1

1

MICROBIOLOGIA DA ÁGUA

1. Microbiologia de efluentes - cinética

2. Eutrofização

3. Bioindicadores - coliformes

4. Cianotobactérias - cianotoxinas

5. Biofilmes2

EUTROFIZAÇÃO

3

INTRODUÇÃO

Água: componente de sustentação de vida na Terra

Preservação

Composição: gases, sais sólidos e íons ORGANISMOS

POLUIÇÃO Fitoplâncton - Baleias

4

POLUIÇÃO

Prejuízo de um ou mais de seus usos ------ HOMEM

Contaminação:

� agrícola: agrotóxicos + estercos + fertilizantes

� municipal: lixo, esgoto, produtos tóxicos (chorume)

� industrial: resíduos diversos

TÉRMICA

FÍSICA

BIOLÓGICA

QUÍMICA

2

5

CONCEITOS

EUTROFIZAÇÃO: processo de fertilização em um sistema aquático pela aumento da concentração de elementos limitantes como P, N, C e, às vezes, K e Si.

EU (bom ,verdadeiro) + TROPHEIN (nutrir)

� Eutrófico x Mesotrófico x Oligotrófico

� Eutrophication (introduzido em 1956)

� Eutrofizar x Eutroficar ?

TIPOS DE EUTROFIZAÇÃO

NATURAL: envelhecimento natural (milhares de anos)

ARTIFICIAL (ANTROPOGÊNICA, CULTURAL): poluição

(causas somente na década de 60)6

FATORES RELACIONADOS À EUTROFIZAÇÃO

FATORES NATURAIS

Latitude (duração e incidência da luz, T água e ar)

Vento (mistura parcial da massa de água)

Precipitações (erosão-solo e escoamento-água)

Características da bacia (geologia-material de origem)

Declive da bacia

FATORES HUMANOS

Poluição proveniente de dejetos e outras atividades

FATORES ASSOCIADOS À PRÓPRIA MASSA DE ÁGUA

Taxa de renovação das águas

Sedimentos (C, N, P...)

7

[P] da água acima de 0,02 mg kg-1 EUTROFIZAÇÃO

[P] na solução do solo para a planta: 0,1-0,3 mg kg-1

ORIGENS DE N e P

FONTES EXÓGENAS

Erosão, precipitação, lixiviação, resíduos, esgotos, etc.

NH4+, NO3

-, PO43-

FONTES ENDÓGENAS

Sedimentos (redissolução) - decomposição de algas e liberação de P devido à acidez gerada (redutor)

8

Pesquisa: combinações de nutrientes

3

9

O PROCESSO DE EUTROFIZAÇÃO: EXEMPLO COM O P

� Processos erosivos e enxurradas = P

� Multiplicação de algas na superfície

� Morte da vegetação submersa (luz) - hábitat

� Decomposição de algas da superfície

� Remoção de O2 da água (produtos tóxicos)

� Elevação da concentração de NH3 (tóxica)

� Morte de outros organismos aquáticos

** P dos sedimentos = problema de longa duração !

(liberação por processos anaeróbios - acidez)

10

Luz solarP fertiliza as algas de

superfície

Penetração de luz é reduzida

Vegetação submersa éreduzida

Plantas morrem. Quando se decompõem, há

depleção de O2

Morte de animais

P dasuperfície

11

PROBLEMAS NORMALMENTE OBSERVADOS

• Aumento dos custos de purificação

• Redução do valor de recreação

• Perda de animais

• Efeitos sub-letais de toxinas no homem

• Bloom de algas (cianobactérias) - toxidez

• Perda de hábitats

• Morte de peixes e outros organismos aquáticos

12

NOTÍCIAS COMUNS

EUTROFIZAÇÃO MATA LAGOAS EM AÇORES

"São necessárias medidas drásticas, que vão atingir os agricultores e isso não dá votos".

Ceifeira + oxigenação ="pura cosmética"

Estudos recentes: reflorestamento, proibições, gado...

4

13

NOTÍCIAS COMUNS

COMPROMETIMENTO DE RESERVATÓRIOS EM SP E PR

Reservatórios: PR e SP

De 19 (PR): 12 moderadamente degradados e 5 criticamente degradados a severamente poluídos

IMPACTO AMBIENTAL DOS PESQUE-PAGUE

Estudo: 42 em Mogi-guaçu (SP) - maioria familiar

Água de descarte em sistemas de irrigação

Educação ambiental!

POLUIÇÃO ORGÂNICA EM RIO GRANDE/RS

Esgotos domésticos clandestinos

Estação de captação: eutrofização acentuada14

PREVENÇÃO E CONTROLE

� Política de redução de aporte de nutrientes ($)

Remoção de nutrientes no tratamento de esgotosEUA: efluentes urbanos (< 1 mg L-1 de fosfato)

Como remover o excesso de P?1) Precipitação química: caro, grande vol. decantado

2) Remoção Biológica Avançada de Fosfato !!!- Microrganismos acumuladores de fosfato (polifosfato)

Tratamento de lodo ativado: condição aeróbia Se pH = 5,5-6,5

Remoção de 56 a 142% do fosfato (econômica ?)

