Microbiologia Ambiental
Prezado(a) aluno(a), seja bem-vindo(a) à Unidade II. Depois de conhecer os micro-organismos, iremos examinar o metabolismo desses seres microscópicos. Nesta unidade você aprenderá como ocorre a produção de energia e a síntese dos componentes necessários à manutenção da vida na célula.
Ao estudar a fisiologia e o crescimento microbiano, você conhecerá quais são as condições ideais requeridas por esses organismos e quais são as suas fases de crescimento. Estas informações nos permitem compreender como o crescimento bacteriano pode ser controlado, uma vez que, apesar de haver situações em que o crescimento microbiano é desejável, como na indústria de bebidas e laticínios, há situações em que não desejamos que eles cresçam, como no caso dos organismos patogênicos e deteriorantes de alimentos.
Além disso, é importante conhecer as interações que os micro-organismos desenvolvem com o meio ambiente, pois, apesar de passarem despercebidos em um olhar superficial, eles estão por toda parte e são responsáveis por processos importantíssimos que ocorrem na natureza.
Finalizaremos a unidade com uma abordagem sobre a utilização de parâmetros microbiológicos para avaliação da qualidade do ambiente.
Prezado(a) aluno(a), no início desta unidade falaremos sobre o metabolismo dos micro-organismos. O metabolismo consiste na acumulação e a degradação de nutrientes dentro de uma célula, ou seja, representa a soma de todas as reações químicas que ocorrem no interior de um organismo vivo. Estas reações químicas fornecem energia e geram substâncias que sustentam a vida, e as enzimas e a molécula de ATP (trifosfato de adenosina) são componentes essenciais do metabolismo.
Você se lembra das enzimas? Elas são uma classe importante de proteínas, cuja função é catalisar reações para moléculas específicas, que são chamadas de substratos. Com essas reações enzimáticas, os substratos são transformados em produtos. Já a molécula de ATP fornece energia para a célula realizar as suas funções, incluindo as reações enzimáticas.
Apesar de parecer muito complicada, por possuir inúmeras vias e reações coordenadas, a química envolvida no metabolismo possui regras básicas simples, conforme veremos a seguir. A primeira delas se refere à classificação: as vias metabólicas podem ser classificadas em dois tipos: catabólicas e anabólicas.
Perceba que essas duas vias estão associadas pela energia: as reações catabólicas fornecem a energia para que ocorram as reações anabólicas (Figura 2.1C).
Para síntese, podemos dizer que as reações catabólicas fornecem os blocos construtivos e energia para que ocorram as reações anabólicas. Esta associação de reações que requerem e liberam energia é possível por meio da molécula de ATP. Para entender como ocorre esse processo, vamos aprender mais sobre o ATP.
O ATP é a principal molécula transportadora de energia, e, portanto, é essencial para a vida celular. Esta molécula armazena a energia química liberada por algumas reações químicas (que você já descobriu que são as chamadas reações catabólicas) e fornece energia para as reações que requerem energia (reações anabólicas). Você também pode encontrar o termo reações exergônicas, ou seja, reações que geram ATP, para se referir às reações catabólicas; e o termo reações endergônicas, que são as reações que consomem ATP, referindo-se às reações anabólicas (MADIGAN et al., 2016).
O ATP corresponde a uma unidade de adenosina, composta por adenina e ribose (uma base nitrogenada e um açúcar), com três grupos fosfatos ligados (Figura 2.2). Simplificando, é um nucleotídeo adenina (como aqueles que compõem a molécula de DNA), porém com dois grupos fosfato extras, totalizando três grupos fosfato. O ATP libera uma grande quantidade de energia utilizável quando o terceiro grupo fosfato é hidrolisado, isto é, quebrado por ação da água, para se tornar difosfato de adenosina (ADP) (TORTORA et al., 2017).
Quando o grupo fosfato terminal é retirado do ATP, forma-se o ADP, e a reação catabólica é representada da seguinte forma:
\[ATP \to ADP + Pi + energia\]
Em que: P representa um grupo fosfato e Pi representa o fosfato inorgânico, que não está ligado a nenhuma outra molécula.
Em seguida, a energia proveniente das reações catabólicas é utilizada para combinar ADP e Pi, com o objetivo de produzir um ATP:
\[ADP + Pi + energia \to ATP\]
Este processo ilustra como a composição química das células vivas varia constantemente, pois algumas moléculas vão sendo quebradas enquanto outras são sintetizadas, em um fluxo equilibrado de compostos químicos e de energia que mantém a vida da célula.
Observe na Figura 2.3 a função do ATP na integração entre as reações anabólicas e catabólicas. Um detalhe importante: somente uma parte da energia liberada nas reações catabólicas está disponível para as funções celulares, já que uma parte da energia é perdida no ambiente na forma de calor. Assim, para se manter viva, a célula tem uma necessidade constante de novas fontes externas de energia (TORTORA et al., 2017).
Caro(a) aluno(a), a seguir, estudaremos um pouco mais sobre as principais propriedades das enzimas, que estão envolvidas em quase todas as reações biologicamente importantes. São as enzimas as moléculas que promovem as reações químicas que formam as vias metabólicas, e é a constituição genética da célula que determina quais enzimas serão ativas em cada célula. Em seguida, veremos quais são os processos envolvidos na produção de energia.
Enzimas e Reações Químicas - Catalisadores são substâncias com capacidade para acelerar uma reação química sem que ela seja permanentemente alterada (MADIGAN et al., 2016). As enzimas são os catalisadores biológicos nas células vivas, sendo que cada enzima possui um substrato específico (ou substratos), ou seja, cada uma atua em uma substância específica e catalisa apenas uma reação.
Exemplo: a sacarose (que é o açúcar comum, aquele que compramos no supermercado) é o substrato da enzima sacarase, que catalisa a hidrólise da sacarose em glicose e frutose, ou seja, ela quebra um açúcar em outros dois açúcares menores. Essa aceleração das reações químicas é possível porque as enzimas diminuem a energia de ativação (energia de ativação corresponde à quantidade de energia que é necessária para romper a configuração eletrônica estável de qualquer molécula específica, para que os elétrons possam ser rearranjados) (TORTORA et al., 2017).
A atividade enzimática, conforme apresentam Tortora et al. (2017), ocorre por meio de uma sequência de eventos (Figura 2.4), conforme descrito a seguir:
O fato de as enzimas conseguirem acelerar uma reação sem necessidade de aumentar a temperatura é fundamental pois, um aumento significativo de temperatura pode destruir as proteínas celulares. Pode-se dizer, portanto, que a função primordial das enzimas é acelerar as reações bioquímicas a uma temperatura que seja compatível e permita o funcionamento normal da célula.
Caro(a) aluno(a), como foi comentado anteriormente, cada enzima atua sobre um substrato específico. Ainda que esses substratos sejam bastante parecidos, como por exemplo o amido e a celulose (ambos são polissacarídeos compostos de subunidades de glicose), cada um deles será hidrolisado por diferentes enzimas – as orientações das subunidades nesses dois polissacarídeos são diferentes. São conhecidas milhares de enzimas, e cada uma possui o seu substrato específico (MADIGAN et al., 2016).
Lembre-se que as enzimas são proteínas, que por sua vez são formadas por diferentes aminoácidos: a forma tridimensional dos aminoácidos específicos do sítio ativo se encaixa no substrato de uma maneira semelhante com uma fechadura que se encaixa em uma chave. Assim, mesmo em meio à enorme diversidade de moléculas presentes dentro da célula, cada enzima “encontrará” o seu substrato correto.
É importante destacar aqui que um determinado composto pode ser o substrato de enzimas diferentes, que catalisam diferentes reações, de maneira que o destino de um composto depende da enzima que atuará sobre ele. Exemplo: na glicose-6-fosfato, uma importante molécula do metabolismo celular, atuam pelo menos quatro enzimas diferentes, onde cada reação gera um produto diferente. As enzimas são altamente eficientes, podendo catalisar reações em taxas de 108 a 1010 vezes (até 10 bilhões de vezes) maiores do que aquelas de reações semelhantes que ocorrem sem a participação de enzimas (TORTORA et al., 2017).
Cabe ressaltar ainda, a nomenclatura das enzimas. Normalmente, os nomes das enzimas terminam com o sufixo -ase. De acordo com o tipo de reação química que catalisam, as enzimas podem ser agrupadas em seis classes (Tabela 2.1). Dentro de cada classe, as enzimas são denominadas de acordo com os mais específicos tipos de reações que elas auxiliam, e/ou ainda de acordo com o substrato sobre o qual atuam (TORTORA et al., 2017).
Tabela 2.1 - Classificação das enzimas baseada no tipo de reação química catalisada
Fonte: Tortora et al. (2017, p. 113).
Caro(a) aluno(a), é importante também sabermos sobre a constituição das enzimas. Algumas consistem inteiramente em proteínas, no entanto, a maioria delas apresenta uma porção proteica, denominada de apoenzima, e um componente não protéico, o cofator. Como exemplos de cofatores podemos citar íons de ferro, zinco, magnésio ou cálcio. As apoenzimas são inativas sozinhas e necessitam ser ativadas pelos cofatores. Se o cofator é uma molécula orgânica, é chamado de coenzima. A união da apoenzima e o cofator formam a holoenzima, também chamada de enzima ativa completa (Figura 2.5). O papel dos cofatores consiste em auxiliar na catálise de uma reação formando uma ponte entre enzima e substrato.
Muitas das coenzimas são derivadas de vitaminas – tiamina (vitamina \(B_1\)), riboflavina (vitamina \(B_2\)), niacina (ácido nicotínico), piridoxina (vitamina \(B_6\)), cianocobalamina (vitamina \(B_{12}\)), ácido pantotênico, biotina, ácido fólico, vitamina E, vitamina K – e podem auxiliar a enzima aceitando átomos removidos do substrato ou doando átomos requeridos pelo substrato (MADIGAN et al., 2016). Outras ainda atuam como carreadores de elétrons, removendo-os do substrato para serem doados para outras moléculas em reações subsequentes.
Fatores que influenciam a atividade enzimática - A célula exerce diversos controles sobre as enzimas, sendo que os principais são o controle da síntese enzimática, ou seja, quanto da enzima será produzido a partir das informações constantes no DNA da célula, e o controle da atividade enzimática, o quanto de enzima existente versus quão ativa ela é. Dentre os fatores que mais influenciam a atividade enzimática, podemos considerar a temperatura, o pH, a concentração do substrato e os inibidores. Você verá a seguir como cada um desses fatores pode influenciar a atividade de uma enzima.
Temperatura - A elevação da temperatura da maioria das reações químicas promove o aumento da velocidade dessas reações, pois as moléculas se movem mais rapidamente em altas temperaturas, alcançando níveis de energia suficientes para causar uma reação química. No entanto, nas reações enzimáticas, a elevação acima de certa temperatura (que é chamada de temperatura ótima) reduz consideravelmente a velocidade da reação. Isso acontece porque a alta temperatura provoca a desnaturação enzimática, ou seja, a enzima perde a sua estrutura tridimensional característica (configuração terciária). Lembre-se de que as proteínas são formadas inicialmente por ligações entre aminoácidos, e posteriormente elas são processadas e modificadas para desempenhar plenamente as suas funções. A desnaturação de uma proteína ocorre pela quebra das ligações de hidrogênio ou outras ligações não covalentes, e pode ser parcial, totalmente reversível ou irreversível, com a perda completa das suas funções (TORTORA et al., 2017).
pH - Assim como as enzimas possuem a temperatura ótima, também possuem um pH ótimo, no qual elas são mais ativas. Acima ou abaixo desse determinado valor de pH, a atividade enzimática diminui (diminuindo, portanto, a velocidade da reação). Alterações menores do pH podem alterar a estrutura tridimensional da enzima, enquanto mudanças extremas causam sua desnaturação (TORTORA et al., 2017).
