cromatografia gasosa de lipídios como ferramenta para estudos de ecologia microbiana

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Cromatografia Gasosa de Lipídios como Ferramenta para Estudos de Ecologia Microbiana. Marcelo Ferreira Fernandes. Resumo. Parte I. Ecologia Microbiana Parte II. Diversidade Genética, Estrutural e da Composição Química de Lipídios em Microrganismos - PowerPoint PPT Presentation

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  • Cromatografia Gasosa de Lipdios como Ferramenta para Estudos de Ecologia Microbiana

    Marcelo Ferreira Fernandes

  • Resumo

    Parte I. Ecologia Microbiana

    Parte II. Diversidade Gentica, Estrutural e da Composio Qumica de Lipdios em Microrganismos

    Parte III. Lipdios como Ferramenta para Estudos de Ecologia Microbiana

  • PARTE I

    Ecologia Microbiana

  • Ecologia MicrobianaObjetivos:

    Entender a biodiversidade de microrganismos na natureza e como diferentes guildas interagem em comunidades microbianas

    Medir a atividade dos microrganismos na natureza e monitorar seus efeitos sobre o ecossistema (componentes biticos e abiticos)

  • Interaes entre Microrganismos e Impactos Ambientais e Econmicos Derivados de suas Atividades

  • O Exemplo do Ciclo do NitrognioN2 (80% atmosfera)N N

  • Outros Exemplos de Impactos Ambientais e Econmicos Derivados da Atividade de Microrganismos

  • Controle da disponibilidade de nutrientes minerais para as plantasCiclagem de nutrientes, associaes simbiticas (FBN, micorrizas), perdas de nutrientes

    Seqestro de carbono e balano de gases de efeito estufa

    Melhoria da qualidade fsica e qumica do soloFormao de hmus, formao e estabilizao de agregados de solo

    Controle biolgico de pragas e doenas vegetais e animais

    Processos infecciosos (doenas) em plantas e animais

    Decomposio de alimentos e outros bens

    Biolixiviao de minerais de importncia econmica (cobre, ouro, urnio...)

    Biorremediao de xenobiticos (pesticidas, petrleo, explosivos, nylon...)

    Tratamento de guas; eutroficao de guas e poluio de lenis freticos

    Corroso de metais, entupimento de tubulaes de gua e leo

    Produo de enzimas de importncia industrial, frmacos, combustveis, polmeros para plsticos biodegradveis etc...

  • Fatores que Controlam Estes Processos e Impactos

    BiticosPresena e atividade de uma guilda especficaInteraes entre guildas

    Abiticas

  • A Atividade do Fator Bitico Visa SobrevivnciaObteno de energia ou de compostos para sntese celular Ciclos biogeoqumicos (C, N, P, S, Fe, Mn, Hg...) Associaes simbiticas com plantas e animais Patgenos, predadores e parasitas

    Transformao de compostos txicos ao crescimento microbianoCiclos biogeoqumicos

    Proteo contra fatores ambientais adversos

    ...

  • Diversidade Metablica MicrobianaVasta diversidade de modos de vida ou de conseguir recursos para sobrevivncia

    Entre espcies de microrganismos

    Dentro da mesma espcie

  • Obteno de Energia (Aerobiose)Corg CO2 (Fungos, bactrias, protozorios...)Decomposio de restos animais e vegetaisFormao do solo (CO2 + H2O H2CO3), formao de humus, ciclagem de nutrientes

    NH4+ N2O NO NO3- (Nitrosomonas, Nitrobacter...)Contaminao de guas com NO3-Gases de efeito estufa

    Fe2+ Fe3+ (Thiobacillus ferroxidans)Biolixiviao de metais (cobre, ouro, urnio...)

    CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2OImportante dreno de metano

    So + H2O + 1 O2 SO42- + 2 H+ (Thiobacillus, Beggiatoa...)Solubilizao de fosfatos de rocha pela acidificao do solo, corroso de estruturas metlicas...2 H2 + O2 2H2O (Alcaligenes, Ralstonia...)

