Fatores determinantes abióticos

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

2. Atividade de água (Aw) • Indica o nível de água em sua forma livre nos materiais. • Os microrganismos aproveitam somente a água livre, que difere dependendo do material. • É definida pela diminuição da pressão parcial do vapor de água: • Aw = P/P0 • P = pressão de vapor da água no material • P0 = pressão de vapor da água pura • A diminuição da atividade é devido à imobilização da água pelos constituintes químicos presentes no material, que diminuem sua capacidade de vaporizar-se.

3. Aw(Activityofwater) Expressa a quantidade de água disponível para atividade microbiana. Esta água livre é disponível para participar das reações químicas que influenciam: -Nas características e qualidade dos produtos (durabilidade, estabilidade) produtos farmacêuticos, alimentos e de higiene pessoal. Sem água não existe atividade microbiana

4. Aw e conteúdo de água do material Conteúdo de água de um substrato mede água total, por outro lado, Aw prevê melhor a capacidade de crescimento microbiano porque mede água disponível. A disponibilidade depende do tipo de soluto. O sal baixa mais a Aw do que o açúcar Íons baixam Aw mais do que polímeros

5. Relação entre Aw e conteúdo de água Relação complexa  isotermas de adsorção (ou dessorção)Aumento de Aw quase sempre implica em aumento de conteúdo de água mas não de forma linear, e dependente da temperatura. Curvas de relação são geralmente sigmoidais. As isotermas podem ser obtidas colocando-se amostras do material (seco ou úmido) em uma série de recipientes fechados, nos quais se mantém diferentes umidades relativas constantes e medindo-se, depois do estabelecimento do equilíbrio, os conteúdos de água. Isoterma de adsorção e dessorção mostrando a histerese Indica, no equilíbrio e para uma certa temperatura, a quantidade de água retida por um material em função da umidade relativa da sua atmosfera

6. Lipídio/água (2 fases) PE = 100˚C Aw = 1 Solução de açúcar PE > 100˚C Aw < 1 Exemplos: Umidade (peso fresco) 20% 20% Aw 0,9 0,6 Margarina Frutas secas Pontos de ebulição Aw depende dos solutos presentes • Margarina contém principalmente lipídios hidrofóbicos • frutas contém açúcares hidrofílicos

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

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

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

10. Medida da umidade relativa do ar é um método fácil, preciso, de baixo preço e muito eficiente. Colocar amostras de 2 g do material em frascos fechados com atmosferas de diferentes umidades relativas constantes em estufa a 25 C. Depois de 4 horas pesar as amostras para obter a variação de umidade. Com os dados construir um gráfico com os ganhos e perdas de umidade contra a umidade relativa correspondente a cada solução salina. Através de regressão linear, determinar a atividade de água, correspondendo ao ponto onde a amostra não ganha nem perde peso (Landrock e Proctor, 1951). Num ambiente fechado em equilíbrio, existe igualdade entre a atividade de água e a pressão parcial relativa do vapor de água do material Aw = UR/100 = Xw UR = umidade relativa do ar Xw = teor de umidade Relação de sais saturados e suas respectivas umidades relativas

11. Atividade de água Ex.: Resultado do ensaio onde se obteve um valor de Aw=0,985 para um composto a base de cascas de pínus utilizada para plantio de mudas. Comentário: A atividade de água é considerada alta, pois no caso de contaminação do composto pode haver o desenvolvimento de bactérias, já que é possível seu crescimento a partir de 0,85. O composto para esta aplicação é bioestabilizado, entretanto, no caso de adição de um inoculante fúngico, introduz-se nutrientes a partir das células mortas, que podem favorecer o crescimento de microrganismos saprófitos e inviabilizar o inoculante. Variação da umidade em função da umidade relativa (UR = Aw) para o composto agrícola Mecplant Floresta 1.

12. Crescimento microbiano e Aw • A maioria dos microrganismos vivem em Aw de 1,00 a 0,70 • A Aw é muito importante na área de alimentos: • Define a quantidade • Define o tipos de microrganismos presentes.

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

15. Aw e deterioração dos alimentos • Quando aw, deterioração  • Produtos reativos mais móveis • Água mais disponível para hidrólise • Água mais disponível para crescimento microbiano • Em Aw elevada reações podem diminuir • Reativos estão diluídos

16. Maillard Reações enzimáticas Hidrólise de lipídeos Velocidade relativa microrganismos Lipólise aw Deterioração alimentos em função de Aw

17. Preservação dos alimentos Aw • Aumentar solutos hidrofílicos • Diminuir o conteúdo de umidade (desidratação) • Congelamento • Água sob a forma de gelo, portanto indisponível para reações de degradação

18. 2. Ψ (potencial hídrico) (solos e vegetais) A energia potencial da água nos solos e nos vegetais é denominada POTENCIAL HÍDRICO. É a soma de várias forças. O potencial de água nesses sistemas é a diferença existente entre o potencial químico da água no sistema e o potencial químico da água pura, sob as mesmas condições padrões. Para a água pura livre Ψ = 0 ► potencial água é um número negativo.

19. Ψexpressa-se da seguinte forma: (unidades em MPa) y = ma - moa  = R.T. ln (PV/PVo), onde: ma = potencial químico da água em um sistema; moa = potencial químico da água pura; R = constante universal dos gases ideais; T = temperatura absoluta (Kelvin); PV = pressão de vapor da água no sistema (à temperatura T); PVo = pressão de vapor da água pura (à temperatura T). Diversas forças compõem o potencial hídrico: Potencial matricial adsorção da água as superfícies do solo e forças de capilaridade da água nos poros finos. Potencial osmótico atração dos íons do soluto para a água. No solo é menos que 0,1 Mpa, equivalendo a uma solução diluída. Insignificante, sendo importante em ambientes aquáticos salinos. Potencial gravitacionalforça da gravidade forçando a água para o centro da Terra (negligenciável).

