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Fatores abióticos 1.Atividade da água – Aw 2.Potencial hídrico – Ψ 3.Pressão osmótica 4.pH.

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1 Fatores abióticos 1.Atividade da água – Aw 2.Potencial hídrico – Ψ 3.Pressão osmótica 4.pH

2 Indica o nível de água em sua forma livre nos materiais. Os microrganismos aproveitam somente a água livre, que difere dependendo do material. É definida pela diminuição da pressão parcial do vapor de água: Aw = P/P 0 P = pressão de vapor da água no material P 0 = pressão de vapor da água pura A diminuição da atividade é devido à imobilização da água pelos constituintes químicos presentes no material, que diminuem sua capacidade de vaporizar-se. 1.Atividade de água (Aw) (indústria de alimentos, farmacêutica)

3 Aw (Activity of water) Expressa a quantidade de água disponível para atividade microbiana. Esta água livre está disponível para participar das reações químicas que influenciam: -Nas características e qualidade dos produtos (durabilidade, estabilidade) produtos farmacêuticos, alimentos e de higiene pessoal. Sem água não existe atividade microbiana

4 Aw e o conteúdo de água do material Conteúdo de água de um substrato mede água total, por outro lado, Aw prevê melhor a capacidade de crescimento microbiano porque mede água disponível. Em concentrações semelhantes o sal baixa mais a Aw do que o açúcar Íons baixam Aw mais do que polímeros A disponibilidade depende do tipo de soluto.

5 Exemplos: Aw depende dos solutos presentes Margarina contém principalmente lipídios hidrofóbicos frutas contém açúcares hidrofílicos Umidade (peso fresco) 20% Aw 0,9 0,6 Margarina Frutas secas Solução de açúcar PE > 100˚C A w < 1 Lipídio/água (2 fases) PE = 100˚C A w = 1 Pontos de ebulição

6 A água disponível varia consideravelmente dependendo do soluto: Aw Polímeros Gorduras Açúcares Sal Íons.

7 Química da redução de Aw Ligações da água com: grupos de hidroxilas dos açúcares; grupo amina e carbonila das proteínas; pontes de hidrogênio; forças dipolo-dipolo; forças de Van der Waals; ligações iônicas. - álcoois - açúcares (sorbitol, frutose de milho) - sais de cálcio e sódio - glicerina - emulsificantes (goma xantana) - proteínas Solutos para reduzir Aw

8 Como se calcula Aw? Sais UR (%) 25 C35 C Hidróxido de potássio (KOH)86 Acetato de potássio (KCH 3 CO 2 )23 Carbonato de potássio (K 2 CO 3.2H 2 O)4341 Nitrito de sódio (NaNO 2 )6562 Cloreto de sódio (NaCl)75 Sulfato de amônio ((NH 4 ) 2 SO 4 )79 Cloreto de potássio (KCl)8684 Sulfato de potássio (K 2 SO 4 )9796 Colocar amostras de 2 g do material em frascos fechados com atmosferas de diferentes umidades relativas constantes, obtidas através de soluções saturadas de sais em frascos colocados em estufa a 25 C. Depois de 4 horas pesar as amostras para obter a variação de umidade. Com os dados construir um gráfico com os ganhos e perdas de umidade contra a umidade relativa correspondente a cada solução salina. Através de regressão linear, determinar a atividade de água, correspondendo ao ponto onde a amostra não ganha nem perde peso (Landrock e Proctor, 1951). Relação de sais e suas respectivas umidades relativas No equilíbrio existe igualdade entre a atividade de água e a pressão parcial relativa do vapor de água do material, ou seja, Aw = UR/100 = Xw. UR = umidade relativa do ar Xw = teor de umidade

9 Atividade de água Ex.: Resultado do ensaio onde se obteve um valor de A w =0,985 para um composto a base de cascas de pínus utilizada para plantio de mudas. Comentário: A atividade de água é considerada alta, pois no caso de contaminação do composto pode haver o desenvolvimento de bactérias, já que é possível seu crescimento a partir de 0,85. O composto para esta aplicação é bioestabilizado, entretanto a adição do fungo introduz nutrientes a partir das células mortas, que podem favorecer o crescimento de microrganismos saprófitos, e inviabilizar o inoculante. Variação da umidade em função da umidade relativa (UR = A w ) para o composto agrícola Mecplant Floresta 1.

