microbiologia do solo 1. bactérias grupo mais numeroso e diversificado: 3 x 10 6 a 5 x 10 8 por g...

Microbiologia do Solo

1

Bactérias grupo mais numeroso e diversificado: 3 x 106 a 5 x 108 por g de solo seco

Gêneros mais frequentes: Bacillus, Clostridium, Arthrobacter, Pseudomonas, Nocardia, Streptomyces, Micromonospora, Rizóbios Cianobactérias: pioneiras, fixação N2

Fungos: 5 x 103 - 9 x 105 por g de solo seco Limitados a superfície Gêneros mais frequentes: Penicillium, Mucor, Rhizopus, Fusarium,

Aspergillus, Trichoderma

Algas, protozoários e vírus

Microrganismos do Solo

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1 Pg = 1,000,000,000,000 kg 3

CO2 na atmosfera/ano (bilhões de toneladas)

Outros

4

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.

Fixação/liberação de C

5

6

http://www.whrc.org/carbon/images/CO2_sources.jpg

(ppm)(ppm)

7

Aumentos das temperaturas: decomposição mais rápida (> emissão de CO2 que incorporação via 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

Microrganismos e o aquecimento

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Aumentos das temperaturas aumentam as áreas biogeográficas de certos microrganismos relacionados a doenças: malária, dengue, febre amarela, viroses, etc.

Alteração temperatura da água dos oceanos: altera a dinâmica das populações inclusive as microbianas

Áreas de tundra e do ártico estão com T mais elevadas, aumentando a produção de CH4 (Archaea metanogênicas)

Microrganismos e o aquecimento

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Fertilizar os oceanos com Fe e P para aumentar as populações de algas e outros microrganismos como cianobactérias dos gêneros Prochlorococcus e Synechococcus que absorvem quantidades enormes de CO2

Utilizar algas e microrganismos para a extração de biocombustíveis

Utilizar microrganismos geneticamente modificados para aumentar a produtividade de plantas para extração de óleo (biocombustíveis)

Formas de atenuar o problema

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Utilizar celulose (hemicelulose) para produzir etanol via aplicação microbiana

Sulfolobus solfatarius - Archaea Trichonympha sp. - protozoário Trichoderma reesei – fungo

Formas de atenuar o problema

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O ciclo do Nitrogênio

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Fixação/liberação de N 5 processos principais que ciclam o N

Fixação Absorção (crescimento dos organismos) Mineralização (decomposição) Nitrificação Desnitrificação

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Fixação do N N2 (inorgânico) NH4

+ ou NO3- (inorgânico)

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 (produção de uréia)

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Absorção do N NH4

+ (inorgânico) N orgânico

NH4+ é rapidamente incorporado em proteínas e outros compostos

nitrogenados orgânicos pelas plantas ou organismos do solo

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Mineralização do N N orgânico NH4

+ (inorgânico)

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

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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

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Desnitrificação NO3

- NO2- NO N2O N2

Processo anaeróbico feito por bactérias desnitrificadoras

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)18

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 NO3- que pode entrar nos

corpos d’água e no solo

Derrame de excrementos em corpos d’água

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Atividades humanas 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

20

O ciclo do 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 21

Fósforo Três formas principais de fósforo:

Fósforo orgânico: na matéria viva, plantas, microrganismos, etc. Fósforo solúvel: disponível (orgânico bem como HPO4

2-). 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

22

O ciclo do Fósforo

23

Atividades humanas Uso excessivo de fertilizantes

Contaminação das correntes de água pelo uso de ácido sulfúrico para extrair o fósforo das rochas

Lixiviação contaminando lençóis freáticos causando eutrofização

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Microbiologia da água

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• Temperatura da água: superfície e subsuperfície

• Luz (turbidez): principalmente algas e cianobactérias fotossintetizantes

• O2: zonas ôxicas e zonas anôxicas

• Pressão hidrostática: barotolerantes, barofílicos (enzimas, ácidos graxos, proteínas especiais de transporte)

• Salinidade: halofílicos

• pH: Archaea em ambientes extremamente acídicos

• Nutrientes: cargas orgânicas e inorgânicas, eutrofização, metais

O ambiente aquático

27

Fonte: Microbiologia de Brock; Madigan et al., 2004

+ morna- densa

+ fria+ densa

28

Fonte: Microbiologia de Brock; Madigan et al., 2004

Estimativas do número totalnos oceanos:

