O documento resume as principais informações sobre Archaea oxidadoras de amônia (AOA), incluindo sua descoberta, fisiologia, bioquímica e genômica comparativa. As AOA desempenham um papel importante no ciclo do nitrogênio e competem com bactérias oxidadoras de amônia por substratos como amônia. Sua fisiologia extremamente oligotrófica lhes permite ocupar muitos habitats diferentes.

1. Archaea Oxidadoras de
Amônia
Leandro Nascimento Lemos
Thiago Nepomuceno Silva
Vanessa Feitosa Viana da Silva

3. • Maioria das Archaea são extremófilas, com
espécies capazes de crescer em altas
temperaturas, salinidades e condições de
pH extremas para muitos micro-
organismos.
Archaea

4. Archaea

5. Archaea
Fonte: Microbiologia de Brock, 13°ed.

6. Fonte: Microbiologia de Brock, 13°ed.

7. Fonte: Microbiologia de Brock, 13°ed.

8. Parede celular de Archaea
Pseudomureína
Polímeros de glicose
Ácido glucorônico
Ácido galactosamina urônica
Acetato
Camada de superfície paracristalina

9. Descobertas
1999
Descoberta do processo de Oxidação anaeróbia da amônia.

10. Oxidação da Amônia
• Acreditava-se que somente as bactérias eram responsáveis
por esse processo
Beta e gamma-proteobactérias
AOB- ammonia-oxidizing bacteria

11. Archaea oxidadoras de amônia
2005
Descrição da primeira Archaea oxidante de amônia.
Oxidação aeróbia da amônia nitrito (NO2
-)

12. História da descoberta de AOA
 Estudo da diversidade bacteriana num sistema de reator
nitrificante e sedimento de rio:
 Amplificação do gene 16S rRNA bacteriano falhou.
 Amplificação do gene 16S rRNA de um grupo de Archaea
marinha (grupo 1 marinho: crenarchaeota).
 Então, essa população fortemente associada ao grupo 1 de
crenarchaeota foi implicada na oxidação da amônia.

13. • Após uma série de experimentos a primeira cultura pura
foi obtida  Nitrosopumilus maritimus
• Pequeno organismo marinho;
• Archaea marinha planctônica;
• Importância biogeoquímica das Archaea marinhas
Mistério Sequenciamento de metagenomas de organismos marinhos
Archaea oxidadora de amônia

14. Diversidade filogenética
• Subsequentes análises do gene 16S rRNA:
• Revelou a presença do grupo 1 de Archaea distribuídos em
vários habitats coluna d ’ água marinha, estuários,
sedimentos e solos.
• Ensaios em cultura significante fonte de carbono
inorgânico em águas marinhas profundas e capacidade
para assimilar material orgânico.

16. • Sequenciamento completo do genoma permitiu que
alinhassem sequências concatenadas de proteínas
ribossomais.
• Permitiu a criação de uma nova divisão dentro de Archaea.
• Compreende todas as Archaea oxidantes de amônia.
Thaumarchaeota:
Uma nova divisão dentro de Archaea

17. Hábitats ocupados
• Análise do gene amoA
• Os hábitats ocupados por AOA excedem àqueles
compreendidos por bactérias oxidadoras de amônia.
• Representante mesófilos e termófilos:
 A existência de AOA termófila foi indicada pelo diagnóstico
de crenarchaeol associado com o grupo 1 marinho e pela
amplificação do homólogo de amoA de Archaea em fossas
termais.

18. Fonte: paporecicladocomricardoinez.blogspot.com
(1-5% de todos os
procariotos
Fonte: blogdogutemberg.blogspot.com
(20-40% bacterioplâncton
marinho)
Fonte:noisnaniuzila.wordpress.com
Crescimento a temperaturas acima de
74°C
Fonte: covildokoiote.blogspot.com Fonte: impactosambientais.no.sapo.pt
Geotermal

19. Fonte: Microbiologia de Brock, 13° edição.
Ciclo do nitrogênio

20. Ciclo do nitrogênio
Fixação do nitrogênio
Amonificação
Nitrificação
Requer alta energia para clivar a ligação
N2 ou N2O Desnitrificação
Prejudicial na agricultura
Importante no tratamento de efluentes
Decomposição de compostos orgânicos nitrogenados
NH3 NO2
-  NO3
-
Anammox Oxidação anaeróbia NH3 + NO2
-  N2 bactérias (AOB)

