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Geomicrobiologia

Geomicrobiologia é o campo científico na interseção entre geologia e microbiologia e uma importante subárea da geobiologia. Ela trata do papel dos microrganismos e dos efeitos de minerais e metais no crescimento, atividade e sobrevivência microbiana.[2] Essas interações ocorrem na geosfera (rochas, minerais, solos e sedimentos), na atmosfera e na hidrosfera.[3] A geomicrobiologia estuda microrganismos que impulsionam os ciclos biogeoquímicos da Terra.[4] As aplicações incluem, por exemplo, biorremediação,[5] mineração, mitigação das mudanças climáticas[6] e o fornecimento público de água potável.[7]

O cocolitóforo pode se tornar um importante sumidouro de carbono à medida que a acidez do oceano aumenta.[1]

Estudo

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Estromatólito do Paleoarqueano (3,35–3,46 bilhões de anos) da Austrália Ocidental.

Um campo comum de estudo dentro da geomicrobiologia é a origem da vida na Terra ou em outros planetas. Diversas interações entre rochas e água, como serpentinização e radiólise da água,[8] são fontes potenciais de energia para sustentar comunidades microbianas na Terra primitiva e em outros corpos planetários, como Marte, Europa e Encélado.[9][10]

As interações entre microrganismos e sedimentos registram algumas das primeiras evidências de vida na Terra. Informações sobre a vida durante a Terra Arqueana estão preservadas em fósseis bacterianos e estromatólitos encontrados em litologias precipitadas, como sílex ou carbonatos.[11][12] Evidências adicionais de vida primitiva, cerca de 3,5 bilhões de anos atrás, podem ser encontradas na Austrália, indicando que parte da vida mais antiga ocorreu em fontes termais.[13] As estruturas sedimentares induzidas microbianamente (MISS) são encontradas em registros geológicos com até 3,2 bilhões de anos de idade. Elas são formadas pela interação de tapetes microbianos e dinâmicas físicas do sedimento.[14]

Extremófilos

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As cores no Parque Nacional de Yellowstone são devidas aos tapetes de bactérias termofílicas.[15]

Outra área de investigação na geomicrobiologia é o estudo de organismos extremófilos, microrganismos que prosperam em ambientes normalmente considerados hostis à vida. Esses ambientes podem incluir locais extremamente quentes (como fontes termais ou fontes hidrotermais de dorsal meso-oceânica), ambientes extremamente salinos ou até mesmo ambientes espaciais, como o solo marciano ou cometas.[4]

Pesquisas em ambientes de lagoas hipersalinas no Brasil e na Austrália, bem como em lagos levemente salinos no noroeste da China, mostraram que bactérias anaeróbias podem estar diretamente envolvidas na formação de dolomita.[16] Isso sugere que a alteração e substituição de sedimentos de calcário pela dolomitização em rochas antigas pode ter sido auxiliada pelos ancestrais dessas bactérias anaeróbias.[17] Em julho de 2019, um estudo científico da Mina Kidd no Canadá descobriu organismos que respiram enxofre e vivem a 2.400 metros de profundidade. Esses organismos são notáveis também por se alimentarem de rochas, como a pirita.[18][19][20]

Interação

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Sabe-se que os microrganismos impactam os aquíferos ao modificar suas taxas de dissolução.[21] No aquífero da crosta oceânica, o maior da Terra,[22] comunidades microbianas podem impactar a produtividade dos oceanos, a química da água do mar, assim como o ciclo geoquímico em toda a geosfera. Os minerais afetam a composição e abundância dessas comunidades microbianas presentes no subsolo oceânico.[23]

Uso ambiental

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Microrganismos estão sendo estudados e usados para degradar poluentes orgânicos e até mesmo resíduos nucleares (como Deinococcus radiodurans) e auxiliar na limpeza ambiental. Uma aplicação da geomicrobiologia é a biolixiviação, que utiliza microrganismos para extrair metais de resíduos de minas.