1,3 x 1028 Archaea3,1 x 1028 Bacteria

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• Poluição– água pode ser límpida, inodora e sem sabor e

mesmo assim não ser potável devido à presença de contaminações

• Água potável: livre de microrganismos patogênicos e de substâncias químicas nocivas

• contaminantes:– químicos

– físicos

– biológicos

Microbiologia da água potávelFísicos

Asbestos Resíduos industriais CâncerArgila suspensa Precipitação Interfere com

tratamentos sanitários

QuímicosMetais pesados Indústrias Várias doençasSulfatos Algicidas e minas DiarréiasNitratos Fertilizantes MetemoglobinemiaSódio Amaciantes de água Retenção de fluidos

Doenças do coraçãoPesticidas Agricultura Várias doençasClorofórmio Indústria Câncer

BiológicosBactérias Fezes e urina Febre tifóide

ShigelosesSalmonelosesGastroenteritesTularemiaLeptospirose

Vírus Fezes HepatitePoliomieliteGastroenterites

Protozoários Fezes Disinteria amébicaGiardíaseBalantidíase

Poluentes Possível fonte Efeitos adversos

Ac. hipoclóricoAc. hidroclórico

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• Bactérias– Salmonella spp. – Vibrio cholerae

» principais problemas associados à falta de cuidados sanitários

– Shigella spp.– Yersinia enterocolitica: gastroenterite aguda– Escherichia coli: linhagens patogênicas - enterites– Clostridium perfringens: enterite, gangrena gasosa– Vibrio parahaemolyticus: gastroenterites– Pseudomonas aeruginosa: infecções nos olhos,

ouvidos– Staphylococcus aureus: infecções cutâneas, garganta

e intoxicações alimentares– Leptospira: hepatite, conjuntivite e insuficiência renal

Microrganismos patogênicos na água

• Fungos

• aquáticos: saprófitas, parasitas de peixes• oriundos do solo: leveduras

– Candida albicans: infecções da pele, mucosas

• fungos dermatófitos– Geotrichum


• Protozoários

– ciliados • Giardia lamblia: esporos resistentes ao cloro

– amebas • Entamoeba hystolytica


• Vírus

– Hepatite A– Gastroenterite infecciosa não bacteriana– Poliomielite


• Microrganismos indicadores da qualidade da água

• Qual é o indicador ideal?

Métodos de detecção da qualidade microbiológica da água

• 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

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• 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

Escherichia coli e outros coliformes

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• Análise bacteriológica da água– Metodologia:

• teste presuntivo (caldo lauril triptose)

– 35 a 37o C – 24 hs

– detectar a presença de coliformes na água

– incentivar o crescimento de possíveis contaminantes fecais

• teste confirmativo (caldo lactosado com bile e verde brilhante) – 35 a 37o C – 48 hs

– bile inibe crescimento de não entéricas enquanto o verde brilhante inibe crescimento de Gram +

– confirmar presença de coliformes totais na água

• teste completo (EC e placas Mac Conkey)

– 44,5o C – 24 hs

– para E. coli – confirmar a presença de coliformes fecais na água

– Metodologia de filtragem e plaqueamento

– Metodologia de incubação com kits específicos

Metodologia de execução

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Microbiologia dos alimentos

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Composição microbiana dos alimentos

Frutos:Leveduras na casca das uvas - fermentação para fabricação do vinhopH 2,3-5,0 - baixa incidência de bactérias

Carnes:Corte e manuseio - bactérias proteolíticas, lipolíticas, fungosOcasionalmente patógenos: Clostridium perfringens, Staphylococcus aureus

Leite:Microbiota característica do ambienteBactérias como Pseudomonas, bactérias do ácido lático, leveduras, coliformes, bactérias esporulantesInfecções: MastiteOutros patógenos: Mycobacterium, Brucella, Salmonella, Coxiella

Microbiota própria ou adquirida com o manuseio

Principais processos de deterioração de alimentos por microrganismos

Ranço: Alimentos ricos em gorduraMicrorganismos lipolíticos, principalmente bactériasQuebra das gorduras ácidos graxos glicerol

Putrefação: Alimentos ricos em proteínas (p. ex. carnes)Bactérias proteolíticasProteínas putrescina, cadaverina, H2S, NH3

