Microbiologia aplicada parte i

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Microbiologia aplicada parte i

  1. 1. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 1 1. Introdução À Microbiologia Quando você pensa em microbiologia, talvez pense em germes e ouça a voz de sua mãe chamando lá da época da sua infância. “Não coloque isso na boca. Você não sabe por onde isso andou, pode estar cheio de germes!” Quando você pensa em microbiologia, provavelmente NÃO pensa no nosso planeta Terra girando no espaço. Mas você deveria. Sem os micróbios, a Terra como a conhecemos não existiria, e nem você. Os micróbios são importantes em praticamente todos os aspectos da vida humana. Não é possível você comer um hambúrguer, sentar-se em uma banheira de água quente, ou mesmo escovar os seus dentes sem encontrar micróbios. Eles estão em toda parte, sobre o seu corpo e à sua volta. Estão até mesmo nesta página. No entanto, nem todos são danosos; muitos deles, na verdade, melhoram a qualidade da vida na Terra. Por Que Estudar Microbiologia? Os micróbios (bactérias, vírus, fungos, protozoários e algumas algas) vivem em nós, sobre nós e em quase todos os lugares à nossa volta. Eles têm uma grande importância em nossa saúde e no meio ambiente. Eles representam um papel importante em muitos dos alimentos que comemos e nos medicamentos que tomamos. Os micróbios têm uma importância fundamental na Saúde dos seres humanos Embora menos de 1% dos micróbios causem doenças (micróbios patogênicos), o conhecimento de como eles causam as doenças e como elas são transmitidas, bem como descobrir como essas doenças podem ser tratadas, é de grande importância para o nosso bem-estar como espécie. Os micróbios ajudam a manter o equilíbrio da natureza Muitos microrganismos aquáticos captam a energia da luz do sol e a armazenam em moléculas que os outros organismos utilizam como alimento. Os microrganismos decompõem organismos mortos e produtos da excreção dos seres vivos e podem também decompor algumas espécies de resíduos industriais. Através desta decomposição, eles produzem o nitrogênio acessível às plantas. Alguns microrganismos residem no trato digestivo de animais herbívoros e desempenham um importante papel na capacidade destes animais para digerir a grama. Os microrganismos são essenciais a muitos esforços do ser humano As reações bioquímicas realizadas pelos microrganismos têm sido aproveitadas pelo homem para vários propósitos. Indústrias de alimentos utilizam estas reações no preparo de alguns produtos. As reações de fermentação são utilizadas na fabricação da cerveja, do vinho e também na preparação de pão. Um dos benefícios mais significativos que os microrganismos fornecem é a sua capacidade de sintetizar antibióticos. Os microrganismos são especialmente atraentes para muitos pesquisadores porque: Comparados a outros organismos, os microrganimos têm estruturas relativamente simples. É mais fácil estudar a maioria dos processos vitais em organismos unicelulares simples do que em organismos multicelulares complexos. Um grande número de microrganismos pode ser usado em um experimento para se conseguirem resultados estatísticos confiáveis, a um custo razoável. O crescimento de
  2. 2. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 2 um bilhão de bactérias custa menos do que a manutenção de dez ratos. Pelo fato de os microrganismos se reproduzirem muito rapidamente, eles são especialmente úteis para os estudos envolvendo a transferência de informação genética. Algumas bactérias podem sofrer três divisões celulares em uma hora, de modo que os efeitos da transferência dos genes podem ser rapidamente acompanhados através de muitas gerações. A microbiologia é o estudo dos microrganismos, organismos tão pequenos que um microscópio se faz necessário para estudá-los. Os principais grupos de organismos estudados na microbiologia são as bactérias, as algas, os fungos, os vírus e os protozoários. Todos estão abundantemente distribuídos na natureza. A maioria dos microrganismos possui uma única célula. Os vírus, entidades acelulares minúsculas situadas entre os seres vivos e a matéria não-viva, comportam-se como seres vivos quando conseguem penetrar nas células. Todos os sistemas biológicos têm as seguintes características comuns: 1) habilidade de reprodução; 2) capacidade de ingestão ou assimilação de substâncias alimentares, metabolizando-as para suas necessidades de energia e de crescimento; 3) habilidade de excreção de produtos de escória; 4) capacidade de reagir a alterações do meio ambiente (algumas vezes chamada de "irritabilidade"), e 5) suscetibilidade à mutação. Os princípios da Biologia podem ser demonstrados através do estudo da Microbiologia, pois os microrganismos têm muitas características que os tornam instrumentos ideais para a pesquisa dos fenômenos biológicos. Os microrganismos fornecem sistemas específicos para a investigação das reações fisiológicas, genéticas e bioquímicas, que são a base da vida. Eles podem crescer, de maneira conveniente, em tubos de ensaio ou frascos, exigindo, assim, menos espaço e cuidados de manutenção do que as plantas superiores e os animais. Além disso, crescem rapidamente e se reproduzem num ritmo muito alto; algumas espécies bacterianas demonstram quase 100 gerações num período de 24 horas. Os processos metabólicos dos microrganismos seguem os padrões que ocorrem nos vegetais superiores e nos animais.. A vista humana é incapaz de perceber objetos com diâmetro inferior a cerca de 0,1 milímetro. As células vivas, unidades biológicas da estrutura e função, estão quase sempre bem abaixo desse limite de tamanho. Portanto, os menores organismos, aqueles constituídos de uma só célula, são na maioria, invisíveis a vista humana desarmada. Por esta razão, a própria existência do mundo microbiano só foi reconhecida pelo homem quando, do progresso da tecnologia científica, resultou a invenção de microscópios, - instrumentos óticos que servem para ampliar objetos próximos tão pequenos que não podem ser vistos nitidamente pelo olho desarmado, seja qual for à proximidade em que sejam colocados. O microscópio foi inventado no início do século dezessete, desvendando assim, a exploração científica, o reino dos infinitamente pequenos. 1.1 Posição dos microrganismos no mundo vivo A Microbiologia estuda alguns organismos que são predominantemente semelhantes ao vegetais , outros que são similares aos animais e, um terceiro grupo que tem características aos animais e vegetais. Visto que não existem organismos que não pertencem, naturalmente, a nenhum destes dois reinos, foi proposta a criação de novos reinos que os pudessem incluir. Uma dessas primeiras proposições foi feita em 1866 pelo zoólogo alemão E. H. Haeckel. Este autor sugeriu que um terceiro reino incluísse os microrganismos que, tipicamente não poderiam ser classificados como vegetais ou animais. Esses organismos
  3. 3. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 3 foram chamados de protistas e colocados no reino Protista, constituído unicamente por seres unicelulares. Assim, ao se falar de modo geral em protistas, compreendem-se bactérias, algas, fungos e protozoários, excluindo-se os vírus que não são organismos celulares. Mediante os progressos do conhecimento da ultra-estrutura celular, os microrganismos puderam ser divididos em duas categorias: procariotos e eucariotos. Esta divisão baseia-se nas diferenças de organização da maquinaria celular. As algas azuis (cianofíceas) e as bactérias são organismos procariotos. Entre os microrganismos eucariotos estão os protozoários, os fungos e as demais algas (as células animais e vegetais são, também eucarióticas). Os vírus, isolados entre os microrganismos, são deixados de lado neste esquema de organização celular. Um outro sistema de classificação, o sistema dos cinco reinos, foi proposto por Robert H. Whittaker (1969), baseado no modo pelo qual o organismo obtém nutrientes de sua alimentação. Este sistema é, agora, amplamente aceito porque considera relações evolutivas e é compatível com os recentes estudos bioquímicos, genéticos e ultraestruturais, os quais sugerem que a endossimbiose (viver junto, um no interior do outro) hereditária levou até a célula eucariótica, tal como ela é conhecida, a partir de uma variedade de unidades procarióticas, desenvolvendo-se desde um ancestral procariótico comum. Os microrganismos, portanto, são encontrados em três dos cinco reinos: reino Monera (bactérias e cianobactérias), reino Protista (algas microscópicas e protozoários) e reino Fungi (leveduras e bolores). Até 1977, a idéia prevalecente era de que os organismos procariotos, por causa da sua simplicidade estrutural, eram os ancestrais de eucariotos mais complexos. Com as pesquisas de Carl Woese e seus colaboradores, ficou comprovado que os procariotos e eucariotos evoluíram por vias completamente diferentes a partir de uma forma ancestral comum, como mostra a figura 1. Estes pesquisadores utilizaram uma técnica que compara o arranjo nucleotídico do RNAr entre diferentes organismos. Por exemplo, se as sequências de ribonucleotídeos de 2 tipos de organismos diferem em grande extensão, a relação entre ambos é muito distante; ou seja, os organismos divergiram há muito tempo de um ancestral comum. Porém, se as sequências mostram mais similaridades, os organismos estão intimamente relacionados e têm um ancestral comum relativamente recente. Os eucariotos possuem um tipo geral de sequência e os procariotos, um segunto tipo. Dentre os procariotos, alguns têm um terceiro tipo de sequência, que difere dos anteriores. Com isso, concluiu- se que há 2 tipos principais de bactérias, designadas de arqueobactérias e eubactérias. A figura 1 mostra um esquema das vias pelas quais os organismos vivos evoluíram, como deduzido através de estudos comparativos e RNA ribossômico. Figura 1. Representação das vias pelas quais os organismos vivos evoluíram, como deduzido através de estudos comparativos.
