Fatores determinantes abióticos

1. Atividade da água – Aw

2. Potencial hídrico – Ψ

3. pH

• Indica o nível de água em sua forma livre nos materiais.• Os microrganismos aproveitam somente a água livre, que difere

dependendo do material.

É definida pela diminuição da pressão parcial do vapor de água:

Aw = P/P0

P = pressão de vapor da água no material P0 = pressão de vapor da água pura

• A diminuição da atividade é devido à imobilização da água pelos constituintes

químicos presentes no material, que diminuem sua capacidade de vaporizar-se.

1. Atividade de água (Aw)

Aw (Activity of water)

Expressa a quantidade de água disponível para atividade microbiana.

Esta água livre é disponível para participar das reações químicas que

influenciam:

-Nas características e qualidade dos produtos (durabilidade, estabilidade)

produtos farmacêuticos, alimentos e de higiene pessoal.

Sem água não existe atividade

microbiana

Aw e conteúdo de água do material

Conteúdo de água de um substrato mede água total,

por outro lado,

Aw prevê melhor a capacidade de crescimento microbiano porque mede água disponível.

O sal baixa mais a Aw do que o

açúcar

Íons baixam Aw mais do que polímeros

A disponibilidade depende do tipo de soluto.

Relação complexa isotermas de adsorção (ou dessorção)

Aumento de Aw quase sempre implica em aumento de conteúdo de água mas não de forma linear, e dependente da temperatura. Curvas de relação são geralmente sigmoidais.

Relação entre Aw e conteúdo de água

As isotermas podem ser obtidas colocando-se amostras do material (seco ou úmido) em uma série de recipientes fechados, nos quais se mantém diferentes umidades relativas constantes e medindo-se, depois do estabelecimento do equilíbrio, os conteúdos de água.

Isoterma de adsorção e dessorção mostrando a histerese

Indica, no equilíbrio e para uma certa temperatura, a quantidade de água retida por um material em função da umidade relativa da sua atmosfera

Exemplos:

Aw depende dos solutos presentes

Margarina contém principalmente lipídios hidrofóbicos frutas contém açúcares hidrofílicos

Umidade (peso fresco) 20%20%

Aw 0,90,6

MargarinaFrutas secas

Solução de açúcarPE > 100˚CAw < 1

Lipídio/água(2 fases)PE = 100˚CAw = 1

Pontos de ebulição

A água disponível varia consideravelmente dependendo do soluto:

AwPolímeros

Gorduras

Açúcares

Sal

Íons.

Química da redução de Aw Ligações da água com:

grupos de hidroxilas dos açúcares;grupo amina e carbonila das proteínas;pontes de hidrogênio;forças dipolo-dipolo;forças de Van der Waals;ligações iônicas.

- álcoois- açúcares (sorbitol, frutose de milho)- sais de cálcio e sódio- glicerina- emulsificantes (goma xantana)- proteínas

Solutos para reduzir Aw

Aqualab para medir Aw

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

Como se calcula Aw?

Medida da umidade relativa do ar é um método fácil, preciso, de baixo preço e muito eficiente.

SaisUR (%)

25 C 35 C

Hidróxido de potássio (KOH) 8 6

Acetato de potássio (KCH3CO2) 23 23

Carbonato de potássio (K2CO3.2H2O) 43 41

Nitrito de sódio (NaNO2) 65 62

Cloreto de sódio (NaCl) 75 75

Sulfato de amônio ((NH4)2SO4) 79 79

Cloreto de potássio (KCl) 86 84

Sulfato de potássio (K2SO4) 97 96

Colocar amostras de 2 g do material em frascos fechados com atmosferas de diferentes umidades relativas constantes em estufa a 25 C. Depois de 4 horas pesar as amostras para obter a variação de umidade.

Com os dados construir um gráfico com os ganhos e perdas de umidade contra a umidade relativa correspondente a cada solução salina. Através de regressão linear, determinar a atividade de água, correspondendo ao ponto onde a amostra não ganha nem perde peso (Landrock e Proctor, 1951).