Azedamento e coagulação: LeiteBactérias do ácido láticoLactose ácido lático + outros ácidos

Composição microbiana dos alimentos

Fatores envolvidos na deterioração Físicos: luz, temperatura, pressão osmótica, pressão hidrostática Químicos: pH, O2

Biológicos: insetos, microrganismos, roedores O que causa a deterioração

Microrganismos 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

Microorganismos e a deterioração

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1. Frio (refrigeração e congelamento)Refrigeração (4 a 10 C): paralisação crescimentoCongelamento (- 20 C): ausência de água, formação de cristais

2. Secagem: sol, câmaras, liofilizaçãoalimentos perdem água, provocando a inibição do crescimento (metabolismo inibido)

3. Concentração de solutos (sal, açúcar, aditivos, etc.) aumento da pressão osmótica

4. AcidificaçãopH do alimento

4. Controle dos microrganismos em alimentos

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5. ConservasAlta temperatura

6. RadiaçõesRadiação ionizante: raios gama (remoção de e- ou átomos da molécula)

7. AditivosMicrobicidas x microbiostáticos

* inorgânicos:- H2S, NO3

-, NO2-

* orgânicos:- ácido ascórbico: laticínios, sucos- benzoato de sódio: refrigerantes- propionato de cálcio: pães


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8. Pasteurização63ºC por 30 min (LTLT: low temperature long time)

72º C por 15 s (HTST: high temperature short time)

9. EsterilizaçãoUHT (ultra-high temperature): 150º C por 1-2 s

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Alimentos preparados com o uso de microrganismosAlimento Matéria prima Principal

MicrorganismoGrupo

Picles Pepinos Lactobacillus spp.Pediococcus spp.

Bacilos, Gram +Cocos, Gram +

Leite fermentado Leite L. acidophilus Bacilos, Gram +

Pão Farinha Saccharomyces cerevisiae Levedura

Ricota Leite pasteurizado

L. bulgaricus Bacilos, Gram +

Koumiss Leite de égua L. bulgaricusTorula, Mycoderma

Bacilos, Gram +Leveduras

Kefir Leite fresco, Streptococcus spp.Lactobacillus spp.Leuconostoc Acetobacter

Cocos, Gram +Bacilos, Gram +Cocos, Gram +Bacilos, Gram -

Ioogurte Leite pasteurizado

L. bulgaricusS. thermophilus

Bacilos, Gram +Cocos, Gram +

Shoyu Arroz, Soja L. delbrueckiiAspergillus oryzaeSacharomyces rouxii

Bacilos, Gram +Fungo filamentosoLevedura

Queijos Leite S. lactisS. cremorisL. citrovorumL. dextranicumOutros microrganismos

Cocos, Gram +Cocos, Gram +Bacilos, Gram +Bacilos, Gram +Fungos

Cerveja Grãos de cereais Saccharomyces spp. Leveduras

Vinho Suco de uva Saccharomyces cerevisiaeSacch. champagnii

Leveduras

Presunto e salsichas curados

Porco/Gado Pediococcus cerevisiae Cocos, Gram +

Presunto curado Porco Aspergillus, Penicillium Fungos46

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

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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: 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.)


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Vegetais fermentados Azeitonas – Leuconostoc Molho de soja –

Aspergillus oryzae Pediococcus soyae Saccharomyces spp. Torulopsis spp. Lactobacillus spp.

Miso – Aspergillus oryzae Tofu – Mucor spp.


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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

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Intoxicações

a. Intoxicação estafilocócicaStaphylococcus aureus – tem várias toxinas (febres, doenças do

trato respiratório, etc.)

b. Intoxicação por Clostridium perfringensenterotoxina produzida no intestino - disenterias

c. Intoxicação botulínica (Botulismo)Clostridium botulinum: bactéria anaeróbia, produtora de endósporos (exotoxina) – metaloprotease do sistema

neurotransmissor

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Infecções

a. Salmoneloses, Febre tifóide e Febres paratíficasSalmonella sp.:

S. thyphimurium: espécie mais comumS. typhi: febre tifóide

b. Infecções por Escherichia coliEscherichia coli enterotóxicaLinhagem mais comum: E. coli O157:H7

c. Infecções por CampilobacterCampylobacter jejuni e C. fetus – diarréias, disenterias, abortos

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Microbiologia do ar

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Tipos de microrganismos no ar