  4. 4. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 4 1.2 Distribuição dos Microrganismos na Natureza Os microrganismos se encontram em praticamente todos os lugares da natureza. São transportados por correntes aéreas desde a superfície da Terra até as camadas superiores da atmosfera. Mesmo os microrganismos típicos dos oceanos podem ser achados a muitos quilômetros de distância, no alto de montanhas. São encontrados em sedimentos no fundo do mar, em grandes profundidades. São carregados por correntes fluviais e até mares; e, se dejetos humanos contendo bactérias patogênicas forem despejados em correntes de água, a doença pode disseminar-se de um lugar para outro. Os microrganismos ocorrem mais abundantemente onde puderem encontrar alimentos, umidade e temperatura adequadas para seu crescimento e multiplicação. Uma vez que as condições que favorecem a sobrevivência e o crescimento de muitos microrganismos são as mesmas sob as quais vivem as populações humanas, é inevitável que vivamos entre grande quantidade de microrganismos. Eles estão no ar que respiramos e no alimento que ingerimos. Estão na superfície de nosso corpo, em nosso trato digestivo, na boca, no nariz e em outros orifícios naturais. Felizmente, a maioria dos microrganismos é inócua para o homem, e este tem meios de resistir à invasão daqueles que são potencialmente patogênicos. 1.3 Áreas de aplicação da Microbiologia Existem numerosos aspectos no estudo da Microbiologia, que são divididos em duas áreas principais: a microbiologia básica e a microbiologia aplicada. A microbiologia básica estuda a natureza fundamental e as propriedades dos microrganismos. Preocupa-se com assuntos relacionados aos seguintes temas: ! características morfológicas (forma e tamanho das células, composição química, etc.); ! características fisiológicas (necessidades nutricionais específicas e condições necessárias ao crescimento e reprodução); ! atividades bioquímicas (modo de obtenção de energia pelos microrganismos); ! características genéticas (hereditariedade e variabilidade das características); ! características ecológicas (ocorrência natural dos microrganismos no ambiente e sua relação com outros organismos); ! potencial de patogenicidade dos microrganismos e ! classificação (relação taxonômica entre os grupos do mundo microbiano). Na microbiologia aplicada estuda-se como os microrganismos podem ser usados ou controlados para várias finalidades práticas. Os pricipais campos de aplicação da microbiologia incluem: medicina, alimentos e laticínios, agricultura, indústria e ambiente. Na área industrial, por exemplo, os microrganismos são utilizados na síntese de uma variedade de substâncias químicas, desde o ácido cítrico até antibióticos mais complexos e enzimas. Certos microrganismos são capazes de fermentar material orgânico animal e humano, produzindo gás metano que pode ser coletado e usado como combustível. A biometalurgia explora as atividades químicas de bactérias para extrair minerais, como cobre e ferro de minérios de baixa qualidade. A indústria do petróleo têm utilizado bactérias e seus produtos, como os exopolissacarídeos presentes externamente à célula bacteriana, para aumentar a extração do petróleo de rochas reservatório. Na área ambiental, estuda-se a utilização de microrganismos que podem degradar poluentes específicos, como herbicidas e inseticidas. A microbiologia médica trata dos microrganismos causadores de doenças humanas (patogênicos, além de estar relacionada com a prevenção e o controle das doenças. Juntamente com a engenharia genética, têm pesquisado a produção de enzimas bacterianas que dissolvam coágulos
  5. 5. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 5 sangüíneos, vacinas humanas utilizando vírus de insetos e testes laboratoriais rápidos para diagnóstico de infecção viral, entre tantas outras aplicações possíveis nesta área. A microbiologia dos alimentos está relacionada com as doenças que podem ser transmitidas pelos alimentos, como por exemplo, infecções causadas por salmonelas, intoxicações causadas por estafilococos e clostrídios. Relaciona-se também com aspectos positivos, com a utilização de microrganismos na produção de alimentos/bebidas (queijos, pães, cervejas, etc.). 2. A Descoberta Do Mundo Microbiano O descobridor do mundo dos organismos microscópicos foi um habilidoso artesão holandês, Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723), que era fabricante de lentes para a visão. Leeuwenhoek construiu sistemas de lentes que permitiam observar objetos pequenos com aumento de 100 a 200 vezes. Esses antigos sistemas em nada lembravam os modernos microscópios. Mesmo assim, com o seu invento, Leeuwenhoek pôde observar vários tipos de materiais. Esse instrumento desvendou o mundo dos seres vivos microscópicos, até então desconhecido, Figura 2. Figura 2. Microscópio de Leeuwenhoek. Uma dimensão inteiramente nova veio, assim, enriquecer a biologia. Todos os tipos principais de microrganismos unicelulares que hoje conhecemos – protozoários, algas, fungos e bactérias – foram primeiramente descritos por Leeuwenhoek muitas vezes com tal precisão que é possível identificar espécies individuais a partir de suas descrições originais. Robert Hooke, contemporâneo inglês de Leeuwenhoek, com o auxílio de um microscópio simples, porém melhor que o do holandês, estudou materiais obtidos de vários seres vivos: penas de aves, asas e patas de insetos e pedaços de cortiça. Sobre esses últimos, disse que eram porosos, com cavidades semelhantes aos favos de uma colméia. Hooke estava vendo apenas o esqueleto externo das células vegetais. Tratava- se, portanto, de matéria morta e não células vivas. As cavidades que ele chamou de células (do grego koilos, oco, ou do latim cella, cavidade), em 1665, eram, na verdade, os espaços antes ocupados pelas células.
  6. 6. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 6 Figura 3. Microscópio de Hooke. As observações feitas por Hooke não tiveram grande repercussão, e pouco se falou das células durante 160 anos, até a descoberta do núcleo celular, em 1831, por Robert Brown. Em 1830, foram desenvolvidas as lentes acromáticas, que não geravam distorções de cores. Elas permitiram o surgimento de microscópios com poder de aumento muito superior aos primitivos microscópios de uma só lente. O botânico alemão Mathias Schleiden afirmou, em 1838, serem todas as plantas constituídas por células. No ano seguinte, o seu compatriota Theodor Schwann, fisiologista, concluiu que também todos os animais eram formados por elas. Assim nasceu a TEORIA CELULAR, dizendo que “todos os seres vivos são constituídos por células”. Mais tarde, concluiu-se também que as células surgem sempre de outras células, já existentes. Essa descoberta revolucionou não só a Biologia, mas também a nossa noção de mundo, porque mostrou a ligação que existe entre todos os seres vivos do planeta, já que todos somos formados por células. Atualmente, os cientistas fazem uso de microscópios eletrônicos, que permitem aumentos de até um milhão de vezes, aproximadamente. Um tipo especial de microscópio eletrônico é o microscópio eletrônico de varredura, capaz de oferecer aumentos próximos a cem milhões de vezes. As células são as unidades vivas que formam o corpo dos seres vivos. São consideradas vivas por realizarem funções necessárias a manutenção da vida, como: nutrição, respiração, crescimento e reprodução. 2.1. Geração Espontânea versus Biogênese A descoberta dos microrganismos focalizou o interesse científico sobre a origem dos seres vivos. No que se refere às formas superiores de vida, Aristóteles (384-322 a.C.) pensava que os animais podiam se originar espontaneamente do solo, de plantas e de outros animais diferentes, e sua influência ainda atingiram o século XVII. Era aceito como fato, por exemplo, que as larvas podiam ser produzidas pela exposição da carne a o calor e ao ar, embora Francesco Redi (1626-1697) duvidasse do mesmo. Ele realizou uma experiência na qual colocou carne numa jarra coberta com gaze. Atraídas pelo odor da carne, as moscas puseram seus ovos sobre a cobertura e, destes, emergiram as larvas. Esta experiência e outras parecem ter resolvido o assunto, ao menos no que se referia a tais formas vivas. Com os microrganismos, contudo, era diferente; seguramente eles não tinham pais. Em 1749, John Needham (1713-1781) trabalhando com carne exposta a cinzas quentes observou o aparecimento de microrganismos que não existiam no início da experiência, concluindo que as bactérias tinham se originado da carne. Quase que ao mesmo tempo, Spallanzani (1729-1799) ferveu caldo de carne durante uma hora, fechando logo a seguir os frascos. Nenhum microrganismo apareceu, mas seus resultados, ainda que repetidos, não convenceram Needham. Este insistia em que o ar era essencial para a produção espontânea dos seres microscópicos, e este ar tinha sido excluído dos frascos pelo fechamento. 60 a 70 anos mais tarde dois pesquisadores responderam a este argumento. Franz Schulze (1815-1873) aerava infusões fervidas,
  7. 7. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 7 fazendo o ar atravessar soluções fortemente ácidas, enquanto Theodor Schwann (1810- 1882) forçava o ar através de tubos aquecidos ao rubro. Em nenhum dos casos surgiram os micróbios. Os adeptos da geração espontânea não se convenceram, dizendo que o ácido e o calor é que não permitiram o crescimento dos micróbios. Por volta de 1850, Schröder e Von Dush realizaram uma experiência mais convincente, fazendo o ar passar através do algodão para frascos que continham o caldo aquecido. Assim, as bactérias foram retidas pelas fibras de algodão, tanto que não houve seu desenvolvimento. Figura 4. Experimento de Redi. O conceito de geração espontânea foi revivido, pela última vez, por Pouchet, que publicou em 1859, um relatório, provando sua ocorrência. Pouchet foi rebatido por Louis Pasteur (1822-1895). Este preparou um frasco com colo longo, estreito, em pescoço de cisne. As soluções nutritivas foram aquecidas no frasco e o ar - não-tratado e não-filtrado - podia passar para dentro ou para fora. Os micróbios, porém, depositavam- se no pescoço de cisne e não apareciam na solução. Finalmente, John Tyndall (1820-1893) efetuou experiências numa caixa especialmente desenhada para provar que a poeira carrega os micróbios. Se não houver poeira, o caldo estéril ficará livre de crescimento microbiano por períodos de tempo indefinidos. Figura 5. Teoria da geração espontanea.
  8. 8. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 8 Foi o cientista francês Louis Pasteur (1822-1895), que já fazia experimentos sobre a origem dos microrganismos que lançou “luz” sobre o assunto. Com um de seus experimentos, que ficou conhecido como “pescoço de cisne”, ele acabou derrubando categoricamente a idéia da geração espontânea. A seqüência de desenhos a seguir explica como foi realizado o experimento por Pasteur nos frascos “pescoço de cisne”. Dessa forma ele demonstrou definitivamente que a vida não se origina espontaneamente de um material não vivo. Observou que, mantendo os sucos a uma temperatura de 62-63 º C, durante uma hora e meia, obtinha o resultado desejado. Este processo tornou-se conhecido como pasteurização e hoje é amplamente utilizado nas indústrias de fermentação, porém é a indústria dos derivados do leite que está mais familiarizada com este método, visando a destruição dos microrganismos patogênicos, presentes no leite. Figura 6. Experimento de Pasteur. As experiências realizadas por Pasteur e Redi apoiavam a idéia da biogênese, isto é, um ser vivo só se origina a partir de outro ser vivo pré-existente. Na Alemanha, o médico Robert Koch (1843-1910) estudou o problema do carbúculo hemático, que é uma doença do gado bovino, caprino e, às vezes, do homem. Ele descobriu os bacilos típicos com extremidades cortadas em ângulos retos, no sangue de animais mortos pela infecção carbunculosa. Inoculou as bactérias em meios de cultura, em seu laboratório, examinou-as ao microscópio para estar seguro de que apenas uma espécie tinha se desenvolvido e injetou-as em outros animais para verificar se estes se tornavam doentes e desenvolviam os sintomas clínicos do carbúnculo hemático. A partir destes animais experimentais, Koch isolou micróbios iguais aos que tinha encontrado originalmente nos carneiros infectados. Esta foi a primeira vez que uma bactéria foi comprovada como causa de uma doença animal. A partir disto foram estabelecidos os postulados de Koch: 1) Um microrganismo específico pode sempre ser encontrado em associação com uma dada doença. 2) O organismo pode ser isolado e cultivado, em cultura pura, no laboratório. 3) A cultura pura produzirá a doença quando inoculada em animal sensível. 4) É possível recuperar o microrganismo, em cultura pura, dos animais experimentalmente infectados.
  9. 9. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 9 2.2. Caracterização e Classificação dos Microrganismos A caracterização e a classificação dos organismos vivos são o principal objetivo em todos os ramos da Ciência Biológica. A partir do momento em que um organismo é completamente conhecido, torna-se possível fazer comparações com outros, determinando semelhanças e diferenças. As comparações das características de grande número de microrganismos resultam, eventualmente, num sistema de agrupamento das espécies semelhantes. Por fim, cria-se um grupo com características muito semelhantes, que é considerado como uma espécie e recebe um nome específico, isto é, o microrganismo adquire um nome. Por serem individualmente tão pequenos que não podem ser visualizados sem ajuda de um microscópio, não é prático trabalhar com um único indivíduo. Por esta razão estudam-se culturas, que contêm milhares, milhões e até mesmo bilhões de indivíduos. Uma cultura que consiste em uma única espécie de microrganismo (uma espécie viva), independentemente do número de indivíduos, num ambiente livre de outros organismos vivos, é chamada de cultura axênica. Os microbiologistas usualmente se referem a tais culturas como culturas puras, embora, no sentido técnico estrito, a cultura pura seja aquela que se origina do crescimento de uma única célula. Se dois ou mais tipos (espécies) crescem juntos, como normalmente ocorre na natureza, passam a constituir uma cultura mista. Antes de identificar e classificar um microrganismo, suas características devem ser determinadas com detalhes adequados. As principais incluem as seguintes: 1. Características culturais: os nutrientes exigidos para o crescimento e as condições físicas do ambiente que favorecem o desenvolvimento. 2. Características morfológicas: as dimensões das células, seus arranjos, a diferenciação e a identificação de suas estruturas. 3. Características metabólicas: a maneira pela qual os microrganismos desenvolvem os processos químicos vitais. 4. Características da composição química: a identificação dos principais e típicos constituintes químicos da célula. 5. Características antigênicas: a detecção de componentes especiais da célula (químicos) que fornecem evidências de semelhança entre as espécies. 6. Características genéticas: a análise da composição do ácido desoxirribonucleico (DNA), assim como a determinação das relações entre o DNA isolado de diferentes microrganismos. A maioria das características acima citadas é determinada através de testes laboratoriais, que incluem o uso de diferentes meios e diferentes reações químicas. No entanto, um dos instrumentos mais poderosos na investigação é o microscópio.
