Fatores bióticos: Interações microbianas Interações: espécies, populações e comunidades. Sucessão ecológica

Fatores Bióticos Fatores bióticos são os elementos causados pelos organismos em um ecossistema que condicionam as populações que o formam. Ex: A existência de uma espécie em número suficiente para assegurar os níveis de nutrientes de outra. Muitos fatores bióticos se traduzem nas relações ecológicas como a predação, parasitismo e competição.

Escalas e conceitos Níveis de organização (Odum, 1988) (Odum, 1988)

Indivíduos: são os próprios microrganismos. Níveis de organização Indivíduos: são os próprios microrganismos. Populações: grupo de indivíduos com características e origem comuns (mesma espécie, mesma ancestralidade ) Comunidades: consiste de populações ocupando um habitat particular. Ex: comunidade da rizosfera, do rúmen Ecossistemas: compreende a comunidade junto com seu ambiente físico (fatores abióticos) Estrutura: produtores – micro-consumidores – macro-consumidores - decompositores Biosfera: compreende todos os ambientes e organismos do planeta.

Espécie: Conceito antigo: Indivíduos com a mesma constituição genética. Conceito antigo: Estirpes - apresentam cerca de 70 % ou mais de homologia no seu DNA.

População Grupo de microrganismos da mesma espécie que ocupam uma determinada área. (mesma constituição genética, usam os mesmos substratos, ocupam o mesmo nicho ecológico)

Características das populações Densidade 2. Velocidade de crescimento e mortalidade 3. Potencial biótico (máx. capacidade de multiplicação) 4. Padrões internos de distribuição 5. Estratégias de uso da energia (r e K) 6. Dispersão

Estratégias de sobrevivência e crescimento Adaptações estruturais Lagos alcalinidade extrema Lagos salinidade extrema Emanações termais Solos desérticos Pressão extrema Adaptações nutricionais Estratégias de reprodução r e K  

Estratégia de reprodução r/K é um modelo de seleção de características Que promovem o sucesso em determinados ambientes. As pressões seletivas orientam a evolução para duas direções: à seleção r ou à seleção K. Estes termos derivam de modelo da dinâmica populacional:                      N = população, r = fator crescimento, e K = capacidade de carga (freio) do ambiente. As espécies com estratégia “r” exploram nichos ecológicos vazios e produzem um número elevado de descendentes a cada ciclo. As espécies com estratégia demográfica “K” são competidoras com outras espécies, e geram descendentes com maior probabilidade de sobrevivência.

Características biológicas para crescimento e sobrevivência Estrategista r Estrategista K Elevada velocidade de reprodução Baixa velocidade de reprodução Elevado nível nutricional Baixo nível nutricional Elevadas populações Baixas populações Amplas flutuações populacionais Populações mais constantes Ex: blooms de cianobactérias quando aumentam os fosfatos. Pseudomonas quando aumenta fonte de carbono. Spirillum e Vibrio em águas marinhas. Bactérias que produzem prosteca em lagos oligotróficos.

Interações dentro da população Existe um relacionamento positivo entre a aptidão individual e os números de indivíduos da mesma espécie. A medida que a densidade populacional aumenta, a sobrevivência e a produção também crescem (Lei de Allee). Cooperação Interações positivas: velocidade de crescimento aumenta.

Uma célula raramente supera as barreiras de defesa. Cooperação Ex: Patogenicidade associada a DMI (dose mínima infectiva) Na natureza são frequentemente observadas colônias em vez de células isoladas. Uma célula raramente supera as barreiras de defesa.

Na cooperação ocorrem Trocas genéticas que permitem: resistência a antibióticos resistência a metais utilização de substratos orgânicos incomuns Um agente inibidor é MENOS eficiente em culturas densas do que em culturas diluídas. Altas densidades celulares aumentam a eficiência da transformação, conjugação e transdução.

Comunidade o comportamento coletivo Conjunto de populações que ocorrem juntas no tempo e espaço. Grupo de diferentes espécies que exploram em conjunto os mesmos recursos ambientais (guildas). Sabe-se atualmente que as bactérias são encontradas em comunidades de diferentes graus de complexidade, geralmente compondo um biofilme.