Relação de sais saturados e suas respectivas umidades relativas

Num ambiente fechado em equilíbrio, existe igualdade entre a atividade de água e a pressão parcial relativa do vapor de água do material

Aw = UR/100 = Xw

UR = umidade relativa do arXw = teor de umidade

Atividade de água

Ex.: Resultado do ensaio onde se obteve um valor de Aw=0,985 para um composto a base de

cascas de pínus utilizada para plantio de mudas.

Comentário:A atividade de água é considerada alta, pois no caso de contaminação do composto pode haver o desenvolvimento de bactérias, já que é possível seu crescimento a partir de 0,85. O composto para esta aplicação é bioestabilizado, entretanto, no caso de adição de um inoculante fúngico, introduz-se nutrientes a partir das células mortas, que podem favorecer o crescimento de microrganismos saprófitos e inviabilizar o inoculante.

y = 0,0945x - 0,0932R2 = 0,9806

-0,11

-0,09

-0,08

-0,06

-0,05

-0,03

-0,02

0,00

0,02

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

aw

Perd

as e

gan

hos

de p

eso

das

amos

tras

, g

Variação da umidade em função da umidade relativa (UR = Aw)

para o composto agrícola Mecplant Floresta 1.

Crescimento microbiano e Aw

A maioria dos microrganismos vivem em Aw de 1,00 a 0,70

A Aw é muito importante na área de alimentos: • Define a quantidade • Define o tipos de microrganismos presentes.

Aw Produtos Afetados Grupo Microbiano Exemplo

1,0 água pura

Bactérias Comuns

Spirillum

0,995 sangue Streptococcus, Escherichia

0,980 água do mar Psudomonas, vibrio

0,950 pão Bacilos Gram +

0,900 presunto Leveduras comuns Cocos Gram +

0,850 salame

Fungos Comuns

Saccharomyces rouxii

0,800 bolos, geléias Saccharomyces bailli, Penicillium

0,750 peixe salgado, mel Halofílicas Halobacterium, Halococcus

0,700 cereais, balas Xerofílicas Fungos xerofílicos

0,600 frutas secas Leveduras osmofílicas Saccharomyces bisporus

Maioria dos microrganismos Aw > 0,90

Aw para crescimento:

Bactérias patogênicas 0,85 < Aw < 0,60

Xerofílicos, Osmofílicos, Halofílicos 0,70 < Aw < 0,75

Aw e deterioração dos alimentos

Quando aw , deterioração

Produtos reativos mais móveis Água mais disponível para hidróliseÁgua mais disponível para crescimento microbiano

Em Aw elevada reações podem diminuir • Reativos estão diluídos

Deterioração alimentos em função de Aw

0,01

0,1

1

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1aw

Velo

cid

ad

e r

ela

tiva

Maillard

microrganismos

Lipólise

Reações enzimáticasHidrólise

de lipídeos

Preservação dos alimentos

Aumentar solutos hidrofílicos

Diminuir o conteúdo de umidade (desidratação)

Congelamento • Água sob a forma de gelo, portanto indisponível para reações de

degradação

Aw

2. Ψ (potencial hídrico)(solos e vegetais)

A energia potencial da água nos solos e nos vegetais é denominada POTENCIAL HÍDRICO.

É a soma de várias forças.

O potencial de água nesses sistemas é a diferença existente entre o potencial químico da água no sistema e o potencial químico da água pura, sob as mesmas condições padrões.

Para a água pura livre Ψ = 0 ► potencial água é um número negativo.

Ψ expressa-se da seguinte forma:(unidades em MPa)

= a - oa  = R.T. ln (PV/PVo), onde:

a = potencial químico da água em um sistema; o

a = potencial químico da água pura; R = constante universal dos gases ideais; T = temperatura absoluta (Kelvin); PV = pressão de vapor da água no sistema (à temperatura T); PVo = pressão de vapor da água pura (à temperatura T).

Diversas forças compõem o potencial hídrico:

Potencial matricial adsorção da água as superfícies do solo e forças de capilaridade da água nos poros finos.

Potencial osmótico atração dos íons do soluto para a água. No solo é menos que 0,1 Mpa, equivalendo a uma solução diluída. Insignificante, sendo importante em ambientes aquáticos salinos.