• Algas• Protozoários• Fungos em geral• Bactérias

54

Fatores que afetam a microbiota do ar

• umidade• temperatura• radiação• densidade populacional

55

Tipos de microrganismos no ar

• principais tipos:– esporos de fungos

• p. ex. Cladosporium, Aspergillus, Penicillium

– bactérias esporulantes– vírus

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• 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

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Métodos de avaliação da microbiota do ar

• Sedimentação – teste da placa aberta

• Impacto:– crivo– furo

• Filtração: membranas 58

Controle das populações microbianas do ar

• filtração: filtros HEPA (high efficiency particulate air)

• radiação

• desinfetantes/esterilizantes– Oxido de etileno– Anthium dioxide

59

Interações Parasita-Hospedeiro

60

mecanismos de

infecção

mecanismosde

defesaPARASITA HOSPEDEIRO

Resistência x Susceptibilidade

61

* 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.

Definições

Mecanismos de infecção (fatores de virulência)

62

Requisitos para doença

63

* exotoxinas: liberadas extracelularmente

natureza química: - proteínas - afinidade por tecidos específicos - sensíveis ao calor

Enzimas citolíticas = liseEnzimas A-B = duas subunidadesToxinas que atuam como superantígenos = estimulam células de

resposta imune (inflamações)

- Corynebacterium diphtheriae- Clostridium tetani (neurotoxina)- Vibrio cholerae (enterotoxina)

Toxinas

64

(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.

Ação da toxina diftérica de Corynebacterium diphtheriae

Fonte: Microbiologia de Brock; Madigan et al.200465

Ação da toxina tetânica de Clostridium tetani


Glicina (aa)

Acetilcolina (neurotransmissor)

Ação da toxina coléricaEnterotoxina


Glicolipídio complexo = gangliosídio

* 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

Toxinas

68

Barreiras físicas:

pelemucosascutícula e ceras das plantasparede celularpeloscílios das células epiteliais

Mecanismos externos de defesa

69

Barreiras químicas

ANIMAISÁcido 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)

Barreiras biológicas:

microbiota da pele

superfície das folhas

rizosfera

70

Barreiras químicas

PLANTASFitoalexinas (compostos fenólicos)pH da seivaSaponinas, glicosídeos e cianogênicosÁcido salicílico

Mecanismos externos 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

71

Células fagocitárias (leucócitos) – glóbulos brancos

neutrófilosmonócitos e macrófagos

Fagócitos tem elementos bactericidas como proteases, fosfatases,

nucleases, lipases

Não fagocitários linfócitos (sistema imune – células T e B)

72

Fagocitários


73Produtoras de anticorpos

Defesa celular

Ingestão e morte


* 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 - 4,0lisozimaoutras enzimas hidrolíticasaumento da respiração - diminui O2 com

produção de radicais - superóxido- peróxido

morte do microrganismo 10-30 min depois

74


Fonte: Microbiologia de Brock; Madigan et al.2004 75

Peróxido de hidrogênio

Anions superóxidos

Radicais hidroxil

Ácido hipocloroso

Óxido nítrico

Lisossomo + macrófago = fagolisossoma

S. aureus + carotenóides

Células “natural killers” (linfócitos não específicas) e células Tc (citotóxicas)

76



C

proteína do complemento

Anafilatoxinas

Sistema Complemento

Controle do Crescimento Microbiano

78

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/Assepsia – 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 79

* tamanho da população

* intensidade ou concentração do agente

* tempo de exposição

* temperatura do ambiente

* natureza do meio: umidade, pH, etc.

* tipo de microrganismo

Condições que Afetam a Atividade de um Agente de Controle Microbiano

80

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

81

3.1. Controle Antimicrobiano por Agentes Físicos

- Esterilização pelo calor

- Esterilização por radiação

- Esterilização por filtração

3. Tipos de Agentes de Controle e Mecanismos de ação

3.2. Controle Antimicrobiano por Agentes Químicos

- Agentes químicos de uso externo3.3. 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

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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)


83

Efeito da temperatura na viabilidade de uma bactéria mesofílica

Fonte: Madigan et al., 2004. Microbiologia de Brock

Medida da Esterilização pelo Calor

84

Fonte: Madigan et al., 2004. Microbiologia de Brock

Relação Entre Temperatura e Tempo de Morte em Mesófilos e Termófilos

Mesófilos

Termófilos

85

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* 160º C 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