15

Presençadentro da célula

16

PREVENÇÃO E CONTROLE

3) Hidroponia: cultivo de plantas aquáticas

• Taboa (Typha)

• Aguapé (Eichhornia crassipes)

• Elevada absorção/remoção de nutrientes)• Rápido crescimento (até 5% ao dia)• Facilidade de retirada da água• Aproveitamento da biomassa• Raízes beneficiam microrganismos

agente purificador: FILTRO VERDE

5

17TaboaAguapé 18

19

Sistema de tratamento de rizofiltração ex situ

20

VANTAGENS� Baixo custo� Reduzidos gastos energéticos� Reciclagem da biomassa produzida� Fertilizante, ração animal, geração de energia� Fabricação de papel� Extração de proteínas para fazer rações� Extração de subst. estimulantes do crescimento vegetal� Compostagem

DESVANTAGENS

� Criadouro de larvas de mosquitos e pernilongos� Absorção de metais ou substâncias tóxicas� Grande quantidade de biomassa gerada� Odores desagradáveis

6

21

AÇÕES DO DIA-A-DIA PARA EVITAR

• plantio de espécies nativas (baixa exigência nutricional)

• reciclagem de podas - redução de fertilizantes

• fertilização mínima (análise do solo)

• utilização de P de baixa solubilidade ou sem P

• compostagem e aplicação no solo

• utilização de detergentes e outros livres de P

• economia de água (ex.durante a irrigação)

• proteção do solo contra erosão (revegetação)

• coleta de estrume de animais de estimação

• lavagem de carro na grama e não na rua

• conscientização de vizinhos e reuniões...22

CONSIDERAÇÕES FINAIS• Poluição das águas em países ricos = consumismo

• Em países pobres = pobreza e educação

• Educação ambiental ! ...

• Brasil dispõe de 15% de toda a água doce do mundo

Quanto melhor a qualidade da água (preservação)

Melhor e mais barato será o tratamento

(sofisticação de metodologias....) - irracionalidade

De que adianta o progresso

se não há qualidade de vida?

23

REFERÊNCIA SUGERIDA• UFMG - Departamento de Engenharia de Transportes e Geoctecnia. Eutrofização de corpos d´água:

http://www.etg.ufmg.br/tim1/eutrofiz.docVON SPERLING, M. Introdução à qualidade das águas e ao tratamento de esgotos. DESA-UFMG.1996

<Disponível em maio de 2009>

24

BIOINDICADORES

DA

QUALIDADE DA ÁGUA

7

25

BIOINDICADORES DA QUALIDADE DA ÁGUA

• Importância da água à vida

Interesses diversos (demanda e escassez)

• Potabilidade: conjunto de parâmetros e padrões.

• Portaria MS no 518 (25/03/2004)

Físico-químicos, organolépticos e microbiológicos!

Manutenção do padrão e vigilância da qualidade...

A ÁGUA NA TRANSMISSÃO DE DOENÇAS- PROVOCADAS POR AGENTES MICROBIANOS

- PROVOCADAS POR AGENTES QUÍMICOS (agrotóxicos e resíduos industriais – metais pesados)

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DOENÇAS PROVOCADAS POR AGENTES MICROBIANOS

Normalmente: água + microrganismos de vida livre e não parasitária

Ocasionalmente: microrganismos patogênicos

(vida limitada na água)

Agrupamento CLÁSSICO dos patogênicos:

VÍRUS, BACTÉRIAS e HELMINTOS – agentes etiológicos

Ex. bactéria (cólera), protozoários (giardíase), helmintos (teníase), etc.

Outra classificação: AMBIENTAL

Ênfase: vias de transmissão e ciclo do agente

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GRUPO I: transmissão hídrica (PREVENÇÃO)

O agente está na água: diarréias (cólera, salmonelose),febres entéricas (hepatite, febre tifóide, ascaridíase) = TRATAMENTO DA ÁGUA

GRUPO II: transmissão relacionada com a higiene

Ex. escabiose = FORNECIMENTO DE ÁGUA POTÁVEL

GRUPO III: baseada na água (contato sem ingestão)

Contato com o agente que se desenvolve na água

Ex. esquistossomose = EDUCAÇÃO

GRUPO IV: inseto vetor procria na água

Ex. dengue, malária, etc. = EDUCAÇÃO E

RECONHECIMENTO DOS LOCAIS DE CRIAÇÃO 28ParalisiaVirus (Poliomielites)Paralisia infantil

Diarréia leve a forteVírusGastroenterite

Icterícia e febreVírus (tipo A)Hepatite infecciosa

Diarréia leve a forte, indigestão, flatulência

Protozoário (Giardia)Giardíase

Diarréia prolongada, sangramento

Protozoário (Entamoeba)

