Microbiologia do Solo.

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1 Microbiologia do Solo

2 Microrganismos do Solo
Bactérias grupo mais numeroso e diversificado: 3 x 106 a 5 x 108 por g de solo seco Gêneros mais frequentes: Bacillus, Clostridium, Arthrobacter, Pseudomonas, Nocardia, Streptomyces, Micromonospora, Rizóbios Cianobactérias: pioneiras, fixação N2 Fungos: 5 x x 105 por g de solo seco Limitados a superfície Gêneros mais frequentes: Penicillium, Mucor, Rhizopus, Fusarium, Aspergillus, Trichoderma Algas, protozoários e vírus

3 1 Pg = 1,000,000,000,000 kg

4 CO2 na atmosfera/ano (bilhões de toneladas)
Outros

5 Fixação/liberação de C
Produção 1ª: conversão de C inorgânico a C orgânico (fungos e bactérias que decompõem MO) Respiração/decomposição/combustão retorna C a atmosfera Fixação > que consumo (respiração) = acúmulo de C orgânico Fixação < que consumo (respiração) = declínio das populações Fixadores: fotossintetizantes, oxidantes/redutores de S, Fe, etc. Relações tróficas: C e Energia transferidos (10%) Decomposição de MO vegetal depende da: T, pH, natureza química, condições ambientais, [O2], etc.

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7 (ppm)

8 Microrganismos e o aquecimento
Aumentos das temperaturas: decomposição mais rápida (> emissão de CO2 que incorporação via fotossíntese) O degelo das capas polares pode estar trazendo de volta à vida formas virulentas de microrganismos que estavam dormentes no gelo O aumento da agropecuária - CH4 (Archaea, protozoários, leveduras, etc.) que vivem no estômago de ruminantes como ovelhas, gado, búfalos, camelos, etc. CH4 absorve 20% a mais de calor que CO2 Microrganismos e o aquecimento

9 Microrganismos e o aquecimento
Aumentos das temperaturas aumentam as áreas biogeográficas de certos microrganismos relacionados a doenças: malária, dengue, febre amarela, viroses, etc. Alteração temperatura da água dos oceanos: altera a dinâmica das populações inclusive as microbianas Áreas de tundra e do ártico estão com T mais elevadas, aumentando a produção de CH4 (Archaea metanogênicas) Microrganismos e o aquecimento

10 Formas de atenuar o problema
Fertilizar os oceanos com Fe e P para aumentar as populações de algas e outros microrganismos como cianobactérias dos gêneros Prochlorococcus e Synechococcus que absorvem quantidades enormes de CO2 Utilizar algas e microrganismos para a extração de biocombustíveis Utilizar microrganismos geneticamente modificados para aumentar a produtividade de plantas para extração de óleo (biocombustíveis)

11 Formas de atenuar o problema
Utilizar celulose (hemicelulose) para produzir etanol via aplicação microbiana Sulfolobus solfatarius - Archaea Trichonympha sp. - protozoário Trichoderma reesei – fungo

12 O ciclo do Nitrogênio

13 Fixação/liberação de N
5 processos principais que ciclam o N Fixação Absorção (crescimento dos organismos) Mineralização (decomposição) Nitrificação Desnitrificação

14 Fixação do N N2 (inorgânico) NH4+ ou NO3- (inorgânico)
Simbiontes como Rhizobium + legumes, Frankia + Alder, etc.: N em troca por carboidratos e ambiente favorável Fixadores de vida livre (ambientes aquáticos principalmente): Cyanobacteria, Azotobacter, Clostridium Fogo, lava, queima de combustíveis fósseis Processo Haber-Bosch (produção de uréia)

15 Absorção do N NH4+ (inorgânico) N orgânico
NH4+ é rapidamente incorporado em proteínas e outros compostos nitrogenados orgânicos pelas plantas ou organismos do solo

16 Mineralização do N N orgânico NH4+ (inorgânico)
Decomposição: N orgânico transformado em N inorgânico (NH4+) por fungos e bactérias - actinomicetos, fungos e bactérias modificam o N da MO de NH3+ a NH4+ Esse NH4+ usado por plantas ou transformado a NO2- e NO3- via nitrificação

17 Nitrificação NH4+ NO2- NO3-
Bactérias transformam amônio a nitrato ganhando energia Ocorre apenas em ambientes aeróbicos NH4+ se adsorve as partículas de solo com carga negativa NO3- é lixiviado com redução da fertilidade do solo e contaminação do lençol freático Nitrossomonas Nitrobacter

18 Desnitrificação NO3- NO2- NO N2O N2
Processo anaeróbico feito por bactérias desnitrificadoras N2O é um gás de efeito estufa Esta é a única transformação que remove N dos ecossistemas (irreversível) e faz o balanço do ciclo do N NO3- = nitrato NO2- = nitrito NO = nitróxido, óxido nítrico, monóxido de N N2O = óxido de dinitrogênio (gás do riso)