86

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


87

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


89


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)

90


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* primeiro agente químico usado para controle

b) Álcoois* Etílico a 60-85%: mata células vegetativas* Desnaturação de proteínas* Dissolvem os lipídeos da membrana

91


3.2.2. Desinfetantes

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

92

Agentes AntimicrobianosUtilizados in vivo

93

3.3.1. Fármacos antimicrobianos sintéticos

Salvarsan

• uso do arsênico (interrompe a produção de ATP)

Sulfonamidas

• sintéticos com o grupo sulfonamida (ácido sulfônico)


- Definição: Agentes antimicrobianos produzidos por microrganismos

(bactérias e fungos) exibindo função de inibir ou matar outros

microrganismos

3.3. Agentes Antimicrobianos Utilizados In vivo

94



- Espectro de ação: * Largo espectro (ex: Tetraciclina)* Baixo espectro (ex: Vancomicina)

95

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

Principais Agentes Antimicrobianos de Procariotos

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 negativos96

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

97

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Lactone_Types.png

3.3. Agentes Antimicrobianos Utilizados in vivo3.3.3. 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)

98

Controle de vírus* a condição de parasita intracelular obrigatório

- íntima ligação com as funções da célula hospedeira- dificuldade de controle

a) Análogos de Nucleosídeos (nucleotídeo sem o P)* 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


3.3.3. Fármacos Antivirais

99

Fonte: Madigan et al., 2010

Teste de Difusão em Discos - Antibiograma

Padrões definidos pelo Instituto de Padrões Clínicos e Laboratoriais (CLSI)

100

Microrganismos e Biotecnologia

101

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

102

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.


103

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.


104

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

105

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


106

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


107


3.5. Microrganismos na produção de vinagre

Álcool etílico ácido acético Acetobacter e GluconobacterTonel 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)108

4.1. Microrganismos na produção de etanol

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

4. Produtos para a indústria

Celulose a glicose = fermentada a etanol

109

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

5. Fermentadores industriais

110

Isolamento e seleção de microrganismos produtores de antibióticos

111

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 aminoácidosComo 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

113

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

7. Produtos ligados a saúde

114

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

115

8.1. Insulina humana - 1º biofármaco produzido pela engenharia genética

Microrganismo produtor: Escherichia coli com o gene humano paraprodução de insulina

8.2. Vacina contra hepatite B (HBV) - 1982Vírus não cultivável em laboratórioMicrorganismo: Saccharomyces cerevisiae com o gene para a proteína

8.3. Hormônio do crescimento humano - somatotropinaE. coli recombinante com o gene

8. Transformação genética

116

9. Biocontrole

Bacillus thuringiensis

117

Thiobacillus thioxidans e Thiobacillus ferroxidans

ácidos oxidação do minério precipitação

10. Biomineração

118

Identificação de bactérias1. Morfologia2. Hidrolise do amido (iodo)3. Motilidade4. Catalase – H2O2 (bolhas)5. VM: glicose a ácidos (VM pH baixo) vermelho tijolo6. VP: fermentação enolglicólica glicose fermentada a acetoína,

butilenolglicol e ácidos. KOH e α naftol formam diacetil (anel vermelho)7. Citrato: citrato de sódio quebrado pela citrase aumentando o pH8. Malonato: impede a catalise do ácido succínico e o ciclo de Krebs. Sem

ciclo de Krebs não há produção de ácidos e o pH sobe9. Fenilalanina: amina da fenilalanina removida produzindo ácido

fenolpirúvico + cloreto férrico (verde)10. Lisina: descarboxilação dos aminoácidos e o pH sobe (púrpuro)11. Indol: triptofanase produzindo ácido pirúvico e NH3

+ baixando o pH12. H2S: se há produção de H2S esse reage com o Fe do meio e com acidez

forma FeSO42- (preto)

13. Uréia: urease degrada uréia liberando NH3+, CO2 e H2O. NH3

+ reage e forma CONH3

+ e aumenta o pH (magenta com indicador V fenol)119

Identificação de bactérias14. Redução de NO3

-: nitrato a nitrito (vermelho quando presente)15. Glicose16. Lactose17. Sacarose18. Maltose

120

microbiologia do solo 1. bactérias grupo mais numeroso e diversificado: 3 x 10 6 a 5 x 10 8 por g...

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