  10. 10. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 10 3. Bactérias O reino Monera é formado pelas bactérias, organismos unicelulares que diferem de outros seres vivos por serem procariontes, isto é, suas células não possuem um núcleo individualizado por uma membrana e elas podem viver isoladas ou reunidas em colônia. Acredita-se que os seres procariontes formem um grupo de seres vivos muito antigo e que tenham surgido há cerca de 3,5 bilhões de anos. Existem evidências de que os organismos procariontes primitivos foram os ancestrais de todas as formas de vida que encontramos hoje na Terra. Tabela 1. Diferenças fundamentais entre os 3 domínios. As bactérias são encontradas em todos os ecossistemas terrestres: solo, rios, lagos, profundezas oceânicas, montanhas elevadas, altas camadas atmosféricas e também dentro e fora do organismo de outros seres vivos. São microscópicas, podendo ser visualizadas por um microscópio óptico ou eletrônico. A maioria mede entre 1 a 10 micrômetros (símbolo μm). 1 micrômetro corresponde à milésima parte de um milímetro. Atualmente, o reino Monera está dividido em dois grupos: as arqueobactérias e as eubactérias. 3.1. As arqueobactérias O nome dado a esse grupo de bactérias se refere à época em que elas surgiram. Atualmente, há poucas espécies de arqueobactérias. O prefixo arqueo vem da língua grega e significa antigo. Supõe-se que as arqueobactérias tenham surgido há cerca de 3 bilhões de anos e que, até hoje, sofreram poucas modificações. Podem ser encontradas nos ambientes mais extremos do planeta, onde não há possibilidade de vida para outros seres vivos. Há arqueobactérias em fontes termais ácidas cuja temperatura varia de 60º C a 80º C. Outro grupo consegue sobreviver no mar Morto ou em lagoas com salinidade altíssima. Existem, ainda, aquelas que vivem em pântanos e no tubo digestório de alguns animais herbívoros ou de insetos, como o cupim, produzindo gás metano que é liberado para a atmosfera. As eubactérias (do grego eu, verdadeiro). Esse grupo reúne a maioria das bactérias conhecidas. Elas são mais complexas que as arqueobactérias e estão reunidas em dois grupos: as bactérias e as cianobactérias. 3.2. Morfologia e Ultra-Estrutura das Bactérias
  11. 11. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 11 Entre as principais características das células bacterianas estão suas dimensões, forma, estrutura e arranjo. Estes elementos constituem a morfologia da célula (figura 3). Embora existam milhares de espécies bacterianas diferentes, os organismos isolados apresentam uma das três formas gerais: elipsoidal ou esférica, cilíndrica ou em bastonete e espiralada. As células bacterianas esféricas ou elipsoidais são chamadas de cocos e podem apresentar os arranjos. As células bacterianas cilíndricas ou em bastonetes (bacilos) comumente apresentam-se isoladas e ocasionalmente ocorrem aos pares (diplobacilos) ou em cadeias (estreptobacilos). As bactérias espiraladas (singular = spirillum; plural = spirilla) ocorrem, predominantemente, como células isoladas. As células individuais de espécies diferentes exibem, contudo, nítidas diferenças no comprimento, número e amplitude das espirais e na rigidez das paredes celulares. As bactérias curtas com espiras incompletas são conhecidas como bactérias comma ou vibriões. A unidade de medida das bactérias é o micrômetro, que equivale a 10-³ mm. As bactérias mais freqüentemente estudadas em laboratório medem, aproximadamente, 0,5 a 1,0 μm por 2,0 a 5,0 μm. Os estafilococos e estreptococos, por exemplo, têm diâmetros variáveis entre 0,75 e 1,25 μm. As formas cilíndricas, tais como o bacilo da febre tifóide e da disenteria, apresentam uma largura de 0,5 a 1,0 μm e um comprimento de 2 a 3 μm. Algumas formas filamentosas podem exceder os 100 μm de comprimento, mas seu diâmetro está, de modo característico, entre 0,5 e 1,0 μm.A figura 7 mostra o tamanho comparativo de uma célula de uma bactéria, um vírus e um protozoário. Figura 7. Comparação entre os microrganismos quanto ao tamanho. Em função dessa variação de formas, são agrupadas assim: Cocos: forma arredondada. Bacilos: células cilíndricas, alongadas com forma de bastonetes. Espirilos: são filamentos longos, espiralados, que apresentam certa rigidez. Vibriões: possuem aspecto que lembra um bastonete curvo ou uma vírgula.
  12. 12. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 12 Figura 8. Estruturas Bacterianas O exame da célula bacteriana revela certas estruturas definidas por dentro e por fora da parede celular. Seguem-se breves descrições das estruturas bacterianas de fácil identificação: Flagelos: apêndices muito finos, semelhantes a cabelos, que se exteriorizam através da parede celular e se originam de uma estrutura granular (corpo basal) imediatamente abaixo da membrana citoplasmática, no citoplasma. O flagelo apresenta três partes: uma estrutura basal, uma estrutura semelhante a um gancho e um longo filamento externo à parede celular (figura 8). O seu comprimento é, usualmente, várias vezes o da célula, mas seu diâmetro é uma pequena fração do diâmetro celular (p.e., 10 a 20 nm). Algumas bactérias se movimentam por outros meios, diversos da atividade flagelar, como o deslizamento provocado pelo fluxo protoplasmático ou pela resposta táxica (p.e., fototaxia, quimiotaxia). Figura 9. Esquema do Flagelo
  13. 13. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 13 Pêlos (fímbrias): apêndices filamentosos menores, mais curtos e mais numerosos que os flagelos e que não formam ondas regulares. Estão presentes em muitas bactérias gram-negativas. São encontrados tanto nas espécies móveis como nas imóveis e portanto, não desempenham papel relativo à mobilidade. Podem funcionar como sítios de adsorção de vírus bacterianos, como mecanismo de aderência à superfícies e como porta de entrada de material genético durante a conjugação bacteriana [(pêlo sexual) (figura 9)]. fímbrias: adesão (várias unidades/célula) pili: mais longos (geralmente 1 unidade/célula) - conjugação - adesão em bactérias patogênicas composição: proteínas Figura 10. Pili e Fímbria Glicocálice: formado de uma substância viscosa, que forma uma camada de cobertura ou envelope ao redor da célula. Se o glicocálice estiver organizado de maneira definida e estiver acoplado firmemente à parede celular, recebe o nome de cápsula; se estiver desorganizado e sem qualquer forma e anda estiver frouxamente acoplado à parede celular, recebe o nome de camada limosa. O glicocálice pode ter natureza polissacarídica (um ou vários tipos de açúcares como p.e., galactose, ramnose, glicana, etc.) ou polipeptídica (p.e., ácido glutâmico). A principal função do glicocálice é a aderência sobre superfícies; ele pode evitar o dessecamento das bactérias, fornece um envoltório protetor e pode servir, também, como reservatório de alimentos, além de evitar a adsorção e lise da células por bacteriófagos (figura 10). * composição: glicoproteínas e/ou polissacarídeos * função: - adesão - proteção contra dessecamento e fagocitose Vesículas de gás - procariotos aquáticos fotossintetizantes: ex. Cianobactérias - ajuste vertical na coluna de água para regiões de luz ótima para a fotossíntese - poucas ou até centenas por célula - proteínas hidrofóbicas Figura 11. Estrutura do Glicocálice Parede Celular: dá forma à célula e situa-se abaixo das substâncias extracelulares (glicocálice) e externamente à membrana que está em contato imediato com o citoplasma. Sua espessura é calculada, em média, de 10 a 25 nm. A função da
  14. 14. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 14 parede celular é a de proporcionar uma moldura rígida, ou "colete", que suporta e protege as estruturas protoplasmáticas mais lábeis, em face das possíveis lesões osmóticas; evita ainda a evasão de certas enzimas, assim como o influxo de certas substâncias que poderiam causar dano à célula. Nas eubactérias, o peptideoglicano (ou mureína), um composto polimérico, é o componente da parede celular que determina sua forma. A parede celular das bactérias Gram-positivas é constituída por ácido teicóico, além do peptideoglicano, que corresponde à uma fração maior que a encontrada na parede das bactérias Gram- negativas (figura 11). A parede das bactérias Gram-negativas é mais complexa que a parede das Gram-positivas pois possui uma membrana externa cobrindo uma camada fina de peptideoglicano (figura 12). Esta membrana externa é cosnstituída por fosfolipídeos, proteínas e lipopolissacarídeos (LPSs). Figura 12. Gram Positiva. 90 % da parede formados de peptideoglicano (até 20 camadas) 30-60 nm. Figura 13. Gram Negativa. 10 % de peptideoglicano (1-2 camadas) 2-3 nm “Membrana” externa de bactérias Gram negativas (camada LPS). Camada dupla, composta de: • fosfolipídeos • proteínas • lipídeos • polissacarídeos lipoproteínas Funções da camada: • Seus componentes são tóxicos quando injetados em animais • Participa do processo de nutrição formando canais de passagem
  15. 15. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 15 • Maior rigidez à parede celular 3.3. Estruturas internas à parede celular: Protoplastos: quando remove-se a parede celular de uma bactéria, esta torna-se um corpo arredondado, que assume a forma esférica, justamente por não contar com a rígida limitação da parede. A bactéria recebe o nome, então, de protoplasto, que pode ser caracterizado como: imóvel, esférico, não se divide, não forma nova parede celular e não é suscetível, de modo geral, à infecções por bacteriófagos. Membrana citoplasmática: fina membrana situada abaixo da parede celular (figura 13). Sua espessura é da ordem de 7,5 nm e é composta de fosfolipídeos (20 a 30%), que formam uma bicamada que envolve as proteínas (50 a 70%). A membrana é sítio da atividade enzimática específica e do transporte de moléculas para dentro e para fora da célula. Em alguns casos, a membrana se estende no citoplasma para formar o mesossomo, que participa do metabolismo (através da secreção de certas enzimas, com as penicilinases) e da replicação celular (na formação do septo durante o processo de divisão celular). Citoplasma: o material celular pode ser dividido em: área citoplasmática, que é a porção fluida contendo substâncias dissolvidas e partículas tais como ribossomos, e material nuclear ou nucleóide, rico em DNA. Inclusões citoplasmáticas: depósitos concentrados de certas substâncias, insolúveis, chamados de grânulos, e que podem servir como fonte de material nutritivo de reserva. Os grânulos podem ser constituídos de polissacarídeos (amido, glicogênio), lipídeos, fosfatos e até enxofre, como é o caso das bactérias sulforosas. Material nuclear: as células bacterianas não contêm o núcleo típico das células animais e vegetais. O material nuclear consiste de um cromossomo único e circular e ocupa uma posição próxima do centro da célula. Pode ser chamado de corpo cromatínico, nucleóide, equivalente nuclear ou cromossoma bacteriano. Endósporos: esporos que se formam dentro da célula. São como um corpo oval de parede espessa (um por célula), altamente resistente e refráteis. Todas bactérias dos gêneros Bacillus e Clostridium produzem endósporos. São constituídos de ácido dipicolínico e por grande quantidade de cálcio. Os esporos representam uma fase latente (repouso) da célula bacteriana; comparados com as células vegetativas, são extremamente resistentes aos agentes físicos e químicos adversos, demonstrando uma estratégia de sobrevivência. Encontrados em algumas Gram positivas: Bacillus; Clostridium; Sporosarcina; Sporolactobacillus. 10 % do peso seco é ácido dipicolínico (exclusivo de esporos): estabilização do DNA. Resistentes ao calor, radiações, ácidos, desinfetantes, lisozima. Tipos Nutritivos das Bactérias As bactérias podem ser divididas em grupos com base em suas exigências nutritivas. A principal separação corresponde aos grupos fototróficos (organismos que utilizam a energia radiante como fonte de energia) e quimiotróficos (organismos incapazes de utilizar a energia radiante; dependem da oxidação de compostos químicos para a obtenção de energia) (tabela 2). ♦ Fototróficos: existem bactérias que utilizam o CO2 como principal fonte de carbono; são as fotolitotróficas. Outras exigem um composto orgânico (álcoois, ácidos graxos, aminoácidos) e são ditas fotorganotróficas. ♦ Quimiotróficos: bactérias que utilizam o CO2 como fonte de carbono e oxidam compostos inorgânicos (p.e., nitritos) ou elementos químicos (p.e., enxofre) para obtenção da fonte de energia ,são chamadas quimiolitotróficas. As que utilizam compostos orgânicos para obter energia, são chamadas quimiorganotróficas.