19 Atividades humanas Queima de florestas e de combustíveis fósseis colocando N na atmosfera Fertilização química e lixiviação (NO3- e cânceres – metahemoglobinemia: síndrome do bebê azul) Criação de animais com produção de NO3- que pode entrar nos corpos d’água e no solo Derrame de excrementos em corpos d’água

20 Atividades humanas Mudança da composição vegetal dos ecossistemas (redução da diversidade) Formação de ácido nítrico (HNO3) responsável, junto com dióxido de enxofre (SO2), pelas chuvas ácidas Altas concentrações de óxidos de N são precursores do ozônio da troposfera, o qual causa dano aos tecidos vivos (NO e N2O) Altas concentrações de N nos rios causando eutrofização, reduzindo a diversidade dos ecossistemas aquáticos

21 O ciclo do Fósforo O fósforo é essencial para plantas e animais na forma dos íons: PO43- (fosfato) HPO42- (ortofosfato) Faz parte de moléculas: ácidos nucléicos (DNA) energéticas (ATP e ADP) células lipídicas da estrutura do corpo de animais como fosfato de cálcio (ossos, dentes, etc.) na fotossíntese transporte de nutrientes

22 Fósforo Três formas principais de fósforo: Fósforo orgânico: na matéria viva, plantas, microrganismos, etc. Fósforo solúvel: disponível (orgânico bem como HPO42-). Menor proporção de P do solo Fósforo adsorvido: indisponível (anionicamente ligado a cátions de Al, Fe e Ca) O ciclo do fósforo tem 2 componentes principais que ocorrem em diferentes escalas de tempo: No componente local ele cicla nos ecossistemas em tempo ecológico Nos sedimentos ele faz parte da porção classificada em tempo geológico. Somente será mobilizado milhões de anos mais tarde

23 O ciclo do Fósforo

24 Atividades humanas Uso excessivo de fertilizantes
Contaminação das correntes de água pelo uso de ácido sulfúrico para extrair o fósforo das rochas Lixiviação contaminando lençóis freáticos causando eutrofização

25 Microbiologia da água

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27 O ambiente aquático Temperatura da água: superfície e subsuperfície
Luz (turbidez): principalmente algas e cianobactérias fotossintetizantes O2: zonas ôxicas e zonas anôxicas Pressão hidrostática: barotolerantes, barofílicos (enzimas, ácidos graxos, proteínas especiais de transporte) Salinidade: halofílicos pH: Archaea em ambientes extremamente acídicos Nutrientes: cargas orgânicas e inorgânicas, eutrofização, metais

28 + morna - densa + fria + densa
Fonte: Microbiologia de Brock; Madigan et al., 2004

29 Estimativas do número total nos oceanos: 1,3 x 1028 Archaea
3,1 x 1028 Bacteria Fonte: Microbiologia de Brock; Madigan et al., 2004

30 Microbiologia da água potável
Físicos Asbestos Resíduos industriais Câncer Argila suspensa Precipitação Interfere com tratamentos sanitários Químicos Metais pesados Indústrias Várias doenças Sulfatos Algicidas e minas Diarréias Nitratos Fertilizantes Metemoglobinemia Sódio Amaciantes de água Retenção de fluidos Doenças do coração Pesticidas Agricultura Várias doenças Clorofórmio Indústria Câncer Biológicos Bactérias Fezes e urina Febre tifóide Shigeloses Salmoneloses Gastroenterites Tularemia Leptospirose Vírus Fezes Hepatite Poliomielite Gastroenterites Protozoários Fezes Disinteria amébica Giardíase Balantidíase Poluentes Possível fonte Efeitos adversos Microbiologia da água potável Poluição água pode ser límpida, inodora e sem sabor e mesmo assim não ser potável devido à presença de contaminações Água potável: livre de microrganismos patogênicos e de substâncias químicas nocivas contaminantes: químicos físicos biológicos

31 Ac. hipoclórico Ac. hidroclórico

32 Microrganismos patogênicos na água
Bactérias Salmonella spp. Vibrio cholerae principais problemas associados à falta de cuidados sanitários Shigella spp. Yersinia enterocolitica: gastroenterite aguda Escherichia coli: linhagens patogênicas - enterites Clostridium perfringens: enterite, gangrena gasosa Vibrio parahaemolyticus: gastroenterites Pseudomonas aeruginosa: infecções nos olhos, ouvidos Staphylococcus aureus: infecções cutâneas, garganta e intoxicações alimentares Leptospira: hepatite, conjuntivite e insuficiência renal

33 Microrganismos patogênicos na água
Fungos aquáticos: saprófitas, parasitas de peixes oriundos do solo: leveduras Candida albicans: infecções da pele, mucosas fungos dermatófitos Geotrichum

34 Microrganismos patogênicos na água
Protozoários ciliados Giardia lamblia: esporos resistentes ao cloro amebas Entamoeba hystolytica