Potencial gravitacional força da gravidade forçando a água para o centro da Terra (negligenciável).

Medida do potencial matricial

Tolerância microbiana ao estresse do potencial hídrico matricial (Ψm)

Potencial hídrico (MPa)

Atividade da água (Aw)

Espessura do filme de água

Atividade microbiana limitada a:

-0,03 0,999 4,0 μm Movimentação de protozoários, zoósporos e bactérias

-0,10 0,999 1,5 μm Movimentação de protozoários, zoósporos e bactérias

-0,50 0,996 0,5 μm Movimentação de protozoários, zoósporos e bactérias

-1,5 0,990 3,0 nm Nitrificação; oxidação enxofre

-4,0 0,970 <3,0 nm Crescimento bacteriano (Bacillus)

-10,0 0,930 <1,5 nm Crescimento fúngico (Fusarium)

-40,0 0,750 <0,9 nm Crescimento fúngico (Penicillium)

-65,0 - - Limite da atividade microbiana

Pressão osmótica (ou Ψo)

Mudanças na concentração de solutos altera:

1. Disponibilidade da água

2. Pressão osmótica

É a força com a qual um solvente se movimenta, de uma solução menos concentrada para uma solução mais concentrada, através de uma membrana semi-permeável.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/76/Osmotic_pressure_on_blood_cells_diagram.svg

Classes osmóticas

• Não Halofílico (até 0,2 M)

Pouca tolerância a salinidade (E. coli)

• Halotolerante

Tolerância moderada a sal (S. aureus)

• Halofílico ( 3,5 M)

Crescimento ótimo (3,5% NaCl) (Vibrio fischeri)

• Halofílico extremo

Crescimento ótimo em elevada salinidade (15-30 % NaCl) Halobacterium salinarum

Ambientes Halofílicos

Carotenóides presentes nas células bacterianas

Fotoproteção via carotenóides

Superando a radiação extrema

Até 9x a salinidade do mar

Salt Lake visto do espaço (A) e ao nível do solo (B). Uma estrada de ferro construída em 1959 dividiu o lago, causando uma diluição na seção sudeste e concentração na nordeste. A cor vermelha é resultado do crescimento de halofílicos extremos, chegando a 108 cél/mL.

Média atual de 6,9 % de sal

Mecanismos para superar estresses associados

fotoproteção-antioxidantes

a. Radiação intensa

alvo da radiação

b. Elevada pressão osmótica = baixo Aw(alimentos secos, lagos salgados, alimentos em salmoura, conservas)

Aumentando a concentração interna de sais

Bombeando íons do ambiente (estratégia “salt in”)

Archaea

Sintetizando ou concentrando solutos orgânicos, SOLUTOS

COMPATÍVEIS

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

Adaptações das árqueas halofílicas

Bombeiam íons Na+ para fora da célula enquanto concentram íons de K+ para dentro da célula para balancear a pressão

UV importante para ativar BR

(bacteriorodopsina)Cromoproteína relacionada com asíntese de ATP e bomba de prótons

Bactérias halotolerantes e algas

Ex: Glicerol Dunaliella sp.

Solutos compatíveis

Solutos absorvidos ou produzidos para manter um estado ligeiramente hipertônico.

(1) Bactérias - colina, potássio, alguns aminoácidos

(2) Alga/fungos - sacarose e polióis

Solutos compatíveis

Em condições de estresse osmótico: primeiro acúmulo de K, seguido de glutamato e depois de trealose. A trealose pode atingir ca de 20 % do peso seco da célula.

Solutos compatíveis:

–se ligam a água presente na célula impedindo-a de sair da célula.

–formam camadas em torno das proteínas que protegem a água de sair do entorno destas.

–em baixos níveis de água os solutos substituem a água ligada as proteínas e membranas.

Halobacterium spp. chegam a acumular até 5 M KCl dentro das células

Halobacterium salinarium 1.5 M NaCl é

requerido para seu crescimento

Podem crescer em soluções saturadas de NaCl (6.8 M)

Lagoas de evaporação

Importância dos Halofílicos extremosDas Sarma, Microbes 1: 120-126, 2006

Halobacterium sp.