    CO + O2 CO2 (carboxidotrficas: Pseudomonas carboxydovorans)Principal dreno de monxido de carbono da Terra

  • Obteno de Energia (Anaerobiose: Aceptores de Eltrons)

    CO2 CH4 (Arqueas metanognicas: Methanobacterium, Methanococcus)Gs de efeito estufa e combustvel

    NO3- NO N2O N2 (Alcaligenes, Pseudomonas...)Perda de fertilizantesGases de efeito estufa

    Fe3+ Fe2+ (Geobacter, Shewanella, Geospirillum, Thiobacillus ferroxidans, Sulfolobus...)Degradao de compostos aromticos (benzoato, toleno) utilizados como fonte de energia (doadores de eltrons)Biolixiviao de metais de sulfetos metlicos.

    SO42- + acetato ou H2 H2S (Desulfovibrio, Desulfobacter...)Toxidez vida aquticaDesclorinao redutiva de pesticidas clorados

  • Obteno de Compostos para Sntese e Metabolismo CelularesFotoautotrofia (algas, cianobactrias, Euglena)Fixao de CO2, via luz

    Quimoautotrofia (muitas bactrias e arqueas)Fixao de CO2, via oxidao de compostos minerais

    Heterotrofia (fungos, protozorios, bactrias, arqueas)C orgnico (saprofitismo, simbiose, parasitismo ou predao)

    Fixao Biolgica do N2 (algumas bactrias)N2 NH4+

    ...

    ...Dinitrogenase

  • Interaes entre Guildas MicrobianasRizbios (fixadores simbiticos de N2) vs. actinomicetos (produtores de antibiticos) controle do processo da FBN em sojaFermentadores (diversos mcgs) vs. metanognicos (arqueas anaerbicas) vs. metanotrficos (bactrias anaerbicas): balano de metano entre solo e atmosfera controle do processo de efeito estufa CO2 CH4 H2

  • Fatores Abiticos de Controle da Atividade, Biomassa e Composio de Comunidades Microbianas

  • Atividade, Biomassa e Composio Microbianas so Afetadas por:

    Disponibilidade de oxignio De modo geral, bactrias e arqueas mais versteis que eucariotos

    Disponibilidade de guaFungos e actinomicetos mais resistentes a secaHoloarqueas = extremfilos

    Temperatura Extremfilos = poucas bactrias; ultra-extremfilos = muitas arqueas

    Disponibilidade de nutrientesOligotrficos vs. copiotrficos

    Disponibilidade de energia

    pHFungos = cido; bactrias = neutro (Extremos em Arquea e Bacterias)

    Toxidez por produtos naturais e artificiais

    Interaes biolgicas...

  • Impactos Antropognicos sobre a Microbiota e Processos Associados Preparo do solo: aerao, temperatura, umidade, pH

    Pesticidas e outros compostos qumicos: toxidez seletiva ou geral

    Culturas, sistemas de culturas, mudanas de uso da terraquantidade e qualidade de substrato, relaes hospedeiro e microrganismos, temperatura e umidade

    Adubaes e calagem: disponibilidade de nutrientes, pH...

    Irrigao e drenagem: disponibilidade de gua, temperatura e oxignio...

    Pecuria: disponibilidade de nutrientes, oxignio...

    Deposies atmosfricas industriais: disponibilidade de nutrientes, pH...