35 Microrganismos patogênicos na água
Vírus Hepatite A Gastroenterite infecciosa não bacteriana Poliomielite

36 Métodos de detecção da qualidade microbiológica da água
Microrganismos indicadores da qualidade da água Qual é o indicador ideal? útil para todos os tipos de água sempre presente nos lugares onde estão os patógenos entéricos sobreviver na água mais tempo (ou igual) que os patógenos entéricos não se reproduzir na água contaminada (algumas vezes se reproduz) o teste de detecção deve ser específico e sensível o teste de detecção deve ser de fácil execução o indicador deve ser não patogênico (nem sempre) o nível do indicador na água contaminada deve ser proporcional ao grau de poluição fecal

37 Escherichia coli e outros coliformes
Bactérias bastonetes Gram -, que fermentam a lactose (lac+) com produção de ácido e gás dentro de 24/48 h a 35/37ºC Escherichia coli: coliforme fecal Klebsiella pneumoniae: coliforme fecal Clostridum perfrigens: coliforme fecal

38 Metodologia de execução
Análise bacteriológica da água Metodologia: teste presuntivo (caldo lauril triptose) – 35 a 37o C – 24 hs – detectar a presença de coliformes na água – incentivar o crescimento de possíveis contaminantes fecais teste confirmativo (caldo lactosado com bile e verde brilhante) – 35 a 37o C – 48 hs – bile inibe crescimento de não entéricas enquanto o verde brilhante inibe crescimento de Gram + – confirmar presença de coliformes totais na água teste completo (EC e placas Mac Conkey) – 44,5o C – 24 hs – para E. coli – confirmar a presença de coliformes fecais na água Metodologia de filtragem e plaqueamento Metodologia de incubação com kits específicos

39 Microbiologia dos alimentos

40 Composição microbiana dos alimentos
Microbiota própria ou adquirida com o manuseio Frutos: Leveduras na casca das uvas - fermentação para fabricação do vinho pH 2,3-5,0 - baixa incidência de bactérias Carnes: Corte e manuseio - bactérias proteolíticas, lipolíticas, fungos Ocasionalmente patógenos: Clostridium perfringens, Staphylococcus aureus Leite: Microbiota característica do ambiente Bactérias como Pseudomonas, bactérias do ácido lático, leveduras, coliformes, bactérias esporulantes Infecções: Mastite Outros patógenos: Mycobacterium, Brucella, Salmonella, Coxiella

41 Composição microbiana dos alimentos
Principais processos de deterioração de alimentos por microrganismos Ranço: Alimentos ricos em gordura Microrganismos lipolíticos, principalmente bactérias Quebra das gorduras ácidos graxos glicerol Putrefação: Alimentos ricos em proteínas (p. ex. carnes) Bactérias proteolíticas Proteínas putrescina, cadaverina, H2S, NH3 Azedamento e coagulação: Leite Bactérias do ácido lático Lactose ácido lático + outros ácidos

42 Microorganismos e a deterioração
Fatores envolvidos na deterioração Físicos: luz, temperatura, pressão osmótica, pressão hidrostática Químicos: pH, O2 Biológicos: insetos, microrganismos, roedores O que causa a deterioração Microrganismos A ação das enzimas contidas nos alimentos A infestação por insetos, parasitas e roedores Temperaturas inapropriadas para a conservação Ganho ou perda de umidade Reação com o O2 Luz Estresse físico ou abuso Tempo

43 4. Controle dos microrganismos em alimentos
Frio (refrigeração e congelamento) Refrigeração (4 a 10 C): paralisação crescimento Congelamento (- 20 C): ausência de água, formação de cristais Secagem: sol, câmaras, liofilização alimentos perdem água, provocando a inibição do crescimento (metabolismo inibido) Concentração de solutos (sal, açúcar, aditivos, etc.) aumento da pressão osmótica Acidificação pH do alimento

44 4. Controle dos microrganismos em alimentos
Conservas Alta temperatura Radiações Radiação ionizante: raios gama (remoção de e- ou átomos da molécula) Aditivos Microbicidas x microbiostáticos * inorgânicos: - H2S, NO3-, NO2- * orgânicos: - ácido ascórbico: laticínios, sucos - benzoato de sódio: refrigerantes - propionato de cálcio: pães

45 4. Controle dos microrganismos em alimentos
Pasteurização 63ºC por 30 min (LTLT: low temperature long time) 72º C por 15 s (HTST: high temperature short time) Esterilização UHT (ultra-high temperature): 150º C por 1-2 s

46 Alimentos preparados com o uso de microrganismos
Matéria prima Principal Microrganismo Grupo Picles Pepinos Lactobacillus spp. Pediococcus spp. Bacilos, Gram + Cocos, Gram + Leite fermentado Leite L. acidophilus Pão Farinha Saccharomyces cerevisiae Levedura Ricota Leite pasteurizado L. bulgaricus Koumiss Leite de égua Torula, Mycoderma Leveduras Kefir Leite fresco, Streptococcus spp. Leuconostoc Acetobacter Bacilos, Gram - Ioogurte S. thermophilus Shoyu Arroz, Soja L. delbrueckii Aspergillus oryzae Sacharomyces rouxii Fungo filamentoso Queijos S. lactis S. cremoris L. citrovorum L. dextranicum Outros microrganismos Cocos, Gram + Fungos Cerveja Grãos de cereais Saccharomyces spp. Vinho Suco de uva Sacch. champagnii Presunto e salsichas curados Porco/Gado Pediococcus cerevisiae Presunto curado Porco Aspergillus, Penicillium