10 Aqualab para medir Aw

11 Relação complexa – as isotermas de adsorção (ou dessorção) Aumento de Aw quase sempre implica em aumento de conteúdo de água mas não de forma linear e dependente da temperatura. Curvas de relação são geralmente sigmoidais. Relação entre Aw e conteúdo de água Uma isoterma é uma curva que indica, no equilíbrio e para uma certa temperatura, a quantidade de água retida por um material em função da umidade relativa da sua atmosfera. As isotermas podem ser obtidas colocando-se amostras do material (seco ou úmido) em uma série de recipientes fechados, nos quais se mantém diferentes umidades relativas constantes e medindo-se, depois do estabelecimento do equilíbrio, os conteúdos de água por pesagem. Isoterma de adsor ç ão e dessor ç ão mostrando a histerese

12 Crescimento microbiano e Aw A maioria dos microrganismos vivem em Aw de 1,00 a 0,70 A Aw é muito importante na área de alimentos, pois: define a quantidade e os tipos de microrganismos presentes.

13 AwProdutos AfetadosGrupo MicrobianoExemplo 1,0água pura Bactérias Comuns Spirillum 0,995sangueStreptococcus, Escherichia 0,980água do marPsudomonas, vibrio 0,950pãoBacilos Gram + 0,900presuntoLeveduras comunsCocos Gram + 0,850salame Fungos Comuns Saccharomyces rouxii 0,800bolos, geléiasSaccharomyces bailli, Penicillium 0,750peixe salgado, melHalofílicasHalobacterium, Halococcus 0,700cereais, balasXerofílicasFungos xerofílicos 0,600frutas secasLeveduras osmofílicasSaccharomyces bisporus

14 Maioria dos microrganismos Aw > 0,90 Aw para crescimento: Bactérias patogênicas 0,85 < Aw < 0,60 Xerofílicos, Osmofílicos, Halofílicos 0,70 < Aw < 0,75

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16 Aw e deterioração dos alimentos Quando a w, deterioração Produtos reativos mais móveis Água mais disponível como reagente (ex: hidrólise) Água mais disponível para crescimento microbiano Em Aw elevada reações podem diminuir Reativos estão diluídos

17 Deterioração alimentos em função de Aw awaw Velocidade (relativa a a w = 1) Maillard microrganismos Lipólise Reações enzimáticas Hidrólise de lipídeos

18 Preservação dos alimentos Aumentar solutos hidrofílicos Diminuir o conteúdo de umidade (desidratação) Congelamento Água sob a forma de gelo, portanto indisponível para reações de degradação geléiaspresunto AW

19 2. Ψ (potencial hídrico) (solos) A energia potencial da água, nos vegetais, e no solo, é denominada POTENCIAL HÍDRICO. É a soma de várias forças. Entende-se, portanto, que o potencial de água nesses sistemas vem a ser a diferença existente entre o potencial químico da água no sistema e o potencial químico da água pura, sob as mesmas condições padrões. Água pura livre Ψ=0 então potencial água é um número negativo.

20 Ψ expressa-se da seguinte forma: (unidades em MPa) = a - o a = R.T. ln (PV/PV o ), onde: a = potencial químico da água em um sistema; o a = potencial químico da água pura; R = constante universal dos gases ideais; T = temperatura absoluta (Kelvin); PV = pressão de vapor da água no sistema (à temperatura T); PV o = pressão de vapor da água pura (à temperatura T). Diversas forças compõem o potencial hídrico, sendo as principais: Potencial osmótico atração dos íons do soluto para a água Potencial matricial adsorção da água as superfícies do solo e forças de capilaridade da água nos poros finos. Potencial gravitacional força da gravidade forçando a água para o centro da Terra.