  16. 16. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 16 As bactérias fotolitotróficas e quimiolitotróficas são conhecidas, comumente, como autotróficas, ao passo que as espécies fotorganotróficas e quimiorganotróficas são designadas heterotróficas. As bactérias heterotróficas apresentam exigências nutritivas mais simples. O fato de um organismo poder crescer e se reproduzir numa mistura de compostos químicos simples indica que ele possui uma grande capacidade de síntese. As bactérias heterotróficas foram estudadas mais profundamente porque, sob certo aspecto, demonstram um interesse mais imediato. Neste grupo se encontram todas as bactérias patogênicas para o homem, para outros animais e para os vegetais, assim como a maior parte da população microbiana do ambiente humano. As bactérias heterotróficas, embora constituam o principal grupo nutritivo, variam, consideravelmente, quanto aos nutrientes específicos exigidos para o crescimento. As heterotróficas podem ser consumidoras, alimentando-se de outros organismos vivos; saprófitas, que se alimentam de matéria orgânica morta. Outras podem ser simbiontes, ou seja, mantém uma relação estreita com um organismo de espécie diferente. Estas simbiontes podem ser comensais, que nem ajudam, nem prejudicam seu hospedeiro, ou podem ser parasitas, que causam dano ao hospedeiro (caso das bactérias patogênicas). 3.4. Condições Físicas Necessárias ao Crescimento Assim como as bactérias variam com relação às exigências nutritivas, também demonstram respostas diversas às condições físicas do ambiente. pH Lembre-se de que a acidez ou alcalinidade de um meio é expressa em termos de pH. Os microrganismos possuem um pH ótimo – o pH no qual eles crescem melhor. O pH ótimo pra os microrganismos está geralmente próximo da neutralidade (pH 7). A maioria dos micróbios não cresce em um pH com uma unidade acima ou abaixo de seu pH ótimo. De acordo com sua tolerância à acidez ou à alcalinidade, as bactérias são classificadas em: No entanto, espécie alguma consegue tolerar por completo a faixa inteira de pH de qualquer uma destas categorias, e muitas delas toleram uma faixa que se sobrepõe a duas categorias. Acidófilas – ou seja, organismos que têm afinidade por meios ácidos, desenvolvem-se melhor em valores de pH de 0,1 a 5,4. O Lactobacillus, que produz ácido lático, é um acidófilo, mas suporta apenas uma acidez moderada; Neutrófila – vivem entre valores de pH de 5,4 a 8,5. A maioria das bactérias que causam doenças nos seres humanos pertence ao grupo das neutrófilas; Alcalófilas – ou bactérias que gostam de ambientes alcalinos, vivem em valores de pH entre 7 e 11,5. O Vibrio cholerae, o agente causador da doença chamada cólera asiático, cresce melhor em pH em torno de 9. Os efeitos do pH sobre os organismos podem estar em parte relacionados à concentração de ácidos orgânicos no meio e à proteção que as paredes celulares bacterianas às vezes proporcionam. Muitas bactérias, freqüentemente, produzem quantidades suficientes de ácidos como subprodutos metabólicos que eventualmente interferem em seu próprio crescimento. Temperatura A maioria das espécies bacterianas pode se desenvolver em uma faixa de temperatura superior a 30º C, mas as temperaturas máxima e mínima variam consideravelmente entre as diferentes espécies. A água do mar permanece líquida abaixo de 0º C, e os organismos que lá vivem conseguem tolerar temperaturas
  17. 17. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 17 negativas. De acordo com suas faixas de temperatura de crescimento, as bactérias podem ser classificadas como organismos: Psicrófilos – ou organismos que gostam do frio, crescem melhor a temperaturas de 15 a 20º C, apesar de alguns viverem bem a 0º C. Os psicrófilos vivem principalmente em águas e solos frios. Nenhum deles sobrevive no corpo humano, mas alguns são conhecidos por causarem deterioração em alimentos refrigerados. Os psicrófilos obrigatórios não crescem a temperaturas acima de 20º C, e psicrófilos facultativos se desenvolvem melhor a temperaturas abaixo de 20º C, mas que também cresce acima desta temperatura;. Mesófilos – entre os quais se inclui a maioria das bactérias, são organismos que crescem melhor a temperaturas entre 25 e 40º C. Os patógenos humanos estão incluídos nesta categoria e, em sua maioria, crescem melhor a uma temperatura próxima à do corpo humano (37º C); Termófilos – ou organismos que gostam do calor, desenvolvem-se melhor a temperaturas de 50 a 60º C. Muitas destas bactérias são encontradas em pilhas de adubo, e algumas toleram temperaturas de 110º C em fontes termais ferventes. Os termófilos obrigatórios se desenvolvem apenas a temperaturas acima de 37º C, e termófilos facultativos se desenvolvem tanto acima quanto abaixo de 37º C. Figura 14. Temperaturas. A faixa de temperatura na qual um organismo se desenvolve é amplamente determinada pelas temperaturas nas quais suas enzimas atuam. Dentro desta faixa, podem ser identificadas três temperaturas críticas: 1. A temperatura mínima de crescimento, que é a menor temperatura em que as células se dividem; 2. A temperatura máxima de crescimento, que é a temperatura mais alta em que as células se dividem; 3. A temperatura ótima de crescimento, que é a temperatura em que as células se dividem mais rapidamente, isto é, possuem o tempo de geração mais curto. A temperatura é importante não apenas para proporcionar condições ao crescimento bacteriano, mas também para evita-lo. A refrigeração de alimentos, feita geralmente a 4º C, reduz o crescimento dos psicrófilos e impede o crescimento da maioria das demais bactérias. Entretanto, os alimentos e outros materiais, como o sangue, podem permitir o crescimento de bactérias mesmo quando refrigerados. Por esta razão, se precisarem ser guardados por muito tempo, os materiais que podem suportar o congelamento são armazenados a temperaturas de –30º C. Altas temperaturas também podem impedir o crescimento bacteriano. As bactérias estão mais aptas a sobreviver em extremos de frio do que em extremos de calor. Oxigênio
  18. 18. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 18 As bactérias, especialmente as heterotróficas, podem ser divididas em aeróbias, que necessitam de oxigênio para se desenvolver, e anaeróbias, que não o requerem. As aeróbias obrigatórias, como a Pseudomonas, que é uma causa comum de infecções hospitalares, necessitam de oxigênio livre para a respiração aeróbia, ao passo que as anaeróbias obrigatórias, morrem na presença do oxigênio. Entre os extremos das bactérias aeróbias obrigatórias e das bactérias anaeróbicas obrigatórias estão as microaerófilas, que desenvolvem-se melhor na presença de uma pequena quantidade de oxigênio livre; as anaeróbias facultativas, que geralmente mantêm seu metabolismo aeróbio; porém, na falta dele, mudam para o metabolismo anaeróbio. O Staphylococcus e a Escherichia coli são anaeróbias facultativas; geralmente são encontradas nos tratos intestinal e urinário, onde apenas uma pequena quantidade de oxigênio está disponível e as anaeróbias aerotolerantes, que conseguem sobreviver na presença de oxigênio, mas não fazem uso dele em seu metabolismo. O Lactobacillus por exemplo, sempre capta energia através da fermentação, não importando se o ambiente tem ou não oxigênio. Umidade Todas as células ativamente metabolizantes geralmente requerem um meio aquoso. Ao contrário de organismos maiores, que possuem revestimentos protetores e ambientes internos líquidos, os organismos unicelulares são expostos diretamente a seus meios. A maioria das células vegetativas sobrevive apenas algumas horas sem umidade; apenas os esporos de organismos formadores de esporos podem sobreviver em um estado inativo em um ambiente seco. Pressão hidrostática As águas dos oceanos e lagos exercem pressão hidrostática, ou seja, uma pressão exercida pela água parada proporcional à sua profundidade. Tal pressão dobra a cada 10 metros na profundidade. Algumas depressões oceânicas possuem profundidade de até 7.000 metros, e determinadas bactérias são os únicos organismos conhecidos que sobrevivem à pressão extrema em tais profundidades. As bactérias que vivem em altas pressões, mas que morrem se deixadas por apenas algumas horas em laboratório à pressão atmosférica padrão, são chamadas barófilas. Pressão osmótica As membranas de todos os microrganismos são seletivamente permeáveis e permite à água se mover entre o citoplasma e o meio através da osmose (passagem de água através de uma membrana, indo de um meio hipotônico para um meio hipertônico). As células em meios hiperosmóticos perdem água e sofrem plasmólise, ou enrugamento da célula. Inversamente, as células em água destilada possuem pressão osmótica maior do que a de seu meio e, assim, ganham água. Nas bactérias, a parede celular rígida impede que a célula inche ou se rompa, mas as células se enchem de água e tornam-se túrgidas (distendidas). A maioria das células bacterianas pode tolerar uma ampla gama de concentrações de substâncias dissolvidas. Suas membranas celulares contêm sistemas de transporte que regulam o movimento de substâncias dissolvidas através da membrana. Mesmo assim, caso as concentrações fora da célula se tornem muito altas, a perda de água pode inibir o crescimento ou até matar as células. As bactérias halófilas, ou organismos que gostam de sal, requerem quantidades de sal (cloreto de sódio) de médias a grandes. São normalmente encontradas nos oceanos, onde a concentração de sal (3,5%) é ótima para seu crescimento. Halófilas extremas requerem concentrações de sal de 20 a 30% e são encontradas em corpos d’água excepcionalmente salgados, tais como o Mar Morto. Radiação
  19. 19. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 19 As energias radiantes, como por exemplo os raios gama e a luz ultravioleta, podem causar mutações (mudanças no DNA) e até mesmo matar os organismos. Entretanto, alguns microrganismos possuem pigmentos que filtram a radiação e ajudam a prevenir danos ao DNA. Outros possuem sistemas enzimáticos que podem reparar certos tipos de danos ao DNA. Fatores nutricionais O crescimento dos microrganismos é afetado por fatores nutricionais, assim como por fatores físicos. Os nutrientes necessários aos microrganismos incluem, entre outros, o carbono, o nitrogênio, o enxofre e o fósforo. Embora nós estejamos interessados aqui nos modos pelos quais os microrganismos suprem suas próprias necessidades nutricionais, podemos observar que, ao suprir tais necessidades, eles também auxiliam a reciclar elementos no meio ambiente. Fontes de Carbono A maioria das bactérias utiliza compostos que contêm carbono como fonte de energia e para sintetizar componentes celulares. Os organismos foto-autotróficos reduzem o dióxido de carbono a glicose e a outras moléculas orgânicas. Tanto os organismos autotróficos quanto os heterotróficos podem obter energia da glicose através da glicólise, da fermentação e do ciclo de Krebs. Eles também sintetizam alguns componentes celulares a partir de intermediários destas vias. Fontes de Nitrogênio Todos os organismos, inclusive os microrganismos, precisam de nitrogênio para sintetizar ácidos nucléicos, enzimas e outras proteínas. Alguns microrganismos obtêm nitrogênio a partir de fontes inorgânicas, e uns poucos até mesmo conseguem energia metabolizando substâncias inorgânicas que contêm nitrogênio. Alguns organismos podem sintetizar todos os 20 aminoácidos encontrados nas proteínas, ao passo que outros necessitam ter um ou alguns aminoácidos fornecidos pelo meio. Enxofre e Fósforo Além do carbono e do nitrogênio, os microrganismos necessitam do suprimento de certos minerais, especialmente enxofre e fósforo, que são componentes celulares importantes. Os microrganismos podem obter enxofre a partir de sais de sulfato inorgânicos e fósforo principalmente a partir de fostafo inorgânico. 3.5. Reprodução e Crescimento O termo crescimento, tal como é comumente aplicado às bactérias e a outros microrganismos, refere-se, usualmente, às alterações ocorridas na cultura das células e não às alterações de um organismo isolado. 3.5.1. Reprodução Bactérias geralmente reproduzem-se assexuadamente por fissão binária transversa, quando ocorre a replicação do cromossomo bacteriano e a célula desenvolve uma parede celular transversa, dividindo-se então em duas novas células (figura 15). Após a replicação do cromossomo, a parede transversa forma como uma invaginação da membrana plasmática e da parede celular. Quando a nova parede formada não se separa completamente em duas paredes, pode-se formar uma cadeia (ou filamento) de bactérias. A fissão binária