47 Microorganismos na produção de alimentos
Fermentação de produtos lácteos Iogurte – Fermentação da lactose a ácido lático Lactobacillus delbrueckii subsp. delbrueckii Streptococcus salivarius subsp. thermophilus Lactococcus thermophilus Lactobacillus bulgaricus Leite fermentado – Lactobacillus casei, Bifidobacterium breve Activia: Bifidobacterium animalis subsp. animalis Manteiga – Streptococcus cremoris, Leuconostoc cremoris e Lactobacillus lactis Queijo Lactococcus. Lactobacillus, Streptococcus Propionibacterium – queijo Suíço Penicillium – queijo camembert, roquefort, brie

48 Microorganismos na produção de alimentos
Fermentação de carnes Embutidos – produzidos por bactérias do ácido lático, em particular Pediococcus cerevisae Produção de pães Pães – Saccharomyces cerevisae, Clostridium spp. e bactérias coliformes podem ser empregados Bebidas alcoólicas Cervejas: Saccharomyces cerevisae, S. carlsbergensis Vinho: fermentação usando S. ellipsoideus Vinagre: fermentação a álcool (S. cerevisae) e em seguida a ácido acético (Acetobacter e Gluconobacter) ou conversão direta a acetato (Clostridium spp.)

49 Microorganismos na produção de alimentos
Vegetais fermentados Azeitonas – Leuconostoc Molho de soja – Aspergillus oryzae Pediococcus soyae Saccharomyces spp. Torulopsis spp. Lactobacillus spp. Miso – Aspergillus oryzae Tofu – Mucor spp.

50 Doenças de origem microbiana veiculadas por alimentos
Categorias de doenças * intoxicações - microrganismo ausente nos tecidos - ingestão da toxina ativa * infecções - ingestão do alimento contaminado pelo patógeno - microrganismo presente nos tecidos

51 Intoxicações a. Intoxicação estafilocócica
Staphylococcus aureus – tem várias toxinas (febres, doenças do trato respiratório, etc.) b. Intoxicação por Clostridium perfringens enterotoxina produzida no intestino - disenterias c. Intoxicação botulínica (Botulismo) Clostridium botulinum: bactéria anaeróbia, produtora de endósporos (exotoxina) – metaloprotease do sistema neurotransmissor

52 Infecções a. Salmoneloses, Febre tifóide e Febres paratíficas
Salmonella sp.: S. thyphimurium: espécie mais comum S. typhi: febre tifóide b. Infecções por Escherichia coli Escherichia coli enterotóxica Linhagem mais comum: E. coli O157:H7 c. Infecções por Campilobacter Campylobacter jejuni e C. fetus – diarréias, disenterias, abortos

53 Microbiologia do ar

54 Tipos de microrganismos no ar
Algas Protozoários Fungos em geral Bactérias

55 Fatores que afetam a microbiota do ar
umidade temperatura radiação densidade populacional

56 Tipos de microrganismos no ar
principais tipos: esporos de fungos p. ex. Cladosporium, Aspergillus, Penicillium bactérias esporulantes vírus

57 Doenças do homem e dos animais
inalação de poeira ou gotículas contendo propágulos, provenientes de: pessoas infectadas (diretamente) outras fontes: roupas, cama, solo aerossóis infecções respiratórias: secreções nasais, garganta

58 Métodos de avaliação da microbiota do ar
Sedimentação – teste da placa aberta Impacto: crivo furo Filtração: membranas

59 Controle das populações microbianas do ar
filtração: filtros HEPA (high efficiency particulate air) radiação desinfetantes/esterilizantes Oxido de etileno Anthium dioxide

60 Interações Parasita-Hospedeiro

61 Resistência x Susceptibilidade
mecanismos de infecção mecanismos de defesa PARASITA HOSPEDEIRO Resistência x Susceptibilidade

62 Mecanismos de infecção (fatores de virulência)
Definições * patogenicidade: habilidade de produzir uma infecção * infecção: colonização de um organismo por alguma espécie externa * doença: detrimento do organismo infectado * virulência: capacidade relativa do patógeno de causar doença * fatores de virulência: toxinas, enzimas, etc.

