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

CO2 na atmosfera/ano (bilhões de toneladas) Outros

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.

(ppm)

Microrganismos e o aquecimento Aumentos das temperaturas: decomposição mais rápida (> emissão de CO2 que incorporação 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 Produção de vacina para reduzir a emissão de CH4 Aumentos das temperaturas aumentam as áreas biogeográficas de micróbios infecciosos: malária, dengue, febre amarela, viroses, etc. Alteração temperatura da água dos oceanos: dinâmica microbiana Áreas de tundra e do ártico estão com T mais elevadas, aumentando a produção de CH4 (Archaea metanogênicas) Microrganismos e o aquecimento

Formas de atenuar o problema Fertilizar os oceanos com Fe e P para aumentar as populações de algas (fitoplâncton) e outros microrganismos como Prochlorococcus e Synechococcus que absorvem quantidades enormes de CO2 Utilizar algas para a extração de biocombustíveis Utilização de microrganismos geneticamente modificados para aumentar a produtividade de plantas para extração de óleo (biocombustíveis) Utilização de celulose (hemicelulose) para produzir etanol via aplicação microbiana Sulfolobus solfatarius - archaea Trichonympha sp. - protozoário Trichoderma reesei – fungo

O ciclo do Nitrogênio

Fixação/liberação de N 5 processos principais ciclam N Fixação Absorção (crescimento dos organismos) Mineralização (decomposição) Nitrificação Denitrificação

Fixação do N N2 NH4+ ou NO3- 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

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

Mineralização do N N orgânico NH4+ 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

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

Denitrificação NO3- NO2- NO N2O N2 Processo anaeróbico feito por bactérias denitrificadoras 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)

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 NH3+ que pode entrar nos corpos d’água e no solo Derrame de excrementos em corpos d’água 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

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

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

O ciclo do Fósforo

Microbiologia da água

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

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

Microbiologia da água potável Poluição Febre tifóide (Salmonella typhi) Hepatite A (rotavirus) Shigelose (Shigella spp.) Gastroenterites (Salmonella) Cólera (Vibrio cholerae) Disenteria (Entamoeba histolytica) Disenteria (Giardia lamblia) Potabilidade: livre de microrganismos patogênicos e de substâncias químicas nocivas

Poluentes Possível fonte Efeitos adversos 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

Ac. hipoclórico Ac. hidroclórico

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

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

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

Microbiologia dos alimentos

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, esporulantes Infecções: Mastite Outros patógenos: Mycobacterium, Brucella, Salmonella, Coxiella

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

Microorganismos e a deterioração Fatores envolvidos na deterioração Físicos: luz, temperatura, pressão osmótica, pressão hidrostática Químicos: pH, O2 Biológicos: insetos, microorganismos, roedores O que causa a deterioração Microorganismos 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

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: aumento da concentração de solutos aumento da pressão osmótica Acidificação pH do alimento

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

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

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

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

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: produção de 50 bilhões de litros por ano usando 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 Vegetais fermentados Azeitonas – Leuconostoc Molho de soja – Aspergillus oryzae Pediococcus soyae Saccharomyces spp. Torulopsis spp. Lactobacillus spp. Miso – Aspergillus oryzae Tempeh – Rhizopus spp. Tofu – Mucor spp.

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

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

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

Microbiologia do ar: diversidade, disseminação e controle

Tipos de microrganismos no ar Algas Protozoários Fungos em geral Bactérias

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

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

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

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

Impacto - Furo Amostrador de Andersen - 1 estágio

Controle das populações microbianas do ar filtração: filtros HEPA (high efficiency particulate air) radiação desinfetantes/esterilizantes

Controle das populações microbianas do ar filtração: filtros HEPA radiação desinfetantes/esterilizantes

Controle das populações microbianas do ar filtração: filtros HEPA radiação desinfetantes/esterilizantes: Oxido de etileno Anthium dioxide

Interações Parasita-Hospedeiro

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

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.

Requisitos para doença

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)

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

Ação da toxina tetânica de Clostridium tetani Fonte: Microbiologia de Brock; Madigan et al.2004

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

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

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)

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

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.

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

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

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: produção de radicais - superóxido - peróxido morte do microrganismo 10-30 min depois

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

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

Mecanismos internos de defesa 4.2.5. Respostas imunológicas * antígenos: proteínas, nucleoproteínas, lipoproteínas, polissacarídeos e qualquer outra substância que propicie a formação de: * anticorpos: proteínas produzidas pelos linfócitos em reposta à presença de um antígeno Células T Células B

Série de proteínas ativadas por interações SISTEMA COMPLEMENTO Série de proteínas ativadas por interações com complexos antígeno-anticorpo, causando danos e lise às células estranhas Certos antígenos recrutam essas proteínas

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

Controle do Crescimento Microbiano

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 – 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

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... * tipo de microrganismo

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

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 3.3.1. Fármacos antimicrobianos sintéticos 3.3.2. Antibióticos 3.3.3. Fármacos antifúngicos: imidazole, triazole 3.3.4. Fármacos antivirais: acicloguanosina, β glucanas

3.1. Controle Antimicrobiano por Agentes Físicos 3.1.1. 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)

Medida da Esterilização pelo Calor Efeito da temperatura na viabilidade de uma bactéria mesofílica Fonte: Madigan et al., 2004. Microbiologia de Brock

Relação Entre Temperatura e Tempo de Morte em Mesófilos e Termófilos Fonte: Madigan et al., 2004. Microbiologia de Brock

3.1. Controle Antimicrobiano por Agentes Físicos 3.1.2. 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 * 160 ºC durante 2 h 3.1.3. Baixas Temperaturas * preservação de alimentos, drogas * inibição das reações metabólicas * formação de cristais de gelo (congelamento) * redução da água disponível

3.1. Controle Antimicrobiano por Agentes Físicos 3.1.4. 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 3.1.5. 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

3.2. Controle Antimicrobiano por Agentes Químicos 3.2.1. 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)

3.2. Controle Antimicrobiano por Agentes Químicos 3.2.2. Desinfetantes a) Fenóis (ácido carbólico): * Joseph Lister (1865): efetivo agente antisséptico em hospitais * solução a 5% mata células vegetativas, mas não os endósporos

3.2. Controle Antimicrobiano por Agentes Químicos 3.2.2. Desinfetantes b) Álcoois * Etílico a 60-85%: mata células vegetativas * Desnaturação de proteínas * Dissolvem os lipídeos da membrana

3.2. Controle Antimicrobiano por Agentes Químicos 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

Agentes Antimicrobianos Utilizados in vivo

3.3. Agentes Antimicrobianos Utilizados In vivo 3.3.1. Fármacos antimicrobianos sintéticos Salvarsan uso do arsênico (interrompe a produção de ATP) Sulfonamidas sintéticos com o grupo sulfonamida (ácido sulfônico) 3.3.2. 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 3.3.2. Antibióticos - Espectro de ação: * Largo espectro (ex: Tetraciclina) * Baixo espectro (ex: Vancomicina)

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

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

3.3. Agentes Antimicrobianos Utilizados in vivo 3.3.3. 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)

3.3. Agentes Antimicrobianos Utilizados In vivo 3.3.3. 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 * 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

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

Microrganismos e Biotecnologia

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

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.

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.

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)

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

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

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)

4. Produtos para a indústria 4.1. Microrganismos na produção de etanol 50 bilhões de litros produzidos anualmente 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

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

Isolamento e seleção de microrganismos produtores de antibióticos

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)

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

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

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) - 1982 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

Bacillus thuringiensis 9. Biocontrole Bacillus thuringiensis

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

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)

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