Fatores determinantes abióticos

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

2 Atividade de água (Aw) 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/P0 P = pressão de vapor da água no material P0 = 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.

3 Sem água não existe atividade microbiana
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. A disponibilidade depende do tipo de soluto. O sal baixa mais a Aw do que o açúcar Íons baixam Aw mais do que polímeros

5 Relação entre Aw e conteúdo de água
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. 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 adsorção 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 Aw depende dos solutos presentes
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 Pontos de ebulição Solução de açúcar PE > 100˚C Aw < 1 Lipídio/água (2 fases) PE = 100˚C Aw = 1

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

8 Solutos para reduzir Aw
- álcoois - açúcares (sorbitol, frutose de milho) - sais de cálcio e sódio - glicerina - emulsificantes (goma xantana) - proteínas 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.

9 Como se calcula Aw? 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.

10 Medida da umidade relativa do ar é um método fácil, preciso, de baixo preço e muito eficiente.
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). 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 Sais UR (%) 25 C 35 C Hidróxido de potássio (KOH) 8 6 Acetato de potássio (KCH3CO2) 23 Carbonato de potássio (K2CO3.2H2O) 43 41 Nitrito de sódio (NaNO2) 65 62 Cloreto de sódio (NaCl) 75 Sulfato de amônio ((NH4)2SO4) 79 Cloreto de potássio (KCl) 86 84 Sulfato de potássio (K2SO4) 97 96 Relação de sais saturados e suas respectivas umidades relativas

11 Atividade de água Ex.: Resultado do ensaio onde se obteve um valor de Aw=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 = Aw) 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 Aw Produtos Afetados Grupo Microbiano Exemplo
1,0 água pura Bactérias Comuns Spirillum 0,995 sangue Streptococcus, Escherichia 0,980 água do mar Psudomonas, vibrio 0,950 pão Bacilos Gram + 0,900 presunto Leveduras comuns Cocos Gram + 0,850 salame Fungos Comuns Saccharomyces rouxii 0,800 bolos, geléias Saccharomyces bailli, Penicillium 0,750 peixe salgado, mel Halofílicas Halobacterium, Halococcus 0,700 cereais, balas Xerofílicas Fungos xerofílicos 0,600 frutas secas Leveduras osmofílicas Saccharomyces bisporus

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

15 Aw e deterioração dos alimentos
Quando aw , 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
Maillard Reações enzimáticas Hidrólise de lipídeos Velocidade relativa microrganismos Lipólise aw

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) y = ma - moa  = R.T. ln (PV/PVo), onde: ma = potencial químico da água em um sistema; moa = 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); PVo = 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 (Ψm)
Potencial hídrico (MPa) Atividade da água (Aw) Espessura do filme de água Atividade microbiana limitada a: -0,03 0,999 4,0 μm Movimentação de protozoários, zoósporos e bactérias -0,10 1,5 μm -0,50 0,996 0,5 μm -1,5 0,990 3,0 nm Nitrificação; oxidação enxofre -4,0 0,970 <3,0 nm Crescimento bacteriano (Bacillus) -10,0 0,930 <1,5 nm Crescimento fúngico (Fusarium) -40,0 0,750 <0,9 nm Crescimento fúngico (Penicillium) -65,0 - Limite da atividade microbiana

22 Pressão osmótica (ou Ψo)
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. Mudanças na concentração de solutos altera: Disponibilidade da água Pressão osmótica

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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
Superando a radiação extrema Salt lake Carotenóides presentes nas células bacterianas Fotoproteção via carotenóides

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 108 cél/mL.

27 Mono Lake - Califórnia Média atual de 6,9 % de sal

28 Mecanismos para superar estresses associados
a. Radiação intensa Pigmentos carotenóides fotoproteção-antioxidantes Redução de timinas no DNA alvo da radiação Mecanismos eficientes de reparo do DNA

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

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: 120-126, 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 Extremófilo pH ótimo = 9,5 Encontrados em lagos e solos alcalinos

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 Leveduras ,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: CO2)

44 Desnaturação das proteinas

45 pH e disponibilização do CO2
CO2 apresenta diferentes formas de acordo com pH: pH Formas pH CO2 pH Bicarbonato (HCO3- + H) pH > Carbonato (Na2 CO3 )

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

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

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 Uréia Amônia + Bicarbonato
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 CO2) Uréia A amônia neutraliza o ácido gástrico que alcaliniza o microhabitat onde a bactéria vive e se multiplica. Amônia + Bicarbonato Urease

51 Aplicação dos acidófilos
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) Mineração de ouro retirada da pirita-BIOBENEFICIAMENTO Minerais ficam nos resíduos sólidos

52 Lixiviação biológica do cobre