63 Requisitos para doença

64 Toxinas * exotoxinas: liberadas extracelularmente
natureza química: - proteínas - afinidade por tecidos específicos - sensíveis ao calor Enzimas citolíticas = lise Enzimas A-B = duas subunidades Toxinas que atuam como superantígenos = estimulam células de resposta imune (inflamações) - Corynebacterium diphtheriae - Clostridium tetani (neurotoxina) - Vibrio cholerae (enterotoxina)

65 Ação da toxina diftérica de Corynebacterium diphtheriae
(a) O fator de elongação 2 (EF-2) normalmente se liga ao ribossomo, conduzindo um tRNA carregado com um aminoácido ao ribossomo, promovendo a elongação protéica. (b) A toxina diftérica liga-se à membrana celular, onde é clivada e o peptídeo A é internalizado. O peptídeo A modifica o fator de elongação 2 (EF-2*) que deixa de auxiliar na transferência de aminoácidos para a cadeia polipeptídica em crescimento, resultando na interrupção da síntese protéica e morte celular. Fonte: Microbiologia de Brock; Madigan et al.2004

66 Ação da toxina tetânica de Clostridium tetani
Glicina (aa) Acetilcolina (neurotransmissor) Ação da toxina tetânica de Clostridium tetani Fonte: Microbiologia de Brock; Madigan et al.2004

67 Ação da toxina colérica
Glicolipídio complexo = gangliosídio Ação da toxina colérica Enterotoxina Fonte: Microbiologia de Brock; Madigan et al.2004

68 Toxinas * endotoxina: liberada após a lise da célula do patógeno (membrana lipopolissacarídica) - toxinas de Salmonella, Escherichia coli menos tóxicas que as exotoxinas diminuem leucócitos, linfócitos, plaquetas proteínas pirogênicas: liberação de pirogenios diarréia inflamação generalizada mortes: choques hemorrágicos e necrose dos tecidos

69 Mecanismos externos de defesa
Barreiras físicas: pele mucosas cutícula e ceras das plantas parede celular pelos cílios das células epiteliais Barreiras químicas ANIMAIS Ácido lático (pele) Ácidos graxos (suor) Enzimas (ex. lisozima da lágrima) Sebo (glândulas sebáceas) Suco gástrico (HCl + enzimas + muco) Lactoferrina no leite e nas mucosas (quelante de Fe) Transferrina no soro sanguíneo (idem)

70 Mecanismos externos de defesa
Barreiras químicas PLANTAS Fitoalexinas (compostos fenólicos) pH da seiva Saponinas, glicosídeos e cianogênicos Ácido salicílico Barreiras biológicas: microbiota da pele superfície das folhas rizosfera

71 Mecanismos internos de defesa
Inflamação: reação vascular e celular para inibir a invasão causada por histaminas liberadas pelas células danificadas limitação da disseminação do patógeno: formação de coágulos ao redor do local afetado pús (células fagocitárias mortas pelas leucocidinas da bactéria) Febre: - resposta sistêmica geralmente devida a bactérias e vírus - aumento da produção de calor metabólico provocado por alterações no hipotálamo *causadores: endotoxinas, pirogenio - função da febre: aumentar a atividade de fagócitos e a velocidade das respostas inflamatória e imune

72 Mecanismos internos de defesa
Células fagocitárias (leucócitos) – glóbulos brancos neutrófilos monócitos e macrófagos Fagócitos tem elementos bactericidas como proteases, fosfatases, nucleases, lipases Não fagocitários linfócitos (sistema imune – células T e B) Fagocitários

73 Mecanismos internos de defesa
Defesa celular Ingestão e morte Produtoras de anticorpos

74 Mecanismos internos de defesa
* mecanismo de fagocitose - adesão - pseudópodos (projeções) - ingestão - fagossoma (fusão das membranas - vacúolo) - ação dos lisossomas - grânulos com enzimas digestivas que se fundem ao fagossoma - digestão do microrganismo (fagolisossoma) pH 3,5 - 4,0 lisozima outras enzimas hidrolíticas aumento da respiração - diminui O2 com produção de radicais - superóxido - peróxido morte do microrganismo min depois

75 Lisossomo + macrófago = fagolisossoma
Radicais hidroxil Anions superóxidos Ácido hipocloroso S. aureus + carotenóides Óxido nítrico Peróxido de hidrogênio Fonte: Microbiologia de Brock; Madigan et al.2004

76 Mecanismos internos de defesa
Células “natural killers” (linfócitos não específicas) e células Tc (citotóxicas)

77 Sistema Complemento C Anafilatoxinas proteína do complemento
Fonte: Microbiologia de Brock; Madigan et al.2004

78 Controle do Crescimento Microbiano

79 1. Introdução 1.1. Quais os principais fatores limitantes para o crescimento microbiano? Temperatura pH Disponibilidade de H2O Disponibilidade de O2 Alguns Conceitos Importantes - Esterilização – morte ou eliminação de todos os organismos viáveis presentes em um meio de cultura - Descontaminação/Assepsia – tratamento de um objeto ou superfície de modo a torná-los seguros à manipulação - Desinfecção – direcionada contra os patógenos, embora possa não eliminar todos os microrganismos

