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Microbiologia do Solo 1. Bactérias grupo mais numeroso e diversificado: 3 x 10 6 a 5 x 10 8 por g de solo seco Gêneros mais frequentes: Bacillus, Clostridium,

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1 Microbiologia do Solo 1

2 Bactérias grupo mais numeroso e diversificado: 3 x 10 6 a 5 x 10 8 por g de solo seco Gêneros mais frequentes: Bacillus, Clostridium, Arthrobacter, Pseudomonas, Nocardia, Streptomyces, Micromonospora, Rizóbios Cianobactérias: pioneiras, fixação N 2 Fungos: 5 x x 10 5 por g de solo seco Limitados a superfície Gêneros mais frequentes: Penicillium, Mucor, Rhizopus, Fusarium, Aspergillus, Trichoderma Algas, protozoários e vírus Microrganismos do Solo 2

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

4 CO 2 na atmosfera/ano (bilhões de toneladas) Outros 4

5 Produção 1 ª : 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, [O 2 ], etc. Fixação/liberação de C 5

6 6

7 (ppm) 7

8 Aumentos das temperaturas: decomposição mais rápida (> emissão de CO 2 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 - CH 4 (Archaea, protozoários, leveduras, etc.) que vivem no estômago de ruminantes como ovelhas, gado, búfalos, camelos, etc. CH 4 absorve 20% a mais de calor que CO 2 Microrganismos e o aquecimento 8

9 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 CH 4 (Archaea metanogênicas) Microrganismos e o aquecimento 9

10 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 CO 2 Utilizar algas e microrganismos para a extração de biocombustíveis Utilizar microrganismos geneticamente modificados para aumentar a produtividade de plantas para extração de óleo (biocombustíveis) Formas de atenuar o problema 10

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

12 O ciclo do Nitrogênio 12

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

14 Fixação do N N 2 (inorgânico) NH 4 + ou NO 3 - (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) 14

15 Absorção do N NH 4 + (inorgânico) N orgânico NH 4 + é rapidamente incorporado em proteínas e outros compostos nitrogenados orgânicos pelas plantas ou organismos do solo 15

16 Mineralização do N N orgânico NH 4 + (inorgânico) Decomposição: N orgânico transformado em N inorgânico (NH 4 + ) por fungos e bactérias - actinomicetos, fungos e bactérias modificam o N da MO de NH 3 + a NH 4 + Esse NH 4 + usado por plantas ou transformado a NO 2 - e NO 3 - via nitrificação 16

17 Nitrificação NH 4 + NO 2 - NO 3 - Bactérias transformam amônio a nitrato ganhando energia Ocorre apenas em ambientes aeróbicos NH 4 + se adsorve as partículas de solo com carga negativa NO 3 - é lixiviado com redução da fertilidade do solo e contaminação do lençol freático NitrossomonasNitrobacter 17

18 Desnitrificação NO 3 - NO 2 - NO N 2 O N 2 Processo anaeróbico feito por bactérias desnitrificadoras N 2 O 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 NO 3 - = nitrato NO 2 - = nitrito NO = nitróxido, óxido nítrico, monóxido de N N 2 O = óxido de dinitrogênio (gás do riso) 18

19 Atividades humanas Queima de florestas e de combustíveis fósseis colocando N na atmosfera Fertilização química e lixiviação (NO 3 - e cânceres – metahemoglobinemia: síndrome do bebê azul) Criação de animais com produção de NO 3 - que pode entrar nos corpos dágua e no solo Derrame de excrementos em corpos dágua 19

20 Atividades humanas Mudança da composição vegetal dos ecossistemas (redução da diversidade) Formação de ácido nítrico (HNO 3 ) responsável, junto com dióxido de enxofre (SO 2 ), pelas chuvas ácidas Altas concentrações de óxidos de N são precursores do ozônio da troposfera, o qual causa dano aos tecidos vivos (NO e N 2 O) Altas concentrações de N nos rios causando eutrofização, reduzindo a diversidade dos ecossistemas aquáticos 20

21 O ciclo do Fósforo O fósforo é essencial para plantas e animais na forma dos íons: PO 4 3- (fosfato) HPO 4 2- (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 21

22 Fósforo Três formas principais de fósforo: Fósforo orgânico: na matéria viva, plantas, microrganismos, etc. Fósforo solúvel: disponível (orgânico bem como HPO 4 2- ). 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 22

23 O ciclo do Fósforo 23

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 24

25 Microbiologia da água 25

26 26

27 Temperatura da água: superfície e subsuperfície Luz (turbidez): principalmente algas e cianobactérias fotossintetizantes O 2 : 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 O ambiente aquático 27