20. Medida do potencial matricial

21. Tolerância microbiana ao estresse do potencial hídrico matricial (Ψm)

22. Mudanças na concentração de solutos altera: Disponibilidade da água Pressão osmótica Pressão osmótica (ou Ψo) É a força com a qual um solvente se movimenta, de uma solução menos concentrada para uma solução mais concentrada, através de uma membrana semi-permeável.

24. Classes osmóticas • Não Halofílico (até 0,2 M) • Pouca tolerância a salinidade (E. coli) • Halotolerante • Tolerância moderada a sal (S. aureus) • Halofílico ( 3,5 M) • Crescimento ótimo (3,5% NaCl) (Vibrio fischeri) • Halofílico extremo • Crescimento ótimo em elevada salinidade (15-30 % NaCl) Halobacterium salinarum

25. Ambientes Halofílicos Superando a radiação extrema Salt lake Carotenóides presentes nas células bacterianas Fotoproteção via carotenóides

26. Até 9x a salinidade do mar Salt Lake visto do espaço (A) e ao nível do solo (B). Uma estrada de ferro construída em 1959 dividiu o lago, causando uma diluição na seção sudeste e concentração na nordeste. A cor vermelha é resultado do crescimento de halofílicos extremos, chegando a 108 cél/mL.

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

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

29. b. Elevada pressão osmótica = baixo Aw (alimentos secos, lagos salgados, alimentos em salmoura, conservas) Aumentando a concentração interna de sais Bombeando íons do ambiente (estratégia “salt in”) Archaea Sintetizando ou concentrando solutos orgânicos, SOLUTOS COMPATÍVEIS Halobacteria (Archaea) Proteínas com cargas negativas (pI ~4,9), enquanto as proteínas dos não-halofílicos tem pI perto da normalidade)

30. Adaptações das árqueas halofílicas Bombeiam íons Na+ para fora da célula enquanto concentram íons de K+ para dentro da célula para balancear a pressão UV importante para ativar BR (bacteriorodopsina) Cromoproteína relacionada com a síntese de ATP e bomba de prótons

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

32. Solutos compatíveis • Em condições de estresse osmótico: primeiro acúmulo de K, seguido de glutamato e depois de trealose. A trealose pode atingir cade 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. • Halobacteriumspp. chegam a acumular até 5 M KCl dentro das células

33. Halobacterium salinarium • 1.5 M NaCl é requeridoparaseucrescimento • Podemcresceremsoluçõessaturadas de NaCl (6.8 M) Lagoas de evaporação

36. 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

37. 3. pH Efeito no crescimento: em nível celular e molecular Os microrganismos e o pH: classes Extremos e adaptações Aplicações dos extremófilos

38. pH Acidez do meio é expressa sob a forma de pH Mede o logarítmo da concentração do H+ (mol/L) Em soluções diluídas (abaixo de 0,1 mol/L): O valor de pH de uma solução pode ser estimado se for conhecida a concentração em íons H+. Ex: Solução aquosa de HCl 0,1 M Está é uma solução de ácido forte, estando o HCl completamente ionizado.Como a concentração é de apenas 0,1 mol L−1, ele está suficientemente diluído (atividade próxima da concentração) [H+] = 0,1 mol/LEntão: pH = -log[0,1] = 1

39. Classes de microrganismospH • Acidófilos • Neutrófilos • Alcalinófilos • Extremófilos

40. 1. Acidófilos:organismos que vivem em pH < 5 Sulfolobus acidocaldarius Cresce a pH 1,0 Extremófilo

41. 2. Alcalinófilos: crescem a pH >10 Natronobacterium gregory Extremófilo pH ótimo = 9,5 Encontrados em lagos e solos alcalinos

42. Alimentos Maioria dos alimentos dispõe de pH entre 5-7 Bactérias tipicamente não crescem a pH<4,6 pH p/cresc. nos alimentos Bactérias 5-6 Leveduras 4-4,5 Fungos < 4

43. Efeito do pH em nível molecular • pH extremos afetam o crescimento porque: • Desnaturam enzimas • Influenciam atividade das proteínas • Hidrolizam as proteínas • Influenciam na disponibilização dos nutrientes (Ex: CO2)

44. Desnaturação das proteinas

45. pH e disponibilização do CO2 CO2 apresenta diferentes formas de acordo com pH: pH Formas pH 4-8 CO2 pH 7-10 Bicarbonato (HCO3- + H) pH >10 Carbonato (Na2 CO3 )

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

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

48. Adaptações 1. Maioria dos acidófilos e alcalinófilos mantêm pH interno próximo da neutralidade (usam sistemas de troca de prótons e íons). 2. Sintetizam proteínas que fornecem proteção (proteínas de choque acídico). 3. Produzem ácidos ou bases para neutralizar seu habitat.

49. Adaptações de Helicobacter pylori Morfologia e outras características H. pylori é uma bactéria em forma de bacilo, espiraralada que tem múltiplos flagelos polares que dão motilidade extraordinária . H. pylori coloniza a mucosa gástrica e é sensível ao suco gástrico (pH ótimo é neutro), mas reside entre o epitélio gástrico e camada mucosa do estômago (ligeiramente alcalino)

50. H. pylori tem capacidade única de manter pH neutro no espaço periplásmico pela síntese interna de urease. A urease hidroliza uréia que libera amônia e bicarbonato (este excretado pelos pulmões na forma de CO2) Uréia A amônia neutraliza o ácido gástrico que alcaliniza o microhabitat onde a bactéria vive e se multiplica. Amônia + Bicarbonato Urease