21 Tolerância microbiana ao estresse do potencial hídrico matricial Ψ m Potencial hídrico (MPa) Atividade da água (Aw) Espessura do filme de água Atividade microbiana limitada a: -0,030,9994,0 μmMovimentação de protozoários, zoósporos e bactérias -0,100,9991,5 μmidem -0,500,9960,5 μmidem -1,50,9903,0 μmNitrificação;oxidação enxofre -4,00,970<3,0 nmCrescimento bacteriano (Bacillus) -10,00,930<1,5 nmCrescimento fúngico (Fusarium) -40,00,750<0,9 nmCrescimento fúngico (Penicillium)

22 3. Pressão osmótica (ou potencial) Mudanças na concentração de solutos altera: 1.Disponibilidade da água 2.Pressão osmótica - força resultante de diferenças na concentração de solutos em pontos opostos da membrana

23 Solução hipertônica Solução hipotônica H 2 O Plasmólise - Redução citoplasma resultante da osmose Lise H 2 O Osmose : Tendência da água se difundir de regiões de baixa concentração de soluto para elevadas concentrações.

24 Classes osmóticas Não Halofílico (até 0,2 M) Pouca tolerância a salinidade (E. coli) Halotolerante Tolerância moderada a sal (S. aureus) Halofílico ( 3,5 M) Crescimento ótimo (3,5% NaCl) (Vibrio fischeri) Halofílico extremo Crescimento ótimo em elevada salinidade (15-30 % NaCl) Halobacterium salinarum

25 Halofílicas extremasModeradamente halofilica Halofílica Halotolerante

26 Ambientes Halofílicos (superação de radiação e seca) Carotenóides presentes nas células bacterianas Fotoproteção via carotenóides Superando a radiação extrema

27 Até 9x a salinidade do mar

28 Média atual de 6,9 % de sal

29 Mecanismos para superar estresses associados fotoproteção-antioxidantes 1. Radiação intensa alvo da radiação

30 2. Elevada pressão osmótica = baixo Aw (alimentos secos, lagos salgados, alimentos em salmoura, conservas) Aumentando a concentração interna de sais Bombeando íons do ambiente (estratégia salt in) Archaea Sintetizando ou concentrando solutos orgânicos, SOLUTOS COMPATÍVEIS Halobacteria Proteínas com cargas negativas (pI ~4,9) enquanto as proteínas dos não- halofílicos perto da normalidade)

31 Adaptações Archaea Halofílicas Bombeiam íons Na+ para fora da célula enquanto concentram íons de K+ para dentro da célula para balancear a pressão UV importante para ativar BR (bacteriorodopsina) Cromoproteína relacionada com a síntese de ATP e bomba de prótons

32 Bactérias halotolerantes e algas Ex: Glicerol Dunaliella sp. Solutos compatíveis solutos absorvidos para manter um estado ligeiramente hipertônico. NÃO DANIFICAM HOSPEDEIRO. (1) Bactérias - colina, potássio, alguns aminoácidos (2) Alga/fungos - sacarose e polióis

33 Solutos compatíveis Particularmente trealose e sacarose. Em condições de estresse osmótico: primeiro acúmulo de K, seguido de glutamato e depois de trealose. A trealose pode atingir ca de 20 % do peso seco da célula. Solutos compatíveis: se ligam a água presente na célula impedindo-a de sair da célula. formam camadas em torno das proteínas que protegem a água de sair do entorno destas. em baixos níveis de água os solutos substituem a água ligada as proteínas e membranas. Halobacterium spp. chegam a acumular até 5 M KCl dentro das células

34 Halobacterium salinarium 1.5 M NaCl é requerido para seu crescimento Podem crescer em soluções saturadas de NaCl (6.8 M) Lagoas de evaporação