Solo e sedimento

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 Ver artigo principal: Biorremediação
 
Dois cientistas preparam amostras de solo misturado com óleo para testar a capacidade de um microrganismo de limpar solo contaminado

É usado em solos para remover contaminantes e poluentes. Microrganismos desempenham um papel fundamental em muitos ciclos de biogeoquímica e podem afetar diversas propriedades do solo, como a biotransformação de minerais, toxicidade, entre outros. Os microrganismos desempenham um papel na desintoxicação de diversos elementos, como metais, radionuclídeos, enxofre e fósforo. Treze metais são considerados poluentes prioritários (Sb, As, Be, Cd, Cr, Cu, Pb, Ni, Se, Ag, Tl, Zn, Hg).[2]

Muitos metais pesados, como o cromo (Cr), em baixas concentrações, são micronutrientes essenciais no solo, porém podem ser tóxicos em concentrações mais altas. Metais pesados são adicionados ao solo por várias fontes, como a indústria e/ou fertilizantes. Os níveis de toxicidade e biodisponibilidade do cromo dependem dos estados de oxidação do cromo.[24] Duas das espécies de cromo mais comuns são Cr(III) e Cr(VI). O Cr(VI) é altamente biodisponível e mais tóxico para a flora e a fauna, enquanto o Cr(III) é menos tóxico e precipita facilmente em solos com pH >6.[25] Utilizar microrganismos para facilitar a transformação de Cr(VI) em Cr(III) é uma técnica ambientalmente amigável e de baixo custo para ajudar a mitigar a toxicidade no meio ambiente.[26]

Minas

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 Ver artigo principal: Drenagem ácida de minas

Outra aplicação da geomicrobiologia é a biolixiviação. Esse processo remove metais pesados dos resíduos das minas, que é um dos principais problemas ambientais associados à drenagem ácida de minas (junto com o baixo pH).[27] Técnicas de biorremediação também são utilizadas em água superficial e água subterrânea contaminadas. Estudos mostraram que a produção de bicarbonato por microrganismos, como as bactérias redutoras de sulfato, adiciona alcalinidade para neutralizar a acidez das águas de drenagem das minas.[5] Íons de hidrogênio são consumidos enquanto bicarbonato é produzido, o que leva a um aumento no pH (redução da acidez).[28]

Hidrocarbonetos

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 Ver artigo principal: Degradação microbiana

Microrganismos podem afetar a qualidade de depósitos de óleo e gás através de seus processos metabólicos. Microrganismos podem influenciar o desenvolvimento de hidrocarbonetos estando presentes no momento da deposição dos sedimentos ou dispersando-se para colonizar reservatórios após a geração dos hidrocarbonetos.[29]