Concentração do substrato - Quando a concentração de substratos é elevada, dizemos que uma enzima está saturada – o seu sítio ativo está sempre ocupado, seja pelo substrato ou por moléculas de produto – e a enzima está funcionando em sua velocidade máxima. Essa velocidade só é alcançada quando a concentração do substrato for extremamente alta. Tão alta que aumentar ainda mais a concentração do substrato não influenciará a velocidade da reação, já que todos os sítios ativos estarão ocupados. Em uma célula em condições normais, as enzimas não estão saturadas com substrato, pelo contrário, em determinado momento, muitas das moléculas de enzimas poderão estar inativas pela falta de substrato (TORTORA et al., 2017).
Inibidores - A presença ou ausência dos inibidores enzimáticos pode alterar a atividade enzimática. Esses inibidores são classificados como competitivos ou não competitivos. Os inibidores competitivos possuem forma e estrutura química similares àquelas do substrato normal, e, portanto, acabam competindo pelo sítio ativo da enzima. Diferente do substrato, os inibidores não sofrem reação para formar produtos.
Alguns inibidores se ligam de maneira irreversível ao sítio ativo, impedindo que ocorram interações adicionais com o substrato, eliminando completamente a atividade daquela enzima. Outros se ligam de forma reversível, de maneira que apenas reduzem a interação da enzima com o substrato. Por sua vez, os inibidores não competitivos interagem com outra porção da enzima, causando uma modificação da conformação do sítio ativo, tornando-o não funcional.
Assim, a atividade enzimática é reduzida, e o efeito pode ser reversível ou irreversível, dependendo se o sítio ativo pode ou não retornar a sua forma original. O controle por inibidores é uma maneira efetiva de controlar o crescimento bacteriano. Venenos como o cianeto, o arsênico e o mercúrio possuem a capacidade de associar-se com as enzimas, impedindo o funcionamento e causando a morte da bactéria (TORTORA et al., 2017).
Ainda é importante mencionar as ribozimas. A ribozima é um tipo específico de RNA (ácido ribonucleico) que funciona como catalisador. Assim como as enzimas proteicas, possuem sítios ativos que se ligam ao substrato e não são consumidas na reação química. Elas foram descobertas em 1982 em micro-organismos, e até então acreditava-se que somente um grupo de proteínas possuía atividade enzimática. As ribozimas agem cortando e unindo as peças remanescentes do RNA e estão envolvidas na síntese de proteínas nos ribossomos (TORTORA et al., 2017).
Prezado(a) aluno(a), passaremos a partir de agora a estudar os mecanismos de produção de energia nos micro-organismos. A energia pode ser definida como a capacidade de realizar trabalho. Na microbiologia discutimos a energia em unidades de quilojoules (kJ), que representa uma medida de energia térmica. As reações químicas estão ligadas a alterações de energia, que pode ser requerida ou liberada durante a reação (MADIGAN et al., 2016).
A maior parte dos micro-organismos utiliza carboidratos (também chamados de açúcares ou glicídios) como fonte primária de energia. A quebra desses carboidratos para a produção de energia é denominada catabolismo de carboidratos. A glicose é o carboidrato mais comum utilizado pelas células para essa finalidade, no entanto, nos micro-organismos também pode ocorrer o catabolismo de outras moléculas, como lipídios e proteínas. A produção de energia nos micro-organismos a partir da glicose pode ocorrer por meio de dois processos distintos: respiração celular ou fermentação (Figura 2.6).
Independentemente de qualquer um deles, a produção de energia se inicia sempre com a glicólise, que consiste na oxidação da glicose em ácido pirúvico, e depois segue diferentes caminhos (respiração celular ou fermentação), conforme o organismo e o ambiente no qual ele se encontra – se há disponibilidade de oxigênio ou não.
Prezado(a) aluno(a), para que você compreenda os processos envolvidos na produção de energia pelas células, vamos estudar primeiro o conceito de Reações de Oxidação – Redução (ou Reações Redox). A oxidação consiste na remoção de elétrons de um átomo ou de uma molécula produzindo energia. Usamos o termo oxidada para nos referirmos à molécula que perdeu elétrons (ou molécula doadora de elétrons). Por sua vez, quando uma molécula sofre redução, significa que ela ganhou um ou mais elétrons (molécula aceptora de elétrons), provenientes de uma molécula que foi oxidada. Essas reações de oxidação e redução estão sempre associadas: cada vez que uma molécula é oxidada, outra é reduzida. Como a maioria das oxidações biológicas envolve a perda de átomos de hidrogênio, elas também são denominadas de reações de desidrogenação (MADIGAN et al., 2016; TORTORA et al., 2017).
Produção de ATP - A maior parte da energia liberada durante as reações de oxidação-redução é armazenada dentro da célula por meio da formação de ATP. Um grupo fosfato inorgânico (Pi) é adicionado ao ADP com uma entrada de energia para formar ATP:
Observe na Figura 2.7, o símbolo ~ representa uma ligação de “alta energia” que, ao ser quebrada, irá liberar uma energia utilizável. Podemos dizer que a ligação de alta energia que agrega o terceiro P (grupo fosfato) contém a energia armazenada nesta reação, e, quando esse mesmo P é removido, a energia é liberada. O processo de adição de um grupo fosfato a um composto químico é chamado de fosforilação. Existem três diferentes mecanismos de fosforilação para gerar ATP a partir de ADP: (1) fosforilação em nível de substrato (quando um P de alta energia é diretamente transferido de um substrato ao ADP); (2) fosforilação oxidativa (quando os elétrons são transferidos de compostos orgânicos para um grupo de carreadores de elétrons); (3) fotofosforilação (ocorre apenas em células fotossintéticas e envolve a conversão de energia luminosa em energia química) (TORTORA et al., 2017).
Glicólise - O termo glicólise significa “quebra do açúcar”, e é isso o que acontece. As enzimas da glicólise (que correspondem a dez enzimas, cada uma catalisando uma das dez reações envolvidas no processo) catalisam a quebra da glicose (açúcar de seis carbonos) em dois açúcares de três carbonos cada um. Em seguida, ocorre a oxidação desses açúcares (elétrons são removidos) e a liberação de energia, e os seus átomos são rearranjados para formar duas moléculas de ácido pirúvico (Figura 2.8). Durante a glicólise, a coenzima NAD+ é reduzida a NADH (que é uma molécula mais rica em energia).
Duas moléculas de ATP são necessárias para iniciar a glicólise, e quatro moléculas de ATP são geradas por esse processo. Assim, dizemos que há um ganho líquido de duas moléculas de ATP para cada molécula de glicose que é oxidada. A glicólise não requer oxigênio, portanto, a ausência ou presença de oxigênio não interfere nesse processo (TORTORA et al., 2017).
Embora a glicólise seja o processo mais comum, existem vias alternativas para a oxidação da glicose: a via das pentoses-fosfato e a via de Entner-Doudoroff. A via das pentoses-fosfato funciona simultaneamente com a glicólise e permite a quebra de pentoses (açúcares de cinco carbonos). Como exemplos de bactérias que utilizam essa via, podemos relacionar: Bacillus subtilis, E. coli, Leuconostoc mesenteroides e Enterococcus faecalis. Já a via de Entner- Doudoroff metaboliza a glicose mesmo, porém produzindo duas moléculas de NADPH e um ATP, e é realizada normalmente por algumas bactérias gram-negativas dos gêneros Rhizobium, Pseudomonas e Agrobacterium (TORTORA et al., 2017).
Respiração Celular - A respiração celular é um processo cujo objetivo é a geração de energia (ATP), em que as moléculas são oxidadas e o aceptor final de elétrons é o oxigênio ou outra molécula inorgânica. Esse processo de respiração costuma ocorrer em três passos: a glicólise, o ciclo de Krebs e a cadeia de transporte de elétrons. Além disso, existem dois tipos de respiração celular: aeróbia ou anaeróbia, dependendo se organismo utiliza ou não o oxigênio (MADIGAN et al., 2016). A seguir, vamos conhecer o processo de respiração aeróbia, pois os processos são semelhantes, e ao final destacaremos apenas as diferenças entre os dois tipos de respiração celular.
Ao final da glicólise, considerando a quebra de uma molécula de glicose (seis carbonos), formam-se duas moléculas de ácido pirúvico (cada uma contendo três carbonos). A próxima etapa é chamada de ciclo de Krebs, porém, como o ácido pirúvico não pode entrar diretamente neste ciclo, ele passa por um processo chamado de descarboxilação, no qual perde um carbono e forma um composto de dois carbonos chamado de grupo acetil. O grupo acetil liga-se a uma coenzima, chamada de coenzima A, formando um complexo que chamamos de Acetil-CoA. É esse complexo que entra no ciclo de Krebs (TORTORA et al., 2017).
O ciclo de Krebs consiste em uma série de reações bioquímicas (oxidações e reduções) que libera gradativamente a energia armazenada no Acetil-CoA na forma de elétrons, para coenzimas carreadoras de elétrons (como NAD+ e FADH\(_2\)). Em outras palavras, podemos dizer que os derivados do ácido pirúvico são oxidados enquanto as coenzimas são reduzidas (lembre-se que uma molécula oxidada perdeu elétrons, e a molécula reduzida recebeu elétrons).
Ao entrar no ciclo de Krebs, ocorre a separação entre grupo acetil e coenzima A, de maneira que o grupo acetil se associa a um ácido, chamado de ácido oxalacético, formando o ácido cítrico nessa primeira etapa do ciclo (é por essa razão que o ciclo de Krebs também é chamado de ciclo do ácido cítrico).
Diversas outras reações químicas, como descarboxilação e oxidação-redução, seguem ocorrendo sequencialmente, de maneira que, para cada duas moléculas de acetil-CoA que entram no ciclo, são geradas duas moléculas de ATP. Também é gerado o CO2 (que posteriormente é liberado para a atmosfera) e as coenzimas reduzidas NADH e FADH2, que são os produtos mais importantes do ciclo de Krebs, por conter a maior parte da energia que estava armazenada na glicose, quando todo esse processo iniciou (TORTORA et al., 2017).
A fase seguinte no processo de respiração celular consiste em uma série de reduções que transfere indiretamente a energia armazenada nas coenzimas NADH e FADH2 para a molécula de ATP. Juntas, essas reações constituem a cadeia de transporte de elétrons. Essa cadeia é formada por uma sequência de moléculas carreadoras que são capazes de oxidar e reduzir e sua função é liberar energia enquanto os elétrons são transferidos de um composto de alta energia para um composto de baixa energia, em um processo que leva a formação de ATP. Em células procarióticas, a cadeia de transporte de elétrons localiza-se na membrana celular, e nas células eucarióticas o processo ocorre na membrana interna das mitocôndrias (TORTORA et al., 2017).
As várias transferências de elétrons que ocorrem na cadeia de transporte geram cerca de 34 moléculas de ATP a partir de cada molécula de glicose que foi oxidada. Assim, somando a produção de ATP em todas as etapas da respiração aeróbica em procariotos, cada molécula de glicose gera 38 moléculas de ATP: duas na glicólise, duas no ciclo de Krebs e 34 na cadeia de transporte de elétrons. Em eucariotos, o saldo é um pouco menor (36 moléculas de ATP) porque parte da energia acaba se perdendo quando os elétrons são expelidos pelas membranas mitocondriais que separam o processo de glicólise (que ocorre no citoplasma) da cadeia transportadora de elétrons.