80 Condições que Afetam a Atividade de um Agente de Controle Microbiano
* tamanho da população * intensidade ou concentração do agente * tempo de exposição * temperatura do ambiente * natureza do meio: umidade, pH, etc. * tipo de microrganismo

81 Influência do Tamanho Inicial da População sobre a Efetividade de um Agente de Controle

82 3. Tipos de Agentes de Controle e Mecanismos de ação
3.1. Controle Antimicrobiano por Agentes Físicos - Esterilização pelo calor - Esterilização por radiação - Esterilização por filtração 3.2. Controle Antimicrobiano por Agentes Químicos - Agentes químicos de uso externo 3.3. Agentes Antimicrobianos Utilizados in vivo Fármacos antimicrobianos sintéticos Antibióticos Fármacos antifúngicos: imidazole, triazole Fármacos antivirais: acicloguanosina, β glucanas

83 3.1. Controle Antimicrobiano por Agentes Físicos
Calor Úmido * desnaturação de proteínas e enzimas a) Água fervente (100 ºC) b) Sob pressão (autoclavagem) – 121 °C a 1,1 kg cm-2 c) Pasteurização (63 °C LTLT ou 72 °C HTST)

84 Medida da Esterilização pelo Calor
Efeito da temperatura na viabilidade de uma bactéria mesofílica Fonte: Madigan et al., Microbiologia de Brock

85 Relação Entre Temperatura e Tempo de Morte em Mesófilos e Termófilos
Fonte: Madigan et al., Microbiologia de Brock

86 3.1. Controle Antimicrobiano por Agentes Físicos
Calor Seco * Oxidação dos constituintes orgânicos * Menor eficiência que o calor úmido a) incineração: eliminação de contaminantes e cadáveres, esterilização da alça de platina b) forno de Pasteur * 160º C durante 2 h Baixas Temperaturas * preservação de alimentos, drogas * inibição das reações metabólicas * formação de cristais de gelo (congelamento) * redução da água disponível

87 3.1. Controle Antimicrobiano por Agentes Físicos
Radiações Energia eletromagnética: a) ionizante: raios gama, raios-X, feixes de elétrons (remove e- e átomos): * alto poder de penetração b) não ionizante: * luz ultravioleta: 136 a 400 nm (** 260 nm) * excita os elétrons produzindo vários tipos de reação: DNA (mais afetado): dímeros de pirimidina * baixo poder de penetração

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89 3.1. Controle Antimicrobiano por Agentes Físicos
Filtração ** * Membranas de ésteres de celulose - 150 m de espessura - poros uniformes - diâmetro variável - descartáveis * ex. filtros HEPA (high efficiency particulate air): acetato de celulose dobrado ao redor de folhas de alumínio: retém 99% da matéria particulada

90 3.2. Controle Antimicrobiano por Agentes Químicos
Esterilizantes a) Óxido de etileno * ativo contra células vegetativas e endósporos * alta penetração, mas necessita longa exposição * líquido abaixo de 10,8ºC, acima disso é um gás b) Alquilantes (alquilação de proteínas: adição grupo alquil) * -propionolactona * Glutaraldeído * Formaldeído (formol)

91 3.2. Controle Antimicrobiano por Agentes Químicos
Desinfetantes a) Fenóis (ácido carbólico): * Joseph Lister (1865): efetivo agente antisséptico em hospitais * solução a 5% mata células vegetativas, mas não os endósporos * primeiro agente químico usado para controle b) Álcoois * Etílico a 60-85%: mata células vegetativas * Desnaturação de proteínas * Dissolvem os lipídeos da membrana

92 3.2. Controle Antimicrobiano por Agentes Químicos
Desinfetantes c) Halogênios: iodo, cloro, bromo * iodo e compostos relacionados: agente oxidante, combina-se com a tirosina, inativando proteínas * cloro: formação de ácido hipocloroso liberando radicais de oxigênio d) Metais pesados: chumbo, zinco, prata, cobre, mercúrio * combinam-se com proteínas, provocando sua inativação e) Detergentes * desnaturação das membranas

93 Agentes Antimicrobianos
Utilizados in vivo

94 3.3. Agentes Antimicrobianos Utilizados In vivo
Fármacos antimicrobianos sintéticos Salvarsan uso do arsênico (interrompe a produção de ATP) Sulfonamidas sintéticos com o grupo sulfonamida (ácido sulfônico) Antibióticos - Definição: Agentes antimicrobianos produzidos por microrganismos (bactérias e fungos) exibindo função de inibir ou matar outros microrganismos

95 3.3. Agentes Antimicrobianos Utilizados In vivo
Antibióticos - Espectro de ação: * Largo espectro (ex: Tetraciclina) * Baixo espectro (ex: Vancomicina)

