Microbiologia ambiental: objeto de estudo e aplicações - Ciência - 2023

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o microbiologia ambiental é a ciência que estuda a diversidade e função dos microrganismos em seus ambientes naturais e as aplicações de suas capacidades metabólicas em processos de biorremediação de solos e águas contaminados. Geralmente é dividido nas disciplinas de: ecologia microbiana, geomicrobiologia e biorremediação.

Microbiologia (Mikros: pequeno, BIOS: tempo de vida, logotipos: estudo), estuda de forma interdisciplinar um amplo e diverso grupo de organismos unicelulares microscópicos (de 1 a 30 µm), visíveis apenas através do microscópio óptico (invisível ao olho humano).

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:

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

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

Características microbianas relevantes

Interação com o ambiente externo

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

Por isso, tanto a sobrevivência quanto a distribuição ecológica microbiana dependem de sua capacidade de adaptação fisiológica às frequentes 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 dentro e fora. Isso se deve à sua atividade enzimática, que acelera as taxas de reações químicas específicas.

Adaptação a ambientes muito diversos

Em geral, o microhabitat microbiano é dinâmico e heterogêneo quanto ao tipo e quantidade de nutrientes presentes, bem como 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 às formas de vida superiores.

Ambientes com condições extremas de temperatura, salinidade, pH e disponibilidade de água (entre outros recursos), apresentam microorganismos "Extremofílicos". Estes tendem a ser principalmente archaea (ou archaebacteria), que formam um domínio biológico primário diferenciado daquele de Bacteria e Eukarya, chamado Archaea.

Microrganismos extremofílicos

Entre a grande variedade de microrganismos Extremofílicos, estão:

Termófilos: que apresentam crescimento ótimo em temperaturas acima de 40 ° C (habitantes de fontes termais).
Psicrófilos: de crescimento ótimo em temperaturas abaixo de 20 ° C (habitantes de locais com gelo).
Acidofílico: de ótimo crescimento em condições de baixo pH, próximo a 2 (ácido). Presente em fontes termais ácidas e fendas vulcânicas subaquáticas.
Halófilos: requerem altas concentrações de sal (NaCl) para crescer (como nas salmouras).
Xerófilos: capazes de suportar a seca, ou seja, baixa atividade hídrica (habitantes de desertos como Atacama, no Chile).

Biologia molecular aplicada à microbiologia ambiental

Isolamento microbiano e cultura

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

Apenas 1% dos microrganismos existentes na natureza foi isolado e cultivado em laboratório. Isso se deve 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 tem permitido explorar a biodiversidade microbiana existente, sem a necessidade do seu isolamento e cultivo em laboratório. Até possibilitou a identificação de microrganismos em seus microhabitats naturais, ou seja, no local.

Isso é particularmente importante no estudo de microrganismos Extremofílicos, cujas condições ótimas de crescimento são complexas de simular em laboratório.

Por outro lado, a tecnologia do DNA recombinante com a utilização de microrganismos geneticamente modificados tem permitido a eliminação de substâncias poluentes do meio ambiente nos processos de biorremediação.

Áreas de estudo da 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 com a teoria ecológica, por meio do estudo da diversidade de funções funcionais microbianas em seu ambiente natural.

Os microorganismos representam a maior biomassa do planeta Terra, então não é surpreendente 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 (O₂) na atmosfera primitiva, gerada pela atividade fotossintética de cianobactérias.

Campos de pesquisa da ecologia microbiana

A ecologia microbiana é transversal a todas as outras disciplinas da microbiologia, e estudos:

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

-Geomicrobiologia

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

Estes ocorrem na atmosfera, hidrosfera e geosfera, especificamente em ambientes como sedimentos recentes, corpos d'água subterrâneos em contato com rochas sedimentares e ígneas, e na crosta terrestre intemperizada.

É especializada em microrganismos que interagem com os minerais de seu ambiente, dissolvendo, transformando, precipitando-os, entre outros.

Campos de pesquisa em geomicrobiologia

Estudos de geomicrobiologia:

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

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

-Biorremediação

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

Muitos dos problemas ambientais que existem atualmente 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 em processos de saneamento ambiental.
Interações microbianas com poluentes inorgânicos e xenobióticos (produtos sintéticos tóxicos, não gerados por processos biossintéticos naturais). Entre os compostos xenobióticos mais estudados estão halocarbonos, nitroaromáticos, bifenilos policlorados, dioxinas, alquilbenzilsulfonatos, hidrocarbonetos de petróleo e pesticidas. Entre os elementos inorgânicos mais estudados estão os metais pesados.
A biodegradabilidade de poluentes ambientais no local e no laboratório.

Aplicações da microbiologia ambiental

Entre as muitas aplicações desta vasta ciência, podemos citar:

A descoberta de novas vias metabólicas microbianas com aplicações potenciais em processos de valor comercial.
Reconstrução das relações filogenéticas microbianas.
A análise de aquíferos e abastecimento público de água potável.
Dissolução ou lixiviação (biolixiviação) de metais no meio, para sua recuperação.
Biohidrometalurgia ou biominação de metais pesados, em processos de biorremediação de áreas contaminadas.
Biocontrole de microrganismos envolvidos na biocorrosão de contêineres de resíduos radioativos dissolvidos em aquíferos subterrâneos.
Reconstrução da história terrestre primitiva, do paleoambiente e das formas de vida primitivas.
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

Ehrlich, H. L. e Newman, D. K. (2009). Geomicrobiologia. Quinta edição, CRC Press. pp 630.
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.
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Van den Burg, B. (2003). Extremófilos como fonte de novas enzimas. Current Opinion in Microbiology, 6 (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
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