Caro(a) aluno(a), para finalizar nosso tópico sobre a respiração, vamos falar sobre a respiração anaeróbia. Ao contrário da respiração aeróbia, em que a molécula aceptora de elétrons é o oxigênio, na respiração anaeróbia, outras moléculas inorgânicas funcionam como aceptoras de elétrons, dependendo do tipo de bactéria. Por exemplo, algumas bactérias utilizam o íon nitrato (NO3-), que é reduzido a íon nitrito (NO2-), óxido nitroso (N2O) ou gás nitrogênio (N2) (MADIGAN et al., 2016). Outras bactérias utilizam sulfato (SO42-) como o aceptor final de elétrons para formar sulfeto de hidrogênio (H2S) (TORTORA et al., 2017).
Esse tipo de respiração, que utiliza o nitrato e o sulfato como aceptores de elétrons, é de grande importância para os ciclos naturais do nitrogênio e do enxofre, e, ao longo desta unidade, você aprenderá mais sobre a importância dos micro-organismos nestes ciclos de nutrientes.
A quantidade de ATP gerada pela respiração anaeróbica varia conforme o tipo de bactéria, porém, nunca é tão alto quanto na respiração aeróbia, o que faz com que o crescimento dos micro-organismos anaeróbicos seja mais lento que o dos aeróbios.
Fermentação - Na fermentação, o ácido pirúvico originado na glicólise é convertido em um produto orgânico, no qual NAD+ e NADP são regenerados e podem participar de uma nova rodada da glicólise (Figura 2.8A) (TORTORA et al., 2017). A seguir, estão relacionados alguns pontos que definem o processo de fermentação:
Durante a fermentação, há uma transferência de elétrons (assim como de prótons) das coenzimas reduzidas (NADH e NADPH) para o ácido pirúvico ou seus derivados. Estes aceptores finais de elétrons são reduzidos aos produtos finais apresentados na Figura 2.8B.
Uma função essencial do segundo estágio da fermentação é assegurar um suprimento estável de NAD+ e NADP+ para que a glicólise possa continuar. Na fermentação, o ATP só é gerado durante a glicólise (Figura 2.8A). Portanto, a produção é de apenas duas moléculas de ATP, um rendimento bem menor quando comparado à respiração (TORTORA et al., 2017).
Os micro-organismos podem fermentar vários substratos, e os produtos finais dependerão do micro-organismo específico, do substrato e das enzimas que estão presentes e ativas. Dois dos processos mais importantes são a fermentação do ácido láctico, que apesar de causar a deterioração de alimentos, também é usada pela indústria alimentícia: produção de iogurte, a partir de leite; chucrute, a partir de repolho; picles, a partir de pepino. Vale ainda ressaltar a fermentação alcoólica, que é realizada por diversas bactérias e leveduras, produzindo etanol e dióxido de carbono, muito úteis para os seres humanos: o etanol produzido pelas leveduras é o álcool das bebidas alcoólicas e o dióxido de carbono produzido pelas leveduras causa o crescimento da massa do pão (TORTORA et al., 2017).
Caro(a) aluno(a), passaremos nesta seção a examinar as diferentes necessidades metabólicas que os micro-organismos possuem. Incluindo os micro-organismos, todos os organismos podem ser classificados de acordo com os seus padrões nutricionais, ou seja, de acordo com a fonte de energia e a fonte de carbono que este organismo utiliza.
Com relação à fonte de energia, podemos classificá-los como organismos fototróficos ou quimiotróficos, que possuem diferenças no seguinte aspecto: os organismos fototróficos têm a luz como a principal fonte de energia, enquanto os organismos quimiotróficos obtêm energia por meio de reações de oxidação-redução de compostos orgânicos ou inorgânicos (TORTORA et al., 2017).
Considerando a fonte de carbono dos organismos, também podemos dividi-los em dois grupos: autotróficos (alimentação própria) e heterotróficos (alimentação dependente de outros). Os organismos autotróficos utilizam dióxido de carbono, e os heterotróficos necessitam de uma fonte de carbono orgânica (TORTORA et al., 2017). Essa classificação nutricional pode ser ainda mais específica, pois um organismo pode ser classificado considerando os dois fatores – fonte de energia e fonte de carbono. Dessa forma, existem organismos:
a) Fotoautotróficos: correspondem aos organismos fotossintetizantes, que utilizam a luz como fonte de energia, e a fonte de carbono consiste no dióxido de carbono. Nesse grupo estão as bactérias fotossintéticas, que são as bactérias verdes e púrpuras, as cianobactérias, as algas e as plantas verdes (TORTORA et al., 2017).
b) Foto-heterotróficos: esses organismos também utilizam a luz como fonte de energia (o que é indicado pelo prefixo “foto”), no entanto, não apresentam a capacidade de utilizar o dióxido de carbono como fonte de energia, pois não conseguem convertê-lo em açúcar. Nesse caso, as fontes de carbono são compostos orgânicos como álcoois, ácidos graxos, outros ácidos orgânicos e carboidratos. Esse grupo é formado por bactérias verdes não sulfurosas, como Chloroflexus, e pelas bactérias púrpuras não sulfurosas, como Rhodopseudomonas (todas anoxigênicas) (TORTORA et al., 2017).
c) Quimioautotróficos: Esses organismos usam os elétrons provenientes de compostos inorgânicos reduzidos como fonte de energia, e a principal fonte de carbono é o dióxido de carbono. A fonte inorgânica de energia varia conforme o grupo de bactérias: sulfeto de hidrogênio (H\(_2\)S), para Beggiatoa; enxofre elementar (S), para Acidithiobacillus thiooxidans; amônia (NH\(_3\)), para Nitrosomonas; íons nitrito (NO\(_2\)-), para Nitrobacter; gás hidrogênio (H\(_2\)), para Cupriavidus; ferro ferroso (Fe²+), para Acidithiobacillus ferrooxidans e monóxido de carbono (CO), para Pseudomonas carboxydohydrogena (TORTORA et al., 2017).
d) Quimio-heterotróficos: nesses organismos, a distinção e classificação das fontes de energia e carbono não é tão clara como ocorre nos demais grupos abordados anteriormente. Nos quimio-heterotróficos, ao contrário dos demais, um mesmo composto orgânico, como a glicose, serve tanto como fonte de energia quanto fonte de carbono. A maioria das bactérias (incluindo as saprófitas e parasitas) e todos os fungos, protozoários e animais pertencem a esse grupo (TORTORA et al., 2017).
A maioria dos micro-organismos de importância médica são quimio-heterotróficos, pois os organismos infecciosos catabolizam moléculas obtidas do hospedeiro, ou seja, obtêm energia por reações de oxidação-redução de compostos orgânicos ou inorgânicos obtidos de outro organismo (TORTORA et al., 2017).
A capacidade de utilizar toda essa variedade de compostos como fonte de carbono e energia permite que os micro-organismos vivam nos mais diversos ambientes. Além disso, em termos científicos e econômicos, o conhecimento de toda essa diversidade microbiana é extremamente importante. Em determinadas situações, o crescimento microbiano é indesejável, como quando um grupo de bactérias que degradam borracha acabam agindo sobre uma junta de vedação ou uma sola de sapato, degradando esse material. No entanto, esse mesmo grupo de bactérias poderia ser altamente benéfico para decompor produtos de borracha descartados, como pneus usados, trazendo um grande benefício ao meio ambiente. Outro exemplo é a bactéria Rhodococcus erythropolis, que vive no solo e pode causar doença em seres humanos e outros animais. Essa bactéria apresenta a capacidade de substituir átomos de enxofre no petróleo por átomos de oxigênio, em um processo que constitui uma etapa importante no processo de refinamento do petróleo (TORTORA et al., 2017).
Biossíntese - Caro(a) aluno(a), como você pode perceber, até agora nós estudamos a produção da energia pelas células – que é armazenada nas moléculas de ATP –, e você aprendeu que essa energia pode ser produzida por respiração (aeróbia ou anaeróbia) ou por fermentação. Apesar de uma parte desta energia ser liberada na forma de calor, a outra parte é utilizada de diversas maneiras pelas células, por exemplo, no transporte de substâncias através da membrana plasmática e para movimentação do flagelo bacteriano.
Agora, você vai aprender que uma boa parte do ATP é utilizado para produzir novos componentes celulares, em um processo que é contínuo e que se denomina biossíntese (MADIGAN et al., 2016). Juntos, esses processos biossintéticos compõem o anabolismo, que nada mais é do que o conjunto das vias anabólicas, que você aprendeu no início desta unidade (A Figura 2.1B representa de maneira geral os processos que você vai aprender neste tópico).
Veja a seguir uma descrição da biossíntese de algumas moléculas biológicas: carboidratos (ou polissacarídeos), lipídios, aminoácidos, purinas e pirimidinas.
Biossíntese de polissacarídeos - Os micro-organismos podem sintetizar açúcares e polissacarídeos. Os átomos de carbono necessários para a produção de glicose são derivados de compostos intermediários produzidos durante a glicólise ou ciclo de Krebs e também provenientes de lipídeos e aminoácidos. Após a síntese da glicose ou de outro açúcar simples, as bactérias podem formar polissacarídeos mais complexos, como o glicogênio, por meio da fosforilação e ligação das unidades de açúcar (TORTORA et al., 2017).
Biossíntese de lipídeos - Os lipídeos possuem variações consideráveis em suas composições químicas, portanto, são produzidos por diversas rotas. A gordura é sintetizada pelas células por meio da ligação de glicerol (proveniente da di-hidroxiacetona-fosfato, uma substância intermediária formada durante a glicólise) e ácidos graxos (hidrocarbonetos de cadeia longa, formados quando dois fragmentos de carbono da acetil-CoA são sucessivamente adicionados um ao outro).
Assim como na produção de polissacarídeos, as unidades que formam a gordura e outros lipídeos são unidas por meio de reações que requerem energia. Os diversos lipídeos produzidos pela célula possuem diversas funções, cuja principal é compor a estrutura das membranas biológicas, como é o caso dos fosfolipídeos, que representam a maior parte dos lipídeos de membrana, e o colesterol, componente das membranas citoplasmáticas das células animais. Além disso, os carotenóides representam outra importante classe de lipídeos, que fornecem os pigmentos vermelhos, alaranjados e amarelos de alguns micro-organismos. E, por último, os lipídeos também funcionam como estoque (secundário) de energia (TORTORA et al., 2017).
Biossíntese de aminoácidos e proteínas - Os aminoácidos são necessários para que a célula possa sintetizar proteínas. Alguns micro-organismos, como a bactéria Escherichia coli, possuem todas as enzimas necessárias para a síntese de todos os aminoácidos que precisam, partindo de materiais iniciais como glicose e sais inorgânicos. Por outro lado, outros micro-organismos necessitam obter do ambiente alguns aminoácidos pré-formados (também chamados de precursores, ou seja, um composto que, ao passar por uma determinada reação química, produzirá um novo composto). O ciclo de Krebs, uma das etapas do processo de respiração celular (para a produção de energia), é uma importante fonte desses precursores, sendo que a adição de um grupo amina ao ácido pirúvico ou a um ácido orgânico transforma-os em aminoácidos. Estes aminoácidos serão geralmente utilizados para a síntese de proteínas, numa reação química que liga um aminoácido ao outro, utilizando ATP (TORTORA et al., 2017).