Referências

  1. ↑ Smith, H. E. K.; Tyrrell, T.; Charalampopoulou, A.; Dumousseaud, C.; Legge, O. J.; Birchenough, S.; Pettit, L. R.; Garley, R.; Hartman, S. E.; Hartman, M. C.; Sagoo, N.; Daniels, C. J.; Achterberg, E. P.; Hydes, D. J. (21 de maio de 2012). «Predominance of heavily calcified coccolithophores at low CaCO3 saturation during winter in the Bay of Biscay». Proceedings of the National Academy of Sciences. 109 (23): 8845–8849. Bibcode:2012PNAS..109.8845S. PMC 3384182 . PMID 22615387. doi:10.1073/pnas.1117508109  
  2. ↑ a b Gadd, GM (2010). «Metals, minerals and microbes: geomicrobiology and bioremediation». Microbiology. 156 (3): 609–43. PMID 20019082. doi:10.1099/mic.0.037143-0  
  3. ↑ U.S. Geological Survey (2007). «Facing tomorrow's challenges - U.S. Geological Survey science in the decade 2007-2017». U.S. Geological Survey Circular. 1309: 58 
  4. ↑ a b Konhauser, K. (2007). Introduction to geomicrobiology. Malden, MA: Blackwell Pub. ISBN 978-1444309027 
  5. ↑ a b Kaksonen, A.H.; Puhakka, J.A (2007). «Sulfate Reduction Based Bioprocesses for the Treatment of Acid Mine Drainage and the Recovery of Metals». Engineering in Life Sciences. 7 (6): 541–564. doi:10.1002/elsc.200720216 
  6. ↑ «Mitigation of Climate Change in Agriculture (MICCA) Programme | Food and Agriculture Organization of the United Nations». www.fao.org. Consultado em 2 de outubro de 2019 
  7. ↑ Canfield, D.E.; Kristensen, E.; Thamdrup, B. (2005). Aquatic geomicrobiology. Advances in Marine Biology. 48 Transferred to digital print ed. London: Elsevier Acad. Press. pp. 1–599. ISBN 978-0121583408. PMID 15797449. doi:10.1016/S0065-2881(05)48017-7 
  8. ↑ Colwell, F.S.; D'Hondt, S. (2013). «Nature and Extent of the Deep Biosphere». Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 75 (1): 547–574. Bibcode:2013RvMG...75..547C. doi:10.2138/rmg.2013.75.17 
  9. ↑ McCollom, Thomas M.; Christopher, Donaldson (2016). «Generation of hydrogen and methane during experimental low-temperature reaction of ultramafic rocks with water». Astrobiology. 16 (6): 389–406. Bibcode:2016AsBio..16..389M. PMID 27267306. doi:10.1089/ast.2015.1382 
  10. ↑ Onstott, T.C.; McGown, D.; Kessler, J.; Sherwood Lollar, B.; Lehmann, K.K.; Clifford, S.M. (2006). «Martian CH4: Sources, Flux, and Detection». Astrobiology. 6 (2): 377–395. Bibcode:2006AsBio...6..377O. PMID 16689653. doi:10.1089/ast.2006.6.377 
  11. ↑ Noffke, Nora (2007). «Microbially induced sedimentary structures in Archean sandstones: A new window into early life». Gondwana Research. 11 (3): 336–342. Bibcode:2007GondR..11..336N. doi:10.1016/j.gr.2006.10.004 
  12. ↑ Bontognali, T. R. R.; Sessions, A. L.; Allwood, A. C.; Fischer, W. W.; Grotzinger, J. P.; Summons, R. E.; Eiler, J. M. (2012). «Sulfur isotopes of organic matter preserved in 3.45-billion-year-old stromatolies reveal microbial metabolism». PNAS. 109 (38): 15146–15151. Bibcode:2012PNAS..10915146B. PMC 3458326 . PMID 22949693. doi:10.1073/pnas.1207491109  
  13. ↑ Djokic, Tara; Van Kranendonk, Martin J.; Campbell, Kathleen A.; Walter, Malcolm R.; Ward, Colin R. (2017). «Earliest signs of life on land preserved in ca. 3.5 Ga hot spring deposits». Nature Communications. 8: 15263. Bibcode:2017NatCo...815263D. PMC 5436104 . PMID 28486437. doi:10.1038/ncomms15263 
  14. ↑ Noffke, Nora; Christian, Daniel; Wacey, David; Hazen, Robert M. (2013). «Microbially Induced Sedimentary Structures Recording an Ancient Ecosystem in the ca. 3.48 Billion-Year-Old Dresser Formation, Pilbara, Western Australia». Astrobiology. 13 (12): 1103–1124. Bibcode:2013AsBio..13.1103N. PMC 3870916 . PMID 24205812. doi:10.1089/ast.2013.1030 
  15. ↑ Thomas D. Brock. «Colorful Yellowstone». Life at High Temperatures. Cópia arquivada em 25 de novembro de 2005 
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Leitura adicional

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  • Ehrlich, Henry Lutz; Newman, Dianne K., eds. (2008). Geomicrobiology. 5th ed. Hoboken: Taylor & Francis Ltd. ISBN 978-0849379079 
  • Jain, Sudhir K.; Khan, Abdul Arif; Rai, Mahendra K. (2010). Geomicrobiology. Enfield, NH: Science Publishers. ISBN 978-1439845103 
  • Kirchman, David L. (2012). Processes in microbial ecology. Oxford: Oxford University Press. ISBN 978-0199586936 
  • Loy, Alexander; Mandl, Martin; Barton, Larry L., eds. (2010). Geomicrobiology molecular and environmental perspective. Dordrecht: Springer. ISBN 978-9048192045 
  • Nagina, Parmar; Ajay, Singh, eds. (2014). Geomicrobiology and Biogeochemistry. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. ISBN 978-3642418372 
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