Disenteria amebiana

Febre alta, diarréia, ulceração

Bactéria (Salmonella)Febre tifóide

Febre, náusea, diarréia

Salmonelose

Icterícia, febreBactéria (Leptospira)Leptospirose

Diarréia muito forte, desidratação, morte

Bactéria (Vibrio)Cólera

Forte diarréiaBactéria (Shigella)Disenteria bacilar

GRUPO I - Ingestão de água contaminada

SintomasAgente causalDoença

Principais doenças associadas com a água

8

29

Obstrução de vasos, deformação de tecidos

HelmintoFilariose

Febre, dor forte de cabeça, dores nas juntas e músculos, erupções

VírusDengue

Febre, dor de cabeça, prostração, vômitos

Vírus Febre amarela

Febre, suor, grave ou não

Protozoário (Plasmodium)

Malária

GRUPO IV - Transmissão por insetos

Diarréia, aumento do baço e fígado, hemorragias

Helminto (Schistosoma)

Esquistossomose

Verminoses

Inflamação dos olhos, cegueira total ou parcial

Clamídea (Chlamydia)Tracoma

Úlceras na peleSarna (Sarcoptes)Escabiose

GRUPOS II e III - Contato com água contaminada

SintomasAgente causalDoença

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AVALIAÇÃO DA POTABILIDADEEXAME BACTERIOLÓGICO

Identificação e quantificação dos agentes:

• IMPRATICÁVEL

• ANÁLISES TRABALHOSAS

• BAIXA DENSIDADE NA ÁGUA (INTERMITENTE)

Descoberta de microrganismos indicadores!

Ex. Agentes patogênicos no intestino (Grupo I) - fezes

Decisão: análise de outros habitantes não patogênicos que estão em maior densidade...

MONITORAMENTO DA QUALIDADE

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MICRORGANISMOS INDICADORES (BIOINDICADORES)

Tipos de microrganismos cuja presença na água éevidência de que está poluída/contaminada com

material fecal de origem humana ou de outros animais de sangue quente.

Qualquer microrganismo patogênico que ocorre no trato intestinal desses animais pode também estar

presente

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MICRORGANISMOS DO GRUPO COLIFORME

� Em grande quantidade nas fezes humanas

� Somente em fezes de animais de sangue quente

� Resistência semelhante aos patogênicos

� Identificação por técnicas simples e econômicas

� Geralmente, inofensivo ao homem e outros animais

PRINCIPAIS SUBGRUPOS

COLIFORMES TOTAIS (CT): (inclui E. coli), Citrobacter, Serratia, Klebsiella, Enterobacter ... (35oC)

COLIFORMES FECAIS (CF) (origem intestinal) - (44oC)

ESTREPTOCOCOS FECAIS (EF): não rotina

CF/EF > 4 (fecal - humano), CF/EF < 1 (fecal - outros)

9

33

Menor que 500 UFC/mL em amostras 100 mL (*)

Bactérias heterotróficas

Sistemas com + 40 am./mês:AUSÊNCIA em 100 mL em 95% das amostras examinadas no mês.

Sistemas com até 40 am./mês:Máximo de 1 amostra positiva em 100 mL.

CT

AUSÊNCIA em 100 mLE. coliÁgua tratada no sistema de distribuição (reservatórios e rede): Recoleta no mesmo ponto + à jusante + àmontante, no mínimo.Não são tolerados valores positivos.

AUSÊNCIA em amostras 100 mLCTÁgua na saída do tratamento

AUSÊNCIA em amostras 100 mLE. coliÁgua para consumo humano em toda e qualquer situação, incluindo poços, minas, nascente e outras

PadrãoIndicadorOrigem

Padrão microbiológico de potabilidade da água para consumo humano (Portaria 518/2004)

(*) UFC = Unidades Formadoras de Colônias. Contagem realizada em20% das amostras coletadas no mês. Se acima, recoletar, inspecionar e tomar providências. 34

105 + (1 para cada 5.000 hab.) Máximo de 1000

Acima de 250.000

30 + (1 para cada 2.000 hab.)De 20.001 a 250.000

1 para cada 500 hab.De 5.001 a 20.000

10Até 5.000

no amostras para CTPOPULAÇÃO TOTAL

Número mínimo de amostras mensais em sistema de distribuição (reservatórios e rede) para fins de análises microbiológicas (Portaria 518/2004)

Na saída de cada unidade de tratamento, devem ser coletadas, no mínimo 2 (duas) amostras semanais, recomendando-se a coleta de, pelo menos, 4 (quatro) amostras semanais.

Amostras para CT devem ser retiradas no ponto de consumo (mínimo 3 pontos de consumo de água), em quantidade de 1 para cada 500 hab, semanalmente.