Biossíntese de purinas e pirimidinas - Caro(a) aluno(a), você provavelmente já conhece as moléculas chamadas de DNA (ácido desoxirribonucleico) e RNA (ácido ribonucleico), que são chamadas de moléculas informacionais, uma vez que elas contêm a informação genética responsável pela manutenção e funcionamento das células vivas. Essas duas moléculas são constituídas por várias unidades repetidas, as quais chamamos de nucleotídeos. Os nucleotídeos, por sua vez, são formados por três componentes: uma purina ou pirimidina (base nitrogenada), um açúcar de cinco carbonos (pentose) e um grupo fosfato. Essas pentoses são derivadas da via das pentoses-fosfato e a via de Entner-Doudoroff (nesta mesma unidade, nós lemos sobre essas duas vias alternativas para a oxidação da glicose no tópico “1.3.1 Glicólise”). Para a biossíntese de purinas e pirimidinas, ocorre a participação de alguns aminoácidos originados de intermediários produzidos na glicólise e ciclo de Krebs: os átomos de carbono e nitrogênio passam a formar os anéis de purina e pirimidina, cuja síntese é realizada com energia fornecida pelo ATP (TORTORA et al., 2017).
Apesar do metabolismo de vários micro-organismos ser responsável por causar doenças e deterioração de alimentos, muitos outros apresentam características que são benéficas para a nossa existência e qualidade de vida. Você sabia que os micro-organismos estão envolvidos na fabricação de bebidas, alimentos e fármacos? Várias bactérias e fungos que realizam o processo de fermentação estão envolvidas na fabricação de cerveja, vinho, iogurtes, queijo e outros alimentos, enquanto a indústria farmacêutica produz vários antibióticos produzidos por micro-organismos, como a penicilina (derivada do fungo Penicillium). Além disso, os fungos também podem ser utilizados no tratamento de efluentes. O link a seguir, traz um artigo em que os pesquisadores utilizaram fungos para tratamento de efluentes da indústria farmacêutica, com bons resultados. Assim, podemos notar como os fungos são versáteis, com aplicações em diversas áreas.
Para saber mais, acesse: revistas.ufg.br.
O metabolismo é o conjunto de todas as reações químicas que ocorrem em um organismo vivo, sendo que um conjunto de reações químicas corresponde a uma via metabólica. Existem inúmeras vias metabólicas, que são classificadas em dois tipos, de acordo com a liberação ou o requerimento de energia. Com base nisso, assinale a alternativa que apresenta a afirmação correta sobre essas vias:
As vias anabólicas são aquelas onde ocorre liberação de energia, pois ocorre a quebra de moléculas mais complexas formando moléculas mais simples.
Essa afirmação está incorreta, pois as vias anabólicas são aquelas que requerem energia, ou que utilizam a energia, para a construção de moléculas maiores a partir de moléculas mais simples.
As vias catabólicas são responsáveis por quebrar moléculas mais complexas, obtendo moléculas mais simples e liberando energia.
Essa alternativa está correta, pois, de acordo com o texto, as vias catabólicas são responsáveis pela quebra de macromoléculas em moléculas menores, liberando energia.
As vias metabólicas são divididas em anabólicas e catabólicas, sendo que a via anabólica fornece energia para a via catabólica.
Essa alternativa está incorreta, pois ocorre a situação inversa: são as vias catabólicas (a quebra de moléculas) que fornecem a energia para as vias anabólicas.
A montagem de proteínas pelas células é um exemplo de reação dentro das vias catabólicas, pois as proteínas são formadas pela união de aminoácidos.
Esta alternativa está incorreta, pois as reações que envolvem a construção de macromoléculas (proteína) com componentes mais simples (aminoácidos) são reações anabólicas.
As vias anabólicas são também chamadas de degradativas, elas utilizam energia proveniente das vias catabólicas para quebrar ou degradar moléculas.
Esta alternativa está incorreta, porque, na verdade, as reações anabólicas são chamadas de biossintéticas, elas utilizam sim a energia oriunda das vias catabólicas, mas o real motivo é a construção de moléculas, não a degradação.
Nós, como seres humanos, necessitamos realizar todos os dias as nossas refeições, que devem ser balanceadas e conter todos os nutrientes que necessitamos, para que o nosso organismo funcione da maneira adequada. Da mesma forma acontece com os micro-organismos, que necessitam desses nutrientes para que possam crescer.
Neste tópico, caro(a) aluno(a), abordaremos a nutrição e o crescimento microbiano, destacando quais são os fatores químicos (que correspondem aos nutrientes) e os fatores físicos para o crescimento dos micro-organismos. Você também vai aprender como a célula bacteriana se divide e quais são as fases do crescimento microbiano.
É importante lembrar que organismos diferentes requerem conjuntos diferentes de nutrientes, e alguns nutrientes são requeridos em maior quantidade que outros. Sendo assim, existem os macronutrientes (que são necessários em grandes quantidades) e os micronutrientes (que são requeridos em quantidades pequenas, ou quantidades traço).
As células são compostas, principalmente, por H (Hidrogênio), O (Oxigênio), C (Carbono), N (Nitrogênio), P (Fósforo) e S (Enxofre), no entanto, acredita-se que pelo menos 50 elementos químicos sejam metabolizados por micro-organismos (MADIGAN et al., 2016).
Atenção, aluno(a), para outro conceito importante: o termo “crescimento microbiano” refere-se ao número de células, e não ao tamanho delas (MADIGAN et al., 2016). Embora cada célula individualmente possa dobrar de tamanho enquanto se desenvolve, esse aumento não é muito significativo em comparação com o aumento de tamanho das células vegetais e animais.
O crescimento dos micro-organismos consiste no aumento do número de células, e essas células normalmente se acumulam formando as colônias que chegam a centenas ou milhares ou até populações de bilhões de células, de forma que essas colônias podem ser visualizadas sem que haja necessidade de um microscópio.
Os fatores necessários para o crescimento microbiano são divididos em físicos e químicos. Os fatores físicos envolvem a temperatura, o pH e a pressão osmótica, enquanto os fatores químicos compreendem as fontes de carbono, nitrogênio, enxofre, fósforo, oxigênio, entre outros (TORTORA et al., 2017). Além disso, existe um grupo chamado de fatores de crescimento orgânicos, que estará detalhado ao final deste tópico.
Temperatura – De maneira geral, as temperaturas ideais para o crescimento dos micro-organismos são as mesmas temperaturas requeridas pelos seres humanos. No entanto, existem espécies de bactérias com capacidade para crescer em ambientes com extremos de temperatura, onde dificilmente um organismo eucariótico poderia sobreviver.
Cada espécie de bactéria possui o que chamamos de temperatura mínima, temperatura ótima e temperatura máxima de crescimento. A temperatura mínima de crescimento corresponde à menor temperatura na qual a espécie pode crescer, ou seja, nessa temperatura o crescimento será o mais lento possível, mas ainda vai ocorrer. A temperatura ótima de crescimento é a temperatura na qual a espécie apresenta o melhor crescimento. E, por fim, a temperatura máxima de crescimento, que consiste na maior temperatura na qual o crescimento é possível, pois temperaturas muito elevadas inativam os sistemas enzimáticos necessários para as células funcionarem corretamente. A maior parte das bactérias cresce numa faixa limitada de temperatura, que apresenta apenas 30 °C de diferença entre as temperaturas máxima e mínima de crescimento.
De acordo com a faixa de temperatura preferencial para cada micro-organismo, eles são classificados psicrófilos, mesófilos, termófilos e hipertermófilos (MADIGAN et al., 2016) (Figura 2.9). O grupo dos psicrófilos se subdivide da seguinte maneira: todos os psicrófilos toleram uma temperatura de 0 °C, porém, um grupo tem a temperatura ótima de 15 °C e outro de 20 °C, esses micro-organismos são encontrados nas profundezas do oceano e em regiões polares. Os micro-organismos mesófilos possuem temperatura ótima na faixa de 25 °C a 40 °C; esse grupo inclui a maioria dos micro-organismos, incluindo os deteriorantes e os patogênicos (a temperatura ótima dos micro-organismos patogênicos é de 37 °C, que corresponde à temperatura corporal do hospedeiro). Os termófilos são encontrados em ambientes mais quentes, sendo que a sua presença em pilhas de compostagem orgânica é bastante importante; a temperatura de crescimento ótima desses micro-organismos é de 50 °C a 60 °C. Os hipertermófilos ou termófilos extremos vivem em ambientes com temperatura igual ou superior a 80°C, são principalmente membros do grupo das arqueias que vivem em fontes termais associadas à atividade vulcânica (TORTORA et al., 2017).
pH - O pH (potencial hidrogênico) refere-se à acidez ou alcalinidade de uma determinada solução. O pH ideal requerido pela maioria das bactérias está na faixa entre 6,5 e 7,5. Como a escala de pH varia de 0 a 14, em que 0 representa a acidez máxima, 7 representa neutralidade e 14 representa ou basicidade ou alcalinidade máxima, dizemos que as bactérias preferem um pH neutro ou próximo disso. Poucas bactérias conseguem crescer em pH ácido abaixo de 4, enquanto outro grupo é extremamente tolerante a acidez: as chamadas bactérias acidófilas. Já os fungos e leveduras normalmente podem crescer em uma faixa de pH entre 5 e 6, ou seja, em um ambiente um pouco mais ácido que as bactérias. Assim como a acidez, a alcalinidade extrema também inibe o crescimento bacteriano (TORTORA et al., 2017). Para relembrar a tabela do pH, você pode consultar a figura 2.10.
Pressão osmótica - A água presente nos micro-organismos pode corresponder de 80 a 90% da sua composição, e a obtenção dos nutrientes pelos micro-organismos é realizada principalmente por meio da água presente no ambiente onde vivem. Portanto, a água é fundamental para o seu crescimento. A elevação da pressão osmótica causa a remoção da água necessária para a célula. Para entender o que é a pressão osmótica, vamos relembrar alguns conceitos.
A pressão osmótica corresponde à pressão que deve ser exercida sobre uma membrana semipermeável para evitar que o solvente a atravesse; em outras palavras, é a força contrária à osmose. A osmose, por sua vez, é a passagem espontânea de um solvente por uma membrana semipermeável, passando de uma solução menos concentrada para uma solução mais concentrada. Trazendo esses conceitos para a prática, a membrana semipermeável neste caso corresponde à membrana plasmática dos micro-organismos, e o solvente é a água.
Assim, sabemos que a água pode entrar ou sair da célula (que é o “corpo” do micro-organismos), dependendo da concentração do meio no qual esse micro-organismo se encontra. Quanto maior for a concentração da solução (meio ambiente do organismo), maior será a sua pressão osmótica, e água passará do meio hipotônico (menor concentração de solutos) para o meio hipertônico (maior concentração de solutos).
A perda osmótica de água pela célula causa o encolhimento do citoplasma da célula (plasmólise) e inibe o crescimento da célula à medida que a membrana plasmática se afasta da parede celular (Figura 2.11). Graças a esse fenômeno é possível preservar alimentos como peixe ou carne salgada, mel e doces de frutas, adição de sais e outros solutos remove a água das células microbianas que possam vir a crescer e deteriorar esses alimentos.