  20. 20. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 20 não é o único método reprodutivo entre as bactérias. As espécies do gênero Streptomyces produzem muitos esporos reprodutivos por organismo, cada esporo dando origem a um novo indivíduo. Bactérias do gênero Nocardia produzem extenso crescimento filamentoso, seguido pela fragmentação dos filamentos em pequenas células bacilares ou cocóides. Espécies do gênero Hyphomicrobium podem reproduzir- se por brotamento: desenvolve-se um broto, a partir da célula-mãe e, depois de um período de aumento de tamanho, o broto se separa da célula original, formando um novo indivíduo. Embora não ocorra uma reprodução sexuada complexa nos moneras, algumas vezes as bactérias realizam troca de material genético. Tal recombinação genética pode ocorrer por transformação, conjugação ou transdução. Na transformação, a célula bacteriana "pega" fragmentos de DNA perdidos por outra bactéria que se rompeu. Este mecanismo tem sido usado experimentalmente para mostrar que os genes podem ser transferidos de uma bactéria para outra e que o DNA é a base química da hereditariedade. Figura 15. Transformação Na conjugação, duas células bacterianas geneticamente diferentes trocam DNA diretamente. Este processo tem sido extensivamente estudado na bactéria Escherichia coli, que tem linhagens F- e F+. As células F+ são cobertas com pêlos e contêm um plasmídeo conhecido como fator F, ou fator da fertilidade. Quando uma célula F+ entra em contato com uma célula F-, os pêlos organizam um tubo de conjugação, chamado de pêlo sexual ou pêlo F, que conecta a célula F+ à célula F-. O pêlo F é "oco", permitindo que o DNA pase de uma bactéria para outra. Figura 16. Conjugação Na transdução, genes bacterianos são carregados de uma bactéria para outra, dentro de um bacteriófago (vírus bacteriano). Quando o bacteriófago entra numa célula bacteriana, o DNA do vírus mistura-se com uma parte do DNA bacteriano, de modo que o vírus agora carrega esta parte do DNA. Se o vírus infecta uma
  21. 21. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 21 segunda bactéria, o DNA da primeira bactéria pode misturar-se com o DNA da segunda bactéria. Esta nova informação genética é então replicada a cada nova divisão. Figura 17. Transdução A divisão celular nas leveduras e em algumas bactérias ocorre por brotamento. Neste processo, uma pequena célula nova se desenvolve a partir da superfície de uma célula preexistente e, subseqüentemente, se separa da célula mãe. 3.5.2.Fases de crescimento Considere uma população de organismos introduzida em um meio fresco e rico em nutrientes, isto é, uma mistura de substâncias sobre ou dentro da qual os microrganismos crescem. Estes organismos mostram quatro principais fases de crescimento: (1) a fase lag, (2) a fase log (logarítmica), (3) a fase estacionária e (4) a fase de declínio ou de morte. Estas fases formam a curva-padrão de crescimento bacteriano. Figura 18. Curva de crescimento Fase Lag Nesta fase, os organismos não aumentam significativamente em número, mas são metabolicamente ativos: crescem em tamanho, sintetizam enzimas e incorporam diversas moléculas provenientes do meio, é a fase de adaptação. Algumas espécies se adaptam ao meio em uma ou duas horas; outras levam vários dias. Fase Log Uma vez que os organismos se tenham adaptado ao meio, o crescimento da população ocorrerá em velocidade exponencial ou logarítmica (log). Quando a escala do eixo vertical é logarítmica, o crescimento nesta fase aparece no gráfico como uma linha diagonal reta, que representa o tamanho da população bacteriana. Durante a fase log, os organismos se dividem na sua velocidade mais rápida – um intervalo regular, geneticamente determinado, chamado tempo de geração. A população de organismos dobra em cada tempo de geração. Tal crescimento é chamado de exponencial, ou logarítmico. Em condições ideais, uma bactéria pode se multiplicar e originar 2.097.152 novas bactérias num período de 7 horas. O tempo de geração para a maioria das bactérias fica entre 20 minutos e 20 horas, e é geralmente menor que uma hora. Nem todos os organismos se dividem precisamente juntos. Se todos se dividissem juntos e se o tempo de geração fosse de exatamente 20 minutos, o número de células em uma cultura aumentaria como os degraus de uma escada, dobrando exatamente a cada 20 minutos – uma situação hipotética chamada crescimento sincrônico. Em uma cultura real, cada célula se divide
  22. 22. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 22 em algum momento durante o tempo de geração de 20 minutos, com cerca de 1/20 das células se dividindo a cada minuto – uma situação natural chamada crescimento não- sincrônico. O crescimento não-sincrônico aparece como uma linha reta, e não como degraus, em um gráfico logarítmico. A medida que o número de organismos cresce, os nutrientes são consumidos, os resíduos metabólicos são acumulados, o espaço pode se tornar limitado e os organismos aeróbios sofrem de falta de oxigênio. O fator limite para o crescimento logarítmico parece ser a velocidade na qual a energia pode ser produzida na forma de ATP. À medida que a disponibilidade de nutrientes diminui, as células se tornam menos capazes de gerar ATP e sua taxa de crescimento se reduz. O nivelamento do crescimento é seguido pela fase estacionária, a não ser que um meio fresco seja adicionado ou que os organismos sejam transferidos para um novo meio. Fase estacionária Quando a divisão celular decresce a um ponto em que novas células são produzidas com a mesma velocidade com que as células antigas morrem, o número de células vivas permanece constante. A cultura está, então, na fase estacionária, representada por uma linha horizontal reta. O meio contém uma quantidade limitada de nutrientes e pode conter resíduos tóxicos. Além disso, o suprimento de oxigênio pode se tornar inadequado para os organismos aeróbicos, e podem ocorrer mudanças prejudiciais de pH. Fase de declínio (Morte) À medida que as condições do meio vão se tornando cada vez menos favoráveis para a divisão celular, muitas células perdem a capacidade de se dividir e morrem. Nesta fase de declínio, ou fase de morte, o número de células vivas decresce em velocidade logarítmica, indicado por uma linha reta diagonal em declive. Durante a fase de declínio, muitas células sofrem involução, isto é, assumem uma variedade de formas incomuns, o que as torna difíceis de serem identificadas. Em culturas de organismos formadores de esporos, sobrevivem mais esporos do que células vegetativas (metabolicamente ativas). Culturas de algumas bactérias passam por todas as fases de crescimento e morrem em alguns dias, ao passo que outras abrigarão alguns poucos organismos vivos após meses ou mesmo anos. Crescimento em colônias As fases de crescimento são exibidas de diferentes maneiras nas colônias que crescem em meio sólido. Normalmente, uma célula se divide exponencialmente, formando uma pequena colônia – todos os descendentes da célula original. A colônia cresce rapidamente em suas extremidades; as células que estão perto do centro crescem mais lentamente, ou começam a morrer, por terem menores quantidades de nutrientes disponíveis e por estarem expostas a mais produtos tóxicos residuais. Em uma colônia, todas as fases da curva de crescimento ocorrem simultaneamente. Cultivo Para o cultivo rotineiro de microrganismos heterotróficos, utilizam-se certas matérias-primas complexas, tais como as peptonas, os extratos de carne e de levedura (tabela 4), daí resultando um meio que promove o desenvolvimento de grande variedade de bactérias e de outros microrganismos. Quando se deseja um meio sólido, adiciona-se o ágar como agente solidificante. O caldo e o ágar nutritivos são exemplos de meios líquidos e sólidos, relativamente simples, indicados para a cultura de microrganismos heterotróficos comuns. Alguns microrganismos não se desenvolvem bem nestes meios, pois demonstram exigências de nutrientes específicos, como vitaminas e outras substâncias
  23. 23. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 23 estimulantes. Tais microrganismos são chamados de heterotróficos fastidiosos, e necessitam de meios especiais para seu cultivo, isolamento e reconhecimento. Os meios de cultura, de acordo com a sua aplicação ou função, podem ser classificados, entre outros, como: Meios Enriquecidos: a adição de sangue, soro ou extratos de tecidos animais ou vegetais ao caldo ou ágar nutritivos proporciona nutrientes acessórios, de modo que o meio possa permitir o crescimento de heterotróficos fastidiosos. Meios Seletivos: a adição de certas substâncias químicas específicas ao ágar nutritivo previne o crescimento de um grupo de bactérias sem agir sobre outras. O cristal violeta, por exemplo, em uma dada concentração, impede o crescimento de bactérias gram-positivas, sem afetar o desenvolvimento das bactérias gram-negativas. Meios Diferenciais: a incorporação de certos reagentes ou substâncias químicas no meio pode resultar num tipo de crescimento ou modificação, após a inoculação e a incubação, que permite ao observador distinguir os tipos de bactérias. Por exemplo, inoculando-se uma mistura de bactérias num meio de ágar sangue, algumas das bactérias podem hemolisar (destruir) as células vermelhas e outras não. A zona clara ao redor da colônia é a evidência de ter ocorrido a hemólise. Assim, pode-se estabelecer a distinção entre bactérias hemolíticas e não-hemolíticas, de acordo com o seu desenvolvimento. Tabela 2. Características de vários produtos complexos, usados como ingredientes dos meios de cultura. (Fonte: Pelezar, 1980) 3.5. Cultivo de Bactérias O cultivo de bactérias em laboratório apresenta dois problemas. Primeiro, é preciso uma cultura pura de uma única espécie para se estudar as características de um organismo. Em segundo lugar, é preciso encontrar um meio que permita o crescimento do organismo desejado. Métodos de obtenção de culturas puras Para o estudo de bactérias em laboratório, é importante se obter uma cultura pura, uma cultura que contenha apenas uma única espécie de organismo. Hoje, as
  24. 24. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 24 culturas puras são obtidas através do isolamento dos descendentes (ou prole) de uma única célula. Apesar de agora parecer simples, a técnica de isolar culturas puras foi difícil de ser desenvolvida, pois dois ou mais organismos de diferentes espécies estavam várias vezes presentes nas culturas. A técnica de espalhar poucas bactérias em uma superfície sólida foi mais eficiente, pois ela depositava uma única bactéria em alguns locais. Entretanto, várias substâncias sólidas foram testadas até se estabelecer o ágar como o agente solidificante ideal. Poucos organismos o digerem, e, preparado em uma solução de 1,5%, ele não se funde a uma temperatura inferior a 95º C. Além disso, depois de fundido, o ágar permanece líquido até esfriar a 40º C, temperatura fria o suficiente para permitir a adição de nutrientes e de organismos vivos que poderiam ser destruídos pelo calor. O método de esgotamento Hoje, a maneira correta de preparar culturas puras é utilizar o método de esgotamento em placas de ágar. As bactérias são recolhidas com uma alça metálica estéril, e a alça é movida levemente na superfície do ágar, depositando as bactérias nas estrias resultantes. A alça de inoculação é flambada e algumas bactérias são retiradas da região já depositada e estriadas em uma nova região. À medida que o esgotamento continua, cada vez menos bactérias são depositadas, sendo a alça flambada após cada estriamento. Os organismos individuais são depositados na ultima região estriada. Depois de a placa ser incubada a uma temperatura de crescimento adequada ao organismo, aparecem pequenas colônias, cada uma derivada de uma única célula bacteriana. A alça metálica é usada para se retirar uma porção de uma colônia isolada e transferi-la para qualquer meio estéril apropriado, para estudos posteriores. O uso de técnicas estéreis (assépticas) assegura que o novo meio irá conter organismos de uma única espécie. 4. Fungos Os fungos são tão distintos das algas, briófitas e plantas vasculares, quanto o são dos animais. Tradicionalmente são agrupados com as plantas, mas pertencem a um Reino distinto, Fungi, constituindo um dos cinco principais grupos de organismos vivos, como já foi falado. Juntamente com as bactérias, os fungos vêm a ser os seres encarregados da decomposição na biosfera, sendo suas atividades tão necessárias à existência permanente do mundo que conhecemos quanto as dos seres produtores de alimento. A decomposição libera gás carbônico na atmosfera e devolve ao solo compostos nitrogenados e outros materiais, que poderão ser novamente usados por vegetais e eventualmente por animais. Foi estimado que os 20 cm superiores da terra fértil possam conter perto de 5 toneladas de fungos e bactérias por hectare. Os fungos constituem um grupo de microrganismos que tem grande interesse prático e científico para os microbiologistas. Suas manifestações são familiares: crescimentos azuis e verdes em laranjas, limões e queijos; as colônias cotonosas (aspecto de algodão), brancas ou acinzentadas, no pão e no presunto; os cogumelos dos campos e os comestíveis, entre tantos. Todas representam vários organismos fúngicos, morfologicamente muito diversificados. De um modo geral, os fungos incluem os bolores e as leveduras. A palavra bolor tem emprego pouco nítido, sendo usada para designar os mofos, as ferrugens e o carvão (doença de gramíneas). As leveduras se diferenciam dos bolores por se apresentarem sob a forma unicelular.