35Navegação, paisagemClasse 4

Abastecimento com tratamento convencional ou avançado, irrigação de árvores, cereais e forrageiras, dessedentação de animais, pesca amadora, recreação de contato secundário

Classe 3

Abastecimento após tratamento convencional, aqüicultura, irrigação de hortaliças e frutíferas e parques e jardins, proteção das comunidades aquáticas, recreação de contato primário

Classe 2

Abastecimento após tratamento simplificado, recreação de contato primário, proteção das comunidades aquáticas, irrigação de hortaliças e frutas rentes ao solo consumidas cruas

Classe 1

Consumo humano com desinfestação, preservação das comunidades aquáticas

Especial

Usos preponderantesClasses

Classificação dos corpos de água superficiais (Cons. Nac. do Meio Ambiente/CONAMA Resolução 357, 17/03/2005)

Água Doce: salinidade ≤ 0,5%

36

1000

500

250

CF (termotolerantes)

100800Satisfatória

Imprópria

50400Muito boa

25200Excelente

EnterococosE. coliRecreação

Critérios para recreação de contato primário, conforme CONAMA 274 de 29/11/2000

a) Coliformes fecais (termotolerantes): bactérias do grupo dos CT, presença da enzima ß-galactosidase, capacidade de fermentar a lactose com produção de gás em 24 horas àtemperatura de 44-45°C. Além de presentes em fezes humanas e de animais podem, também, ser encontradas em solos, plantas ou quaisquer efluentes contendo matéria orgânica;

b) Escherichia coli: bactéria pertencente à família Enterobacteriaceae, presença das enzimas ß-galactosidase e ß-glicuronidase. Cresce em meio complexo a 44-45°C, fermenta lactose e manitol. É abundante em fezes humanas e de animais, tendo, somente, sido encontrada em esgotos, efluentes, águas naturais e solos que tenham recebido contaminação fecal recente;

c) Enterococos: bactérias do grupo dos estreptococos fecais, pertencentes ao gêneroEnterococcus, alta tolerância às condições adversas de crescimento, tais como: capacidade de crescer na presença de 6,5% de cloreto de sódio, a pH 9,6 e nas temperaturas de 10° e 45°C. A maioria das espécies dos Enterococcus são de origem fecal humana, embora possam ser isolados de fezes de animais.

10

37

ANÁLISE BACTERIOLÓGICA DA ÁGUAAMOSTRAGEM:

a) a amostra deve ser coletada em frasco esterilizado;

b) a amostra deve ser representativa;

c) contaminação deve ser evitada durante e após a coleta;

d) deve ser analisada logo após a obtenção;

e) pode ser armazenada entre 0-10oC e utilizada o mais rápido possível (24h).

MÉTODOS:

• MÉTODO 1: CONTAGEM EM PLACAS

• MÉTODO 2: TESTES PARA O GRUPO COLIFORME

• MÉTODO 3: TECNOLOGIA DO SUBSTRATO DEFINIDO38

39

MÉTODO 1: CONTAGEM EM PLACA

Plaqueamento: 0,1 ou 1,0 mL de água em meio ágar e incubada por 48h a 35oC (bactérias heterotróficas) –Portaria 518 (2004).

Contagem das colônias: < 500 UFC/mL, sem discriminar as espécies (patogênicas e saprófitas).

Indicação: controle de processos como sedimentação, filtração e cloração.

Alteração: passar todo o volume de água em membrana filtrante – colocar sobre almofada saturada com meio de cultura e incubar.

Contagem das colônias nas membranas.

Vantagens: representa o total do volume de água, resultados rápidos, usando meios seletivos é possível identificar tipos diferentes de bactérias. 40

MÉTODO 1: CONTAGEM EM PLACA

11

41

MÉTODO 2: TESTES PARA O GRUPO COLIFORME

1) Teste presuntivo (inoculação em caldo lactosado): presença de gás (teste + para coliformes)

2) Teste confirmativo: do caldo lactosado para a) caldo lactosado verde-brilhante bile (CLVBB) ou b) ágar eosina azul de metileno (EMB).

Se formou gás em (a) o teste é +.

Em (b): colônias características: E. coli são pequenas, escuras com centro quase negro e brilho metálico esverdeado.

3) Teste completo: As colônias típicas do EMB são selecionadas e inoculadas em:

a) caldo lactosado (deve produzir gás)

b) ágar inclinado (fazer teste de Gram: Gram-, bacilos não esporulados).

42

MÉTODO 2: TESTES PARA O GRUPO COLIFORME

43

MÉTODO 3: COLILERT PRESENÇA/AUSÊNCIA OU QUANTIFICAÇÃO DE COLIFORMES TOTAIS e E. coli

• Resultados confirmados em 24h• Aprovações internacionais (método padrão no Standard Methods for Water and Wastewater, 19a ed.)• Aprovação no Brasil: Secretarias de Saúde, laboratórios de pesquisa, universidades, companhias de saneamento• Facilidade de execução e leitura• Tempo de manipulação da análise: menor que 1 min• Detecta coliformes totais e E. coli (contaminação fecal) simultaneamente em 24h• Não há necessidade de confirmação• Não há manipulação de vidrarias ou contagem de colônias• Elimina interpretação subjetiva das cores de colônias• Detecta 1 coliforme em 100 mL de amostra 44

COLILERTTECNOLOGIA DE SUBSTRATO DEFINIDO

Análise simultânea de Coliformes Totais e E. coli

Fontes de C:ββββ-d-galactopiranosideo+o-nitrofenil (ONPG)

= COLIFORMES TOTAIS

ββββ-d-glucoronideo + 4-metil-umberliferil (MUG) = E. coli

Enzimas: ββββ-D- Galactosidase (ONPG)ββββ-D-Glucoronidase (E. coli)

