sentido da sua relação simbiótica (positiva ou negativa) e os efeitos sobre o ecossistema.

11. DIVERSIDADE MICROBIANA - Micro-organismos e o ambiente • Micro-organismos estão em todos os lugares • Dentro e sobre o corpo de animais • Nos objetos que tocamos, usamos, comemos e bebemos • Superfícies imersas – biofilmes • Plantas • No interior da terra (Extraterrestres? ) - Diversidade dos microrganismos • Estima-se 5 milhões de micro-organismos • 100. 000 identificados por marcadores (metagenômica) • Mais de 10. 000 espécies de bactérias • Estima-se 1, 5 milhões de espécies de fungos, porém são conhecidas cerca de 69. 000.

12. IMPACTO DOS MICRORGANIMOS NOS SERES VIVOS • Agentes causadores de doenças: Doenças microbianas são ainda a principal causa de morte em países em desenvolvimento; • Agricultura: Fixadores de N 2, digestão de ruminantes, ciclos biogeoquímicos e doenças em plantas; • Alimentos: Doenças transmitidas por alimentos, Leveduras, Laticínios; • Energia e Meio Ambiente: Produção de Metano, Biocombustíveis, degradação de poluentes persistentes. • Biotecnologia: Utilização de microrganismos em processos industriais, organismos geneticamente modificados; • Importância dos micro-organismos • Industrial: fermentação – etanol, acetona, ácidos orgânicos; • Alimentos: Vinho, queijo, iogurte, pão, conservas; • Biotecnologia: produtos recombinantes – insulina humana, vacinas.

13. TECNOLOGIAS DE IDENTIFICAÇÃO Métodos genotípicos 1. Tamanho do DNA 2. Índice Citosina-Guanina (C+G) 3. Hibridização de DNA 4. Sondas moleculares: 50 -100 pb 5. Sequenciamento de DNA 6. Ribotipagem: RNAr 16 S 7. Análise plasmidial

13. TECNOLOGIAS DE IDENTIFICAÇÃO Métodos fenotípicos Morfologia Coco : De forma esférica ou subesférica (do gênero Staphylococcus) Bacilo ou Bastonete : Em forma de bastonete (do gênero Bacillus) Vibrião : Em forma de vírgula (do gênero Vibrio) Espiroqueta : Em forma de espiral (do gênero Treponema e Leptospira) Espiroqueta Cocos Bacilos ou Bastonetes Vibrios

13. TECNOLOGIAS DE IDENTIFICAÇÃO Identificação molecular • Purificação do DNA • Sequenciamento

13. TECNOLOGIAS DE IDENTIFICAÇÃO Tipagem enzimática: enzimas do metabolismo Ø Enzimas respiratórias • Pesquisa da Catalase Ø Metabolismo glicídico A maioria das bactérias utiliza os hidratos de carbono hidrolizando-os até à formação de ácidos com consequente alteração do p. H do meio. Em alguns casos essa hidrólise conduz à formação de gases.

13. TECNOLOGIAS DE IDENTIFICAÇÃO - GENÔMICA • Corresponde à aquisição dos dados referentes ao genoma, à sequência completa do material genético, do DNA de um organismo; • Possui desafios computacionais ligados à qualidade dos dados gerados pelos sequenciadores da nova geração (NGS), onde cada plataforma tem seus próprios desvios sistemáticos que precisam ser considerados no projeto e análise de dados.

13. TECNOLOGIAS DE IDENTIFICAÇÃO - TRASCRIPTÔMICA • É o conhecimento do transcriptoma (RNAs) determinando quais os genes estão sendo expressos e como o nível de expressão pode mudar durante a vida do organismo; • Possui desafios computacionais, já que um maior conjunto de dados permite uma determinação mais precisa dos níveis de transcrição e estatísticas associadas, com aumento do risco de dados, além de visualização, análise e interpretação exigirão níveis significativos de perícia, e também exige habilidades de programação.

13. TECNOLOGIAS DE IDENTIFICAÇÃO - PROTEÔMICA • Refere-se a análise sistemática de proteínas, complementa outras tecnologias “Ômicas”, na elucidação/identificação de proteínas de um organismo; • Possui desafios computacionais, já que usa de ferramentas de software no processamento de dados, cujo desenvolvimento está atrasado em relação aos avanços na instrumentação e metodologias.

13. TECNOLOGIAS DE IDENTIFICAÇÃO - METABOLÔMICA • Envolve análise quantitativa e qualitativa do conjunto completo de metabólitos presentes nas células, fluidos e tecidos corporais (o metaboloma); • Possui muitos desafios computacionais, já que lida com grandes conjuntos de dados; • Ferramentas computacionais sofisticadas são vitais para a análise eficiente e de alto rendimento, para eliminar a distorção sistemática e explorar resultados biologicamente significativos.

Referências - M. C. MORAIS FILHO e A. C. F. CORIOLANO. BIORREMEDIAÇÃO, UMA ALTERNATIVA NA UTILIZAÇÃO EM ÁREAS DEGRADADAS PELA INDÚSTRIA PETROLÍFERA. HOLOS, Ano 32, Vol. 7. - Pereira & Freitas, v(6), nº 6, p. 975 – 1006, 2012. Rev. Elet. em Gestão, Educação e Tecnologia Ambiental. (e-ISSN: 2236 -1170). - Viviane Mallmann; Lucas Wagner Ribeiro Aragãoa, et al. The Advantages of Bioremediation in Environmental Quality. DOI: http: //dx. doi. org/10. 17921/14156938. 2019 v 23 n 1 p 12 -15. • Vídeos: Biorremediação em industrias petrolíferas • Métodos de identificação microbiológica • Duvidas: elidamarnunes@usp. br