Características das comunidades Sinergismo Auto-regulação Comunalismo Homeostase

Auto-regulação e sinergismo Capacidade de definir espontaneamente a estrutura (composição das espécies), a arquitetura (arranjo espacial das espécies) e sua manutenção. Sinergismo Capacidade de conversão mais eficiente de recursos abióticos em recursos bióticos da comunidade quando em associação do que individualmente. Quorum sensing

Comunalismo e homeostase Formação de zonas de contato que criam faixas de tensão entre diferentes populações. Maior número de nichos. Constituição de um ambiente favorável inserido em um macro-ambiente desfavorável. Quando a luz solar é intensa e a temperatura atmosférica sobe, o fitoplâncton da superfície oceânica prolifera e produz mais dimetilo de enxofre, que age como núcleo de condensação de nuvens aumentando o albedo do planeta.

Como se formam as comunidades? Interdependência célula Redutor de sulfato Oxidantes do S População 1 População 2

Processo de sensoriamento químico dependente da densidade populacional Qual o “gatilho” para a formação da comunidade? Quorum sensing Processo de sensoriamento químico dependente da densidade populacional QUORUM - número mínimo de participantes requeridos para que uma ação possa ocorrer

Quorum sensing Teve início com estudos da simbiose entre animal marinho e Vibrio fischeri Sinal-AHL (lactona) Nealson, K.; Platt, T.; Hastings, J.W. (1970). "The cellular control of the synthesis and activity of the bacterial luminescent system". Journal of Bacteriology 104 (1): 313–322

Mecanismo de Quorum Sensing: Realizado por meio de pequenas moléculas, denominadas autoindutores (AI). Em Gram negativas os autoindutores são do tipo N-acil homoserina lactonas (AHL), pequenas moléculas que se difundem livremente nas células. Em Gram positivos, correspondem a pequenos peptídeos que se ligam a receptores localizados na superfície das células bacterianas. Etapas: Durante o crescimento, todas as células produzem e liberam uma pequena quantidade de autoindutores. Quando a população se encontra na fase logarítmica, a quantidade de autoindutor alcança uma concentração limite, suficiente para disparar o processo de alteração da expressão gênica.

Funções controladas por QS Frutificação em fungos Produção de antibióticos por Streptomyces Competência genética em Streptococcus Diferenciação dos biofilmes de Pseudomonas aeruginosa Transferência de DNA para outros organismos Expressão de fatores de virulência Formação de heterocistos em Anabaena (fixação de N)

Comunidades microbianas em biofilmes Comunidades complexas de microrganismos associadas à superfícies ou interfaces Podem incluir bactérias, fungos, protozoários e outros microrganismos. Importantes na saúde, indústria, biotecnologia e ambiente

Biofilmes 80 % das infecções hospitalares Sub-superfícies (profundezas terrestres) Trato gastrointestinal de mamíferos e insetos Bolsas sub-gengivais, dentes Fumarolas hidrotermais Rizosfera Ductos, tratamento de água e efluentes Implantes médicos (marca-passos, cateteres, válvulas cardíacas)

Formação do biofilme 5 estágios (http://vsites. unb Início Quorum sensing

Onde se formam os biofilmes? Superfícies úmidas Superfícies dos tecidos em seres vivos Interfaces líquido-ar Bacteria Algas Polímero

Biofilme em dutos (Http://www.edstrom.com/waterqualitybulletins.cfm) Bactérias desenvolvem colônias cooperativas ou "consócios" dentro do biofilme: um biolfilme anaeróbio se desenvolve abaixo de um biofilme aeróbio. O fluxo turbulento destaca células que seguem o fluxo da água.

Biofilmes em tecidos Klebsiella pneumoniae e Pseudomonas aeruginosa (infecções respiratórias crônicas em pacientes com fibrose cística) Estudos sugerem que a formação de biofilme é um fator de virulência importante. Bactérias crescendo no interior de biofilmes são mais resistentes aos antibióticos.