• A maior parte dos microrganismos não-coliformes NÃO possui estas enzimas

• Os demais são inibidos pelos antibióticos do meio

12

45

CT

AMARELO

46

FLUORESCENTE

47

AUSÊNCIAPRESENÇA

QUANTIFICAÇÃO

48

13

49

SISTEMA SEMI-AUTOMÁTICO PARA CONTAGEM DE BACTÉRIAS

• Adição do substrato à amostra (100 mL): pura ou diluída

• Agitação até dissolver o substrato

• Colocação da amostra+substrato em cartela específica

• Seladora: distribuição simultânea das amostras em cubos

• Incubação: estufa bacteriológica a 35oC por 24h

• Contagem dos cubos amarelos (maiores e menores) – número mais provável (NMP) de Coliformes totais

• Exposição da cartela à luz UV: contagem dos fluorescentes – NMP de E. coli (contaminação fecal)

50

OUTROS BIOINDICADORES DA QUALIDADE DA ÁGUA

Nocivas em sistemas de abastecimento (odor, cor, gosto ...) - EXEMPLOS

1) BACTÉRIA OXIDANTE DE FERRO E MANGANÊS

água de cor marrom e mau cheiro

2) BACTÉRIA REDUTORA DE SULFATO

água com cheiro de ovo podre

Criptosporidium: resiste ao cloro (diarréia e cãibras)

3) BACTÉRIAS HETEROTRÓFICAS: úlceras, cansaço, câncer (idosos e crianças): <500 UFC mL-1 (35oC/48h)

Pseudomonas aeruginosa: teste para desinfestação de piscinas, spas, etc.

Helicobacter pylori: 90% das úlceras (cloro destrói)

51

REFERÊNCIA SUGERIDA

PORTARIA MS no 518, de 25/03/2004

Estabelece os procedimentos e responsabilidades relativos ao controle e vigilância da qualidade da água para consumo humano e seu padrão de potabilidade, e dá outras providências.

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CIANOTOXINAS

E SUAS

IMPLICAÇÕES

14

53

1. OCORRÊNCIA E HÁBITAT DAS CIANOBACTÉRIAS

Cianobactérias: bactérias aeróbias fotoautotróficas

Origem: cerca de 3,5 bilhões de anos (fósseis)

Pioneiros na Terra (produtores, liberação de O2)

Crescimento em diversas condições:

� rochas e solos = liquens (fungo e cianobactéria)

� água doce = pH 6-9, T 15-30oC e [N e P]

54

2. OCORRÊNCIA DE FLORAÇÕES DE CIANOBACTÉRIAS

� Agroindústria + fertilizantes + urbanização

� Esgotos e resíduos industriais e agrícolas

EUTROFIZAÇÃO ARTIFICIAL (P)

Florações (Blooms): crescimento na superfície

Resposta rápida = FITOPLÂNCTON

algas + cianobactérias perda da diversidade

55 56

3. TOXINAS DE CIANOBACTÉRIAS

Diversos gêneros e espécies (blooms) = cianotoxinas

Fonte de produtos naturais tóxicos

Ação: rápida (neurotóxicos) - NEUROTOXINAS

lenta (hepatotóxicos) - HEPATOTOXINAS

Efeitos na saúde (crianças e imunodeficientes):

• Exposição primária: consumo, recreação e remédios

• Exposição secundária: resíduos em frutas e verduras, consumo de carne (tecido animal)

15

57

Neurotoxinas:

Sistema nervoso, pele, fígado e sistema gastrointestinal

Paralisia muscular, convulsão e morte

Hepatotoxinas: tumor, câncer, prostração, anorexia, vômitos, dores e diarréia

Microcistinas e Nodularinas: Inibição de enzimas fosfatases, promotores de tumores no fígado.

Cilindrospermopsinas: inibição de síntese protéica, efeitos tóxicos no fígado, rins, baço, coração e outros.

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NEUROTOXINAS (alcalóides):

Gêneros: Anabaena, Aphanizomenon, Oscillatoria, Trichodesmium e Cylindrospermopsis = 5 TIPOS

ANATOXINA-A (primeira toxina identificada)

• Potente bloqueador neuromuscular

• Animais: desequilíbrio, respiração ofegante e convulsões. Morte por parada cardíaca (poucos min).

• DL50 intraperitoneal em camundongos: 200 mg/kg

• Sobrevivência: 1 a 20 min (toxina purificada)

• Doses orais: mL a poucos L de água

59

ANATOXINA-A(S): presença de organofosfato (toxina estruturalmente única), com efeitos mais duradouros.