21. Fisiologia
pH neutro Km NH3 = 3 nM
Km  Afinidade
[NH3] > 1 mM
Nitrosopumilus maritimus
Oligotróficos extremos
Km (NH3+NH4
+) = 132
nM
1 NH3 + 1.5 O2  1 NO2
−+ H2O + H+
= AOB
Reação de oxidação da NH3

22. Afinidade por NH3
>50% de atividade
máxima
1 Könneke, et al.,2005. Isolation of an autotrophic ammonia-oxidizingmarine archaeon. Nature 437:543-546.
200mM
NH4
+
NH4OH
Nitrososphaera gargensis

23. Fisiologia
Km
AOB
200x
Km
N.
maritimus
Afinidade NH3
= 69.000 L/gh
MAIOR AFINIDADE DE UM MICRO-
ORGANISMO POR UM SUBSTRATRO

24. Fisiologia
AOA  Oligotróficas extremas
Populações marinhas [NH3]  nM
NH3 AOB
Competição

25. Afinidade por O2
N. maritimus Micro-organismo
Aeróbios (~4μM)
=
AOA NO2
-
Oxidadoras de NH3
anaeróbicas
Zonas com O2
Afinidade
O2 maior

26. AOA de solo
Poucos dados fisiológicos  cultura recentemente
Nitrososphaera viennensis
[NH3] N. maritimus
Capaz de iniciar o crescimento em concentrações > 10mM
Nitrito  3mM Crescimento Metabólito ou
Intermediário
É observado in situ
AOA cresce em várias [NH3] AOB [NH3] inicial

27. Concentração total de NH3/NH4
+  7 mg NH3-N/L (pH 8)
= 100 mg N total/L 0.0007 mg NH3-N/L (pH 4)
AOA Acidófila
Nitrosotalea devanaterra
• 1º oxidador de NH3 acidófilo
• Encontrado em solos ácidos
• pH ótimo 4 a 5
• Taxas de nitrificação  solos
ácidos
AOB
NH4
+ é o substrato
NH3 é o substrato
1 un de pH
10x NH3

28. Fisiologia
Esta preferência, ou requisito, de NH4
+ pode ser verdade
para populações marinhas
Valor de meia
saturação = 100mM
NH4
+
[NH3] = 1-3 mM pH 7
N. maritimus
Catabolismo
(oxidação) de NH3
Anabolismo
(assimilação)
≠

29. Solo
taxas de nitrificação
Estudos moleculares (amoA)
abundância e
atividade
nitrificadores
AOBAOA
Competição
Sistemas  altas
adicões diretas de NH3
inorgânico
Sistemas 
Mineralização
AOA AOB
Competição
Afinidade
NH3

30. Fisiologia
Quimioautotróficos e
oligotróficos extremos
Elemento-chave
Nitrificação
Taxa de oxidação
da NH3
Limita a velocidade
da nitrificação
Interações tróficas
Ciclo do
nitrogênio
Função chave
NO2
– + NH3  2 N2

31. Fisiologia
Archaea
Altas Temp.pH ácidoBaixa [NH3]
Ciclo do N
totalmente
funcional
Nº maior
de
habitats

32. Fisiologia
Se compete eficazmente
Oceanos
AOA
Fitoplânctons
Heterotróficos
Autotróficos
AOA
Plantas
Micro-
organismos
Solos
Então, a assimilação da NH3 é uma via de menor
importância para o metabolismo de NH3 através da
mineralização da matéria orgânica

33. Fisiologia
• Assim, AOA deve forçar outros grupos a investir no
poder de redução de NO3
-/NO2
-  NH3 para a
biossíntese.
• A resolução  assimilação vs oxidação da NH3  é de
grande importância para um melhor entendimento dos
controles dos micro-organismos da forma de nitrogênio e
disponibilidade associada a micro e macrobiota em
ambos os sistemas marítimos e terrestres.