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

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

30 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 Microbiologia da água potável Físicos AsbestosResíduos industriaisCâncer Argila suspensaPrecipitaçãoInterfere com tratamentos sanitários Químicos Metais pesadosIndústriasVárias doenças SulfatosAlgicidas e minasDiarréias NitratosFertilizantesMetemoglobinemia SódioAmaciantes de águaRetenção de fluidos Doenças do coração PesticidasAgriculturaVárias doenças ClorofórmioIndústriaCâncer Biológicos BactériasFezes e urinaFebre tifóide Shigeloses Salmoneloses Gastroenterites Tularemia Leptospirose VírusFezesHepatite Poliomielite Gastroenterites ProtozoáriosFezesDisinteria amébica Giardíase Balantidíase Poluentes Possível fonte Efeitos adversos

31 Ac. hipoclórico Ac. hidroclórico 31

32 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 Microrganismos patogênicos na água

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

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

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

36 Microrganismos indicadores da qualidade da água Qual é o indicador ideal? Métodos de detecção da qualidade microbiológica da água 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 36

37 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 Escherichia coli e outros coliformes 37

38 Análise bacteriológica da água – Metodologia: teste presuntivo (caldo lauril triptose) – 35 a 37 o 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 37 o 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) – 44,5 o 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 Metodologia de execução 38

39 Microbiologia dos alimentos 39

40 Composição microbiana dos alimentos 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 Microbiota própria ou adquirida com o manuseio

41 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, H 2 S, NH 3 Azedamento e coagulação : Leite Bactérias do ácido lático Lactose ácido lático + outros ácidos Composição microbiana dos alimentos

42 Fatores envolvidos na deterioração Físicos: luz, temperatura, pressão osmótica, pressão hidrostática Químicos: pH, O 2 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 O 2 Luz Estresse físico ou abuso Tempo Microorganismos e a deterioração 42

43 1.Frio (refrigeração e congelamento) Refrigeração (4 a 10 C): paralisação crescimento Congelamento (- 20 C): ausência de água, formação de cristais 2.Secagem: sol, câmaras, liofilização alimentos perdem água, provocando a inibição do crescimento (metabolismo inibido) 3.Concentração de solutos (sal, açúcar, aditivos, etc.) aumento da pressão osmótica 4.Acidificação pH do alimento 4. Controle dos microrganismos em alimentos 43

44 5.Conservas Alta temperatura 6.Radiações Radiação ionizante: raios gama (remoção de e - ou átomos da molécula) 7.Aditivos Microbicidas x microbiostáticos * inorgânicos: - H 2 S, NO 3 -, NO 2 - * orgânicos: - ácido ascórbico: laticínios, sucos - benzoato de sódio: refrigerantes - propionato de cálcio: pães 4. Controle dos microrganismos em alimentos 44

45 4. Controle dos microrganismos em alimentos 8.Pasteurização 63ºC por 30 min (LTLT: low temperature long time) 72º C por 15 s (HTST: high temperature short time) 9.Esterilização UHT (ultra-high temperature): 150º C por 1-2 s 45

46 Alimentos preparados com o uso de microrganismos AlimentoMatéria primaPrincipal MicrorganismoGrupo PiclesPepinos Lactobacillus spp. Pediococcus spp. Bacilos, Gram + Cocos, Gram + Leite fermentadoLeite L. acidophilus Bacilos, Gram + PãoFarinha Saccharomyces cerevisiae Levedura RicotaLeite pasteurizado L. bulgaricus Bacilos, Gram + KoumissLeite de égua L. bulgaricus Torula, Mycoderma Bacilos, Gram + Leveduras KefirLeite fresco, Streptococcus spp. Lactobacillus spp. Leuconostoc Acetobacter Cocos, Gram + Bacilos, Gram + Cocos, Gram + Bacilos, Gram - IoogurteLeite pasteurizado L. bulgaricus S. thermophilus Bacilos, Gram + Cocos, Gram + ShoyuArroz, Soja L. delbrueckii Aspergillus oryzae Sacharomyces rouxii Bacilos, Gram + Fungo filamentoso Levedura QueijosLeite S. lactis S. cremoris L. citrovorum L. dextranicum Outros microrganismos Cocos, Gram + Bacilos, Gram + Fungos CervejaGrãos de cereais Saccharomyces spp. Leveduras VinhoSuco de uva Saccharomyces cerevisiae Sacch. champagnii Leveduras Presunto e salsichas curadosPorco/Gado Pediococcus cerevisiae Cocos, Gram + Presunto curadoPorco Aspergillus, Penicillium Fungos 46

47 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 Microorganismos na produção de alimentos 47

48 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.) Microorganismos na produção de alimentos 48

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

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 50

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 51

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 52

53 Microbiologia do ar 53

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

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

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

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 57

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

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

60 Interações Parasita- Hospedeiro 60

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

62 * 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. Definições Mecanismos de infecção (fatores de virulência) 62

63 Requisitos para doença 63

64 * 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) Toxinas 64

65 (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. Ação da toxina diftérica de Corynebacterium diphtheriae Fonte: Microbiologia de Brock; Madigan et al