Com base na pressão osmótica, alguns micro-organismos podem ser classificados em halófilos extremos (bem adaptados às altas concentrações de sais, podendo chegar a ser halófilos obrigatórios, como os encontrados no Mar Morto) e halófilos facultativos (são os mais comuns, não requerem altas concentrações de sais, porém, podem crescer em concentrações salinas de até 2%). A maioria dos micro-organismos vive em ambientes com salinidade até 1,5%, ou seja, praticamente constituídos apenas por água (TORTORA et al., 2017).
A seguir veremos os fatores químicos.
Carbono - Juntamente com a água, o carbono é um dos macronutrientes mais importantes para o crescimento microbiano. Para termos uma ideia, cerca de metade do peso seco de uma célula bacteriana é composto de carbono. Esse elemento compõe a estrutura da célula viva e está presente em todos os compostos orgânicos que a formam. Os micro-organismos quimio-heterotróficos utilizam materiais orgânicos (proteínas, carboidratos e lipídeos) para obtenção do carbono, enquanto os organismos autotróficos obtêm-no por meio do dióxido de carbono (TORTORA et al., 2017).
Nitrogênio - O nitrogênio é responsável por aproximadamente 14% do peso seco de uma bactéria. Esse macronutriente é essencialmente utilizado para formar o grupo amino, que compõe os aminoácidos que formam as proteínas, e ele é obtido de diferentes formas pelos micro-organismos. Muitas bactérias, ao decompor material que contém proteína, podem reincorporar os aminoácidos na produção de novas proteínas e outros compostos nitrogenados.
Algumas bactérias utilizam o nitrogênio dos íons amônio (NH4+), encontrados geralmente no material celular orgânico. Além disso, outras bactérias derivam o nitrogênio dos nitratos, e outras ainda conseguem utilizar o nitrogênio gasoso (N2) diretamente da atmosfera, em um processo chamado de fixação de nitrogênio. Mais adiante, nesta mesma unidade, você aprenderá mais sobre esse processo, que representa uma interação importantíssima e essencial entre micro-organismos e plantas (TORTORA et al., 2017).
Enxofre - O enxofre, juntamente com o fósforo, representa 4% do peso seco de uma célula bacteriana. Ele é um macronutriente empregado na síntese dos aminoácidos como a metionina, cisteína, cistina e taurina, e em vitaminas como a tiamina e a biotina. O íon sulfato (SO42-), o sulfeto de hidrogênio, e os aminoácidos que contêm enxofre representam as principais fontes naturais de enxofre (TORTORA et al., 2017).
Fósforo - O fósforo é um macronutriente essencial envolvido na síntese de ácidos nucleicos e fosfolipídeos das membranas celulares. Além disso, ele está presente nas ligações de energia da molécula de ATP (uma molécula de ATP contém três grupos fosfato). O íon fosfato (PO43-) é uma importante fonte de fósforo (TORTORA et al., 2017).
Oxigênio - O oxigênio afeta os micro-organismos de diferentes maneiras, porque esse nutriente pode ser indispensável, letal ou inócuo. Assim, algumas bactérias necessitam do O2, outras são indiferentes e, para um grupo de bactérias, a presença de O2 pode causar a morte. Os organismos que utilizam o oxigênio molecular (ou seja, na forma de gás, O2) são chamados de aeróbios e são capazes de produzir mais energia a partir dos nutrientes (processo de produção de energia chamado de respiração celular aeróbia) do que os anaeróbios, que não utilizam o oxigênio. Partindo desses dois conceitos, existem os aeróbios obrigatórios, que precisam do oxigênio para viver; os anaeróbios facultativos, que podem utilizar o oxigênio quando ele está presente, porém podem continuar a crescer quando ele não está, utilizando a fermentação ou a respiração anaeróbia; e os anaeróbios obrigatórios, que são incapazes de utilizar o oxigênio molecular, cuja simples presença pode ser prejudicial (MADIGAN et al., 2016).
Geralmente, as bactérias que são anaeróbicas obrigatórias (por exemplo, as causadoras de botulismo e tétano do gênero Clostridium) obtêm os átomos de oxigênio a partir da água presente na célula (TORTORA et al., 2017). Na figura 2.12 você pode visualizar uma representação do crescimento bacteriano conforme a classe de micro-organismos: aeróbios obrigatórios, anaeróbios obrigatórios, anaeróbios facultativos, microaerófilos e anaeróbios obrigatórios.
Micronutrientes - Elementos como o potássio, magnésio e cálcio também são requeridos pelos micro-organismos, porém, em menores concentrações. Esses elementos geralmente funcionam como cofatores para as reações enzimáticas, ou seja, a união de íons desses elementos transforma as apoenzimas (inativas) em holoenzimas (enzimas ativas completas), permitindo e auxiliando o funcionamento das enzimas. Os elementos-traço, cuja quantidade requerida pelos micro-organismos é muito pequenas, são o ferro, o cobre, o molibdênio e o zinco (TORTORA et al., 2017).
Os fatores de crescimento orgânico são aqueles compostos orgânicos essenciais e que não são sintetizados por determinados organismos, assim, eles devem ser obtidos do ambiente. Para os seres humanos, por exemplo, as vitaminas representam um grupo de fatores de crescimento orgânico. Como vimos anteriormente nesta unidade, muitas vitaminas funcionam como cofatores enzimáticos. Entre as bactérias, uma grande parte possui a capacidade de sintetizar suas próprias vitaminas, outras não possuem as enzimas requeridas para sintetizar certas vitaminas e, portanto, dependem de outras fontes para obtê-las. Aminoácidos, purinas e pirimidinas também são fatores de crescimento orgânico para algumas bactérias (MADIGAN et al., 2016).
Biofilmes - Diferentemente do que acontece nas placas de Petri que vemos em um laboratório, na natureza os micro-organismos raramente vivem em colônias isoladas (formadas por uma única espécie), e sim em comunidades que chamamos de biofilmes. O biofilme é uma camada fina e viscosa que envolve bactérias aderidas a uma superfície (que pode ser, por exemplo, uma pedra em um lago, um dente humano ou uma membrana mucosa). Entre estas bactérias, existe uma comunicação química, chamada de quorum sensing, que faz com que as bactérias coordenem suas atividades e se agrupem em comunidades, possibilitando benefícios de maneira similar a um organismo multicelular (TORTORA et al., 2017).
Crescimento de culturas bacterianas - A reprodução bacteriana é assexuada, ou seja, ocorre sem a troca ou mistura de material genético, de maneira que, ao se reproduzirem, essas células irão originar outras células geneticamente idênticas a ela. Os processos de reprodução bacteriana mais comuns são a divisão por cissiparidade ou fissão binária (MADIGAN et al., 2016) e o brotamento. No entanto, existem bactérias filamentosas que se reproduzem através da produção de conidiósporos (um esporo assexuado) e outras que simplesmente se fragmentam e, a partir dos fragmentos, inicia-se o crescimento de novas células (TORTORA et al., 2017).
É importante recordar aqui que a reprodução assexuada não promove recombinação genética, pois não existe combinação de material genético. Sendo assim, como as bactérias podem gerar variabilidade genética, que é condição fundamental para a adaptação ao ambiente e sobrevivência dos organismos? Veja bem, as bactérias possuem mecanismos genéticos para a promoção da variabilidade genética. Esses mecanismos estão descritos a seguir:
Cissiparidade e Brotamento - A cissiparidade é o processo mais comum de reprodução assexuada, no qual a célula-mãe duplica seu material genético e divide-se, originando duas células iguais, que conservam as características da espécie. Caro(a) aluno(a), a Figura 2.13 apresenta um diagrama explicativo do processo de divisão bacteriana e irá ajudá-lo(a) a compreender como a célula bacteriana se divide. Atenção, aluno(a): o processo de divisão bacteriana não deve ser confundido com a mitose, um outro processo de divisão celular que ocorre em células eucarióticas.
No processo de reprodução por brotamento, as células bacterianas formam uma pequena região inicial de crescimento, chamada broto. Posteriormente, esse broto aumenta até atingir um tamanho similar ao da célula parental (a célula que o originou), e, então, separa-se dela.
Quando as bactérias estão sob condições ideais, com temperatura e pH ótimos, por exemplo, o crescimento segue uma curva definida e característica. As fases que veremos a seguir nos mostram como ocorre o crescimento bacteriano e foram descobertas graças à possibilidade de se cultivar bactérias em laboratório, utilizando meios de cultura.
Nesses estudos, tudo o que é fornecido para as bactérias é controlado (todos os fatores físicos e químicos que você estudou anteriormente nesta unidade), assim, é possível oferecer as condições ótimas e ver como as bactérias se desenvolvem. Cabe destacar aqui que as características que vamos ver a seguir referem-se a um experimento controlado, uma vez que no meio ambiente podem ocorrer diversas mudanças devido às interferências que não são controladas. Existem quatro fases básicas de crescimento: a fase lag, a fase log, a fase estacionária e a fase de morte celular (MADIGAN et al., 2016) (Figura 2.14).
A Fase lag – é uma fase de ajuste ou de adequação ao meio, que pode durar de uma hora a vários dias. A atividade metabólica é intensa, as células aumentam seu volume, em 2 ou até 4x, devido à duplicação do DNA e à síntese de proteínas, e praticamente não ocorre divisão celular.
A Fase log (ou fase de crescimento exponencial) – ocorre divisão celular em taxa geométrica, e as células apresentam diâmetro menor. A fase log é o momento de maior atividade metabólica, o que causa redução de nutrientes e O2.
A Fase estacionária – ocorre um rápido decréscimo na taxa de divisão celular. O número total de células em divisão é igual ao número de células mortas, e a população se estabiliza. Acredita-se que o esgotamento dos nutrientes, o acúmulo de resíduos e as mudanças no pH, danosas à célula, sejam os motivos dessa interrupção do crescimento exponencial.
A Fase de morte celular (ou declínio) – O meio apresenta condições impróprias (deficiente em nutrientes e rico em toxinas, produtos do metabolismo das próprias bactérias) e a divisão celular diminui consideravelmente. O número de células mortas ultrapassa o número de novas células. Essa fase persiste até que a população tenha sido reduzida a uma pequena fração do número de células da fase anterior ou até que a população morra totalmente. Para algumas espécies, um ciclo que envolve todas essas fases pode durar poucos dias, enquanto outras mantêm algumas células sobreviventes indefinidamente (TORTORA et al., 2017).
Uma determinada bactéria pode tornar-se resistente a um antibiótico por meio de dois fatores: conjugação (transferência de plasmídeo com o gene de resistência) ou por mutação (que ocorre no genoma de maneira aleatória, se afetar e modificar um determinado gene, pode conferir resistência). Do ponto de vista médico, esses processos que conferem resistência devem ser fortemente evitados. Para isso, algumas das medidas sugeridas são evitar o uso indiscriminado de antibióticos, e, uma vez prescritos, utilizá-los com rigor. Quanto menos os patógenos se multiplicarem, menor a chance de surgir um mutante resistente.
Fonte: Pelczar et al. (2011).
O crescimento microbiano, assim como o de qualquer outro organismo, requer determinados fatores, tanto físicos quanto químicos, sendo temperatura um dos fatores físicos mais restritivos. Alguns micro-organismos toleram temperaturas extremas, outros crescem bem na temperatura do corpo humano (em torno de 37 °C). Com base nas afirmações e no conteúdo apresentado, assinale a alternativa correta sobre a classificação dos micro-organismos conforme a sua temperatura ideal:
Os micro-organismos chamados de termófilos são aqueles cuja temperatura ótima de crescimento varia entre 15 °C e 20 °C.