  25. 25. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 25 Os fungos podem viver como saprófagos, quando obtêm seus alimentos decompondo organismos mortos; como parasitas, quando se alimentam de substâncias que retiram dos organismos vivos nos quais se instalam, prejudicando-os; ou podem estabelecer associações mutualísticas com outros organismos, em que ambos se beneficiam. Em todos os casos, no entanto, os fungos liberam enzimas digestivas para fora de seus corpos e estas atuam diretamente no meio orgânico no qual eles se instalam, degradando moléculas simples, que são então absorvidas pelo fungo. Os fungos saprófagos são responsáveis por grande parte da degradação da matéria orgânica, propiciando a reciclagem de nutrientes, como já foi comentado. Os fungos são importantes nas fermentações industriais, tais como na fabricação da cerveja, do vinho e na produção de antibióticos (penicilina), de vitaminas e ácidos orgânicos (ácido cítrico). A fabricação de pães e o amadurecimento de queijos também dependem da atividade saprofítica dos fungos. Como parasitas, os fungos causam doenças vegetais, humanas e animais, embora a maior parte das micoses seja menos severa que as bacterioses ou as viroses. A ciência que estuda os fungos recebe o nome de Micologia. 4.1. Características próprias dos fungos Os fungos são microrganismos eucarióticos quimiorganotróficos. Reproduzem se, naturalmente, por meio de esporos, com poucas exceções. Além disso, a maioria das partes de um fungo é potencialmente capaz de crescimento; um minúsculo fragmento é suficiente para originar um novo indivíduo. Os fungos não têm clorofila, são filamentosos em geral e comumente ramificados. Os filamentos apresentam paredes celulares constituídas por quitina ou celulose, ou ambas. São imóveis, em sua maioria, embora possam demonstrar células vegetativas móveis. A maior parte entre todas as classes de fungos produz esporos de dois modos: sexuada e assexuadamente. Os esporos produzidos sexuadamente têm núcleos derivados das células parentais e estas, como os esporos, são, geralmente, haplóides. Dois núcleos de células parentais se fundem para formar um núcleo diplóide zigótico, do qual, por divisão celular redutora (meiose zigótica), originam-se os núcleos dos esporos haplóides. Os esporos sexuados e as estruturas que os contém são usualmente distinguíveis, sob o ponto de vista morfológico, dos esporos assexuados, os quais são formados por simples diferenciação do talo em desenvolvimento (o talo é o fungo individual completo, incluindo as porções vegetativas ou não-sexuadas e todas as estruturas especializadas). Os esporos são muito importantes na classificação dos fungos, sendo as classes diferenciadas pelas características morfológicas dos estágios sexuados e dos esporos.
  26. 26. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 26 Figura 19. Morfologia de alguns tipos de esporos fúngicos. Morfologia dos fungos filamentosos: O talo de um fungo é tipicamente composto por filamentos tubulares microscópicos, chamados hifas. O conjunto de hifas tem o nome de micélio. A parede das hifas é semi-rígida, e os fungos podem apresentar três tipos morfológicos de hifas. O micélio pode formar uma rede frouxa ou um tecido compacto, como nos cogumelos. Além disso, os micélios podem ser vegetativos ou de reprodução, sendo estes responsáveis pela produção de esporos. As hifas dos micélios de reprodução são, em geral, aéreas, enquanto algumas hifas do micélio vegetativo podem penetrar no meio, em busca de nutrientes. Figura . Micélio Tipos morfológicos de hifas nos fungos possuem hifa cenocítica não apresenta septos transversais. As hifas septadas podem apresentar células mononucleadas (um núcleo por célula) ou multinucleadas (dois ou mais núcleos por célula); os septos transversais apresentam um poro central, através do qual o citoplasma e os nucléolos podem migrar de um compartimento para outro. * hifas septadas: micélio apocítico: um núcleo em cada compartimento micélio diplocítico: dois núcleos em cada compartimento * hifas asseptadas: micélio cenocítico (do grego: koinos = partilhar + kytos = compartimento)
  27. 27. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 27 Figura. Hifas (Davis et al.., 1990). 4.2. Reprodução nos Fungos As leveduras (fungos unicelulares) reproduzem-se assexuadamente por gemulação ou brotamento, no qual uma pequena protuberância (broto) cresce e eventualmente separa-se da célula-mãe. Cada broto que separa-se, pode tornar-se uma nova levedura. Leveduras também podem reproduzir-se assexuadamente por fissão e sexuadamente, através da formação de esporos. As leveduras não são classificadas como um grupo taxonômico único, pois muitos fungos diferentes podem ser induzidos a formar um estágio de levedura. Os esporos dos fungos terrestres são células reprodutivas não-móveis, dispersas através do vento ou por animais e, geralmente, produzidos nas hifas aéreas (que se projetam no ar). Este arranjo permite que os esporos sejam "arrastados" por correntes de ar e distribuídos a novas áreas. Em alguns fungos, as hifas aéreas formam estruturas grandes e complexas, onde os esporos são produzidos. Estas estruturas são chamadas esporocarpos ou corpos de frutificação. A parte familiar de um cogumelo, por exemplo, é um grande esporocarpo. Nós normalmente não vemos a maior parte do organismo, uma rede quase invisível de hifas enterradas sobre o material na qual ele cresce. Ao contrário de células animais e vegetais, os fungos normalmente contêm núcleos haplóides. Na reprodução sexuada, os fungos freqüentemente realizam um tipo de conjugação no qual duas hifas geneticamente diferentes juntam-se e seus núcleos fundem-se. Em certos fungos, os núcleos geneticamente diferentes não se fundem imediatamente, mas permanecem separados dentro do citoplasma do fungo pela maior parte de sua vida. Hifas que contêm dois núcleos distintos geneticamente dentro de cada célula são chamadas dicarióticas. Hifas que contêm somente um núcleo por célula são monocarióticas. Quando um esporo fúngico "cai" num substrato apropriado, por exemplo, um pêssego muito amadurecido, o esporo germina e começa a crescer. Uma hifa parecida com um fio emerge do pequeno esporo. Assim que uma camada de hifas emaranhadas infiltra-se no pêssego, outra hifa estende-se em direção ao ar. Células das hifas secretam enzimas digestivas dentro do pêssego, degradando seus compostos orgânicos em pequenas moléculas que serão absorvidas pelos fungos.
  28. 28. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 28 Figura 19: a) Célula de uma levedura comum, mostrando a reprodução por brotamento. b) Fotomicrografia de células da levedura Saccharomyces cerevisiae, utilizado como fermento de pão. Note que muitas das células estão brotando (fonte: Davis, 1990). Reprodução assexuada: Ocorre com mais frequência (várias vezes numa estação) Maior número de indivíduos (mas menor variabilidade genética) * esporos assexuais (produzidos mitoticamente: geneticamente iguais) * fragmentação de hifas * gemulação Tipos de esporos assexuais: - esporangiósporos: esporos internos produzidos por mitose em esporângios. - conídios (“poeira” em grego) : esporos externos produzidos sobre conidióforos. - zoósporos: esporos móveis produzidos em zoosporângios
  29. 29. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 29 b) Reprodução sexuada Formação, ou não, de estruturas especializadas Esporos formados por meiose: indivíduos diferentes doam seus núcleos Principais tipos de esporos sexuados: * Zigósporos * Ascósporos *Basidiósporos Figura 20: Germinação de um esporo e crescimento de um fungo terrestre (fonte: Davis et al.., 1990). Antes de ocorrer plasmogamia, é preciso que uma hifa "atraia" a outra. Isso ocorre por meio da produção de feromônios (”atração sexual“) produzidos por hifas compatíveis.
  30. 30. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 30 4.3.Fisiologia e Nutrição dos Fungos Fungos crescem melhor em habitats úmidos e escuros, porém são encontrados universalmente onde quer que exista matéria orgânica disponível. Eles necessitam de umidade para crescer e podem obter água da atmosfera, bem como do meio sobre o qual vivem. Quando o ambiente torna-se muito seco, os fungos sobrevivem entrando num estado de repouso ou produzindo esporos, que são resistentes à aridez. Embora o pH ótimo para a maioria das espécies seja ± 5,6, alguns fungos podem tolerar e crescer em ambientes onde o pH varia de 2 a 9. Muitos fungos são menos sensíveis às altas pressões osmóticas que as bactérias, e podem crescer em soluções de sais concentradas ou soluções de açúcares, que inibem ou previnem o crescimento bacteriano. Os fungos também crescem num amplo intervalo de temperatura (0°C a 62°C, estando a temperatura ótima entre 22°C e 30°C). 4.4. Classificação dos Fungos A classificação dos fungos é baseada principalmente nas características dos esporos sexuais e dos corpos de frutificação, na natureza de seus ciclos de vida e nas características morfológicas de seus micélios vegetativos ou de suas células. Entretanto, muitos fungos produzem esporos sexuais sob certas condições ambientais. Aqueles que possuem todos os estágios sexuais conhecidos são denominados fungos perfeitos e os que não possuem, fungos imperfeitos. Os fungos imperfeitos são classificados arbitrariamente, num primeiro momento, e são colocados provisoriamente em uma classe especial denominada Deuteromycetes. Quando o seu ciclo sexual é descoberto posteriormente, são então reclassificados entre outras classes e recebem novos nomes. Os micologistas dividem o Reino Fungi em 3 principais grupos: os fungos limosos, os fungos inferiores flagelados e os fungos terrestres. Os fungo limosos são considerados um enigma biológico e taxonômico porque não são nem um fungo típico, nem um protozoário típico. Durante uma de suas etapas de crescimento, assemelham-se aos protozoários porque não possuem parede celular, possuem movimentos amebóides e ingerem nutrientes particulados. Durante a etapa de propagação, formam corpos de frutificação e esporângios apresentando esporos com paredes, como nos fungos típicos. Vivem em água doce, em solo úmido e em vegetais em decomposição. Os fungos inferiores flagelados incluem todos os fungos, com exceção dos limosos, que produzem células flageladas em alguma fase do seu ciclo de vida. Alimentam-se pela absorção dos alimentos. A grande maioria é filamentosa, produzindo um micélio cenocítico. Muitos são unicelulares ou unicelulares com rizóides. A reprodução sexuada pode ocorrer por vários meios; a reprodução assexuada ocorre mediante a produção de zoósporos. Podem ser parasitas ou saprófitas, que vivem no solo ou água doce. Os fungos terrestres são as espécies mais conhecidas entre os fungos. Este grupo inclui as leveduras, bolores, orelhas-de-pau, mofo, fungos em forma de taça, ferrugem, carvão, bufa-de-lobo e cogumelos. Todos caracterizam-se pela nutrição
  31. 31. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 31 através da absorção e, com exceção das leveduras, a maioria produz um micélio bem desenvolvido constituído de hifas septadas ou cenocíticas. As células móveis não são encontradas nos fungos terrestres. A reprodução assexuada ocorre através de brotamento, fragmentação e produção de esporangióforos ou conídios. A reprodução sexuada envolve a produção de zigósporos, ascósporos ou basidiósporos.