  • Exemplos de Impactos de Atividades Humanas sobre a Atividade, Biomassa e Composio das Comunidades Microbianas

  • Mudana do Uso da TerraSubstituio de florestas por pastagens: Pisoteio animal compactao do solo reduz fluxo de oxignio para o solo Ambiente aerbico anaerbicoFavorecimento de metanognicos em detrimento de metanotrficosAumento da emisso de CH4 para a atmosfera

    Remoo da cobertura vegetal maior incidncia solar dessecamento da superfcie do soloLimitao de gua na superfcie, mas no no subsoloMenor atividade de metanotrficosAumento da emisso de CH4 para a atmosfera

  • Ecologia MicrobianaAtividades HumanasAtividades MicrobianasMeio Ambiente

  • PARTE II

    Diversidade Gentica, Estrutural e da Composio Qumica de Lipdios em Microrganismos

  • De Onde Vem a Capacidade dos Microrganismos de Realizar Tantas Funes e de se Adaptar a Tantos Ambientes Distintos?

  • Diversidade GenticaAlta diversidade de genesDiversidade metablica potencial determinada pelos genes de cada espcie.Evoluo cria novos genes a partir de outros existentesAcmulo de genes diferentes do ancestral: nova sps.

    Taxonomia molecular baseada em similaridade nas seqncias de genesSeqncias rRNA (Woese, 1990)Trs domnios muito distintosBacteriaArcheaEukarya

  • rvore da Vida (Woese, 1990)

  • Evoluo, estruturas celulares e composies de macromolculasAlm de gerar diversidade metablica, a evoluo gentica resultou em diferenas marcantes em estruturas celulares e composies de macromolculas entre grupos taxonmicos de microganismos:

    Ex: parede celular e estrutura qumica dos lipdios

  • Estruturas Celulares Microbianas Ricas em LipdiosMP*PC (Peptidoglicano)MP*PCPeptidoglicanoMembrana Externa*PC (Fungos: Quitina)(Algas: Celulose, glicoprotenas)MP*MP*Bactrias Gram +Bactrias Gram -Fungos e AlgasProtozorios

  • Estruturas Celulares Microbianas Ricas em Lipdios (cont.)MP*PC (Pseudpeptidoglicano ou glicoprotenas ou protenas ou polissacardeos)Achaea

  • Bacteria

    Lipdios Principais nas Membranascidos Graxos

    Bactrias G+PL (MP)GL (MP)PL: i15:0, a15:0, i16:0; i17:0, a17:0Bactrias G-PL (MP, MExt) LPS (MExt.)PL: 17:0cy, 19:0cy, 18:17cLPS: 3-OH-FAActinomicetosPL (MP)PL: 16:0 10Me, 17:0 10Me; 18:0 10Me

  • Bacteria

    Lipdios Principais nas Membranascidos Graxos

    Bactrias G+PL (MP)GL (MP)PL: i15:0, a15:0, i16:0; i17:0, a17:0Bactrias G-PL (MP, MExt) LPS (MExt.)PL: 17:0cy, 19:0cy, 18:17cLPS: 3-OH-FAActinomicetosPL (MP)PL: 16:0 10Me, 17:0 10Me; 18:0 10Me

  • Archaea

  • Eucarya

  • PARTE III

    Lipdios como Ferramenta para Estudos de Ecologia Microbiana

  • Ecologia Microbiana Aspectos de InteresseBiomassa microbiana

    Atividade microbiana

    Composio ou estrutura da comunidade

  • Mtodos para Investigao da Estrutura da Comunidade Microbiana

    Dependentes de cultivo Meios seletivos para organismos de interessePlaqueamento da amostra em meio de cultura slido Enumerao e identificao de microrganismos

  • Organismos CultivveisBactriaFungosArchaeaActinomicetosProtozorios,Algas

  • Organismos Viveis, No-CultivveisTorsvik, V. et al. High Diversity in DNA of Soil Bacteria. Applied and Environmental Microbiology, 56(3):782-787, 1990.

    Apenas 1 a 10% dos microrganismos na natureza so cultivveis em laboratrio;

    Embora no cultivveis, esses organismos so ativos na natureza;

    Exemplos de impacto:

    Morris et al. (Nature, 2002): SAR 11, ser vivo mais abundante do planeta, no-cultivvel.

    Nitrificao:Bactrias Nitrosomonas e Nitrobacter (Winogradsk