Sintomas anteriores + salivação

DL50 intraperitoneal = 20mg/kg (10x + potente)

SAXITOXINA - inibição da condução nervosa

• 50x mais letal que estriquinina

• 10.000x mais mortal que os cianetos

• Gêneros: Anabaena, Aphanizomenon, Lyngbia e Cylindrospermopsis

60

ANATOXINA-A

ANATOXINA-A(S)

SAXITOXINA

NEUROTOXIN

AS

16

61

HEPATOTOXINAS (peptídeos cíclicos):

Tipo mais comum de intoxicação (tumor, câncer)

• Morte em poucas horas ou poucos dias

• Hemorragia intra-hepática (arquitetura do fígado)

Gêneros: Microcystis, Anabaena, Nodularia, Nostoc, Cylindrospermopsis

Microcistinas e Nodularinas (principais)

DL50 intraperitoneal: 60-70 mg/kg (microcistinas)

DL50 intraperitoneal: 50-200 mg/kg (nodularinas)

Recentemente: cilindrospermopsina

62

ESTRUTURA QUÍMICA DE HEPATOTOXINAS

63

Áreas de ocorrência:

Anatoxina-a: EUA, Canadá, Europa e China

Anatoxina-a(s): EUA, Canadá, Europa

Saxitoxina: EUA, Austrália, Brasil, Europa (Portugal)

Cilindrospermopsina: EUA, Austrália, Brasil, Japão, Israel, Europa

Microcistina: EUA, Austrália, Canadá, Europa e China

Lingbyatoxina: EUA, Austrália, Ilhas do Pacífico

• Microcistinas (+65 variantes): água doce(Microcystis, Anabaena, Oscillatoria, Nostoc,

Anabaenopsis)

• Nodularinas: água marinha (Nodularia)

64

17

65 66

4. EVIDÊNCIAS DE INTOXICAÇÕES HUMANAS

Descritas na Austrália, Inglaterra, China e África do Sul.

1988: correlação entre florações em Itaparica (BA) e morte de 88 pessoas (das 200 intoxicadas)

1996: pacientes submetidos à hemodiálise em Caruaru (PE) - 123 pacientes com hepatoxicose (54 mortes após 5 meses do início dos sintomas) - água não bem tratada (Cl no próprio caminhão)

Análises em laboratórios brasileiros e americanos: presença de MICROCISTINAS no carvão ativado e em amostras de sangue e fígado dos pacientes.

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5. FATORES AMBIENTAIS QUE INFLUENCIAM A PRODUÇÃO DE CIANOTOXINAS

• Variações temporais, sazonais, anuais e espaciais

• Alterações: cepas tóxicas e não tóxicas (população)

Questões:

1. Existem cepas geneticamente distintas que não produzem toxinas? OU

2. Fatores ambientais (luz, T, nutrientes) regulam a síntese destas toxinas?

** Cerca de 50% de florações testadas = TÓXICOS!

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6. NORMA DE QUALIDADE DA ÁGUA PARA CONSUMO HUMANO, NO BRASIL

Portaria MS no 518 (25/03/2004)

Microcistinas: padrão < 1,0 µµµµg/L

Aceitam-se até 10 µµµµg/L em até 3 amostras consecutivas ou não, em 1 ano.

Recomendação: cilindrospermopsinas e saxitoxinas, com limites de 15 e 3 µµµµg/L, respectivamente

Análise: bioensaios em camundongos (OMS)

Freqüência:

• Semanal, se > 20.000 cél./mL e não usar algicidasno controle (lise e liberação de microcistinas)

• Mensal, se < 10.000 cél./mL

18

69

Padrões internacionais:

Anatoxina-a: Austrália (3 µµµµg/L)

Saxitoxina: Austrália (3 µµµµg/L)

Cilindrospermopsina: Austrália (1-15 µµµµg/L)

Microcistina:

OMS e Brasil (1 µµµµg/L)

Austrália (1,3 µµµµg/L)

Canadá (1,5 µµµµg/L)

EUA – não há padrões estabelecidos !

70

7. AVALIAÇÃO: métodos para detecção

Não universal devido à estrutura diversa...

Anatoxina-a: bioensaios, cromatografia

Anatoxina-a(s): bioensaios com rato, enzimas e

cromatografia

Saxitoxina: bioensaios com rato, imunoensaio e

cromatografia

Cilindrospermopsina: bioensaio e cromatografia

Microcistina: bioensaio, imunoensaio, fosfatase e cromatografia

71

8. TRATAMENTO PARA REMOÇÃO DE CIANOBACTÉRIA E TOXINA

Tratamento convencional (coagulação/floculação/sedimentação)

Filtração lenta em areia

Carvão ativado granular (pó)

Microfiltração (nano)

Oxidantes não clorados (O3)

Coagulação/sedimentação/filtração: remoção de 90-99% das bactérias.

Não remove toxinas (importante quando as mesmas estão restritas na célula-microcistinas), mas não para cilindrospermopsinas (liberadas)

Mais eficientes após tratamento convencional

72

Resumo de tratamentos para cianotoxinas:

Anatoxina-a e Anatoxina-a(s): C ativado, O3 e Cl

Saxitoxina: C, aquecimento, O3 e Cl (pouco eficiente)

Cilindrospermopsina: filtração, C, Cl, O3

Microcistina: Cl, filtração, O3 e C

Nodularina: Cl, filtração, O3, C

Estudos: degradação microbiológica...

• C ativado: eficiência inversa à [COD]

• Oxidação química: inativa as toxinas, mas podem surgir outras mais potentes (estudos?)