  32. 32. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 32 Existem 4 principais grupos de fungos terrestres: Zygomycetes, Ascomycetes, Basidiomycetes e Deuteromycetes. 4.4.1. Zygomycetes Os membros desta classe são chamados de zigomicetos e há cerca de 600 espécies encontradas em todo mundo. Eles produzem esporos sexuais chamados zigósporos, que permanecem dormentes por um tempo. Suas hifas são cenocíticas (não têm septo). Muitos zigomicetos vivem no solo sobre matéria orgânica animal ou vegetal em decomposição; alguns são parasitas de plantas e animais. Alguns zigomicetos são utilizados na elaboração de produtos comercialmente valiosos, como molho de soja, ácidos orgânicos esteróides para drogas contraceptivas e antiinflamatórias. Um zigomiceto comum é o bolor preto do pão, Rhizopus stolonifer. O pão torna-se embolorado quando o esporo do bolor cai sobre ele, germinando e crescendo como uma
  33. 33. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 33 massa de fios, o micélio. As hifas penetram no pão e absorvem nutrientes. Algumas hifas, chamadas estolões, crescem horizontalmente; outras, chamadas rizóides, ancoram os estolões no pão. Eventualmente, certas hifas crescem para cima e desenvolvem um esporângio, ou saco de esporos, na extremidade. Agregados de esporos esféricos pretos desenvolvem-se dentro do esporângio e são liberados quando este se rompe. A reprodução sexual pode ocorrer quando hifas de dois tipos diferentes (+ e -) crescem em contato uma com a outra (figura 21). Não há diferenciação sexual morfológica, de modo que não é próprio referir-se a linhagens feminina e masculina. Quando as hifas de dois tipos encontram-se, hormônios são produzidos, fazendo com que suas extremidades cresçam juntas. Os núcleos + e - fundem-se e formam um núcleo diplóide, o zigoto, chamado de zigósporo. O zigósporo pode permanecer dormente por vários meses. A meiose provavelmente ocorre no momento ou um pouco antes da germinação do zigósporo. Quando este germina, uma hifa aérea desenvolve-se com um esporângio na extremidade. Cada esporo formado é capaz de tornar-se um novo micélio. 4.4.2. Ascomycetes Os ascomicetos constituem um grande grupo de mais ou menos 30.000 espécies descritas. Recebem também o nome de fungos de saco pois seus esporos sexuais são produzidos em pequenos sacos chamados ascos. Suas hifas geralmente têm septos, porém as paredes transversais são perfuradas, permitindo o movimento do citoplasma. Os ascomicetos variam na complexidade, desde leveduras unicelulares até mofos multicelulares e fungos em forma de taça. Eles incluem a maioria dos bolores esverdeados, rosas e marrons que estragam os alimentos e as trufas comestíveis. Os ascomicetos desempenham um papel ecológico importante na degradação de moléculas animais e vegetais resistentes como a celulose, lignina e o colágeno. Na maioria dos ascomicetos, a reprodução assexuada envolve a produção de esporos, chamados conídios. Estes esporos desprendem-se das extremidades de certas hifas conhecidas como conidióforos (que contêm os esporos). Algumas vezes chamados de "esporos de verão", os conídios são um meio de rápida propagação do novo micélio. Eles variam na forma, tamanho e cor, nas diferentes espécies; a cor do conídio é que dá a característica preta, azul, verde, rosa ou outra, a muitos destes bolores. A reprodução sexual ocorre após duas hifas crescerem juntas e unirem seus citoplasmas. Dentro desta estrutura fundida, os dois núcleos ficam juntos, porém não se fundem. Novas hifas desenvolvem-se a partir desta estrutura; as células destas hifas são dicarióticas (2 núcleos). Estas hifas formam o corpo de frutificação conhecido como ascocarpo, onde o asco se desenvolve. Dentro de cada célula que irá se desenvolver num asco, os dois núcleos fundem-se e formam um núcleo diplóide, o zigoto. Cada zigoto sofre meiose e origina 4 núcleos haplóides. Cada um destes passa por uma mitose, resultando na formação de 8 núcleos. Estes, quando separados, formam os ascósporos. Assim, dentro de um asco, há 4 ascósporos, que são liberados quando este se rompe.
  34. 34. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 34 4.4.3.Basidiomycetes Esta divisão tem mais de 25.000 espécies e incluem os fungos mais familiares, como os cogumelos, as orelhas-de-pau, além de importantes parasitas de plantas, como os fungos do carvão e da ferrugem. Os basidiomicetos formam seus esporos sexuais dentro de estruturas chamadas basídios. Na extremidade de cada um destes são formados 4 basidiósporos. Quando são liberados e encontram ambiente apropriado, desenvolvem-se num novo micélio. O corpo vegetativo de um basidiomiceto, tal como o do cogumelo comestível Agaricus campestris, consiste em uma massa de hifas brancas, tipo fios, ramificadas, que fica geralmente abaixo da terra. Massas compactas de hifas, chamadas botões, desenvolvem se ao longo do micélio. Os botões desenvolvem-se numa estrutura que popularmente chamamos de cogumelo, que consiste de uma haste (estipe) e um "chapéu", e que na verdade é o basidiocarpo. Os basídios estão localizados em lamelas que existem na superfície inferior dos chapéus. Cada fungo individual produz milhões de basidiósporos, e cada um pode formar, potencialmente, um novo micélio primário. As hifas deste micélio têm células monocarióticas. Quando duas hifas de tipos diferentes se juntam, elas se fundem, porém seus núcleos não. Assim é formado o micélio secundário, com hifas dicarióticas. Estas hifas podem crescer e formar massas compactas, que são os basidiocarpos ou cogumelos. Nas nervuras destes, os núcleos se fundem, formando zigotos diplóides. Estes sofrem meiose e originam 4 núcleos haplóides, que se localizam na superfície do basídio, como dedos, e vão formar os basidiósporos.
  35. 35. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 35 4.4.4. Deuteromycetes Em torno de 25.000 fungos são classificados como deuteromicetos, que também são conhecidos como "fungos imperfeitos". Assim são chamados porque não observa-se o estágio sexuado em seu ciclo de vida. A maioria dos deuteromicetos reproduzem-se somente por esporos assexuais ou conídios (figura 25). Neste aspecto, lembram os estágios assexuais de ascomicetos e basidiomicetos, que também produzem esporos assexuais. Desta forma, acredita-se que alguns deuteromicetos possam ser ascomicetos ou basidiomicetos que perderam a capacidade de formar ascos ou basídios. Entre os gêneros economicamente importantes desta divisão estão o Penicillium e o Aspergillus. Algumas espécies de Penicillium produzem o conhecido antibiótico penicilina, enquanto outras espécies dão sabor e aroma a queijos com Roquefort e Camembert. Espécies de Aspergillus são usadas para fermentar pastas e molhos de soja, além de produzir ácido cítrico comercialmente. Outros fungos imperfeitos são causadores de certas doenças, como Candida albicans, que causa a candidíase, uma doença da mucosa da boca, vagina e trato alimentar. Figura. Fotomicrografia eletrônica de varredura de conidióforos de Penicillium. O arranjo dos conídios (esporos assexuais) nos conidióforos varia de espécie para espécie e é usado na identificação dos fungos (fonte: Solomon & Berg, 1995). 4.4.5. Leveduras As leveduras, que são unicelulares, formam um dos grupos mais importantes e interessantes dos ascomicetos microscópicos. Estão reunidas em torno de 40 gêneros, com aproximadamente 350 espécies. As leveduras possuem a capacidade de fermentar carboidratos, quebrando a glicose para produzir etanol e dióxido de carbono. Este processo é de fundamental importância na produção de pão, cerveja e vinho. Através dos anos, muitas linhagens diferentes de leveduras têm sido selecionadas para este processo. A levedura de maior importância econômica é espécie Saccharomyces cerevisiae. Outras leveduras são
  36. 36. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 36 importantes patógenos e causam doenças tais como o "sapinho" e a criptococose, infecção que pode atacar os pulmões, entre outras partes do organismo humano. Figura. Leveduras 4.5. Fungos e suas associações com outros organismos Os fungos podem se associar a organismos de diversas formas. Em algumas destas associações os parceiros são mutuamente dependentes e não podem viver isoladamente. Em outras, os indivíduos podem sobreviver por si mesmos. 4.5.1. Liquens É uma relação simbiótica entre uma alga (ou uma cianobactéria) e um fungo. O fungo geralmente é um ascomiceto. As algas ou cianobactérias encontradas nos liquens também são encontradas livremente na natureza, enquanto que o parceiro fúngico tem sido encontrado somente como parte do líquen. As algas fabricam alimentos pela fotossíntese, usando a água e os minerais obtidos pelos fungos, enquanto estes dependem das algas quanto ao fornecimento de carbono orgânico. Liquens normalmente se reproduzem por simples fragmentação, ou pela produção de propágulos pulvurulentos especiais denominados sorédios, ou por pequenas projeções do talo conhecidas como isídios. Fragmentos, sorédios e isídios contêm tanto hifas do fungo como algas ou cianobactérias; eles atuam como unidades de dispersão que têm a função de estabelecer o liquen em novas localidades. Existem mais ou menos 20.000 espécies de liquens. Eles toleram ambientes extremos de temperatura e umidade e crescem em quase todos os lugares exceto em ambientes muito poluídos, como cidades industriais, por exemplo. Por isso muitas espécies são utilizadas como bioindicadoras de poluição. Os liquens podem crescer sobre troncos de árvore, picos de montanhas e rochas lisas. As cores dos liquens variam do branco ao negro, passando por tonalidades de vermelho, laranja, marrom, amarelo e verde. Esses organismos contêm muitos compostos químicos incomuns. Muitos liquens são utilizados como fontes de corantes e também como medicamentos, bases fixadoras de perfumes ou fontes de alimento de menor importância. 4.5.2. Micorrizas A micorriza é uma associação benéfica entre um fungo e uma raiz de planta. Este termo é derivado do grego, significando "raiz fúngica". Estas associações são usualmente benéficas para a planta hospedeira, assim como para o simbionte e, algumas vezes, o hospedeiro não pode prosperar sem os benefícios oriundos do fungo, como o caso de certas orquídeas, que são incapazes de germinar e se desenvolver a menos que
  37. 37. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 37 sejam infectadas por fungos. As micorrizas melhoram a absorção mineral pelas plantas verdes que possuem, geralmente, um sistema de proteção, para impedir que o fungo cause dano às radicelas. As micorrizas ajudam na transferência direta do fósforo, zinco, cobre e outros nutrientes do solo para as raízes. Por outro lado, a planta fornece carbono orgânico ao fungo simbionte. Os parceiros fúngicos são geralmente os zigomicetos e os basidiomicetos. 4.5.3. Trufas As trufas são corpos frutificantes subterrâneos de certos Ascomycetes que crescem em associação com algumas árvores, entre as quais o carvalho e a faia, que são os parceiros mais comuns. O fungo proporciona certos nutrientes à arvore, a qual, por sua vez, fornece substâncias essenciais para o crescimento do fungo. As trufas consistem em uma massa de ascósporos e micélios, coberta com uma casca espessa e protuberante do micélio. Possuem odor, gosto e textura agradáveis, o que as torna apreciáveis pelos gourmets. 5. Algas e Protozoários Os seres vivos pertencentes ao reino Protista são unicelulares, porém são diferentes das bactérias porque suas células são eucarióticas, isto é, possuem um núcleo individualizado, envolvido por uma membrana. Os principais representantes desse reino são os protozoários e algumas algas. A única célula que um protista possui pode ser considerada uma “célula organismo”, pois é capaz de realizar todas as funções vitais que um organismo mais complexo realiza: alimentação, respiração, excreção e locomoção. Eles são encontrados nos mais diferentes ambientes: na superfície ou no fundo dos oceanos, na água doce ou poluída, no solo úmido ou em matéria orgânica em decomposição. Outros vivem dentro de algumas plantas ou de animais, inclusive o homem. Apresentam as mais variadas formas, podendo viver isolados, fixos ou se locomover livremente. Certas espécies podem formar colônias. Há ainda aqueles que vivem associados a outros seres vivos trocando benefícios. Muitos protistas podem se locomover no ambiente em que vivem e, para isso, possuem cílios, flagelos ou pseudópodos. Quanto à nutrição, os protistas podem ser autótrofos com clorofila, como é o caso das algas unicelulares, ou heterótrofos, sem pigmentos fotossintetizantes, como é o caso dos protozoários. 5.1. Algas As algas constituem um grupo filogeneticamente heterogêneo. Compreendem vários grupos de seres vivos aquáticos e autotróficos (fotossintetizantes). A maioria são microscópicas (não devem ser confundidas com as cianobactérias). Algumas são macroscópicas: algas marinhas podem atingir mais de 30 m. Não possuem verdadeiras raízes, caules ou folhas.