MODELO PARA ESTUDOS DE ASTROBIOLOGIA

RESISTE A DIVERSOS ESTRESSES

Radiação extrema

Extremos de temperatura

Baixos níveis de oxigênio

Exposição a metais pesados

3. pH

Efeito no crescimento: em nível celular e molecular

Os microrganismos e o pH: classes

Extremos e adaptações

Aplicações dos extremófilos

pH

Acidez do meio é expressa sob a forma de pH

Mede o logarítmo da concentração do H+ (mol/L)

Em soluções diluídas (abaixo de 0,1 mol/L):

O valor de pH de uma solução pode ser estimado se for conhecida a concentração em íons H+.

Ex: Solução aquosa de HCl 0,1 MEstá é uma solução de ácido forte, estando o HCl completamente ionizado.Como a concentração é de apenas 0,1 mol L−1, ele está suficientemente diluído (atividade próxima da concentração)

[H+] = 0,1 mol/LEntão: pH = -log[0,1] = 1

Classes de microrganismospH

• Acidófilos

• Neutrófilos

• Alcalinófilos

• Extremófilos

1. Acidófilos: organismos que vivem em pH < 5

Sulfolobus acidocaldarius

Cresce a pH 1,0 Extremófilo

2. Alcalinófilos: crescem a pH >10

Natronobacterium gregory

pH ótimo = 9,5

Encontrados em lagos e solos alcalinos

Extremófilo

Alimentos

Maioria dos alimentos dispõe de pH entre 5-7

Bactérias tipicamente não crescem a pH<4,6

pH p/cresc. nos alimentos

Bactérias 5-6

Leveduras 4-4,5

Fungos < 4

Efeito do pH em nível molecular

pH extremos afetam o crescimento porque:

•Desnaturam enzimas

•Influenciam atividade das proteínas

•Hidrolizam as proteínas

•Influenciam na disponibilização dos nutrientes (Ex: CO2)

pH e disponibilização do CO2

CO2 apresenta diferentes formas de acordo com pH:

pH Formas

pH 4-8 CO2

pH 7-10 Bicarbonato (HCO3- + H)

pH >10 Carbonato (Na2 CO3 )

Influencia reações energéticas através de efeito no:

Citoplasma

Mitocôndria

Cloroplasto

Membranas

Efeito do pH em nível celular

pH e membranaspH exerce influência na membrana por:

•Excesso prótons

•Déficit prótons

Influencia a Permeabilidade

Influencia a ancoragem das proteínas

+++++++++++++++++++

++++++++++++++++

Conservação da energia

sítio de geração energia e bomba de prótons

Adaptações

1. Maioria dos acidófilos e alcalinófilos mantêm pH interno próximo da neutralidade (usam sistemas de troca de prótons e íons).

2. Sintetizam proteínas que fornecem proteção (proteínas de choque acídico).

3. Produzem ácidos ou bases para neutralizar seu habitat.

Adaptações de Helicobacter pylori

Morfologia e outras características

H. pylori é uma bactéria em forma de bacilo, espiraralada que tem múltiplos flagelos polares que dão motilidade extraordinária .

H. pylori coloniza a mucosa gástrica e é sensível ao suco gástrico (pH ótimo é neutro), mas reside entre o epitélio gástrico e camada mucosa do estômago (ligeiramente alcalino)

H. pylori tem capacidade única de manter pH neutro no espaço periplásmico pela síntese interna de urease.

A urease hidroliza uréia que libera amônia e bicarbonato (este excretado pelos pulmões na forma de CO2)

Uréia

A amônia neutraliza o ácido gástrico que alcaliniza o microhabitat onde a bactéria vive e se multiplica.

Amônia + BicarbonatoUrease

Biomineração

• Biolixiviação - Conversão de metais que se encontram na forma sólida para a versão solúvel em água por microrganismos.

Ex.: Cobre

• Bio-oxidação - oxidação microbiológica de minerais que dispõem de

um composto de interesse.

Sulfato de cobre(cobre na forma aquosa)

Minerais ficam nos resíduos sólidos

Mineração de ouro retirada da pirita-BIOBENEFICIAMENTO

Aplicação dos acidófilos

Lixiviação biológica do cobre