• Microfiltração: remove, mas são caros e o retido éextremamente tóxico

19

73

9. CIANOBACTÉRIAS E O AMBIENTE

1) Liberação de toxinas: senescência, morte ou lise são mais importantes que a excreção contínua

Quanto mais velho o bloom: > [toxinas]

• Microcistinas: estáveis e resistentes (meses a anos)

• Anatoxina-a: rápida degradação fotoquímica (alcalino)

• Cilindrospermopsina: lenta quebra a 50oC. Luz solar quebra em 2-3 dias (90% do total)

2) Após liberação:

� Adsorção: <20% em partículas sólidas

� Sedimentação: poucos estudos (liberação posterior)

� Percolação: f(tipo de argila, CTC, cátions, etc.)

3) BIODEGRADAÇÃO: estudos? Bactérias aquáticas comuns (Sphingomonas, Pseudomonas, etc.): 2 a 10 dias

f(temperatura da água, [toxinas], clima e corpo aquático)74

10. CONSIDERAÇÕES FINAIS

• Evitar eutrofização (Programas de monitoramento)

• Melhoria nas técnicas de tratamento de água

• Centros de hemodiálise e de injetáveis

• Portaria MS no 518 (25/03/2004): CIANOTOXINAS

Seleção para estudos:

(I) Prioridade máxima: microcistina, cilindrospermopsina e anatoxina-a

(II) Média a alta prioridade: saxitoxina e anatoxina-a(s)

(I) Mais estudos necessários: nodularina e lingbyatoxina

75

11. REFERÊNCIAS

Revista Virtual de Medicina (v.1, n.3, ano I, jul-set 98)

Profa. Dra. Sandra M.F.O. Azevedo (UFRJ)

http: //www.medonline.com.br/med_ed/med3/microcis.htm

<disponível em março de 2006>

Portaria MS no 518 (25/03/2004) de qualidade da água

http://portal.saude.gov.br/portal/arquivos/pdf/mnl_ciano_bacterias.pdf <disponível em março de 2006>

76

Anabaena

Aphanizomenon

Cilindrospermopsis

20

77

Lyngbya

Microcystis aeruginosa

Microcystis wesembargii

Planktothrix

78

BIOFILMES

79

1) O QUE SÃO BIOFILMES?

Complexos ecossistemas microbiológicos embebidos em uma matriz de polímeros orgânicos, aderidos a uma superfície (onde há contato com água).

Considerar: 106 a 107 células aderidas cm-2

Ex. placas dentárias, limo em rochas de rios, etc.

2) PORQUE ESTUDAR BIOFILMES?

� Bactérias patogênicas - DOENÇAS

Yersinia enterocolitica, Salmonella thyphimurium, E. coli O157:H7, Staphylococcus aureus e Bacillus cereus

� Problemas de saúde pública e de ordem econômica: Pseudomonas aeruginosa, P. fragi, P. fluorescens, Micrococcus sp e Enterococcus faecium

� Corrosão em sistemas (tubulações) de metal80

Célula bacteriana com polímeros extracelulares, os quais concentram nutrientes e a protegem de

agentes biocidas

21

81

Bactérias em biofilmes se unem em uma rede de fibras de polissacarídeos

82

3) BENEFÍCIOS ÀS BACTÉRIAS: ALIMENTO E PROTEÇÃO

Mecanismo de sobrevivência - ADERÊNCIA

� nutrientes e proteção contra biocidas

NUTRIENTES:

• Água potável: baixa quantidade de nutrientes

• Como o biofilme ajuda as bactérias obterem nutrientes?

a) [ ] de substâncias orgânicas nas superfícies

b) polímeros extracelulares concentram nutrientes

c) colonizadores secundários usam resíduos vizinhos

d) diferentes enzimas - comunidade complexa

83

PROTEÇÃO CONTRA BIOCIDAS:

• Pode ser 150 a 3000 x mais resistentes ao Cl que a isolada (livre na água)

• Resistência em f (rede de polissacarídeos) - escudo

• Estudos: aumento exopolímeros quando biocidas!

4) PASSOS PARA A FORMAÇÃO DO BIOFILME

• SUPERFÍCIE: adesão de partículas orgânicas

• ADESÃO de bactérias pioneiras: atração eletrostática e forças físicas

• FORMAÇÃO DO LIMBO (slime): cimentação das células às superfícies e sistema de troca de íons (nutrientes)

84

Alta [] nutrientes: reprodução de células pioneiras e nova produção de polímeros (gelatinosa e lisa)

Biofilme maduro: 75 a 95% do volume do tubo

COLONIZAÇÃO SECUNDÁRIA:

Uso de resíduos gerados pelos colonizadores primários

Novos resíduos formados COMUNIDADE

BIOFILME FORMADO E FUNCIONAL

• Tecido vivo na superfície

• Comunidade de dif. espécies (aeróbio e anaeróbio)

• Horas ou semanas para desenvolver

Ex. P. aeruginosa = 30s de exposição (pioneira)

22

85 86

Consórcio bacteriano

87

Colonização desuniforme por bactérias resulta em pontos diferentes de aeração - potencial elétrico