Biofilmes em “tapetes” microbianos Participam na produção primária e na formação de rochas sedimentares Tapetes microbianos são comunidades compostas principalmente de procariotos fotossintetizantes A principal diferença entre tapetes microbianos e outros biofilmes é sua dependência em relação a fotossíntese como sua fonte primária de energia.

Biofilmes em animais Placa dentária corada com iodo Microrganismos no intestino de ratos Placa dentária corada com iodo

Biofilmes em plantas Rizobactérias Promovem o crescimento de plantas: pela produção de sideróforos, assimilação de minerais, produção de hormônios e fixação de nitrogênio.

Como impedir a formação de biofilmes? Síntese de anti-biofilmes Furanonas naturais (algas, plantas) interferem com AHL Cobrir as superfícies com drogas anti-biofilmes Sensibilizar as bactérias nos biofilmes aos antibióticos

Dificuldades técnicas para análises in situ Informações escassas Comunidades microbianas são complexas Dificuldades técnicas para análises in situ

Construção de livrarias clonais Metagenômica (Análise funcional da coletividade de genomas microbianos) Estudo de microbiota não cultivável (99 %) Sequenciamento “shotgun” do DNA total da amostra ambiental. Construção de livrarias clonais Outras Microarranjos Proteômica Seleção de sequências funcionais

Metagenômica Comunidades estudadas complexo simples 1,2 milhões de novos genes, 148 novas espécies

O modelo das culturas puras Crescimento planctônico Fisiologia Patogênese Crescimento bacteriano em cultura pura em meio líquido Estudos in vitro

Artifício Koch e o desenvolvimento dos meios sólidos Gerações de microbiologistas basearam suas descobertas em cultura puras. Mas na Natureza raramente os microrganismos se encontram na forma de culturas puras

Evolução das comunidades com o tempo Sucessões ESTABILIDADE Depende: Interações Inter-relações Adaptações

Tipos O que são sucessões? Primárias - habitat não colonizado É a troca de um tipo de comunidade  por outra, em resposta a modificações  no meio, que afetam o habitat, levando  ao  estabelecimento final de uma microbiota estável ou comunidade clímax. Primárias - habitat não colonizado Ex: Trato gastrointestinal de recém nascido Tipos Secundárias - habitat com prévia colonização Ex: Solo agrícola

Exemplo de sucessões Comunidades do trato gastrointestinal humano O trato GI do recém nascido é estéril. Pioneiros (Lactobacillus) colonizam (sucessão primária), crescem e mudam o ambiente. Anaeróbios facultativos (E. coli e S. faecalis) substituem os pioneiros (sucessão secundária). Bacteroides dominam a comunidade clímax – estágio final de equilíbrio, depois da ingestão de alimentos sólidos. Em ruminantes a comunidade clímax inclui decompositores de celulose (Bacteroides, Ruminococcus), degradadores de proteína (Veillonella), degradadores de amido (Selenomonas) e produtores de metano (Methanobacterium).

Interações positivas Sinergismo (sintrofismo ou protocooperação) Intercâmbio de compostos entre duas populações, favorecendo a ambos, sem ocorrência de simbiose. Ex.: Animais e microrganismos degradadores de celulose Térmitas Rúmen Invertebrados-algas Outras: Comensalismo (aproveitamento dos resíduos) Mutualismo ou simbiose (fungos e algas)

Associação não é obrigatória Traz benefícios a ambas populações A e B Sinergismo - Síntese de um produto ou via metabólica que nenhuma das populações é capaz de fazer isoladamente.

Interações negativas (entre populações nas comunidades) Competição (por nutrientes): Inibição da germinação dos esporos no solo Modificações na composição da atmosfera Amensalismo (antibiose) Produção de substâncias inibitórias ou tóxicas. Antibíóticos, ácido láctico. Predação: protozoários e invertebrados em bactérias Parasitismo: virús em bactérias, quitrídios em outros fungos.

dificilmente atingem o clímax Flutuações amplas dificilmente atingem o clímax Mudanças ambientais Emigração Extinção

Relações microrganismos-hospedeiro