  38. 38. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 38 - Não precisam de sistema vascular pois toda célula é autotrófica. As algas contém clorofila e realizam a fotossíntese (autotrofia): 6 CO2 + 12 H2O energia luminosa C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2 Algumas algas também realizam a fotossíntese anoxigênica: 6 CO2 + 12 H2 energia luminosa C6H12O6 + 6 H2O (Também realizada por procariotos fotossintéticos, mas com H2S com redutor) Algumas podem crescer na ausência de luz (quimiorganotrofia). Outras podem assimilar compostos orgânicos simples na presença de luz (fotoeterotrofia). Uma das principais características de classificação das algas corresponde ao polímero de reserva, como resultado da fotossíntese A parede celular das algas apresenta grande diversidade na estrutura e composição: • Fibrilas de celulose • Reforço de carbonato de cálcio (“algas calcáreas”) • Quitina • Sílica nas diatomáceas (melhores fósseis de algas, 200 milhões de anos) • Contém poros que permitem apenas a passagem de substâncias de pequena massa molecular • Não fagocitam, aspecto que distingue dos protozoários.
  39. 39. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 39 • Ausente nas euglenóides As algas estão presentes nos oceanos, rios e lagos, tanques artificiais, poças de água e são também comuns nos solos e em rochas em associação com fungos (líquens). Os líquens são seres pioneiros na sucessão ecológica: conseguem colonizar ambientes com poucos recursos nutritivos. Liberam substâncias que degradam as rochas, iniciando a formação de um solo. Podem ser unicelulares e coloniais e quando os agregados são lineares: filamentosa. Em relação a motilidade algumas algas são móveis, em geral pela ação de flagelos. Algas não apresentam cílios.
  40. 40. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 40 Dinoflagelados (do grego dinos = rodopiante), podem originar densas suspensões denominadas florescimentos, de coloração vermelha (marés vermelhas) e possuem toxina que relacionada a uma potente neurotoxina (algas do gênero Alexandrium). Pfiesteria é outro gênero de dinoflagelado tóxico e os esporos infectam peixes e as neurotoxinas destroem a pele dos animais infectados possibilitando o desenvolvimento de patógenos bacterianos, inclusive 1 bilhão de peixes foram mortos devido ao surto dessa alga no Estuário Nuese, na Carolina do Norte, EUA. . 5.2. Protozoários O termo protozoário deriva do grego e significa “primeiro animal” é que durante muito tempo eles foram classificados como animais microscópicos, mas atualmente essa classificação mudou. Na realidade, os protozoários são Protistas unicelulares, eucariontes, heterotróficos e com capacidade de locomoção. Os protozoários por serem heterotróficos dependem de outros seres vivos para obter seus alimentos. Podem se alimentar de bactérias ou outros protistas ou, então, absorvem substâncias orgânicas da matéria em decomposição. Alguns são parasitas, vivendo no corpo de outros seres vivos podendo lhes causar doenças. Há aqueles que, embora vivendo dentro do corpo de seres vivos, lhes trazem benefícios, como é o caso de algumas espécies que vivem no intestino dos cupins fazendo a digestão da celulose que esses insetos comem. A maioria dos protozoários se reproduz assexuadamente por cissiparidade ou divisão binária. A célula cresce até um determinado tamanho, se divide ao meio, originando os novos seres vivos. Mas existem também algumas espécies que se reproduzem sexuadamente. • Distinguem-se: - Dos procariotos por sua natureza eucariótica e tamanho geralmente maior. - Das algas por serem desprovidos de clorofila - Das leveduras (fungos) pela mobilidade e ausência de parede celular
  41. 41. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 41 - Dos bolores (fungos) pela incapacidade de formar corpos de frutificação. • São filogeneticamente diversos, estando presentes em várias linhagens da árvore de Eukarya. O protozoários possuem diferentes formas de locomoção, que têm sido consideradas a principal característica para classificá-los em diferentes grupos. São eles: sarcodíneos, ciliados, flagelados e esporozoários. Sarcodíneos São os protozoários que se locomovem e capturam seus alimentos por pseudópodos. As amebas são os principais representantes desse grupo. Alguns tipos de amebas são de vida livre, mas há também espécies parasitas do homem e de outros animais, podendo inclusive causar doenças. A forma como as amebas usam os pseudópodos para se alimentar é muito interessante e é chamada de fagocitose. Observe a figura para entender como acontece. Ao entrar em contato com alguma partícula alimentar, a ameba estende pseudópodos e circula o alimento, que é então levado para dentro do citoplasma da célula onde será digerido. Um grupo de protozoários, aparentado da ameba, tem habitado os mares desde muito tempo, são os foraminíferos. Eles possuem uma carapaça rica em cálcio e silício. Ao longo do tempo, as carapaças desses organismos foram se acumulado no fundo dos oceanos, originando as rochas sedimentares calcárias. Sabe-se que determinados tipos de foraminíferos estão relacionados com a formação de petróleo. Durante as perfurações, a presença de foraminíferos indica para os geólogos a possibilidade da existência de petróleo.
  42. 42. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 42 Ciliados Os ciliados apresentam um grande número de pequenos filamentos em volta do corpo chamados cílios, que servem para locomoção e captura de alimentos. É o movimento da água produzido pelo batimento dos cílios que ajuda o protozoário na obtenção do alimento. A maioria dos ciliados é de vida livre. O paramécio é o mais comum deles em água doce. Alimenta-se de microrganismos como bactérias, algas e leveduras. Flagelados Os protozoários flagelados possuem longos e delicados filamentos chamados flagelos, geralmente um ou dois, mas algumas espécies chegam a ter vários deles. Esses filamentos são usados para a locomoção e obtenção de alimentos. Muitos flagelados têm vida livre e outros são parasitas que ocasionam doenças no ser humano. Mastigophora: os flagelados • São móveis pela ação do flagelo • Muitos são de vida livre • Outros são parasitas e/ou patogênicos • Os mais importantes são os tripanossomas Euglenóides: flagelados fototróficos
  43. 43. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 43 • Flagelados contendo cloroplastos (classificados como algas): permite o crescimento fotossintético • Na ausência de luz são capazes de crescer utilizando matéria orgânica (fonte de C e energia), tornando-se indistinguíveis dos demais protozoários. • Não são patogênicos. Esporozoários São protozoários que não possuem nenhum tipo estrutura de locomoção, como pseudópodos, cílios ou flagelos, alguns se movem por modificações na forma do corpo. Possuem o corpo arredondado ou alongado. Todos são parasitas e o alimento é absorvido diretamente do hospedeiro. Apicomplexa (esporozoários) • São parasitas obrigatórios. • Não formam esporos verdadeiros como os de fungos, mas sim uma estrutura análoga, relacionada com sua transmissão. O alimento é absorvido na forma solúvel, como nas bactérias • A malária é uma doença causada por esporozoários do gênero Plasmodium, transmitidos pelo mosquito Anopheles, é uma doença tropical e parasitária que mais causa problemas sociais e econômicos no mundo, só superada pela aids. Doenças causadas por protozoários Alguns protozoários podem causar doenças sérias no homem, muitas delas são de difícil cura e outras ainda são incuráveis. Algumas merecem mais destaque devido a sua grande incidência, atingindo um grande número de pessoas no Brasil e no mundo. São elas: Disenteria amebiana ou amebíase – causada pela Entamoeba histolytica. Doença de Chagas – causada por um protozoário flagelado, o Trypanosoma cruzi Malária – o Plasmodio vivax é o protozoário causador da malária Toxoplasmose – causada pelo protozoário Toxoplasma gondii 6.VÍRUS
  44. 44. Microbiologia Aplicada – Prof. Amanda Fraga 44 O termo vírus (do latim veneno) era empregado na Antigüidade como sinônimo de veneno e se referia ao agente de natureza desconhecida, que provocavam doenças. A descoberta dos vírus deve-se ao biólogo russo Dimitri Ivanovski pesquisador do agente causador da doença que atacava as folhas do tabaco com a qual se fabricava o fumo, impedindo o crescimento da planta, deixando suas folhas com manchas que lembravam um desenho do tipo mosaico, por isso era conhecido como “mosaico do fumo”, podendo, inclusive, levá-la à morte. Em 1935, o norte-americano Stanley conseguiu isolar a partícula que causava o mosaico, a partir de um concentrado feito com uma tonelada de folhas contaminadas. Ele foi purificando esse suco até chegar a “cristais” em forma de agulhas. Alguns anos mais tarde, com a descoberta do microscópio eletrônico, esses cristais puderam ser observados e estudados e se conheceram melhor sua estrutura e a forma como eles atuam. Extremamente pequenos e visíveis apenas ao microscópio eletrônico, os vírus são constituídos por uma cápsula orgânica de natureza basicamente protéica, que abriga em seu interior o material genético viral. São tão pequenos que passam através dos filtros cujos poros não permitem a passagem das bactérias. O maior vírus tem menos do que a quarta parte das dimensões de uma salmonela e milhares dos de menor tamanho poderiam ser colocados dentro da parede celular vazia de um estafilococo. Ao contrário dos demais seres vivos, que possuem DNA e RNA, os vírus são portadores apenas de um tipo de ácido nucléico: DNA ou RNA. Apesar de possuírem material genético, os vÀ

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