A alternativa está incorreta, pois os organismos termófilos preferem temperaturas mais elevadas, entre 50 °C e 60 °C.
O grupo dos micro-organismos mesófilos é o maior dentre os demais, sendo que a temperatura ótima para os mesófilos varia entre 25 °C e 40 °C.
A afirmação está correta, de acordo com o texto, a maioria dos micro-organismos é mesófila, com temperatura ótima variando na faixa de 25 °C a 40 °C.
A maioria dos micro-organismos patogênicos é psicrófilos, ou seja, prefere temperaturas mais baixas, entre 0 °C e 20 °C.
A alternativa está incorreta porque a maioria dos micro-organismos que causam doenças é mesófilo, sendo que sua temperatura ótima costuma ser a mesma do corpo humano (em torno de 37 °C).
Os micro-organismos psicrófilos são raros de encontrar, pois vivem apenas em fontes termais, com temperaturas elevadas, cerca de 80 ºC ou mais.
A alternativa está incorreta, pois os micro-organismos psicrófilos preferem temperaturas mais baixas e podem ser encontrados até em geleiras
A temperatura ótima de crescimento para os micro-organismos do grupo dos mesófilos varia de 15 °C a 20 °C.
A afirmação está incorreta, pois os micro-organismos mesófilos apresentam uma faixa mais ampla e também mais quente de temperatura: entre 25 °C e 40 °C.
Caro(a) aluno(o), essa disciplina se dedica ao estudo dos micro-organismos, e, ao direcionarmos nossa atenção para esses seres microscópicos, podemos acabar nos esquecendo de que eles estão todo o tempo interagindo com os demais organismos e com o meio ambiente. Essa interação envolve processos e atividades essenciais, que sustentam a vida na Terra. Nesse tópico vamos conhecer alguns princípios e conceitos importantes da ecologia microbiana, para então aprendermos mais sobre como ocorrem essas interações, tanto entre os micro-organismos como entre os micro-organismos, as plantas e os animais.
A ecologia é o estudo das inter-relações entre os organismos e seu ambiente. Por sua vez, a ecologia microbiana procura abordar e entender a maneira pela qual as comunidades microbianas interagem entre si e com o meio ambiente no qual vivem. A biodiversidade e a atividade microbiana são os principais componentes da ecologia microbiana (MADIGAN et al., 2016).
O estudo da biodiversidade requer a identificação e a quantificação dos micro-organismos diretamente em seus hábitats, e o conhecimento obtido a partir desse trabalho (que é realizado pelos ecologistas microbianos) é aplicado, por exemplo, no isolamento de organismos de interesse, seja para a indústria farmacêutica, alimentícia e outras. Já o estudo da atividade microbiana é realizado por meio de técnicas que permitem a mensuração dos processos metabólicos realizados pelos micro-organismos, também em seus hábitats (MADIGAN et al., 2016).
Os micro-organismos formam comunidades microbianas organizadas em ecossistemas. Esses ecossistemas contêm vários habitats diferentes, logo, cada grupo de micro-organismos viverá, dentro desse ecossistema, nas regiões para as quais estão mais adaptados. O solo, a água e o corpo animal, dentre outros, são exemplos de ecossistemas (MADIGAN et al., 2016).
Sem a presença de micro-organismos, nenhum hábitat natural da Terra poderia sustentar as demais formas de vida, e a extensão dos ecossistemas microbianos é incomparavelmente maior aos ecossistemas que sustentam as formas de vida superiores (os micro-organismos estão presentes em toda a superfície e também nas profundezas do nosso planeta). A grande diversidade metabólica apresentada pelos micro-organismos faz desse grupo os principais catalisadores dos ciclos de nutrientes na natureza (MADIGAN et al., 2016).
Além da composição de espécies, o tamanho das populações e o estado fisiológico dos micro-organismos presentes em cada habitat são os fatores que determinam quais os tipos de atividades microbianas possíveis em um ecossistema. Em condições ótimas, as atividades microbianas podem interferir consideravelmente, modulando as atividades de outros organismos que vivem nesse ecossistema (MADIGAN et al., 2016).
Na ecologia microbiana, utilizamos a expressão riqueza de espécies para descrever o número total de espécies diferentes presentes em determinado hábitat, enquanto a abundância de espécies representa a proporção de cada espécie presente nesse mesmo ponto. A riqueza e a abundância de espécies de micro-organismos estão sempre associadas com os nutrientes e sua disponibilidade. Imagine um solo rico em compostos orgânicos, com nutrientes de vários tipos diferentes. Esse tipo de hábitat proporcionará uma grande riqueza de espécies, cuja maioria estará presente em abundância moderada. Agora, imagine um ambiente extremo, que apresenta uma elevada concentração de um determinado tipo de nutriente. Nessas condições, poderemos observar uma baixa riqueza de espécies, porém com densidades celulares elevadas, ou seja, grande abundância de espécies. Isso ocorre porque somente as espécies mais adaptadas a utilizar aquele nutriente se sobressaem (crescem mais) perante as demais.
Existe uma grande variedade de micro-organismos que estabelecem relações com outros organismos. O termo simbiose descreve uma íntima associação entre dois organismos distintos, que pode ser benéfica para um ou ambos os envolvidos (TORTORA et al., 2017). Existem diferentes formas de simbiose, e o parasitismo é uma delas, ocorrendo quando um dos membros dessa relação é prejudicado nesse processo. O termo parasita descreve um organismo que obtém seus nutrientes a partir de outro organismo (que é chamado de hospedeiro). Um exemplo de parasitismo é a relação dos micro-organismos patogênicos com o homem.
Outro tipo de relação simbiótica é o mutualismo, que, como o próprio nome sugere, traz benefícios mútuos, em que ambas as espécies são beneficiadas na relação (MADIGAN et al., 2016). Uma forma de mutualismo bastante conhecida ocorre entre os ruminantes (animais herbívoros que possuem um órgão digestivo especial chamado rúmen) e os micro-organismos. Esses animais alimentam-se de vegetais, nos quais a celulose é o polissacarídeo predominante, porém, não possuem as enzimas necessárias para digerir esta celulose. Assim, a hidrólise da celulose é realizada por micro-organismos que vivem no rúmen desses animais. Como o rúmen é um meio anóxico (sem oxigênio), esse processo de digestão é realizado por bactérias anaeróbias, que, após quebrarem a celulose em unidades livres de glicose, promovem um processo de fermentação bacteriana. Essa fermentação produz ácidos graxos voláteis, principalmente, acético, propiônico e butírico, além dos gases CO2 e CH4 (dióxido de carbono e metano, respectivamente). Os ácidos graxos serão posteriormente utilizados pelos ruminantes como sua principal fonte de energia (MADIGAN et al., 2016).
Para aplicar os conceitos que aprendemos no tópico “Produção de energia”, podemos dizer que os ácidos graxos serão oxidados pelo animal. Ambos os organismos envolvidos nessa relação são beneficiados: os ruminantes, que conseguem aproveitar a celulose, e os micro-organismos, que encontram proteção e alimento.
Caro(a) aluno(a), é importante esclarecer que, além das bactérias, o rúmen apresenta outros micro-organismos. Existem algumas espécies de protistas e fungos anaeróbios, em que os protistas também contribuem no processo de fermentação e os fungos participam da degradação de outros polissacarídeos, como lignina, hemicelulose e pectina.
Para que você possa conhecer também as formas de simbiose entre diferentes micro-organismos e entre plantas e micro-organismos, estudaremos sobre os líquens e as micorrizas.
Os líquens (Figura 2.15) são simbioses microbianas com aspecto foliáceo ou incrustante, normalmente encontradas sobre troncos de árvores, rochas e telhados, e provenientes do mutualismo entre um fungo (principalmente do filo ascomycota) e uma alga (ou cianobactéria). A alga, por ser um organismo fototrófico, realiza a fotossíntese e produz matéria orgânica, que o fungo consegue utilizar para a sua nutrição. O fungo, por sua vez, fornece uma base para o crescimento da alga, protegendo-a da erosão causada pela chuva ou vento (MADIGAN et al., 2016).
As micorrizas são associações, também mutualistas, entre raízes de plantas e fungos, sendo que existem as ectomicorrizas (as células do fungo formam um extenso manto ao redor da parte externa da raiz) e as endomicorrizas (o micélio do fungo penetra profundamente no córtex da raiz). Nessa parceria, ocorre o seguinte: os fungos não catabolizam a celulose ou outros polímeros, apenas alguns carboidratos simples, e necessitam apenas de poucas vitaminas. A planta consegue suprir essa necessidade dos fungos via fotoassimilados. As plantas também são beneficiadas, pois os fungos produzem substâncias que promovem o crescimento das plantas e auxiliam-nas na absorção de nutrientes e água. Já foi comprovado por meio de experimentos que as plantas contendo micorrizas são melhor adaptadas fisiologicamente, competindo com maior sucesso em comunidades ricas em espécies vegetais, enquanto o fungo recebe todos os nutrientes orgânicos que necessita (MADIGAN et al., 2016).
Caro(a) aluno(a), a relação que estudaremos agora talvez represente um dos mutualismos mais interessantes entre plantas e bactérias, se trata da associação entre as plantas leguminosas e as bactérias fixadoras de nitrogênio.
As plantas leguminosas são aquelas em que suas sementes estão contidas em vagens, e muitos dos seus representantes são plantas de importância agrícola, como a soja e o feijão. Graças a essa associação, essas culturas podem crescer sem o uso de fertilizantes nitrogenados, diminuindo consideravelmente os gastos dos produtores e reduzindo o impacto ao meio ambiente. As bactérias que participam dessa associação crescem no solo e pertencem aos gêneros Rhizobium, Bradyrhizobium, Sinorhizobium, Mesorhizobium, Azorhizobium e Photorhizobium, sendo coletivamente chamadas de rizóbios (MADIGAN et al., 2016).
Quando as bactérias infectam as raízes de uma planta leguminosa, ocorre a formação dos nódulos radiculares, e esses nódulos são capazes de fixar o nitrogênio (Figura 2.16). Mas o que isso quer dizer? O termo fixação biológica de nitrogênio (FBN) consiste na utilização de nitrogênio gasoso (N\(_2\)) como fonte de nitrogênio celular. O gás nitrogênio é o mais abundante da nossa atmosfera (78%), no entanto, sem a associação com os rizóbios, as plantas não conseguem utilizá-lo. Além disso, a capacidade de fixar N2 faz com que o organismo não dependa de formas fixadas de N, como, por exemplo, a amônia ou o nitrato. Existem somente dois tipos de micro-organismo que são capazes de fixar o N, Bactérias diazotróficas e algas azuis (cianobactérias).
Neste tópico, nos referimos à fixação simbiótica do N, uma vez que envolve bactérias simbióticas e elas necessitam dessa associação para crescer. Mais adiante, nesta mesma unidade, falaremos sobre os organismos de vida livre que fixam o N (MADIGAN et al., 2016).
No processo de FBN, o N\(_2\) é reduzido a amônia (NH\(_3\)), em um processo catalisado por um grande complexo enzimático bacteriano chamado nitrogenase. A nitrogenase é inativada pelo oxigênio, assim, nessa associação, a planta fornece condições anaeróbias para a ação da nitrogenase e alimento para a bactéria, enquanto a bactéria fixa o N que será empregado para sintetizar as proteínas vegetais.