96 Principais Agentes Antimicrobianos de Procariotos
Antibióticos -lactâmicos: * Principais representantes: penicilinas e cefalosporinas * 50% dos antibióticos produzidos mundialmente * Produtores: Penicillium chrysogenum: penicilina Cephalosporium spp.: cefalosporina * Inibem a síntese de peptidoglicano (transpeptidação) * Provocam a liberação de autolisinas: digestão da parede já existente * Espectro: ativos contra bactérias Gram positivas Antibióticos Aminoglicosídeos: * Aminoaçúcares unidos por ligações glicosídicas * Principal representante: Estreptomicina (produzida por Streptomyces griseus) * Ação: inibição da síntese de proteínas (ligação com a subunidade 30S) * Espectro: ativos contra G- e G+, usados clinicamente contra Gram negativos

97 Principais Agentes Antimicrobianos de Procariotos
Antibióticos Macrolídeos: * Grande anel lactona conectado com açúcares * Principal representante: Eritromicina (produzida por Streptomyces erythreus) * Ação: inibição da síntese de proteínas: combina-se com a subunidade 50S ribossomal * Ativos contra bactérias Gram + e Gram - * Usado em substituição à penicilina para pacientes alérgicos

98 3.3. Agentes Antimicrobianos Utilizados in vivo
Fármacos Antifúngicos * Muitos só podem ser utilizados para aplicações tópicas (superfície) * Alguns apresentam toxicidade seletiva: afetam estruturas ou processos metabólicos específicos dos fungos * Principais representantes: Polienos (Streptomyces nodosus; S. nursei) Azóis (fármacos sintéticos)

99 3.3. Agentes Antimicrobianos Utilizados In vivo
Fármacos Antivirais Controle de vírus * a condição de parasita intracelular obrigatório - íntima ligação com as funções da célula hospedeira - dificuldade de controle a) Análogos de Nucleosídeos (nucleotídeo sem o P) * AZT (Zidovudine): bloqueia a síntese de DNA dos retrovírus (transcriptase reversa) * Aciclovir: inibe o alongamento do ácido nucléico viral * β glucanas: inibe a ligação a superfície b) Neviparina: liga-se à transcriptase reversa, inibindo sua ação c) Rifampicina: inibe a RNA polimerase

100 Teste de Difusão em Discos - Antibiograma
Padrões definidos pelo Instituto de Padrões Clínicos e Laboratoriais (CLSI) Fonte: Madigan et al., 2010

101 Microrganismos e Biotecnologia

102 2. Microbiologia Industrial
2.1. Principais organismos Fungos = leveduras e bolores Actinomycetes = Streptomyces 2.2. Características dos microrganismos empregados em processos biotecnológicos: * Crescer in vitro * Crescer em larga escala * Não ser fastidioso * Crescer mesmo em condições subótimas * Ser de fácil manutenção * Não ser patogênico * Ser facilmente manipulável e geneticamente estável

103 2. Microbiologia Industrial
2.3. Produtos As próprias células microbianas: alimentos ou agentes imunizantes (leveduras) Moléculas de alto PM: enzimas (glicose isomerase – xaropes) Produtos metabólitos primários (produzidos durante a fase exponencial de crescimento): p. ex. vitaminas Produtos metabólitos secundários (produzidos durante a fase final de crescimento): ex. antibióticos, esteróides, alcalóides, etc. Produção de químicos especiais: aspartame, fenilalanina, etc. Compostos químicos de conveniência: etanol, ácido cítrico, etc.

104 2. Microbiologia Industrial
2.4. Processos Produção de fármacos: antibióticos, esteróides, insulina Produção de químicos valiosos: solventes, enzimas Produção de suplementos alimentares: probióticos, etc. Produção de bebidas alcoólicas: cerveja, vinho, destilados, etc. Produção de vacinas (principalmente antivirais) Controle biológico de pragas e doenças: B. thuringiensis, Beauveria, etc. Uso de microrganismos na mineração e na indústria do petróleo Biorremediação/fertilidade dos solos: micorrizas, FBN, etc.

105 3. Produtos para a indústria alimentícia
3.1. Leveduras como alimento e suplemento alimentar A grande maioria Saccharomyces cerevisae Produzidas em tanques de fermentação (40 a 200 mil litros) Levedura ativa desidratada: fermentos Levedura nutricional (morta e seca)

106 3. Produtos para a indústria alimentícia
3.2. Microrganismos na produção de vinhos Leveduras selvagens e leveduras cultivadas (S. ellipsoideus) Fermentação malolática (ácido málico) com produção de ácido lático e diacetil (sabor amanteigado): Lactobacillus Pediococcus Oenococcus 3.3. Microrganismos na produção de cervejas A partir de grãos maltados: grãos de cevada germinados (enzimas que que digerem o amido convertendo-o em açúcar) Fermentação: alta fermentação: leveduras em todo o mosto (ales) – S. cerevisae baixa fermentação: no fundo do tanque (cervejas claras) – S. carlsbergensis

107 3. Produtos para a indústria alimentícia
3.4. Microrganismos na produção de bebidas alcoólicas destiladas Qualquer produto fermentado pode ser destilado, gerando produtos distintos: Uísque: destilado de bebidas maltadas Conhaque: destilado de vinho Rum: destilado de melaço Vodca: destilado de grãos ou batata Gim: destilado de grãos de junípero

