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Fatores determinantes abióticos 1.Atividade da água – Aw 2.Potencial hídrico – Ψ 3.pH.

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1 Fatores determinantes abióticos 1.Atividade da água – Aw 2.Potencial hídrico – Ψ 3.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)

3 Aw (Activity of water) Expressa a quantidade de água disponível para atividade microbiana. Esta água livre é 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 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. 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 Relação complexa 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 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. Isoterma de adsor ç ão e dessorção mostrando a histerese Indica, no equilíbrio e para uma certa temperatura, a quantidade de água retida por um material em função da umidade relativa da sua atmosfera

6 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

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

8 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

9 Aqualab para medir Aw Tecnologia do Sensor Monitora a condensação de água em uma superfície refrigerada. Com a diferença de temperatura entre a amostra e a superfície no momento da condensação, calcula-se Aw. Como se calcula Aw?

10 Medida da umidade relativa do ar é um método fácil, preciso, de baixo preço e muito eficiente. 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 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 saturados e suas respectivas umidades relativas Num ambiente fechado em equilíbrio, existe igualdade entre a atividade de água e a pressão parcial relativa do vapor de água do material Aw = UR/100 = Xw UR = umidade relativa do ar Xw = teor de umidade

11 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, no caso de adição de um inoculante fúngico, introduz-se 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.

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: Define a quantidade Define o 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

15 Aw e deterioração dos alimentos Quando a w, deterioração Produtos reativos mais móveis Água mais disponível para hidrólise Água mais disponível para crescimento microbiano Em Aw elevada reações podem diminuir Reativos estão diluídos

16 Deterioração alimentos em função de Aw awaw Velocidade relativa Maillard microrganismos Lipólise Reações enzimáticas Hidrólise de lipídeos

17 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 Aw

18 2. Ψ (potencial hídrico) (solos e vegetais) A energia potencial da água nos solos e nos vegetais é denominada POTENCIAL HÍDRICO. É a soma de várias forças. O potencial de água nesses sistemas é a diferença existente entre o potencial químico da água no sistema e o potencial químico da água pura, sob as mesmas condições padrões. Para a água pura livre Ψ = 0 potencial água é um número negativo.

19 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: Potencial matricial adsorção da água as superfícies do solo e forças de capilaridade da água nos poros finos. Potencial osmótico atração dos íons do soluto para a água. No solo é menos que 0,1 Mpa, equivalendo a uma solução diluída. Insignificante, sendo importante em ambientes aquáticos salinos. Potencial gravitacional força da gravidade forçando a água para o centro da Terra (negligenciável).

20 Medida do potencial matricial

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 μmMovimentação de protozoários, zoósporos e bactérias -0,500,9960,5 μmMovimentação de protozoários, zoósporos e bactérias -1,50,9903,0 nmNitrificação; 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) -65,0--Limite da atividade microbiana

22 Pressão osmótica (ou Ψo ) Mudanças na concentração de solutos altera: 1.Disponibilidade da água 2.Pressão osmótica É a força com a qual um solvente se movimenta, de uma solução menos concentrada para uma solução mais concentrada, através de uma membrana semi-permeável.

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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 Ambientes Halofílicos Carotenóides presentes nas células bacterianas Fotoproteção via carotenóides Superando a radiação extrema

26 Até 9x a salinidade do mar Salt Lake visto do espaço (A) e ao nível do solo (B). Uma estrada de ferro construída em 1959 dividiu o lago, causando uma diluição na seção sudeste e concentração na nordeste. A cor vermelha é resultado do crescimento de halofílicos extremos, chegando a 10 8 cél/mL.

27 Média atual de 6,9 % de sal

28 Mecanismos para superar estresses associados fotoproteção-antioxidantes a. Radiação intensa alvo da radiação

29 b. 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 (Archaea) Proteínas com cargas negativas (pI ~4,9), enquanto as proteínas dos não-halofílicos tem pI perto da normalidade)

30 Adaptações das árqueas 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

31 Bactérias halotolerantes e algas Ex: GlicerolDunaliella sp. Solutos compatíveis Solutos absorvidos ou produzidos para manter um estado ligeiramente hipertônico. (1) Bactérias - colina, potássio, alguns aminoácidos (2) Alga/fungos - sacarose e polióis

32 Solutos compatíveis 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

33 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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36 Importância dos Halofílicos extremos Das Sarma, 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

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

38 pH Acidez do meio é expressa sob a forma de pH Mede o logarítmo da concentração do H + (mol/L) Em soluções diluídas (abaixo de 0,1 mol/L): O valor de pH de uma solução pode ser estimado se for conhecida a concentração em íons H +. Ex: Solução aquosa de HCl 0,1 M Está é uma solução de ácido forte, estando o HCl completamente ionizado.Como a concentração é de apenas 0,1 mol L 1, ele está suficientemente diluído (atividade próxima da concentração) [H + ] = 0,1 mol/L Então: pH = -log[0,1] = 1

39 Classes de microrganismos pH Acidófilos Neutrófilos Alcalinófilos Extremófilos

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

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

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

43 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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45 pH e disponibilização do CO 2 CO 2 apresenta diferentes formas de acordo com pH: pH Formas pH 4-8 CO 2 pH 7-10 Bicarbonato (HCO H) pH >10 Carbonato (Na 2 CO 3 )

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

47 pH e membranas pH exerce influência na membrana por: Excesso prótons Déficit prótons Influencia a Permeabilidade Influencia a ancoragem das proteínas Conservação da energia sítio de geração energia e bomba de prótons

48 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.

49 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)

50 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

51 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 Aplicação dos acidófilos

52 Lixiviação biológica do cobre


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