No processo de FBN, a nitrogenase se liga ao N2 e doa elétrons para ele em uma sequência de reações com gasto de energia (16 ATPs). Cada molécula de N2 produz duas moléculas de NH3+, e então as fabáceas (leguminosas) podem utilizar essa amônia (MADIGAN et al., 2016).
Após a descoberta dessa associação entre os rizóbios e as fabáceas, foi descoberta uma outra associação envolvendo a fixação simbiótica do nitrogênio: plantas, como o trigo e o milho, associadas com bactérias do gênero Azospirillum. Essas bactérias penetram nas raízes e folhas (endofíticas) e fixam o N que nutre a planta, que por sua vez, fornece carboidratos para a bactéria (PELCZAR et al., 2011). Estas bactérias também produzem fito-hormônios de crescimento vegetal, como: auxinas, giberelinas, ácido indol acético, entre outros.
Como foi comentado no início deste tópico, alguns micro-organismos podem desenvolver simbioses do tipo parasitismo. A seguir vamos dar um exemplo de uma importante relação entre micro-organismo e planta, no qual a planta é prejudicada.
As bactérias Agrobacterium tumefaciens e A. rhizogenes causam danos quando infectam as plantas através de lesões nos tecidos vegetais. Essas bactérias possuem plasmídeos (que são os fragmentos de DNA circular independentes do DNA bacteriano), os quais contêm uma região chamada de DNA de transferência (T-DNA). Após a infecção, esse T-DNA integra-se ao genoma da planta. O T-DNA possui genes responsáveis pela formação do tumor e genes para a síntese de aminoácidos modificados (opinas). Esses aminoácidos são produzidos pela célula vegetal transformada com o T-DNA e servem como fonte de carbono e nitrogênio para as bactérias parasitas.
Nesse processo, os genes causadores de tumor também se expressam, causando tumores, em uma doença conhecida como galha-da-coroa (A. tumefaciens), ou superprodução de tecido radicular, na doença chamada raiz em cabeleira (A. rhizogenes). Essas doenças não provocam a morte da planta, porém, podem torná-la mais fraca e mais suscetível ao ressecamento e outras doenças (MADIGAN et al., 2016).
Além da interação entre micro-organismos, existe interação entre os micro-organismos e os fatores abióticos do ecossistema (fatores “não vivos”), como os elementos químicos. Nesse sentido, é importante que você, caro(a) aluno(a), aprenda sobre o papel dos micro-organismos no ciclo de vários elementos químicos, como carbono, enxofre, nitrogênio e ferro.
Esses ciclos são chamados de ciclos biogeoquímicos e correspondem às transformações de um elemento essencial, que é catalisado pelos agentes, que podem ser biológicos e químicos. Assim, os micro-organismos correspondem aos fatores biológicos que catalisam as transformações desses elementos. Geralmente, essas transformações envolvem as reações de oxidação-redução (que você estudou nesta mesma unidade, no tópico “1.3 Produção de energia”), conforme o elemento vai sendo transferido através do ecossistema. A seguir, vamos discutir um pouco sobre o papel dos micro-organismos nos quatro principais ciclos biogeoquímicos.
Este é o principal ciclo biogeoquímico e está intimamente associado ao ciclo do oxigênio, uma vez que os organismos fotossintetizantes captam o dióxido de carbono (CO2) da atmosfera e liberam o oxigênio (O2). O CO2 é utilizado na fotossíntese, ou seja, esse gás é fixado fotossinteticamente para produção de biomassa nas plantas, enquanto o processo de respiração de animais, plantas e micro-organismos libera-o novamente na atmosfera.
Enquanto as plantas são os organismos fototróficos (ou fotossintetizantes) dominantes no ambiente terrestre, os micro-organismos são os fototróficos dominantes no ambiente aquático. Além disso, no processo de decomposição da matéria orgânica realizado por micro-organismos, o C volta a ser liberado para a atmosfera, nas formas metano (CH4) e CO2 (MADIGAN et al., 2016). A Figura 2.17 apresenta uma ilustração do ciclo do carbono.
O nitrogênio (N) é um outro exemplo de elemento essencial que é metabolizado por micro-organismos e que, apesar de ser abundante na atmosfera na forma de gás, apenas algumas bactérias são capazes de convertê-lo em uma fonte utilizável. Nesta unidade, já abordamos a questão da FBN, por meio da associação entre bactérias e plantas. Portanto, a seguir, veremos os demais processos envolvidos no ciclo do N com a participação dos micro-organismos, iniciando pela fixação de nitrogênio por organismos de vida livre e, em seguida, os processos de amonificação, nitrificação e desnitrificação.
Fixação de nitrogênio por micro-organismos de vida livre: dentre as bactérias fixadoras de nitrogênio de vida livre, existem algumas espécies aeróbias (como a Azotobacter). Para proteger a nitrogenase da ação do oxigênio (uma vez que o oxigênio inativa esse complexo enzimático), essas bactérias aeróbias têm uma taxa elevada de utilização do oxigênio, minimizando a difusão desse gás para o interior da célula, onde a enzima atua.
Entre as bactérias anaeróbias de vida livre que fixam o nitrogênio, podemos citar o gênero Clostridium. Além disso, existem diversas espécies de cianobactérias (aeróbias e fotossintetizantes) que fixam o nitrogênio: elas utilizam uma estrutura chamada heterocisto para criar um ambiente livre de oxigênio (TORTORA et al., 2017; PELCZAR et al., 2011). O processo de fixação do nitrogênio, em si, é o mesmo que abordamos no tópico “3.2 Interação Microbiana”, quando discutimos a FBN.
Ciclo do enxofre - Os processos de transformação de enxofre por ação de micro-organismos são ainda mais complexos do que as transformações do ciclo do N, porque há uma variedade de estados de oxidação do enxofre e porque muitas das transformações ocorrem abioticamente, ou seja, sem a presença de organismos vivos. As maiores concentrações de enxofre da Terra estão em sedimentos e rochas, na forma de minerais de sulfato e minerais de sulfeto, no entanto, os oceanos representam o reservatório mais significativo da biosfera, onde o enxofre é encontrado na forma de sulfato.
Existem bactérias envolvidas tanto em reações oxidativas, formando, por exemplo, o ácido sulfúrico, como em reações redutivas, formando sulfeto de hidrogênio, do ciclo do enxofre. Além da forma inorgânica, vários compostos orgânicos de enxofre podem ser metabolizados por bactérias. A ação dos micro-organismos no ciclo do enxofre permite que esse elemento essencial possa ser aproveitado pelas plantas como íons sulfato (MADIGAN et al., 2016), pois o enxofre na forma elementar (S) não pode ser absorvido pelas plantas. Primeiro, ele precisa ser oxidado para ser convertido em sulfato, as bactérias responsáveis por essas reações de oxidação são os Thiobacillus. Os Thiobacillus são micro-organismos do solo que produzem as enzimas arisulfatases e rodanases, que catalisam as reações de oxidação (VITTI et al., 2015).
Ciclo do ferro - Um dos elementos mais abundantes na crosta terrestre é o ferro, onde ele é encontrado principalmente em dois estados de oxidação: um, que é chamado de ferroso (Fe\(^{2+}\)), e outro, chamado de férrico (Fe\(^{3+}\)). Ambas as formas podem ser reduzidas tanto quimicamente quanto por ação de micro-organismos. A redução do ferro férrico ocorre mais comumente em solos alagadiços, pântanos e sedimentos anóxicos (sem oxigênio) de lagos, onde então ocorre a formação do ferro ferroso. A reação de redução do ferro férrico para formar ferro ferroso é promovida por bactérias que utilizam o ferro férrico como aceptor de elétrons na respiração anaeróbia.
Caro(a) aluno(a), lembre-se que existem duas formas de respiração celular para a produção de energia: a aeróbica e a anaeróbica. Enquanto o oxigênio é o aceptor de elétrons na respiração aeróbia, a respiração anaeróbia possui outras moléculas inorgânicas nessa função. Observe que os locais onde ocorre a redução do ferro férrico são ambientes com pouco ou nenhum oxigênio, assim, para sobreviver nesses locais, os organismos necessitam fazer a respiração anaeróbica. Quando a água desses ambientes é carregada para regiões óxicas (com oxigênio), o ferro ferroso pode ser oxidado por bactérias, produzindo compostos férricos que podem interagir com outras substâncias não biológicas, novamente reduzindo Fe\(^{3+}\) a Fe\(^{2+}\), sendo que o ferro férrico pode também formar complexos com componentes orgânicos (MADIGAN et al., 2016).
Praticamente todos os micro-organismos, assim como os demais seres vivos, se relacionam entre si e com o ambiente onde vivem. As interações que ocorrem entre os organismos são chamadas de simbioses e existem diferentes formas de simbiose na natureza. Com base no conteúdo sobre as interações microbianas, assinale a alternativa que apresenta uma afirmação correta:
O mutualismo é um tipo de relação simbiótica no qual um organismo é beneficiado e o outro é prejudicado.
Essa afirmação está incorreta, pois as associações do tipo mutualismo são benéficas para os dois organismos envolvidos nessa associação.
Um exemplo de mutualismo é a associação entre bactérias fixadoras de nitrogênio e as plantas leguminosas.
A afirmação está correta, pois nessa associação tanto as bactérias quanto as plantas obtêm benefícios dessa interação.
As micorrizas representam um exemplo de parasitismo, pois o fungo consegue penetrar nas células das raízes vegetais, sugando os nutrientes da planta.
A afirmação está incorreta, pois as micorrizas representam um exemplo de mutualismo: as plantas cedem alguns nutrientes que o fungo necessita e o fungo, por sua vez, secreta substâncias que promovem o crescimento da planta.
A relação entre as plantas e a bactéria Agrobacterium tumefaciens é um exemplo de mutualismo: a planta protege a bactéria e a bactéria auxilia no crescimento da planta.
A afirmação está incorreta, porque a bactéria causa tumores que prejudicam a planta. Apenas a bactéria é beneficiada nessa relação, que se caracteriza como parasitismo.
A relação entre fungos e algas, ou entre fungos e cianobactérias, se configura como parasitismo, na qual o hospedeiro pode ser um tronco de árvore ou uma rocha.
A afirmação está incorreta, pois os líquens representam uma relação de mutualismo: a alga realiza a fotossíntese que fornece nutriente ao fungo, e o fungo ajuda a proteger e fixar o líquen no substrato.
Caro(a) aluno(a), esse é o último tema que será abordado nesta unidade, e tudo o que você aprendeu até agora permite concluir que os micro-organismos desempenham um papel fundamental para a manutenção dos ecossistemas. Além disso, esses organismos microscópicos são altamente sensíveis às variações dos fatores que compõem os ambientes. Dessa forma, os micro-organismos vêm sendo cada vez mais associados à qualidade ambiental.
Existe uma estreita relação entre a microbiota e a qualidade ambiental. O termo microbiota corresponde ao conjunto de todos os micro-organismos presentes em um determinado local, e a qualidade ambiental envolve as condições do solo, da água e de outros componentes que formam o ambiente. Desta forma, o nível de contaminação de um determinado ambiente, independente de qual seja a origem dessa contaminação, acaba por determinar quais organismos serão capazes de viver nesse ambiente.
Nós já vimos que os micro-organismos apresentam uma diversidade enorme em vários aspectos, com exigências nutricionais bem variadas, formas de produção de energia, tolerância a determinados fatores abióticos, locais onde vivem, entre outros. Por essas características, a Microbiologia se mostra como uma ferramenta importante para avaliar a qualidade ambiental (SILVEIRA; FREITAS, 2007).