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

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

68 * 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 Toxinas 68

69 Barreiras físicas: pele mucosas cutícula e ceras das plantas parede celular pelos cílios das células epiteliais Mecanismos externos de defesa 69 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 Barreiras biológicas: microbiota da pele superfície das folhas rizosfera 70 Barreiras químicas PLANTAS Fitoalexinas (compostos fenólicos) pH da seiva Saponinas, glicosídeos e cianogênicos Ácido salicílico Mecanismos externos de defesa

71 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 Mecanismos internos de defesa 71

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

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

74 * 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 O 2 com produção de radicais - superóxido - peróxido morte do microrganismo min depois 74 Mecanismos internos de defesa

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

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

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

78 Controle do Crescimento Microbiano 78

79 1. Introdução 1.1. Quais os principais fatores limitantes para o crescimento microbiano? -Temperatura -pH -Disponibilidade de H 2 O -Disponibilidade de O 2 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 79

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

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

82 3.1. Controle Antimicrobiano por Agentes Físicos - Esterilização pelo calor - Esterilização por radiação - Esterilização por filtração 3. Tipos de Agentes de Controle e Mecanismos de ação 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 82

83 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) 3.1. Controle Antimicrobiano por Agentes Físicos 83

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

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

86 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 3.1. Controle Antimicrobiano por Agentes Físicos Baixas Temperaturas * preservação de alimentos, drogas * inibição das reações metabólicas * formação de cristais de gelo (congelamento) * redução da água disponível 86

87 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 3.1. Controle Antimicrobiano por Agentes Físicos 87

88 88

89 Filtração ** * Membranas de ésteres de celulose 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 3.1. Controle Antimicrobiano por Agentes Físicos 89

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) 90

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 91

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 92

93 Agentes Antimicrobianos Utilizados in vivo 93

94 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 3.3. Agentes Antimicrobianos Utilizados In vivo 94

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

96 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 Principais Agentes Antimicrobianos de Procariotos 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 96

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 97

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) 98

99 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 3.3. Agentes Antimicrobianos Utilizados In vivo Fármacos Antivirais 99

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

101 Microrganismos e Biotecnologia 101

102 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 2. Microbiologia Industrial 102

103 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. 2. Microbiologia Industrial 103

104 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. 2. Microbiologia Industrial 104

105 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) 3. Produtos para a indústria alimentícia 105

106 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 3. Produtos para a indústria alimentícia 106

107 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 3. Produtos para a indústria alimentícia 107

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) 108

109 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 4. Produtos para a indústria Celulose a glicose = fermentada a etanol 109

110 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 O 2, temperatura, massa celular, níveis de nutrientes e concentração do produto Automatização do processo 5. Fermentadores industriais 110

111 Isolamento e seleção de microrganismos produtores de antibióticos 111

112 112

113 7.2. Enzimas Catalisadores: aceleram atividades bioquímicas Utilizadas como suplementos nutricionais Produzidas por fungos e bactérias Exemplos: amilases, pectinases, proteases, etc Vitaminas e aminoácidos Como suplementos nutricionais: fenilalanina, glutamato sódico, aspartame B 12 : 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) 7. Produtos ligados a saúde 113

114 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 7. Produtos ligados a saúde 114

115 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 8. Transformação genética 115

116 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 8. Transformação genética 116

117 9. Biocontrole Bacillus thuringiensis 117

118 Thiobacillus thioxidans e Thiobacillus ferroxidans ácidosoxidação do minérioprecipitação 10. Biomineração 118

119 Identificação de bactérias 1.Morfologia 2.Hidrolise do amido (iodo) 3.Motilidade 4.Catalase – H 2 O 2 (bolhas) 5.VM: glicose a ácidos (VM pH baixo) vermelho tijolo 6.VP: fermentação enolglicólica glicose fermentada a acetoína, butilenolglicol e ácidos. KOH e α naftol formam diacetil (anel vermelho) 7.Citrato: citrato de sódio quebrado pela citrase aumentando o pH 8.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 9.Fenilalanina: amina da fenilalanina removida produzindo ácido fenolpirúvico + cloreto férrico (verde) 10.Lisina: descarboxilação dos aminoácidos e o pH sobe (púrpuro) 11.Indol: triptofanase produzindo ácido pirúvico e NH 3 + baixando o pH 12.H 2 S: se há produção de H 2 S esse reage com o Fe do meio e com acidez forma FeSO 4 2- (preto) 13.Uréia: urease degrada uréia liberando NH 3 +, CO 2 e H 2 O. NH 3 + reage e forma CONH 3 + e aumenta o pH (magenta com indicador V fenol) 119

120 Identificação de bactérias 14.Redução de NO 3 - : nitrato a nitrito (vermelho quando presente) 15.Glicose 16. Lactose 17.Sacarose 18.Maltose 120


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