108 3. Produtos para a indústria alimentícia
3.5. Microrganismos na produção de vinagre Álcool etílico ácido acético Acetobacter e Gluconobacter Tonel aberto: vinho exposto ao ar (camada limosa de bactérias na superfície do substrato), pouco eficiente Gotejamento: gotejamento do líquido alcoólico em substratos como madeira Borbulhamento: fermentação submersa com aeração 3.6. Cogumelos comestíveis Definição da espécie a ser cultivada Mais cultivados: Agaricus bisporus (champignon de Paris) Lentinus edulus (shiitake)

109 4. Produtos para a indústria
4.1. Microrganismos na produção de etanol Milho, cana-de-açúcar, trigo, beterraba, cavacos de madeira, etc. Saccharomyces, Kluyveromyces, Candida, etc. Solvente industrial e suplemento de gasolina Reduz a emissão de monóxido de carbono e óxidos de nitrogênio Composto energeticamente caro: necessita-se de 25% a mais de E para produzir um litro de etanol do que a energia contida no próprio etanol Celulose a glicose = fermentada a etanol

110 5. Fermentadores industriais
5.1. Fermentações em larga escala Divididos em: Aeróbios: mais complexos, com equipamentos que garantam a homogeneização e aeração adequadas Anaeróbios: mais simples, somente com necessidade de equipamento para dissipação do calor produzido Fermentadores aeróbios: Necessidade de difusão do oxigênio no líquido Necessidade de controle de pH, concentração de O2, temperatura, massa celular, níveis de nutrientes e concentração do produto Automatização do processo

111 Isolamento e seleção de
microrganismos produtores de antibióticos

112

113 7. Produtos ligados a saúde
7.2. Enzimas Catalisadores: aceleram atividades bioquímicas Utilizadas como suplementos nutricionais Produzidas por fungos e bactérias Exemplos: amilases, pectinases, proteases, etc. 7.3. Vitaminas e aminoácidos Como suplementos nutricionais: fenilalanina, glutamato sódico, aspartame B12: Sintetizada exclusivamente por microrganismos Essencial a todos os animais Essencial no sangue (hemácias) Não é produzida por plantas (vegetarianos) Propionibacterium e Pseudomonas Riboflavina: bactérias e fungos (Ashbya gossypii)

114 7. Produtos ligados a saúde
7.4. Esteróides e outras biotransformações Hormônios animais Utilizados como fármacos Corticosteróides: reduzem inflamações, artrites, etc. Estrógenos e androgênicos: usados na fertilidade humana e ganho de massa muscular

115 8. Transformação genética
7.4. Vacinas Vacinas de DNA: porções especificas do genoma do patógeno ou genes que codificam proteínas imunogênicas Estes são clonadas em vetor plasmidial ou viral Injeção destes no animal A tradução leva à produção de proteínas de imunoresistência Resposta imune pela proteína codificada Exemplos: Vacina de HIV Vacina de hepatite B Vacina contra cânceres

116 8. Transformação genética
8.1. Insulina humana - 1º biofármaco produzido pela engenharia genética Microrganismo produtor: Escherichia coli com o gene humano para produção de insulina 8.2. Vacina contra hepatite B (HBV) Vírus não cultivável em laboratório Microrganismo: Saccharomyces cerevisiae com o gene para a proteína 8.3. Hormônio do crescimento humano - somatotropina E. coli recombinante com o gene

117 Bacillus thuringiensis
9. Biocontrole Bacillus thuringiensis

118 10. Biomineração Thiobacillus thioxidans e Thiobacillus ferroxidans
ácidos oxidação do minério precipitação

119 Identificação de bactérias
Morfologia Hidrolise do amido (iodo) Motilidade Catalase – H2O2 (bolhas) VM: glicose a ácidos (VM pH baixo) vermelho tijolo VP: fermentação enolglicólica glicose fermentada a acetoína, butilenolglicol e ácidos. KOH e α naftol formam diacetil (anel vermelho) Citrato: citrato de sódio quebrado pela citrase aumentando o pH Malonato: impede a catalise do ácido succínico e o ciclo de Krebs. Sem ciclo de Krebs não há produção de ácidos e o pH sobe Fenilalanina: amina da fenilalanina removida produzindo ácido fenolpirúvico + cloreto férrico (verde) Lisina: descarboxilação dos aminoácidos e o pH sobe (púrpuro) Indol: triptofanase produzindo ácido pirúvico e NH3+ baixando o pH H2S: se há produção de H2S esse reage com o Fe do meio e com acidez forma FeSO42- (preto) Uréia: urease degrada uréia liberando NH3+, CO2 e H2O. NH3+ reage e forma CONH3+ e aumenta o pH (magenta com indicador V fenol)

120 Identificação de bactérias
Redução de NO3-: nitrato a nitrito (vermelho quando presente) Glicose Lactose Sacarose Maltose