34. Autotróficos, Mixotróficos e
Heterotróficos?
• Nitrososphaera gargensis e Nitrososphaera viennensis
usam CO2 como única fonte de C.
• Foram encontrados genes relacionados com assimilação
autotrófica de carbono.
• Estudos com CO2 com 13C  encontrados na Archaea.

35. • Alguns AOA usam compostos orgânicos porém outros
são inibidos.
• Captação de aminoácidos por Archaea planctônicas.
• Estudos com isótopos em comunidades do oceano
Atlântico também indica esta captação de aminoácidos.
Autotróficos, Mixotróficos e
Heterotróficos?

36. Autotróficos, Mixotróficos e
Heterotróficos?
• Aumento no crescimento de N. viennensis em cultura
com adição de piruvato.
• Genes do CAC foram encontrados em N. maritimus
como transportadores de aminoácidos,
dipeptídeos/oligopeptídeo.

37. Genômica comparativa
• Apenas oito espécies foram isoladas;
• Seis genomas disponíveis em banco de dados públicos.

38. Genômica comparativa
• Apenas oito espécies foram isoladas;
• Seis genomas disponíveis em banco de dados públicos.

39. Três diferenças principais nos sistemas de oxidação da amônia e
na fixação do carbono:
•Cobre é o principal metal redox ativo (mais que o ferro);
•Ausência de qualquer homólogo de oxirredutases bacterianas
(hydroxylamine oxireductase, HAO) responsáveis pela oxidação
da hidroxilamina em nitrito;
•Variações no Ciclo do Carbono.
Genômica comparativa

40. • Oxidação da amônia em bactérias (e.g., Nitrosomonas
europaea);
• Amônia é oxidada em NH2OH pelo complexo enzimático
AMO (genes amoC, amoA e amoB)
• Hidroxilamina é oxidada em Nitrito no periplasma.
Bioquímica

41. Bioquímica
Intermediário no processo oxidativo:
•Hydroxylamine:

42. • Três vias alternativas (1) e (2) indicando a presença
hidroxilamina e (3) indicando a presença de HNO;
• (1) e (2) diferem na obtenção de elétrons para dar início a
oxidação da amônia pela AMO;
• (1) bacterial type;
Bioquímica

43. • Três vias alternativas (1) e (2) indicando a presença hidroxilamina e (3) indicando a
presença de HNO;
• (1) e (2) diferem na obtenção de elétrons para dar início a oxidação da amônia pela
AMO;
• NO, produzido pela redução do nitrito, na presença de CuNIR, seria o "gerador" de
elétrons.
Bioquímica

44. • Três vias alternativas (1) e (2) indicando a presença hidroxilamina e (3) indicando a
presença de HNO;
• (1) e (2) diferem na obtenção de elétrons para dar início a oxidação da amônia pela
AMO;
• (3) Presença de HNO;
Bioquímica

45. Bioquímica
• Análises genômicas: Via metabólica única para oxidação do NH3, sendo o Cobre
(Cu) o maior metal redox ativo;
• O produto da oxidação do NH3 não parece ser NH2OH, ou alternativamente,
Thaumarchaeota usam um sistema distinto para oxidação e transferência de
elétrons de NH2OH;
• Investigar o metabolismo de NH2OH em Nitrosopumilus maritimus;

46. Bioquímica
• Oxidação da Amônia NH3 em NO2- por N. maritimus via
NH2OH;
• NH2OH é produto da oxidação da amônia.

47. Genômica comparativa: ciclo celular
Genes homólogos aos presente nos sistemas CdvABC
(eucariotos) e FtsZ (bactérias e outros grupos de arquéias);
• AOA apresentam ambos os sistemas;
• Citometria de fluxo e imunoflorescência para analisar o ciclo
e divisão celular de N. maritimus;

48. Genômica comparativa: ciclo celular
•AOA apresentam ambos os sistemas; Expressão de CdvA, CdvB e CdvC estão
associadas ao ciclo celular;
•Sistema Cdv (ESCRT-III-like) em N. maritimus;
•FtsZ (?): segregação e crescimento celular (?);

49. Genômica comparativa: ciclo celular
•Divisão celular lenta (15 - 18h): adaptação em ambientes com limitação extrema de
nutrientes;

50. Química atmosférica
•Maior produção de (N20) em oceanos por AOA;

51. Obrigado!!!