Para discutirmos quais são os parâmetros microbiológicos para a avaliação da qualidade do ambiente, vamos abordar, primeiramente, os indicadores microbiológicos relacionados com a poluição do solo e do ambiente e, posteriormente, os parâmetros microbiológicos relacionados à qualidade da água.
A qualidade do solo é “definida como a capacidade contínua do solo de aceitar, estocar e reciclar água, nutrientes e energia, bem como reter, dispersar e transformar materiais químicos e biológicos, funcionando como um tampão ou filtro ambiental” (FORTES NETO et al., 2007, p. 264). Além de fatores físico-químicos, a atividade microbiana está relacionada com a qualidade do solo, pois os micro-organismos estão envolvidos nos ciclos biogeoquímicos dos elementos essenciais e são responsáveis por processos como a decomposição de matéria orgânica, fixação do N2, decomposição de resíduos (biorremediação), entre outros (TORTORA et al., 2017).
O solo é um dos mais importantes habitats de micro-organismos, sendo constituído por um grande número deles. Se você usar uma colher de chá para coletar uma porção de solo fértil de um jardim, essa colher pode conter bilhões de micro-organismos, incluindo bactérias, fungos, algas, protozoários e vírus. Além disso, muitos dos micro-organismos presentes no ar são provenientes do solo (PELCZAR et al., 2011).
O uso de micro-organismos como indicadores da qualidade ambiental vem sendo desenvolvido na intenção de analisar a ação de substâncias contaminantes, que normalmente fazem parte da composição de pesticidas, fertilizantes e outros resíduos oriundos do manejo do solo. De maneira geral, os micro-organismos são úteis para avaliar o impacto antropogênico (impactos causados pelo homem) sobre os processos biológicos do solo. No entanto, existem alguns critérios básicos para que um parâmetro microbiológico possa ser empregado como um bom indicador para analisar esses impactos. Para Brookes (1995), esses parâmetros devem apresentar as seguintes características:
Para que você possa compreender, vamos ver alguns exemplos de análises que são utilizadas como parâmetros microbiológicos: a análise da liberação de CO2 pela respiração microbiana; a fixação biológica de nitrogênio; a atividade enzimática; a contagem de grupos microbianos.
Além desses, nos últimos anos, alguns métodos moleculares vêm sendo aplicados para obtenção de indicadores, como, por exemplo, a extração de DNA do solo (SILVEIRA; FREITAS, 2007). Ao analisar essa amostra de DNA, todos os micro-organismos e demais seres vivos presentes nessas amostras poderão ser identificados simultaneamente. Muitas vezes, a simples composição microbiana do ambiente nos dará informações sobre a sua condição. Em outros casos, deverá ser analisada a atividade metabólica dos micro-organismos ali presentes, para a obtenção de indicadores que possam ser informativos.
Quando se analisa uma determinada atividade metabólica, não se pode esquecer que um mesmo processo pode ser realizado por diferentes grupos de micro-organismos, por exemplo, o processo de amonificação, que é realizado por diferentes grupos de bactérias. Sendo assim, a análise da atividade microbiana deve ser realizada de maneira cuidadosa e integrada, para monitorar os impactos ambientais, e não mascarar falsos resultados, como, por exemplo, a não detecção de um efeito negativo sobre apenas uma das comunidades de micro-organismos (SILVEIRA; FREITAS, 2007).
A aplicação de substâncias químicas que matam plantas indesejadas, insetos, fungos e nematóides causadores de prejuízos na produção rural é um tema que gera muita discussão. Embora a aplicação em larga escala de herbicidas e pesticidas possa melhorar a produção agrícola, os efeitos que os resíduos dessas substâncias podem causar ao meio ambiente e à saúde do homem permanecem incompreendidos pelos cientistas do solo, biólogos, ambientalistas e causam preocupações na população em geral. Uma solução ideal seria a utilização de uma substância que se degrada rapidamente após a sua ação, ou até a utilização de bactérias de solo geneticamente alteradas para uma degradação mais rápida desses contaminantes no meio ambiente.
Fonte: Pelczar et al. (2011).
Em nosso planeta existe uma circulação contínua da umidade, num processo que fornece a água necessária para a sobrevivência dos organismos. Por meio da evaporação de lagos, rios e oceanos e pela transpiração das folhas das plantas, a água entra na atmosfera. Em um processo cíclico, ela retorna à superfície da Terra como chuva, neve ou granizo. Apesar de parecer simples, uma única gota de água pode conter inúmeros compostos químicos e uma grande diversidade de micro-organismos (PELCZAR et al., 2011).
Normalmente, a água que consumimos provém de fontes naturais de água doce: poços, rios e lagos. Com exceção da água obtida a partir de poços, que já apresenta uma boa qualidade, essa água necessita passar por estações de purificação, onde serão tratadas para a eliminação de micro-organismos patogênicos, dentre outras coisas. Já as águas residuais, como as provenientes de esgotos, devem ser tratadas antes de ser liberadas novamente no meio ambiente. Os micro-organismos são muito importantes no processo de tratamento do esgoto, pois degradam grande parte do material orgânico e decompõem substâncias químicas indesejáveis (PELCZAR et al., 2011).
A água potável representa uma quantia mínima de toda a água presente no planeta, sendo considerada como um alimento. Nesse sentido, foi necessário estabelecer padrões e medidas para garantir e assegurar a sua qualidade para o consumo. No que se refere aos micro-organismos, o padrão especificado é de que o conteúdo bacteriano seja muito baixo e que não seja detectado nenhum micro-organismo patogênico. As doenças causadas pelas bactérias patogênicas Vibrio cholerae e Salmonella typhi foram erradicadas há um bom tempo em muitos países que adotaram esses padrões de qualidade da água.
No entanto, novos micro-organismos patogênicos são descobertos ao longo do tempo, o que exige um constante monitoramento e reavaliação das análises feitas na água. O número de cianobactérias (em que algumas espécies são produtoras de toxinas) vem aumentando nos recursos hídricos, devido ao aumento da eutrofização nos corpos de água (SILVEIRA; FREITAS, 2007). Eutrofização é o processo caracterizado pela superfertilização do ambiente aquático (excesso de nitrogênio e fósforo, principalmente), promovendo um crescimento excessivo de plantas aquáticas. Este processo raramente ocorre de forma natural, sendo predominantemente causado por ação antrópica.
O que é feito na prática para analisar a eventual presença de micro-organismos patogênicos é a utilização de organismos que são facilmente identificáveis, cuja presença na água indica a possível presença de patógenos, pois seria inviável analisar individualmente a presença de cada um dos muitos micro-organismos patogênicos. As bactérias coliformes, também chamadas de coliformes termotolerantes, representam o mais importante grupo de organismos indicadores de qualidade da água. No Brasil, a resolução nº 357 do CONAMA (Conselho Nacional do Meio Ambiente), define como coliformes termotolerantes
[...] bactérias gram-negativas, em forma de bacilos, oxidase-negativas, caracterizadas pela atividade da enzima β-galactosidase. Podem crescer em meios contendo agentes tenso-ativos e fermentar a lactose nas temperaturas de 44º - 45ºC, com produção de ácido, gás e aldeído. Além de estarem presentes em fezes humanas e de animais homeotérmicos, ocorrem em solos, plantas ou outras matrizes ambientais que não tenham sido contaminados por material fecal; Por serem bactérias que habitam normalmente o intestino de homens e animais, elas servem como indicadoras de contaminação por fezes (BRASIL, 2005).
Se o número de coliformes termotolerantes presentes em uma amostra de água for muito alto, a chance de que exista contaminação dessa água por organismos patogênicos é também bastante grande. Além disso, a análise para detecção de bactérias coliformes é considerada fácil, pois esse é um grupo de bactérias que realiza a fermentação como processo para produção de energia: as bactérias coletadas e cultivadas em meio de cultura irão fermentar a lactose oferecida no meio e produzir os gases que serão observados nos tubos de ensaio, atestando a presença de bactérias coliformes (BRASIL, 2006).
Existem diversas maneiras para avaliar a qualidade de um ambiente, podendo ser realizadas análises físico-químicas, como também análise dos micro-organismos presentes nesse ambiente. Assim, o emprego de um organismo vivo para essas análises torna esse organismo um bioindicador. Assinale a alternativa correta com relação ao uso de micro-organismos como bioindicadores da qualidade ambiental:
Os micro-organismos não são considerados bons bioindicadores, pois apresentam uma diversidade nutricional muito grande, o que dificulta a interpretação dos resultados.
Essa afirmação está incorreta, porque é justamente o fato de eles apresentarem uma enorme diversidade, tanto nutricional, metabólica, de habitat, entre outros, que os tornam importantes para indicar várias características das condições ambientais.
Os micro-organismos estão intimamente relacionados com a qualidade do solo, uma vez que estão diretamente envolvidos nos processos de ciclagem de nutrientes.
Essa afirmação está correta, pois os micro-organismos estão envolvidos nos ciclos biogeoquímicos de vários elementos essenciais, tornando-os disponíveis para utilização para outros seres vivos.
A atividade enzimática dos organismos não é um parâmetro microbiológico, pois não fornece informações sobre as condições do ambiente.
Essa afirmação está incorreta, pois a atividade enzimática é sim um parâmetro biológico. Segundo o texto, deve existir um cuidado nas análises de metabolismo, pois alguns micro-organismos participam de processos similares. Mas a atividade enzimática não deixa de ser um parâmetro.
Qualquer micro-organismo encontrado em um determinado ambiente pode ser utilizado como bioindicador da qualidade nesse local.
A afirmação está incorreta, pois algumas características devem ser consideradas para que um micro-organismo seja usado como parâmetro. De acordo com o texto, ele deve ser: mensurável, testado em uma variedade de solos, sensível à ação do agente em estudo e ser confiável cientificamente.
A microbiota de um ambiente, por representar o conjunto de todos os seres vivos presentes nesse local, é uma excelente fonte de informações ambientais.
A afirmação está incorreta, pois, apesar de a microbiota ser fonte de informações, ela não é o conjunto de todos os seres vivos, e sim o conjunto de todos os micro-organismos.
Nome do livro: Microbiota do Solo e Qualidade Ambiental
Editora: IAC (Instituto Agronômico de Campinas)
Autor: Adriana Parada Dias da Silveira e Sueli dos Santos Freitas
Ano: 2007
ISBN: 978-85-85564-14-8
Este livro está disponível em meio eletrônico, gratuitamente, e discute assuntos importantes sobre a Microbiologia do solo. Está dividido em quatro partes: (I) Aspectos Biotecnológicos, (II) Contribuição dos Métodos Moleculares aos estudos da microbiota do solo, (III) Atuação da microbiota do solo em situações de estresse e (IV) Qualidade da água. Dessa forma, esse livro traz uma aproximação entre o campo científico e as aplicações dos conhecimentos, além de destacar a importância dos micro-organismos para a qualidade do ambiente.
Nome do filme: A Aventura do Antibiótico
Gênero: Documentário
Ano: 2013
Elenco principal: Nenhum.
Realizado por: Pierre Bressiant
Ao narrar a história dos antibióticos, este documentário de 52 minutos apresenta diversos conceitos e processos relacionados à Microbiologia, como a divisão microbiana, os fatores de crescimento microbiano, as enzimas, dentre outros. Vale a pena assistir para compreender melhor a importância dos antibióticos para a saúde humana e observar como ocorrem as descobertas científicas de um ponto de vista histórico.