88

5) NOVAS DESCOBERTAS

• Antigamente: crescimento descontrolado (sem estrutura)

• Atual: estrutura complexa (cidade), com células geneticamente distintas (proteínas da parede celular alteradas - dificulta a morte por antibióticos)

EVOLUÇÃO BACTERIANA:

� Bactérias móveis

� Mecanismos para alterar a parede celular (tornou-se hidrofóbica) e aumentar a afinidade por superfícies (e encontrar nutrientes)

23

89

Modelo da arquitetura de um biofilme com espécies bacterianas simples - estrutura complexa

90

6) FATORES QUE CONTRIBUEM PARA A FORMAÇÃO

a) Superfície do material: pouco efeito (aço, plástico)

b) Área superficial: > área > formação (chance >)

c) Uniformidade: pouco efeito de irregularidades

d) Velocidade de fluxo: > fluxo < espessura biofilme

e) Limitação de nutrientes: < nutrientes < biofilme

1ppb MO produção de 9.500 bactérias mL-1

91

Rugosidade de aço e células de

Pseudomonas(0,3-0,8 x 1,0-1,2 µm) leite, alimento

e farmacêuticos

água pressurizada

tubo

polido

92

Espessura do biofilme em função da velocidade de fluxo

24

93

Fontes de nutrientes

� C orgânico: ácidos fúlvicos e húmicos, solventes, plásticos de fibra de vidro, lubrificantes, produtos microbianos, poeiras do ar

� Nitrogênio: N húmico e ácidos fúlvicos, nitratos e nitritos, produtos microbianos, poeiras do ar

� Fósforo: fosfatos na água, produtos microbianos, poeiras do ar

� Enxofre: sulfatos, ácido sulfúrico, surfactantes, poeiras do ar

� Elementos-traço e sais: tubulação, fibras-de-vidro, aço, tratamento químico, poeiras do ar

94

7) REMOÇÃO E DESTRUIÇÃO DE BIOFILMES

Tratamentos: químicos - oxidação ou não oxidação

físicos - água quente e esfregação

BIOCIDAS OXIDANTES

a) CLORO:

• mais eficiente e mais barato

• morte de células livres e de biofilmes

• destruição da rede de polissacarídeos

• se alta [Cl]: melhor e mais rápido - difusão

• cuidado com corrosão pelo próprio cloro

95

b) DIÓXIDO DE CLORO (ClO2):

• instável, efeito semelhante, corrosivo, cuidado no manuseio

c) OZÔNIO (O3):

• 2x mais oxidativo que o cloro

• instável (aplicação in situ)

• baixa solubilidade

• materiais devem ser resistentes ao ozônio

d) H2O2 10%:

• menos eficiente e mais caro que o cloro

• usado em sistemas microeletrônicos96

BIOCIDAS NÃO OXIDANTES

a) COMPOSTOS QUATERNÁRIOS DE AMÔNIO:

surfactantes eficientes na remoção

exige muitas aplicações para remoção

b) FORMALDEÍDO:

sistemas farmacêuticos

relativamente não corrosivo ao aço

efeito questionável e carcinogênico

TRATAMENTO FÍSICOCALOR: água quente (mais 80oC) para matar bactérias ------ 95oC por 100min

Não usado em água potável !

25

97

8) DETECTANDO E AVALIANDO BIOFILMES

CONTAGEM EM PLACAS: volume conhecido de amostra

Subestima:

• bactérias livres (99% estão aderidas)

• bactérias que sobrevivem no meio de cultura

• estado viável e não cultivável

VISUAIS E NÃO VISUAIS

VISUAIS: microscopia (contraste, epifluorescência e eletrônico) - adesão, interações com a matriz

NÃO VISUAIS:

IMPEDÂNCIA - alteração da condutividade (turvação)

BIOLUMINESCÊNCIA - mede ATP extracelular gerado

98

Vista de biofilmes em microscopia óptica e

eletrônica

99

9) O QUE FAZER?

• Bactéria: evolução para ADESÃO e PROTEÇÃO

• Combinação de estratégias: satisfazer as normas!

� PURIFICAR SEMPRE! reduz nutrientes (qualidade)

� AUMENTAR O FLUXO! reduz a espessura e zonas anaeróbias e facilita a penetração de biocidas

� REDUZIR AS FISSURAS! reduz biofilme e facilita ação de biocidas

� USAR BIOCIDAS SEMPRE!

100

Exemplo de aplicação de biocidas e nova formação do biofilme

26

101

ESTUDOS MULTIDICIPLINARES

CIENTISTA DE COMPUTAÇÃO

QUÍMICO MICROBIOLOGISTA

ENGENHEIRO

BIOFILMES

102

Etapas de desenvolvimento de um biofilme:

BIOFILME

103BIOFILME

104

ConcentraConcentraçção de Oxigênioão de Oxigênio

27

105

Dinâmica de CrescimentoDinâmica de Crescimento

106BIOFILME

PorosidadePorosidade

107

Quorum Quorum SensingSensing

BIOFILME108

Exemplos:

• Biofilme em dentes

BIOFILME