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37 Importância dos Halofílicos extremos DasSarma, Microbes 1: , 2006 Halobacterium sp. MODELO PARA ESTUDOS DE ASTROBIOLOGIA RESISTE A DIVERSOS ESTRESSES Radiação extrema Extremos de temperatura Baixos níveis de oxigênio Exposição a metais pesados

38 4. pH Efeito no crescimento: em nível celular e molecular Os microrganismos e o pH: classes. Extremos e adaptações Aplicações dos extremófilos

39 pH Acidez do meio é expressa sob a forma de pH Mede o logarítmo da concentração do H + Microrganismos que são comuns no laboratório crescem a pH 7,0 Streptococcus lactis é típico fermentador do leite

40 Classes de microrganismos pH Acidófilos Neutrófilos Alcalinófilos Extremófilos

41 1. Acidófilos : organismos que vivem em pH < 5 Sulfolobus acidocaldarius Cresce a pH 1,0 Extremófilo

42 2. Alcalinófilos: crescem a pH >10. Natronobacterium gregory pH ótimo = 9,5 Encontrados em lagos e solos alcalinos Extremófilo

43 Alimentos Maioria dos alimentos dispõe de pH entre 5-7 Bactérias tipicamente não crescem a pH<4,6 pH cresc. nos alimentos Bactérias 5-6 Leveduras 4-4,5 Fungos < 4

44 Efeito do pH em nível molecular pH extremos afetam o crescimento porque: Desnaturam enzimas Influenciam atividade das proteínas Hidrolizam as proteínas Influenciam na disponibilização dos nutrientes (Ex: CO 2 )

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46 pH e disponibilização de elementos CO2 CO 2 apresenta diferentes formas de acordo com pH: pH Formas pH 4-8 CO 2 pH 7-10 Bicarbonato (HCO3 - + H) pH >10 Carbonato (Na 2 CO 3 )

47 Influencia reações energéticas através de efeito no: Citoplasma Mitocôndria Cloroplasto Membranas Efeito do pH em nível celular

48 pH e membranas pH influencia nas membranas porque: Excesso prótons Déficit prótons Influencia a Permeabilidade Influencia a ancoragem das proteínas Conservação energia sítio de geração energia e bomba de prótons

49 Adaptações 1. Maioria dos acidófilos e alcalinófilos mantêm pH interno próximo da neutralidade (usam sistemas de troca de prótons e íons). 2. Sintetizam proteínas que fornecem proteção (proteínas de choque acídico). 3. Produzem ácidos ou bases para neutralizar seu habitat.

50 Adaptações de Helicobacter pylori Morfologia e outras características H. pylori é uma bactéria em forma de bacilo, espiraralada que tem múltiplos flagelos polares que dão motilidade extraordinária. H. pylori coloniza a mucosa gástrica e é sensível ao suco gástrico (pH ótimo é neutro), mas reside entre o epitélio gástrico e camada mucosa do estômago (ligeiramente alcalino)

51 H. pylori tem capacidade única de manter pH neutro no espaço periplásmico pela síntese interna de urease. A urease hidroliza uréia que libera amônia e bicarbonato (este excretado pelos pulmões na forma de CO 2 ) Uréia A amônia neutraliza o ácido gástrico que alcaliniza o microhabitat onde a bactéria vive e se multiplica. Amônia + Bicarbonato Urease

52 Aplicações Acidófilos Biomineração processo de obtenção de minerais por ação de microrganismos.

53 Biomineração Biolixiviação - Conversão de metais que se encontram na forma sólida para a versão solúvel em água por microrganismos. Ex.: Cobre Bio-oxidação - oxidação microbiológica de minerais que dispõem de um composto de interesse. Sulfato de cobre cobre na forma aquosa Minerais ficam nos resíduos sólidos Mineração de ouro retirada da pirita-BIOBENEFICIAMENTO

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